JP2005093111A - Control unit of fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To detect hydrogen shortage in a fuel cell in a short time to avoid hydrogen shortage. <P>SOLUTION: When load current taken in a load is increased and power generating voltage is dropped (step S1), a target voltage drop response track from the present power generating voltage to target steady-state voltage is prepared (step S2), and compared with a real voltage track in the occurrence of hydrogen shortage (step S3), and when deviation between the target voltage drop response track and the real voltage reaches the specified value, hydrogen shortage in a hydrogen electrode of a fuel cell stack is detected, hydrogen utilization factor drop processing (step S6), air flow rate drop processing (step S7), humidifying amount drop processing (step S8), and others are conducted to eliminate hydrogen shortage in the hydrogen electrode of the fuel cell stack. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池に水素及び酸素を供給して燃料電池を発電させ、発電した電力を負荷に供給する燃料電池システムを制御する燃料電池システムの制御装置に関する。   The present invention relates to a control device for a fuel cell system that controls a fuel cell system that supplies hydrogen and oxygen to a fuel cell to generate the fuel cell and supplies the generated power to a load.

従来より、例えば車両等の駆動トルクを発生させるために、燃料電池の水素極に水素ガスを供給すると共に、燃料電池の空気極に空気を供給して、空気中の酸素と水素とを電気化学的に反応させて発電させる燃料電池システムが知られている。このような燃料電池システムにおける燃料電池としては、車両駆動用として固体高分子型のものが知られている。この固体高分子型の燃料電池は、水素極と空気極の間に膜状の固体高分子を設け、当該固体高分子を水素イオン伝導体として機能させている。   Conventionally, for example, in order to generate a driving torque of a vehicle or the like, hydrogen gas is supplied to the hydrogen electrode of the fuel cell and air is supplied to the air electrode of the fuel cell, so that oxygen and hydrogen in the air are electrochemically supplied. A fuel cell system for generating electric power by reacting automatically is known. As a fuel cell in such a fuel cell system, a solid polymer type is known for driving a vehicle. In this solid polymer fuel cell, a film-like solid polymer is provided between a hydrogen electrode and an air electrode, and the solid polymer functions as a hydrogen ion conductor.

このような固体高分子型の燃料電池スタックは、発電反応として、水素極において水素ガスから水素イオンと電子とを生成する反応を行い、空気極において酸素ガスと水素イオンと電子から水を生成する反応を行う。このとき、水素イオンは固体高分子を空気極に向かって移動するが、固体高分子において水素イオンが移動するためには、固体高分子膜に水分を含ませておく必要がある。このため、燃料電池システムは、固体高分子を加湿して湿らせておく必要があり、燃料電池に供給する水素ガスを加湿装置で加湿して水素極に供給する技術が知られている。また、固体高分子を加湿する他の技術としては、ポーラスプレートに加湿用純水チャネルを設けて内部から加湿する技術も知られている。   Such a polymer electrolyte fuel cell stack performs a reaction for generating hydrogen ions and electrons from hydrogen gas at the hydrogen electrode as a power generation reaction, and generates water from oxygen gas, hydrogen ions and electrons at the air electrode. Perform the reaction. At this time, the hydrogen ions move through the solid polymer toward the air electrode, but in order for the hydrogen ions to move in the solid polymer, it is necessary to include moisture in the solid polymer film. For this reason, it is necessary for the fuel cell system to humidify and solidify the solid polymer, and a technique is known in which hydrogen gas supplied to the fuel cell is humidified by a humidifier and supplied to the hydrogen electrode. As another technique for humidifying a solid polymer, a technique for humidifying from the inside by providing a pure water channel for humidification on a porous plate is also known.

また、従来より、固体高分子を加湿させるための有効な技術としては、燃料電池から使用されずに排出された水素ガスを燃料電池に再循環し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。この燃料電池システムでは、燃料電池外部に接続した負荷が要求する消費電力を発電させるための水素量より幾分多めの水素を水素極に供給し、使用されずに水素極の水素出口から排出された水素を、循環水素として再度水素極の水素入口に戻して再利用する。   Conventionally, as an effective technique for humidifying a solid polymer, a hydrogen circulation type fuel cell system in which hydrogen gas discharged without being used from the fuel cell is recycled to the fuel cell and reused is used. Are known. In this fuel cell system, a somewhat larger amount of hydrogen than the amount of hydrogen required to generate the power consumption required by the load connected to the outside of the fuel cell is supplied to the hydrogen electrode, and is discharged from the hydrogen outlet of the hydrogen electrode without being used. The recycled hydrogen is recycled and returned to the hydrogen inlet of the hydrogen electrode.

このような燃料電池システムでは、循環水素が水蒸気を多く含んでいるため、当該循環水素と水素タンクからの乾燥している水素とを混合させて水素極に供給することにより、水素極に供給する水素を加湿するようにしている。   In such a fuel cell system, since the circulating hydrogen contains a lot of water vapor, the circulating hydrogen and the dry hydrogen from the hydrogen tank are mixed and supplied to the hydrogen electrode, thereby supplying the hydrogen electrode. We are trying to humidify the hydrogen.

このような水素循環形式の燃料電池システムでは、負荷に要求される発電量に応じた水素量に加えて、循環させる水素量がアノード電極に余分に通過する。このように、発電に必要な水素量よりも余分な水素量をアノード電極に供給することにより、燃料電池スタックを構成する全てのセルでの発電を高率的に行わせるようにしている。これは、負荷に要求される発電量に対応した水素量のみを供給すると、水素極の水素出口付近のセルに効率的に水素が到達しなくなり、発電効率が落ちることによる。   In such a hydrogen circulation type fuel cell system, in addition to the amount of hydrogen corresponding to the amount of power required for the load, the amount of hydrogen to be circulated passes excessively to the anode electrode. In this way, by supplying a surplus hydrogen amount necessary for power generation to the anode electrode, power generation in all the cells constituting the fuel cell stack is performed at a high rate. This is because if only the amount of hydrogen corresponding to the amount of power generation required for the load is supplied, hydrogen will not efficiently reach the cells near the hydrogen outlet of the hydrogen electrode, resulting in a decrease in power generation efficiency.

また、従来の燃料電池システムでは、水素極と同様の理由により、燃料電池スタックの空気極にも負荷に要求される発電量に応じた酸素量のみならず、少し余分に酸素を供給するようにしている。   In the conventional fuel cell system, for the same reason as the hydrogen electrode, not only the amount of oxygen corresponding to the amount of power required for the load but also a little extra oxygen is supplied to the air electrode of the fuel cell stack. ing.

このように、従来の燃料電池システムでは、燃料電池スタックに供給する原料量（水素、酸素）と燃料電池スタックで発電反応に使用される原料量との比、すなわち原料ストイキ比を通常は１以上としている。   Thus, in the conventional fuel cell system, the ratio between the amount of raw material (hydrogen, oxygen) supplied to the fuel cell stack and the amount of raw material used for the power generation reaction in the fuel cell stack, that is, the raw material stoichiometric ratio is usually 1 or more. It is said.

このような燃料電池システムにおいて、負荷に供給する電力が過渡的に増加する時には、燃料電池スタックの反応に必要な水素量も過渡的に増加させる必要があるが、水素タンクから燃料電池スタックに水素の供給を行うため、水素の供給遅れが発生する。このため、燃料電池システムでは、負荷の電力取り出しタイミングよりも水素の供給が遅れることにより、燃料電池スタック内で水素不足を生じる可能性がある。   In such a fuel cell system, when the power supplied to the load increases transiently, the amount of hydrogen required for the reaction of the fuel cell stack also needs to be increased transiently. As a result, hydrogen supply delay occurs. For this reason, in the fuel cell system, there is a possibility that hydrogen shortage may occur in the fuel cell stack due to the delay in the supply of hydrogen with respect to the power extraction timing of the load.

更に、従来の燃料電池システムでは、水素の燃費性能を向上させるために、水素循環装置で使用される消費電力の低減や、水素循環系に蓄積した窒素をパージして排出する際に同時に排出される水素量を低減して燃料電池スタックを発電運転させるものがある。このような燃料電池システムでは、排出される水素量をできるだけ低減するために、燃料電池スタックを構成する全セルに均等に水素が供給される範囲内で水素のストイキ比をできるだけ低減している。このため、従来の燃料電池システムでは、水素の供給遅れと相まって、より水素不足を生じやすくなるという問題がある。   Further, in the conventional fuel cell system, in order to improve the fuel efficiency performance of hydrogen, it is simultaneously discharged when reducing the power consumption used in the hydrogen circulation device or purging and discharging the nitrogen accumulated in the hydrogen circulation system. There is a fuel cell stack that generates electricity by reducing the amount of hydrogen produced. In such a fuel cell system, in order to reduce the amount of discharged hydrogen as much as possible, the hydrogen stoichiometric ratio is reduced as much as possible within a range in which hydrogen is evenly supplied to all cells constituting the fuel cell stack. For this reason, in the conventional fuel cell system, there is a problem that hydrogen shortage is more likely to occur due to a delay in supply of hydrogen.

このように、燃料電池システムでは、燃料電池スタック内で水素不足が生じると、電極触媒が腐食を起こし不可逆的な劣化ダメージを与える可能性がある。これに対し、燃費性能を向上させると共に燃料電池スタック内の水素不足を抑制するためには、水素のストイキ比を低減すると共に水素不足をできるだけ早く検出して劣化を防止するようにする必要がある。   Thus, in the fuel cell system, when hydrogen shortage occurs in the fuel cell stack, the electrode catalyst may corrode and cause irreversible deterioration damage. On the other hand, in order to improve fuel efficiency and suppress hydrogen shortage in the fuel cell stack, it is necessary to reduce the stoichiometric ratio of hydrogen and detect hydrogen shortage as soon as possible to prevent deterioration. .

このような水素不足を防止するための従来の技術としては、下記の特許文献１に記載されたものが知られている。この従来の技術では、燃料電池スタックを構成するセルの発電電圧うち、最も低い発電電圧が所定下限電圧以下の場合に、当該最低セル電圧が所定下限電圧より大きくなるように燃料電池スタックに供給する水素量を所定量増加させるようにしている。
特開２００２−１６４０６８号公報 As a conventional technique for preventing such hydrogen shortage, a technique described in Patent Document 1 below is known. In this conventional technique, when the lowest generated voltage of the cells constituting the fuel cell stack is equal to or lower than a predetermined lower limit voltage, the lowest cell voltage is supplied to the fuel cell stack so as to be larger than the predetermined lower limit voltage. The amount of hydrogen is increased by a predetermined amount.
JP 2002-164068 A

しかしながら、上述の特許文献１に記載された技術では、燃料電池スタック内に水素不足が発生して触媒に腐食が発生している場合には、負荷に取り出される電流が増加することに応じたセル電圧の低下速度が遅くなるため、触媒を劣化させている状態が長くなる。すなわち、上述の特許文献１に記載された技術では、セル電圧が所定下限電圧まで低下するまでにある程度の時間を要し、水素不足と判断して水素供給量を増加するタイミングが遅くなる。この結果、燃料電池スタックの触媒劣化が進む期間が長くなり、触媒劣化の度合いが大きくなるという問題があった。   However, in the technique described in Patent Document 1 described above, when hydrogen shortage occurs in the fuel cell stack and the catalyst is corroded, the cell corresponding to the increase in the current taken out to the load Since the rate of voltage decrease is slow, the state of degrading the catalyst becomes long. That is, in the technique described in Patent Document 1 described above, it takes a certain amount of time for the cell voltage to fall to the predetermined lower limit voltage, and the timing for increasing the hydrogen supply amount based on the hydrogen shortage is delayed. As a result, there has been a problem that the period during which the catalyst deterioration of the fuel cell stack proceeds is prolonged, and the degree of catalyst deterioration increases.

そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、燃料電池内の水素不足を短期間で検出して、水素不足を解消させることができる燃料電池システムの制御装置を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been proposed in view of the above-described circumstances, and provides a control device for a fuel cell system that can detect a shortage of hydrogen in a fuel cell in a short period of time and solve the shortage of hydrogen. For the purpose.

本発明では、水素含有ガスに含まれる水素と空気に含まれる酸素とを用いて発電し、発電電力が負荷に取り込まれる燃料電池と、燃料電池に水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給手段と、燃料電池に空気を供給する空気供給手段とを備える燃料電池システムを制御する燃料電池システムの制御装置において、負荷に取り込まれる電力が増加した時に、水素量不足検出手段により、燃料電池の発電電圧の変動状態に基づいて燃料電池の水素極内の水素量が不足していること検出すると、水素利用率低下制御手段により、燃料電池の水素利用率を低下させて上述の課題を解決する。   In the present invention, a fuel cell that generates power using hydrogen contained in the hydrogen-containing gas and oxygen contained in the air, and the generated power is taken into the load, and a hydrogen-containing gas supply means that supplies the hydrogen-containing gas to the fuel cell, In the control device for a fuel cell system that controls the fuel cell system including air supply means for supplying air to the fuel cell, when the amount of power taken into the load increases, the generated voltage of the fuel cell is detected by the hydrogen amount shortage detection means When it is detected that the amount of hydrogen in the hydrogen electrode of the fuel cell is insufficient based on the fluctuation state, the hydrogen utilization rate of the fuel cell is lowered by the hydrogen utilization rate lowering control means to solve the above-mentioned problem.

本発明に係る燃料電池システムの制御装置によれば、負荷に取り込まれる電力が増加した時に、燃料電池の発電電圧の変動状態に基づいて燃料電池の水素極内の水素量が不足していること検出し、燃料電池の水素利用率を低下させるので、負荷に取り込まれる電力が増加した時の発電電圧の低下の仕方が、水素不足が発生している時と水素不足が発生していない時とで異なることを利用して水素不足を検出することができ、燃料電池内の水素不足を短期間で検出して、水素不足を解消させることができる。   According to the control device for a fuel cell system according to the present invention, when the electric power taken into the load increases, the amount of hydrogen in the hydrogen electrode of the fuel cell is insufficient based on the fluctuation state of the power generation voltage of the fuel cell. Because it detects and reduces the hydrogen utilization rate of the fuel cell, the method of lowering the generated voltage when the electric power taken into the load increases is when the hydrogen shortage occurs and when the hydrogen shortage does not occur Thus, it is possible to detect the shortage of hydrogen by utilizing the difference, and to detect the shortage of hydrogen in the fuel cell in a short period of time, thereby eliminating the shortage of hydrogen.

以下、本発明の第１実施形態及び第２実施形態について図面を参照して説明する。   Hereinafter, a first embodiment and a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

［第１実施形態］
本発明は、例えば図１に示すように構成された第１実施形態に係る燃料電池システムに適用される。 [First Embodiment]
The present invention is applied to the fuel cell system according to the first embodiment configured as shown in FIG. 1, for example.

［燃料電池システムの構成］
この燃料電池システムは、例えば車両に搭載され、燃料電池スタック１に発電反応を行わせ、当該燃料電池スタック１にて発電した発電電力を負荷装置２に供給することにより、車両の走行トルクを発生させる。 [Configuration of fuel cell system]
This fuel cell system is mounted on a vehicle, for example, and generates a running torque of the vehicle by causing the fuel cell stack 1 to perform a power generation reaction and supplying the generated power generated by the fuel cell stack 1 to the load device 2. Let

負荷装置２は、例えばインバータや駆動モータ等からなり、インバータにより燃料電池スタック１にて発電した電力を取り出し、燃料電池スタック１にて発電した電力を使用して駆動モータを駆動させる。また、この負荷装置２は、後述する燃料電池スタック１を発電させるための補機等と接続され、当該補機等に電力供給をする。   The load device 2 includes, for example, an inverter, a drive motor, and the like. The load device 2 takes out the electric power generated by the fuel cell stack 1 by the inverter and drives the drive motor using the electric power generated by the fuel cell stack 1. In addition, the load device 2 is connected to an auxiliary machine or the like for generating power from a fuel cell stack 1 described later, and supplies power to the auxiliary machine or the like.

燃料電池スタック１は、発電反応を発生させるための水素を多量に含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとが供給されることによって発電する。この燃料電池スタック１は、例えば、固体高分子電解質膜を挟んで、酸化剤ガスとして空気が供給される空気極と燃料ガスとして水素が供給される水素極とを対設した燃料電池セル構造体をセパレータで挟持し、セル構造体を複数積層することによって構成されている。すなわち、この燃料電池スタック１による発電は、水素極にて水素が電子を放出してイオン化し、生成された水素イオン（Ｈ＋）が高分子電解質膜を通過してカソード極に到達し、この水素イオンが空気極にて酸素と結合して水（Ｈ２Ｏ）を生成することによって行われる。 The fuel cell stack 1 generates power by supplying a fuel gas containing a large amount of hydrogen for generating a power generation reaction and an oxidant gas containing oxygen. The fuel cell stack 1 includes, for example, a fuel cell structure having an air electrode supplied with air as an oxidant gas and a hydrogen electrode supplied with hydrogen as a fuel gas with a solid polymer electrolyte membrane interposed therebetween. Is sandwiched between separators, and a plurality of cell structures are stacked. That is, in the power generation by the fuel cell stack 1, hydrogen is released from the hydrogen electrode and ionized, and the generated hydrogen ion (H + ) passes through the polymer electrolyte membrane and reaches the cathode electrode. This is done by combining hydrogen ions with oxygen at the air electrode to produce water (H 2 O).

また、この燃料電池システムでは、水素循環系、空気供給系、冷却媒体循環系及び加湿用純水循環系を備える。これらの各系は、後述するコントローラ２０により動作が制御される。   The fuel cell system includes a hydrogen circulation system, an air supply system, a cooling medium circulation system, and a humidified pure water circulation system. The operation of each system is controlled by a controller 20 described later.

水素循環系は、燃料電池スタック１の水素入口と接続された水素供給経路Ｌ１に水素タンク３、水素圧力調整弁４及びアクチュエータ５が設けられ、燃料電池スタック１の水素出口と水素供給経路Ｌ１とを接続する水素循環経路Ｌ２に水素循環ポンプ６が設けられ、水素循環経路Ｌ２から分岐した水素排出経路Ｌ３にパージ弁７及びアクチュエータ８が設けられて構成されている。   The hydrogen circulation system is provided with a hydrogen tank 3, a hydrogen pressure regulating valve 4 and an actuator 5 in a hydrogen supply path L1 connected to a hydrogen inlet of the fuel cell stack 1, and a hydrogen outlet of the fuel cell stack 1 and a hydrogen supply path L1. The hydrogen circulation pump 6 is provided in the hydrogen circulation path L2 connecting the two, and the purge valve 7 and the actuator 8 are provided in the hydrogen discharge path L3 branched from the hydrogen circulation path L2.

このような水素循環系では、燃料電池スタック１を発電させるに際して、水素タンク３に貯蔵しておいた水素を、水素圧力調整弁４の開度が調整されることにより水素ガス圧力を調整して、燃料電池スタック１の水素入口に送る。そして、燃料電池スタック１は、一部の水素を発電反応に使用し、発電反応に使用されなかった一部の水素を出口から水素循環経路Ｌ２に排出する。この燃料電池スタック１の水素出口から排出された水素ガスは、水素循環経路Ｌ２を介して水素循環ポンプ６に取り込まれ、循環水素として再度水素供給経路Ｌ１を介して燃料電池スタック１の水素入口に送られる。ここで、循環水素は、水分を含んでおり、水素タンク３からの水素ガスと混合されて燃料電池スタック１に供給されることにより、固体高分子電解質膜を加湿させる。   In such a hydrogen circulation system, when the fuel cell stack 1 generates power, the hydrogen stored in the hydrogen tank 3 is adjusted by adjusting the hydrogen gas pressure by adjusting the opening of the hydrogen pressure regulating valve 4. To the hydrogen inlet of the fuel cell stack 1. The fuel cell stack 1 uses part of hydrogen for power generation reaction and discharges part of hydrogen not used for power generation reaction from the outlet to the hydrogen circulation path L2. The hydrogen gas discharged from the hydrogen outlet of the fuel cell stack 1 is taken into the hydrogen circulation pump 6 via the hydrogen circulation path L2, and again enters the hydrogen inlet of the fuel cell stack 1 via the hydrogen supply path L1 as circulating hydrogen. Sent. Here, the circulating hydrogen contains moisture and is mixed with hydrogen gas from the hydrogen tank 3 and supplied to the fuel cell stack 1 to humidify the solid polymer electrolyte membrane.

このとき、コントローラ２０では、水素圧力制御信号をアクチュエータ５に供給することによりアクチュエータ５を制御して水素圧力調整弁４の開度を調整すると共に、水素循環ポンプ制御信号を水素循環ポンプ６に供給することにより水素循環ポンプ６の回転数を制御する。これにより、コントローラ２０では、燃料電池スタック１への水素流量及び水素圧力を制御すると共に、燃料電池スタック１への循環水素量を制御する。   At this time, the controller 20 supplies the hydrogen pressure control signal to the actuator 5 to control the actuator 5 to adjust the opening of the hydrogen pressure adjusting valve 4 and supply the hydrogen circulation pump control signal to the hydrogen circulation pump 6. By doing so, the rotation speed of the hydrogen circulation pump 6 is controlled. As a result, the controller 20 controls the hydrogen flow rate and hydrogen pressure to the fuel cell stack 1 and the amount of circulating hydrogen to the fuel cell stack 1.

また、この水素循環系では、水素供給経路Ｌ１及び水素循環経路Ｌ２内のガスをパージするに際して、コントローラ２０からパージ弁制御信号がアクチュエータ８に供給され、アクチュエータ８によりパージ弁７を開動作させる。これにより、水素循環系では、水素循環経路Ｌ２に蓄積していた水素以外の不純物等を外部に放出する。   In this hydrogen circulation system, when purging the gas in the hydrogen supply path L1 and the hydrogen circulation path L2, a purge valve control signal is supplied from the controller 20 to the actuator 8, and the actuator 8 opens the purge valve 7. Thereby, in the hydrogen circulation system, impurities other than hydrogen accumulated in the hydrogen circulation path L2 are released to the outside.

空気供給系は、燃料電池スタック１の空気入口と接続された空気供給流路Ｌ４に空気供給装置９が設けられ、燃料電池スタック１の空気出口と接続された空気排出経路Ｌ５に空気圧力調整弁１０及びアクチュエータ１１が設けられて構成されている。このような空気供給系では、燃料電池スタック１を発電させるに際して、空気供給装置９により外気を取り込んで水素供給経路Ｌ１を介して燃料電池スタック１に空気を供給し、燃料電池スタック１から排出された空気を空気圧力調整弁１０を介して排出する。   In the air supply system, an air supply device 9 is provided in an air supply flow path L4 connected to the air inlet of the fuel cell stack 1, and an air pressure adjusting valve is connected to an air discharge path L5 connected to the air outlet of the fuel cell stack 1. 10 and an actuator 11 are provided. In such an air supply system, when the fuel cell stack 1 generates power, outside air is taken in by the air supply device 9, air is supplied to the fuel cell stack 1 through the hydrogen supply path L 1, and is discharged from the fuel cell stack 1. The discharged air is discharged through the air pressure adjustment valve 10.

このとき、コントローラ２０は、例えばコンプレッサモータにコンプレッサ制御信号を供給することにより空気供給装置９を構成するコンプレッサの回転数を制御して燃料電池スタック１に供給する酸素流量を制御すると共に、アクチュエータ１１に空気圧力制御信号を供給することにより空気圧力調整弁１０の開度を調整して空気圧力を制御する。   At this time, the controller 20 controls the flow rate of oxygen supplied to the fuel cell stack 1 by controlling the number of revolutions of the compressor constituting the air supply device 9 by supplying a compressor control signal to the compressor motor, for example, and the actuator 11 The air pressure control signal is supplied to the air pressure control valve 10 to adjust the opening of the air pressure control valve 10 to control the air pressure.

冷却媒体循環系は、燃料電池スタック１内の冷却媒体流路に接続された冷却媒体循環経路Ｌ５に冷却媒体ポンプ１２、ラジエータ１３及びラジエータファン１４が設けられて構成されている。このような冷却媒体循環系では、燃料電池スタック１が発電している時に、燃料電池スタック１の温度を所定温度範囲内とするように動作する。すなわち、冷却媒体循環系では、冷却媒体ポンプ１２により冷却媒体を取り込んで燃料電池スタック１の冷却媒体入口に吐出し、燃料電池スタック１内を通過して昇温した冷却媒体をラジエータ１３に導入し、ラジエータファン１４からラジエータ１３への送風によって冷却媒体を冷却する。このとき、コントローラ２０では、冷却媒体ポンプ１２に冷媒ポンプ制御信号を供給することにより、冷却媒体の循環量を制御すると共に、ラジエータファン制御信号をラジエータファン１４に供給することによりラジエータファン１４の回転数を調整して、ラジエータ１３の冷却能力を制御する。   The cooling medium circulation system is configured by providing a cooling medium pump 12, a radiator 13 and a radiator fan 14 in a cooling medium circulation path L5 connected to the cooling medium flow path in the fuel cell stack 1. Such a coolant circulation system operates so that the temperature of the fuel cell stack 1 is within a predetermined temperature range when the fuel cell stack 1 is generating power. That is, in the cooling medium circulation system, the cooling medium is taken in by the cooling medium pump 12 and discharged to the cooling medium inlet of the fuel cell stack 1, and the cooling medium heated through the fuel cell stack 1 is introduced into the radiator 13. The cooling medium is cooled by blowing air from the radiator fan 14 to the radiator 13. At this time, the controller 20 supplies the coolant pump control signal to the coolant pump 12 to control the circulation amount of the coolant, and supplies the radiator fan control signal to the radiator fan 14 to rotate the radiator fan 14. The cooling capacity of the radiator 13 is controlled by adjusting the number.

加湿用純水循環系は、燃料電池スタック１の加湿用純水入口に接続された加湿用純水経路Ｌ６に、加湿用純水ポンプ１５、ガスセパレータ１６が設けられて構成されている。このような加湿用純水循環系では、燃料電池スタック１が発電しているときに、固体高分子電解質膜を加湿させるように動作する。すなわち、加湿用純水循環系では、加湿用純水ポンプ１５により加湿用純水を取り込んで燃料電池スタック１の加湿用純水入口に吐出して、燃料電池スタック１内を通過させてガスセパレータ１６に送る。そして、ガスセパレータ１６では、純水に溶け込んだ水素ガスや酸素を分離して、再度純水を加湿用純水ポンプ１５に送る。このとき、コントローラ２０では、加湿用純水ポンプ制御信号を加湿用純水ポンプ１５に供給することにより、加湿用純水ポンプ１５の回転数を制御して燃料電池スタック１を通過させる純水量を制御する。   The humidified pure water circulation system is configured by providing a humidified pure water pump 15 and a gas separator 16 in a humidified pure water path L6 connected to the humidified pure water inlet of the fuel cell stack 1. Such a humidifying pure water circulation system operates to humidify the solid polymer electrolyte membrane when the fuel cell stack 1 is generating power. That is, in the humidifying pure water circulation system, the humidifying pure water is taken in by the humidifying pure water pump 15 and discharged to the humidifying pure water inlet of the fuel cell stack 1 to pass through the fuel cell stack 1 to pass through the gas separator. 16 The gas separator 16 separates hydrogen gas and oxygen dissolved in the pure water, and sends the pure water to the humidifying pure water pump 15 again. At this time, the controller 20 supplies the humidifying pure water pump control signal to the humidifying pure water pump 15, thereby controlling the number of rotations of the humidifying pure water pump 15 to determine the amount of pure water that passes through the fuel cell stack 1. Control.

更に、この燃料電池システムは、燃料電池スタック１を構成する各セルが発電するセル電圧を検出するセル電圧センサ１７、燃料電池スタック１と負荷装置２とを接続する電力供給ラインに設けられたスタック電流センサ１８及びスタック電圧センサ１９を備える。これら各センサ１７〜１９により検出された値は、センサ信号としてコントローラ２０に読み込まれる。   Further, the fuel cell system includes a cell voltage sensor 17 that detects a cell voltage generated by each cell constituting the fuel cell stack 1, and a stack provided in a power supply line that connects the fuel cell stack 1 and the load device 2. A current sensor 18 and a stack voltage sensor 19 are provided. Values detected by these sensors 17 to 19 are read into the controller 20 as sensor signals.

コントローラ２０は、燃料電池スタック１の発電や負荷装置２の動作を制御したり、後述の水素利用率低下制御処理を実行するためのプログラムがＲＯＭ（Read Only Memory）等に記憶され、当該ＲＯＭに記憶されたプログラムをＣＰＵ（Central Processing Unit）により実行することで、上述の各部を制御する。   The controller 20 stores a program for controlling the power generation of the fuel cell stack 1 and the operation of the load device 2 and executing a hydrogen utilization rate lowering control process described later in a ROM (Read Only Memory) or the like. By executing the stored program by a CPU (Central Processing Unit), each unit described above is controlled.

このコントローラ２０は、例えば外部から駆動モータを駆動させるトルク発生要求を入力すると、当該トルク発生要求を満たすために必要な発電量を発電させるように上述の水素循環系、空気供給系、冷却媒体循環系及び加湿用純水循環系を制御する。また、このコントローラ２０は、燃料電池スタック１にて発電した発電電力を負荷装置２に供給して、駆動モータを動作させるように負荷装置２を制御する。このとき、コントローラ２０では、スタック電流センサ１８及びスタック電圧センサ１９からのセンサ信号を取り込み、トルク発生要求に従った負荷電流を取り出すようにインバータを制御する負荷制御信号を負荷装置２に供給する。   When the controller 20 receives a torque generation request for driving the drive motor from the outside, for example, the above-described hydrogen circulation system, air supply system, and cooling medium circulation so as to generate a power generation amount necessary to satisfy the torque generation request. System and humidified pure water circulation system are controlled. Further, the controller 20 supplies the generated power generated by the fuel cell stack 1 to the load device 2 and controls the load device 2 to operate the drive motor. At this time, the controller 20 takes in sensor signals from the stack current sensor 18 and the stack voltage sensor 19 and supplies a load control signal for controlling the inverter to the load device 2 so as to take out a load current according to the torque generation request.

更に、このコントローラ２０では、燃料電池スタック１内の触媒電極の劣化を抑制するために、トルク発生要求に応じた発電量を発電させるための水素量に対して燃料電池スタック１内の水素量が不足していることを検出し、当該水素不足を解消する処理を行う。すなわち、コントローラ２０では、燃料電池スタック１の水素極内に多量の水素ガスを供給して、水素極に供給する水素量に対する発電反応に使用される水素量の割合を少なくして、燃料電池スタック１での水素利用率を低下させる水素利用率制御処理を行う。   Further, in this controller 20, in order to suppress deterioration of the catalyst electrode in the fuel cell stack 1, the amount of hydrogen in the fuel cell stack 1 relative to the amount of hydrogen for generating the amount of power generated according to the torque generation request is A shortage is detected and a process for eliminating the shortage of hydrogen is performed. That is, the controller 20 supplies a large amount of hydrogen gas into the hydrogen electrode of the fuel cell stack 1 to reduce the ratio of the amount of hydrogen used for the power generation reaction to the amount of hydrogen supplied to the hydrogen electrode. Hydrogen utilization rate control processing for reducing the hydrogen utilization rate at 1 is performed.

［水素利用率低下制御処理］
つぎに、上述したように構成された燃料電池システムにおいて、コントローラ２０による水素利用率低下制御処理の処理手順について図２のフローチャートを参照して説明する。 [Hydrogen utilization rate reduction control process]
Next, in the fuel cell system configured as described above, the processing procedure of the hydrogen utilization rate lowering control process by the controller 20 will be described with reference to the flowchart of FIG.

この水素利用率低下制御処理は、燃料電池スタック１で発電を行わせているときであって、例えば外部から要求されるトルク発生量が増加して負荷装置２により取り出す負荷電力を増加させる場合、すなわち負荷装置２により取り込む負荷電流を増加させることにより負荷電圧が低下する場合にステップＳ１以降の処理が開始される。   This hydrogen utilization rate lowering control process is when power generation is performed in the fuel cell stack 1, for example, when the amount of torque generation required from the outside increases and the load power taken out by the load device 2 is increased. That is, when the load voltage decreases by increasing the load current taken in by the load device 2, the processing after step S1 is started.

先ずステップＳ１においては、コントローラ２０により、負荷装置２が燃料電池スタック１から取り出す負荷電流の取り出しタイミング（負荷取り出し応答）を決定する。ここで、要求されるトルク発生量が増加すると、燃料電池スタック１に供給する空気量及び水素ガス量を増加させる必要があるが、空気供給タイミングより負荷電流の取り出しタイミングが早いと過渡的に空気不足を起こして発電電圧が低下しすぎる可能性があり、逆に空気供給タイミングより負荷電流の取り出しタイミングが遅いと目標とする発電量を満たすことができない時間が長くなり、図示しないバッテリなどの２次電池からの持ち出し電力が多くなる。   First, in step S1, the controller 20 determines the load current extraction timing (load extraction response) that the load device 2 extracts from the fuel cell stack 1. Here, if the required amount of torque generation increases, it is necessary to increase the amount of air and hydrogen gas supplied to the fuel cell stack 1, but if the load current extraction timing is earlier than the air supply timing, the air flow is transiently increased. If the load current extraction timing is later than the air supply timing, the time during which the target power generation amount cannot be satisfied becomes longer. The power taken out from the secondary battery increases.

したがって、コントローラ２０では、負荷電流の取り出しタイミングを、空気供給装置９から燃料電池スタック１内に増加分の空気が到達する空気供給タイミングと同じタイミングとすることにより、空気供給応答と同じ応答で負荷電流を取り出すように負荷装置２のインバータを制御する。このとき、コントローラ２０では、空気供給装置９にコンプレッサ制御信号を供給してから実際に燃料電池スタック１内に空気が導入されるまでの時間を示す空気供給応答を予め測定して記憶しておき、当該空気供給応答と同じタイミングとなるように負荷電流の取り出しタイミングを制御する。   Therefore, in the controller 20, the load current is taken out at the same timing as the air supply timing at which the increased amount of air reaches the fuel cell stack 1 from the air supply device 9, so that the load has the same response as the air supply response. The inverter of the load device 2 is controlled so as to extract current. At this time, the controller 20 measures and stores in advance an air supply response indicating the time from when the compressor control signal is supplied to the air supply device 9 until the air is actually introduced into the fuel cell stack 1. The load current extraction timing is controlled so as to be the same timing as the air supply response.

次のステップＳ２においては、コントローラ２０により、負荷装置２に負荷電流が増加して取り込まれることにより、図３に示すように、現在の負荷電圧から、目標とする負荷電圧まで低下する応答を示す軌道（目標電圧低下応答軌道）を作成する。このとき、コントローラ２０は、負荷電流を増加開始した後に、要求されたトルク発生量を発生させる負荷電流を取り出す定常状態となった場合に、当該定常状態の負荷電流となったときの目標とする負荷電圧（目標定常電圧）を推定する。そして、コントローラ２０では、スタック電圧センサ１９からのセンサ信号を読み込むことにより現在の負荷電圧を取得し、当該現在の負荷電圧から目標定常電圧となるまでの軌道を所定の時定数を使用することにより演算して、目標電圧低下応答軌道を作成する。   In the next step S2, the controller 20 shows a response that decreases from the current load voltage to the target load voltage, as shown in FIG. 3, as the load current is increased and taken into the load device 2. Create a trajectory (target voltage drop response trajectory). At this time, when the controller 20 starts to increase the load current and then enters the steady state in which the load current that generates the requested torque generation amount is obtained, the controller 20 sets the target when the load current in the steady state is reached. Estimate the load voltage (target steady voltage). Then, the controller 20 acquires the current load voltage by reading the sensor signal from the stack voltage sensor 19, and uses a predetermined time constant for the trajectory from the current load voltage to the target steady voltage. Calculate the target voltage drop response trajectory.

次のステップＳ３においては、コントローラ２０により、ステップＳ１にて負荷電流を増加させたことによって負荷電圧が低下したことにより、スタック電圧センサ１９により検出した負荷電圧（実負荷電圧）と、ステップＳ２にて作成した目標電圧低下応答軌道との偏差を計算して、当該偏差が所定値を越えたか否かを判定する。このとき、コントローラ２０では、スタック電圧センサ１９により検出する実負荷電圧の計測開始時間がｔ１以降に設定されている。   In the next step S3, the controller 20 increases the load current in step S1 and decreases the load voltage, so that the load voltage (actual load voltage) detected by the stack voltage sensor 19 and the step S2 The deviation from the target voltage drop response trajectory created in the above is calculated, and it is determined whether or not the deviation exceeds a predetermined value. At this time, in the controller 20, the measurement start time of the actual load voltage detected by the stack voltage sensor 19 is set after t1.

ここで、燃料電池スタック１内で水素不足が発生している場合には、図３に示すように、目標電圧低下応答軌道よりも実負荷電圧が低下する速度が遅く、偏差が増加する。したがって、コントローラ２０では、偏差が所定値を越えたと判定した場合にはステップＳ６に処理を進めて水素不足を解消する処理に移行し、偏差が所定値を越えていないと判定した場合にはステップＳ４に処理を進める。   Here, when hydrogen shortage occurs in the fuel cell stack 1, as shown in FIG. 3, the rate at which the actual load voltage decreases is slower than the target voltage decrease response trajectory, and the deviation increases. Therefore, if the controller 20 determines that the deviation exceeds the predetermined value, the process proceeds to step S6 to shift to a process for eliminating the shortage of hydrogen. If the deviation is determined not to exceed the predetermined value, the step is performed. The process proceeds to S4.

ステップＳ４においては、コントローラ２０により、前回の水素利用率低下制御処理において水素不足が検出されて、当該水素不足を解消する処理として負荷装置２により取り出す負荷電流に制限を与えているか否かを判定する。そして、コントローラ２０では、前回の処理にて、取り出す負荷電流に制限を与えていると判定した場合にはステップＳ５に処理を進め、取り出す負荷電流に制限を与えていないと判定した場合には処理を終了する。   In step S4, the controller 20 detects whether or not hydrogen shortage is detected in the previous hydrogen utilization rate lowering control process, and determines whether or not the load current taken out by the load device 2 is limited as a process for eliminating the hydrogen shortage. To do. If the controller 20 determines in the previous process that the load current to be extracted is limited, the controller 20 proceeds to step S5. If it is determined that the load current to be extracted is not limited, the controller 20 performs the process. Exit.

ステップＳ５においては、コントローラ２０により、ステップＳ３にて水素不足が発生していないことを判定したことに応じて、水素不足を解消するための負荷電流の取り出し制限を解除する負荷制御信号を負荷装置２に供給して、処理を終了する。これにより、燃料電池システムでは、水素不足を解消するための制御から、要求されたトルク発生量に応じた負荷電流を負荷装置２により取り出す制御に戻す。   In step S5, when the controller 20 determines that no hydrogen shortage has occurred in step S3, a load control signal for canceling the load current extraction limit for eliminating the hydrogen shortage is sent to the load device. 2 to finish the process. As a result, the fuel cell system returns from the control for eliminating the shortage of hydrogen to the control for taking out the load current corresponding to the requested torque generation amount by the load device 2.

一方、ステップＳ３にて水素不足が発生していると判定した後のステップＳ６〜ステップＳ８においては、コントローラ２０により、燃料電池スタック１の水素極での水素濃度を増加させて、供給した水素量に対する発電に利用する水素量の割合（水素利用率）を低下させる処理を行う。   On the other hand, in steps S6 to S8 after determining that hydrogen shortage has occurred in step S3, the controller 20 increases the hydrogen concentration at the hydrogen electrode of the fuel cell stack 1 and supplies the amount of hydrogen supplied. To reduce the proportion of hydrogen used for power generation (hydrogen utilization).

ステップＳ６においては、コントローラ２０により、水素循環ポンプ６の回転数を増加させる補正処理、水素圧力調整弁４の開度を大きくして水素供給量を増加させる補正処理、燃料電池スタック１の水素極の水素圧力を増加させる補正処理、燃料電池スタック１から取り出す負荷電流を制限する処理、パージ弁７の開度を大きくして水素極を通過する水素量を増加させる処理のうち、何れかの処理を行う。   In step S6, the controller 20 performs a correction process for increasing the number of revolutions of the hydrogen circulation pump 6, a correction process for increasing the hydrogen supply amount by increasing the opening of the hydrogen pressure regulating valve 4, and the hydrogen electrode of the fuel cell stack 1. Any of a correction process for increasing the hydrogen pressure of the battery, a process for limiting the load current taken out from the fuel cell stack 1, and a process for increasing the amount of hydrogen passing through the hydrogen electrode by increasing the opening of the purge valve 7 I do.

本例においては、コントローラ２０は、短時間で水素利用率を低下させるために、水素循環ポンプ６の回転数を増加させる処理及び水素圧力調整弁４の開度を大きくして水素供給量を増加させる補正処理を行うことにより水素極での水素濃度を増加させ、更に、燃料電池スタック１から取り出す負荷電流を制限する処理を行うことにより、水素極で発電に使用される水素量の割合を低減する。これにより、コントローラ２０では、水素極での水素濃度が増加する効果と、水素極での水素消費量が低減する効果との相乗効果により水素利用率を低下させる。   In this example, the controller 20 increases the supply amount of hydrogen by increasing the opening of the hydrogen pressure regulating valve 4 and the process of increasing the rotation speed of the hydrogen circulation pump 6 in order to reduce the hydrogen utilization rate in a short time. The hydrogen concentration at the hydrogen electrode is increased by performing the correction process, and the ratio of the amount of hydrogen used for power generation at the hydrogen electrode is reduced by performing the process of limiting the load current extracted from the fuel cell stack 1 To do. As a result, the controller 20 reduces the hydrogen utilization rate by a synergistic effect of the effect of increasing the hydrogen concentration at the hydrogen electrode and the effect of reducing the hydrogen consumption at the hydrogen electrode.

また、コントローラ２０では、水素極での水素供給量を短時間にて増加させるために、水素圧力調整弁４の開度を大きくすると同時に、パージ弁７の開度を増加させることにより、燃料電池スタック１の水素入口と水素出口との圧力差を拡大させて、一気に水素極を通過する水素量を増加させても良い。   Further, in the controller 20, in order to increase the hydrogen supply amount at the hydrogen electrode in a short time, the opening degree of the hydrogen pressure adjustment valve 4 is increased, and at the same time, the opening degree of the purge valve 7 is increased to thereby increase the fuel cell. The amount of hydrogen passing through the hydrogen electrode may be increased at once by increasing the pressure difference between the hydrogen inlet and the hydrogen outlet of the stack 1.

次のステップＳ７においては、コントローラ２０により、燃料電池スタック１の空気極に供給する空気量を、空気極でのガス圧力と水素極でのガス圧力との差圧があまり大きくならない範囲内で、所定量だけ低減するように空気供給装置９を制御する。これにより、コントローラ２０では、空気極から水素極にクロスオーバする窒素量及び酸素量を抑制して、水素極での水素濃度が希釈されることを抑制して、水素利用率の上昇を抑制する。   In the next step S7, the amount of air supplied to the air electrode of the fuel cell stack 1 by the controller 20 is within a range where the differential pressure between the gas pressure at the air electrode and the gas pressure at the hydrogen electrode does not become so large. The air supply device 9 is controlled so as to be reduced by a predetermined amount. As a result, the controller 20 suppresses the amount of nitrogen and oxygen that crossover from the air electrode to the hydrogen electrode, suppresses the dilution of the hydrogen concentration at the hydrogen electrode, and suppresses an increase in the hydrogen utilization rate. .

次のステップＳ８においては、コントローラ２０により、固体高分子電解質膜の加湿量を低減させる。これにより、コントローラ２０では、固体高分子電解質膜に含まれる純水量を低減し、純水に溶けて空気極から水素極にクロスオーバする窒素量及び酸素量を抑制すると共に、純水に溶けて水素極から空気極にクロスオーバする水素量を抑制して、水素極の水素濃度が希釈されて、水素利用率が上昇することを抑制する。   In the next step S8, the controller 20 reduces the humidification amount of the solid polymer electrolyte membrane. As a result, the controller 20 reduces the amount of pure water contained in the solid polymer electrolyte membrane, suppresses the amount of nitrogen and oxygen that are dissolved in pure water and crossover from the air electrode to the hydrogen electrode, and dissolves in pure water. The amount of hydrogen that crosses over from the hydrogen electrode to the air electrode is suppressed, and the hydrogen concentration at the hydrogen electrode is diluted and the hydrogen utilization rate is prevented from increasing.

このとき、コントローラ２０では、冷却媒体の温度又は流量を制御して、燃料電池スタック１の動作温度を、予め設定しておいた所定量ΔＴ１だけ高くする。具体的には、コントローラ２０は、冷却媒体をラジエータ１３にて熱交換させるラジエータファン１４の回転数を低下させる処理、加湿用純水流量を予め設定しておいた所定量ΔＦ１だけ減らすように加湿用純水ポンプ１５の回転数を低下させる処理を行う。   At this time, the controller 20 controls the temperature or flow rate of the cooling medium to raise the operating temperature of the fuel cell stack 1 by a predetermined amount ΔT1. Specifically, the controller 20 performs a process of reducing the number of revolutions of the radiator fan 14 that exchanges heat between the cooling medium and the radiator 13, and humidifies the humidified pure water flow rate so as to decrease by a predetermined amount ΔF1. The process which reduces the rotation speed of the pure water pump 15 for water is performed.

次のステップＳ９においては、コントローラ２０により、ステップＳ６にて水素利用率を低下させた結果、当該水素利用率を低下させる処理すなわち制御量が、限界に達していないか否かを判定する。すなわち、コントローラ２０では、水素循環ポンプ６の回転数が限界値に達したか否か、水素圧力調整弁４の開度が限界値に達したか否か、燃料電池スタック１の水素極の水素圧力が限界値に達したか否か、燃料電池スタック１から取り出す負荷電流の低下幅が限界値に達したか否かを判定して、何れかが限界値に達している場合には、ステップＳ１０に処理を進める。   In the next step S9, the controller 20 determines whether or not the process for reducing the hydrogen utilization rate, that is, the control amount, has reached the limit as a result of the decrease in the hydrogen utilization rate in step S6. That is, the controller 20 determines whether or not the rotation speed of the hydrogen circulation pump 6 has reached a limit value, whether or not the opening of the hydrogen pressure regulating valve 4 has reached a limit value, and hydrogen at the hydrogen electrode of the fuel cell stack 1. It is determined whether or not the pressure has reached a limit value, and whether or not the reduction amount of the load current taken out from the fuel cell stack 1 has reached the limit value. The process proceeds to S10.

また、コントローラ２０では、ステップＳ６では水素ストイキ比を上昇させる処理を行っているが、ステップＳ９において、水素ストイキ比が予め設定しておいた限界値に達したか否かを判定して、水素利用率を低下させる処理が、処理限界に達していないか否かを判定しても良い。   The controller 20 performs a process for increasing the hydrogen stoichiometric ratio in step S6. In step S9, the controller 20 determines whether or not the hydrogen stoichiometric ratio has reached a preset limit value. You may determine whether the process which reduces a utilization rate has reached the process limit.

そして、ステップＳ１０においては、コントローラ２０により、ステップＳ９おいて水素利用率を低下させる処理が処理限界に達した場合であっても水素不足が解消されないと判定して、電極触媒に劣化が発生していることを提示する異常劣化警報を行う。具体的には、コントローラ２０は、図示しないインジケータ等の表示機構を動作させることにより、異常劣化警報を行う。   In step S10, the controller 20 determines that the shortage of hydrogen is not eliminated even when the process of reducing the hydrogen utilization rate in step S9 reaches the processing limit, and the electrode catalyst deteriorates. An abnormal deterioration warning is given to indicate that the Specifically, the controller 20 performs an abnormal deterioration alarm by operating a display mechanism such as an indicator (not shown).

また、この水素利用率低下制御処理においては、ステップＳ１において空気供給応答と負荷電流の取り出し応答とを略同タイミングとする制御を行ったが、このような制御を行わずにステップＳ１にて負荷電流の取り出しを開始した場合には、図４に示すような処理を行う。この図４に示す水素利用率低下制御処理では、トルク発生要求が発生してからできるだけ短時間で要求されたトルクを発生させるために、空気供給応答よりも早く負荷電流を取り出す場合である。   In this hydrogen utilization rate lowering control process, the air supply response and the load current extraction response are controlled at substantially the same timing in step S1, but the load is not detected in step S1. When the extraction of current is started, the processing as shown in FIG. 4 is performed. In the hydrogen utilization rate lowering control process shown in FIG. 4, the load current is taken out earlier than the air supply response in order to generate the requested torque in as short a time as possible after the torque generation request is generated.

このような水素利用率低下制御処理では、ステップＳ２にて目標電圧低下応答軌道を作成するに際して、現在の負荷電圧から発電電圧定常値となるまでの最低値である過渡最低値を演算する。   In such a hydrogen utilization rate lowering control process, when the target voltage lowering response trajectory is created in step S2, a transient minimum value that is the lowest value from the current load voltage to the power generation voltage steady value is calculated.

すなわち、要求されるトルクを発生させるための発電量に応じた空気が燃料電池スタック１の空気極に供給される前に、要求されるトルクを発生させるための負荷電流を取り出した場合には空気極内の酸素量が不足し、図５に示すように、時刻ｔ２にて発電電圧定常値よりも低い発電電圧（過渡最低値）となる。これは、要求されるトルクを発生させるための電力を取り出すためには過剰な負荷電流を取り出す必要があることによる。   That is, if the load current for generating the required torque is taken out before the air corresponding to the amount of power generation for generating the required torque is supplied to the air electrode of the fuel cell stack 1, the air is extracted. As shown in FIG. 5, the amount of oxygen in the pole becomes insufficient, and at time t2, the generated voltage (transient minimum value) is lower than the generated voltage steady value. This is because it is necessary to extract an excessive load current in order to extract electric power for generating the required torque.

そして、このステップＳ２において、コントローラ２０では、現在の負荷電圧から過渡最低値となるまでの目標電圧低下応答軌道を所定の時定数を用いて演算し、過渡最低値から時刻ｔ３にて発電電圧定常値となるまでの目標電圧低下応答軌道を所定の時定数を用いて演算する。   In step S2, the controller 20 calculates a target voltage drop response trajectory from the current load voltage until the transient minimum value is reached using a predetermined time constant. The target voltage drop response trajectory until the value is reached is calculated using a predetermined time constant.

次のステップＳ１１〜ステップＳ１３は、空気不足が影響したときの発電電圧の低下が発生すると、水素不足に起因して発電電圧の低下が遅くなることが明確にならないため、目標電圧低下応答軌道と、実際の発電電圧との偏差を求める時刻を調整する。   In the next Steps S11 to S13, it is not clear that if the power generation voltage decreases when the air shortage affects, it is not clear that the power generation voltage decrease slows due to the hydrogen shortage. The time for obtaining the deviation from the actual generated voltage is adjusted.

ステップＳ１１においては、コントローラ２０により、ステップＳ２にて求めた過渡最低値が発電電圧定常値よりも小さいか否かを判定し、過渡最低値が発電電圧定常値よりも小さいと判定した場合、すなわち空気不足が発生している場合にはステップＳ１２に処理を進め、過渡最低値が発電電圧定常値よりも小さくないと判定した場合、すなわち空気不足が発生していない場合にはステップＳ１３に処理を進める。   In step S11, the controller 20 determines whether or not the transient minimum value obtained in step S2 is smaller than the power generation voltage steady value, and if it is determined that the transient minimum value is smaller than the power generation voltage steady value, that is, If air shortage has occurred, the process proceeds to step S12. If it is determined that the transient minimum value is not smaller than the power generation voltage steady value, that is, if air shortage has not occurred, the process proceeds to step S13. Proceed.

ステップＳ１２においては、コントローラ２０により、過渡最低値から発電電圧定常値となるまでの目標電圧低下応答軌道を用いて後のステップＳ３での処理に使用するために、図５に示すような過渡最低値から発電電圧定常値となるまでの時間である第１所定時間を電圧計測開始時間とする。これにより、コントローラ２０では、第１所定時間（時刻ｔ２〜時刻ｔ４）においてスタック電圧センサ１９により検出した実負荷電圧をステップＳ３での処理に使用することを設定する。   In step S12, the controller 20 uses the target voltage drop response trajectory from the transient minimum value to the power generation voltage steady value to be used for the subsequent processing in step S3. The first predetermined time, which is the time from the value to the steady value of the generated voltage, is set as the voltage measurement start time. Thereby, the controller 20 sets that the actual load voltage detected by the stack voltage sensor 19 in the first predetermined time (time t2 to time t4) is used for the processing in step S3.

一方、ステップＳ１３においては、コントローラ２０により、ステップＳ１１の判定により空気不足が発生しておらず図３に示すような目標電圧低下応答軌道を用いてステップＳ３の処理を行うために、第１所定時間よりも早い第２所定時間（時刻ｔ１）を電圧計測開始時間とする。これにより、コントローラ２０では、第２所定時間においてスタック電圧センサ１９により検出した実負荷電圧をステップＳ３での処理に使用すると設定する。   On the other hand, in step S13, the controller 20 performs the process in step S3 using the target voltage drop response trajectory as shown in FIG. 3 without air shortage due to the determination in step S11. A second predetermined time (time t1) earlier than the time is set as the voltage measurement start time. Thereby, the controller 20 sets that the actual load voltage detected by the stack voltage sensor 19 in the second predetermined time is used for the processing in step S3.

そして、ステップＳ３においては、ステップＳ１２又はステップＳ１３において設定された目標電圧低下応答軌道及び電圧計測開始時間に従って、目標電圧低下応答軌道とスタック電圧センサ１９にて検出した実負荷電圧との偏差を求める処理を行って、以降の処理を行う。   In step S3, the deviation between the target voltage drop response trajectory and the actual load voltage detected by the stack voltage sensor 19 is obtained according to the target voltage drop response trajectory and the voltage measurement start time set in step S12 or step S13. Processing is performed, and subsequent processing is performed.

［第１実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本発明を適用した燃料電池システムによれば、負荷装置２により取り出す負荷電流が増加した時の実負荷電圧に基づいて水素不足が発生しているか否かを検出して、水素不足が発生していると判定した場合には、水素利用率を低下させて水素不足を解消することができ、水素不足に起因する燃料電池スタック１の触媒劣化を防止することができる。 [Effect of the first embodiment]
As described above in detail, according to the fuel cell system to which the present invention is applied, it is detected whether hydrogen shortage has occurred based on the actual load voltage when the load current taken out by the load device 2 increases. When it is determined that hydrogen shortage has occurred, the hydrogen utilization rate can be reduced to eliminate the hydrogen shortage, and catalyst deterioration of the fuel cell stack 1 due to the hydrogen shortage can be prevented. .

また、この燃料電池システムによれば、セル電圧によって水素不足を検出すること無く、随時発生する負荷電流が増加した場合の実負荷電圧に基づいて水素不足を検出することができ、燃料電池スタック１内の水素不足を短期間で検出して水素不足を解消させることができ、燃料電池スタック１の触媒劣化を確実に防止することができる。   Further, according to this fuel cell system, it is possible to detect the shortage of hydrogen based on the actual load voltage when the load current generated at any time increases without detecting the shortage of hydrogen by the cell voltage. The shortage of hydrogen can be detected in a short period of time and the shortage of hydrogen can be eliminated, and the catalyst deterioration of the fuel cell stack 1 can be reliably prevented.

更に、この燃料電池システムによれば、水素不足を検出するに際して、目標電圧低下応答軌道を作成し、スタック電圧センサ１９により検出した実負荷電圧が目標電圧低下応答軌道よりも遅い場合に、水素不足が発生していることを検出するので、水素不足を短時間で検出して触媒劣化期間を短縮することができる。すなわち、この燃料電池システムによれば、水素不足が発生している場合には、実負荷電圧の低下が遅くなるため実負荷電圧の異常低下のみで水素不足を判断するようにすると水素不足の検出が遅くなって触媒劣化時間が長くなることを防止することができる。   Further, according to this fuel cell system, when detecting a shortage of hydrogen, a target voltage drop response trajectory is created, and when the actual load voltage detected by the stack voltage sensor 19 is slower than the target voltage drop response trajectory, the hydrogen shortage Therefore, it is possible to detect a shortage of hydrogen in a short time and shorten the catalyst deterioration period. That is, according to this fuel cell system, when the hydrogen shortage occurs, the decrease in the actual load voltage is delayed. Therefore, if the hydrogen shortage is determined only by the abnormal decrease in the actual load voltage, the hydrogen shortage is detected. It is possible to prevent the catalyst from deteriorating and the catalyst deterioration time from becoming longer.

更にまた、この燃料電池システムによれば、実負荷電圧の実軌道と、目標電圧低下応答軌道との偏差を検出し、当該偏差が所定値よりも大きい場合に水素不足が発生していることを検出するので、水素不足による燃料電池スタック１の触媒に劣化が発生していることを確実に検出することができる。   Furthermore, according to this fuel cell system, the deviation between the actual trajectory of the actual load voltage and the target voltage drop response trajectory is detected, and when the deviation is larger than a predetermined value, it is confirmed that hydrogen shortage has occurred. Since it detects, it can detect reliably that degradation has generate | occur | produced in the catalyst of the fuel cell stack 1 by hydrogen shortage.

更にまた、この燃料電池システムによれば、負荷装置２に取り込まれる電力が増加して定常状態になった後の発電電圧定常値を推定し、負荷装置２に取り込まれる電力が増加開始した時の実負荷電圧と、発電電圧定常値との間の目標発電電圧を所定の時定数により演算して、目標電圧低下応答軌道を作成するので、発電電圧定常値となるまでの間に燃料電池スタック１の水素不足を検出することができ、短時間で水素不足を検出することができる。   Furthermore, according to this fuel cell system, when the electric power taken into the load device 2 increases and the steady state of the generated voltage after the steady state is estimated, the electric power taken into the load device 2 starts to increase. The target power generation voltage between the actual load voltage and the power generation voltage steady value is calculated with a predetermined time constant to create a target voltage drop response trajectory. Therefore, the fuel cell stack 1 until the power generation voltage steady value is reached. The shortage of hydrogen can be detected, and the shortage of hydrogen can be detected in a short time.

更にまた、この燃料電池システムによれば、発電電圧定常値、過渡最低値を推定し、過渡最低値と発電電圧定常値との間の目標発電電圧を所定の時定数により演算して、目標電圧低下応答軌道を作成するので、過渡的な空気不足による過渡的な電圧低下を考慮した目標電圧低下応答軌道を作成できる。すなわち、負荷電流の取り出しタイミングが空気供給タイミングよりも早い場合には燃料電池スタック１内で過渡的な空気不足を起こして過渡的に電圧低下して、水素不足に起因する電圧変化が不明確になるが、空気不足に起因する過渡的な電圧低下時間経過後から実負荷電圧と目標電圧との偏差を求めることができるので、空気不足による電圧低下と水素不足による電圧低下とを確実に区別して、正確に水素不足を検出することができる。   Furthermore, according to this fuel cell system, the steady value of the generated voltage and the minimum transient value are estimated, the target generated voltage between the transient minimum value and the steady value of the generated voltage is calculated with a predetermined time constant, and the target voltage is calculated. Since the drop response trajectory is created, the target voltage drop response trajectory considering the transient voltage drop due to transient air shortage can be created. That is, when the load current extraction timing is earlier than the air supply timing, a transient air shortage occurs in the fuel cell stack 1 and the voltage drops transiently, and the voltage change due to the hydrogen shortage is unclear. However, since the deviation between the actual load voltage and the target voltage can be obtained after the transient voltage drop time due to air shortage has elapsed, the voltage drop due to air shortage can be reliably distinguished from the voltage drop due to hydrogen shortage. It is possible to accurately detect the shortage of hydrogen.

更にまた、この燃料電池システムによれば、水素利用率を低下させるために、空気圧力調整弁１０の開度を大きくする制御、空気供給装置９から燃料電池スタック１に供給する水素量を増加させる制御、燃料電池スタック１の水素出口から排出された水素を再度水素入口に循環させる流量を増加させる制御、燃料電池スタック１の水素圧力を上昇させる制御、負荷装置２により取り込まれる電力を制限する制御のうち、何れかの制御を行うので、燃料電池スタック１内での水素量を増加させて、発電に利用する水素量を低減させて水素不足を解消し、触媒劣化を防止することができる。   Furthermore, according to this fuel cell system, in order to reduce the hydrogen utilization rate, the control for increasing the opening of the air pressure regulating valve 10 and the amount of hydrogen supplied from the air supply device 9 to the fuel cell stack 1 are increased. Control, control for increasing the flow rate of circulating hydrogen discharged from the hydrogen outlet of the fuel cell stack 1 to the hydrogen inlet again, control for increasing the hydrogen pressure of the fuel cell stack 1, control for limiting the power taken in by the load device 2 Since any one of these controls is performed, the amount of hydrogen in the fuel cell stack 1 is increased, the amount of hydrogen used for power generation is reduced, hydrogen shortage is eliminated, and catalyst deterioration can be prevented.

更にまた、この燃料電池システムによれば、水素利用率を低下させるために、燃料電池スタック１に供給する空気流量を低減させる制御を行うので、空気極から水素極にクロスオーバする窒素及び酸素量を低減させることができ、水素極の水素濃度の低下を抑制することにより、更に効率的に水素不足を解消して触媒劣化を抑制することができる。   Furthermore, according to this fuel cell system, since the flow rate of air supplied to the fuel cell stack 1 is controlled in order to reduce the hydrogen utilization rate, the amount of nitrogen and oxygen that crossover from the air electrode to the hydrogen electrode is controlled. By suppressing the decrease in the hydrogen concentration of the hydrogen electrode, it is possible to more efficiently resolve the shortage of hydrogen and suppress catalyst deterioration.

更にまた、この燃料電池システムによれば、水素利用率を低下させるために、燃料電池スタック１の加湿量を低減させる制御、又は燃料電池スタック１の温度を上昇させる制御を行うので、固体高分子電解質膜の水分に水素が溶け込んで空気極にクロスオーバする量を低減すると共に、固体高分子電解質膜の水分に酸素及び窒素が水素に溶け込んで水素極にクロスオーバする量を低減することができる。したがって、この燃料電池システムによれば、水素極の水素濃度の低下を抑制することにより、更に効率的に水素不足を解消して触媒劣化を抑制することができる。   Furthermore, according to this fuel cell system, in order to reduce the hydrogen utilization rate, the control for reducing the humidification amount of the fuel cell stack 1 or the control for increasing the temperature of the fuel cell stack 1 is performed. The amount of hydrogen dissolved in the moisture of the electrolyte membrane and crossover to the air electrode can be reduced, and the amount of oxygen and nitrogen dissolved in the moisture of the solid polymer electrolyte membrane and crossover to the hydrogen electrode can be reduced. . Therefore, according to this fuel cell system, by suppressing the decrease in the hydrogen concentration of the hydrogen electrode, it is possible to more efficiently eliminate the hydrogen shortage and suppress the catalyst deterioration.

更にまた、この燃料電池システムによれば、水素利用率を低下させるために行った何れかの制御が、制御量の限界となった場合に燃料電池スタック１の異常と判定して通知するので、水素不足が効率的に解消できずに、触媒劣化時間が長くなって触媒が異常に劣化していることを通知することができる。   Furthermore, according to this fuel cell system, when any control performed to reduce the hydrogen utilization rate reaches the limit of the control amount, it is determined that the fuel cell stack 1 is abnormal and notified. It can be notified that the shortage of hydrogen cannot be solved efficiently and the catalyst deterioration time is prolonged and the catalyst is abnormally deteriorated.

［第２実施形態］
つぎに、第２実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の第１実施形態と同様の部分については同一符号、同一ステップ番号を付することによりその詳細な説明を省略する。 [Second Embodiment]
Next, a fuel cell system according to a second embodiment will be described. In addition, about the part similar to the above-mentioned 1st Embodiment, the detailed description is abbreviate | omitted by attaching | subjecting the same code | symbol and the same step number.

第２実施形態に係る燃料電池システムは、図６に示すように、燃料電池スタック１と空気圧力調整弁１０との間の空気供給流路Ｌ４に排空気用ＣＯ２（二酸化炭素）濃度センサ３１を設け、燃料電池スタック１とパージ弁７との間の水素排出経路Ｌ３に排水素用ＣＯ２濃度センサ３２を備えた点で、第１実施形態に係る燃料電池システムとは異なる。 As shown in FIG. 6, the fuel cell system according to the second embodiment includes a CO 2 (carbon dioxide) concentration sensor 31 for exhaust air in an air supply flow path L4 between the fuel cell stack 1 and the air pressure adjustment valve 10. Is different from the fuel cell system according to the first embodiment in that a hydrogen discharge CO 2 concentration sensor 32 is provided in the hydrogen discharge path L3 between the fuel cell stack 1 and the purge valve 7.

このような燃料電池システムでは、負荷装置２により取り出される負荷電流が増加した場合に、コントローラ２０により、排空気用ＣＯ２濃度センサ３１及び排水素用ＣＯ２濃度センサ３２のうち、少なくとも何れかのセンサ信号を入力して、燃料電池スタック１の水素極内の水素が不足していることを検出する。 In such a fuel cell system, when the load current taken out by the load device 2 increases, at least one of the exhaust air CO 2 concentration sensor 31 and the exhaust hydrogen CO 2 concentration sensor 32 is detected by the controller 20. A sensor signal is input to detect that the hydrogen in the hydrogen electrode of the fuel cell stack 1 is insufficient.

すなわち、燃料電池システムでは、図７に水素利用率低下制御処理のフローチャートを示すように、目標電圧低下応答軌道を作成した後のステップＳ２１において、コントローラ２０により、排水素用ＣＯ２濃度センサ３２により検出しているセンサ信号を読み込む。そして、コントローラ２０では、排水素中のＣＯ２濃度が予め設定した第１所定値以下か否かを判定する。 That is, in the fuel cell system, as shown in the flowchart of the hydrogen utilization rate lowering control process in FIG. 7, in step S21 after creating the target voltage lowering response trajectory, the controller 20 uses the exhaust hydrogen CO 2 concentration sensor 32. Read the detected sensor signal. Then, the controller 20 determines whether or not the CO 2 concentration in the exhaust hydrogen is equal to or less than a first predetermined value set in advance.

ここで、水素極内で水素不足が発生しているときには、触媒を担持しているカーボンサポートのカーボンと水とが反応して劣化が起こり、当該劣化反応によりＣＯ２が発生する。したがって、燃料電池システムでは、水素不足を検出するために燃料電池スタック１から排出される排空気中、排水素中のＣＯ２濃度を検出する。 Here, when hydrogen shortage occurs in the hydrogen electrode, the carbon of the carbon support carrying the catalyst reacts with water to cause deterioration, and CO 2 is generated by the deterioration reaction. Therefore, in the fuel cell system, the CO 2 concentration in the exhausted air and the exhausted hydrogen exhausted from the fuel cell stack 1 is detected in order to detect hydrogen shortage.

また、水素極に水素不足が発生している場合、先ずカソード（空気極）側の触媒が劣化し始め、水素極に達する。したがって、ステップＳ２１において、排水素中のＣＯ２濃度が第１所定値以下である場合にはステップＳ２２に処理を進めるが、排水素中のＣＯ２濃度が第１所定値以下でないことを判定した場合には、空気極での触媒劣化が進行していると判定して、ステップＳ２３に処理を進めて、異常劣化警報を行う。この第１所定値は、空気極の触媒劣化を警報する必要がある時の水素極のＣＯ２濃度が、システム設計時等に予め測定されて設定されている。 Further, when hydrogen shortage occurs at the hydrogen electrode, first, the catalyst on the cathode (air electrode) side starts to deteriorate and reaches the hydrogen electrode. Therefore, in step S21, when the CO 2 concentration in the exhaust hydrogen is equal to or less than the first predetermined value, the process proceeds to step S22, but it is determined that the CO 2 concentration in the exhaust hydrogen is not equal to or less than the first predetermined value. In this case, it is determined that the catalyst deterioration at the air electrode is proceeding, and the process proceeds to step S23 to give an abnormal deterioration alarm. The first predetermined value is set in advance by measuring the CO 2 concentration of the hydrogen electrode when it is necessary to warn the catalyst deterioration of the air electrode at the time of system design or the like.

ステップＳ２２においては、コントローラ２０により、排空気用ＣＯ２濃度センサ３１により検出しているセンサ信号を読み込む。そして、コントローラ２０では、排空気中のＣＯ２濃度が、第１所定値よりも高い第２所定値を越えているか否かを判定する。そして、コントローラ２０では、排空気中のＣＯ２濃度が第２所定値を越えていると判定した場合には水素不足が発生していると判定してステップＳ６以降に処理を進め、排空気中のＣＯ２濃度が第２所定値を越えていないと判定した場合には水素不足が発生していないと判定してステップＳ４以降に処理を進める。ここで、第２所定値は、水素極に水素不足が発生したことにより空気極でＣＯ２が発生して水素不足と判定するＣＯ２濃度が予め設定されている。 In step S22, the controller 20 reads the sensor signal detected by the exhaust air CO 2 concentration sensor 31. Then, the controller 20 determines whether or not the CO 2 concentration in the exhaust air exceeds a second predetermined value that is higher than the first predetermined value. When the controller 20 determines that the CO 2 concentration in the exhaust air exceeds the second predetermined value, the controller 20 determines that a hydrogen shortage has occurred, and proceeds with the process from step S6 onward. If it is determined that the CO 2 concentration does not exceed the second predetermined value, it is determined that hydrogen shortage has not occurred, and the process proceeds to step S4 and subsequent steps. Here, the second predetermined value is set in advance to a CO 2 concentration at which it is determined that hydrogen is insufficient due to generation of CO 2 at the air electrode due to occurrence of hydrogen shortage at the hydrogen electrode.

［第２実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、第２実施形態に係る燃料電池システムによれば、排空気中のＣＯ２濃度、排水素中のＣＯ２濃度の何れかを検出して、水素量が不足していることを検出することができるので、触媒が劣化し始めることを検出することにより水素不足が発生し始めることを検出することにより、更に短時間で水素不足を検出することができる。 [Effects of Second Embodiment]
As described above in detail, the fuel cell system according to the second embodiment detects either the CO 2 concentration in the exhaust air or the CO 2 concentration in the exhaust hydrogen, and the amount of hydrogen is insufficient. Therefore, the shortage of hydrogen can be detected in a shorter time by detecting the start of hydrogen shortage by detecting that the catalyst starts to deteriorate.

また、この燃料電池システムによれば、水素不足により触媒劣化が開始されてＣＯ２が水素極に達した場合には、触媒劣化が進行していると判定して異常劣化警報を行うことができ、短時間で触媒劣化を通知することができる。 Further, according to this fuel cell system, when the catalyst deterioration is started due to a shortage of hydrogen and the CO 2 reaches the hydrogen electrode, it can be determined that the catalyst deterioration has progressed and an abnormal deterioration alarm can be issued. The catalyst deterioration can be notified in a short time.

なお、図７に示した水素利用率低下制御処理では、排空気中のＣＯ２濃度が第２所定値を越えている場合にのみ水素利用率を低下させる処理を行ったが、排水素中のＣＯ２濃度が第１所定値を越えている場合であっても、水素利用率を低下させる処理を行うことにより、触媒劣化の進行を抑制することができる。 In the hydrogen utilization rate lowering control process shown in FIG. 7, the hydrogen utilization rate is reduced only when the CO 2 concentration in the exhaust air exceeds the second predetermined value. Even if the CO 2 concentration exceeds the first predetermined value, the progress of catalyst deterioration can be suppressed by performing the process of reducing the hydrogen utilization rate.

なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。   The above-described embodiment is an example of the present invention. For this reason, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made depending on the design and the like as long as the technical idea according to the present invention is not deviated from this embodiment. Of course, it is possible to change.

本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the fuel cell system which concerns on 1st Embodiment to which this invention is applied. 本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムによる水素利用率低下制御処理の処理手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process sequence of the hydrogen utilization rate fall control process by the fuel cell system which concerns on 1st Embodiment to which this invention is applied. 空気供給タイミングと負荷電流の取り出しタイミングとを略同時としたときの目標電圧低下応答軌道及び水素不足が発生した場合の発電電圧の低下の様子を示す図である。It is a figure which shows the mode of the power generation voltage fall when the target voltage fall response orbit and hydrogen shortage generate | occur | produce when the air supply timing and the taking-out timing of load current are made substantially simultaneous. 本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムによる他の水素利用率低下制御処理の処理手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process sequence of the other hydrogen utilization rate fall control process by the fuel cell system which concerns on 1st Embodiment to which this invention is applied. 空気供給タイミングが負荷電流の取り出しタイミングより遅いときの目標電圧低下応答軌道及び水素不足が発生した場合の発電電圧の低下の様子を示す図である。It is a figure which shows the mode of the fall of the generated voltage when the target voltage fall response orbit when hydrogen supply timing is later than the taking-out timing of load current, and hydrogen shortage generate | occur | produces. 本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the fuel cell system which concerns on 2nd Embodiment to which this invention is applied. 本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムによる水素利用率低下制御処理の処理手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process sequence of the hydrogen utilization rate fall control process by the fuel cell system which concerns on 2nd Embodiment to which this invention is applied.

符号の説明Explanation of symbols

１ 燃料電池スタック
２ 負荷装置
３ 水素タンク
４ 水素圧力調整弁
５，８，１１ アクチュエータ
６ 水素循環ポンプ
７ パージ弁
９ 空気供給装置
１０ 空気圧力調整弁
１２ 冷却媒体ポンプ
１３ ラジエータ
１４ ラジエータファン
１５ 加湿用純水ポンプ
１６ ガスセパレータ
１７ セル電圧センサ
１８ スタック電流センサ
１９ スタック電圧センサ
２０ コントローラ
３１ 排空気用ＣＯ２濃度センサ
３２ 排水素用ＣＯ２濃度センサ
Ｌ１ 水素供給経路
Ｌ２ 水素循環経路
Ｌ３ 水素排出経路
Ｌ４ 空気供給流路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell stack 2 Load apparatus 3 Hydrogen tank 4 Hydrogen pressure adjustment valve 5, 8, 11 Actuator 6 Hydrogen circulation pump 7 Purge valve 9 Air supply apparatus 10 Air pressure adjustment valve 12 Cooling medium pump 13 Radiator 14 Radiator fan 15 Pure for humidification Water pump 16 Gas separator 17 Cell voltage sensor 18 Stack current sensor 19 Stack voltage sensor 20 Controller 31 Exhaust air CO 2 concentration sensor 32 Exhaust hydrogen CO 2 concentration sensor L1 Hydrogen supply path L2 Hydrogen circulation path L3 Hydrogen exhaust path L4 Air supply Flow path

Claims (11)

水素含有ガスに含まれる水素と空気に含まれる酸素とを用いて発電し、発電電力が負荷に取り込まれる燃料電池と、
前記燃料電池に水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給手段と、
前記燃料電池に空気を供給する空気供給手段とを備える燃料電池システムを制御する燃料電池システムの制御装置において、
前記負荷に取り込まれる電力が増加した時の前記燃料電池の発電電圧の変動状態に基づいて、前記燃料電池の水素極内の水素量が不足していること検出する水素量不足検出手段と、
前記水素量不足検出手段により前記燃料電池の水素極内の水素量の不足が検出された場合に、前記燃料電池の水素利用率を低下させる水素利用率低下制御手段と
を備えることを特徴とする燃料電池システムの制御装置。 A fuel cell that generates electricity using hydrogen contained in the hydrogen-containing gas and oxygen contained in the air, and the generated power is taken into the load;
Hydrogen-containing gas supply means for supplying a hydrogen-containing gas to the fuel cell;
A fuel cell system control device for controlling a fuel cell system comprising air supply means for supplying air to the fuel cell;
Based on the fluctuation state of the power generation voltage of the fuel cell when the electric power taken into the load increases, a hydrogen amount shortage detecting means for detecting that the amount of hydrogen in the hydrogen electrode of the fuel cell is short,
And a hydrogen utilization rate lowering control means for reducing the hydrogen utilization rate of the fuel cell when the lack of hydrogen amount in the hydrogen electrode of the fuel cell is detected by the hydrogen amount deficiency detecting means. Control device for fuel cell system. 前記水素量不足検出手段は、
前記負荷に取り込まれる電力が増加したことに応じて低下する前記燃料電池の目標発電電圧の変化を示す目標電圧軌道を演算する目標電圧軌道演算手段を備え、
前記負荷に取り込まれる電力が増加した時の前記燃料電池の発電電圧の変動状態を示す実軌道を検出し、当該検出した発電電圧の実軌道と、前記目標電圧軌道演算手段により演算された目標電圧軌道とを比較し、前記検出した発電電圧の実軌道が前記目標電圧軌道よりも遅い場合に、前記燃料電池の水素極内の水素量が不足していることを検出す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の制御装置。 The hydrogen amount shortage detecting means is
A target voltage trajectory calculating means for calculating a target voltage trajectory that indicates a change in the target power generation voltage of the fuel cell that decreases in response to an increase in power taken into the load;
An actual trajectory indicating a fluctuation state of the generated voltage of the fuel cell when the electric power taken into the load is increased is detected, the actual trajectory of the detected generated voltage, and the target voltage calculated by the target voltage trajectory calculating means A comparison is made with a trajectory, and when the actual trajectory of the detected generated voltage is slower than the target voltage trajectory, it is detected that the amount of hydrogen in the hydrogen electrode of the fuel cell is insufficient. Item 4. A control device for a fuel cell system according to Item 1. 前記水素量不足検出手段は、検出した発電電圧の実軌道と、前記目標電圧軌道演算手段により演算された目標電圧軌道との偏差を検出し、当該偏差が所定値よりも大きい場合に前記燃料電池の水素極内の水素量が不足していることを検出す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の制御装置。   The hydrogen amount shortage detecting means detects a deviation between the detected actual trajectory of the generated voltage and the target voltage trajectory calculated by the target voltage trajectory calculating means, and when the deviation is larger than a predetermined value, the fuel cell 2. The control device for a fuel cell system according to claim 1, wherein a shortage of the amount of hydrogen in the hydrogen electrode is detected. 前記目標電圧軌道演算手段は、前記負荷に取り込まれる電力が増加して定常状態になった後の前記燃料電池の発電電圧定常値を推定し、前記負荷に取り込まれる電力が増加開始した時の前記燃料電池の発電電圧と、前記発電電圧定常値との間の目標発電電圧を所定の時定数により演算して、前記目標電圧軌道を作成することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システムの制御装置。   The target voltage trajectory calculating means estimates the power generation voltage steady value of the fuel cell after the electric power taken into the load increases and enters a steady state, and the electric power taken into the load starts to increase. 4. The target voltage trajectory is created by calculating a target power generation voltage between a power generation voltage of a fuel cell and the power generation voltage steady value with a predetermined time constant. Fuel cell system control device. 前記目標電圧軌道演算手段は、前記負荷に取り込まれる電力が増加して定常状態になった後の前記燃料電池の発電電圧定常値を推定すると共に、前記負荷に取り込まれる電力が増加開始した時の前記燃料電池の発電電圧から前記発電電圧定常値となるまでの前記発電電圧の最低値を推定し、前記発電電圧の最低値と、前記発電電圧定常値との間の目標発電電圧を所定の時定数により演算して、前記目標電圧軌道を作成することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システムの制御装置。   The target voltage trajectory calculation means estimates the power generation voltage steady value of the fuel cell after the power taken into the load increases and enters a steady state, and when the power taken into the load starts to increase. Estimating a minimum value of the generated voltage from the generated voltage of the fuel cell to the steady value of the generated voltage, and setting a target generated voltage between the minimum value of the generated voltage and the steady value of the generated voltage at a predetermined time 4. The fuel cell system control device according to claim 2, wherein the target voltage trajectory is created by calculation using a constant. 前記水素利用率低下制御手段は、前記燃料電池の水素極のガスを放出するパージ弁の開度を大きくする制御、前記水素含有ガス供給手段から前記燃料電池の水素極に供給する水素量を増加させる制御、前記燃料電池の水素極の水素出口から排出された水素を再度水素入口に循環させる流量を増加させる制御、前記燃料電池の水素極内の水素圧力を上昇させる制御、前記負荷により取り込まれる電力を制限する制御のうち、何れかの制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの制御装置。   The hydrogen utilization rate lowering control means increases the amount of hydrogen supplied from the hydrogen-containing gas supply means to the hydrogen electrode of the fuel cell by increasing the opening of a purge valve that discharges the gas of the hydrogen electrode of the fuel cell. Control for increasing the flow rate of the hydrogen discharged from the hydrogen outlet of the hydrogen electrode of the fuel cell to the hydrogen inlet again, control for increasing the hydrogen pressure in the hydrogen electrode of the fuel cell, and being taken in by the load 2. The control apparatus for a fuel cell system according to claim 1, wherein any one of the controls for limiting electric power is performed. 前記水素利用率低下制御手段は、前記空気供給手段により前記燃料電池の空気極に供給する空気流量を低減させる制御を行うことを特徴とする請求項１又は請求項６に記載の燃料電池システムの制御装置。   7. The fuel cell system according to claim 1, wherein the hydrogen utilization rate lowering control unit performs control to reduce a flow rate of air supplied to an air electrode of the fuel cell by the air supply unit. Control device. 前記水素利用率低下制御手段は、前記燃料電池の加湿量を低減させる制御、又は前記燃料電池の温度を上昇させる制御を行うことを特徴とする請求項１又は請求項６に記載の燃料電池システムの制御装置。   7. The fuel cell system according to claim 1, wherein the hydrogen utilization rate lowering control unit performs control to reduce a humidification amount of the fuel cell, or control to increase a temperature of the fuel cell. 8. Control device. 前記水素利用率低下制御手段により行われた何れかの制御の制御量が限界となった場合に、前記燃料電池の異常と判定する異常判定手段を更に備えることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システムの制御装置。   7. The apparatus according to claim 6, further comprising an abnormality determination unit that determines that the fuel cell is abnormal when a control amount of any control performed by the hydrogen utilization rate lowering control unit reaches a limit. Fuel cell system control device. 前記水素量不足検出手段は、前記燃料電池の空気極から排出されるガスの二酸化炭素濃度を検出すると共に、前記燃料電池の水素極から排出されるガスの二酸化炭素濃度を検出し、何れかの二酸化炭素濃度の検出結果に基づいて、前記燃料電池の水素極内の水素量が不足していることを検出す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の制御装置。   The hydrogen amount shortage detecting means detects the carbon dioxide concentration of the gas discharged from the air electrode of the fuel cell, and detects the carbon dioxide concentration of the gas discharged from the hydrogen electrode of the fuel cell, 2. The control device for a fuel cell system according to claim 1, wherein a shortage of the amount of hydrogen in the hydrogen electrode of the fuel cell is detected based on a detection result of the carbon dioxide concentration. 前記水素量不足検出手段により検出された前記燃料電池の水素極から排出されるガスの二酸化炭素濃度が第１所定値より高い場合に、前記燃料電池の異常と判定する異常判定手段を更に備え、
前記水素量不足検出手段は、前記燃料電池の水素極から排出されるガスの二酸化炭素濃度が第１所定値以下であって、前記燃料電池の空気極から排出されるガスの二酸化炭素濃度が前記第１所定値よりも高い第２所定値を越えた場合に、前記燃料電池の水素極内の水素量が不足していることを検出することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システムの制御装置。
An abnormality determining means for determining that the fuel cell is abnormal when the carbon dioxide concentration of the gas discharged from the hydrogen electrode of the fuel cell detected by the hydrogen amount shortage detecting means is higher than a first predetermined value;
The hydrogen amount shortage detecting means is configured such that the carbon dioxide concentration of the gas discharged from the hydrogen electrode of the fuel cell is not more than a first predetermined value, and the carbon dioxide concentration of the gas discharged from the air electrode of the fuel cell is 11. The fuel cell system according to claim 10, wherein when the second predetermined value higher than the first predetermined value is exceeded, it is detected that the amount of hydrogen in the hydrogen electrode of the fuel cell is insufficient. Control device.
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