JP2004193113A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of improving fuel economy, and maintaining stable operation status, while extending the service life of the fuel cell. <P>SOLUTION: A mode determination switching part 45 determines if power generation current IFC of a fuel cell stack 12 detected by a power generation current/voltage detection part 44 is continuously generated for a predetermined period or higher, at a predetermined current level or higher, and switches the setting to stable mode or unstable mode based on the result of the determination. A pump flow rate calculation part 50, a purge parameter calculation part 46, a target air flow rate calculation part 34 and a target air pressure calculation part 36 calculate control parameters according to the set mode to control the supply gas supplied to the fuel cell stack 12 as well as to control the exhaust gas discharged from the fuel cell stack 12. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

本発明は、アノード電極に供給される水素含有ガスとカソード電極に供給される酸素含有ガスとを反応させることで電気エネルギを生成する燃料電池と、前記燃料電池に対する前記水素含有ガスおよび前記酸素含有ガスの供給を調整する供給調整部と、前記燃料電池からの排気ガスの排出を調整する排出調整部とを備える燃料電池システムに関する。   The present invention provides a fuel cell that generates electric energy by reacting a hydrogen-containing gas supplied to an anode electrode and an oxygen-containing gas supplied to a cathode electrode, and the hydrogen-containing gas and the oxygen-containing gas for the fuel cell. The present invention relates to a fuel cell system including a supply adjustment unit that adjusts gas supply and an emission adjustment unit that adjusts emission of exhaust gas from the fuel cell.

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜(陽イオン交換膜)からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード電極およびカソード電極を配置した電解質膜(電解質)・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体およびセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。   For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane (electrolyte) / electrode structure in which an anode electrode and a cathode electrode are arranged on both sides of an electrolyte membrane composed of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane) is separated by a separator. It is configured by pinching. This type of fuel cell is generally used as a fuel cell stack by laminating a predetermined number of electrolyte membrane / electrode structures and separators.

燃料電池において、アノード電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード電極側へと移動し、その移動の間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード電極には、酸化剤ガス、例えば、エア等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード電極において、水素イオン、電子および酸素ガスが反応して水が生成される。   In a fuel cell, a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas supplied to an anode electrode is hydrogen-ionized on an electrode catalyst, moves to a cathode electrode side through a moderately humidified electrolyte membrane, and during the movement. The generated electrons are taken out to an external circuit and used as DC electric energy. Since an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas such as air is supplied to the cathode electrode, hydrogen ions, electrons, and oxygen gas react at the cathode electrode to generate water.

ところで、このような燃料電池では、起動直後における温度が十分に上昇しておらず、あるいは、発電状態が長時間継続されることで不純物が蓄積したり、アノード電極面を水が覆い、反応ガスが十分に供給されないことにより、発電電圧の低下する事態が生じる。従って、燃料電池の寿命を維持しつつ、効率的な発電状態を維持するため、燃料ガスや酸化剤ガスの流量および圧力を適切に制御して供給するとともに、水を含む排気ガスを適切なタイミングで外部に排出する必要がある。   By the way, in such a fuel cell, the temperature is not sufficiently increased immediately after start-up, or impurities are accumulated due to the power generation state being continued for a long time, water is covered on the anode electrode surface, and the reaction gas is Is not supplied sufficiently, a situation occurs in which the generated voltage drops. Therefore, in order to maintain the life of the fuel cell and maintain an efficient power generation state, the flow rate and the pressure of the fuel gas and the oxidizing gas are appropriately controlled and supplied, and the exhaust gas including water is supplied at an appropriate timing. Must be discharged to the outside.

そこで、特許文献1に開示された従来技術では、燃料電池による発電電圧を検出し、この発電電圧が基準電圧以下になったとき、アノード電極から水や排気ガスを外部に排出する制御を行っている。   Therefore, in the related art disclosed in Patent Document 1, a voltage generated by the fuel cell is detected, and when the generated voltage falls below the reference voltage, control is performed to discharge water or exhaust gas from the anode electrode to the outside. I have.

特開2002−93438号公報(段落[0025]〜[0027])JP-A-2002-93438 (paragraphs [0025] to [0027])

しかしながら、発電電圧の低下が検出されたときには、水や不純物の蓄積により、既に燃料電池の発電能力が低下しているため、このままの状態で発電を継続すると、燃料電池の寿命が縮まり、あるいは、電圧の回復遅延に伴い、取り出せる電流が制限されるといった事態の生じるおそれがある。   However, when a decrease in the power generation voltage is detected, the power generation capacity of the fuel cell has already been reduced due to the accumulation of water and impurities.If power generation is continued in this state, the life of the fuel cell is shortened, or With a delay in voltage recovery, there is a possibility that a current that can be taken out is limited.

一方、発電電圧を速やかに回復させるため、排気ガス等を迅速に排出させたり、燃料ガスや酸化剤ガスの供給量を増大させることが考えられる。   On the other hand, in order to quickly recover the power generation voltage, it is conceivable to quickly discharge exhaust gas or the like or to increase the supply amount of fuel gas or oxidizing gas.

しかしながら、排気ガス等の排出量を増大させると、排出に伴って濃度の高い水素ガスが外部に排出されるおそれがあり、また、燃料ガスや酸化剤ガスの供給量を増大させると、燃費が低下してしまうおそれがある。   However, if the amount of exhaust gas or the like is increased, high-concentration hydrogen gas may be discharged to the outside with the discharge, and if the supply amount of the fuel gas or the oxidizing gas is increased, the fuel efficiency may be reduced. There is a possibility that it will decrease.

本発明は、この種の問題を解決するものであり、燃料電池の長寿命化を図ることができるとともに、燃費を向上させ、安定した運転状態を維持することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。   The present invention is to solve this kind of problem, and to provide a fuel cell system that can extend the life of a fuel cell, improve fuel efficiency, and maintain a stable operation state. With the goal.

請求項1記載の発明では、基準電流以上の発電電流が基準時間以上継続して出力されているか否かを監視して作動状態を判定し、その判定結果に応じて制御パラメータを設定し、燃料電池に対する供給ガスの供給制御および/または排気ガスの排出制御を行うことにより、発電電圧の低下を惹起することなく、最適な運転状態で燃料電池の動作を継続させることができる。   According to the first aspect of the present invention, the operation state is determined by monitoring whether or not the generated current equal to or more than the reference current is continuously output for the reference time or more, and the control parameter is set according to the determination result, and By performing the supply control of the supply gas to the battery and / or the discharge control of the exhaust gas, the operation of the fuel cell can be continued in an optimum operation state without causing a decrease in the generated voltage.

請求項2記載の発明では、第1基準電流以上の発電電流が第1基準時間以上継続する場合、作動状態判定部が安定状態と判定し、安定時に対する第1制御パラメータに基づき、燃料電池に対する供給ガスの供給制御および/または排出ガスの排出制御を行う。また、第2基準電流以下の発電電流が第2基準時間以上継続する場合、作動状態判定部が不安定状態と判定し、不安定時に対する第2制御パラメータに基づき、燃料電池に対する供給ガスの供給制御および/または排出ガスの排出制御を行うことにより、燃料電池を速やかに安定状態に移行させる。   According to the second aspect of the present invention, when the generated current equal to or more than the first reference current continues for the first reference time or more, the operating state determination unit determines that the fuel cell is in a stable state, and based on the first control parameter for the stable time, The supply control of the supply gas and / or the discharge control of the exhaust gas are performed. When the generated current equal to or less than the second reference current continues for the second reference time or longer, the operation state determination unit determines that the state is unstable, and controls the supply of the supply gas to the fuel cell based on the second control parameter for the unstable time. And / or performing emission control of the exhaust gas to quickly shift the fuel cell to a stable state.

また、請求項3記載の発明では、燃料電池の発電状態の判定結果に基づき水素含有ガスの流量である制御パラメータを算出し、この制御パラメータに従って供給調整部が水素含有ガスを調整してアノード電極に供給することにより、所望の状態で燃料電池を動作させることができる。   According to the third aspect of the present invention, a control parameter, which is a flow rate of the hydrogen-containing gas, is calculated based on the determination result of the power generation state of the fuel cell. , The fuel cell can be operated in a desired state.

また、請求項4記載の本発明では、水素含有ガスの流量を制御する供給調整部を、アノード電極のガス供給口とガス排気口とを連結する循環ループに配設し、ガス排気口から排出された水素含有ガスを所望の流量に調整してガス供給口に供給することにより、燃料電池の作動状態が最適化される。   According to the present invention, the supply adjusting section for controlling the flow rate of the hydrogen-containing gas is provided in the circulation loop connecting the gas supply port and the gas exhaust port of the anode electrode, and the supply control section is discharged from the gas exhaust port. The operating state of the fuel cell is optimized by adjusting the supplied hydrogen-containing gas to a desired flow rate and supplying it to the gas supply port.

また、請求項5記載の発明では、発電電流と燃料電池の発電状態の判定結果とから、排気ガスの外部への排出および外部への排出禁止を制御するパージパラメータを算出し、このパージパラメータに基づいて排気ガスの排出制御を行うことにより、排出される排気ガス中の水素ガス濃度を制御しつつ、所望の状態で燃料電池を動作させることができる。   According to the fifth aspect of the present invention, a purge parameter for controlling discharge of exhaust gas to the outside and prohibition of discharge to the outside is calculated from the generated current and the determination result of the power generation state of the fuel cell. By performing exhaust gas emission control based on the exhaust gas, it is possible to operate the fuel cell in a desired state while controlling the concentration of hydrogen gas in the exhaust gas to be exhausted.

さらに、請求項6記載の発明では、目標発電電流と燃料電池の発電状態の判定結果とから、目標流量および目標圧力を算出して供給ガスを燃料電池に供給することにより、発電電圧を低下させることなく、所望の発電電流を得ることができる。   Further, in the invention according to claim 6, the power generation voltage is reduced by calculating the target flow rate and the target pressure from the target power generation current and the determination result of the power generation state of the fuel cell and supplying the supply gas to the fuel cell. A desired generated current can be obtained without the need.

さらにまた、請求項7記載の発明では、発電電流または目標発電電流に加えて燃料電池の温度を検出し、発電電流または目標発電電流と燃料電池の温度とに基づいて制御パラメータを算出し、燃料電池を動作させることにより、燃料電池をより適切な状態で動作させることができる。   Furthermore, in the invention according to claim 7, the temperature of the fuel cell is detected in addition to the generated current or the target generated current, and the control parameter is calculated based on the generated current or the target generated current and the temperature of the fuel cell. By operating the battery, the fuel cell can be operated in a more appropriate state.

また、請求項8記載の発明では、燃料電池の温度を検出し、その温度に応じて基準電流および基準時間を設定することにより、燃料電池の作動状態を一層正確に判定することができる。   In the invention according to claim 8, the operating state of the fuel cell can be determined more accurately by detecting the temperature of the fuel cell and setting the reference current and the reference time according to the detected temperature.

さらに、請求項9記載の発明では、燃料電池の温度を検出し、その温度に応じて制御パラメータと基準電流と基準時間とを設定し、これらに基づいて燃料電池の作動状態を判定することにより、判定精度をさらに向上させることができる。   Further, according to the ninth aspect of the present invention, the temperature of the fuel cell is detected, the control parameter, the reference current, and the reference time are set according to the temperature, and the operating state of the fuel cell is determined based on these. In addition, the determination accuracy can be further improved.

本発明によれば、燃料電池の作動状態を発電電流によって判定し、その判定結果に基づいて運転条件の設定を行うことにより、燃料電池の発電効率の低下を事前に回避して長寿命化を図ることができる。また、作動状態を高精度に判定して燃料電池に供給ガスを適切に供給するとともに、排気ガスを適切に排出するため、燃費を向上させることができる一方、水素ガスの濃度を所定濃度以下に抑制して外部に排出することができる。   According to the present invention, the operating state of the fuel cell is determined based on the generated current, and the operating conditions are set based on the determination result. Can be planned. In addition, while the operating state is determined with high accuracy, the supply gas is appropriately supplied to the fuel cell, and the exhaust gas is appropriately discharged, so that the fuel efficiency can be improved. It can be suppressed and discharged to the outside.

なお、燃料電池の温度を検出し、その温度に基づいて作動状態を判定することにより、判定精度をさらに向上させ、それによって燃料電池を一層効率的に動作させることができる。   In addition, by detecting the temperature of the fuel cell and determining the operation state based on the temperature, the determination accuracy can be further improved, and the fuel cell can be operated more efficiently.

図1は、本実施形態の燃料電池システム10を示す。なお、図1において、二重線で示すラインは、ガスの流通路を表し、一重線で示すラインは、電気的な信号線を表すものとする。   FIG. 1 shows a fuel cell system 10 of the present embodiment. In FIG. 1, a line indicated by a double line indicates a gas flow path, and a line indicated by a single line indicates an electric signal line.

燃料電池システム10は、燃料ガス(アノードガス)である水素ガスH2と酸化剤ガス(カソードガス)であるエアとが供給されることで電気エネルギを生成する燃料電池スタック12(燃料電池)と、燃料電池スタック12に供給する燃料ガス、酸化剤ガスの制御を行うとともに、燃料電池スタック12から排出される水を含む排気ガスの制御を行う制御装置14(制御部)とから基本的に構成される。 The fuel cell system 10 includes a fuel cell stack 12 (fuel cell) that generates electric energy by being supplied with hydrogen gas H 2 as a fuel gas (anode gas) and air as an oxidant gas (cathode gas). And a control device 14 (control unit) that controls fuel gas and oxidizing gas supplied to the fuel cell stack 12 and controls exhaust gas containing water discharged from the fuel cell stack 12. Is done.

燃料電池スタック12は、水素ガスH2が供給されるアノード電極と、エアが供給されるカソード電極とを電解質膜を介して結合してなる多数のセル16を直列に接続して構成される。この場合、燃料電池スタック12には、冷却水を循環供給することで発電による発熱温度の上昇を抑制し、燃料電池スタック12を最適な温度範囲に保持するための冷却部17が接続される。 The fuel cell stack 12 is configured by connecting in series a number of cells 16 formed by connecting an anode electrode supplied with hydrogen gas H 2 and a cathode electrode supplied with air via an electrolyte membrane. In this case, the cooling unit 17 is connected to the fuel cell stack 12 to circulate and supply the cooling water to suppress an increase in the heat generation temperature due to the power generation and to keep the fuel cell stack 12 in an optimal temperature range.

燃料電池スタック12に供給される冷却水の温度θWは、冷却部17に接続された冷却水温度検出部19によって検出される。また、アノード電極に供給される水素ガスH2の温度θAは、アノードガス温度検出部21によって検出される。さらに、カソード電極に供給されるエアーの温度θCは、カソードガス温度検出部23によって検出される。 The temperature θ W of the cooling water supplied to the fuel cell stack 12 is detected by a cooling water temperature detecting unit 19 connected to the cooling unit 17. Further, the temperature θ A of the hydrogen gas H 2 supplied to the anode electrode is detected by the anode gas temperature detection unit 21. Further, the temperature θ C of the air supplied to the cathode electrode is detected by the cathode gas temperature detection unit 23.

燃料電池スタック12のアノード電極のガス供給口には、水素タンク18からの水素ガスH2がレギュレータ20により所定圧力に調整されて供給される。また、燃料電池スタック12のカソード電極のガス供給口には、エアがコンプレッサ22により圧縮されて供給される。この場合、コンプレッサ22から出力されるエアは、レギュレータ20に供給されており、このエアの圧力によって水素ガスH2との圧力比が調整される。コンプレッサ22の上流には、カソード電極に供給するエアの流量を検出する流量検出部24が接続される。 Hydrogen gas H 2 from the hydrogen tank 18 is supplied to the gas supply port of the anode electrode of the fuel cell stack 12 at a predetermined pressure adjusted by the regulator 20. Air is compressed and supplied to the gas supply port of the cathode electrode of the fuel cell stack 12 by the compressor 22. In this case, the air output from the compressor 22, is supplied to the regulator 20, the pressure ratio of hydrogen gas H 2 is adjusted by the pressure of the air. Upstream of the compressor 22, a flow rate detection unit 24 that detects the flow rate of air supplied to the cathode electrode is connected.

燃料電池スタック12のアノード電極のガス排出口には、パージバルブ26を介して水素希釈ボックス28が接続される。このガス排出口からは、燃料電池スタック12において発電に寄与しなかった水素ガスH2、発電によって生成されカソード電極から電解質膜を介して浸透した水、エア中に含まれ電解質膜を介して浸透した窒素ガス等が排気ガスとして排出される。パージバルブ26は、オン/オフバルブによって構成され、前記排気ガスを必要に応じて水素希釈ボックス28に排出する。 A hydrogen dilution box 28 is connected to a gas outlet of the anode electrode of the fuel cell stack 12 via a purge valve 26. Hydrogen gas H 2 , which did not contribute to power generation in the fuel cell stack 12, water generated by power generation and permeated through the electrolyte membrane from the cathode electrode, and water contained in air and permeated through the electrolyte membrane from the gas discharge port The exhausted nitrogen gas and the like are exhausted. The purge valve 26 is constituted by an on / off valve, and discharges the exhaust gas to the hydrogen dilution box 28 as needed.

なお、アノード電極のガス排出口は、ポンプ29を介してガス供給口に接続されており、発電に寄与しないで排出された水素ガスH2を再度燃料電池スタック12に供給する循環ループを構成する。 The gas outlet of the anode electrode is connected to the gas supply port through the pump 29, constituting circulation loop for supplying the hydrogen gas H 2 to the fuel cell stack 12 again discharged without contributing to the power generation .

燃料電池スタック12のカソード電極のガス排出口には、圧力制御バルブ30を介して水素希釈ボックス28が接続される。このガス排出口からは、発電によって生成された水が排出されるとともに、ガス供給口から供給されたエアの一部が排気ガスとして排出される。圧力制御バルブ30は、排気ガスの圧力を調整することにより、燃料電池スタック12に供給されるエアの圧力を制御する。   A hydrogen dilution box 28 is connected to a gas outlet of the cathode electrode of the fuel cell stack 12 via a pressure control valve 30. Water generated by power generation is discharged from the gas discharge port, and a part of the air supplied from the gas supply port is discharged as exhaust gas. The pressure control valve 30 controls the pressure of the air supplied to the fuel cell stack 12 by adjusting the pressure of the exhaust gas.

水素希釈ボックス28は、パージバルブ26を介してアノード電極から排出される水素ガスH2を含む排気ガスを、圧力制御バルブ30を介してカソード電極から排出されるエアを含む排気ガスにより希釈して外部に排出する。 The hydrogen dilution box 28 dilutes an exhaust gas containing hydrogen gas H 2 discharged from the anode electrode via the purge valve 26 with an exhaust gas containing air discharged from the cathode electrode via the pressure control valve 30 and externally dilutes it. To be discharged.

制御装置14は、燃料電池スタック12による目標発電電流を設定する目標発電電流設定部32と、目標発電電流を得るための目標エア流量(目標流量)を算出する目標エア流量算出部34(目標値算出部)と、目標発電電流を得るための最適な目標エア圧力(目標圧力)を算出する目標エア圧力算出部36(目標値算出部)と、燃料電池スタック12を構成する各セル16によって生成される電流および電圧を検出する発電電流/電圧検出部44と、ポンプ29による水素ガスH2の流量を算出するポンプ流量算出部50(水素含有ガス流量算出部)と、パージバルブ26による水素ガスH2の排出制御を行うためのパージパラメータを算出するパージパラメータ算出部46と、燃料電池スタック12の作動状態が安定モードであるか不安定モードであるかを判定し、切り替えを行うモード判定切替部45(作動状態判定部)とを備える。 The control device 14 includes a target generation current setting unit 32 that sets a target generation current by the fuel cell stack 12 and a target air flow calculation unit 34 (target value) that calculates a target air flow (target flow) for obtaining the target generation current. Calculation unit), a target air pressure calculation unit 36 (target value calculation unit) for calculating an optimum target air pressure (target pressure) for obtaining a target power generation current, and each cell 16 constituting the fuel cell stack 12. Current / voltage detector 44 for detecting current and voltage to be supplied, pump flow calculator 50 (hydrogen-containing gas flow calculator) for calculating the flow rate of hydrogen gas H 2 by pump 29, and hydrogen gas H by purge valve 26. A purge parameter calculating unit 46 for calculating a purge parameter for performing the discharge control of No. 2 , and an operation state of the fuel cell stack 12 being in a stable mode or unstable. A mode determination switching unit 45 (operation state determination unit) that determines whether the mode is the mode and performs switching.

目標エア流量算出部34は、目標発電電流設定部32からの目標発電電流IFCOBと、冷却水温度検出部19によって検出された冷却水の温度θWと、モード判定切替部45からのモード切替信号とに基づいて目標エア流量QO2を算出する。算出された目標エア流量QO2は、エア流量調整部40に供給される。エア流量調整部40は、コンプレッサ22に接続されており、流量検出部24によって検出されたエア流量と、目標エア流量算出部34から供給される目標エア流量QO2とに従ってコンプレッサ22を調整する。 The target air flow rate calculation unit 34 includes a target power generation current IFC OB from the target power generation current setting unit 32, the coolant temperature θ W detected by the coolant temperature detection unit 19, and a mode switching from the mode determination switching unit 45. The target air flow rate Q O2 is calculated based on the signal. The calculated target air flow rate Q O2 is supplied to the air flow rate adjustment unit 40. The air flow adjustment unit 40 is connected to the compressor 22 and adjusts the compressor 22 according to the air flow detected by the flow detection unit 24 and the target air flow Q O2 supplied from the target air flow calculation unit 34.

目標エア圧力算出部36は、目標発電電流設定部32からの目標発電電流IFCOBと、冷却水温度検出部19によって検出された冷却水の温度θWと、モード判定切替部45からのモード切替信号とに基づいて目標エア圧力PO2を算出する。算出された目標エア圧力PO2は、圧力制御バルブ調整部42に供給される。圧力制御バルブ調整部42は、圧力制御バルブ30に接続されており、目標エア圧力PO2に従って圧力制御バルブ30の調整を行うことにより、燃料電池スタック12に供給されるエアの圧力を調整する。 Target air-pressure calculating unit 36, a target generated current IFC OB from target generated current setting unit 32, and the temperature theta W of the cooling water detected by the coolant temperature detecting section 19, the mode switching from the mode determination switching unit 45 The target air pressure P O2 is calculated based on the signal. The calculated target air pressure P O2 is supplied to the pressure control valve adjustment unit 42. The pressure control valve adjustment unit 42 is connected to the pressure control valve 30, and adjusts the pressure of the air supplied to the fuel cell stack 12 by adjusting the pressure control valve 30 according to the target air pressure P O2 .

ポンプ流量算出部50は、冷却水温度検出部19によって検出された冷却水の温度θWと、発電電流/電圧検出部44によって検出された発電電流IFCと、モード判定切替部45からのモード切替信号とに基づいてポンプ流量QH2を算出する。算出されたポンプ流量QH2は、ポンプ流量調整部43に供給される。ポンプ流量調整部43は、ポンプ29を調整し、燃料電池スタック12の排出口から排出された水素ガスH2の流量を調整して燃料電池スタック12の供給口に供給する。 The pump flow rate calculation unit 50 determines the temperature θ W of the cooling water detected by the cooling water temperature detection unit 19, the generation current IFC detected by the generation current / voltage detection unit 44, and the mode switching from the mode determination switching unit 45. The pump flow rate Q H2 is calculated based on the signal. The calculated pump flow rate Q H2 is supplied to the pump flow rate adjusting unit 43. The pump flow rate adjusting unit 43 adjusts the pump 29, adjusts the flow rate of the hydrogen gas H 2 discharged from the discharge port of the fuel cell stack 12, and supplies the hydrogen gas H 2 to the supply port of the fuel cell stack 12.

パージパラメータ算出部46は、冷却水温度検出部19によって検出された冷却水の温度θWと、発電電流/電圧検出部44によって検出された発電電流IFCと、モード判定切替部45からのモード切替信号とに基づき、パージバルブ26を開いている時間である排気ガスの排出時間(パージ時間)と、パージバルブ26を閉じている時間である排出禁止時間(パージインターバル時間)とを算出する。 The purge parameter calculation unit 46 determines the temperature θ W of the cooling water detected by the cooling water temperature detection unit 19, the generation current IFC detected by the generation current / voltage detection unit 44, and the mode switching from the mode determination switching unit 45. Based on the signal, an exhaust gas discharge time (purge time) during which the purge valve 26 is open and a discharge inhibition time (purge interval time) during which the purge valve 26 is closed are calculated.

モード判定切替部45は、冷却水温度検出部19によって検出された冷却水の温度θW、アノードガス温度検出部21によって検出された水素ガスH2の温度θAおよびカソードガス温度検出部23によって検出されたエアの温度θCと、発電電流/電圧検出部44によって検出された発電電流IFCおよび最低セル電圧Vcminとに基づき、燃料電池スタック12が安定状態で動作しているか(安定モード)、不安定状態で動作しているか(不安定モード)を判定し、その判定結果をモード切替信号としてポンプ流量調整部43、目標エア圧力算出部36、パージパラメータ算出部46およびポンプ流量算出部50に出力する。 The mode determination switching unit 45 includes a cooling water temperature θ W detected by the cooling water temperature detection unit 19, a temperature θ A of the hydrogen gas H 2 detected by the anode gas temperature detection unit 21, and a cathode gas temperature detection unit 23. Whether the fuel cell stack 12 is operating in a stable state (stable mode) based on the detected air temperature θ C , the generated current IFC and the minimum cell voltage Vcmin detected by the generated current / voltage detection unit 44, It is determined whether the apparatus is operating in an unstable state (unstable mode), and the determination result is used as a mode switching signal by the pump flow rate adjustment unit 43, the target air pressure calculation unit 36, the purge parameter calculation unit 46, and the pump flow rate calculation unit 50. Output.

なお、エア流量調整部40およびコンプレッサ22、圧力制御バルブ調整部42圧力制御バルブ30、ポンプ流量調整部43およびポンプ29は、燃料電池スタック12に対するエアおよび水素ガスH2の供給を調整する供給調整部を構成する。また、パージバルブ調整部48およびパージバルブ26は、燃料電池スタック12から排出される水を含む排気ガスの排出を調整する排出調整部を構成する。 The air flow rate adjusting unit 40 and the compressor 22, the pressure control valve adjusting unit 42, the pressure control valve 30, the pump flow rate adjusting unit 43, and the pump 29 adjust the supply of air and hydrogen gas H 2 to the fuel cell stack 12. Make up the part. Further, the purge valve adjustment unit 48 and the purge valve 26 constitute an emission adjustment unit that adjusts the discharge of exhaust gas including water discharged from the fuel cell stack 12.

本実施形態の燃料電池システム10は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その動作について図2〜図4に示すフローチャートに従って説明する。   The fuel cell system 10 according to the present embodiment is basically configured as described above. Next, the operation thereof will be described with reference to the flowcharts shown in FIGS.

先ず、制御装置14では、燃料電池スタック12による発電動作の開始に先立ち、モード判定切替部45に対して、不安定モードが設定される(ステップS1)。すなわち、発電の開始当初においては、燃料電池スタック12の温度が最適な発電温度まで上昇しておらず、また、それ以前の状態が必ず運転停止状態であるため、その間に結露によって水がアノード系内に溜まったり、運転時は均等に分布していた水分が停止状態で特定の場所に集まったりすることにより、水が燃料電池スタック12の一部に集中し、発電が不安定となるため、デフォルトとして不安定モードが設定される。   First, in the control device 14, prior to the start of the power generation operation by the fuel cell stack 12, the unstable mode is set to the mode determination switching unit 45 (step S1). That is, at the beginning of power generation, the temperature of the fuel cell stack 12 has not risen to the optimum power generation temperature, and the previous state is always an operation stop state. When water is collected in a certain place in a stopped state, the water is concentrated in a part of the fuel cell stack 12 and the power generation becomes unstable, The unstable mode is set as the default.

次に、目標発電電流設定部32において目標発電電流IFCOBが設定され(ステップS2)、冷却水温度検出部19が冷却部17により制御される燃料電池スタック12の冷却水温度θWを検出する(ステップS3)。 Next, the target generation current IFC OB is set in the target generation current setting unit 32 (step S2), and the cooling water temperature detection unit 19 detects the cooling water temperature θ W of the fuel cell stack 12 controlled by the cooling unit 17. (Step S3).

目標エア流量算出部34は、モード判定切替部45からのモード切替信号と、冷却水温度検出部19によって検出された冷却水温度θWと、目標発電電流設定部32からの目標発電電流IFCOBとに基づき、図5に示す目標発電電流−目標エア流量マップを用いて、目標発電電流IFCOBを得ることのできる目標エア流量QO2を算出する(ステップS4)。 Target air flow rate calculating section 34, a mode switching signal from the mode determination switching unit 45, and the coolant temperature theta W detected by the coolant temperature detecting section 19, a target generated current IFC OB from target generated current setting unit 32 Based on the above, a target air flow rate Q O2 that can obtain the target power generation current IFC OB is calculated using the target power generation current-target air flow rate map shown in FIG. 5 (step S4).

ここで、図5に示す目標発電電流−目標エア流量マップは、燃料電池スタック12の動作が安定モードにあるときには、実線で示すマップが参照され、不安定モードにあるときには、発電効率が低い状態にあると考えられるため、増量された目標エア流量QO2を供給して発電を積極的に行うことのできる点線で示すマップが参照される。なお、冷却水温度θWが高ければ、少ないエア供給量および水素供給量で効率的に発電することができるため、目標発電電流−目標エア流量マップは、冷却水温度θW1、θW2、θW3(θW1<θW2<θW3)に応じて参照される。 Here, the target generation current-target air flow rate map shown in FIG. 5 refers to a map indicated by a solid line when the operation of the fuel cell stack 12 is in the stable mode, and when the operation is in the unstable mode, the power generation efficiency is low. Therefore, a map indicated by a dotted line in which the increased target air flow rate Q O2 can be supplied and power generation can be actively performed is referred to. If the cooling water temperature θ W is high, power can be efficiently generated with a small air supply amount and a small hydrogen supply amount. Therefore, the target power generation current-target air flow rate map shows that the cooling water temperatures θ W1 and θ W 2 It is referred in accordance with the θ W 3 (θ W 1 < θ W 2 <θ W 3).

この場合、モード切替信号は、ステップS1において不安定モードに設定されており、図5において点線で示す目標発電電流−目標エア流量マップが参照されて目標エア流量QO2が算出される。 In this case, the mode switching signal is set to the unstable mode in step S1, and the target air flow rate Q O2 is calculated with reference to the target generated current-target air flow rate map shown by the dotted line in FIG.

また、目標エア圧力算出部36は、モード判定切替部45からのモード切替信号と、冷却水温度検出部19によって検出された冷却水温度θWと、目標発電電流設定部32によって設定された目標発電電流IFCOBとに基づき、図6に示す目標発電電流−目標エア圧力マップを用いて、目標発電電流IFCOBを得ることのできる目標エア圧力PO2を算出する(ステップS5)。 The target air-pressure calculating unit 36, a mode switching signal from the mode determination switching unit 45, and the coolant temperature theta W detected by the coolant temperature detecting unit 19, set by the target generated current setting unit 32 target based on the generated current IFC OB, target generated current shown in FIG. 6 - using the target air pressure map, calculates a target air pressure P O2 capable of obtaining the target generated current IFC OB (step S5).

図6に示す目標発電電流−目標エア圧力マップは、燃料電池スタック12の動作が安定モードにあるときには、実線で示すマップが参照され、不安定モードにあるときには、発電効率が低い状態にあると考えられるため、目標エア圧力PO2を高く設定することのできる点線で示すマップが参照される。なお、冷却水温度θWが高ければ、少ないエア供給量および少ない水素供給量で効率的に発電することができるため、目標発電電流−目標エア圧力マップは、冷却水温度θW1、θW2、θW3(θW1<θW2<θW3)に応じて参照される。 The target generation current-target air pressure map shown in FIG. 6 refers to a map indicated by a solid line when the operation of the fuel cell stack 12 is in the stable mode, and indicates that the power generation efficiency is in a low state when the operation is in the unstable mode. For this reason, a map indicated by a dotted line that can set the target air pressure P O2 high is referred to. If the cooling water temperature θ W is high, power can be efficiently generated with a small air supply amount and a small hydrogen supply amount. Therefore, the target power generation current-target air pressure map indicates that the cooling water temperatures θ W1 and θ W 2. Reference is made in accordance with θ W 3 (θ W 1 <θ W 2 <θ W 3).

この場合、モード切替信号は、ステップS1において不安定モードに設定されており、図6において点線で示す目標発電電流−目標エア圧力マップが参照されて目標エア圧力PO2が算出される。 In this case, the mode switching signal is set to the unstable mode in step S1, and the target air pressure P O2 is calculated with reference to the target generated current-target air pressure map indicated by the dotted line in FIG.

次に、エア流量調整部40は、目標エア流量算出部34から供給された目標エア流量QO2と、流量検出部24によって検出したエア流量とに従ってコンプレッサ22を制御し、また、圧力制御バルブ調整部42は、目標エア圧力算出部36から供給された目標エア圧力PO2に従って圧力制御バルブ30を制御する(ステップS6)。 Next, the air flow adjusting unit 40 controls the compressor 22 in accordance with the target air flow Q O2 supplied from the target air flow calculating unit 34 and the air flow detected by the flow detecting unit 24, and adjusts the pressure control valve. The unit 42 controls the pressure control valve 30 according to the target air pressure P O2 supplied from the target air pressure calculation unit 36 (Step S6).

コンプレッサ22が目標エア流量QO2に従って制御されることにより、所定量のエアが流量検出部24を介して燃料電池スタック12のカソード電極に供給される。また、圧力制御バルブ30が目標エア圧力PO2に従って制御されることにより、燃料電池スタック12に供給されるエアの圧力が調整される。 By controlling the compressor 22 according to the target air flow rate Q O2 , a predetermined amount of air is supplied to the cathode electrode of the fuel cell stack 12 via the flow rate detection unit 24. Further, the pressure of the air supplied to the fuel cell stack 12 is adjusted by controlling the pressure control valve 30 in accordance with the target air pressure P O2 .

コンプレッサ22から出力されたエアの一部は、レギュレータ20に所定の圧力で供給される。従って、水素タンク18から出力された水素ガスH2は、エアとの圧力比がレギュレータ20により調整され、燃料電池スタック12のアノード電極に供給される。この結果、カソード電極に供給されたエアに含まれる酸素ガスと、アノード電極に供給された水素ガスH2とが反応し、電気エネルギが生成される(ステップS7)。 Part of the air output from the compressor 22 is supplied to the regulator 20 at a predetermined pressure. Therefore, the pressure ratio of the hydrogen gas H 2 output from the hydrogen tank 18 to the air is adjusted by the regulator 20 and supplied to the anode electrode of the fuel cell stack 12. As a result, the oxygen gas contained in the air supplied to the cathode electrode, and the hydrogen gas H 2 was supplied to the anode electrode reacts, electrical energy is generated (step S7).

燃料電池スタック12による発電が開始されると、アノード電極からは、反応に寄与しなかった水素ガスH2が排出される。この水素ガスH2は、後述するように、ポンプ流量調整部43により流量が調整されたポンプ29によってアノード電極のガス供給口に循環されることで発電に再利用される。また、燃料電池スタック12のカソード電極からは、反応によって生成された水が排出されるとともに、エアに含まれる窒素ガスや反応に寄与しなかった酸素ガスが排出される。なお、カソード電極で生成された水や排出ガスの一部は、セル16を構成する電解質膜を透過してアノード電極のガス排出口からも排出される。 When power generation by the fuel cell stack 12 is started, hydrogen gas H 2 that has not contributed to the reaction is discharged from the anode electrode. The hydrogen gas H 2 is reused for power generation by being circulated to the gas supply port of the anode electrode by the pump 29 whose flow rate has been adjusted by the pump flow rate adjusting unit 43, as described later. In addition, water generated by the reaction is discharged from the cathode electrode of the fuel cell stack 12, and nitrogen gas contained in the air and oxygen gas that has not contributed to the reaction are discharged. In addition, a part of the water and the exhaust gas generated at the cathode electrode pass through the electrolyte membrane constituting the cell 16 and is also exhausted from the gas exhaust port of the anode electrode.

ここで、燃料電池システム10では、安定した発電状態を維持するため、燃料電池スタック12の温度である冷却水温度θW、アノード電極に供給される水素ガスH2の温度であるアノードガス温度θA、カソード電極に供給されるエアの温度であるカソードガス温度θC、発電電流IFC、セル16の最低セル電圧Vcminを監視し、供給するエアや水素ガスH2の流量および圧力を制御するとともに、生成された水や反応に寄与しない窒素ガス、余分なエア等を外部に排出する処理が行われる。 Here, in the fuel cell system 10, in order to maintain a stable power generation state, the cooling water temperature θ W which is the temperature of the fuel cell stack 12, and the anode gas temperature θ which is the temperature of the hydrogen gas H 2 supplied to the anode electrode. A , the cathode gas temperature θ C , which is the temperature of the air supplied to the cathode electrode, the generated current IFC, and the minimum cell voltage Vcmin of the cell 16 are monitored to control the flow rate and pressure of the supplied air and hydrogen gas H 2. Then, a process of discharging generated water, nitrogen gas not contributing to the reaction, extra air, and the like to the outside is performed.

そこで、モード判定切替部45は、図3に示すフローチャートに従って燃料電池スタック12の発電状態が安定状態にあるか否かを判定し、その判定結果をモード切替信号として出力する(ステップS8)。   Therefore, the mode determination switching unit 45 determines whether the power generation state of the fuel cell stack 12 is in a stable state according to the flowchart shown in FIG. 3, and outputs the determination result as a mode switching signal (step S8).

例えば、発電開始当初、燃料電池スタック12の発電状態は、ステップS1において不安定モードに設定されている(ステップS11)。モード判定切替部45は、冷却水温度検出部19によって検出された冷却水温度θWが基準温度θW0よりも低い場合(ステップS12)、または、アノードガス温度検出部21によって検出されたアノードガス温度θAが基準温度θA0よりも低い場合(ステップS13)、あるいは、カソードガス温度検出部23によって検出されたカソードガス温度θCが基準温度θC0よりも低い場合(ステップS14)、燃料電池スタック12の発電状態が不安定であると判断し、不安定モードを維持設定する(ステップS15)。 For example, at the beginning of power generation, the power generation state of the fuel cell stack 12 is set to the unstable mode in step S1 (step S11). The mode determination switching unit 45 determines whether the cooling water temperature θ W detected by the cooling water temperature detecting unit 19 is lower than the reference temperature θ W0 (step S12), or the anode gas detected by the anode gas temperature detecting unit 21. When the temperature θ A is lower than the reference temperature θ A0 (step S13), or when the cathode gas temperature θ C detected by the cathode gas temperature detector 23 is lower than the reference temperature θ C0 (step S14), the fuel cell It is determined that the power generation state of the stack 12 is unstable, and the unstable mode is maintained and set (step S15).

なお、冷却水温度θW、アノードガス温度θAおよびカソードガス温度θCが、一定時間以上、基準温度θW0、θA0またはθC0よりも低い状態が継続することを条件とすることで、ノイズの影響を受けることなく燃料電池スタック12の発電状態を高精度に判定することができる。 The cooling water temperature θ W , the anode gas temperature θ A and the cathode gas temperature θ C are provided for a certain period of time or longer, and on condition that the state where the temperature is lower than the reference temperature θ W0 , θ A0 or θ C0 continues. The power generation state of the fuel cell stack 12 can be determined with high accuracy without being affected by noise.

一方、燃料電池スタック12自体の発熱や環境温度の上昇により、θW≧θW0、θA≧θA0、且つ、θC≧θC0となったとき、モード判定切替部45は、発電電流/電圧検出部44によって検出された燃料電池スタック12の発電電流IFCが基準電流i1以上であるか否かを判定し(ステップS16)、基準電流i1以上の電流が出力されていない場合、基準時間TM1をタイマ時間tm1に設定する(ステップS17)。そして、燃料電池スタック12の発電状態として、不安定モードを維持設定する(ステップS15)。 On the other hand, when θ W ≧ θ W0 , θ A ≧ θ A0 , and θ C ≧ θ C0 due to the heat generation of the fuel cell stack 12 itself and an increase in the environmental temperature, the mode determination switching unit 45 sets the power generation current / It is determined whether or not the generated current IFC of the fuel cell stack 12 detected by the voltage detector 44 is equal to or more than the reference current i1 (step S16). If no current equal to or more than the reference current i1 is output, the reference time TM1 Is set to the timer time tm1 (step S17). Then, the unstable mode is maintained and set as the power generation state of the fuel cell stack 12 (step S15).

発電電流/電圧検出部44によって検出された燃料電池スタック12の発電電流IFCが基準電流i1以上であると判定された場合には(ステップS16)、ステップS17で設定したタイマ時間tm1が0になっているか否かを判定する(ステップS18)。判定の結果、タイマ時間tm1が0になっていないとき、ステップS18での前回の判定時刻からステップS18での現在の判定時刻までの時間ΔT1をタイマ時間tm1から減算した後(ステップS19)、基準電流i1以上の発電電流IFCが基準時間TM1以上継続していないため、不安定モードを維持設定する(ステップS15)。   When it is determined that the generated current IFC of the fuel cell stack 12 detected by the generated current / voltage detection unit 44 is equal to or more than the reference current i1 (step S16), the timer time tm1 set in step S17 becomes zero. It is determined whether or not it has been performed (step S18). As a result of the determination, when the timer time tm1 is not 0, after subtracting the time ΔT1 from the previous determination time in step S18 to the current determination time in step S18 from the timer time tm1 (step S19), Since the generated current IFC equal to or greater than the current i1 does not continue for the reference time TM1 or more, the unstable mode is maintained and set (step S15).

発電電流/電圧検出部44によって検出された燃料電池スタック12の発電電流IFCが基準電流i1以上であると判定され(ステップS16)、且つ、タイマ時間tm1=0になったとき(ステップS18)、基準電流i1(第1所定電流)以上の発電電流IFCが基準時間TM1(第1基準時間)以上継続していることになる。   When it is determined that the generated current IFC of the fuel cell stack 12 detected by the generated current / voltage detector 44 is equal to or more than the reference current i1 (step S16), and when the timer time tm1 = 0 (step S18), This means that the generated current IFC equal to or greater than the reference current i1 (first predetermined current) has continued for the reference time TM1 (first reference time).

そこで、モード判定切替部45は、発電電流/電圧検出部44によって検出された発電電流IFCに基づき、図7に示す発電電流−基準電圧マップを用いて基準電圧V1を算出する(ステップS20)。次いで、発電電流/電圧検出部44によって検出された各セル16の最低セル電圧Vcminが基準電圧V1よりも大きいか否かを判定し(ステップS21)、基準電圧V1以下の場合には不安定モードを維持設定する(ステップS15)。また、最低セル電圧Vcminが基準電圧V1よりも大きいと判定された場合には(ステップS21)、燃料電池スタック12の発電状態が安定状態に移行したものとして、安定モードを設定する(ステップS22)。   Therefore, based on the generated current IFC detected by the generated current / voltage detection unit 44, the mode determination switching unit 45 calculates the reference voltage V1 using the generated current-reference voltage map shown in FIG. 7 (Step S20). Next, it is determined whether or not the minimum cell voltage Vcmin of each cell 16 detected by the generated current / voltage detector 44 is higher than the reference voltage V1 (step S21). Is maintained (step S15). If it is determined that the minimum cell voltage Vcmin is higher than the reference voltage V1 (step S21), the power generation state of the fuel cell stack 12 is shifted to the stable state, and the stable mode is set (step S22). .

一方、燃料電池スタック12の発電状態が安定モードに移行している場合(ステップS11)、発電電流/電圧検出部44によって検出された発電電流IFCを基準電流i2(i1>i2)と比較し、発電電流IFCが基準電流i2よりも大きいとき(ステップS23)、基準時間TM2(TM1<TM2)をタイマ時間tm2に設定する(ステップS24)。   On the other hand, when the power generation state of the fuel cell stack 12 has shifted to the stable mode (step S11), the power generation current IFC detected by the power generation current / voltage detection unit 44 is compared with the reference current i2 (i1> i2), When the generated current IFC is larger than the reference current i2 (step S23), the reference time TM2 (TM1 <TM2) is set to the timer time tm2 (step S24).

次に、モード判定切替部45は、発電電流/電圧検出部44によって検出された発電電流IFCに基づき、図7に示す発電電流−基準電圧マップを用いて基準電圧V2(V1>V2)を算出する(ステップS25)。次いで、発電電流/電圧検出部44によって検出された各セル16の最低セル電圧Vcminが基準電圧V2よりも大きいか否かを判定し(ステップS26)、基準電圧V2以下の状態が所定時間以上継続していない場合には安定モードを維持設定する(ステップS22)。また、最低セル電圧Vcminが基準電圧V2以上となる時間が所定時間以上継続されている場合には(ステップS26)、燃料電池スタック12の発電状態が不安定状態に移行したものとして、不安定モードを設定する(ステップS27)。   Next, based on the generated current IFC detected by the generated current / voltage detection unit 44, the mode determination switching unit 45 calculates a reference voltage V2 (V1> V2) using a generated current-reference voltage map shown in FIG. (Step S25). Next, it is determined whether or not the minimum cell voltage Vcmin of each cell 16 detected by the generated current / voltage detection unit 44 is higher than the reference voltage V2 (step S26), and the state of the reference voltage V2 or lower continues for a predetermined time or longer. If not, the stable mode is maintained and set (step S22). If the time during which the minimum cell voltage Vcmin becomes equal to or higher than the reference voltage V2 has continued for a predetermined time or more (step S26), it is determined that the power generation state of the fuel cell stack 12 has transitioned to the unstable state, and the unstable mode is set. Is set (step S27).

発電電流/電圧検出部44によって検出された燃料電池スタック12の発電電流IFCが所定電流i2以下であると判定された場合には(ステップS23)、ステップS24で設定したタイマ時間tm2が0になっているか否かを判定する(ステップS28)。判定の結果、タイマ時間tm2が0になっていないとき、ステップS28の前回の判定時刻からステップS28の現在の判定時刻までの時間ΔT2をタイマ時間tm2から減算した後(ステップS29)、発電電流IFCに対応した基準電圧V2を算出して最低セル電圧Vcminと比較し(ステップS25、S26)、基準電圧V2以下の状態が所定時間以上継続していない場合には安定モードを維持設定し(ステップS22)、最低セル電圧Vcminが基準電圧V2以上となる時間が所定時間以上継続されている場合には、燃料電池スタック12の発電状態が不安定状態に移行したものとして、不安定モードを設定する(ステップS27)。   When it is determined that the generated current IFC of the fuel cell stack 12 detected by the generated current / voltage detection unit 44 is equal to or smaller than the predetermined current i2 (step S23), the timer time tm2 set in step S24 becomes zero. It is determined whether or not it has been performed (step S28). As a result of the determination, when the timer time tm2 is not 0, after subtracting the time ΔT2 from the previous determination time in step S28 to the current determination time in step S28 from the timer time tm2 (step S29), the generation current IFC Is calculated and compared with the minimum cell voltage Vcmin (steps S25 and S26). If the state below the reference voltage V2 has not continued for a predetermined time or more, the stable mode is maintained and set (step S22). If the time during which the minimum cell voltage Vcmin becomes equal to or higher than the reference voltage V2 continues for a predetermined time or longer, the unstable mode is set assuming that the power generation state of the fuel cell stack 12 has transitioned to the unstable state ( Step S27).

なお、発電状態を判定する基準電流i1、i2および基準時間TM1、TM2は、i1>i2およびTM1<TM2の関係に設定されている。すなわち、燃料電池スタック12が不安定モードに設定されている場合には、判定基準である下限の基準電流i1を高く設定する一方、基準電流i1よりも高い発電電流IFCが継続する下限の基準時間TM1を短く設定することにより、燃料電池スタック12を安定モードでの運転に切り替える判定基準を厳しくして、燃料電池スタック12の長寿命化を図ることができる。また、燃料電池スタック12が安定モードに設定されている場合には、下限の基準電流i2を低く設定する一方、基準電流i2よりも低い発電電流IFCが継続する下限の基準時間TM2を長く設定することにより、燃料電池スタック12を不安定モードでの運転に切り替える判定基準を緩くして、燃費を向上させるとともに、外部に排出される水素ガスH2の濃度の上昇の抑制を図ることができる。 It should be noted that the reference currents i1 and i2 and the reference times TM1 and TM2 for determining the power generation state are set in a relationship of i1> i2 and TM1 <TM2. That is, when the fuel cell stack 12 is set to the unstable mode, the lower limit reference current i1, which is the determination criterion, is set higher, while the lower limit reference time during which the generated current IFC higher than the reference current i1 continues. By setting TM1 to be short, the criterion for switching the fuel cell stack 12 to the operation in the stable mode is strict, and the life of the fuel cell stack 12 can be extended. When the fuel cell stack 12 is set to the stable mode, the lower limit reference current i2 is set lower, while the lower limit reference time TM2 during which the generated current IFC lower than the reference current i2 continues is set longer. it allows loosely criteria for switching the fuel cell stack 12 in operation in the unstable mode, thereby improving the fuel economy, it is possible to suppress the increase in the concentration of the hydrogen gas H 2 to be discharged to the outside.

次に、目標エア流量算出部34、目標エア圧力算出部36、パージパラメータ算出部46およびポンプ流量算出部50は、図4に示すフローチャートに従い、モード判定切替部45による判定の結果得られたモード切替信号に基づき、エア流量調整部40、圧力制御バルブ調整部42、パージバルブ調整部48およびポンプ流量調整部43の運転条件を設定する(ステップS9)。   Next, the target air flow rate calculating section 34, the target air pressure calculating section 36, the purge parameter calculating section 46, and the pump flow rate calculating section 50 execute the mode obtained by the mode determination switching section 45 according to the flowchart shown in FIG. Based on the switching signal, the operating conditions of the air flow adjustment unit 40, the pressure control valve adjustment unit 42, the purge valve adjustment unit 48, and the pump flow adjustment unit 43 are set (step S9).

先ず、燃料電池スタック12の発電状態が安定モードに設定されている場合について説明する(ステップS41)。   First, a case where the power generation state of the fuel cell stack 12 is set to the stable mode will be described (step S41).

ポンプ流量算出部50は、発電電流/電圧検出部44によって検出された発電電流IFCと、冷却水温度検出部19によって検出された冷却部17による燃料電池スタック12の冷却水温度θWとに基づき、図8に示す発電電流−ポンプ流量マップを用いて、必要なポンプ流量QH2を算出し、ポンプ流量調整部43に供給する(ステップS42)。この場合、燃料電池スタック12の動作が安定モードであるため、実線で示す発電電流−ポンプ流量マップを用いてポンプ流量QH2(第1制御パラメータ)が算出される。 The pump flow rate calculating section 50 is based on the generated current IFC detected by the generated current / voltage detecting section 44 and the coolant temperature θ W of the fuel cell stack 12 by the cooling section 17 detected by the coolant temperature detecting section 19. A required pump flow rate Q H2 is calculated using the generated current-pump flow rate map shown in FIG. 8 and supplied to the pump flow rate adjusting unit 43 (step S42). In this case, since the operation of the fuel cell stack 12 is in the stable mode, the pump flow rate Q H2 (first control parameter) is calculated using the generated current-pump flow rate map shown by the solid line.

例えば、冷却水温度θWをθW1<θW2<θW3とした場合、冷却水温度θWが高ければ、発電効率が高いと考えられるため、少ないポンプ流量QH2がポンプ流量調整部43に設定される。また、冷却水温度θWが低い場合には、発電効率が低いと考えられるため、多めのポンプ流量QH2がポンプ流量調整部43に設定される。 For example, if the cooling water temperature theta W was θ W 1 <θ W 2 < θ W 3, the higher the cooling water temperature theta W is, power generation because the efficiency is considered to be high, a small pump flow rate Q H2 pump flow rate adjustment This is set in the section 43. When the cooling water temperature θ W is low, the power generation efficiency is considered to be low, and therefore, a larger pump flow rate Q H2 is set in the pump flow rate adjusting unit 43.

また、パージパラメータ算出部46は、発電電流/電圧検出部44によって検出された発電電流IFCと、冷却水温度検出部19によって検出された冷却水温度θWとに基づき、図9に示す発電電流−パージ時間マップと、図10に示す発電電流−パージインターバル時間マップとを用いて、パージバルブ26を開放しているパージ時間TONと、パージバルブ26を閉塞しているパージインターバル時間TOFFとを算出し、パージバルブ調整部48に供給する(ステップS43、S44)。この場合、燃料電池スタック12の動作が安定モードであるため、実線で示す発電電流−パージ時間マップと、実線で示す発電電流−パージインターバル時間マップとを用いて、パージ時間TON(第1制御パラメータ)およびパージインターバル時間TOFF(第1制御パラメータ)が算出される。 In addition, the purge parameter calculation unit 46 determines the generation current shown in FIG. 9 based on the generation current IFC detected by the generation current / voltage detection unit 44 and the cooling water temperature θ W detected by the cooling water temperature detection unit 19. Using the purge time map and the generated current-purge interval time map shown in FIG. 10, the purge time T ON with the purge valve 26 open and the purge interval time T OFF with the purge valve 26 closed are calculated. Then, the power is supplied to the purge valve adjustment unit 48 (Steps S43 and S44). In this case, since the operation of the fuel cell stack 12 is in the stable mode, the purge time T ON (first control) is calculated using the generated current-purge time map shown by the solid line and the generated current-purge interval time map shown by the solid line. And a purge interval time T OFF (first control parameter).

例えば、冷却水温度θWをθW1<θW2<θW3とした場合、冷却水温度θWが高ければ、発電効率が高く、燃料電池スタック12に少ない量の供給ガスを供給して効率的に発電を行うことができ、排出される水を含む排気ガスの量も少ないと考えられるため、短いパージ時間TONおよび長いパージインターバル時間TOFFが設定される。また、冷却水温度θWが低い場合には、発電効率が低く、燃料電池スタック12に多量の供給ガスを供給する必要があり、従って、多量の水を含む排気ガスも排出されると考えられるため、長いパージ時間TONおよび短いパージインターバル時間TOFFが設定される。 For example, when the cooling water temperature θ W is set to θ W 1 <θ W 2 <θ W 3, if the cooling water temperature θ W is high, the power generation efficiency is high and a small amount of supply gas is supplied to the fuel cell stack 12. It is considered that the power generation can be efficiently performed and the amount of the exhaust gas including the discharged water is also small. Therefore, the short purge time T ON and the long purge interval time T OFF are set. Further, when the cooling water temperature theta W is low, the power generation efficiency is low, it is necessary to supply a large amount of feed gas to the fuel cell stack 12, thus, considered to exhaust gas containing a large amount of water is also discharged Therefore, a long purge time T ON and a short purge interval time T OFF are set.

さらに、目標エア流量算出部34および目標エア圧力算出部36は、ステップS4、S5の場合と同様に、発電電流/電圧検出部44によって検出された発電電流IFCと、冷却水温度検出部19によって検出された冷却水温度θWとに基づき、図5の実線で示す目標発電電流−目標エア流量マップと、図6の実線で示す目標発電電流−目標エア圧力マップとを用いて、目標エア流量QO2(第1制御パラメータ)および目標エア圧力PO2(第1制御パラメータ)を算出する(ステップS45、S46)。 Further, the target air flow rate calculation unit 34 and the target air pressure calculation unit 36 determine the generation current IFC detected by the generation current / voltage detection unit 44 and the cooling water temperature detection unit 19 in the same manner as in steps S4 and S5. Based on the detected cooling water temperature θ W , a target air flow rate is calculated using a target power generation current-target air flow map shown by a solid line in FIG. 5 and a target power generation current-target air pressure map shown by a solid line in FIG. Q O2 (first control parameter) and target air pressure P O2 (first control parameter) are calculated (steps S45 and S46).

次に、前回の運転条件の設定時と今回の運転条件の設定時とで、不安定モードから安定モードへの切り替えがあった場合(ステップS47)、ステップS45で算出した安定モードでの目標エア流量QO2STと、後述するステップS50で算出した不安定モードでの目標エア流量QO2UNと、エア流量切替時間Δtとを用いて、エア流量変化レートΔQ/Δtを、例えば、
ΔQ/Δt=F・(QO2ST−QO2UN)/Δt
として算出する(ステップS48)。なお、Fは、不安定モードから安定モードに切り替えられた場合にプラス(+)に設定され、安定モードから不安定モードに切り替えられた場合にマイナス(−)に設定されるものとする。
Next, when there is a switch from the unstable mode to the stable mode between the previous operation condition setting and the current operation condition setting (step S47), the target air in the stable mode calculated in step S45 is calculated. Using the flow rate Q O2ST , the target air flow rate Q O2UN in the unstable mode calculated in step S50 described later, and the air flow rate switching time Δt, an air flow rate change rate ΔQ / Δt is calculated, for example,
ΔQ / Δt = F · (Q O2ST −Q O2UN ) / Δt
(Step S48). Note that F is set to plus (+) when the mode is switched from the unstable mode to the stable mode, and is set to minus (-) when the mode is switched from the stable mode to the unstable mode.

以上のようにして安定モードにおける各運転条件が設定された後、その運転条件に従って燃料電池スタック12による発電が継続される(ステップS10、S7)。   After each operating condition in the stable mode is set as described above, power generation by the fuel cell stack 12 is continued according to the operating condition (steps S10 and S7).

すなわち、エア流量調整部40は、コンプレッサ22を調整し、ステップS45で算出された目標エア流量QO2からなるエアを燃料電池スタック12のカソード電極に供給する。また、圧力制御バルブ調整部42は、圧力制御バルブ30を調整し、ステップS46で算出された目標エア圧力PO2からなるエアの排出制御を行う。このとき、レギュレータ20は、圧力制御バルブ30によって制御されたエアの圧力に従い、水素タンク18からの水素ガスH2を燃料電池スタック12のアノード電極に供給する。この結果、燃料電池スタック12において酸素ガスと水素ガスH2とが反応し、電気エネルギが生成される。 That is, the air flow adjusting unit 40 adjusts the compressor 22 and supplies the air having the target air flow rate Q O2 calculated in step S45 to the cathode electrode of the fuel cell stack 12. Further, the pressure control valve adjustment unit 42 adjusts the pressure control valve 30 and controls the discharge of the air composed of the target air pressure P O2 calculated in step S46. At this time, the regulator 20 supplies the hydrogen gas H 2 from the hydrogen tank 18 to the anode electrode of the fuel cell stack 12 according to the air pressure controlled by the pressure control valve 30. As a result, the oxygen gas reacts with the hydrogen gas H 2 in the fuel cell stack 12 to generate electric energy.

なお、前回の運転条件の設定時と今回の運転条件の設定時とで、不安定モードから安定モードへの切り替えがあった場合には、目標エア流量QO2が大きく変動する可能性がある。そこで、エア流量調整部40は、ステップS48で算出されたエア流量変化レートΔQ/Δtに従ってコンプレッサ22を駆動し、不安定モードでの目標エア流量QO2UNから安定モードでの目標エア流量QO2STへと徐々に流量の切り替えを行う(図11参照)。これにより、流量の急激な変動による違和感を抑制することができる。 In addition, when switching from the unstable mode to the stable mode is performed between the time of setting the previous operation condition and the time of setting the current operation condition, the target air flow rate Q O2 may greatly fluctuate. Therefore, the air flow rate adjusting section 40, a compressor 22 is driven in accordance with an air flow rate variation rate Delta] Q / Delta] t calculated in step S48, the the target air flow rate Q O2ST in a stable mode from the target air flow rate Q O2UN in unstable modes Then, the flow rate is gradually switched (see FIG. 11). Thereby, a sense of incongruity due to a sudden change in the flow rate can be suppressed.

燃料電池スタック12の動作に伴い、燃料電池スタック12のカソード電極からは、エアの一部および反応によって生成された水が排出される。また、アノード電極からは、反応に寄与しなかった水素ガスH2や、電解質膜を介してカソード側から浸透した水や窒素ガスが排出される。このうち、反応に寄与しなかった水素ガスH2は、循環ループを介してポンプ29により燃料電池スタック12に戻されることで再利用される。この場合、ポンプ流量調整部43は、ポンプ29を調整し、ステップS42で算出されポンプ流量算出部50から供給されるポンプ流量QH2によって水素ガスH2の供給制御を行う。 Along with the operation of the fuel cell stack 12, a part of the air and water generated by the reaction are discharged from the cathode electrode of the fuel cell stack 12. From the anode electrode, hydrogen gas H 2 not contributing to the reaction and water and nitrogen gas permeating from the cathode side through the electrolyte membrane are discharged. Among these, the hydrogen gas H 2 that has not contributed to the reaction is reused by being returned to the fuel cell stack 12 by the pump 29 via the circulation loop. In this case, the pump flow rate adjusting unit 43 adjusts the pump 29, controls the supply of the hydrogen gas H 2 by the pump flow rate Q H2 supplied from the pump flow rate calculating unit 50 is calculated in step S42.

一方、パージバルブ調整部48は、ステップS43およびS44で算出されたパージ時間TONおよびパージインターバル時間TOFFに従ってパージバルブ26をON/OFF制御し、燃料電池スタック12から水素ガスH2を含む排気ガスを外部に排出する。 On the other hand, the purge valve adjustment unit 48 controls the purge valve 26 to be ON / OFF according to the purge time T ON and the purge interval time T OFF calculated in steps S43 and S44, and discharges the exhaust gas including the hydrogen gas H 2 from the fuel cell stack 12. Discharge to the outside.

この場合、燃料電池スタック12のカソード電極から排出されたエアを主体とする排気ガスは、圧力制御バルブ30を介して水素希釈ボックス28に供給される。また、燃料電池スタック12のアノード電極から排出された水素ガスH2を含む排気ガスは、パージバルブ26が開放されているパージ時間TONの間、水素希釈ボックス28に供給され、カソード電極からの排気ガスによって水素ガスH2の濃度が希釈されて外部に排出される。パージ時間TONが経過後、パージバルブ26はパージインターバル時間TOFFだけ閉塞される。そして、アノード電極から排出された水素ガスH2を含む排気ガスがポンプ29によって供給側に戻され、発電が継続される。 In this case, the exhaust gas mainly composed of the air discharged from the cathode electrode of the fuel cell stack 12 is supplied to the hydrogen dilution box 28 via the pressure control valve 30. The exhaust gas including the hydrogen gas H 2 discharged from the anode electrode of the fuel cell stack 12 is supplied to the hydrogen dilution box 28 during the purge time T ON when the purge valve 26 is open, and the exhaust gas from the cathode electrode is exhausted. The gas dilutes the concentration of the hydrogen gas H 2 and is discharged to the outside. After the purge time T ON has elapsed, the purge valve 26 is closed for the purge interval time T OFF . Then, the exhaust gas containing the hydrogen gas H 2 discharged from the anode electrode is returned to the supply side by the pump 29, and the power generation is continued.

次に、燃料電池スタック12の発電状態が不安定モードに設定された場合について説明する(ステップS41)。   Next, a case where the power generation state of the fuel cell stack 12 is set to the unstable mode will be described (step S41).

ポンプ流量算出部50は、図8の点線で示す発電電流−ポンプ流量マップを用いて、必要なポンプ流量QH2を算出し(第2制御パラメータ)、ポンプ流量調整部43に供給する(ステップS49)。この場合、ポンプ流量QH2は、安定モードが設定されている場合よりも増量されるため、より多くの水素ガスH2が燃料電池スタック12に供給され、これによって発電電流の増大が期待され、発電電圧が低下する事態に至ることなく、燃料電池スタック12の動作が不安定状態から安定状態に移行することになる。 The pump flow rate calculating unit 50 calculates a required pump flow rate Q H2 (second control parameter) using the generated current-pump flow rate map shown by the dotted line in FIG. 8 and supplies the calculated pump flow rate Q H2 to the pump flow rate adjusting unit 43 (step S49). ). In this case, the pump flow rate Q H2 is increased as compared with the case where the stable mode is set, so that more hydrogen gas H 2 is supplied to the fuel cell stack 12, which is expected to increase the generated current. The operation of the fuel cell stack 12 shifts from an unstable state to a stable state without a situation in which the generated voltage decreases.

また、パージパラメータ算出部46は、図9および図10の点線で示す発電電流−パージ時間マップおよび発電電流−パージインターバル時間マップを用いて、必要なパージ時間TON(第2制御パラメータ)およびパージインターバル時間TOFF(第2制御パラメータ)を算出し、パージバルブ調整部48に供給する(ステップS50、S51)。例えば、図12に示すように、安定モードにおける発電電流IFCSTが、不安定モードにおいて発電電流IFCUN(IFCUN<IFCST)になると、燃料電池スタック12内に反応によって生成された水が大量に溜まっている可能性があり、それによって発電効率が低下し、発電電圧も低下するおそれがある。そこで、不安定モードにおけるパージバルブ26の開放時間であるパージ時間TONUNを安定モードでのパージ時間TONSTよりも長めに設定することにより、水をできるだけ外部に排出可能な状態とする。同様に、不安定モードにおけるパージバルブ26の閉塞時間であるパージインターバル時間TOFFUNは、安定モードでのパージインターバル時間TOFFSTよりも短めに設定する。これにより、発電電流の増大が期待され、燃料電池スタック12の動作が不安定状態から安定状態に移行することになる。 Further, the purge parameter calculation unit 46 uses the generated current-purge time map and the generated current-purge interval time map shown by the dotted lines in FIGS. 9 and 10 to generate the necessary purge time T ON (second control parameter) and purge. An interval time T OFF (second control parameter) is calculated and supplied to the purge valve adjustment unit 48 (Steps S50 and S51). For example, as shown in FIG. 12, when the power generation current IFC ST in the stable mode becomes the power generation current IFC UN (IFC UN <IFC ST ) in the unstable mode, a large amount of water generated by the reaction in the fuel cell stack 12 becomes large. The power generation efficiency may be reduced, and the generated voltage may also be reduced. Therefore, by setting the purge time T ONUN , which is the opening time of the purge valve 26 in the unstable mode, longer than the purge time T ONST in the stable mode, water can be discharged to the outside as much as possible. Similarly, the purge interval time T OFFUN a closure time of the purge valve 26 in an unstable mode, short to set than the purge interval time T offst in a stable mode. As a result, an increase in the generated current is expected, and the operation of the fuel cell stack 12 shifts from an unstable state to a stable state.

目標エア流量算出部34および目標エア圧力算出部36は、図5および図6の点線で示す目標発電電流−目標エア流量マップおよび目標発電電流−目標エア圧力マップを用いて、必要な目標エア流量QO2(第2制御パラメータ)および目標エア圧力PO2(第2制御パラメータ)を算出する(ステップS52、S53)。 The target air flow rate calculating section 34 and the target air pressure calculating section 36 use the target generated current-target air flow rate map and the target generated current-target air pressure map shown by the dotted lines in FIGS. Q O2 (second control parameter) and target air pressure P O2 (second control parameter) are calculated (steps S52 and S53).

さらに、安定モードから不安定モードへの切り替えがあった場合(ステップS47)、前述した場合と同様にしてエア流量変化レートΔQ/Δtを算出する(ステップS48)。   Further, when the mode is switched from the stable mode to the unstable mode (Step S47), the air flow rate change rate ΔQ / Δt is calculated in the same manner as described above (Step S48).

以上のようにして不安定モードにおける各運転条件が設定された後、その運転条件に従って燃料電池スタック12による発電が継続される(ステップS10、S7)。この場合、燃料電池スタック12に供給されるエアおよび水素ガスH2の流量が増大することで反応が促進され、発電電流が増大して燃料電池スタック12の動作が不安定状態から安定状態に移行することが期待される。 After each operating condition in the unstable mode is set as described above, power generation by the fuel cell stack 12 is continued according to the operating condition (steps S10 and S7). In this case, the reaction by the flow of air and hydrogen gas H 2 is supplied to the fuel cell stack 12 is increased is accelerated transition to a stable state from the operation unstable state of the fuel cell stack 12 generated current is increased It is expected to be.

なお、安定モードから不安定モードへの切り替えがあった場合、エア流量調整部40は、ステップS48で算出されたエア流量変化レートΔQ/Δtに従ってコンプレッサ22を駆動し、安定モードでの目標エア流量QO2STから不安定モードでの目標エア流量QO2UNへと徐々に流量の切り替えを行う(図11参照)。これにより、流量の急激な変動によるノイズの発生を抑制することができる。 When the mode is switched from the stable mode to the unstable mode, the air flow adjusting unit 40 drives the compressor 22 according to the air flow rate change rate ΔQ / Δt calculated in step S48, and sets the target air flow rate in the stable mode. gradually carry out the switching of the flow rate from the Q O2ST to the target air flow rate Q O2UN of an unstable mode (see Figure 11). As a result, it is possible to suppress the generation of noise due to a rapid change in the flow rate.

ところで、上述した実施形態では、基準電流i1および基準時間TM1を固定値として設定し、燃料電池スタック12の作動状態を判定しているが(ステップS16〜S19)、図13のフローチャートに示すように、これらのパラメータを冷却水温度θWに従って設定するようにしてもよい。 In the above-described embodiment, the reference current i1 and the reference time TM1 are set as fixed values to determine the operating state of the fuel cell stack 12 (steps S16 to S19). However, as shown in the flowchart of FIG. it may be these parameters to be set according to the coolant temperature theta W.

すなわち、燃料電池スタック12の発電状態が不安定モードに設定されている場合(ステップS11)、冷却水温度検出部19によって検出された冷却水温度θWに基づき、図14に示す冷却水温度−基準電流マップを用いて基準電流i1を算出する(ステップS61)。この場合、基準電流i1は、冷却水温度θWが高ければ、燃料電池スタック12が安定しているものと考えられるため、小さい値に設定されている。 That is, when the power generation state of the fuel cell stack 12 is set to the unstable mode (step S11), based on the coolant temperature θW detected by the coolant temperature detector 19, the coolant temperature −W shown in FIG. The reference current i1 is calculated using the reference current map (step S61). In this case, the reference current i1 is, the higher the cooling water temperature theta W is, the fuel cell stack 12 is considered to be stable, it is set to a small value.

また、冷却水温度検出部19によって検出された冷却水温度θWに基づき、図15に示す冷却水温度−基準電流マップを用いて基準時間TM1を算出する(ステップS62)。この場合、基準時間TM1は、冷却水温度θWが高ければ、燃料電池スタック12が安定しているものと考えられるため、短い時間に設定されている。 Further, based on the coolant temperature theta W detected by the coolant temperature detecting section 19, the coolant temperature is shown in Figure 15 - to calculate the reference time TM1 with a reference current map (step S62). In this case, the reference time TM1 is, the higher the cooling water temperature theta W is, the fuel cell stack 12 is considered to be stable, is set to be shorter.

次いで、冷却水温度θWに応じて設定された基準電流i1および基準時間TM1と、発電電流/電圧検出部44によって検出された発電電流IFCとを用いて、図3に示すステップS16〜S19の処理を行うことにより、燃料電池スタック12の作動状態を判定し、不安定モードまたは安定モードの設定を行う(ステップS15、S22)。 Then, the coolant temperature theta W reference current i1 and the reference time TM1 which is set in accordance with the using the generated current IFC detected by the power generation current / voltage detecting unit 44, in step S16~S19 shown in FIG. 3 By performing the processing, the operation state of the fuel cell stack 12 is determined, and the unstable mode or the stable mode is set (steps S15 and S22).

この場合、モード判定のためのパラメータである基準電流i1および基準時間TM1を冷却水温度θWに応じて設定することができるため、モード判定精度をさらに向上させることができる。 In this case, since the reference current i1 and the reference time TM1 is a parameter for the mode determination can be set according to the coolant temperature theta W, it is possible to further improve the mode determination accuracy.

一方、燃料電池スタック12の発電状態が安定モードに設定されている場合(ステップS11)、図3に示すステップS23〜S26、S28、S29の処理を行うことにより、燃料電池スタック12の作動状態を判定し、不安定モードまたは安定モードの設定を行う(ステップS22、S27)。   On the other hand, when the power generation state of the fuel cell stack 12 is set to the stable mode (step S11), the processing of steps S23 to S26, S28, and S29 shown in FIG. The determination is made, and the unstable mode or the stable mode is set (steps S22 and S27).

なお、上述した実施形態では、燃料電池スタック12の作動状態が安定状態であるか不安定状態であるかを、発電電流IFC、最低セル電圧Vcmin、冷却水温度θW、アノードガス温度θAおよびカソードガス温度θCに基づいて判定し、その判定結果に従って運転条件を設定するようにしているが、例えば、作動状態を安定状態、準安定状態、不安定状態等のように、3つ以上の状態に分けて判定し、それぞれの判定結果に従って運転条件の設定を行うようにしてもよい。 In the above-described embodiment, whether the operating state of the fuel cell stack 12 is stable or unstable is determined by the generated current IFC, the minimum cell voltage Vcmin, the cooling water temperature θ W , the anode gas temperature θ A and Judgment is made based on the cathode gas temperature θ C, and the operating conditions are set according to the judgment result. For example, three or more operation states such as a stable state, a metastable state, and an unstable state are set. The determination may be made separately for each state, and the operating condition may be set according to each determination result.

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成ブロック図である。1 is a configuration block diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 図1に示す燃料電池システムにおける制御装置での処理フローチャートである。2 is a processing flowchart in a control device in the fuel cell system shown in FIG. 1. 図2に示すフローチャートにおけるモード判定切替処理のフローチャートである。3 is a flowchart of a mode determination switching process in the flowchart shown in FIG. 図2に示すフローチャートにおける運転条件設定処理のフローチャートである。3 is a flowchart of an operating condition setting process in the flowchart shown in FIG. 2. 目標発電電流−目標エア流量マップの説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram of a target generated current-target air flow rate map. 目標発電電流−目標エア圧力マップの説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram of a target generated current-target air pressure map. 発電電流−基準電圧マップの説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram of a generated current-reference voltage map. 発電電流−ポンプ流量マップの説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram of a generated current-pump flow rate map. 発電電流−パージ時間マップの説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram of a generated current-purge time map. 発電電流−パージインターバル時間マップの説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram of a generated current-purge interval time map. モード切替時におけるエア流量調整処理の説明図である。FIG. 8 is an explanatory diagram of an air flow rate adjustment process at the time of mode switching. 発電電流とポンプ流量とパージバルブの開閉状態との関係説明図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship among a generated current, a pump flow rate, and an open / closed state of a purge valve. 他の実施形態におけるモード判定切替処理のフローチャートである。It is a flow chart of mode judgment change processing in other embodiments. 冷却水温度−基準電流マップの説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram of a cooling water temperature-reference current map. 冷却水温度−基準時間マップの説明図である。It is explanatory drawing of a cooling water temperature-reference time map.

符号の説明Explanation of reference numerals

10…燃料電池システム 12…燃料電池スタック
14…制御装置 17…冷却部
18…水素タンク 19…冷却水温度検出部
20…レギュレータ 21…アノードガス温度検出部
22…コンプレッサ 23…カソードガス温度検出部
24…流量検出部 26…パージバルブ
28…水素希釈ボックス 30…圧力制御バルブ
32…目標発電電流設定部 34…目標エア流量算出部
36…目標エア圧力算出部 40…エア流量調整部
42…圧力制御バルブ調整部 43…ポンプ流量調整部
44…発電電流/電圧検出部 45…モード判定切替部
46…パージパラメータ算出部 48…パージバルブ調整部
50…ポンプ流量算出部

DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell system 12 ... Fuel cell stack 14 ... Control device 17 ... Cooling part 18 ... Hydrogen tank 19 ... Cooling water temperature detecting part 20 ... Regulator 21 ... Anode gas temperature detecting part 22 ... Compressor 23 ... Cathode gas temperature detecting part 24 ... Flow detection unit 26 ... Purge valve 28 ... Hydrogen dilution box 30 ... Pressure control valve 32 ... Target power generation current setting unit 34 ... Target air flow calculation unit 36 ... Target air pressure calculation unit 40 ... Air flow adjustment unit 42 ... Pressure control valve adjustment Unit 43: Pump flow adjusting unit 44: Generated current / voltage detecting unit 45: Mode determination switching unit 46: Purge parameter calculating unit 48: Purge valve adjusting unit 50: Pump flow calculating unit

Claims (9)

アノード電極に供給される水素含有ガスとカソード電極に供給される酸素含有ガスとを反応させることで電気エネルギを生成する燃料電池と、前記燃料電池に対する前記水素含有ガスおよび前記酸素含有ガスの供給を調整する供給調整部と、前記燃料電池からの排気ガスの排出を調整する排出調整部とを備える燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池から出力される発電電流を検出する発電電流検出部と、
基準電流以上の前記発電電流が基準時間以上継続して出力されているか否かによって前記燃料電池の作動状態を判定する作動状態判定部と、
前記作動状態判定部による判定結果に応じた制御パラメータを設定し、前記制御パラメータに基づいて前記供給調整部および/または前記排出調整部を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell that generates electric energy by reacting a hydrogen-containing gas supplied to an anode electrode with an oxygen-containing gas supplied to a cathode electrode; and supplying the hydrogen-containing gas and the oxygen-containing gas to the fuel cell. In a fuel cell system including a supply adjustment unit that adjusts and an emission adjustment unit that adjusts emission of exhaust gas from the fuel cell,
A generated current detection unit that detects a generated current output from the fuel cell,
An operation state determination unit that determines an operation state of the fuel cell by whether or not the generated current equal to or more than a reference current is continuously output for a reference time or more;
A control unit that sets a control parameter according to a determination result by the operation state determination unit and controls the supply adjustment unit and / or the discharge adjustment unit based on the control parameter;
A fuel cell system comprising:
請求項1記載のシステムにおいて、
前記作動状態判定部は、第1基準電流以上の前記発電電流が第1基準時間以上継続する場合、安定状態と判定し、第2基準電流以下の前記発電電流の出力状態が第2基準時間以上継続する場合、不安定状態と判定し、
前記制御部は、前記安定状態と判定されたとき、前記発電電流に応じた安定時に対する第1制御パラメータを設定し、前記第1制御パラメータに基づいて前記供給制御部および/または前記排出制御部を制御し、前記不安定状態と判定されたとき、前記発電電流に応じた不安定時に対する第2制御パラメータを設定し、前記第2制御パラメータに基づいて前記供給制御部および前記排出制御部を制御することを特徴とする燃料電池システム。
The system according to claim 1,
The operation state determination unit determines that the stable state is established when the generated current equal to or greater than the first reference current continues for the first reference time, and the output state of the generated current equal to or less than the second reference current is equal to or greater than the second reference time If it continues, it is judged as unstable,
The control unit, when determined to be in the stable state, sets a first control parameter for a stable time according to the generated current, and based on the first control parameter, the supply control unit and / or the discharge control unit Controlling the supply control unit and the discharge control unit based on the second control parameter based on the second control parameter. A fuel cell system comprising:
請求項1記載のシステムにおいて、
前記制御部は、前記発電電流および作動状態の前記判定結果に応じて、前記制御パラメータである前記水素含有ガスの流量を算出する水素含有ガス流量算出部を有し、
前記供給調整部は、算出された前記流量に基づき前記水素含有ガスの供給を調整することを特徴とする燃料電池システム。
The system according to claim 1,
The control unit has a hydrogen-containing gas flow rate calculation unit that calculates the flow rate of the hydrogen-containing gas that is the control parameter according to the determination result of the generated current and the operating state,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the supply adjusting unit adjusts the supply of the hydrogen-containing gas based on the calculated flow rate.
請求項3記載のシステムにおいて、
前記供給調整部は、前記燃料電池におけるアノード電極のガス供給口とガス排気口とを連結する循環ループに配設され、前記水素含有ガス流量算出部によって算出された前記流量に基づき、前記ガス排気口から排出された前記水素含有ガスを前記ガス供給口に循環供給することを特徴とする燃料電池システム。
The system according to claim 3,
The supply adjusting unit is disposed in a circulation loop connecting a gas supply port and a gas exhaust port of an anode electrode in the fuel cell, and based on the flow rate calculated by the hydrogen-containing gas flow rate calculation unit, the gas exhaust rate A fuel cell system, wherein the hydrogen-containing gas discharged from a port is circulated and supplied to the gas supply port.
請求項1記載のシステムにおいて、
前記制御部は、前記発電電流および作動状態の前記判定結果に応じて、前記排気ガスの排出を制御する前記制御パラメータであるパージパラメータを算出するパージパラメータ算出部を有し、
前記排出調整部は、算出された前記パージパラメータに基づき、前記排気ガスの外部への排出および外部への排出禁止を制御することを特徴とする燃料電池システム。
The system according to claim 1,
The control unit has a purge parameter calculation unit that calculates a purge parameter that is the control parameter that controls emission of the exhaust gas, according to the determination result of the generated current and the operation state,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the discharge adjusting unit controls the discharge of the exhaust gas to the outside and the prohibition of the discharge of the exhaust gas based on the calculated purge parameter.
請求項1記載のシステムにおいて、
前記制御部は、目標発電電流および作動状態の前記判定結果に応じて、前記制御パラメータである供給ガスの目標流量および目標圧力を算出する目標値算出部を有し、
前記供給調整部は、算出された前記目標流量および前記目標圧力に基づき前記供給ガスの供給を制御することを特徴とする燃料電池システム。
The system according to claim 1,
The control unit has a target value calculation unit that calculates a target flow rate and a target pressure of the supply gas, which are the control parameters, according to the target power generation current and the determination result of the operation state.
The fuel cell system according to claim 1, wherein the supply adjusting unit controls supply of the supply gas based on the calculated target flow rate and the target pressure.
請求項1〜6のいずれか1項に記載のシステムにおいて、
前記燃料電池の温度を検出する温度検出部を有し、
前記制御部は、前記発電電流または目標発電電流と前記温度とに応じて前記制御パラメータを算出することを特徴とする燃料電池システム。
The system according to any one of claims 1 to 6,
A temperature detecting unit that detects a temperature of the fuel cell,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit calculates the control parameter according to the generated current or the target generated current and the temperature.
請求項1〜6のいずれか1項に記載のシステムにおいて、
前記燃料電池の温度を検出する温度検出部を有し、
前記作動状態判定部は、前記燃料電池の前記温度に応じて設定される前記基準電流および前記基準時間に従って前記燃料電池の作動状態を判定することを特徴とする燃料電池システム。
The system according to any one of claims 1 to 6,
A temperature detecting unit that detects a temperature of the fuel cell,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the operation state determination unit determines an operation state of the fuel cell according to the reference current and the reference time set according to the temperature of the fuel cell.
請求項8記載のシステムにおいて、
前記制御部は、前記発電電流または目標発電電流と前記温度とに応じて前記制御パラメータを算出することを特徴とする燃料電池システム。

9. The system according to claim 8, wherein
The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit calculates the control parameter according to the generated current or the target generated current and the temperature.

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