JP2006156282A - Device for and method of controlling fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a control device and a control method for a fuel cell system capable of extracting an output current as much as possible even when a closing failure of a purge valve is detected. <P>SOLUTION: This control device for a fuel cell system is provided with: a required current amount detection part 17 for detecting an output current amount required for a fuel cell stack 3 for generating power by being supplied with a fuel gas and an oxidizer gas; a reaction gas-supply amount control part 18 for controlling the supply amounts of the fuel gas and the oxidizer gas required for generating the output current detected by the request current amount detection part 17 by the fuel cell stack 3; a purge valve control part 19 for controlling the opening/closing of the purge valve 10 according to the output state of the fuel cell stack 3 by detecting the output state; a closing failure-detection part 20 for detecting the closing failure of the purge valve 10; and a closing failure handling part 21 for controlling the fuel cell stack so as to improve a current-voltage characteristic of the fuel cell stack 3 when the closing failure detection part 20 detects the closing failure of the purge valve 10. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は燃料電池システムの制御装置及び方法に関し、特に、パージ弁の閉故障を検知した時の燃料電池システムの制御技術に関する。   The present invention relates to a control apparatus and method for a fuel cell system, and more particularly to a control technique for a fuel cell system when a closed failure of a purge valve is detected.

ＰＥＭ型燃料電池セルを複数直列に積層してなる燃料電池スタックは、アノード（燃料極）に供給される燃料ガス（水素ガス）と、カソード（酸化剤極）に供給される酸化剤ガス（空気）とを電気化学的に反応させて発電する。発電の際に水が生成されるが、この生成水が水滴となって燃料電池セルの反応ガス（水素ガス及び空気）流路内に滞留すると、反応ガス流路をふさぎ、セル出力電圧の低下を招く。また、生成水が水滴化して反応ガス流路をふさぐと、水溜まり以後に反応ガスが供給されなくなるため、部分的にガス欠が発生し、アノード及びカソードにより挟持された固体高分子電解質膜にダメージを与えて、性能低下を生ずる。また、アノードに、カソードから窒素などが透過し、アノード内の水素濃度を下げ、セル出力電圧の低下を招く。   A fuel cell stack formed by stacking a plurality of PEM type fuel cells in series includes a fuel gas (hydrogen gas) supplied to an anode (fuel electrode) and an oxidant gas (air) supplied to a cathode (oxidant electrode). ) And electrochemically react to generate electricity. Water is generated during power generation. If this generated water becomes droplets and stays in the reaction gas (hydrogen gas and air) flow path of the fuel cell, the reaction gas flow path is blocked and the cell output voltage is lowered. Invite. In addition, if the generated water drops into water and blocks the reaction gas flow path, the reaction gas is not supplied after the water pools, so a partial gas shortage occurs and damages the solid polymer electrolyte membrane sandwiched between the anode and the cathode. Resulting in performance degradation. In addition, nitrogen or the like permeates from the cathode to the anode, lowering the hydrogen concentration in the anode, leading to a decrease in cell output voltage.

この現象は、フラッディングと称され、これを防止又は解消するために、燃料電池スタックが一定電力量又は一定の時間発電した時、或いはセル電圧が規定の電圧以下に低下した時に、生成水を外部に排出する。生成水及び窒素を装置外部に排出するために、加圧水素循環型の燃料電池システムのアノードガス循環路には水素パージ弁が設けられており、この水素パージ弁を開くことにより生成水及び窒素をアノードガス循環路から外部に排出する。   This phenomenon is called flooding. To prevent or eliminate this phenomenon, when the fuel cell stack generates power for a certain amount of time or for a certain period of time, or when the cell voltage falls below a specified voltage, To discharge. In order to discharge the generated water and nitrogen to the outside of the apparatus, a hydrogen purge valve is provided in the anode gas circulation path of the pressurized hydrogen circulation type fuel cell system, and the generated water and nitrogen are removed by opening the hydrogen purge valve. Exhaust from the anode gas circuit.

従来から、排気水素を燃料電池の外部へ排出する水素排出手段（水素パージ弁）の閉故障を検出して警報を発し、当該閉故障警報に応じて燃料電池への要求発電出力の上限値を規定値以下に制限する燃料電池制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−９２１２５号公報 Conventionally, a closed failure of the hydrogen discharge means (hydrogen purge valve) that discharges exhaust hydrogen to the outside of the fuel cell is detected and an alarm is issued, and an upper limit value of the required power generation output to the fuel cell is set according to the closed failure alarm. There is known a fuel cell control device that limits the value to a specified value or less (see, for example, Patent Document 1).
JP 2003-92125 A

しかし、特許文献１に開示された燃料電池制御装置は、要求発電出力の上限値を規定値以下に制限するのみであり、閉故障警報を発した後においても、なるべく多くの出力を燃料電池スタックから取り出すための手段を何ら備えていない。   However, the fuel cell control device disclosed in Patent Document 1 only limits the upper limit value of the required power generation output to a specified value or less, and outputs as much output as possible even after issuing a closed failure alarm. There is no means for taking it out.

実際には、閉故障警報を発した後においても、サービス工場までの車両の自走などを考慮に入れると、なるべく多くの出力を燃料電池スタックから取り出せることが望ましいが、特許文献１に開示された燃料電池制御装置ではそのような点までは考慮されていない。   Actually, it is desirable that as much output as possible can be taken out from the fuel cell stack in consideration of the self-propelling of the vehicle to the service factory even after the closed failure alarm is issued. Such a point is not considered in the fuel cell control apparatus.

本発明の第１の特徴は、水素を含有する燃料ガス及び酸素を含有する酸化剤ガスが供給され、水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池スタックと、燃料電池スタックから排出された燃料ガスを再び燃料電池スタックへ供給するための燃料ガス循環路と、燃料ガス循環路内の燃料ガスを外部へ排出するパージ弁とを備える燃料電池システムの制御装置であって、燃料電池スタックに要求される出力電流量を検知する要求電流量検知部と、要求電流量検知部が検知する出力電流量を燃料電池スタックが発電するために必要な燃料ガス及び酸化剤ガスの供給量を制御する反応ガス供給量制御部と、燃料電池スタックの出力状態を検出して、出力状態に応じてパージ弁の開閉を制御するパージ弁制御部と、パージ弁の閉故障を検知する閉故障検知部と、閉故障検知部がパージ弁の閉故障を検知した時に、燃料電池スタックの電流電圧特性が向上するように燃料電池システムを制御する閉故障対応部とを備えることを要旨とする。   A first feature of the present invention is that a fuel cell stack that is supplied with a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen and that generates electricity by electrochemically reacting hydrogen and oxygen, and a fuel cell stack A control device for a fuel cell system, comprising: a fuel gas circulation path for supplying discharged fuel gas to the fuel cell stack again; and a purge valve for discharging the fuel gas in the fuel gas circulation path to the outside. A required current amount detector that detects the amount of output current required for the battery stack, and a supply amount of fuel gas and oxidant gas required for the fuel cell stack to generate the output current amount detected by the required current amount detector A reaction gas supply amount control unit for controlling the output, a purge valve control unit for detecting the output state of the fuel cell stack and controlling the opening and closing of the purge valve according to the output state, and detecting a closed failure of the purge valve The gist includes a closed failure detection unit and a closed failure response unit that controls the fuel cell system so that the current-voltage characteristics of the fuel cell stack are improved when the closed failure detection unit detects a closed failure of the purge valve. To do.

本発明の第２の特徴は、水素を含有する燃料ガス及び酸素を含有する酸化剤ガスが供給され、水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池スタックと、燃料電池スタックから排出された燃料ガスを再び燃料電池スタックへ供給するための燃料ガス循環路と、燃料ガス循環路内の燃料ガスを外部へ排出するパージ弁とを備える燃料電池システムの制御方法であって、燃料電池スタックに要求される出力電流量を検知し、出力電流量を燃料電池スタックが発電するために必要な燃料ガス及び酸化剤ガスの供給量を制御し、燃料電池スタックの出力状態を検出して、出力状態に応じてパージ弁の開閉を制御し、パージ弁の閉故障を検知した時に、燃料電池スタックの電流電圧特性が向上するように燃料電池システムを制御することを要旨とする。   A second feature of the present invention is that a fuel cell stack that is supplied with a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen and that generates electricity by electrochemically reacting hydrogen and oxygen, and a fuel cell stack A control method for a fuel cell system, comprising: a fuel gas circulation path for supplying discharged fuel gas to the fuel cell stack again; and a purge valve for discharging the fuel gas in the fuel gas circulation path to the outside. Detecting the amount of output current required for the battery stack, controlling the supply amount of fuel gas and oxidant gas necessary for the fuel cell stack to generate power, and detecting the output state of the fuel cell stack Therefore, it is necessary to control the fuel cell system so that the current-voltage characteristics of the fuel cell stack are improved when the opening and closing of the purge valve is controlled according to the output state and a closed failure of the purge valve is detected. To.

本発明によれば、パージ弁の閉故障を検知した時であっても、できるだけ多くの出力電流を取り出せる燃料電池システムの制御装置及び燃料電池システムの制御方法を提供することが出来る。   According to the present invention, it is possible to provide a control device for a fuel cell system and a control method for a fuel cell system that can extract as much output current as possible even when a purge valve closing failure is detected.

以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals.

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る車両用の燃料電池システム及びその制御装置の概略構成を示す。本発明の第１の実施の形態に係わる燃料電池システムは、水素を含有する燃料ガス（水素ガス）及び酸素を含有する酸化剤ガス（空気）が供給され、水素ガス中の水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池スタック３と、燃料電池スタック３から排出された水素ガスを再び燃料電池スタック３へ供給するための燃料ガス循環路７（水素ガス循環路）と、水素ガス循環路７内の水素ガスを外部へ排出するパージ弁１０と、燃料電池スタック３へ空気を圧縮して供給する空気コンプレッサ１と、燃料電池スタック３から排出される空気（排空気）の圧力及び流量を調整する空気圧力制御弁９と、燃料電池スタック３の水素導入口へ水素ガスを供給する水素タンク２と、水素タンク２から供給される水素ガスの圧力を調整する水素圧力制御弁２２と、燃料電池スタック３の水素排出口から排出される水素ガスを水素ガス循環路７を介して再び燃料電池スタック３の水素導入口へ循環させる水素循環ポンプ４と、燃料電池スタック３を冷却する冷却水が循環する冷却水経路１２と、冷却水経路１２内で冷却水を循環させる冷却水循環ポンプ１４と、冷却水を冷却する熱交換器１３と、冷却水の循環路上に配置された温度センサ１５と、燃料電池スタック３へ水素ガスを供給する水素供給配路上に配置された圧力センサ５と、燃料電池スタック３へ空気を供給する空気供給配路上に配置された圧力センサ６と、上記の各構成要素の動作を制御する制御部１６とを備える。本発明の第１の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御装置は、制御部１６に相当する。 (First embodiment)
FIG. 1 shows a schematic configuration of a vehicular fuel cell system and a control apparatus therefor according to a first embodiment of the present invention. The fuel cell system according to the first embodiment of the present invention is supplied with a hydrogen-containing fuel gas (hydrogen gas) and an oxygen-containing oxidant gas (air). A fuel cell stack 3 that generates electricity by electrochemically reacting with oxygen, and a fuel gas circuit 7 (hydrogen gas circuit) for supplying hydrogen gas discharged from the fuel cell stack 3 to the fuel cell stack 3 again A purge valve 10 for discharging the hydrogen gas in the hydrogen gas circulation path 7 to the outside, an air compressor 1 for compressing and supplying air to the fuel cell stack 3, and air discharged from the fuel cell stack 3 (exhaust air) Air pressure control valve 9 for adjusting the pressure and flow rate of hydrogen), hydrogen tank 2 for supplying hydrogen gas to the hydrogen inlet of fuel cell stack 3, and the pressure of hydrogen gas supplied from hydrogen tank 2 are adjusted. A hydrogen pressure control valve 22, a hydrogen circulation pump 4 that circulates the hydrogen gas discharged from the hydrogen discharge port of the fuel cell stack 3 to the hydrogen introduction port of the fuel cell stack 3 again via the hydrogen gas circulation path 7, and a fuel cell A cooling water path 12 through which the cooling water for cooling the stack 3 circulates, a cooling water circulation pump 14 for circulating the cooling water in the cooling water path 12, a heat exchanger 13 for cooling the cooling water, and a cooling water circulation path The temperature sensor 15 arranged, the pressure sensor 5 arranged on the hydrogen supply line for supplying hydrogen gas to the fuel cell stack 3, and the pressure sensor arranged on the air supply line for supplying air to the fuel cell stack 3 6 and a control unit 16 that controls the operation of each of the above components. The control device for the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention corresponds to the control unit 16.

燃料電池スタック３は、水素ガスが供給される水素極（アノード）８と、空気が供給される空気極（カソード）１１と、水素極８と空気極１１により挟持された電解質膜と、水素極８と空気極１１へ水素ガス及び空気をそれぞれ供給するセパレータ（ソリッドプレート）と、燃料電池スタック３を冷却する冷却水が流れる冷却水流路とを備える。   The fuel cell stack 3 includes a hydrogen electrode (anode) 8 to which hydrogen gas is supplied, an air electrode (cathode) 11 to which air is supplied, an electrolyte membrane sandwiched between the hydrogen electrode 8 and the air electrode 11, a hydrogen electrode 8 and a separator (solid plate) for supplying hydrogen gas and air to the air electrode 11 respectively, and a cooling water passage through which cooling water for cooling the fuel cell stack 3 flows.

水素極８に水素ガスが供給され、空気極１１に空気が供給されると、（１）式及び（２）式に示す電極反応が進行され、電力が発電される。このとき空気極１１で生成された水（Ｈ2Ｏ）は水蒸気となって、電解質膜を透過して水素極８側へ侵入する。 When hydrogen gas is supplied to the hydrogen electrode 8 and air is supplied to the air electrode 11, the electrode reactions shown in the equations (1) and (2) proceed, and electric power is generated. At this time, the water (H 2 O) generated in the air electrode 11 becomes water vapor, penetrates the electrolyte membrane, and enters the hydrogen electrode 8 side.


アノード（水素極）：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- （１）
カソード（酸素極）：２Ｈ+＋２ｅ-＋(1/2)Ｏ2→Ｈ2Ｏ （２）

水素極８へ供給される水素ガスは、水素タンク２から水素圧力制御弁２２を通じて供給される。なお、水素圧力制御弁２２はその開度を連続的に調整することができる可変弁である。水素タンク２から供給される高圧水素ガスは、水素圧力制御弁２２で燃料電池スタック３での水素ガス圧力が所望の水素圧に制御される。即ち、燃料電池スタック３内での水素ガスの圧力は、圧力センサ５の検出値を用いながら、燃料電池スタック３に要求される出力電流量に応じて、水素圧力制御弁２２の開口面積（開度）を変化させることによって制御される。水素極８で消費されなかった水素ガスは水素循環ポンプ４により再循環させる。
Anode (hydrogen electrode): H 2 → 2H + + 2e − (1)
Cathode (oxygen electrode): 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O (2)

Hydrogen gas supplied to the hydrogen electrode 8 is supplied from the hydrogen tank 2 through the hydrogen pressure control valve 22. The hydrogen pressure control valve 22 is a variable valve whose opening degree can be adjusted continuously. The high-pressure hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 2 is controlled by the hydrogen pressure control valve 22 so that the hydrogen gas pressure in the fuel cell stack 3 is a desired hydrogen pressure. That is, the hydrogen gas pressure in the fuel cell stack 3 is determined based on the opening area (opening) of the hydrogen pressure control valve 22 according to the amount of output current required for the fuel cell stack 3 while using the detection value of the pressure sensor 5. Controlled by changing the degree). The hydrogen gas not consumed at the hydrogen electrode 8 is recirculated by the hydrogen circulation pump 4.

パージ弁１０は、燃料電池スタック３の水素排出口に接続され、通常閉じられている。パージ弁１０の主な役割は、水素循環機能を確保するために開くことによって水素系内に蓄積した窒素を排出すること、及びセル電圧を回復させるために開くことによって水素ガス流路内の水詰まりを吹き飛ばすことである。つまり、パージ弁１０は、燃料電池スタック３が一定電力量又は一定の時間発電した時、或いは水つまり等によるセル電圧の低下が検知された時、開放されて水素ガスとともに水分及び窒素を装置外部へ排出する。   The purge valve 10 is connected to the hydrogen discharge port of the fuel cell stack 3 and is normally closed. The main role of the purge valve 10 is to discharge the nitrogen accumulated in the hydrogen system by opening it to ensure the hydrogen circulation function, and to open the water in the hydrogen gas flow path by opening it to restore the cell voltage. It is to blow off the clog. That is, the purge valve 10 is opened when the fuel cell stack 3 generates power for a certain amount of power or for a certain period of time, or when a drop in the cell voltage due to water or the like is detected. To discharge.

空気極１１へ供給される空気は先ず空気コンプレッサ１に圧送される。空気極１１内での空気圧は、圧力センサ６の検出値を用いながら、燃料電池スタック３に要求される出力電流量に応じて、空気圧力制御弁９の開口面積（開度）を変化させることによって制御される。なお、空気圧力制御弁９は可変弁である。   The air supplied to the air electrode 11 is first pumped to the air compressor 1. The air pressure in the air electrode 11 changes the opening area (opening) of the air pressure control valve 9 according to the amount of output current required for the fuel cell stack 3 while using the detection value of the pressure sensor 6. Controlled by. The air pressure control valve 9 is a variable valve.

燃料電池スタック３内の冷却水流路は、冷却水循環ポンプ１４及び熱交換器１３が配置された冷却水経路１２に接続されている。冷却水は、冷却水循環ポンプ１４により冷却水経路１２及び燃料電池スタック３内の冷却水流路を循環する。熱交換器１３は、例えば、冷却水を冷却するラジエタと、ラジエタへ通風を送るラジエタファンとからなる。冷却水の温度即ち熱交換器１３の冷却能力は冷却水循環ポンプ１４及びラジエタファンの回転数を制御することによって調整される。   The cooling water flow path in the fuel cell stack 3 is connected to a cooling water path 12 in which the cooling water circulation pump 14 and the heat exchanger 13 are arranged. The cooling water circulates through the cooling water passage 12 and the cooling water flow path in the fuel cell stack 3 by the cooling water circulation pump 14. The heat exchanger 13 includes, for example, a radiator that cools the cooling water and a radiator fan that sends ventilation to the radiator. The temperature of the cooling water, that is, the cooling capacity of the heat exchanger 13 is adjusted by controlling the rotation speed of the cooling water circulation pump 14 and the radiator fan.

本発明の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御装置、つまり制御部１６は、燃料電池スタック３に要求される出力電流量を検知する要求電流量検知部１７と、要求電流量検知部１７が検知する出力電流量を燃料電池スタック３が発電するために必要な水素ガス及び空気の供給量を制御する反応ガス供給量制御部１８と、燃料電池スタック３の出力状態を検出して、当該出力状態に応じてパージ弁１０の開閉を制御するパージ弁制御部１９と、パージ弁１０の閉故障を検知する閉故障検知部２０と、閉故障検知部２０がパージ弁１０の閉故障を検知した時に、燃料電池スタック３の電流電圧特性が向上するように燃料電池システムを制御する閉故障対応部２１とを備える。ここで、パージ弁１０の「閉故障」とは、パージ弁１０が閉じた状態で固定され、開くことができないことを示す。したがって、閉故障検知部２０により閉故障が検知された場合、パージ弁１０は、水素ガスとともに水分及び窒素を装置外部へ排出することができない。   The control device of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention, that is, the control unit 16 includes a required current amount detection unit 17 that detects an output current amount required for the fuel cell stack 3 and a required current amount detection unit 17. A reaction gas supply amount control unit 18 that controls the supply amount of hydrogen gas and air necessary for the fuel cell stack 3 to generate the output current amount to be detected, and the output state of the fuel cell stack 3 are detected, and the output The purge valve control unit 19 that controls the opening and closing of the purge valve 10 according to the state, the closed failure detection unit 20 that detects the closed failure of the purge valve 10, and the closed failure detection unit 20 detected the closed failure of the purge valve 10. Sometimes, a closed failure response unit 21 that controls the fuel cell system so as to improve the current-voltage characteristics of the fuel cell stack 3 is provided. Here, the “closed failure” of the purge valve 10 indicates that the purge valve 10 is fixed in a closed state and cannot be opened. Therefore, when a closed failure is detected by the closed failure detection unit 20, the purge valve 10 cannot discharge moisture and nitrogen together with hydrogen gas to the outside of the apparatus.

なお、第１の実施の形態において、閉故障対応部２１は、閉故障検知部２０がパージ弁１０の閉故障を検知した時に、燃料電池スタック３内での水素ガス及び空気の少なくとも一方の圧力を上げる。具体的には、パージ弁１０が閉故障を起こして水素ガスが不足した状態を閉故障検知部２０が検知した場合、閉故障対応部２１は、水素圧力制御弁２２、水素循環ポンプ４及び空気圧力制御弁９を制御して、燃料電池スタック３内の水素ガス及び空気の少なくとも一方の圧力を上げる。   In the first embodiment, the closed failure handling unit 21 detects the pressure of at least one of hydrogen gas and air in the fuel cell stack 3 when the closed failure detection unit 20 detects the closed failure of the purge valve 10. Raise. Specifically, when the closed failure detection unit 20 detects that the purge valve 10 has caused a closed failure and hydrogen gas is insufficient, the closed failure response unit 21 includes the hydrogen pressure control valve 22, the hydrogen circulation pump 4, and the air. The pressure control valve 9 is controlled to increase the pressure of at least one of hydrogen gas and air in the fuel cell stack 3.

次に、図２を参照して、図１に示した燃料電池システムの制御装置の動作手順（燃料電池システムの制御方法）を説明する。   Next, with reference to FIG. 2, an operation procedure (control method of the fuel cell system) of the control device for the fuel cell system shown in FIG. 1 will be described.

（イ）先ず、Ｓ１１段階において、閉故障検知部２０が閉故障を検知したか否かを判断する。閉故障検知部２０が閉故障を検知した場合（Ｓ１１段階においてＹＥＳ）Ｓ１２段階に進み、閉故障検知部２０が閉故障を検知しない場合（Ｓ１１段階においてＮＯ）Ｓ１３段階に進む。   (A) First, in step S11, it is determined whether or not the closed failure detector 20 has detected a closed failure. If the closed failure detection unit 20 detects a closed failure (YES in step S11), the process proceeds to step S12. If the closed failure detection unit 20 does not detect a closed failure (NO in step S11), the process proceeds to step S13.

（ロ）閉故障を検知した場合、Ｓ１２段階において、目標水素ガス圧力又は目標空気圧力として図３の第１の特性を使用する。その後、Ｓ１４段階に進み、取り出し電流の上限を図４の第１の制限電流とする。   (B) When a closed failure is detected, the first characteristic of FIG. 3 is used as the target hydrogen gas pressure or target air pressure in step S12. Thereafter, the process proceeds to step S14, and the upper limit of the extraction current is set as the first limiting current in FIG.

（ハ）一方、閉故障を検知しない場合、Ｓ１３段階において、目標水素ガス圧力又は目標空気圧力として図３の第２の特性を使用する。その後、Ｓ１５段階に進み、取り出し電流の上限値を図４の最大電流とする。   (C) On the other hand, when the closed failure is not detected, the second characteristic of FIG. 3 is used as the target hydrogen gas pressure or the target air pressure in step S13. Thereafter, the process proceeds to step S15, and the upper limit value of the extraction current is set to the maximum current in FIG.

図３は、燃料電池スタック３から取り出される電流として設定された目標取り出し電流とこれに対する目標水素ガス圧力又は目標空気圧力との関係を示す。パージ弁１０が正常な時は第２の特性に示すように電流に対して比例的に圧力を高めていく。一方、パージ弁１０が閉故障した時は特性Aに示すように特性Bに対して同じ電流に対する圧力を高くする。図３の第１の特性はパージ弁１０が閉故障である時の特性を示し、目標取り出し電流の値に係わらず、目標水素ガス圧力又は目標空気圧力は一定であり、図３の第２の特性はパージ弁１０が正常な時の特性を示し、目標取り出し電流の増加に伴い、目標水素ガス圧力又は目標空気圧力も増加し、その増加率は一定である。   FIG. 3 shows the relationship between the target extraction current set as the current extracted from the fuel cell stack 3 and the target hydrogen gas pressure or target air pressure relative thereto. When the purge valve 10 is normal, the pressure is increased in proportion to the current as indicated by the second characteristic. On the other hand, when the purge valve 10 is closed, the pressure for the same current is increased with respect to the characteristic B as indicated by the characteristic A. The first characteristic of FIG. 3 shows the characteristic when the purge valve 10 is closed, and the target hydrogen gas pressure or the target air pressure is constant regardless of the value of the target extraction current. The characteristic indicates a characteristic when the purge valve 10 is normal, and the target hydrogen gas pressure or the target air pressure increases as the target extraction current increases, and the increase rate is constant.

図４は、パージ弁１０の閉故障時及び正常時における燃料電池スタック３の電流電圧特性を示す。パージ弁１０の正常時において、目標水素ガス圧力又は目標空気圧力を図３の第２の特性で制御した時の電流電圧特性が図４の第３の特性である。パージ弁１０の閉故障時において、目標水素ガス圧力又は目標空気圧力を図３の第２の特性で制御した時の電流電圧特性が図４の第２の特性である。一方、パージ弁１０の閉故障時において、目標水素ガス圧力又は目標空気圧力を図３の第１の特性で制御した時の電流電圧特性が第１の特性である。一般的に、目標水素ガス圧力又は目標空気圧力を高めたこと、すなわちガス密度が上がったことにより、電流電圧特性が図４の第２の特性に対して向上し、同じ下限電圧に対して取り出しの上限電流を、第２の制限電流から第１の制限電流に増やすことが可能となる。   FIG. 4 shows current-voltage characteristics of the fuel cell stack 3 when the purge valve 10 is closed and normal. The current-voltage characteristic when the target hydrogen gas pressure or the target air pressure is controlled by the second characteristic of FIG. 3 when the purge valve 10 is normal is the third characteristic of FIG. The current-voltage characteristic when the target hydrogen gas pressure or the target air pressure is controlled by the second characteristic of FIG. 3 when the purge valve 10 is closed is the second characteristic of FIG. On the other hand, the current-voltage characteristic when the target hydrogen gas pressure or the target air pressure is controlled by the first characteristic of FIG. 3 when the purge valve 10 is closed is the first characteristic. In general, when the target hydrogen gas pressure or the target air pressure is increased, that is, the gas density is increased, the current-voltage characteristic is improved with respect to the second characteristic of FIG. Can be increased from the second limited current to the first limited current.

以上説明したように、本発明の第１の実施の形態によれば、水素排出手段の一例としてのパージ弁１０の閉故障を検知した時に、閉故障対応部２１が、通常の運転より燃料電池スタック３内の水素ガス（アノードガス）及び空気（カソードガス）の少なくとも一方のガス圧力を上げることにより、燃料電池スタック３の電流電圧特性を向上させ、より多くの出力を取り出すことができる。   As described above, according to the first embodiment of the present invention, when a closed failure of the purge valve 10 as an example of the hydrogen discharge means is detected, the closed failure response unit 21 performs the fuel cell operation more than normal operation. By increasing the gas pressure of at least one of hydrogen gas (anode gas) and air (cathode gas) in the stack 3, the current-voltage characteristics of the fuel cell stack 3 can be improved and more output can be taken out.

また、図１に示す燃料電池システム及びその制御装置を車両に搭載してその電力源とした場合、パージ弁１０の閉固着など、燃料電池システムが水素不足に陥った時においても、可能な範囲で車両を動かせることができるため、サービス工場などまで自走できることができる。   Further, when the fuel cell system and its control device shown in FIG. 1 are mounted on a vehicle and used as a power source, the possible range even when the fuel cell system falls short of hydrogen, such as when the purge valve 10 is closed and fixed. Because you can move the vehicle with, you can self-propelled to service factories.

従来においては、スタック保護の観点から、燃料電池スタック３の出力電圧が所定の下限値を下回れば発電を停止（フェール）としていたが、発電停止の頻度を下げるために、電圧低下に応じて燃料電池スタック３の出力を減らすことで電圧の低下を防止し、それでも電圧が所定の下限値を下回れば発電停止（フェール）としていた。しかし、下記に示す問題により、上記従来技術では対応できない場合がある。即ち、電圧についての所定の下限値は定格運転時の電圧付近であり、電圧に対する上限出力特性は急にならざるを得ない。また、急な出力制限特性であるので、例えばパージ弁１０の閉固着などによる極端な水素不足の際には、燃料電池スタック３自身の電流電圧特性も急変するので、干渉して制御がハンチングする場合があり、結局電圧が所定の下限値を下回る場合があった。本発明の第１の実施の形態によれば、パージ弁閉固着など、水素不足になる状態を検知した場合には、水素ガス及び空気の少なくとも一方のガス圧を上げることにより、電流電圧特性が向上する方向に、燃料電池スタック３の運転点を動かし、多くの出力が取れるようになる。   Conventionally, from the viewpoint of stack protection, power generation is stopped (failed) when the output voltage of the fuel cell stack 3 falls below a predetermined lower limit value. The voltage drop is prevented by reducing the output of the battery stack 3, and the power generation is stopped (fail) if the voltage still falls below a predetermined lower limit value. However, due to the following problems, there are cases where the above prior art cannot cope with the problem. That is, the predetermined lower limit value for the voltage is in the vicinity of the voltage during rated operation, and the upper limit output characteristic with respect to the voltage must be abrupt. In addition, since the output limiting characteristic is abrupt, the current voltage characteristic of the fuel cell stack 3 itself also changes suddenly in the event of an extreme hydrogen shortage due to, for example, the closure of the purge valve 10 being closed. In some cases, the voltage eventually fell below a predetermined lower limit. According to the first embodiment of the present invention, when a state in which hydrogen is insufficient, such as when the purge valve is closed, is detected, the current-voltage characteristic is increased by increasing the gas pressure of at least one of hydrogen gas and air. By moving the operating point of the fuel cell stack 3 in the direction of improvement, a lot of output can be obtained.

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係わる燃料電池システム及びその制御装置（制御部１６）は、閉故障対応部２１を除き、図１と同じであるため、図示及び説明を省略する。 (Second Embodiment)
The fuel cell system and its control device (control unit 16) according to the second embodiment of the present invention are the same as those shown in FIG.

第２の実施の形態において、閉故障対応部２１は、閉故障検知部２０がパージ弁１０の閉故障を検知した時に、水素ガス循環路７を循環する水素ガスの流量を増加させる。具体的には、パージ弁１０が閉故障を起こして水素ガスが不足した状態を閉故障検知部２０が検知した場合、閉故障対応部２１は、水素循環ポンプ４を制御して、水素ガス循環路７を循環する水素ガスの流量を増加させる。   In the second embodiment, the closed failure handling unit 21 increases the flow rate of the hydrogen gas circulating through the hydrogen gas circulation path 7 when the closed failure detection unit 20 detects the closed failure of the purge valve 10. Specifically, when the closed failure detection unit 20 detects that the purge valve 10 has caused a closed failure and hydrogen gas is insufficient, the closed failure response unit 21 controls the hydrogen circulation pump 4 to circulate the hydrogen gas. The flow rate of hydrogen gas circulating in the passage 7 is increased.

次に、図５を参照して、第２の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御装置の動作手順（燃料電池システムの制御方法）を説明する。   Next, with reference to FIG. 5, the operation procedure (control method of the fuel cell system) of the control device for the fuel cell system according to the second embodiment will be described.

（イ）先ず、Ｓ２１段階において、閉故障検知部２０が閉故障を検知したか否かを判断する。閉故障検知部２０が閉故障を検知した場合（Ｓ２１段階においてＹＥＳ）Ｓ２２段階に進み、閉故障検知部２０が閉故障を検知しない場合（Ｓ２１段階においてＮＯ）Ｓ２３段階に進む。   (A) First, in step S21, it is determined whether or not the closed failure detection unit 20 has detected a closed failure. If the closed failure detector 20 detects a closed failure (YES in step S21), the process proceeds to step S22. If the closed failure detector 20 does not detect a closed failure (NO in step S21), the process proceeds to step S23.

（ロ）閉故障を検知した場合、Ｓ２２段階において、水素循環ポンプ４の目標回転数を最大とする。つまり、水素循環ポンプ４の目標回転数として、図６の第１の目標回転数を使用する。その後、Ｓ２４段階に進み、取り出し電流の上限を図７の第２の制限電流とする。   (B) When a closed failure is detected, the target rotational speed of the hydrogen circulation pump 4 is maximized in step S22. That is, the first target rotational speed of FIG. 6 is used as the target rotational speed of the hydrogen circulation pump 4. Thereafter, the process proceeds to step S24, where the upper limit of the extraction current is set as the second limiting current in FIG.

（ハ）一方、閉故障を検知しない場合、Ｓ２３段階において、水素循環ポンプ４の目標回転数として、図６の第２の目標回転数を使用する。その後、Ｓ２５段階に進み、取り出し電流の上限値を図７の最大電流とする。   (C) On the other hand, if no closed failure is detected, the second target rotational speed of FIG. 6 is used as the target rotational speed of the hydrogen circulation pump 4 in step S23. Thereafter, the process proceeds to step S25, and the upper limit value of the extraction current is set to the maximum current in FIG.

図６は、燃料電池スタック３の目標取り出し電流に対する水素循環ポンプ４の回転数の特性を示す。パージ弁１０が正常な時は、第２の目標回転数に示すように最低限のストイキ比を確保するために、電流に対して比例的に水素循環ポンプ４の回転数を高めていく。一方、パージ弁１０が閉故障した時は、第１の目標回転数に示すように第２の目標回転数に対して同じ電流に対する水素循環ポンプ４の回転数を高める。図６の第１の目標回転数はパージ弁１０が閉故障である時を示し、目標取り出し電流の値に係わらず、水素循環ポンプ４の回転数は一定であり、図６の第２の特性はパージ弁１０が正常な時の特性を示し、目標取り出し電流の増加に伴い、水素循環ポンプ４の回転数も増加し、その増加率は一定である。   FIG. 6 shows the characteristics of the rotational speed of the hydrogen circulation pump 4 with respect to the target extraction current of the fuel cell stack 3. When the purge valve 10 is normal, the rotational speed of the hydrogen circulation pump 4 is increased in proportion to the current in order to ensure the minimum stoichiometric ratio as shown in the second target rotational speed. On the other hand, when the purge valve 10 is closed, the rotation speed of the hydrogen circulation pump 4 with respect to the same current is increased with respect to the second target rotation speed, as indicated by the first target rotation speed. The first target rotational speed in FIG. 6 indicates a time when the purge valve 10 is in a closed failure. The rotational speed of the hydrogen circulation pump 4 is constant regardless of the value of the target extraction current, and the second characteristic in FIG. Shows the characteristics when the purge valve 10 is normal, and the rotational speed of the hydrogen circulation pump 4 increases as the target extraction current increases, and the rate of increase is constant.

図７は、パージ弁１０の閉故障時及び正常時における燃料電池スタック３の電流電圧特性を示す。パージ弁１０の正常時において、目標水素ガス圧力又は目標空気圧力を図３の第２の特性で制御した時の電流電圧特性が図７の第３の特性である。パージ弁１０の閉故障時において、目標水素ガス圧力又は目標空気圧力を図３の第２の特性で制御した時の電流電圧特性が図７の第２の特性である。パージ弁１０の閉故障時に対応して、取り出しの上限電流を、図４の第２の制限電流にする必要がある。一方、水素循環ポンプ４の回転数を増やすと水素ガスの循環流量が増加するので、パージ弁１０の閉故障に伴い増加する水素極８内の窒素を拡散させることができる。その結果、水素極８内で窒素濃度が不均一になることによる燃料電池スタック３内の特定セルの劣化を防止することができ、燃料電池システムを停止させることなく発電を継続することができる。   FIG. 7 shows current-voltage characteristics of the fuel cell stack 3 when the purge valve 10 is closed and normal. The current-voltage characteristic when the target hydrogen gas pressure or the target air pressure is controlled by the second characteristic of FIG. 3 when the purge valve 10 is normal is the third characteristic of FIG. The current-voltage characteristic when the target hydrogen gas pressure or the target air pressure is controlled by the second characteristic of FIG. 3 when the purge valve 10 is closed is the second characteristic of FIG. In response to the closing failure of the purge valve 10, it is necessary to set the upper limit current for extraction to the second limit current in FIG. On the other hand, when the rotation speed of the hydrogen circulation pump 4 is increased, the circulation flow rate of the hydrogen gas increases, so that the nitrogen in the hydrogen electrode 8 that increases with the closing failure of the purge valve 10 can be diffused. As a result, it is possible to prevent deterioration of specific cells in the fuel cell stack 3 due to non-uniform nitrogen concentration in the hydrogen electrode 8, and it is possible to continue power generation without stopping the fuel cell system.

図８は、パージ弁１０の閉故障時に水素循環ポンプ４を第１の目標回転数及び第２の目標回転数とで制御した場合のそれぞれのセル電圧の頻度分布を示す。セル電圧の平均は、第１の目標回転数及び第２の目標回転数とでほぼ同じであり、第１の目標回転数よりも第２の目標回転数の方が比較的広い範囲に分布している。   FIG. 8 shows the frequency distribution of each cell voltage when the hydrogen circulation pump 4 is controlled at the first target rotational speed and the second target rotational speed when the purge valve 10 is closed. The average cell voltage is substantially the same between the first target rotational speed and the second target rotational speed, and the second target rotational speed is distributed in a relatively wider range than the first target rotational speed. ing.

また、水素極８内の凝縮水による閉塞を防止することもでき、水素ガス欠乏による燃料電池スタック３内の特定セルの劣化を防止することができ、燃料電池システムを停止させることなく発電を継続することができる。   In addition, it is possible to prevent clogging due to condensed water in the hydrogen electrode 8, to prevent deterioration of specific cells in the fuel cell stack 3 due to lack of hydrogen gas, and to continue power generation without stopping the fuel cell system. can do.

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係わる燃料電池システム及びその制御装置（制御部１６）は、閉故障対応部２１を除き、図１と同じであるため、図示及び説明を省略する。 (Third embodiment)
The fuel cell system and its control device (control unit 16) according to the third embodiment of the present invention are the same as those shown in FIG.

第３の実施の形態において、閉故障対応部２１は、閉故障検知部２０がパージ弁１０の閉故障を検知した時に、燃料電池スタック３の温度を下げる。具体的には、パージ弁１０が閉故障を起こして水素ガスが不足した状態を閉故障検知部２０が検知した場合、閉故障対応部２１は、熱交換器１３の冷却能力を高め、冷却水循環ポンプ１４の循環量を増やして、燃料電池スタック３の温度を下げる。   In the third embodiment, the closed failure handling unit 21 reduces the temperature of the fuel cell stack 3 when the closed failure detection unit 20 detects a closed failure of the purge valve 10. Specifically, when the closed failure detection unit 20 detects that the purge valve 10 has caused a closed failure and hydrogen gas is insufficient, the closed failure response unit 21 increases the cooling capacity of the heat exchanger 13 and circulates the cooling water. The circulation amount of the pump 14 is increased and the temperature of the fuel cell stack 3 is lowered.

次に、図９を参照して、第３の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御装置の動作手順（燃料電池システムの制御方法）を説明する。   Next, with reference to FIG. 9, the operation procedure (control method of the fuel cell system) of the control device for the fuel cell system according to the third embodiment will be described.

（イ）先ず、Ｓ３１段階において、閉故障検知部２０がパージ弁１０の閉故障を検知したか否かを判断する。閉故障検知部２０がパージ弁１０の閉故障を検知した場合（Ｓ３１段階においてＹＥＳ）Ｓ３２段階に進み、閉故障検知部２０がパージ弁１０の閉故障を検知しない場合（Ｓ３１段階においてＮＯ）Ｓ３３段階に進む。   (A) First, in step S31, it is determined whether or not the closing failure detection unit 20 has detected a closing failure of the purge valve 10. When the closed failure detector 20 detects a closed failure of the purge valve 10 (YES in step S31), the process proceeds to step S32, and when the closed failure detector 20 does not detect a closed failure of the purge valve 10 (NO in step S31) S33 Go to the stage.

（ロ）パージ弁１０の閉故障を検知した場合、Ｓ３２段階において、燃料電池スタック３の目標温度として図１０の第１の特性を使用する。その後、Ｓ３４段階に進み、取り出し電流の上限を図１１の第２の制限電流とする。   (B) When a closed failure of the purge valve 10 is detected, the first characteristic of FIG. 10 is used as the target temperature of the fuel cell stack 3 in step S32. Thereafter, the process proceeds to step S34, and the upper limit of the extraction current is set as the second limit current in FIG.

（ハ）一方、パージ弁１０の閉故障を検知しない場合、Ｓ３３段階において、燃料電池スタック３の目標温度として図１０の第２の特性を使用する。その後、Ｓ３５段階に進み、取り出し電流の上限値を図１１の最大電流とする。   (C) On the other hand, when the closed failure of the purge valve 10 is not detected, the second characteristic of FIG. 10 is used as the target temperature of the fuel cell stack 3 in step S33. Thereafter, the process proceeds to step S35, and the upper limit value of the extraction current is set to the maximum current in FIG.

図１０は、燃料電池スタックから取り出される目標電流（取り出し電流）に対する燃料電池スタック３の目標温度の特性を示す。パージ弁１０の閉故障時においては、第１の特性に示すように、パージ弁１０の正常時における第２の特性に対して同じ電流に対する燃料電池スタック３の温度を低く設定する。   FIG. 10 shows the characteristics of the target temperature of the fuel cell stack 3 with respect to the target current (extracted current) extracted from the fuel cell stack. When the purge valve 10 is closed, the temperature of the fuel cell stack 3 is set lower for the same current than the second characteristic when the purge valve 10 is normal, as shown by the first characteristic.

図１１は、パージ弁１０の閉故障時及び正常時における燃料電池スタック３の電流電圧特性を示す。パージ弁１０の正常時において、燃料電池スタック３の温度を図１０の第２の特性で制御した時の電流電圧特性が図１１の第３の特性である。パージ弁１０の閉故障時において、燃料電池スタック３の温度を図１０の第２の特性で制御した時の電流電圧特性が図１１の第２の特性である。一方、パージ弁１０の閉故障時において、燃料電池スタック３の温度を図３の第１の特性で制御した時の電流電圧特性が第１の特性である。   FIG. 11 shows current-voltage characteristics of the fuel cell stack 3 when the purge valve 10 is closed and normal. The current-voltage characteristic when the temperature of the fuel cell stack 3 is controlled by the second characteristic of FIG. 10 when the purge valve 10 is normal is the third characteristic of FIG. The current-voltage characteristic when the temperature of the fuel cell stack 3 is controlled by the second characteristic of FIG. 10 when the purge valve 10 is closed is the second characteristic of FIG. On the other hand, the current-voltage characteristic when the temperature of the fuel cell stack 3 is controlled by the first characteristic of FIG. 3 when the purge valve 10 is closed is the first characteristic.

一般的に、図１２に示すように、燃料電池スタック３の温度が低下すると、燃料電池スタック３内の飽和水蒸気圧も低下する。よって、水素極８の飽和水蒸気圧を下げる、即ち水素密度を上昇させることにより、図１１の電流電圧特性が第２の特性に対して向上し、同じ下限電圧に対して取り出しの上限電流を第２の制限電流から第１の制限電流へ増やすことが出来る。但し、燃料電池スタック３の温度が低くなるとその分、燃料電池スタック３の電流電圧特性も悪くなるので、上記効果との相殺を考慮して目標温度は実験などで事前に決めておくことが望ましい。   In general, as shown in FIG. 12, when the temperature of the fuel cell stack 3 decreases, the saturated water vapor pressure in the fuel cell stack 3 also decreases. Therefore, by lowering the saturated water vapor pressure of the hydrogen electrode 8, that is, by increasing the hydrogen density, the current-voltage characteristic of FIG. 11 is improved with respect to the second characteristic, and the upper limit current for extraction is increased for the same lower limit voltage. The limit current of 2 can be increased to the first limit current. However, as the temperature of the fuel cell stack 3 decreases, the current-voltage characteristic of the fuel cell stack 3 also deteriorates accordingly. Therefore, it is desirable to determine the target temperature in advance by experimentation in consideration of the offset with the above effect. .

（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態に係わる燃料電池システム及びその制御装置（制御部１６）は、閉故障対応部２１を除き、図１と同じであるため、図示及び説明を省略する。 (Fourth embodiment)
The fuel cell system and its control device (control unit 16) according to the fourth embodiment of the present invention are the same as those shown in FIG.

第４の実施の形態において、閉故障対応部２１は、閉故障検知部２０がパージ弁１０の閉故障を検知した時に、燃料電池スタック３内での水素ガスの圧力を空気の圧力よりも高くする。具体的には、パージ弁１０が閉故障を起こして水素ガスが不足した状態を閉故障検知部２０が検知した場合、閉故障対応部２１は、空気圧力制御弁９或いは水素圧力制御弁２２を操作して、燃料電池スタック３内での水素ガスの圧力を空気の圧力よりも高くする。   In the fourth embodiment, the closed failure response unit 21 sets the hydrogen gas pressure in the fuel cell stack 3 to be higher than the air pressure when the closed failure detection unit 20 detects the closed failure of the purge valve 10. To do. Specifically, when the closed failure detection unit 20 detects a state in which the purge valve 10 has a closed failure and hydrogen gas is insufficient, the closed failure response unit 21 causes the air pressure control valve 9 or the hydrogen pressure control valve 22 to be turned on. By operating, the pressure of hydrogen gas in the fuel cell stack 3 is made higher than the pressure of air.

次に、図１３を参照して、第４の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御装置の動作手順（燃料電池システムの制御方法）を説明する。   Next, with reference to FIG. 13, an operation procedure (control method of the fuel cell system) of the control device of the fuel cell system according to the fourth embodiment will be described.

（イ）先ず、Ｓ４１段階において、閉故障検知部２０がパージ弁１０の閉故障を検知したか否かを判断する。閉故障検知部２０がパージ弁１０の閉故障を検知した場合（Ｓ４１段階においてＹＥＳ）Ｓ４２段階に進み、閉故障検知部２０がパージ弁１０の閉故障を検知しない場合（Ｓ４１段階においてＮＯ）Ｓ４３段階に進む。   (A) First, in step S41, it is determined whether or not the closed failure detector 20 has detected a closed failure of the purge valve 10. When the closed failure detector 20 detects a closed failure of the purge valve 10 (YES in step S41), the process proceeds to step S42, and when the closed failure detector 20 does not detect a closed failure of the purge valve 10 (NO in step S41) S43 Go to the stage.

（ロ）パージ弁１０の閉故障を検知した場合、Ｓ４２段階において、水素極８と空気極１１との差圧として図１４の第１の特性を使用する。その後、Ｓ４４段階に進み、取り出し電流の上限を図１５の第１の制限電流とする。   (B) When a closed failure of the purge valve 10 is detected, the first characteristic of FIG. 14 is used as the differential pressure between the hydrogen electrode 8 and the air electrode 11 in step S42. Thereafter, the process proceeds to step S44, and the upper limit of the extraction current is set as the first limiting current in FIG.

（ハ）一方、パージ弁１０の閉故障を検知しない場合、Ｓ４３段階において、水素極８と空気極１１との差圧として図１４の第２の特性を使用する。その後、Ｓ４５段階に進み、取り出し電流の上限値を図１５の最大電流とする。   (C) On the other hand, when the closed failure of the purge valve 10 is not detected, the second characteristic of FIG. 14 is used as the differential pressure between the hydrogen electrode 8 and the air electrode 11 in step S43. Thereafter, the process proceeds to step S45, and the upper limit value of the extraction current is set to the maximum current in FIG.

図１４は、燃料電池スタック３から取り出される目標電流（取り出し電流）に対する水素極８と空気極１１の差圧の特性を示す。パージ弁１０の正常時においては、第２の特性に示すように水素極８と空気極１１との間に差圧を設定しない。一方、パージ弁１０の閉故障時においては、第１の特性になるように水素極８と空気極１１との間に差圧を設定する。   FIG. 14 shows the characteristics of the differential pressure between the hydrogen electrode 8 and the air electrode 11 with respect to the target current (extracted current) extracted from the fuel cell stack 3. When the purge valve 10 is normal, no differential pressure is set between the hydrogen electrode 8 and the air electrode 11 as shown in the second characteristic. On the other hand, when the purge valve 10 is closed, a differential pressure is set between the hydrogen electrode 8 and the air electrode 11 so that the first characteristic is obtained.

図１５は、パージ弁１０の閉故障時及び正常時における燃料電池スタック３の電流電圧特性を示す。パージ弁１０の正常時において、水素極８と空気極１１との差圧を図１４の第２の特性で制御した時の電流電圧特性が図１５の第３の特性である。パージ弁１０の閉故障時において、水素極８と空気極１１との差圧を図１４の第２の特性で制御した時の電流電圧特性が図１５の第２の特性である。一方、パージ弁１０の閉故障時において、水素極８と空気極１１との差圧を図１４の第１の特性で制御した時の電流電圧特性が図１５の第１の特性である。   FIG. 15 shows current-voltage characteristics of the fuel cell stack 3 when the purge valve 10 is closed and normal. When the purge valve 10 is normal, the current-voltage characteristic when the differential pressure between the hydrogen electrode 8 and the air electrode 11 is controlled by the second characteristic of FIG. 14 is the third characteristic of FIG. The current-voltage characteristic when the pressure difference between the hydrogen electrode 8 and the air electrode 11 is controlled by the second characteristic of FIG. 14 when the purge valve 10 is closed is the second characteristic of FIG. On the other hand, the current-voltage characteristic when the differential pressure between the hydrogen electrode 8 and the air electrode 11 is controlled by the first characteristic of FIG. 14 when the purge valve 10 is closed is the first characteristic of FIG.

また、図１６に示すように、空気極１１から水素極８への窒素透過速度も水素極８と空気極１１との窒素分圧差が大きければその分だけ大きくなるので、水素極８内の水素濃度が低下していくまでの時間を長く稼ぐことができる。   Further, as shown in FIG. 16, the nitrogen permeation rate from the air electrode 11 to the hydrogen electrode 8 also increases as the nitrogen partial pressure difference between the hydrogen electrode 8 and the air electrode 11 increases. You can earn longer time until the concentration decreases.

第４の実施の形態によれば、パージ弁１０の閉故障を検知したときに、燃料電池スタック３内の水素ガスの圧力が空気よりも高くなるように制御することで、空気極１１から水素極８にクロスリークしてくる窒素流量ひいては平衡濃度を減らすことができる。その結果、水素極８内の水素濃度があがり、燃料電池スタック３の電流電圧特性を向上させ、より多くの出力を取り出すことができる。   According to the fourth embodiment, when the closed failure of the purge valve 10 is detected, the hydrogen gas pressure in the fuel cell stack 3 is controlled to be higher than that of air, so that the hydrogen from the air electrode 11 is increased. The nitrogen flow rate that cross leaks to the pole 8 and thus the equilibrium concentration can be reduced. As a result, the hydrogen concentration in the hydrogen electrode 8 is increased, the current-voltage characteristics of the fuel cell stack 3 are improved, and more output can be extracted.

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は、第１乃至第４の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。 (Other embodiments)
As described above, the present invention has been described according to the first to fourth embodiments. However, it should not be understood that the description and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.

例えば、上述した複数の実施の形態を組み合わせて１つの実施の形態としても構わない。具体的には、閉故障対応部２１は、閉故障検知部２０がパージ弁１０の閉故障を検知した時に、先ず、燃料電池スタック３内での水素ガス及び空気の少なくとも一方の圧力を上げるか、或いは燃料電池スタック３内での水素ガスの圧力を空気の圧力よりも高くし、その後、燃料電池スタック３の温度を下げる。簡単に言うと、パージ弁１０の閉故障を検出したら、第１又は第４の実施の形態の処理を開始し、所定時間経過したら、その後に第３の実施の形態の処理を行う。   For example, a plurality of embodiments described above may be combined to form one embodiment. Specifically, the closed failure response unit 21 first increases the pressure of at least one of hydrogen gas and air in the fuel cell stack 3 when the closed failure detection unit 20 detects a closed failure of the purge valve 10. Alternatively, the pressure of hydrogen gas in the fuel cell stack 3 is made higher than the pressure of air, and then the temperature of the fuel cell stack 3 is lowered. In short, when the closed failure of the purge valve 10 is detected, the processing of the first or fourth embodiment is started, and after a predetermined time has elapsed, the processing of the third embodiment is performed thereafter.

この組合せにより、最初に第１又は第４の実施の形態の処理を行わなかった時に比べ、水素極８の窒素濃度が平衡するまでの時間を長くすることができる。その結果、水素極８内の水素濃度が低下していくまでの時間を長くすることができ、長い時間、燃料電池スタック３の電流電圧特性を向上させ、より長い間の高い出力を取り出すことができる。   By this combination, it is possible to lengthen the time until the nitrogen concentration of the hydrogen electrode 8 equilibrates compared to when the processing of the first or fourth embodiment is not performed first. As a result, the time until the hydrogen concentration in the hydrogen electrode 8 decreases can be lengthened, and the current-voltage characteristics of the fuel cell stack 3 can be improved for a long time, and a higher output can be taken out for a longer time. it can.

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。   Thus, it should be understood that the present invention includes various embodiments and the like not described herein. Therefore, the present invention is limited only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from this disclosure.

本発明の第１の実施の形態に係わる燃料電池システム及びその制御装置を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a fuel cell system and a control device thereof according to a first embodiment of the present invention. 図１の燃料電池システムの制御装置の動作手順、即ち第１の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。2 is a flowchart showing an operation procedure of the control apparatus of the fuel cell system of FIG. 1, that is, a control method of the fuel cell system according to the first embodiment. 燃料電池スタックから取り出される電流として設定された目標取り出し電流とこれに対する目標水素ガス圧力又は目標空気圧力との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the target taking-out electric current set as an electric current taken out from a fuel cell stack, and the target hydrogen gas pressure or target air pressure with respect to this. 燃料電池スタックから取り出される電流として設定された目標取り出し電流と燃料電池スタックの電圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the target taking-out current set as an electric current taken out from a fuel cell stack, and the voltage of a fuel cell stack. 第２の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control method of the fuel cell system concerning 2nd Embodiment. 燃料電池スタックから取り出される電流として設定された目標取り出し電流とこれに対する水素循環ポンプの回転数との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the target extraction current set as an electric current taken out from a fuel cell stack, and the rotation speed of a hydrogen circulation pump with respect to this. 燃料電池スタックから取り出される電流と燃料電池スタックの電圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the electric current taken out from a fuel cell stack, and the voltage of a fuel cell stack. パージ弁の閉故障時に図６の第１及び第２の目標回転数で制御した場合の燃料電池スタックを構成する複数の単位セルの電圧分布を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing voltage distributions of a plurality of unit cells constituting the fuel cell stack when control is performed with the first and second target rotation speeds of FIG. 6 when the purge valve is closed. FIG. 第３の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control method of the fuel cell system concerning 3rd Embodiment. 燃料電池スタックから取り出される電流として設定された目標取り出し電流と燃料電池スタックの温度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the target taking-out current set as an electric current taken out from a fuel cell stack, and the temperature of a fuel cell stack. パージ弁の閉故障時及び正常時における、燃料電池スタックから取り出される電流と燃料電池スタックの電圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the electric current taken out from a fuel cell stack, and the voltage of a fuel cell stack at the time of the closing failure of a purge valve, and normal time. 燃料電池スタックの温度と飽和水蒸気圧の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the temperature of a fuel cell stack, and saturated water vapor pressure. 第４の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control method of the fuel cell system concerning 4th Embodiment. 燃料電池スタックから取り出される電流として設定された目標取り出し電流と燃料電池スタック内での水素ガスと空気の差圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the target taking-out current set as an electric current taken out from a fuel cell stack, and the differential pressure of hydrogen gas and air in a fuel cell stack. パージ弁の閉故障時及び正常時における、燃料電池スタックから取り出される電流と燃料電池スタックの電圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the electric current taken out from a fuel cell stack, and the voltage of a fuel cell stack at the time of the closing failure of a purge valve, and normal time. 水素極と空気極との窒素分圧差と空気極から水素極への窒素透過速度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the nitrogen partial pressure difference of a hydrogen electrode and an air electrode, and the nitrogen permeation rate from an air electrode to a hydrogen electrode.

符号の説明Explanation of symbols

１…空気コンプレッサ
２…水素タンク
３…燃料電池スタック
４…水素循環ポンプ
５、６…圧力センサ
７…水素ガス循環路（燃料ガス循環路）
８…水素極（燃料極）
９…空気圧力制御弁
１０…パージ弁
１１…空気極（酸化剤極）
１２…冷却水経路
１３…熱交換器
１４…冷却水循環ポンプ
１５…温度センサ
１６…制御部
１７…要求電流量検知部
１８…反応ガス供給量制御部
１９…パージ弁制御部
２０…閉故障検知部
２１…閉故障対応部
２２…水素圧力制御弁 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Air compressor 2 ... Hydrogen tank 3 ... Fuel cell stack 4 ... Hydrogen circulation pump 5, 6 ... Pressure sensor 7 ... Hydrogen gas circulation path (fuel gas circulation path)
8 ... Hydrogen electrode (fuel electrode)
9 ... Air pressure control valve 10 ... Purge valve 11 ... Air electrode (oxidizer electrode)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 ... Cooling water path 13 ... Heat exchanger 14 ... Cooling water circulation pump 15 ... Temperature sensor 16 ... Control part 17 ... Required electric current amount detection part 18 ... Reactive gas supply amount control part 19 ... Purge valve control part 20 ... Closed fault detection part 21 ... Closed failure response part 22 ... Hydrogen pressure control valve

Claims (12)

水素を含有する燃料ガス及び酸素を含有する酸化剤ガスが供給され、前記水素と前記酸素とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックから排出された前記燃料ガスを再び前記燃料電池スタックへ供給するための燃料ガス循環路と、前記燃料ガス循環路内の前記燃料ガスを外部へ排出するパージ弁とを備える燃料電池システムの制御装置であって、
前記燃料電池スタックに要求される出力電流量を検知する要求電流量検知部と、
前記要求電流量検知部が検知する前記出力電流量を前記燃料電池スタックが発電するために必要な前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの供給量を制御する反応ガス供給量制御部と、
前記燃料電池スタックの出力状態を検出して、前記出力状態に応じて前記パージ弁の開閉を制御するパージ弁制御部と、
前記パージ弁の閉故障を検知する閉故障検知部と、
前記閉故障検知部が前記パージ弁の閉故障を検知した時に、前記燃料電池スタックの電流電圧特性が向上するように前記燃料電池システムを制御する閉故障対応部
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 stack that is supplied with a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen, and that generates electricity by electrochemically reacting the hydrogen and oxygen, and the fuel gas discharged from the fuel cell stack A fuel gas circuit for supplying the fuel cell stack to the fuel cell stack, and a purge valve for discharging the fuel gas in the fuel gas circuit to the outside,
A required current amount detector for detecting an output current amount required for the fuel cell stack;
A reaction gas supply amount control unit for controlling the supply amount of the fuel gas and the oxidant gas necessary for the fuel cell stack to generate the output current amount detected by the required current amount detection unit;
A purge valve control unit that detects an output state of the fuel cell stack and controls opening and closing of the purge valve according to the output state;
A closed failure detector for detecting a closed failure of the purge valve;
And a closed failure response unit that controls the fuel cell system so that a current-voltage characteristic of the fuel cell stack is improved when the closed failure detection unit detects a closed failure of the purge valve. Battery system control device. 前記閉故障対応部は、前記閉故障検知部が前記パージ弁の閉故障を検知した時に、前記燃料電池スタック内での前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の圧力を上げることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの制御装置。   The closed failure handling unit increases the pressure of at least one of the fuel gas and the oxidant gas in the fuel cell stack when the closed failure detection unit detects a closed failure of the purge valve. The control apparatus for a fuel cell system according to claim 1. 前記閉故障対応部は、前記閉故障検知部が前記パージ弁の閉故障を検知した時に、前記燃料ガス循環路を循環する前記燃料ガスの流量を増加させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの制御装置。   The said closed failure response part increases the flow volume of the said fuel gas which circulates through the said fuel gas circulation path, when the said closed failure detection part detects the closed failure of the said purge valve. Control device for fuel cell system. 前記閉故障対応部は、前記閉故障検知部が前記パージ弁の閉故障を検知した時に、前記燃料電池スタックの温度を下げることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの制御装置。   2. The control device for a fuel cell system according to claim 1, wherein the closed failure response unit lowers the temperature of the fuel cell stack when the closed failure detection unit detects a closed failure of the purge valve. 3. 前記閉故障対応部は、前記閉故障検知部が前記パージ弁の閉故障を検知した時に、前記燃料電池スタック内での前記燃料ガスの圧力を前記酸化剤ガスの圧力よりも高くすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの制御装置。   The closed failure handling unit makes the pressure of the fuel gas in the fuel cell stack higher than the pressure of the oxidant gas when the closed failure detection unit detects a closed failure of the purge valve. The control apparatus for a fuel cell system according to claim 1. 前記閉故障対応部は、前記閉故障検知部が前記パージ弁の閉故障を検知した時に、先ず、前記燃料電池スタック内での前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の圧力を上げるか、或いは前記燃料電池スタック内での前記燃料ガスの圧力を前記酸化剤ガスの圧力よりも高くし、その後、前記燃料電池スタックの温度を下げることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの制御装置。   The closed failure handling unit first increases the pressure of at least one of the fuel gas and the oxidant gas in the fuel cell stack when the closed failure detection unit detects a closed failure of the purge valve, 2. The control of the fuel cell system according to claim 1, wherein the pressure of the fuel gas in the fuel cell stack is made higher than the pressure of the oxidant gas, and then the temperature of the fuel cell stack is lowered. apparatus. 水素を含有する燃料ガス及び酸素を含有する酸化剤ガスが供給され、前記水素と前記酸素とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックから排出された前記燃料ガスを再び前記燃料電池スタックへ供給するための燃料ガス循環路と、前記燃料ガス循環路内の前記燃料ガスを外部へ排出するパージ弁とを備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池スタックに要求される出力電流量を検知し、
前記出力電流量を前記燃料電池スタックが発電するために必要な前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの供給量を制御し、
前記燃料電池スタックの出力状態を検出して、前記出力状態に応じて前記パージ弁の開閉を制御し、
前記パージ弁の閉故障を検知した時に、前記燃料電池スタックの電流電圧特性が向上するように前記燃料電池システムを制御する
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 A fuel cell stack that is supplied with a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen, and that generates electricity by electrochemically reacting the hydrogen and oxygen, and the fuel gas discharged from the fuel cell stack A fuel gas circuit for supplying the fuel cell stack again, and a purge valve for discharging the fuel gas in the fuel gas circuit to the outside,
Detecting the amount of output current required for the fuel cell stack,
Controlling the supply amount of the fuel gas and the oxidant gas necessary for the fuel cell stack to generate the output current amount;
Detecting the output state of the fuel cell stack, and controlling the opening and closing of the purge valve according to the output state;
A control method for a fuel cell system, comprising: controlling the fuel cell system so that a current-voltage characteristic of the fuel cell stack is improved when a closed failure of the purge valve is detected. 前記パージ弁の閉故障を検知した時に、前記燃料電池スタックの電流電圧特性が向上するように前記燃料電池システムを制御することは、前記燃料電池スタック内での前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の圧力を上げることであることを特徴とする請求項７記載の燃料電池システムの制御方法。   Controlling the fuel cell system so as to improve the current-voltage characteristics of the fuel cell stack when detecting a closed failure of the purge valve means that the fuel gas and the oxidant gas in the fuel cell stack 8. The method of controlling a fuel cell system according to claim 7, wherein at least one of the pressures is increased. 前記パージ弁の閉故障を検知した時に、前記燃料電池スタックの電流電圧特性が向上するように前記燃料電池システムを制御することは、前記燃料ガス循環路を循環する前記燃料ガスの流量を増加させることであることを特徴とする請求項７記載の燃料電池システムの制御方法。   Controlling the fuel cell system so as to improve the current-voltage characteristics of the fuel cell stack when a closed failure of the purge valve is detected increases the flow rate of the fuel gas circulating in the fuel gas circulation path. 8. The method of controlling a fuel cell system according to claim 7, wherein 前記パージ弁の閉故障を検知した時に、前記燃料電池スタックの電流電圧特性が向上するように前記燃料電池システムを制御することは、前記燃料電池スタックの温度を下げることであることを特徴とする請求項７記載の燃料電池システムの制御方法。   Controlling the fuel cell system so as to improve the current-voltage characteristics of the fuel cell stack when detecting a closed failure of the purge valve is to lower the temperature of the fuel cell stack. The method for controlling a fuel cell system according to claim 7. 前記パージ弁の閉故障を検知した時に、前記燃料電池スタックの電流電圧特性が向上するように前記燃料電池システムを制御することは、前記燃料電池スタック内での前記燃料ガスの圧力を前記酸化剤ガスの圧力よりも高くすることであることを特徴とする請求項７記載の燃料電池システムの制御方法。   Controlling the fuel cell system so as to improve the current-voltage characteristics of the fuel cell stack when detecting a closed failure of the purge valve, the pressure of the fuel gas in the fuel cell stack is controlled by the oxidant. 8. The method of controlling a fuel cell system according to claim 7, wherein the pressure is higher than the gas pressure. 前記パージ弁の閉故障を検知した時に、前記燃料電池スタックの電流電圧特性が向上するように前記燃料電池システムを制御することは、
先ず、前記燃料電池スタック内での前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の圧力を上げるか、或いは前記燃料電池スタック内での前記燃料ガスの圧力を前記酸化剤ガスの圧力よりも高くし、
その後、前記燃料電池スタックの温度を下げる
ことであることを特徴とする請求項７記載の燃料電池システムの制御方法。 Controlling the fuel cell system so as to improve the current-voltage characteristics of the fuel cell stack when detecting a closed failure of the purge valve,
First, the pressure of at least one of the fuel gas and the oxidant gas in the fuel cell stack is increased, or the pressure of the fuel gas in the fuel cell stack is made higher than the pressure of the oxidant gas. ,
The method for controlling the fuel cell system according to claim 7, wherein the temperature of the fuel cell stack is lowered thereafter.
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