JP2004031232A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To stably supply hydrogen to a fuel cell body by suppressing fluctuation in hydrogen electrode inlet flow and hydrogen electrode inlet pressure triggered by a variation in circulating hydrogen flow. <P>SOLUTION: From an output from a load current sensor 15, a hydrogen consumption in the fuel cell body 2 is computed, and from the computed hydrogen consumption, a flow of feed hydrogen detected by a feed hydrogen flow sensor 8, and a flow of circulating hydrogen detected by a circulating hydrogen flow sensor 12, a pressure variation at a hydrogen electrode inlet of the fuel cell body 2 is predicted. At least any of a demand load current value, the circulating hydrogen flow and the feed hydrogen flow is controlled to reduce the deviation of the predicted pressure value from a given target pressure. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池本体に水素及び空気を供給して発電させる燃料電池システムに関し、特に、燃料電池本体で未使用の水素を燃料電池本体の入口側へと循環させる水素循環形式の燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムは、燃料電池本体の水素極に水素ガス、空気極に空気をそれぞれ供給して、燃料電池本体において水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。このような燃料電池システムは、例えば自動車の動力源等としての実用化に大きな期待が寄せられており、現在、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。
【０００３】
燃料電池システムに用いられる燃料電池本体としては、特に自動車に搭載する上で好適なものとして、固体高分子タイプの燃料電池本体が知られている。この固体高分子タイプの燃料電池本体は、水素極と空気極との間に膜状の固体高分子が設けられたものであり、この固体高分子膜が水素イオン伝導体として機能するようになっている。この固体高分子タイプの燃料電池本体では、水素極で水素ガスが水素イオンと電子とに分離される反応が起き、空気極で酸素ガスと水素イオンと電子とから水を生成する反応が行われる。このとき、固体高分子膜がイオン伝導体として機能し、水素イオンは固体高分子膜を空気極に向かって移動することになる。
【０００４】
ところで、固体高分子膜をイオン伝導体として機能させるためには、この固体高分子膜にある程度の水分を含ませておく必要がある。このため、このような固体高分子タイプの燃料電池本体を用いた燃料電池システムでは、水素ガスを加湿装置により加湿した状態で燃料電池本体に供給することで、燃料電池本体の固体高分子膜を加湿することが一般に行われている。
【０００５】
また、固体高分子膜を加湿する上で有効な方法として、燃料電池本体で未使用の水素ガスを再度燃料電池本体へと循環させて再利用する水素循環形式の燃料電池システムが知られている。この水素循環形式の燃料電池システムでは、燃料電池本体外部に接続した負荷で消費する電力に要する水素量より幾分多めの水素ガスを燃料電池の水素極へと供給し、未使用の水素ガスを水素極出口から排出させて、この排水素（以下、循環水素という。）を再度、燃料電池本体の水素極入口へ戻して再利用するようにしている。水素極出口から排出される循環水素は水蒸気を多く含んでいるため、この水蒸気を多く含んだ循環水素が水素タンクからの乾燥している水素に混合されて燃料電池本体の水素極へ供給されることによって、燃料電池本体の固体高分子膜が加湿されることになる。
【０００６】
以上のような水素循環型の燃料電池システムにおいて、循環水素の流量が多い場合は水素利用率が低いと言われ、循環水素流量が少ない場合は水素利用率が高いと言われる。この水素利用率には燃料電池本体での発電量に対応した適当な値があることが知られており、燃料電池本体での発電量に応じて循環水素流量を変更し、水素利用率を変えることが一般に行われている。なお、燃料電池本体内部に滞留した過剰水分を外部に放出する水分パージを行う際にも、循環水素流量の変更が要求されることになる。
【０００７】
以上のように循環水素流量を変更する例としては、例えば、特開平９−２１３３５３号公報にて開示される技術や、特開平１０−２２３２４４号公報にて開示される技術が提案されている。これらの例では、燃料電池本体での発電量が変わった場合に、水素利用率が適正値になるように循環水素流量を制御するようしている。水素利用率が適正値にある場合は、水素ガスが燃料電池本体に積層されたセルにむらなく伝わり発電が効率的になる。また水素極加湿の面でも効果的である。
【０００８】
燃料電池本体での発電が活発な高負荷時には、水素イオンが固体高分子膜を活発に移動する。このとき、固体高分子膜に含まれる水分も移動するため、高負荷時には、水素ガスの加湿を多めにする必要がある。この場合、循環水素量を増やしてやれば（水素利用率を下げる）よい。一方、低負荷時には、水素イオンが固体高分子膜を移動する量が減り、固体高分子膜の水分移動も減少するため、高負荷の時と同じ加湿を行っていると、加湿過剰になり、水素極に水滴を生じ、水滴が水素極の水素ガス経路を塞いでしまう。こうなると、発電効率の悪化を招き、著しい場合にはセル電圧が下限以下に低下し、発電を継続できなくなる。したがって、低負荷時には、循環水素量を減らす（水素利用率を高くする）ようにする。
【０００９】
以上のように、負荷に応じて水素利用率を適正値に維持する必要がある。循環流量を変更するためには、循環経路の水素流量を変更させるポンプ、或いはエゼクタを使う例、ポンプと循環流量制御弁を組み合わせて使用する例が示されている。また、特開平６−２３１７８６号公報や、特開平７−２４０２２０号公報には、水素循環経路に循環水素ポンプを設けると共にこの循環水素ポンプ入口に流量制御弁を設けて、循環水素ポンプまたは流量制御弁を制御する例が開示されている。これらの例では、循環水素ポンプが可変でないため、流量制御弁開度を調整するようにしている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来例では、循環水素流量を増加する場合、増加分の水素は水素タンクから供給されるようになっている。この場合、循環水素流量増加のために必要な分だけ水素タンクから供給される水素量が増加する（水素タンクから供給する水素流量制御バルブ開度を変更する）ことになる。この水素増加分は燃料電池本体の水素極に到達した後、水素極出口から排出されて、循環経路を通って水素極入口側へ戻る。そして、水素タンクから供給される水素と合流して燃料電池水素極へと再び供給されることになる。
【００１１】
ここで、循環水素増加のために水素タンクから供給する水素を増加した後、水素増加分が循環経路を通過（一巡）して水素タンクから供給される水素と合流するまでに、時間的な遅れが生じることになる。そして、この増加分の水素が遅れをもって水素タンクから供給される水素と合流したとき、これらの合流が燃料電池本体の水素極入口圧力、水素極入口流量に影響を及ぼし、これが引き金となって、水素極入口流量と水素極入口圧力とが互いに干渉してふらつきを生じさせ、燃料電池本体に水素を安定して供給できない状況が生じる。また、これに同期して、循環水素流量にもふらつきが生じることになる。そして、この循環水素流量のふらつきが引き金となって、再度、水素極入口流量と水素極入口圧力との干渉を生じさせ、このサイクルが延々と続くことになる。このため、水素極入口流量と水素極入口圧力とにふらつきが生じる期間が長く続き、燃料電池本体に水素を安定して供給できない状況が長くなるといった問題が生じていた。
【００１２】
本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて創案されたものであって、循環水素流量を変更したことが引き金となって生じる水素極入口流量と水素極入口圧力のふらつきを抑制し、燃料電池本体に水素を安定的に供給できるようにした燃料電池システムを提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池本体と、水素供給装置と、空気供給装置と、循環水素ポンプと、原料水素流量検出手段と、循環水素流量検出手段と、水素消費量算出手段と、水素極圧力変化予測手段とを備えている。なお、ここで言う循環水素ポンプとは、前述と同様、循環経路の水素流量を変更させる通常の圧送型ポンプやエゼクタポンプ、あるいはそれらを併用したものの類を指す。
【００１４】
そして、燃料電池本体に対して水素供給装置から水素が供給され、空気供給装置から空気が供給されて燃料電池本体が発電し、外部負荷に負荷電流が供給されるようになっている。また、この燃料電池システムにおいて、燃料電池本体から排出される排水素は、循環水素ポンプによって燃料電池本体の入口側へと循環され、水素供給装置から供給される水素と合流して再度燃料電池本体へと供給されるようになっている。
【００１５】
また、この燃料電池システムにおいて、水素供給装置から前記燃料電池に供給される水素流量は原料水素流量検出手段によって検出され、循環水素ポンプにより燃料電池本体の入口側へと循環される水素流量は循環水素流量検出手段によって検出される。また、燃料電池本体から外部負荷へと供給される負荷電流は負荷電流検出手段によって検出され、この負荷電流検出手段からの出力に基づいて、燃料電池本体で消費した水素量が水素消費量算出手段によって算出される。そして、これら原料水素流量検出手段からの出力と循環水素量検出手段からの出力と水素消費量算出手段からの出力とに基づいて、前記燃料電池本体の水素極入口の圧力変化が水素極圧力変化予測手段によって予測され、この水素極圧力変化予測手段からの出力と所定の目標圧力との偏差を低減させるように、燃料電池本体に対して外部負荷が要求する要求負荷電流値、循環水素ポンプにより燃料電池本体の入口側へと循環される水素流量、水素供給装置から燃料電池本体に供給される水素流量の少なくとも何れかが操作されるようになっている。
【００１６】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池システムによれば、水素供給装置からの原料水素流量と、循環ポンプによって循環される循環水素流量と、負荷電流から算出される消費水素量とに基づいて燃料電池本体の水素極入口圧力変化が予測され、燃料電池本体に対して要求される要求負荷電流、循環水素ポンプにより循環される循環水素流量、水素供給装置から供給される原料水素流量の少なくとも何れかを操作することで、燃料電池本体の水素極入口圧力変化をキャンセルするようにしているので、循環水素流量増加のために水素供給装置から供給される原料水素が増加した後、水素増加分が排水素（循環水素）として燃料電池本体から排出され、循環ポンプによって循環されて水素供給装置から供給される原料水素と合流したときに、これが引き金となって生じる水素極入口圧力、水素極入口流量への影響を防止することができ、水素極入口流量と水素極入口圧力とが互いに干渉してふらつきを生じさせて燃料電池本体に水素を安定して供給できない状況が長くなるといった不具合を有効に防止することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態について図１を参照して説明する。この第１の実施形態の燃料電池システム１は、電解質として固体高分子膜を有する固体高分子タイプの燃料電池本体２を備えている。この燃料電池本体２は、空気極に供給される空気中の酸素と水素極に供給される水素とを電気化学的に反応させて発電するものである。
【００１９】
燃料電池本体２の空気極入口には、空気供給用配管部材３を介してコンプレッサ等の空気供給装置４が接続されている。そして、空気供給装置４により流量及び圧力が調整された空気が、空気供給用配管部材３を通って燃料電池本体２の空気極入口に供給されるようになっている。また、燃料電池本体２の空気極入口前段には空気極入口圧力センサ（空気極入口圧力検出手段）５が配設されており、燃料電池本体２の空気極入口圧力が、この空気極入口圧力センサ５によって検出されるようになっている。
【００２０】
燃料電池本体２の水素極入口には、水素用配管部材６を介して水素供給装置７が接続されている。この水素供給装置７は、例えば水素タンクや流量制御弁、この流量制御弁の開度を制御する流量制御装置等を有しており、目標流量の水素ガス（以下、原料水素という。）を燃料電池本体２の水素極入口側に供給できるようになっている。この水素供給装置７の出口側には、原料水素流量センサ（原料水素流量検出手段）８が配設されており、この原料水素流量センサ８によって水素供給装置７から燃料電池本体２の水素極入口側へと供給される原料水素の流量が検出されるようになっている。また、燃料電池本体２の水素極入口前段には、水素極入口圧力センサ９が配設されており、燃料電池本体２の水素極入口圧力が、この水素極入口圧力センサ９によって検出されるようになっている。
【００２１】
また、この燃料電池システム１は水素循環型として構成されており、燃料電池本体２での発電に使用されずに燃料電池本体２から排出された排水素（循環水素）の経路となる循環水素用配管１０が設けられている。そして、この循環水素用配管１０の中途部に循環水素ポンプ１１が配設されており、燃料電池本体２から排出された水蒸気を多く含む循環水素が、循環水素ポンプ１１の駆動によって、循環水素用配管１０を通って燃料電池本体２の水素極入口側へと循環され、水素供給装置７から供給される原料水素と合流するようになっている。したがって、この燃料電池システム１では、水素供給装置７から供給される原料水素と水蒸気を多く含む循環水素との混合水素が、燃料電池本体２の水素極入口に供給されることになる。また、循環水素ポンプ１１の後段には、循環水素流量センサ（循環水素流量検出手段）１２が配設されており、この循環水素流量センサ１２によって、循環水素ポンプ１１の駆動により燃料電池本体２の水素極入口側へと循環される循環水素の流量が検出されるようになっている。
【００２２】
燃料電池システム１では、以上のように、水蒸気を多く含む循環水素を原料水素と混合して燃料電池本体２の水素極に供給することによって、燃料電池本体２の固体高分子膜を加湿するようにしている。また、この燃料電池システム１では、加湿効果を更に良好なものとするために、水素供給装置７の後段に加湿器１３を別途設置するようにしている。したがって、燃料電池本体２の水素極入口には、加湿器１３を通過することで加湿された原料水素と循環水素との混合水素が供給され、燃料電池本体２の固体高分子膜が十分に加湿されることになる。
【００２３】
また、燃料電池本体２には、当該燃料電池本体２で発電した電力を消費する外部負荷１４が接続されている。具体的には、外部負荷１４として例えばインバータが燃料電池本体２に接続され、燃料電池本体２で発電した電力がこのインバータでエネルギ変換されて駆動モータ等へ供給されるようになっている。この駆動モータは、燃料電池システム１を車両に適用した場合には車両走行の動力として使用されることになる。また、燃料電池本体２と外部負荷１４との間には、負荷電流センサ（負荷電流検出手段）１５が配設されており、この負荷電流センサ１５によって燃料電池本体２から外部負荷１４へと供給される負荷電流が検出されるようになっている。なお、燃料電池本体２の発電量は、外部負荷１４で要求される要求負荷電流に応じて決定され、この要求負荷電流に相当する電力が燃料電池本体２から負荷電流として取り出されることになる。
【００２４】
また、燃料電池システム１は、本発明の要部となるコントローラ１６を備えている。このコントローラ１６は、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ周辺回路等を備え、これらがバスを介して接続されたマイクロプロセッサ構成を有している。そして、このコントローラ１６では、ＣＰＵがＲＡＭをワークエリアとして利用してＲＯＭに格納された制御プログラムを実行することによって、水素消費量算出手段１７としての機能と、水素極圧力変化予測手段１８としての機能と、水素極入口圧力調整手段１９としての機能とが実現されるようになっている。
【００２５】
水素消費量算出手段１７は、負荷電流センサ１５により検出された負荷電流、すなわち燃料電池本体２から外部負荷１４へと供給される負荷電流の電流値に基づいて、燃料電池本体２で消費した水素量を算出するものである。
【００２６】
また、水素極圧力変化予測手段１８は、原料水素流量センサ８からの出力、すなわち水素供給装置７から供給される原料水素の流量と、循環水素流量センサ１２からの出力、すなわち循環ポンプ１１の駆動により循環される循環水素の流量と、水素消費量算出手段１７からの出力、すなわち燃料電池本体２で消費した水素量とに基づいて、燃料電池本体２の水素極入口の圧力変化を予測するものである。
【００２７】
また、水素極入口圧力調整手段１９は、水素極圧力変化予測手段１８からの出力、すなわち燃料電池本体２に供給される原料水素の流量及び循環水素の流量と燃料電池本体２で消費される水素量とから予測される燃料電池本体２の水素極入口圧力と、所定の目標圧力（以下、水素極目標圧力という。）との偏差を低減させるように、燃料電池本体２に対して外部負荷１４が要求する要求負荷電流値、或いは循環水素ポンプ１１の駆動により燃料電池本体２の水素極入口側へと循環される循環水素の流量、或いは水素供給装置７から燃料電池本体２に供給される原料水素の流量の少なくとも何れかを操作するものである。
【００２８】
具体的には、この水素極入口圧力調整手段１９は、水素極圧力変化予測手段１８によって予測された燃料電池本体２の水素極入口圧力を予め設定された水素極目標圧力と比較して、予測された圧力が水素極目標圧力に満たない場合には、その差分をキャンセルするように、要求負荷電流値を減らすための操作量を算出し、或いは循環水素の流量を増加させるための操作量を算出し、或いは原料水素の流量を増加させるための操作量を算出する。一方、予測された圧力が水素極目標圧力を超える場合には、その差分をキャンセルするように、要求負荷電流値を増加させるための操作量を算出し、或いは循環水素の流量を減らすための操作量を算出し、或いは原料水素の流量を減らすための操作量を算出する。そして、この水素極入口圧力調整手段１９によって算出された操作量に応じて、外部負荷１４が燃料電池本体２に対して要求する要求負荷電流値が操作され、或いは循環水素ポンプ１１が操作され、或いは水素供給装置７が操作されることで、燃料電池本体２の水素極入口圧力と、水素極目標圧力との偏差が低減されるようになっている。
【００２９】
以上のような水素極入口圧力調整手段１９による操作量の算出方法としては様々な手法が考えられ、例えば図２に示すような方式が採用可能である。この図２に示す方式は制御理論でよく知られた形態であり、内部モデル予測制御とも呼ばれるものである。この図２に示される内部モデルに、水素極圧力変化予測手段１８によって予測された燃料電池本体２の水素極入口圧力を当てはめれば、上述した要求負荷電流値の操作量、或いは循環水素流量の操作量、或いは原料水素流量の操作量が算出されることになる。なお、水素極入口圧力調整手段１９は、要求負荷電流値と循環水素流量と原料水素流量のうちの何れか２つ、或いは全てを操作することで、予測された燃料電池本体２の水素極入口圧力と水素極目標圧力との偏差を低減させるようにしてもよい。
【００３０】
以上説明したように、本発明を適用した燃料電池システム１によれば、コントローラ１６に水素消費量算出手段１７としての機能と、水素極圧力変化予測手段１８としての機能と、水素極入口圧力調整手段１９としての機能が実現され、水素極圧力変化予測手段１８によって燃料電池本体２の水素極入口圧力変化が予測され、水素極入口圧力調整手段１９によって燃料電池本体２に対して要求される要求負荷電流値、循環水素ポンプ１１により循環される循環水素流量、水素供給装置７から供給される原料水素流量の少なくとも何れかが操作されて、燃料電池本体２の水素極入口圧力変化がキャンセルされるようになっているので、循環ポンプ１１によって循環された循環水素が水素供給装置７から供給される原料水素と合流したときに、これが引き金となって生じる水素極入口圧力、水素極入口流量への影響を防止することができる。したがって、この燃料電池システム１では、水素極入口流量と水素極入口圧力とが互いに干渉してふらつきが生じ、燃料電池本体２に水素を安定して供給できない状況が長くなるといった不具合を有効に防止することができる。
【００３１】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について図３及び図４を参照して説明する。この第２の実施形態の燃料電池システムは、基本構成を上述した第１の実施形態の燃料電池システム１と同様とし、コントローラでの処理内容が、上述した燃料電池システム１と異なるものである。以下、この第２の実施形態の燃料電池システムの特徴点であるコントローラの処理について、上述した燃料電池システム１と同様の構成については同一の符号を付して説明する。
【００３２】
第２の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラ２０は、上述した燃料電池システム１が備えるコントローラ１６と同様のマイクロプロセッサ構成を有している。そして、このコントローラ２０では、ＣＰＵがＲＡＭをワークエリアとして利用してＲＯＭに格納された制御プログラムを実行することによって、図３に示すように、水素消費量算出手段２１としての機能と、第１の水素極圧力変化予測手段２２としての機能と、要求負荷電流値操作量算出手段２３としての機能と、要求負荷電流値操作量制限手段２４としての機能と、消費水素量予測手段２５としての機能と、第２の水素極圧力変化予測手段２６としての機能と、循環水素流量操作量算出手段２７としての機能とが実現されるようになっている。
【００３３】
水素消費量算出手段２１は、上述した燃料電池システム１のコントローラ１６で実現される水素消費量算出手段１７と同様に、負荷電流センサ１５により検出された負荷電流、すなわち燃料電池本体２から外部負荷１４へと供給される負荷電流の電流値に基づいて、燃料電池本体２で消費した水素量を算出するものである。
【００３４】
また、第１の水素極圧力変化予測手段２２は、上述した燃料電池システム１のコントローラ１６で実現される水素極圧力変化予測手段１８と同様に、原料水素流量センサ８からの出力、すなわち水素供給装置７から供給される原料水素の流量と、循環水素流量センサ１２からの出力、すなわち循環ポンプ１１の駆動により循環される循環水素の流量と、水素消費量算出手段２１からの出力、すなわち燃料電池本体２で消費した水素量とに基づいて、燃料電池本体２の水素極入口の圧力変化を予測するものである。
【００３５】
要求負荷電流値操作量算出手段２３は、第１の水素極圧力変化予測手段２２からの出力、すなわち予測される燃料電池本体２の水素極入口圧力を、予め設定された水素極目標圧力と比較して、予測された圧力が水素極目標圧力に満たない場合には、その差分をキャンセルするように、要求負荷電流値を減らすための操作量を算出し、予測された圧力が水素極目標圧力を超える場合には、その差分をキャンセルするように、要求負荷電流値を増加させるための操作量を算出するものである。
【００３６】
要求負荷電流値操作量制限手段２４は、要求負荷電流値操作量算出手段２３によって算出された操作量で要求負荷電流値を操作した場合に、この操作後の要求負荷電流値が所定の上限値或いは下限値を超えるかどうかを判断し、操作後の要求負荷電流値が所定の上限値或いは下限値を超える場合には、要求負荷電流値の操作量を制限するものである。この要求負荷電流値の上限値及び下限値は、燃料電池本体２の性能や外部負荷１４の性能、２次バッテリを備える場合にはその性能等によって求められる値であり、予め設定されて記憶されている。
【００３７】
消費水素量予測手段２５は、要求負荷電流値操作量制限手段２４によって要求負荷電流値の操作量が制限された場合に、この制限された操作量で操作した後の要求負荷電流値に基づいて、燃料電池本体２で消費する水素量を予測するものである。
【００３８】
第２の水素極圧力変化予測手段２６は、消費水素量予測手段２５からの出力、すなわち制限された操作量で操作した後の要求負荷電流値から予測される燃料電池本体２での水素消費量と、原料水素流量センサ８からの出力、すなわち水素供給装置７から供給される原料水素の流量と、循環水素流量センサ１２からの出力、すなわち循環ポンプ１１の駆動により循環される循環水素の流量とに基づいて、燃料電池本体２の水素極入口の圧力変化を予測するものである。要求負荷電流値操作量制限手段２４によって要求負荷電流値の操作量が制限された場合には、この制限された要求負荷電流の操作のみでは、水素極入口圧力を上述した水素極目標圧力にできないことになる。この圧力偏差がどのくらい残るかが、第２の水素極圧力予測手段２６で予測されることになる。
【００３９】
循環水素流量操作量算出手段２７は、第２の水素極圧力変化予測手段２６からの出力、すなわち要求負荷電流値を操作した後の予測される燃料電池本体２の水素極入口圧力と、上述した水素極目標圧力との差分を算出して、その差分をキャンセルするように、循環水素ポンプ１１の駆動により循環される循環水素の流量を増減するための操作量を算出するものである。すなわち、要求負荷電流値操作量制限手段２４によって要求負荷電流値の操作量が制限された場合には、上述したように、要求負荷電流値の操作のみでは水素極入口圧力を上述した水素極目標圧力にできないことになる。循環水素流量操作量算出手段２７は、この圧力偏差分を循環水素流量の操作でキャンセルするように、循環水素ポンプ１１の駆動により循環される循環水素の流量を増減するための操作量を算出する。
【００４０】
以上のようなコントローラ２０を有する燃料電池システムでは、このコントローラ２０による処理により、要求負荷電流値操作量算出手段２３によって算出された操作量に応じて要求負荷電流値が操作され、この要求負荷電流値の操作量が燃料電池本体２の性能や外部負荷１４の性能等により制限される場合には、循環水素流量操作量算出手段２７によって算出された操作量に応じて循環水素ポンプ１１が操作されて循環水素流量が増減されることで、要求負荷電流値の操作量の不足分が補われて、燃料電池本体２の水素極入口圧力と、水素極目標圧力との偏差が大幅に低減されるようになっている。
【００４１】
ここで、以上のようなコントローラ２０による処理の一例について、図４のフローチャートを参照して具体的に説明する。
【００４２】
コントローラ２０は、まず、ステップＳ１−１において、循環水素流量増加要求があるかどうかを判定する。ここで、循環水素流量増加要求は図示しない他の制御手段で設定される。具体的には、例えば、目標値設定手段を設けて、燃料電池本体２の水素極圧力、負荷電流、電圧、２次バッテリをもつシステムに応用した場合にはバッテリ電圧、冷却システムをもつようにした場合は水素極入口温度と出口温度、更にはナビゲーションシステムの情報による登り、下り、路面情報などに基づいて、循環水素流量増加要求を決定すようにしてもよい。
【００４３】
ステップＳ１−１において循環水素流量増加要求がある場合には、コントローラ２０は、次に、ステップＳ１−２において、循環水素流量増加分を加算した量の原料水素が水素供給装置７から供給されるように、水素供給装置７に対して増加要求を出力する。また、同時に、循環水素ポンプ１１に対しても、回転数を増加させる旨の指令を出力する。
【００４４】
次に、コントローラ２０は、ステップＳ１−３において、水素消費量算出手段２１として機能して、負荷電流センサ１５からの出力（燃料電池本体２から取り出された負荷電流値）に基づいて、燃料電池本体２で消費している水素量を算出する。ここで、燃料電池本体２で消費している消費水素量ＱＬは、下記式（１）で示される関係式により算出される。なお、下記式（１）において、係数は燃料電池本体２の構成によって決める任意の定数であり、本例では７．０に設定される。また、本例ではセル数は４２０である。また、取り出し負荷電流値は負荷電流センサ１５の出力値である。
【００４５】
【数１】
消費水素量ＱＬ［ＮＬ／ｍｉｎ］＝係数×燃料電池本体のセル数×取り出し負荷電流値［Ａ］　・・・（１）
次に、コントローラ２０は、ステップＳ１−４において、第１の水素極圧力変化予測手段２２として機能して、原料水素流量センサ８からの出力（原料水素の流量）と、循環水素流量センサ１２からの出力（循環水素の流量）と、ステップＳ１−３で算出した消費水素量ＱＬとに基づいて、燃料電池本体２の水素極入口の圧力変化を予測する。ここで、圧力予測値Ｐｐｒｅｄは、下記式（２）で示される関係式により求められる。なお、下記式（２）において、Ｑ２２は循環水素流量センサ８の出力値であり、Ｇ２２は遅れ特性と係数（本例では簡単に１次遅れとしている）である。ｓはラプラス演算子を示す。
【００４６】
【数２】
圧力予測値Ｐｐｒｅｄ（ｓ）＝｛原料水素流量センサ指示値（ｓ）＋循環水素流量センサ指示値（ｓ）−消費水素量ＱＬ（ｓ）−Ｑ２２（ｓ）×Ｇ２２（ｓ）｝／　ｓ　・・・（２）
次に、コントローラ２０は、ステップＳ１−５において、要求負荷電流値操作量算出手段２３として機能して、ステップＳ１−４で予測した圧力予測値Ｐｐｒｅｄと水素極目標圧力との差分を計算して、この差分をキャンセルするように要求負荷電流値の操作量を算出する。例えば、水素極目標圧力−圧力予測値Ｐｐｒｅｄ＞０の場合には、要求負荷電流値を減らすようにその操作量を算出し、逆に、水素極目標圧力−圧力予測値Ｐｐｒｅｄ＜０の場合は、要求負荷電流値を増加させるようにその操作量を算出する。
【００４７】
次に、コントローラ２０は、ステップＳ１−６において、要求負荷電流値操作量制限手段２４として機能して、ステップＳ１−５で算出した要求負荷電流値の操作量に上限下限制限を加えるかどうかを判定する。ここで、判定の基準となる上限値及び下限値は、燃料電池本体２の性能や外部負荷１４の性能、２次バッテリを備える場合にはその性能等によって求められるものである。
【００４８】
そして、ステップＳ１−５で算出した要求負荷電流値の操作量に上限下限制限を加えない場合には、ステップＳ１−７において、算出された操作量に応じて要求負荷電流値が操作されて、燃料電池本体２の水素極入口圧力と水素極目標圧力との偏差が低減されることになる。一方、ステップＳ１−５で算出した要求負荷電流値の操作量に上限下限制限を加える場合には、ステップＳ１−８において、制限された操作量に応じて要求負荷電流値が操作されることになる。
【００４９】
制限された操作量に応じて要求負荷電流値が操作された場合には、コントローラ２０は、次に、ステップＳ１−９において、消費水素量予測手段２５として機能して、ステップＳ１−８で操作された後の要求負荷電流値（制限された操作量で操作された要求負荷電流値）に基づいて、燃料電池本体２で消費する水素量ＱＬを算出する。この燃料電池本体２で消費する消費水素量ＱＬは、上記式（１）で示される関係式により算出される。なお、ここでは、式（１）における取り出し負荷電流値は、ステップＳ１−８で操作された後の要求負荷電流値（制限された操作量で操作された要求負荷電流値）である。
【００５０】
次に、コントローラ２０は、ステップＳ１−１０において、第２の水素極圧力変化予測手段２６として機能して、ステップＳ１−９で算出された消費水素量（要求負荷電流値操作後の消費水素量）ＱＬと、原料水素流量センサ８からの出力（原料水素の流量）と、循環水素流量センサ１２からの出力（循環水素の流量）とに基づいて、燃料電池本体２の水素極入口の圧力変化を予測する。ここで、圧力予測値Ｐｐｒｅｄは、上記式（２）で示される関係式により算出される。なお、ここでは、式（２）における消費水素量ＱＬは、ステップＳ１−９で算出された要求負荷電流値操作後の消費水素量である。
【００５１】
次に、コントローラ２０は、ステップＳ１−１１において、循環水素流量操作量算出手段２７として機能して、ステップＳ１−１０で予測した圧力予測値Ｐｐｒｅｄと水素極目標圧力との差分を計算して、この差分をキャンセルするように循環水素流量の操作量を算出する。例えば、水素極目標圧力−圧力予測値Ｐｐｒｅｄ＞０の場合には、循環水素流量を減らすように循環水素ポンプ１１の操作量を算出し、逆に、水素極目標圧力−圧力予測値Ｐｐｒｅｄ＜０の場合は、循環水素流量を増加させるように循環水素ポンプ１１の操作量を算出する。
【００５２】
そして、ステップＳ１−１２において、ステップＳ１−１１で算出された操作量に応じて循環水素ポンプ１１が操作されて循環水素流量が増減され、これにより要求負荷電流値の操作量の不足分が補われて、燃料電池本体２の水素極入口圧力と水素極目標圧力との偏差が大幅に低減されることになる。コントローラ２０は、以上の一連の処理を循環水素流量の増加要求がある度に繰り返し行って、燃料電池本体２の水素極入口圧力を水素極目標圧力に常時近づけるようにしている。
【００５３】
以上説明したように、第２の実施形態の燃料電池システムによれば、コントローラ２０に水素消費量算出手段２１、第１の水素極圧力変化予測手段２２、要求負荷電流値操作量算出手段２３、要求負荷電流値操作量制限手段２４、消費水素量予測手段２５、第２の水素極圧力変化予測手段２６、循環水素流量操作量算出手段２７としての各機能が実現されて、燃料電池本体２の水素極入口圧力変化をキャンセルするための要求負荷電流値操作量が算出され、この要求負荷電流値の操作量が燃料電池本体２の性能や外部負荷１４の性能、２次バッテリの性能等によって制限される場合には、その不足分を補うための循環水素流量操作量が算出されて、要求負荷電流値の操作と循環水素ポンプ１１の操作とによって、燃料電池本体２の水素極入口圧力と水素極目標圧力との偏差が大幅に低減されるようになっているので、燃料電池本体２の性能や外部負荷１４の性能、２次バッテリの性能等に拘わらず、循環ポンプ１１によって循環された循環水素が水素供給装置７から供給される原料水素と合流したときの水素極入口圧力、水素極入口流量への影響を効果的に防止することができる。したがって、この第２の実施形態の燃料電池システムでは、水素極入口流量と水素極入口圧力とが互いに干渉してふらつきが生じ、燃料電池本体２に水素を安定して供給できない状況が長くなるといった不具合を有効に防止することができる。
【００５４】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について図５及び図６を参照して説明する。この第３の実施形態の燃料電池システムは、基本構成を上述した第１の実施形態の燃料電池システム１と同様とし、コントローラでの処理内容が、上述した燃料電池システム１と異なるものである。そして、上述した第２の実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池本体２の水素極入口圧力変化をキャンセルするために算出した要求負荷電流値操作量が制限されたときに、その不足分を循環水素流量の操作（循環水素ポンプ１１の操作）によって補うようにしているのに対し、この第３の実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池本体２の水素極入口圧力変化をキャンセルするために算出した要求負荷電流値操作量が制限されたときに、その不足分を原料水素流量の操作（水素供給装置７の操作）によって補うようにした点を特徴としている。以下、この第３の実施形態の燃料電池システムの特徴点であるコントローラの処理について、上述した第１の実施形態の燃料電池システム１及び第２の実施形態の燃料電池システムと同様の構成については同一の符号を付して説明する。
【００５５】
第３の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラ３０は、上述した第１の実施形態の燃料電池システム１が備えるコントローラ１６、第２の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラ２０と同様のマイクロプロセッサ構成を有している。そして、このコントローラ３０では、ＣＰＵがＲＡＭをワークエリアとして利用してＲＯＭに格納された制御プログラムを実行することによって、図５に示すように、水素消費量算出手段２１としての機能と、第１の水素極圧力変化予測手段２２としての機能と、要求負荷電流値操作量算出手段２３としての機能と、要求負荷電流値操作量制限手段２４としての機能と、消費水素量予測手段２５としての機能と、第２の水素極圧力変化予測手段２６としての機能と、原料水素流量操作量算出手段３１としての機能とが実現されるようになっている。
【００５６】
すなわち、この第３の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラ３０は、第２の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラ２０で実現される循環水素流量操作量算出手段２７に代えて、原料水素流量操作量算出手段３１が実現されることを特徴としている。以下、第２の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラ２０で実現される機能と同様の機能については、重複した説明を省略する。
【００５７】
原料水素流量操作量算出手段３１は、第２の水素極圧力変化予測手段２６からの出力、すなわち要求負荷電流値を操作した後の予測される燃料電池本体２の水素極入口圧力と、上述した水素極目標圧力との差分を算出して、その差分をキャンセルするように、水素供給装置７から供給される原料水素の流量を増減するための操作量を算出するものである。すなわち、要求負荷電流値操作量制限手段２４によって要求負荷電流値の操作量が制限された場合には、上述したように、要求負荷電流の操作のみでは水素極入口圧力を上述した水素極目標圧力にできないことになる。原料水素流量操作量算出手段３１は、この圧力偏差分を原料水素流量の操作でキャンセルするように、水素供給装置７から供給される原料水素の流量を増減するための操作量を算出する。
【００５８】
以上のようなコントローラ３０を有する燃料電池システムでは、このコントローラ３０による処理により、要求負荷電流値操作量算出手段２３によって算出された操作量に応じて要求負荷電流値が操作され、この要求負荷電流値の操作量が燃料電池本体２の性能や外部負荷１４の性能等により制限される場合には、原料水素流量操作量算出手段３１によって算出された操作量に応じて水素供給装置７が操作されて原料水素流量が増減されることで、要求負荷電流値の操作量の不足分が補われて、燃料電池本体２の水素極入口圧力と、水素極目標圧力との偏差が大幅に低減されるようになっている。
【００５９】
ここで、以上のようなコントローラ３０による処理の一例について、図６のフローチャートを参照して具体的に説明する。なお、図６中のステップＳ２−１からステップＳ２−１０までの処理は、図４で示したコントローラ２０によるステップＳ１−１からＳ１−１０までの処理と同様であるので、重複した説明を省略する。
【００６０】
コントローラ３０は、ステップＳ２−１０で要求負荷電流値操作後における燃料電池本体２の水素極入口の圧力変化を予測すると、次に、ステップＳ２−１１において、原料水素流量操作量算出手段３１として機能して、ステップＳ２−１０で予測した圧力予測値Ｐｐｒｅｄと水素極目標圧力との差分を計算して、この差分をキャンセルするように、水素供給装置７から供給される原料水素流量の操作量を算出する。例えば、水素極目標圧力−圧力予測値Ｐｐｒｅｄ＞０の場合には、原料水素流量を減らすように水素供給装置７の操作量を算出し、逆に、水素極目標圧力−圧力予測値Ｐｐｒｅｄ＜０の場合は、原料水素流量を増加させるように水素供給装置７の操作量を算出する。
【００６１】
そして、ステップＳ２−１２において、ステップＳ２−１１で算出された操作量に応じて水素供給装置７が操作されて原料水素流量が増減され、これにより要求負荷電流値の操作量の不足分が補われて、燃料電池本体２の水素極入口圧力と水素極目標圧力との偏差が大幅に低減されることになる。コントローラ３０は、以上の一連の処理を循環水素流量の増加要求がある度に繰り返し行って、燃料電池本体２の水素極入口圧力を水素極目標圧力に常時近づけるようにしている。
【００６２】
以上説明したように、第３の実施形態の燃料電池システムによれば、コントローラ３０に水素消費量算出手段２１、第１の水素極圧力変化予測手段２２、要求負荷電流値操作量算出手段２３、要求負荷電流値操作量制限手段２４、消費水素量予測手段２５、第２の水素極圧力変化予測手段２６、原料水素流量操作量算出手段３１としての各機能が実現されて、燃料電池本体２の水素極入口圧力変化をキャンセルするための要求負荷電流値操作量が算出され、この要求負荷電流値操作量が燃料電池本体２の性能や外部負荷１４の性能、２次バッテリの性能等によって制限される場合には、その不足分を補うための原料水素流量操作量が算出されて、要求負荷電流値の操作と水素供給装置７の操作とによって、燃料電池本体２の水素極入口圧力と水素極目標圧力との偏差が大幅に低減されるようになっているので、燃料電池本体２の性能や外部負荷１４の性能、２次バッテリの性能等に拘わらず、循環ポンプ１１によって循環された循環水素が水素供給装置７から供給される原料水素と合流したときの水素極入口圧力、水素極入口流量への影響を効果的に防止することができる。したがって、この第３の実施形態の燃料電池システムでは、水素極入口流量と水素極入口圧力とが互いに干渉してふらつきが生じ、燃料電池本体２に水素を安定して供給できない状況が長くなるといった不具合を有効に防止することができる。
【００６３】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について図７及び図８を参照して説明する。この第４の実施形態の燃料電池システムは、基本構成を上述した第１の実施形態の燃料電池システム１と同様とし、コントローラでの処理内容が、上述した燃料電池システム１と異なるものである。そして、この第４の実施形態の燃料電池システムは、上述した第２の実施形態の燃料電池システムと同様に、要求負荷電流値操作量が制限された場合にその不足分を補うために循環水素流量を操作（循環水素ポンプ１１の操作）するようになっており、特に、この循環水素流量の操作量が更に制限された場合には、その不足分を原料水素流量の操作（水素供給装置７の操作）によって補うようにした点を特徴としている。以下、この第４の実施形態の燃料電池システムの特徴点であるコントローラの処理について、上述した第１の実施形態の燃料電池システム１及び第２の実施形態の燃料電池システムと同様の構成については同一の符号を付して説明する。
【００６４】
第４の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラ４０は、上述した第１の実施形態の燃料電池システム１が備えるコントローラ１６、第２の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラ２０、第３の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラ３０と同様のマイクロプロセッサ構成を有している。そして、このコントローラ４０では、ＣＰＵがＲＡＭをワークエリアとして利用してＲＯＭに格納された制御プログラムを実行することによって、図７に示すように、水素消費量算出手段２１としての機能と、第１の水素極圧力変化予測手段２２としての機能と、要求負荷電流値操作量算出手段２３としての機能と、要求負荷電流値操作量制限手段２４としての機能と、消費水素量予測手段２５としての機能と、第２の水素極圧力変化予測手段２６としての機能と、循環水素流量操作量算出手段２７としての機能と、循環水素流量操作量制限手段４１としての機能と、循環水素流量予測手段４２としての機能と、第３の水素極圧力変化予測手段４３としての機能と、原料水素流量操作量算出手段４４としての機能とが実現されるようになっている。
【００６５】
すなわち、この第４の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラ４０は、第２の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラ２０で実現される各機能に加えて、循環水素流量操作量制限手段４１、循環水素流量予測手段４２、第３の水素極圧力変化予測手段４３、原料水素流量操作量算出手段４４の各機能とが実現されることを特徴としている。以下、第２の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラ２０で実現される機能と同様の機能については、重複した説明を省略する。
【００６６】
循環水素流量操作量制限手段４１は、循環水素流量操作量算出手段２７によって算出された循環水素流量の操作量が所定の上限値或いは下限値を超えるかどうかを判断し、循環水素流量の操作量が所定の上限値或いは下限値を超える場合には、循環水素流量の操作量を制限するものである。この循環水素流量の操作量の上限値及び下限値は、循環水素ポンプ１１の性能によって求められる値である。すなわち、循環水素ポンプ１１による循環水素流量の可変範囲は、循環水素ポンプ１１の性能に応じて制約されており、流量可変範囲の狭い小型の循環水素ポンプ１１を用いた場合には、循環水素流量操作量算出手段２７によって算出された循環水素流量の操作量が循環水素ポンプ１１の流量可変範囲を超える場合がある。そこで、このような場合には、循環水素流量操作量制限手段４１が、循環水素流量の操作量を循環水素ポンプ１１の流量可変範囲内に制限するようにしている。
【００６７】
循環水素流量予測手段４２は、循環水素流量操作量制限手段４１によって循環水素流量の操作量が制限された場合に、この制限された操作量で操作した後の循環水素流量を予測するものである。この循環水素流量の予測値は、例えば、循環水素ポンプ１１の性能特性表をマップ化した関数を使って算出できる。
【００６８】
第３の水素極圧力変化予測手段４３は、消費水素量予測手段２５からの出力、すなわち制限された操作量で操作した後の要求負荷電流値から予測される燃料電池本体２での水素消費量と、循環水素流量予測手段４２からの出力、すなわち制限された操作量で操作した後の循環水素流量と、原料水素流量センサ８からの出力、すなわち水素供給装置７から供給される原料水素の流量とに基づいて、燃料電池本体２の水素極入口の圧力変化を予測するものである。要求負荷電流値操作量制限手段２４によって要求負荷電流値の操作量が制限され、更に、循環水素流量操作量制限手段４１によって循環水素流量の操作量が制限された場合には、この制限された要求負荷電流及び循環水素流量の操作のみでは、水素極入口圧力を上述した水素極目標圧力にできないことになる。この圧力偏差がどのくらい残るかが、第３の水素極圧力予測手段４３で予測されることになる。
【００６９】
原料水素流量操作量算出手段４４は、第３の水素極圧力変化予測手段４３からの出力、すなわち要求負荷電流値及び循環水素流量を操作した後の予測される燃料電池本体２の水素極入口圧力と、上述した水素極目標圧力との差分を算出して、その差分をキャンセルするように、水素供給装置７から供給される原料水素の流量を増減するための操作量を算出するものである。すなわち、要求負荷電流値操作量制限手段２４によって要求負荷電流値の操作量が制限され、更に、循環水素流量操作量制限手段４１によって循環水素流量の操作量が制限された場合には、上述したように、要求負荷電流値及び循環水素流量の操作のみでは水素極入口圧力を上述した水素極目標圧力にできないことになる。原料水素流量操作量算出手段４４は、この圧力偏差分を原料水素流量の操作でキャンセルするように、水素供給装置７から供給される原料水素の流量を増減するための操作量を算出する。
【００７０】
以上のようなコントローラ４０を有する燃料電池システムでは、このコントローラ４０による処理により、要求負荷電流値操作量算出手段２３によって算出された操作量に応じて要求負荷電流値が操作され、この要求負荷電流値の操作量が燃料電池本体２の性能や外部負荷１４の性能等により制限される場合には、循環水素流量操作量算出手段２７によって算出された操作量に応じて循環水素流量が操作され、更にこの循環水素流量の操作量が循環水素ポンプ１１の性能により制限される場合には、原料水素流量操作量算出手段４４によって算出された操作量に応じて水素供給装置７が操作されて原料水素流量が増減されることで、要求負荷電流値及び循環水素流量の操作量の不足分が補われて、燃料電池本体２の水素極入口圧力と、水素極目標圧力との偏差が大幅に低減されるようになっている。
【００７１】
ここで、以上のようなコントローラ４０による処理の一例について、図８のフローチャートを参照して具体的に説明する。なお、このコントローラ４０において、循環水素流量の操作量を算出するまでの処理は、図４で示したコントローラ２０によるステップＳ１−１からＳ１−１１までの処理と同様であるので、ここではそれ以降の処理についてのみ説明する。すなわち、図８中のステップＳ３−１以降の処理は、図４中のステップＳ１−１１の処理に続いて行われるものである。
【００７２】
図４中のステップＳ１−１１で循環水素流量の操作量が算出されると、コントローラ４０は、次に、ステップＳ３−１において、循環水素流量操作量制限手段４１として機能して、ステップＳ１−１１で算出した循環水素流量の操作量に上限下限制限を加えるかどうかを判定する。ここで、判定の基準となる上限値及び下限値は、循環水素ポンプ１１の性能によって求められるものである。
【００７３】
そして、ステップＳ１−１１で算出した要求負荷電流値の操作量に上限下限制限を加えない場合には、ステップＳ３−２において、算出された操作量に応じて循環水素ポンプ１１が操作されて循環水素流量が増減され、燃料電池本体２の水素極入口圧力と水素極目標圧力との偏差が低減されることになる。一方、ステップＳ１−１１で算出した循環水素流量の操作量に上限下限制限を加える場合には、ステップＳ３−３において、制限された操作量に応じて循環水素ポンプ１１が操作されて循環水素流量が増減されることになる。
【００７４】
制限された操作量に応じて循環水素ポンプ１１が操作された場合には、コントローラ４０は、次に、ステップＳ３−４において、循環水素流量予測手段４２として機能して、ステップＳ３−３で循環水素ポンプ１１が操作された後の循環水素流量を予測する。この循環水素流量の予測値は、例えば、循環水素ポンプ１１の性能特性表をマップ化した関数を使って算出される。
【００７５】
次に、コントローラ４０は、ステップＳ３−５において、第３の水素極圧力変化予測手段４３として機能して、図４中のステップＳ１−９で算出された消費水素量（要求負荷電流値操作後の消費水素量）ＱＬと、ステップＳ３−４で算出された循環水素流量（循環水素ポンプ１１操作後の循環水素流量）と、原料水素流量センサ８からの出力（原料水素の流量）とに基づいて、燃料電池本体２の水素極入口の圧力変化を予測する。ここで、圧力予測値Ｐｐｒｅｄは、下記式（３）で示される関係式により求められる。なお、下記式（３）において、循環水素流量予測値は、ステップＳ３−４で算出された循環水素ポンプ１１操作後の循環水素流量予測値であり、消費水素量ＱＬは、ステップＳ１−９で算出された要求負荷電流値操作後の消費水素量である。また、Ｑ２２は循環水素流量センサ８の出力値であり、Ｇ２２は遅れ特性と係数（本例では簡単に１次遅れとしている）である。ｓはラプラス演算子を示す。
【００７６】
【数３】
圧力予測値Ｐｐｒｅｄ（ｓ）＝｛原料水素流量センサ指示値（ｓ）＋循環水素流量予測値（ｓ）−消費水素量ＱＬ（ｓ）−Ｑ２２（ｓ）×Ｇ２２（ｓ）｝／　ｓ　・・・（３）
次に、コントローラ４０は、ステップＳ３−６において、原料水素流量操作量算出手段４４として機能して、ステップＳ３−５で予測した圧力予測値Ｐｐｒｅｄと水素極目標圧力との差分を計算し、この差分をキャンセルするように、水素供給装置７から供給される原料水素流量の操作量を算出する。例えば、水素極目標圧力−圧力予測値Ｐｐｒｅｄ＞０の場合には、原料水素流量を減らすように水素供給装置７の操作量を算出し、逆に、水素極目標圧力−圧力予測値Ｐｐｒｅｄ＜０の場合は、原料水素流量を増加させるように水素供給装置７の操作量を算出する。
【００７７】
そして、ステップＳ３−７において、ステップＳ３−６で算出された操作量に応じて水素供給装置７が操作されて原料水素流量が増減され、これにより要求負荷電流値及び循環水素流量の操作量の不足分が補われて、燃料電池本体２の水素極入口圧力と水素極目標圧力との偏差が大幅に低減されることになる。コントローラ４０は、以上の一連の処理を循環水素流量の増加要求がある度に繰り返し行って、燃料電池本体２の水素極入口圧力を水素極目標圧力に常時近づけるようにしている。
【００７８】
以上説明したように、第４の実施形態の燃料電池システムによれば、コントローラ４０に水素消費量算出手段２１、第１の水素極圧力変化予測手段２２、要求負荷電流値操作量算出手段２３、要求負荷電流値操作量制限手段２４、消費水素量予測手段２５、第２の水素極圧力変化予測手段２６、循環水素流量操作量算出手段２７、循環水素流量操作量制限手段４１、循環水素流量予測手段４２、第３の水素極圧力変化予測手段４３、原料水素流量操作量算出手段４４としての各機能が実現されて、燃料電池本体２の水素極入口圧力変化をキャンセルするための要求負荷電流値操作量が制限される場合には、その不足分を補うための循環水素流量操作量が算出され、更にこの循環水素流量操作量が制限される場合には、その不足分を補うための原料水素流量操作量が算出されて、要求負荷電流値の操作と循環水素ポンプ１１の操作と水素供給装置７の操作とによって、燃料電池本体２の水素極入口圧力と水素極目標圧力との偏差が大幅に低減されるようになっているので、燃料電池本体２の性能や外部負荷１４の性能、２次バッテリの性能、更には循環水素ポンプ１１の性能等に拘わらず、循環ポンプ１１によって循環された循環水素が水素供給装置７から供給される原料水素と合流したときの水素極入口圧力、水素極入口流量への影響を効果的に防止することができる。したがって、この第４の実施形態の燃料電池システムでは、水素極入口流量と水素極入口圧力とが互いに干渉してふらつきが生じ、燃料電池本体２に水素を安定して供給できない状況が長くなるといった不具合を有効に防止することができる。
【００７９】
なお、以上は、燃料電池本体２の水素極入口圧力変化をキャンセルするための要求負荷電流値操作量が制限される場合に、循環水素ポンプ１１の操作でその不足分を補うようにし、更にこの操作量が制限される場合には、水素供給装置７の操作でその不足分を補うようにした例について説明したが、要求負荷電流値操作量が制限される場合に、水素供給装置７の操作でその不足分を補うようにし、更にこの操作量が制限される場合に、循環水素ポンプ１１の操作でその不足分を補うようにしても、上述した例と同様の効果を得ることができる。
【００８０】
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態について図９を参照して説明する。この第５の実施形態の燃料電池システムは、基本構成を上述した第１の実施形態の燃料電池システム１と同様とし、コントローラでの処理内容が、上述した燃料電池システム１と異なるものである。すなわち、この第５の実施形態の燃料電池システムでは、予測される燃料電池本体２の水素極入口圧力と、空気極入口圧力センサ５（図１参照）によって検出される空気極入口圧力との差圧を監視して、これらの差圧が所定の上限値或いは下限値を超えた場合には水素極目標圧力を変更し、これに応じて、要求負荷電流値の操作量、或いは循環水素流量の操作量、或いは原料水素流量の操作量を変更するようにした点を特徴としている。以下、この第５の実施形態の燃料電池システムの特徴点であるコントローラの処理について、上述した第１の実施形態の燃料電池システム１と同様の構成については同一の符号を付して説明する。
【００８１】
第５の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラ５０は、上述した第１の実施形態の燃料電池システム１が備えるコントローラ１６と同様のマイクロプロセッサ構成を有している。そして、このコントローラ５０では、ＣＰＵがＲＡＭをワークエリアとして利用してＲＯＭに格納された制御プログラムを実行することによって、図９に示すように、水素消費量算出手段１７としての機能と、水素極圧力変化予測手段１８としての機能と、水素極入口圧力調整手段１９としての機能と、差圧検出手段５１として機能と、目標圧力変更手段５２としての機能とが実現されるようになっている。すなわち、この第５の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラ４０は、第１の実施形態の燃料電池システム１が備えるコントローラ１６で実現される各機能に加えて、差圧検出手段５１としての機能と、目標圧力変更手段５２としての機能とが実現されることを特徴としている。以下、第１の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラ１６で実現される機能と同様の機能については、重複した説明を省略する。
【００８２】
差圧検出手段５１は、水素極圧力変化予測手段１８からの出力、すなわち燃料電池本体２に供給される原料水素の流量及び循環水素の流量と燃料電池本体２で消費される水素量とから予測される燃料電池本体２の水素極入口圧力と、空気極入口圧力センサ５によって検出された燃料電池本体２の空気極入口圧力との差圧を算出すると共に、算出した差圧が所定の上限値或いは下限値を超えるかどうかを判定するものである。ここで、水素極入口圧力と空気極入口圧力との差圧として許容される上限値及び下限値は、燃料電池本体２が備える固体高分子膜の特性によって求められる値である。
【００８３】
目標圧力変更手段５２は、燃料電池本体２の水素極入口圧力と空気極入口圧力との差圧が所定の上限値或いは下限値を超えていると差圧検出手段５１によって判定されたときに、これらの差圧を許容範囲内にまで小さくするように、水素極目標圧力を変更するものである。
【００８４】
この目標圧力変更手段５２によって水素極目標圧力が変更されると、水素極入口圧力調整手段１９は、この変更された水素極目標圧力と水素極圧力変化予測手段１８からの出力との偏差を低減させるように、要求負荷電流値の操作量、或いは循環水素流量の操作量、或いは原料水素流量の操作量を算出する。すなわち、燃料電池本体２の水素極入口圧力と空気極入口圧力との差圧が所定の上限値或いは下限値を超えている場合には、その差圧が許容範囲内となるように、要求負荷電流値の操作量、或いは循環水素流量の操作量、或いは原料水素流量の操作量が変更されることになる。そして、この変更された操作量に応じて、要求負荷電流値が操作され、或いは循環水素ポンプ１１が操作され、或いは水素供給装置７が操作されることで、燃料電池本体２の水素極入口圧力と空気極入口圧力との差圧を許容範囲内としながら、燃料電池本体２の水素極入口圧力変化がキャンセルされるようになっている。
【００８５】
以上説明したように、第５の実施形態の燃料電池システムによれば、コントローラ５０に水素消費量算出手段１７、水素極圧力変化予測手段１８、水素極入口圧力調整手段１９としての機能に加え、差圧検出手段５１としての機能と、目標圧力変更手段５２としての機能が実現され、燃料電池本体２の水素極入口圧力と空気極入口圧力との差圧を許容範囲内としながら、燃料電池本体２の水素極入口圧力変化がキャンセルされるようになっているので、循環ポンプ１１によって循環された循環水素が水素供給装置７から供給される原料水素と合流したときに、これが引き金となって生じる水素極入口圧力、水素極入口流量への影響を防止して、燃料電池本体２に水素を安定して供給できない状況が長くなるといった不具合を有効に防止することができると共に、燃料電池本体２の水素極入口圧力と空気極入口圧力との差圧が拡大して、燃料電池本体２に設けられた固体高分子膜が損傷するといった不都合を有効に抑制することができる。
【００８６】
なお、以上説明した燃料電池本体２の水素極入口圧力と空気極入口圧力との差圧のコントロールは、上述した第２の実施形態乃至第４の実施形態の燃料電池システムの何れにおいても実現可能なものである。
【００８７】
すなわち、上述した第２の実施形態の燃料電池システム及び第３の実施形態の燃料電池システムにおいては、コントローラ２０，３０において実現される第２の水素極圧力変化予測手段２６からの出力と、空気極入口圧力センサ５からの出力とに基づいて、燃料電池本体２の水素極入口圧力と空気極入口圧力との差圧を検出し、この差圧が所定の上限値或いは下限値を超える場合に、水素極目標圧力を変更することで、燃料電池本体２の水素極入口圧力と空気極入口圧力との差圧を許容範囲内としながら、燃料電池本体２の水素極入口圧力変化をキャンセルすることが可能となる。
【００８８】
また、上述した第４の実施形態の燃料電池システムにおいては、コントローラ４０において実現される第３の水素極圧力変化予測手段４３からの出力と、空気極入口圧力センサ５からの出力とに基づいて、燃料電池本体２の水素極入口圧力と空気極入口圧力との差圧を検出し、この差圧が所定の上限値或いは下限値を超える場合に、水素極目標圧力を変更することで、燃料電池本体２の水素極入口圧力と空気極入口圧力との差圧を許容範囲内としながら、燃料電池本体２の水素極入口圧力変化をキャンセルすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した第１の実施形態の燃料電池システムを示すシステム構成図である。
【図２】内部モデル予測制御を説明する図である。
【図３】本発明を適用した第２の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラの機能ブロック図である。
【図４】前記第２の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラによる処理の一例を示すフローチャートである。
【図５】本発明を適用した第３の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラの機能ブロック図である。
【図６】前記第３の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラによる処理の一例を示すフローチャートである。
【図７】本発明を適用した第４の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラの機能ブロック図である。
【図８】前記第４の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラによる処理の一例を示すフローチャートである。
【図９】本発明を適用した第５の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラの機能ブロック図である。
【符号の説明】
１　燃料電池システム
２　燃料電池本体
４　空気供給装置
５　空気極入口圧力センサ
７　水素供給装置
８　原料水素流量センサ
１１　循環水素ポンプ
１２　循環水素流量センサ
１４　外部負荷
１５　負荷電流センサ
１６　コントローラ
１７　水素消費量算出手段
１８　水素極圧力変化予測手段
１９　水素極入口圧力調整手段
２０　コントローラ
２１　水素消費量算出手段
２２　第１の水素極圧力変化予測手段
２３　要求負荷電流値操作量算出手段
２４　要求負荷電流値操作量制限手段
２５　消費水素量予測手段
２６　第２の水素極圧力変化予測手段
２７　循環水素流量操作量算出手段
３０　コントローラ
３１　原料水素流量操作量算出手段
４０　コントローラ
４１　循環水素流量操作量算出手段
４２　循環水素流量予測手段
４３　第３の水素極圧力変化予測手段
４４　原料水素流量操作量算出手段
５０　コントローラ
５１　差分検出手段
５２　目標圧力変更手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system that supplies hydrogen and air to a fuel cell body to generate power, and in particular, a hydrogen circulation type fuel cell system that circulates unused hydrogen in the fuel cell body to the inlet side of the fuel cell body. About.
[0002]
[Prior art]
In the fuel cell system, hydrogen gas and air are supplied to the hydrogen electrode and the air electrode of the fuel cell main body, respectively, and hydrogen and oxygen are reacted electrochemically in the fuel cell main body to obtain generated power. Such a fuel cell system is highly expected to be put into practical use, for example, as a power source for automobiles. Currently, research and development for practical use is actively performed.
[0003]
As a fuel cell main body used in a fuel cell system, a solid polymer type fuel cell main body is known as one particularly suitable for mounting in an automobile. In this solid polymer type fuel cell body, a membrane solid polymer is provided between a hydrogen electrode and an air electrode, and this solid polymer membrane functions as a hydrogen ion conductor. ing. In this solid polymer type fuel cell body, a reaction occurs in which hydrogen gas is separated into hydrogen ions and electrons at the hydrogen electrode, and water is generated from oxygen gas, hydrogen ions, and electrons at the air electrode. . At this time, the solid polymer film functions as an ionic conductor, and hydrogen ions move through the solid polymer film toward the air electrode.
[0004]
By the way, in order for the solid polymer film to function as an ion conductor, it is necessary to include a certain amount of moisture in the solid polymer film. For this reason, in a fuel cell system using such a solid polymer type fuel cell main body, the solid polymer membrane of the fuel cell main body is supplied by supplying hydrogen gas to the fuel cell main body while being humidified by a humidifier. It is generally performed to humidify.
[0005]
Further, as an effective method for humidifying the solid polymer membrane, a hydrogen circulation type fuel cell system in which unused hydrogen gas in the fuel cell body is circulated again to the fuel cell body and reused is known. . In this hydrogen circulation type fuel cell system, a little more hydrogen gas is supplied to the hydrogen electrode of the fuel cell than the amount of hydrogen required for the power consumed by the load connected outside the fuel cell main body, and unused hydrogen gas is supplied. The exhausted hydrogen (hereinafter referred to as circulating hydrogen) is discharged from the hydrogen electrode outlet and returned to the hydrogen electrode inlet of the fuel cell body for reuse. Since the circulating hydrogen discharged from the hydrogen electrode outlet contains a lot of water vapor, the circulating hydrogen containing a lot of water vapor is mixed with the dry hydrogen from the hydrogen tank and supplied to the hydrogen electrode of the fuel cell body. As a result, the solid polymer membrane of the fuel cell body is humidified.
[0006]
In the hydrogen circulation type fuel cell system as described above, the hydrogen utilization rate is said to be low when the circulation hydrogen flow rate is large, and the hydrogen utilization rate is said to be high when the circulation hydrogen flow rate is small. It is known that this hydrogen utilization rate has an appropriate value corresponding to the power generation amount in the fuel cell body, and the hydrogen utilization rate is changed by changing the circulating hydrogen flow rate according to the power generation amount in the fuel cell body. It is generally done. It should be noted that a change in the circulating hydrogen flow rate is also required when performing a moisture purge that discharges excess moisture remaining inside the fuel cell body to the outside.
[0007]
As examples of changing the circulating hydrogen flow rate as described above, for example, a technique disclosed in JP-A-9-213353 and a technique disclosed in JP-A-10-223244 have been proposed. In these examples, when the power generation amount in the fuel cell main body changes, the circulating hydrogen flow rate is controlled so that the hydrogen utilization rate becomes an appropriate value. When the hydrogen utilization rate is at an appropriate value, hydrogen gas is uniformly transmitted to the cells stacked on the fuel cell main body, and power generation becomes efficient. It is also effective in terms of hydrogen electrode humidification.
[0008]
During high loads where power generation in the fuel cell body is active, hydrogen ions actively move through the solid polymer membrane. At this time, the moisture contained in the solid polymer film also moves, so it is necessary to increase the humidification of the hydrogen gas when the load is high. In this case, it is sufficient to increase the amount of circulating hydrogen (lower the hydrogen utilization rate). On the other hand, when the load is low, the amount of hydrogen ions moving through the solid polymer membrane is reduced, and the moisture transfer of the solid polymer membrane is also reduced. Water droplets are generated at the hydrogen electrode, and the water droplets block the hydrogen gas path of the hydrogen electrode. In this case, the power generation efficiency is deteriorated, and when it is remarkable, the cell voltage is lowered below the lower limit, and the power generation cannot be continued. Therefore, when the load is low, the amount of circulating hydrogen is reduced (the hydrogen utilization rate is increased).
[0009]
As described above, it is necessary to maintain the hydrogen utilization rate at an appropriate value according to the load. In order to change the circulation flow rate, an example using a pump or an ejector for changing the hydrogen flow rate of the circulation path, or an example using a combination of a pump and a circulation flow control valve is shown. In Japanese Patent Laid-Open Nos. 6-231786 and 7-240220, a circulating hydrogen pump is provided in the hydrogen circulation path, and a flow rate control valve is provided at the inlet of the circulating hydrogen pump. An example of controlling a valve is disclosed. In these examples, since the circulating hydrogen pump is not variable, the flow control valve opening is adjusted.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the conventional example described above, when the circulating hydrogen flow rate is increased, the increased amount of hydrogen is supplied from the hydrogen tank. In this case, the amount of hydrogen supplied from the hydrogen tank is increased by an amount necessary for increasing the circulating hydrogen flow rate (the hydrogen flow control valve opening degree supplied from the hydrogen tank is changed). After this hydrogen increase reaches the hydrogen electrode of the fuel cell main body, it is discharged from the hydrogen electrode outlet and returns to the hydrogen electrode inlet side through the circulation path. Then, it merges with the hydrogen supplied from the hydrogen tank and is supplied again to the fuel cell hydrogen electrode.
[0011]
Here, after increasing the hydrogen supplied from the hydrogen tank in order to increase the circulating hydrogen, there is a time delay until the increased amount of hydrogen passes through the circulation path (one round) and merges with the hydrogen supplied from the hydrogen tank. Will occur. And when this increased amount of hydrogen merges with the hydrogen supplied from the hydrogen tank with a delay, these mergers affect the hydrogen electrode inlet pressure and the hydrogen electrode inlet flow rate of the fuel cell body, which triggers, The hydrogen electrode inlet flow rate and the hydrogen electrode inlet pressure interfere with each other to cause wobbling, resulting in a situation where hydrogen cannot be stably supplied to the fuel cell body. In synchronism with this, the circulating hydrogen flow rate also fluctuates. Then, the fluctuation of the circulating hydrogen flow rate is a trigger, which again causes interference between the hydrogen electrode inlet flow rate and the hydrogen electrode inlet pressure, and this cycle continues endlessly. For this reason, there has been a problem that the period in which the fluctuation of the hydrogen electrode inlet flow rate and the hydrogen electrode inlet pressure continues to fluctuate for a long time, and the situation in which hydrogen cannot be stably supplied to the fuel cell body becomes long.
[0012]
The present invention was devised in view of the conventional situation as described above, and suppresses fluctuations in the hydrogen electrode inlet flow rate and the hydrogen electrode inlet pressure that are triggered by changing the circulating hydrogen flow rate, An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of stably supplying hydrogen to a fuel cell main body.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
A fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell body, a hydrogen supply device, an air supply device, a circulating hydrogen pump, a raw material hydrogen flow rate detecting means, a circulating hydrogen flow rate detecting means, a hydrogen consumption calculating means, And a hydrogen electrode pressure change predicting means. Note that the circulating hydrogen pump here refers to a normal pressure-feed pump or ejector pump that changes the hydrogen flow rate in the circulation path, or a combination of these, as described above.
[0014]
Then, hydrogen is supplied from the hydrogen supply device to the fuel cell main body, air is supplied from the air supply device, the fuel cell main body generates electric power, and a load current is supplied to the external load. Further, in this fuel cell system, the exhausted hydrogen discharged from the fuel cell main body is circulated to the inlet side of the fuel cell main body by a circulating hydrogen pump, merges with the hydrogen supplied from the hydrogen supply device, and again the fuel cell main body To be supplied to.
[0015]
Further, in this fuel cell system, the hydrogen flow rate supplied from the hydrogen supply device to the fuel cell is detected by the raw material hydrogen flow rate detection means, and the hydrogen flow rate circulated to the inlet side of the fuel cell body by the circulating hydrogen pump is circulated. It is detected by the hydrogen flow rate detection means. The load current supplied from the fuel cell main body to the external load is detected by the load current detecting means, and the amount of hydrogen consumed in the fuel cell main body is calculated based on the output from the load current detecting means. Is calculated by Based on the output from the raw material hydrogen flow rate detecting means, the output from the circulating hydrogen amount detecting means, and the output from the hydrogen consumption calculating means, the pressure change at the hydrogen electrode inlet of the fuel cell body is changed to the hydrogen electrode pressure change. Predicted by the predicting means, the required load current value required by the external load for the fuel cell body to reduce the deviation between the output from the hydrogen electrode pressure change predicting means and the predetermined target pressure, by the circulating hydrogen pump At least one of a hydrogen flow rate circulated to the inlet side of the fuel cell main body and a hydrogen flow rate supplied from the hydrogen supply device to the fuel cell main body is operated.
[0016]
【The invention's effect】
According to the fuel cell system of the present invention, the hydrogen of the fuel cell main body is based on the raw material hydrogen flow rate from the hydrogen supply device, the circulating hydrogen flow rate circulated by the circulation pump, and the consumed hydrogen amount calculated from the load current. Operate at least one of the required load current required for the fuel cell body, the flow rate of the circulating hydrogen circulated by the circulating hydrogen pump, or the flow rate of the raw material hydrogen supplied from the hydrogen supply device when the change in the pole inlet pressure is predicted Thus, the change in the pressure at the hydrogen electrode inlet of the fuel cell body is canceled, so that after the amount of source hydrogen supplied from the hydrogen supply device increases to increase the circulating hydrogen flow rate, ) Is discharged from the fuel cell main body, circulated by the circulation pump, and joined with the raw material hydrogen supplied from the hydrogen supply device, this is triggered The effect on the hydrogen electrode inlet pressure and the hydrogen electrode inlet flow rate can be prevented, and the hydrogen electrode inlet flow rate and the hydrogen electrode inlet pressure interfere with each other to cause fluctuation and supply hydrogen stably to the fuel cell body. It is possible to effectively prevent such a problem that the situation where it cannot be performed becomes long.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0018]
(First embodiment)
First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The fuel cell system 1 of the first embodiment includes a solid polymer type fuel cell main body 2 having a solid polymer film as an electrolyte. The fuel cell main body 2 generates electricity by electrochemically reacting oxygen in the air supplied to the air electrode and hydrogen supplied to the hydrogen electrode.
[0019]
An air supply device 4 such as a compressor is connected to an air electrode inlet of the fuel cell main body 2 via an air supply piping member 3. The air whose flow rate and pressure are adjusted by the air supply device 4 is supplied to the air electrode inlet of the fuel cell main body 2 through the air supply piping member 3. In addition, an air electrode inlet pressure sensor (air electrode inlet pressure detecting means) 5 is disposed in a stage preceding the air electrode inlet of the fuel cell main body 2, and the air electrode inlet pressure of the fuel cell main body 2 is the air electrode inlet pressure. It is detected by the sensor 5.
[0020]
A hydrogen supply device 7 is connected to the hydrogen electrode inlet of the fuel cell main body 2 via a hydrogen piping member 6. The hydrogen supply device 7 includes, for example, a hydrogen tank, a flow rate control valve, a flow rate control device that controls the opening degree of the flow rate control valve, and the like, and hydrogen gas having a target flow rate (hereinafter referred to as raw material hydrogen) is used as fuel. It can be supplied to the hydrogen electrode inlet side of the battery body 2. A raw material hydrogen flow sensor (raw material hydrogen flow rate detecting means) 8 is disposed on the outlet side of the hydrogen supply device 7, and the raw material hydrogen flow sensor 8 connects the hydrogen supply device 7 to the hydrogen electrode inlet of the fuel cell body 2. The flow rate of the raw material hydrogen supplied to the side is detected. In addition, a hydrogen electrode inlet pressure sensor 9 is disposed in a stage before the hydrogen electrode inlet of the fuel cell main body 2, and the hydrogen electrode inlet pressure of the fuel cell main body 2 is detected by the hydrogen electrode inlet pressure sensor 9. It has become.
[0021]
The fuel cell system 1 is configured as a hydrogen circulation type, and is used for circulating hydrogen that serves as a path for exhausted hydrogen (circulated hydrogen) discharged from the fuel cell main body 2 without being used for power generation in the fuel cell main body 2. A pipe 10 is provided. A circulating hydrogen pump 11 is disposed in the middle of the circulating hydrogen pipe 10, and circulating hydrogen containing a large amount of water vapor discharged from the fuel cell main body 2 is driven by the circulating hydrogen pump 11. It is circulated through the pipe 10 to the hydrogen electrode inlet side of the fuel cell main body 2 and joins the raw material hydrogen supplied from the hydrogen supply device 7. Therefore, in this fuel cell system 1, mixed hydrogen of raw hydrogen supplied from the hydrogen supply device 7 and circulating hydrogen containing a large amount of water vapor is supplied to the hydrogen electrode inlet of the fuel cell main body 2. In addition, a circulating hydrogen flow sensor (circulating hydrogen flow rate detecting means) 12 is disposed downstream of the circulating hydrogen pump 11, and the circulating hydrogen pump 11 drives the fuel cell main body 2 by the circulating hydrogen flow sensor 12. The flow rate of the circulating hydrogen circulated to the hydrogen electrode inlet side is detected.
[0022]
In the fuel cell system 1, as described above, the solid hydrogen film of the fuel cell body 2 is humidified by mixing circulating hydrogen containing a large amount of water vapor with the raw material hydrogen and supplying it to the hydrogen electrode of the fuel cell body 2. I have to. In the fuel cell system 1, a humidifier 13 is separately installed at the rear stage of the hydrogen supply device 7 in order to further improve the humidification effect. Accordingly, the hydrogen electrode inlet of the fuel cell main body 2 is supplied with the mixed hydrogen of the raw material hydrogen and the circulating hydrogen humidified by passing through the humidifier 13, and the solid polymer membrane of the fuel cell main body 2 is sufficiently humidified. Will be.
[0023]
The fuel cell body 2 is connected to an external load 14 that consumes the power generated by the fuel cell body 2. Specifically, for example, an inverter is connected to the fuel cell main body 2 as the external load 14, and power generated by the fuel cell main body 2 is converted into energy by the inverter and supplied to a drive motor or the like. This drive motor is used as power for driving the vehicle when the fuel cell system 1 is applied to a vehicle. A load current sensor (load current detecting means) 15 is disposed between the fuel cell main body 2 and the external load 14, and the load current sensor 15 supplies the fuel cell main body 2 to the external load 14. The detected load current is detected. The power generation amount of the fuel cell main body 2 is determined according to the required load current required by the external load 14, and electric power corresponding to the required load current is taken out from the fuel cell main body 2 as a load current.
[0024]
The fuel cell system 1 includes a controller 16 that is a main part of the present invention. The controller 16 includes a CPU, a ROM, a RAM, a CPU peripheral circuit, and the like, and has a microprocessor configuration in which these are connected via a bus. In the controller 16, the CPU uses the RAM as a work area to execute a control program stored in the ROM, so that the function as the hydrogen consumption calculation means 17 and the hydrogen pole pressure change prediction means 18 are performed. The function and the function as the hydrogen electrode inlet pressure adjusting means 19 are realized.
[0025]
The hydrogen consumption amount calculation means 17 is based on the load current detected by the load current sensor 15, that is, the current value of the load current supplied from the fuel cell body 2 to the external load 14. The amount is calculated.
[0026]
Further, the hydrogen electrode pressure change prediction means 18 outputs the output from the raw hydrogen flow sensor 8, that is, the flow of raw hydrogen supplied from the hydrogen supply device 7, and the output from the circulating hydrogen flow sensor 12, that is, drives the circulation pump 11. Predicting the pressure change at the hydrogen electrode inlet of the fuel cell main body 2 based on the flow rate of the circulating hydrogen circulated by the fuel cell and the output from the hydrogen consumption calculating means 17, that is, the amount of hydrogen consumed by the fuel cell main body 2 It is.
[0027]
Further, the hydrogen electrode inlet pressure adjusting means 19 outputs the output from the hydrogen electrode pressure change predicting means 18, that is, the flow rate of raw hydrogen supplied to the fuel cell main body 2 and the flow rate of circulating hydrogen and the hydrogen consumed in the fuel cell main body 2. The external load 14 with respect to the fuel cell main body 2 is reduced so as to reduce the deviation between the hydrogen electrode inlet pressure of the fuel cell main body 2 estimated from the quantity and a predetermined target pressure (hereinafter referred to as the hydrogen electrode target pressure). Required load current value, the flow rate of circulating hydrogen circulated to the hydrogen electrode inlet side of the fuel cell main body 2 by driving the circulating hydrogen pump 11, or the raw material supplied to the fuel cell main body 2 from the hydrogen supply device 7 It operates at least one of the flow rates of hydrogen.
[0028]
Specifically, the hydrogen electrode inlet pressure adjusting means 19 compares the hydrogen electrode inlet pressure of the fuel cell body 2 predicted by the hydrogen electrode pressure change predicting means 18 with a preset hydrogen electrode target pressure, thereby predicting it. When the applied pressure is less than the hydrogen target pressure, the operation amount for reducing the required load current value is calculated or the operation amount for increasing the flow rate of circulating hydrogen is calculated so as to cancel the difference. An operation amount for calculating or increasing the flow rate of the raw material hydrogen is calculated. On the other hand, when the predicted pressure exceeds the hydrogen target pressure, an operation amount for increasing the required load current value is calculated so as to cancel the difference, or an operation for reducing the flow rate of circulating hydrogen. The operation amount for calculating the amount or reducing the flow rate of the raw material hydrogen is calculated. Then, according to the operation amount calculated by the hydrogen electrode inlet pressure adjusting means 19, the required load current value required by the external load 14 for the fuel cell main body 2 is operated, or the circulating hydrogen pump 11 is operated, Alternatively, the deviation between the hydrogen electrode inlet pressure of the fuel cell main body 2 and the hydrogen electrode target pressure is reduced by operating the hydrogen supply device 7.
[0029]
Various methods can be considered as a method of calculating the operation amount by the hydrogen electrode inlet pressure adjusting means 19 as described above. For example, a method as shown in FIG. 2 can be adopted. The method shown in FIG. 2 is a form well known in the control theory, and is also called internal model predictive control. When the hydrogen electrode inlet pressure of the fuel cell main body 2 predicted by the hydrogen electrode pressure change predicting means 18 is applied to the internal model shown in FIG. 2, the manipulated variable of the required load current value or the circulating hydrogen flow rate described above is applied. The operation amount or the operation amount of the raw material hydrogen flow rate is calculated. The hydrogen electrode inlet pressure adjusting means 19 operates any two or all of the required load current value, the circulating hydrogen flow rate, and the raw material hydrogen flow rate, thereby predicting the hydrogen electrode inlet of the fuel cell main body 2. The deviation between the pressure and the hydrogen electrode target pressure may be reduced.
[0030]
As described above, according to the fuel cell system 1 to which the present invention is applied, the controller 16 has the function as the hydrogen consumption calculation means 17, the function as the hydrogen electrode pressure change prediction means 18, and the hydrogen electrode inlet pressure adjustment. The function as the means 19 is realized, the change in the hydrogen electrode inlet pressure of the fuel cell main body 2 is predicted by the hydrogen electrode pressure change predicting means 18, and the request required for the fuel cell main body 2 by the hydrogen electrode inlet pressure adjusting means 19 At least one of the load current value, the circulating hydrogen flow rate circulated by the circulating hydrogen pump 11 and the raw material hydrogen flow rate supplied from the hydrogen supply device 7 is operated to cancel the change in the pressure at the hydrogen electrode inlet of the fuel cell body 2. Therefore, when the circulating hydrogen circulated by the circulation pump 11 joins the raw hydrogen supplied from the hydrogen supply device 7, There hydrogen electrode inlet pressure that occurs triggered, it is possible to prevent the influence of the hydrogen electrode inlet flow rate. Therefore, in this fuel cell system 1, the hydrogen electrode inlet flow rate and the hydrogen electrode inlet pressure interfere with each other to cause fluctuation and effectively prevent a problem that the situation in which hydrogen cannot be stably supplied to the fuel cell body 2 is prolonged. can do.
[0031]
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The fuel cell system of the second embodiment has the same basic configuration as that of the fuel cell system 1 of the first embodiment described above, and the processing content in the controller is different from that of the fuel cell system 1 described above. Hereinafter, the processing of the controller, which is a characteristic point of the fuel cell system according to the second embodiment, will be described with the same reference numerals assigned to the same configurations as those of the fuel cell system 1 described above.
[0032]
The controller 20 included in the fuel cell system according to the second embodiment has the same microprocessor configuration as the controller 16 included in the fuel cell system 1 described above. In the controller 20, the CPU uses the RAM as a work area to execute a control program stored in the ROM, and as shown in FIG. The function as the hydrogen pole pressure change prediction means 22, the function as the required load current value manipulated variable calculation means 23, the function as the required load current value manipulated variable restriction means 24, and the function as the hydrogen consumption prediction means 25 Thus, the function as the second hydrogen electrode pressure change predicting means 26 and the function as the circulating hydrogen flow rate manipulated variable calculating means 27 are realized.
[0033]
The hydrogen consumption calculation means 21 is similar to the hydrogen consumption calculation means 17 realized by the controller 16 of the fuel cell system 1 described above, that is, the load current detected by the load current sensor 15, that is, from the fuel cell main body 2 to the external load. The amount of hydrogen consumed by the fuel cell main body 2 is calculated based on the current value of the load current supplied to the fuel cell 14.
[0034]
The first hydrogen electrode pressure change predicting means 22 is the output from the raw material hydrogen flow rate sensor 8, that is, hydrogen supply, similarly to the hydrogen electrode pressure change predicting means 18 realized by the controller 16 of the fuel cell system 1 described above. The flow rate of raw material hydrogen supplied from the apparatus 7, the output from the circulating hydrogen flow sensor 12, that is, the flow rate of circulating hydrogen circulated by driving the circulation pump 11, and the output from the hydrogen consumption calculating means 21, that is, the fuel cell. Based on the amount of hydrogen consumed by the main body 2, the pressure change at the hydrogen electrode inlet of the fuel cell main body 2 is predicted.
[0035]
The required load current value manipulated variable calculating means 23 compares the output from the first hydrogen electrode pressure change predicting means 22, that is, the predicted hydrogen electrode inlet pressure of the fuel cell body 2 with a preset hydrogen electrode target pressure. If the predicted pressure is less than the target hydrogen pressure, the operation amount for reducing the required load current value is calculated so as to cancel the difference. Is exceeded, the operation amount for increasing the required load current value is calculated so as to cancel the difference.
[0036]
When the requested load current value is manipulated by the manipulated variable calculated by the requested load current value manipulated variable calculating unit 23, the requested load current value manipulated variable restricting unit 24 sets the requested load current value after the manipulation to a predetermined upper limit value. Alternatively, it is determined whether or not the lower limit value is exceeded, and when the required load current value after the operation exceeds a predetermined upper limit value or lower limit value, the operation amount of the required load current value is limited. The upper limit value and the lower limit value of the required load current value are values determined by the performance of the fuel cell main body 2, the performance of the external load 14, and the performance of a secondary battery, etc., and are set and stored in advance. ing.
[0037]
When the requested load current value manipulated variable limiting means 24 limits the manipulated variable of the requested load current value, the consumed hydrogen amount predicting means 25 is based on the requested load current value after operating with the restricted manipulated variable. The amount of hydrogen consumed by the fuel cell body 2 is predicted.
[0038]
The second hydrogen pole pressure change predicting means 26 outputs the hydrogen consumption in the fuel cell main body 2 predicted from the output from the hydrogen consumption predicting means 25, that is, the required load current value after operating with the limited operation amount. And the output from the raw hydrogen flow sensor 8, that is, the flow of raw hydrogen supplied from the hydrogen supply device 7, and the output from the circulating hydrogen flow sensor 12, that is, the flow of circulating hydrogen circulated by driving the circulation pump 11. Based on the above, the pressure change at the hydrogen electrode inlet of the fuel cell main body 2 is predicted. When the operation amount of the required load current value is limited by the required load current value operation amount limiting means 24, the hydrogen electrode inlet pressure cannot be set to the above-described hydrogen electrode target pressure only by the operation of the limited required load current. It will be. How much this pressure deviation remains is predicted by the second hydrogen electrode pressure prediction means 26.
[0039]
The circulating hydrogen flow rate manipulated variable calculating means 27 outputs the output from the second hydrogen electrode pressure change predicting means 26, that is, the predicted hydrogen electrode inlet pressure of the fuel cell body 2 after operating the required load current value, and the above-mentioned. The operation amount for increasing or decreasing the flow rate of the circulating hydrogen circulated by driving the circulating hydrogen pump 11 is calculated so as to calculate the difference from the hydrogen electrode target pressure and cancel the difference. That is, when the operation amount of the required load current value is limited by the required load current value operation amount limiting means 24, as described above, the hydrogen electrode inlet pressure is set to the above-described hydrogen electrode target only by operating the required load current value. It will not be possible to pressure. The circulating hydrogen flow rate operation amount calculation means 27 calculates an operation amount for increasing or decreasing the flow rate of the circulating hydrogen circulated by driving the circulating hydrogen pump 11 so that the pressure deviation is canceled by the operation of the circulating hydrogen flow rate. .
[0040]
In the fuel cell system having the controller 20 as described above, the required load current value is operated according to the operation amount calculated by the required load current value operation amount calculating means 23 by the processing by the controller 20, and this required load current When the operation amount of the value is limited by the performance of the fuel cell main body 2 or the performance of the external load 14, the circulating hydrogen pump 11 is operated according to the operation amount calculated by the circulating hydrogen flow rate operation amount calculating means 27. By increasing or decreasing the circulating hydrogen flow rate, the shortage of the manipulated variable of the required load current value is compensated, and the deviation between the hydrogen electrode inlet pressure of the fuel cell body 2 and the hydrogen electrode target pressure is greatly reduced. It is like that.
[0041]
Here, an example of the processing by the controller 20 as described above will be specifically described with reference to the flowchart of FIG.
[0042]
First, in step S1-1, the controller 20 determines whether there is a request for increasing the circulating hydrogen flow rate. Here, the circulating hydrogen flow rate increase request is set by other control means (not shown). Specifically, for example, when a target value setting means is provided and applied to a system having a hydrogen electrode pressure, a load current, a voltage, and a secondary battery of the fuel cell body 2, a battery voltage and a cooling system are provided. In such a case, the request for increasing the circulating hydrogen flow rate may be determined based on the inlet and outlet temperatures of the hydrogen electrode, as well as climbing, descending, and road surface information based on navigation system information.
[0043]
If there is a request to increase the circulating hydrogen flow rate in step S1-1, the controller 20 then supplies the amount of raw material hydrogen added to the increase in the circulating hydrogen flow rate from the hydrogen supply device 7 in step S1-2. Thus, an increase request is output to the hydrogen supply device 7. At the same time, a command to increase the rotational speed is output to the circulating hydrogen pump 11.
[0044]
Next, in step S1-3, the controller 20 functions as the hydrogen consumption calculation means 21, and based on the output from the load current sensor 15 (load current value taken out from the fuel cell main body 2), the fuel cell. The amount of hydrogen consumed in the main body 2 is calculated. Here, the consumed hydrogen amount QL consumed by the fuel cell main body 2 is calculated by the relational expression represented by the following expression (1). In the following formula (1), the coefficient is an arbitrary constant determined by the configuration of the fuel cell body 2, and is set to 7.0 in this example. In this example, the number of cells is 420. Further, the extracted load current value is an output value of the load current sensor 15.
[0045]
[Expression 1]
Hydrogen consumption QL [NL / min] = coefficient × number of cells of fuel cell body × removed load current value [A] (1)
Next, in step S1-4, the controller 20 functions as the first hydrogen electrode pressure change prediction means 22, and outputs from the raw hydrogen flow sensor 8 (raw hydrogen flow) and from the circulating hydrogen flow sensor 12. Of the hydrogen electrode inlet of the fuel cell main body 2 is predicted based on the output (flow rate of circulating hydrogen) and the consumed hydrogen amount QL calculated in step S1-3. Here, the predicted pressure value Ppred is obtained by a relational expression represented by the following formula (2). In the following formula (2), Q22 is an output value of the circulating hydrogen flow sensor 8, and G22 is a delay characteristic and a coefficient (in this example, it is simply assumed as a first-order delay). s represents a Laplace operator.
[0046]
[Expression 2]
Predicted pressure value Ppred (s) = {raw material hydrogen flow rate sensor indication value (s) + circulated hydrogen flow rate sensor indication value (s) −hydrogen consumption QL (s) −Q22 (s) × G22 (s)} / s (2)
Next, in step S1-5, the controller 20 functions as the required load current value manipulated variable calculation means 23, and calculates the difference between the predicted pressure value Ppred predicted in step S1-4 and the hydrogen electrode target pressure. Then, the operation amount of the required load current value is calculated so as to cancel this difference. For example, when the hydrogen electrode target pressure-pressure predicted value Ppred> 0, the operation amount is calculated so as to reduce the required load current value. Conversely, when the hydrogen electrode target pressure-pressure predicted value Ppred <0, The operation amount is calculated so as to increase the required load current value.
[0047]
Next, in step S1-6, the controller 20 functions as the required load current value manipulated variable limiting means 24, and determines whether or not to add an upper / lower limit to the manipulated variable of the required load current value calculated in step S1-5. judge. Here, the upper limit value and the lower limit value, which are the criteria for determination, are obtained from the performance of the fuel cell main body 2, the performance of the external load 14, and the performance of the secondary battery, if provided.
[0048]
If the upper and lower limits are not added to the operation amount of the required load current value calculated in step S1-5, the required load current value is operated in accordance with the calculated operation amount in step S1-7. The deviation between the hydrogen electrode inlet pressure of the fuel cell main body 2 and the hydrogen electrode target pressure is reduced. On the other hand, when an upper limit and a lower limit are added to the operation amount of the required load current value calculated in step S1-5, the required load current value is operated according to the limited operation amount in step S1-8. Become.
[0049]
When the required load current value is operated according to the limited operation amount, the controller 20 then functions as the hydrogen consumption amount prediction means 25 in step S1-9, and operates in step S1-8. Based on the requested load current value (required load current value operated with the limited operation amount) after being performed, the hydrogen amount QL consumed by the fuel cell main body 2 is calculated. The consumed hydrogen amount QL consumed by the fuel cell main body 2 is calculated by the relational expression shown by the above expression (1). Here, the extracted load current value in Equation (1) is the required load current value after being operated in step S1-8 (the required load current value operated with a limited operation amount).
[0050]
Next, in step S1-10, the controller 20 functions as the second hydrogen electrode pressure change prediction unit 26, and calculates the hydrogen consumption amount calculated in step S1-9 (the hydrogen consumption amount after operating the required load current value). ) Pressure change at the hydrogen electrode inlet of the fuel cell body 2 based on QL, the output from the raw hydrogen flow sensor 8 (raw hydrogen flow), and the output from the circulating hydrogen flow sensor 12 (circulated hydrogen flow) Predict. Here, the predicted pressure value Ppred is calculated by the relational expression expressed by the above formula (2). Here, the hydrogen consumption amount QL in the equation (2) is the hydrogen consumption amount after operation of the required load current value calculated in step S1-9.
[0051]
Next, in step S1-11, the controller 20 functions as the circulating hydrogen flow rate manipulated variable calculation means 27, calculates the difference between the predicted pressure value Ppred predicted in step S1-10 and the hydrogen electrode target pressure, The manipulated variable of the circulating hydrogen flow rate is calculated so as to cancel this difference. For example, when the hydrogen electrode target pressure-pressure predicted value Ppred> 0, the operation amount of the circulating hydrogen pump 11 is calculated so as to reduce the circulating hydrogen flow rate, and conversely, the hydrogen electrode target pressure-pressure predicted value Ppred <0. In this case, the operation amount of the circulating hydrogen pump 11 is calculated so as to increase the circulating hydrogen flow rate.
[0052]
In step S1-12, the circulating hydrogen pump 11 is operated in accordance with the operation amount calculated in step S1-11 to increase or decrease the circulating hydrogen flow rate, thereby compensating for the shortage of the operation amount of the required load current value. Thus, the deviation between the hydrogen electrode inlet pressure of the fuel cell body 2 and the hydrogen electrode target pressure is greatly reduced. The controller 20 repeats the above-described series of processing every time there is a request to increase the circulating hydrogen flow rate so that the hydrogen electrode inlet pressure of the fuel cell body 2 is always close to the hydrogen electrode target pressure.
[0053]
As described above, according to the fuel cell system of the second embodiment, the controller 20 includes the hydrogen consumption amount calculation means 21, the first hydrogen electrode pressure change prediction means 22, the required load current value manipulated variable calculation means 23, The functions as the required load current value manipulated variable limiting means 24, the consumed hydrogen quantity predicting means 25, the second hydrogen electrode pressure change predicting means 26, and the circulating hydrogen flow rate manipulated variable calculating means 27 are realized, and the fuel cell main body 2 The required load current value manipulated variable for canceling the hydrogen electrode inlet pressure change is calculated, and the manipulated variable of this required load current value is limited by the performance of the fuel cell body 2, the performance of the external load 14, the performance of the secondary battery, etc. In this case, the operation amount of the circulating hydrogen flow for compensating the shortage is calculated, and the operation of the required load current value and the operation of the circulating hydrogen pump 11 result in the hydrogen electrode inlet of the fuel cell main body 2 being Since the deviation between the force and the hydrogen electrode target pressure is greatly reduced, the circulation pump 11 circulates regardless of the performance of the fuel cell main body 2, the performance of the external load 14, the performance of the secondary battery, etc. It is possible to effectively prevent an influence on the hydrogen electrode inlet pressure and the hydrogen electrode inlet flow rate when the circulated hydrogen thus combined with the raw material hydrogen supplied from the hydrogen supply device 7. Therefore, in the fuel cell system according to the second embodiment, the hydrogen electrode inlet flow rate and the hydrogen electrode inlet pressure interfere with each other to cause fluctuation, and the situation in which hydrogen cannot be stably supplied to the fuel cell body 2 is prolonged. Problems can be effectively prevented.
[0054]
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The fuel cell system of the third embodiment has the same basic configuration as that of the fuel cell system 1 of the first embodiment described above, and the processing content in the controller is different from that of the fuel cell system 1 described above. In the fuel cell system according to the second embodiment described above, when the required load current value manipulated variable calculated to cancel the change in the hydrogen electrode inlet pressure of the fuel cell body 2 is limited, the shortage is circulated. Whereas the hydrogen flow rate operation (operation of the circulating hydrogen pump 11) is compensated, in the fuel cell system of the third embodiment, calculation is performed to cancel the change in the hydrogen electrode inlet pressure of the fuel cell body 2. When the requested load current value manipulated variable is limited, the shortage is compensated by the raw material hydrogen flow rate manipulation (operation of the hydrogen supply device 7). Hereinafter, with respect to the processing of the controller, which is a characteristic point of the fuel cell system of the third embodiment, the same configuration as the fuel cell system 1 of the first embodiment and the fuel cell system of the second embodiment described above. The same reference numerals are used for explanation.
[0055]
The controller 30 included in the fuel cell system according to the third embodiment is the same microprocessor as the controller 16 included in the fuel cell system 1 according to the first embodiment and the controller 20 included in the fuel cell system according to the second embodiment. It has a configuration. In the controller 30, the CPU uses the RAM as a work area to execute a control program stored in the ROM, and as shown in FIG. The function as the hydrogen pole pressure change prediction means 22, the function as the required load current value manipulated variable calculation means 23, the function as the required load current value manipulated variable restriction means 24, and the function as the hydrogen consumption prediction means 25 And the function as the 2nd hydrogen pole pressure change prediction means 26 and the function as the raw material hydrogen flow rate operation amount calculation means 31 are implement | achieved.
[0056]
That is, the controller 30 included in the fuel cell system according to the third embodiment replaces the circulating hydrogen flow rate manipulated variable calculation means 27 realized by the controller 20 included in the fuel cell system according to the second embodiment. The operation amount calculation means 31 is realized. Hereinafter, redundant description of functions similar to those realized by the controller 20 included in the fuel cell system according to the second embodiment will be omitted.
[0057]
The raw material hydrogen flow rate manipulated variable calculating means 31 outputs the output from the second hydrogen electrode pressure change predicting means 26, that is, the hydrogen electrode inlet pressure of the fuel cell main body 2 predicted after the required load current value is operated, The operation amount for increasing or decreasing the flow rate of the raw hydrogen supplied from the hydrogen supply device 7 is calculated so as to calculate the difference from the hydrogen electrode target pressure and cancel the difference. That is, when the operation amount of the required load current value is limited by the required load current value operation amount limiting means 24, as described above, the hydrogen electrode inlet pressure is set to the above-described hydrogen electrode target pressure only by operating the required load current. It will not be possible. The raw material hydrogen flow rate operation amount calculation means 31 calculates an operation amount for increasing or decreasing the flow rate of the raw material hydrogen supplied from the hydrogen supply device 7 so as to cancel this pressure deviation by the operation of the raw material hydrogen flow rate.
[0058]
In the fuel cell system having the controller 30 as described above, the required load current value is operated according to the operation amount calculated by the required load current value operation amount calculation means 23 by the processing by the controller 30, and this required load current When the operation amount of the value is limited by the performance of the fuel cell main body 2 or the performance of the external load 14, the hydrogen supply device 7 is operated according to the operation amount calculated by the raw material hydrogen flow rate operation amount calculation means 31. By increasing or decreasing the raw material hydrogen flow rate, the shortage of the manipulated variable of the required load current value is compensated for, and the deviation between the hydrogen electrode inlet pressure of the fuel cell body 2 and the hydrogen electrode target pressure is greatly reduced. It is like that.
[0059]
Here, an example of processing by the controller 30 as described above will be specifically described with reference to a flowchart of FIG. Note that the processing from step S2-1 to step S2-10 in FIG. 6 is the same as the processing from step S1-1 to S1-10 by the controller 20 shown in FIG. To do.
[0060]
When the controller 30 predicts the pressure change at the hydrogen electrode inlet of the fuel cell main body 2 after the operation of the required load current value in step S2-10, next, in step S2-11, the controller 30 functions as the raw material hydrogen flow rate operation amount calculation means 31. Then, the difference between the predicted pressure value Ppred predicted in step S2-10 and the hydrogen electrode target pressure is calculated, and the manipulated variable of the raw material hydrogen flow rate supplied from the hydrogen supply device 7 is set so as to cancel this difference. calculate. For example, when the hydrogen electrode target pressure-pressure prediction value Ppred> 0, the operation amount of the hydrogen supply device 7 is calculated so as to reduce the raw material hydrogen flow rate, and conversely, the hydrogen electrode target pressure-pressure prediction value Ppred <0. In this case, the operation amount of the hydrogen supply device 7 is calculated so as to increase the raw material hydrogen flow rate.
[0061]
In step S2-12, the hydrogen supply device 7 is operated according to the operation amount calculated in step S2-11 to increase / decrease the raw material hydrogen flow rate, thereby compensating for the shortage of the operation amount of the required load current value. Thus, the deviation between the hydrogen electrode inlet pressure of the fuel cell body 2 and the hydrogen electrode target pressure is greatly reduced. The controller 30 repeats the above-described series of processing every time there is a request to increase the circulating hydrogen flow rate so that the hydrogen electrode inlet pressure of the fuel cell body 2 is always close to the hydrogen electrode target pressure.
[0062]
As described above, according to the fuel cell system of the third embodiment, the controller 30 includes the hydrogen consumption calculation means 21, the first hydrogen electrode pressure change prediction means 22, the required load current value manipulated variable calculation means 23, The functions of the required load current value manipulated variable restricting means 24, the consumed hydrogen quantity predicting means 25, the second hydrogen electrode pressure change predicting means 26, and the raw material hydrogen flow rate manipulated variable calculating means 31 are realized. The required load current value manipulated variable for canceling the hydrogen electrode inlet pressure change is calculated, and this required load current value manipulated variable is limited by the performance of the fuel cell body 2, the performance of the external load 14, the performance of the secondary battery, and the like. In this case, an operation amount of the raw material hydrogen flow rate to compensate for the shortage is calculated, and the hydrogen electrode inlet pressure of the fuel cell main body 2 is determined by the operation of the required load current value and the operation of the hydrogen supply device 7. Since the deviation from the base electrode target pressure is greatly reduced, it is circulated by the circulation pump 11 regardless of the performance of the fuel cell body 2, the performance of the external load 14, the performance of the secondary battery, etc. The influence on the hydrogen electrode inlet pressure and the hydrogen electrode inlet flow rate when the circulating hydrogen merges with the raw material hydrogen supplied from the hydrogen supply device 7 can be effectively prevented. Therefore, in the fuel cell system according to the third embodiment, the hydrogen electrode inlet flow rate and the hydrogen electrode inlet pressure interfere with each other to cause fluctuation, and the situation where hydrogen cannot be stably supplied to the fuel cell body 2 is prolonged. Problems can be effectively prevented.
[0063]
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The fuel cell system of the fourth embodiment has the same basic configuration as that of the fuel cell system 1 of the first embodiment described above, and the processing content in the controller is different from that of the fuel cell system 1 described above. The fuel cell system according to the fourth embodiment is similar to the fuel cell system according to the second embodiment described above in order to compensate for the shortage when the required load current value manipulated variable is limited. The flow rate is operated (operation of the circulating hydrogen pump 11). In particular, when the operation amount of the circulating hydrogen flow rate is further limited, the shortage is controlled by the operation of the raw material hydrogen flow rate (hydrogen supply device 7). This is characterized by the fact that it is compensated by the above operation. Hereinafter, with respect to the processing of the controller, which is a characteristic point of the fuel cell system of the fourth embodiment, the same configuration as the fuel cell system 1 of the first embodiment and the fuel cell system of the second embodiment described above. The same reference numerals are used for explanation.
[0064]
The controller 40 included in the fuel cell system according to the fourth embodiment includes the controller 16 included in the fuel cell system 1 according to the first embodiment described above, the controller 20 included in the fuel cell system according to the second embodiment, and the third embodiment. It has the same microprocessor configuration as the controller 30 provided in the fuel cell system of the embodiment. In the controller 40, the CPU executes a control program stored in the ROM by using the RAM as a work area, so that the function as the hydrogen consumption calculating means 21, as shown in FIG. The function as the hydrogen pole pressure change prediction means 22, the function as the required load current value manipulated variable calculation means 23, the function as the required load current value manipulated variable restriction means 24, and the function as the hydrogen consumption prediction means 25 A function as the second hydrogen electrode pressure change predicting unit 26, a function as the circulating hydrogen flow rate manipulated variable calculating unit 27, a function as the circulating hydrogen flow rate manipulated variable limiting unit 41, and a circulating hydrogen flow rate predicting unit 42 , The function as the third hydrogen electrode pressure change predicting means 43, and the function as the raw hydrogen flow rate manipulated variable calculating means 44 are realized. That.
[0065]
That is, the controller 40 included in the fuel cell system according to the fourth embodiment includes, in addition to the functions realized by the controller 20 included in the fuel cell system according to the second embodiment, a circulating hydrogen flow rate manipulated variable limiting means 41, The functions of the circulating hydrogen flow rate predicting means 42, the third hydrogen electrode pressure change predicting means 43, and the raw hydrogen flow rate manipulated variable calculating means 44 are realized. Hereinafter, redundant description of functions similar to those realized by the controller 20 included in the fuel cell system according to the second embodiment will be omitted.
[0066]
The circulating hydrogen flow rate manipulated variable restricting means 41 determines whether or not the manipulated value of the circulating hydrogen flow rate calculated by the circulating hydrogen flow rate manipulated variable calculating means 27 exceeds a predetermined upper limit value or lower limit value. When the value exceeds a predetermined upper limit value or lower limit value, the operation amount of the circulating hydrogen flow rate is limited. The upper limit value and the lower limit value of the operation amount of the circulating hydrogen flow rate are values determined by the performance of the circulating hydrogen pump 11. That is, the variable range of the circulating hydrogen flow rate by the circulating hydrogen pump 11 is restricted according to the performance of the circulating hydrogen pump 11, and when a small circulating hydrogen pump 11 having a narrow flow rate variable range is used, the circulating hydrogen flow rate is reduced. The manipulated variable of the circulating hydrogen flow rate calculated by the manipulated variable calculating unit 27 may exceed the variable flow rate range of the circulating hydrogen pump 11. Therefore, in such a case, the circulating hydrogen flow rate manipulated variable limiting means 41 limits the manipulated value of the circulating hydrogen flow rate within the variable flow range of the circulating hydrogen pump 11.
[0067]
The circulating hydrogen flow rate predicting means 42 predicts the circulating hydrogen flow rate after the operation with the limited operating amount when the operating amount of the circulating hydrogen flow rate is limited by the circulating hydrogen flow rate operation amount limiting means 41. . The predicted value of the circulating hydrogen flow rate can be calculated using, for example, a function that maps the performance characteristic table of the circulating hydrogen pump 11.
[0068]
The third hydrogen electrode pressure change predicting means 43 outputs the hydrogen consumption in the fuel cell main body 2 predicted from the output from the hydrogen consumption predicting means 25, that is, the required load current value after the operation with the limited operation amount. And the output from the circulating hydrogen flow rate predicting means 42, that is, the circulating hydrogen flow rate after the operation with the limited operation amount, and the output from the raw material hydrogen flow rate sensor 8, that is, the flow rate of the raw material hydrogen supplied from the hydrogen supply device 7. Based on the above, a change in pressure at the hydrogen electrode inlet of the fuel cell main body 2 is predicted. When the operation amount of the required load current value is limited by the required load current value operation amount limiting means 24 and further, the operation amount of the circulating hydrogen flow rate is limited by the circulating hydrogen flow rate operation amount limiting means 41, this limited Only by operating the required load current and the circulating hydrogen flow rate, the hydrogen electrode inlet pressure cannot be the above-described hydrogen electrode target pressure. How much the pressure deviation remains is predicted by the third hydrogen electrode pressure prediction means 43.
[0069]
The raw material hydrogen flow rate manipulated variable calculation means 44 outputs the output from the third hydrogen electrode pressure change prediction means 43, that is, the predicted hydrogen electrode inlet pressure of the fuel cell body 2 after operating the required load current value and the circulating hydrogen flow rate. And the operation amount for increasing / decreasing the flow rate of the raw material hydrogen supplied from the hydrogen supply device 7 is calculated so as to calculate the difference from the hydrogen electrode target pressure and cancel the difference. That is, when the required load current value manipulated variable limiting means 24 limits the manipulated variable of the required load current value, and when the circulating hydrogen flow rate manipulated variable restricting means 41 limits the manipulated variable of the circulating hydrogen flow rate, Thus, the hydrogen electrode inlet pressure cannot be set to the above-described hydrogen electrode target pressure only by operating the required load current value and the circulating hydrogen flow rate. The raw material hydrogen flow rate operation amount calculation means 44 calculates an operation amount for increasing or decreasing the flow rate of the raw material hydrogen supplied from the hydrogen supply device 7 so as to cancel this pressure deviation by the operation of the raw material hydrogen flow rate.
[0070]
In the fuel cell system having the controller 40 as described above, the required load current value is operated according to the operation amount calculated by the required load current value operation amount calculating means 23 by the processing of the controller 40, and the required load current When the manipulated value of the value is limited by the performance of the fuel cell main body 2 or the performance of the external load 14, the circulating hydrogen flow rate is manipulated according to the manipulated variable calculated by the circulating hydrogen flow manipulated variable calculating means 27, Further, when the operation amount of the circulating hydrogen flow rate is limited by the performance of the circulating hydrogen pump 11, the hydrogen supply device 7 is operated according to the operation amount calculated by the source hydrogen flow rate operation amount calculating means 44, and the source hydrogen By increasing or decreasing the flow rate, the shortage of the required load current value and the manipulated amount of the circulating hydrogen flow rate is compensated, and the hydrogen electrode inlet pressure of the fuel cell main body 2 and the hydrogen electrode Deviation between the target pressure is set to be greatly reduced.
[0071]
Here, an example of processing by the controller 40 as described above will be specifically described with reference to the flowchart of FIG. In this controller 40, the process until the manipulated variable of the circulating hydrogen flow rate is calculated is the same as the process from step S1-1 to S1-11 by the controller 20 shown in FIG. Only the process will be described. That is, the process after step S3-1 in FIG. 8 is performed following the process of step S1-11 in FIG.
[0072]
When the manipulated value of the circulating hydrogen flow rate is calculated in step S1-11 in FIG. 4, the controller 40 then functions as the circulating hydrogen flow rate manipulated variable restricting means 41 in step S3-1, and step S1- Whether or not the upper and lower limits are added to the manipulated variable of the circulating hydrogen flow rate calculated in 11 is determined. Here, the upper limit value and the lower limit value, which are criteria for determination, are determined by the performance of the circulating hydrogen pump 11.
[0073]
If the upper and lower limits are not added to the manipulated variable of the required load current value calculated in step S1-11, the circulating hydrogen pump 11 is operated in accordance with the calculated manipulated variable in step S3-2. The hydrogen flow rate is increased or decreased, and the deviation between the hydrogen electrode inlet pressure of the fuel cell main body 2 and the hydrogen electrode target pressure is reduced. On the other hand, when the upper and lower limits are added to the operation amount of the circulating hydrogen flow rate calculated in step S1-11, the circulation hydrogen pump 11 is operated in accordance with the limited operation amount in step S3-3, and the circulating hydrogen flow rate is increased. Will be increased or decreased.
[0074]
When the circulating hydrogen pump 11 is operated according to the limited operation amount, the controller 40 then functions as the circulating hydrogen flow rate predicting means 42 in step S3-4 and circulates in step S3-3. The circulating hydrogen flow rate after the hydrogen pump 11 is operated is predicted. The predicted value of the circulating hydrogen flow rate is calculated using, for example, a function that maps the performance characteristic table of the circulating hydrogen pump 11.
[0075]
Next, in step S3-5, the controller 40 functions as the third hydrogen electrode pressure change predicting means 43 to calculate the amount of hydrogen consumed (after the required load current value operation) calculated in step S1-9 in FIG. Of hydrogen consumed) QL, the circulating hydrogen flow rate calculated in step S3-4 (the circulating hydrogen flow rate after the operation of the circulating hydrogen pump 11), and the output from the source hydrogen flow rate sensor 8 (the source hydrogen flow rate). Thus, the pressure change at the hydrogen electrode inlet of the fuel cell main body 2 is predicted. Here, the predicted pressure value Ppred is obtained by a relational expression represented by the following formula (3). In the following equation (3), the predicted circulating hydrogen flow rate is the predicted circulating hydrogen flow rate after operation of the circulating hydrogen pump 11 calculated in step S3-4, and the consumed hydrogen amount QL is calculated in step S1-9. The calculated required load current value is the amount of hydrogen consumed after the operation. Q22 is an output value of the circulating hydrogen flow sensor 8, and G22 is a delay characteristic and a coefficient (in this example, it is simply assumed as a first-order delay). s represents a Laplace operator.
[0076]
[Equation 3]
Predicted pressure value Ppred (s) = {Raw material hydrogen flow sensor indication value (s) + Predicted circulating hydrogen flow rate value (s) −Hydrogen consumption QL (s) −Q22 (s) × G22 (s)} / s・ (3)
Next, in step S3-6, the controller 40 functions as the raw material hydrogen flow rate operation amount calculation unit 44, calculates the difference between the predicted pressure value Ppred predicted in step S3-5 and the hydrogen electrode target pressure, The operation amount of the raw material hydrogen flow rate supplied from the hydrogen supply device 7 is calculated so as to cancel the difference. For example, when the hydrogen electrode target pressure-pressure prediction value Ppred> 0, the operation amount of the hydrogen supply device 7 is calculated so as to reduce the raw material hydrogen flow rate, and conversely, the hydrogen electrode target pressure-pressure prediction value Ppred <0. In this case, the operation amount of the hydrogen supply device 7 is calculated so as to increase the raw material hydrogen flow rate.
[0077]
In step S3-7, the hydrogen supply device 7 is operated in accordance with the operation amount calculated in step S3-6 to increase / decrease the raw material hydrogen flow rate, whereby the required load current value and the operation amount of the circulating hydrogen flow rate are reduced. The shortage is compensated, and the deviation between the hydrogen electrode inlet pressure of the fuel cell main body 2 and the hydrogen electrode target pressure is greatly reduced. The controller 40 repeats the above-described series of processing every time there is a request to increase the circulating hydrogen flow rate so that the hydrogen electrode inlet pressure of the fuel cell body 2 is always close to the hydrogen electrode target pressure.
[0078]
As described above, according to the fuel cell system of the fourth embodiment, the controller 40 includes the hydrogen consumption calculation means 21, the first hydrogen electrode pressure change prediction means 22, the required load current value manipulated variable calculation means 23, Required load current value manipulated variable limiting means 24, consumed hydrogen quantity predicting means 25, second hydrogen electrode pressure change predicting means 26, circulating hydrogen flow rate manipulated variable calculating means 27, circulating hydrogen flow rate manipulated variable limiting means 41, circulating hydrogen flow rate predicting The required load current value for canceling the hydrogen electrode inlet pressure change of the fuel cell body 2 by realizing the functions as the means 42, the third hydrogen electrode pressure change predicting means 43, and the raw material hydrogen flow rate manipulated variable calculating means 44. When the operation amount is limited, a circulating hydrogen flow rate manipulated variable to compensate for the shortage is calculated. Further, when this circulating hydrogen flow rate manipulated amount is limited, the shortage is compensated for. The operation amount of the fuel hydrogen flow rate is calculated, and the deviation between the hydrogen electrode inlet pressure of the fuel cell body 2 and the hydrogen electrode target pressure is determined by the operation of the required load current value, the operation of the circulating hydrogen pump 11 and the operation of the hydrogen supply device 7. Therefore, regardless of the performance of the fuel cell main body 2, the performance of the external load 14, the performance of the secondary battery, the performance of the circulating hydrogen pump 11, etc., the circulation is performed by the circulation pump 11. It is possible to effectively prevent an influence on the hydrogen electrode inlet pressure and the hydrogen electrode inlet flow rate when the circulated hydrogen thus combined with the raw material hydrogen supplied from the hydrogen supply device 7. Therefore, in the fuel cell system according to the fourth embodiment, the hydrogen electrode inlet flow rate and the hydrogen electrode inlet pressure interfere with each other to cause fluctuation, and the situation where hydrogen cannot be stably supplied to the fuel cell body 2 is prolonged. Problems can be effectively prevented.
[0079]
In the above, when the operation amount of the required load current value for canceling the hydrogen electrode inlet pressure change of the fuel cell main body 2 is limited, the shortage is compensated by the operation of the circulating hydrogen pump 11. In the case where the operation amount is limited, the example in which the shortage is compensated by the operation of the hydrogen supply device 7 has been described. However, when the required load current value operation amount is limited, the operation of the hydrogen supply device 7 is performed. Thus, when the shortage is compensated for and the amount of operation is limited, even if the shortage is compensated for by the operation of the circulating hydrogen pump 11, the same effect as the above-described example can be obtained.
[0080]
(Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The fuel cell system of the fifth embodiment has a basic configuration similar to that of the fuel cell system 1 of the first embodiment described above, and the processing content in the controller is different from that of the fuel cell system 1 described above. That is, in the fuel cell system of the fifth embodiment, the difference between the predicted hydrogen electrode inlet pressure of the fuel cell body 2 and the air electrode inlet pressure detected by the air electrode inlet pressure sensor 5 (see FIG. 1). The pressure is monitored, and when these differential pressures exceed the predetermined upper limit value or lower limit value, the hydrogen electrode target pressure is changed, and the manipulated variable of the required load current value or the circulating hydrogen flow rate is changed accordingly. It is characterized in that the operation amount or the operation amount of the raw material hydrogen flow rate is changed. Hereinafter, the processing of the controller, which is a characteristic point of the fuel cell system of the fifth embodiment, will be described with the same reference numerals given to the same configuration as the fuel cell system 1 of the first embodiment described above.
[0081]
The controller 50 included in the fuel cell system of the fifth embodiment has the same microprocessor configuration as the controller 16 included in the fuel cell system 1 of the first embodiment described above. In the controller 50, the CPU executes a control program stored in the ROM by using the RAM as a work area, so that the function as the hydrogen consumption calculating means 17 and the hydrogen electrode are obtained as shown in FIG. The function as the pressure change predicting means 18, the function as the hydrogen electrode inlet pressure adjusting means 19, the function as the differential pressure detecting means 51, and the function as the target pressure changing means 52 are realized. That is, the controller 40 included in the fuel cell system according to the fifth embodiment functions as a differential pressure detection means 51 in addition to the functions realized by the controller 16 included in the fuel cell system 1 according to the first embodiment. And the function as the target pressure changing means 52 is realized. Hereinafter, redundant description of functions similar to those realized by the controller 16 included in the fuel cell system according to the first embodiment will be omitted.
[0082]
The differential pressure detection means 51 predicts the output from the hydrogen electrode pressure change prediction means 18, that is, the flow rate of raw hydrogen supplied to the fuel cell body 2 and the flow rate of circulating hydrogen and the amount of hydrogen consumed in the fuel cell body 2. The pressure difference between the hydrogen electrode inlet pressure of the fuel cell body 2 to be detected and the air electrode inlet pressure of the fuel cell body 2 detected by the air electrode inlet pressure sensor 5 is calculated, and the calculated differential pressure is a predetermined upper limit value. Alternatively, it is determined whether or not the lower limit value is exceeded. Here, the upper limit value and the lower limit value allowed as the differential pressure between the hydrogen electrode inlet pressure and the air electrode inlet pressure are values determined by the characteristics of the solid polymer membrane provided in the fuel cell main body 2.
[0083]
When the differential pressure detecting means 51 determines that the differential pressure between the hydrogen electrode inlet pressure and the air electrode inlet pressure of the fuel cell body 2 exceeds a predetermined upper limit value or lower limit value, the target pressure changing means 52 The hydrogen electrode target pressure is changed so that these differential pressures are reduced to an allowable range.
[0084]
When the hydrogen electrode target pressure is changed by the target pressure changing means 52, the hydrogen electrode inlet pressure adjusting means 19 reduces the deviation between the changed hydrogen electrode target pressure and the output from the hydrogen electrode pressure change predicting means 18. As described above, the operation amount of the required load current value, the operation amount of the circulating hydrogen flow rate, or the operation amount of the raw material hydrogen flow rate is calculated. That is, when the differential pressure between the hydrogen electrode inlet pressure and the air electrode inlet pressure of the fuel cell body 2 exceeds a predetermined upper limit value or lower limit value, the required load is set so that the differential pressure is within an allowable range. The operation amount of the current value, the operation amount of the circulating hydrogen flow rate, or the operation amount of the raw material hydrogen flow rate is changed. Then, the required load current value is operated according to the changed operation amount, the circulating hydrogen pump 11 is operated, or the hydrogen supply device 7 is operated, whereby the hydrogen electrode inlet pressure of the fuel cell main body 2 is operated. The change in the hydrogen electrode inlet pressure of the fuel cell main body 2 is canceled while the differential pressure between the air electrode and the air electrode inlet pressure is within the allowable range.
[0085]
As explained above, according to the fuel cell system of the fifth embodiment, in addition to the functions of the controller 50 as the hydrogen consumption calculation means 17, the hydrogen electrode pressure change prediction means 18, and the hydrogen electrode inlet pressure adjustment means 19, The function as the differential pressure detecting means 51 and the function as the target pressure changing means 52 are realized, and the fuel cell main body is maintained while keeping the differential pressure between the hydrogen electrode inlet pressure and the air electrode inlet pressure of the fuel cell main body 2 within an allowable range. Since the change in the pressure at the inlet of the hydrogen electrode 2 is canceled, when the circulating hydrogen circulated by the circulation pump 11 joins the raw hydrogen supplied from the hydrogen supply device 7, this is triggered. By preventing the influence on the hydrogen electrode inlet pressure and the hydrogen electrode inlet flow rate, it is possible to effectively prevent problems such as a prolonged situation in which hydrogen cannot be stably supplied to the fuel cell body 2. In addition, the pressure difference between the hydrogen electrode inlet pressure and the air electrode inlet pressure of the fuel cell main body 2 is increased, and the solid polymer membrane provided in the fuel cell main body 2 is effectively prevented from being damaged. Can do.
[0086]
The control of the differential pressure between the hydrogen electrode inlet pressure and the air electrode inlet pressure of the fuel cell main body 2 described above can be realized in any of the fuel cell systems of the second to fourth embodiments described above. It is a thing.
[0087]
That is, in the fuel cell system of the second embodiment and the fuel cell system of the third embodiment described above, the output from the second hydrogen electrode pressure change predicting means 26 realized in the controllers 20 and 30, the air Based on the output from the pole inlet pressure sensor 5, a differential pressure between the hydrogen pole inlet pressure of the fuel cell main body 2 and the air pole inlet pressure is detected, and this differential pressure exceeds a predetermined upper limit value or lower limit value. The change in the hydrogen electrode inlet pressure of the fuel cell main body 2 is canceled while the differential pressure between the hydrogen electrode inlet pressure of the fuel cell main body 2 and the air electrode inlet pressure is within an allowable range by changing the hydrogen electrode target pressure. Is possible.
[0088]
In the fuel cell system of the fourth embodiment described above, based on the output from the third hydrogen electrode pressure change predicting means 43 realized by the controller 40 and the output from the air electrode inlet pressure sensor 5. By detecting the differential pressure between the hydrogen electrode inlet pressure and the air electrode inlet pressure of the fuel cell main body 2 and when this differential pressure exceeds a predetermined upper limit value or lower limit value, the hydrogen electrode target pressure is changed to It becomes possible to cancel the hydrogen electrode inlet pressure change of the fuel cell main body 2 while keeping the differential pressure between the hydrogen electrode inlet pressure of the battery main body 2 and the air electrode inlet pressure within an allowable range.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system configuration diagram showing a fuel cell system according to a first embodiment to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a diagram illustrating internal model predictive control.
FIG. 3 is a functional block diagram of a controller provided in a fuel cell system according to a second embodiment to which the present invention is applied.
FIG. 4 is a flowchart showing an example of processing by a controller provided in the fuel cell system according to the second embodiment.
FIG. 5 is a functional block diagram of a controller provided in a fuel cell system according to a third embodiment to which the present invention is applied.
FIG. 6 is a flowchart showing an example of processing by a controller provided in the fuel cell system of the third embodiment.
FIG. 7 is a functional block diagram of a controller provided in a fuel cell system according to a fourth embodiment to which the present invention is applied.
FIG. 8 is a flowchart showing an example of processing by a controller provided in the fuel cell system of the fourth embodiment.
FIG. 9 is a functional block diagram of a controller provided in a fuel cell system according to a fifth embodiment to which the present invention is applied.
[Explanation of symbols]
1 Fuel cell system
2 Fuel cell body
4 Air supply device
5 Air electrode inlet pressure sensor
7 Hydrogen supply equipment
8 Raw material hydrogen flow sensor
11 Circulating hydrogen pump
12 Circulating hydrogen flow sensor
14 External load
15 Load current sensor
16 controller
17 Hydrogen consumption calculation means
18 Hydrogen electrode pressure change prediction means
19 Hydrogen electrode inlet pressure adjusting means
20 controller
21 Hydrogen consumption calculation means
22 1st hydrogen pole pressure change prediction means
23 Required load current value manipulated variable calculation means
24 Required load current value manipulated variable limiting means
25 Hydrogen consumption prediction means
26 Second hydrogen electrode pressure change prediction means
27 Circulating hydrogen flow manipulated variable calculation means
30 controller
31 Raw material hydrogen flow rate manipulated variable calculation means
40 controller
41 Circulating hydrogen flow rate manipulated variable calculation means
42 Circulating hydrogen flow rate prediction means
43 Third hydrogen electrode pressure change prediction means
44 Raw material hydrogen flow rate operation amount calculation means
50 controller
51 Difference detection means
52 Target pressure changing means

Claims (5)

燃料電池本体と、
前記燃料電池本体に水素を供給する水素供給装置と、
前記燃料電池本体に空気を供給する空気供給装置と、
前記燃料電池本体から排出される排水素を前記燃料電池本体の入口側へと循環させる循環水素ポンプと、
前記水素供給装置から前記燃料電池に供給される水素流量を検出する原料水素流量検出手段と、
前記循環水素ポンプにより前記燃料電池本体の入口側へと循環される水素流量を検出する循環水素流量検出手段と、
前記燃料電池本体から外部負荷へと供給される負荷電流を検出する負荷電流検出手段と、
前記負荷電流検出手段からの出力に基づいて前記燃料電池本体で消費した水素量を算出する水素消費量算出手段と、
前記原料水素流量検出手段からの出力と、前記循環水素量検出手段からの出力と、前記水素消費量算出手段からの出力とに基づいて、前記燃料電池本体の水素極入口の圧力変化を予測する水素極圧力変化予測手段とを備え、
前記水素極圧力変化予測手段からの出力と所定の目標圧力との偏差を低減させるように、前記燃料電池本体に対して前記外部負荷が要求する要求負荷電流値、前記循環水素ポンプにより前記燃料電池本体の入口側へと循環される水素流量、前記水素供給装置から前記燃料電池本体に供給される水素流量の少なくとも何れかを操作すること
を特徴とする燃料電池システム。A fuel cell body;
A hydrogen supply device for supplying hydrogen to the fuel cell body;
An air supply device for supplying air to the fuel cell body;
A circulating hydrogen pump for circulating the exhausted hydrogen discharged from the fuel cell body to the inlet side of the fuel cell body;
Raw material hydrogen flow rate detection means for detecting the flow rate of hydrogen supplied from the hydrogen supply device to the fuel cell;
A circulating hydrogen flow rate detecting means for detecting a hydrogen flow rate circulated to the inlet side of the fuel cell body by the circulating hydrogen pump;
Load current detection means for detecting a load current supplied from the fuel cell body to an external load;
Hydrogen consumption calculation means for calculating the amount of hydrogen consumed in the fuel cell body based on the output from the load current detection means;
Based on the output from the raw material hydrogen flow rate detection means, the output from the circulating hydrogen amount detection means, and the output from the hydrogen consumption calculation means, a change in pressure at the hydrogen electrode inlet of the fuel cell body is predicted. A hydrogen electrode pressure change prediction means,
A required load current value required by the external load for the fuel cell main body so as to reduce a deviation between an output from the hydrogen electrode pressure change predicting means and a predetermined target pressure, and the fuel cell by the circulating hydrogen pump A fuel cell system, wherein at least one of a hydrogen flow rate circulated to an inlet side of the main body and a hydrogen flow rate supplied from the hydrogen supply device to the fuel cell main body is operated. 前記水素極圧力変化予測手段からの出力と所定の目標圧力との偏差を低減させるように、前記燃料電池本体に対して前記外部負荷が要求する要求負荷電流値を操作する要求負荷電流値操作手段と、
前記要求負荷電流値操作手段による操作が制限された場合に、この制限された要求負荷電流値に基づいて、前記燃料電池本体で消費する水素量を予測する消費水素量予測手段と、
前記消費水素量予測手段からの出力と、前記原料水素流量検出手段からの出力と、前記循環水素量検出手段からの出力とに基づいて、前記燃料電池本体の水素極入口の圧力変化を予測する第２の水素極圧力変化予測手段と、
前記第２の水素極圧力変化予測手段からの出力と所定の目標圧力との差分をキャンセルするように、前記循環水素ポンプを操作してこの循環水素ポンプにより前記燃料電池本体の入口側へと循環される水素流量を調整する循環水素流量調整手段とを更に備えること
を特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。Requested load current value operating means for operating the required load current value required by the external load for the fuel cell main body so as to reduce the deviation between the output from the hydrogen electrode pressure change predicting means and a predetermined target pressure. When,
When the operation by the required load current value operating means is restricted, a consumed hydrogen amount predicting means for predicting the amount of hydrogen consumed in the fuel cell main body based on the restricted requested load current value;
Based on the output from the hydrogen consumption predicting means, the output from the raw hydrogen flow rate detecting means, and the output from the circulating hydrogen amount detecting means, a change in pressure at the hydrogen electrode inlet of the fuel cell body is predicted. A second hydrogen electrode pressure change prediction means;
The circulating hydrogen pump is operated so as to cancel the difference between the output from the second hydrogen electrode pressure change predicting means and a predetermined target pressure, and the circulating hydrogen pump circulates to the inlet side of the fuel cell main body. The fuel cell system according to claim 1, further comprising a circulating hydrogen flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the generated hydrogen. 前記循環水素流量調整手段による循環水素ポンプの操作が制限された場合に、この制限された操作量に基づいて、前記循環水素ポンプにより前記燃料電池本体の入口側へと循環される水素流量を予測する循環水素流量予測手段と、
前記消費水素量予測手段からの出力と、前記原料水素流量検出手段からの出力と、前記循環水素量予測手段からの出力とに基づいて、前記燃料電池本体の水素極入口の圧力変化を予測する第３の水素極圧力変化予測手段と、
前記第３の水素極圧力変化予測手段からの出力と所定の目標圧力との差分をキャンセルするように、前記水素供給装置を操作してこの水素供給装置から前記燃料電池本体に供給される水素流量を調整する原料水素流量調整手段とを更に備えること
を特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。When the operation of the circulating hydrogen pump by the circulating hydrogen flow rate adjusting means is restricted, the flow rate of hydrogen circulated by the circulating hydrogen pump to the inlet side of the fuel cell body is predicted based on the restricted operation amount. Circulating hydrogen flow rate predicting means,
Based on the output from the hydrogen consumption prediction means, the output from the raw hydrogen flow rate detection means, and the output from the circulating hydrogen quantity prediction means, the pressure change at the hydrogen electrode inlet of the fuel cell body is predicted. A third hydrogen electrode pressure change predicting means;
The hydrogen flow rate supplied to the fuel cell body from the hydrogen supply device by operating the hydrogen supply device so as to cancel the difference between the output from the third hydrogen electrode pressure change predicting means and the predetermined target pressure The fuel cell system according to claim 2, further comprising a raw material hydrogen flow rate adjusting means for adjusting the flow rate. 前記水素極圧力変化予測手段からの出力と所定の目標圧力との偏差を低減させるように、前記燃料電池本体に対して前記外部負荷が要求する要求負荷電流値を操作する要求負荷電流値操作手段と、
前記要求負荷電流値操作手段による操作が制限された場合に、この制限された要求負荷電流値に基づいて、前記燃料電池本体で消費する水素量を予測する消費水素量予測手段と、
前記消費水素量予測手段からの出力と、前記原料水素流量検出手段からの出力と、前記循環水素量検出手段からの出力とに基づいて、前記燃料電池本体の水素極入口の圧力変化を予測する第２の水素極圧力変化予測手段と、
前記第２の水素極圧力変化予測手段からの出力と所定の目標圧力との差分をキャンセルするように、前記水素供給装置を操作してこの水素供給装置から前記燃料電池本体に供給される水素流量を調整する原料水素流量調整手段とを更に備えること
を特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。Requested load current value operating means for operating the required load current value required by the external load for the fuel cell main body so as to reduce the deviation between the output from the hydrogen electrode pressure change predicting means and a predetermined target pressure. When,
When the operation by the required load current value operating means is restricted, a consumed hydrogen amount predicting means for predicting the amount of hydrogen consumed in the fuel cell main body based on the restricted requested load current value;
Based on the output from the hydrogen consumption predicting means, the output from the raw hydrogen flow rate detecting means, and the output from the circulating hydrogen amount detecting means, a change in pressure at the hydrogen electrode inlet of the fuel cell body is predicted. A second hydrogen electrode pressure change prediction means;
The flow rate of hydrogen supplied from the hydrogen supply device to the fuel cell body by operating the hydrogen supply device so as to cancel the difference between the output from the second hydrogen electrode pressure change predicting means and a predetermined target pressure. The fuel cell system according to claim 1, further comprising a raw material hydrogen flow rate adjusting means for adjusting the flow rate. 前記燃料電池本体の空気極入口の圧力を検出する空気極圧力検出手段を更に備え、
前記水素極圧力変化予測手段からの出力、又は前記第２の水素極圧力変化予測手段からの出力、又は前記第３の水素極圧力変化予測手段からの出力と前記空気極圧力検出手段からの出力との差が所定の範囲を超えた場合には、この差が所定の範囲内になるように、前記燃料電池本体に対して前記外部負荷が要求する要求負荷電流値、又は前記循環水素ポンプにより前記燃料電池本体の入口側へと循環される水素流量、又は前記水素供給装置から前記燃料電池本体に供給される水素流量の操作量を変更すること
を特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の燃料電池システム。An air electrode pressure detecting means for detecting a pressure at the air electrode inlet of the fuel cell body;
Output from the hydrogen electrode pressure change predicting means, output from the second hydrogen electrode pressure change predicting means, output from the third hydrogen electrode pressure change predicting means, and output from the air electrode pressure detecting means When the difference with the external load exceeds a predetermined range, the required load current value required by the external load with respect to the fuel cell main body or the circulating hydrogen pump so that the difference is within the predetermined range. The operation amount of the hydrogen flow rate circulated to the inlet side of the fuel cell main body or the hydrogen flow rate supplied to the fuel cell main body from the hydrogen supply device is changed. The fuel cell system described in 1.
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