JP2007012532A - Control device of fuel cell system - Google Patents

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Shinichi Makino
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve fuel consumption efficiency of a fuel cell system by accurately estimating impurity gas concentration of a hydrogen circulating system to reduce a purge volume and save driving energy of a circulating pump. <P>SOLUTION: A gas composition estimation means 104 is provided with a steady gas mass density estimation calculation part 104a carrying out gas mass density estimation from a steady operation state of the fuel cell system, and an excessive gas mass density estimation calculation part 104b carrying out gas mass density estimation from an excessive operation state, and estimates a gas composition in a fuel circulation channel based on a target generation power decided by a target generation power deciding means 101, an operating state detected by a fuel cell operating state detecting means 102, and an operating state of a circulating device detected by a circulating device operating state detecting means 103. Estimation results of the gas composition are input into an impurity draining means 105 draining outside impurities in the fuel circulation system, a circulation device control means 106 controlling the circulating device, and a fuel supply control means 107 controlling a fuel supply volume, and utilized for an operation control of the fuel cell. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システムの制御装置に係り、特に未反応燃料を再循環させ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, and more particularly to a control device for a fuel cell system that recirculates unreacted fuel.

一般に、燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤を電気化学的に反応させることにより、燃料のもつ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置であり、その一つとして、電解質に固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池が知られている。   In general, a fuel cell is a device that directly converts chemical energy of a fuel into electrical energy by electrochemically reacting a fuel gas such as hydrogen with an oxidant such as air. A polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte membrane is known.

安定した発電を燃料電池で行うために、水素の供給量は、発電に必要な量より多く燃料極側へ供給する必要があり、燃料電池出口からは、化学反応しなかった余剰水素が排出される。したがって、より水素の利用効率を上げるために、排出される未反応燃料を循環ポンプなどの循環装置により再び供給側へ循環させる燃料電池システムが知られている。   In order to perform stable power generation with a fuel cell, it is necessary to supply more hydrogen to the fuel electrode than is necessary for power generation, and excess hydrogen that did not react chemically is discharged from the fuel cell outlet. The Therefore, a fuel cell system is known in which unreacted fuel discharged is circulated again to the supply side by a circulation device such as a circulation pump in order to further increase the utilization efficiency of hydrogen.

ところで、水素を循環させる燃料電池システムにおいて、酸化剤として空気を用いる場合には、燃料電池の電解質膜などを介して、窒素などの不純物が酸化剤極から燃料極へ透過し、循環流路内に蓄積されていく。この結果、燃料電池内の水素濃度が低下して出力が低下したり、循環装置による水素の循環量が低下するために、安定した発電ができなくなったりする。   By the way, in the fuel cell system in which hydrogen is circulated, when air is used as an oxidant, impurities such as nitrogen permeate from the oxidant electrode to the fuel electrode through the electrolyte membrane of the fuel cell, and the like. Will be accumulated. As a result, the hydrogen concentration in the fuel cell decreases and the output decreases, or the amount of hydrogen circulated by the circulation device decreases, so that stable power generation cannot be performed.

そこで、このような問題に対処するために、水素循環路に排出弁を設け、循環路内の不純物を外部に排出する。しかし、小型の燃料電池では不純物と水素を分離する水素分離装置を備えないため、不純物を排出する際に、一緒に水素を排出する。排出弁を開放しすぎると、水素を過剰に捨てることになり、水素の利用率が下がってしまう。そこで、回転機で駆動される循環ポンプの負荷状態を検出して、負荷状態から不純物ガス濃度を算出する燃料電池システムが開示されている(例えば、特許文献1)。
特開2004−165093号公報(第6ページ、図4)
Therefore, in order to cope with such a problem, a discharge valve is provided in the hydrogen circulation path, and impurities in the circulation path are discharged to the outside. However, since a small fuel cell does not include a hydrogen separation device that separates impurities from hydrogen, hydrogen is discharged together when impurities are discharged. If the discharge valve is opened too much, hydrogen will be discarded excessively and the utilization rate of hydrogen will decrease. Therefore, a fuel cell system that detects the load state of a circulation pump driven by a rotating machine and calculates the impurity gas concentration from the load state is disclosed (for example, Patent Document 1).
Japanese Patent Laying-Open No. 2004-165093 (6th page, FIG. 4)

通常、燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力が高いほど燃料電池本体における発電効率が上がるが、酸化剤ガスとして空気を供給するブロアやコンプレッサの消費電力も空気供給圧力の上昇に応じて増加する。このため、発電電力(電流)の増加に応じて、燃料ガス及び空気圧力を増加させる燃料電池の運転方法が一般に行われている。   Normally, the higher the pressure of the fuel gas and the oxidant gas, the higher the power generation efficiency in the fuel cell body. However, the power consumption of the blower and compressor that supply air as the oxidant gas increases as the air supply pressure increases. For this reason, the operation method of the fuel cell which increases fuel gas and air pressure according to the increase in generated electric power (electric current) is generally performed.

このような燃料電池の運転圧力の変化により、水素系内の不純物濃度や気体組成が一定であっても、気体質量密度は変化する。また燃料電池は、発電開始直後では、温度が氷点下の場合もあり、一方で、100℃近い状態でも使用されることもある。このため、水素系内の気体組成が一定であっても、温度による気体の膨張、および収縮による気体質量密度の影響もまた大きい。   Due to such changes in the operating pressure of the fuel cell, the gas mass density changes even if the impurity concentration and gas composition in the hydrogen system are constant. In addition, immediately after the start of power generation, the temperature of the fuel cell may be below freezing point. On the other hand, the fuel cell may be used even in a state close to 100 ° C. For this reason, even if the gas composition in the hydrogen system is constant, the influence of the gas mass density due to the expansion and contraction of the gas due to the temperature is also great.

気体質量密度の変化によって、燃料電池および循環路で発生する圧力損失が変化する。このとき、循環ポンプの所定回転速度における負荷状態は、気体を循環させるために必要となる揚程(吐出圧力)により変化するため、圧力や温度が変化しやすい燃料電池システムでは、負荷状態から不純物ガス濃度を直接算出することで、算出誤差が大きくなってしまうことになる。   A change in gas mass density changes the pressure loss generated in the fuel cell and the circulation path. At this time, since the load state at a predetermined rotation speed of the circulation pump changes depending on the head (discharge pressure) necessary for circulating the gas, in the fuel cell system in which the pressure and temperature are likely to change, the impurity gas is changed from the load state. By directly calculating the density, the calculation error becomes large.

また目標発電量に応じて、循環ポンプの回転速度を変化させる場合には、例えば加速時には過渡的に負荷が増大するため、このような値を用いて推定を行うと、不純物ガス濃度を精度よく推定することができない。   Also, when the rotational speed of the circulation pump is changed according to the target power generation amount, for example, the load increases transiently during acceleration. For example, if estimation is performed using such values, the impurity gas concentration can be accurately determined. Cannot be estimated.

上記問題点を解決するために、本発明は、燃料極と酸化剤極との間に電解質膜を挟持させてなる単電池を複数積層して構成される燃料電池と、該燃料電池へ燃料を供給する燃料供給路と、前記燃料極から排出される残燃料を燃料供給路へ循環させる燃料循環路と、該燃料循環路に設けられ、燃料極から排出された残燃料を昇圧して循環させる循環装置と、前記燃料循環路の圧力を検出する循環路圧力検出手段と、前記燃料循環路の気体温度を検出する循環路気体温度検出手段と、前記循環装置の運転状態を検出する循環装置運転状態検出手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記循環装置運転状態検出手段が検出した運転状態値に基づいて前記循環装置が循環させる気体の質量密度を推定し、該気体質量密度の推定値、前記循環路圧力検出手段の圧力検出値、および前記循環路気体温度検出手段の温度検出値に基づいて、前記燃料循環路内の気体組成を推定する気体組成推定手段を備えたことを要旨とする燃料電池システムの制御装置である。   In order to solve the above problems, the present invention provides a fuel cell configured by laminating a plurality of single cells each having an electrolyte membrane sandwiched between a fuel electrode and an oxidant electrode, and fuel to the fuel cell. A fuel supply path to be supplied, a fuel circulation path for circulating the residual fuel discharged from the fuel electrode to the fuel supply path, and a booster for circulating the remaining fuel discharged from the fuel electrode provided in the fuel circulation path A circulation device, a circulation pressure detection means for detecting the pressure of the fuel circulation passage, a circulation passage gas temperature detection means for detecting a gas temperature of the fuel circulation passage, and a circulation device operation for detecting an operating state of the circulation device. In the fuel cell system comprising the state detection means, the mass density of the gas circulated by the circulation device is estimated based on the operation state value detected by the circulation device operation state detection means, and the estimated value of the gas mass density , The circuit pressure A fuel cell system comprising gas composition estimation means for estimating a gas composition in the fuel circulation path based on a pressure detection value of a detection means and a temperature detection value of the circulation path gas temperature detection means. It is a control device.

本発明は、燃料ガス(例えば、水素:分子量2)と、酸化剤極から燃料極へ電解質膜を透過した不純物ガス(例えば、窒素:分子量28)との分子量の相違を利用して、燃料循環路内部の気体組成を推定するものである。即ち燃料循環装置が循環させる気体から受ける反作用は、気体の質量密度に比例する。この反作用の大きさを循環装置運転状態として検出し、この運転状態検出値に基づいて燃料循環路内部の気体の質量密度を推定することができる。そして、この推定された質量密度、燃料循環路内の圧力、及び燃料循環路内の温度から燃料循環路内の気体組成を推定する。こうして推定された気体組成は、パージ制御や燃料循環制御等の燃料電池の運転制御の高精度化に用いることができる。   The present invention utilizes a difference in molecular weight between a fuel gas (for example, hydrogen: molecular weight 2) and an impurity gas (for example, nitrogen: molecular weight 28) that has permeated through the electrolyte membrane from the oxidant electrode to the fuel electrode. The gas composition inside the road is estimated. That is, the reaction received from the gas circulated by the fuel circulation device is proportional to the mass density of the gas. The magnitude of this reaction can be detected as the circulating device operating state, and the mass density of the gas inside the fuel circulation path can be estimated based on this operating state detection value. Then, the gas composition in the fuel circulation path is estimated from the estimated mass density, the pressure in the fuel circulation path, and the temperature in the fuel circulation path. The gas composition estimated in this way can be used for high accuracy of operation control of the fuel cell such as purge control and fuel circulation control.

本発明によれば、燃料極から排出された未反応燃料を燃料供給路へ循環させる循環装置の運転状態検出値に基づいて、循環路内の気体の質量密度を推定し、この気体質量密度の推定値と、循環路圧力検出値、および循環路気体温度検出値に基づいて、燃料循環路内の気体組成を推定することができるため、燃料経路内の圧力、温度が変化する場合においても、燃料循環路内の気体組成を正確に推定することができるという効果がある。   According to the present invention, the mass density of the gas in the circulation path is estimated based on the operating state detection value of the circulation device that circulates the unreacted fuel discharged from the fuel electrode to the fuel supply path. Since the gas composition in the fuel circulation path can be estimated based on the estimated value, the circulation path pressure detection value, and the circulation path gas temperature detection value, even when the pressure and temperature in the fuel path change, There is an effect that the gas composition in the fuel circulation path can be accurately estimated.

また、このように正確に推定された燃料循環路内の気体組成推定値を燃料電池システムの運転制御に用いることにより、パージ時の燃料ガスを節約するとともに、燃料循環装置の駆動力を低減し、燃料電池システムの燃費効率を向上させることができるという効果がある。   Further, by using the estimated gas composition value in the fuel circulation path accurately estimated in this way for operation control of the fuel cell system, the fuel gas at the time of purging can be saved and the driving force of the fuel circulation device can be reduced. There is an effect that the fuel efficiency of the fuel cell system can be improved.

次に、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の各実施例は、特に限定されないが、燃料電池システムの燃費効率が走行可能距離に直接影響する燃料電池車両に好適な実施例である。   Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The following embodiments are not particularly limited, but are preferred embodiments for a fuel cell vehicle in which the fuel efficiency of the fuel cell system directly affects the travelable distance.

図1は、この発明の基本構成を示す図である。図中の目標発電電力決定手段101は、燃料電池の目標発電電力を決定する。燃料電池運転状態検出手段102は、燃料電池システムの運転状態を検出する。循環装置運転状態検出手段103は、燃料極出口から排出された燃料ガスを燃料極入口へ循環させる循環装置の運転状態を検出する。   FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of the present invention. The target generated power determining means 101 in the figure determines the target generated power of the fuel cell. The fuel cell operating state detection means 102 detects the operating state of the fuel cell system. The circulation device operating state detection means 103 detects the operation state of the circulation device that circulates the fuel gas discharged from the fuel electrode outlet to the fuel electrode inlet.

気体組成推定手段104は、目標発電電力決定手段101が決定した目標発電電力、燃料電池運転状態検出手段102が検出した運転状態、及び循環装置運転状態検出手段103が検出した運転状態に基づいて、燃料循環路内の気体組成を推定する。気体組成推定手段104は、燃料電池システムの定常的な運転状態から気体質量密度推定を行う定常気体質量密度推定演算部104aと、過渡的な運転状態から気体質量密度推定を行う過渡気体質量密度推定演算部104bを備える。気体組成推定手段104の推定結果は、燃料循環系内の不純物を外部に放出する不純物排出手段105、循環装置の回転速度を制御する循環装置制御手段106、燃料電池への燃料供給量を制御する燃料供給制御手段107のそれぞれに入力され、燃料電池システムの運転動作が決定される。   The gas composition estimating means 104 is based on the target generated power determined by the target generated power determining means 101, the operating state detected by the fuel cell operating state detecting means 102, and the operating state detected by the circulating device operating state detecting means 103. Estimate the gas composition in the fuel circuit. The gas composition estimation means 104 includes a steady gas mass density estimation calculation unit 104a that performs gas mass density estimation from a steady operation state of the fuel cell system, and a transient gas mass density estimation that performs gas mass density estimation from a transient operation state. A calculation unit 104b is provided. The estimation result of the gas composition estimating means 104 controls the impurity discharge means 105 for releasing impurities in the fuel circulation system to the outside, the circulation device control means 106 for controlling the rotation speed of the circulation device, and the amount of fuel supplied to the fuel cell. Input to each of the fuel supply control means 107 to determine the operation of the fuel cell system.

図2は、本発明の実施例1が適用される燃料電池システムの構成を示すシステム構成図である。燃料電池システム1は、例えば固体高分子型の燃料電池2を備えている。燃料電池2は、電解質膜3をアノード(燃料極)4とカソード(酸化剤極)5で挟持した単電池(セル)が複数積層された構造を有するが単電池のみ図示している。アノード4には燃料として水素ガス、カソード5には酸化剤ガスとして空気が供給され、以下に示す電極反応が進行され、電力が発電される。   FIG. 2 is a system configuration diagram showing the configuration of the fuel cell system to which the first embodiment of the present invention is applied. The fuel cell system 1 includes, for example, a polymer electrolyte fuel cell 2. The fuel cell 2 has a structure in which a plurality of unit cells (cells) in which an electrolyte membrane 3 is sandwiched between an anode (fuel electrode) 4 and a cathode (oxidant electrode) 5 are stacked, but only the unit cell is illustrated. Hydrogen gas is supplied as fuel to the anode 4 and air is supplied as oxidant gas to the cathode 5, and the electrode reaction shown below proceeds to generate electric power.

アノード(燃料極) :H2 → 2H+ +2e- …(1)
カソード(酸化剤極):2H+ +2e- +(1/2)O2 → H2O …(2)
このときカソード5で生成された水の一部は水蒸気となって、電解質膜3を透過してアノード4へ侵入する。燃料ガスとしての水素は、水素タンク6から水素タンク元弁7、減圧弁8、水素供給弁9を通じてアノード4へ供給される。水素タンク6から供給される高圧水素は、減圧弁8で機械的に所定の圧力まで減圧され、さらに水素供給弁9でアノード4の入口の水素圧力が所望の圧力となるように減圧される。アノード入口の水素圧力は、アノード入口圧力センサ10aにより検出され、コントローラ30に入力される。
Anode (fuel electrode): H 2 → 2H + + 2e (1)
Cathode (oxidant electrode): 2H + + 2e + (1/2) O 2 → H 2 O (2)
At this time, a part of the water generated at the cathode 5 becomes water vapor and permeates the electrolyte membrane 3 and enters the anode 4. Hydrogen as a fuel gas is supplied from the hydrogen tank 6 to the anode 4 through the hydrogen tank main valve 7, the pressure reducing valve 8, and the hydrogen supply valve 9. The high-pressure hydrogen supplied from the hydrogen tank 6 is mechanically reduced to a predetermined pressure by the pressure reducing valve 8 and further reduced by the hydrogen supply valve 9 so that the hydrogen pressure at the inlet of the anode 4 becomes a desired pressure. The hydrogen pressure at the anode inlet is detected by the anode inlet pressure sensor 10 a and input to the controller 30.

アノード4の出口からアノード4の入口へアノードで消費されなかった燃料ガスを循環させる燃料循環路11が備えられる。循環ポンプ12は、燃料循環路11内の燃料ガスを昇圧させて循環させる循環装置である。循環ポンプ12は図示しない電動機によって駆動され、この電動機の電流を電流センサ13によって検知する。カソード5への空気はコンプレッサ14により供給される。カソード出口には、空気圧調整弁24が設けられ、カソード圧力が制御される。   A fuel circulation path 11 is provided for circulating the fuel gas that has not been consumed at the anode from the outlet of the anode 4 to the inlet of the anode 4. The circulation pump 12 is a circulation device that boosts and circulates the fuel gas in the fuel circulation path 11. Circulation pump 12 is driven by an electric motor (not shown), and current of this electric motor is detected by current sensor 13. Air to the cathode 5 is supplied by the compressor 14. An air pressure adjusting valve 24 is provided at the cathode outlet to control the cathode pressure.

パワーマネージャ15は、燃料電池2から電力を取り出して、負荷装置16もしくはバッテリ17へ電力を供給する。バッテリコントローラ18は、バッテリ17の充放電電流をモニタしてバッテリの蓄電状態(SOC)を算出し、SOCをコントローラ30へ送信する。電圧センサ19は、燃料電池2の単電池毎、もしくは単電池が複数直列接続された単電池群毎の電圧を測定する。コントローラ30は、燃料電池システムの起動、停止、発電時に、各センサ信号を用いてシステム内の各アクチュエータをコントロールする。   The power manager 15 extracts power from the fuel cell 2 and supplies power to the load device 16 or the battery 17. The battery controller 18 monitors the charging / discharging current of the battery 17 to calculate the state of charge (SOC) of the battery, and transmits the SOC to the controller 30. The voltage sensor 19 measures the voltage of each unit cell of the fuel cell 2 or each unit cell group in which a plurality of unit cells are connected in series. The controller 30 controls each actuator in the system using each sensor signal at the time of starting, stopping, and generating power of the fuel cell system.

カソード5には、酸化剤として空気を供給するため、化学反応しない窒素が、電解質膜3を透過して、アノード4、燃料循環路11及び循環ポンプ12を含む水素循環系に蓄積する。水素循環系に蓄積した窒素量が多くなりすぎると、水素循環系の気体の質量密度が増加し、循環ポンプ12によるガス循環量を維持できなくなるため、水素循環系内の窒素量を管理する必要がある。したがって、水素循環系内の窒素を含んだガスをパージ弁20により外部に排出し、水素循環系内に存在する窒素量を循環性能が維持できるようにする。アノード出口圧力センサ10bはアノード出口の圧力を測定するセンサ、アノード入口温度センサ21aはアノード入口の気体の温度を測定するセンサ、アノード出口温度センサ21bはアノード出口の気体温度を測定する温度センサ、湿度センサ22は燃料循環路11内の気体の湿度を測定するセンサであり、それぞれの検出値は、コントローラ30へ入力される。   In order to supply air as an oxidant to the cathode 5, non-chemically reacting nitrogen permeates the electrolyte membrane 3 and accumulates in a hydrogen circulation system including the anode 4, the fuel circulation path 11 and the circulation pump 12. If the amount of nitrogen accumulated in the hydrogen circulation system increases too much, the mass density of the gas in the hydrogen circulation system increases and the gas circulation amount by the circulation pump 12 cannot be maintained, so the amount of nitrogen in the hydrogen circulation system must be managed. There is. Therefore, the gas containing nitrogen in the hydrogen circulation system is discharged to the outside by the purge valve 20 so that the circulation performance can be maintained for the amount of nitrogen present in the hydrogen circulation system. The anode outlet pressure sensor 10b is a sensor that measures the pressure at the anode outlet, the anode inlet temperature sensor 21a is a sensor that measures the temperature of the gas at the anode inlet, the anode outlet temperature sensor 21b is a temperature sensor that measures the gas temperature at the anode outlet, and humidity The sensor 22 is a sensor that measures the humidity of the gas in the fuel circulation path 11, and each detected value is input to the controller 30.

図3は、コントローラ30の構成を示したものである。燃料電池2に要求される電力を検知する要求電力検知部31と、バッテリコントローラ18から送信されるSOCを検知する充電状態検知部32と、要求電力検知部31と充電状態検知部32の検出値を用いて、燃料電池での目標発電電力を決定する燃料電池発電電力決定部33と、目標発電電力に基づいて、酸化剤の供給量を決定し、コンプレッサ14を制御する酸化剤供給量制御部34と、目標発電電力に基づいて燃料の供給量を決定し、アノード入口圧力センサ10aに基づいて、水素供給弁9を制御する燃料供給量制御部35と、目標発電電力に基づいて、安定した発電を行うために必要となる水素循環流量を実現するように、循環ポンプ12を制御する循環量制御部36と、目標発電電力に基づいて、要求電力に対してエネルギーを供給する、もしくは、バッテリにエネルギーを充電するためにパワーマネージャ15で取り出す電力を制御する取り出し電流制御部37と、循環ポンプ状態量検出部39で検出される、循環ポンプの電流、ならびに循環ポンプの回転速度に基づいて気体質量密度、ならびに気体組成を推定する、気体状態量推定部38と、気体状態量推定部38で推定された、気体組成結果に基づき、燃料電池での化学反応に無関係な物質を、水素経路から外部に放出するための排出量制御部40と、燃料電池システムの起動や休止を判定する燃料電池システム起動・休止判定部41からなる。   FIG. 3 shows the configuration of the controller 30. Requested power detection unit 31 for detecting the power required for the fuel cell 2, charge state detection unit 32 for detecting the SOC transmitted from the battery controller 18, detection values of the required power detection unit 31 and the charge state detection unit 32 , A fuel cell generated power determining unit 33 that determines target generated power in the fuel cell, and an oxidant supply amount control unit that determines the supply amount of the oxidant based on the target generated power and controls the compressor 14 34, the fuel supply amount is determined based on the target generated power, the fuel supply amount control unit 35 that controls the hydrogen supply valve 9 based on the anode inlet pressure sensor 10a, and the target generated power is stable. Based on the circulation amount control unit 36 that controls the circulation pump 12 and the target generated power so as to realize the hydrogen circulation flow rate that is necessary for power generation, the energy for the required power A supply current control unit 37 that controls power to be supplied or charged by the power manager 15 to charge the battery, a circulation pump current detected by the circulation pump state quantity detection unit 39, and a circulation pump current The gas mass density and the gas composition are estimated based on the rotation speed, and the gas state quantity estimation unit 38 and the gas composition result estimated by the gas state quantity estimation unit 38 are irrelevant to the chemical reaction in the fuel cell. An emission amount control unit 40 for releasing substances from the hydrogen path to the outside, and a fuel cell system activation / deactivation determination unit 41 that determines activation or deactivation of the fuel cell system.

要求発電量検知部31は、燃料電池2を発電機のように直接エネルギー供給源として用いる、若しくは移動体の駆動力へのエネルギー供給源のように間接的に燃料電池をエネルギー供給源として用いる際の燃料電池2への要求電力を検知する。   The required power generation amount detection unit 31 uses the fuel cell 2 directly as an energy supply source like a generator, or indirectly uses a fuel cell as an energy supply source like an energy supply source for driving force of a moving body. The required power to the fuel cell 2 is detected.

充電状態検知部32は、バッテリコントローラ18からSOCを受信する。バッテリコントローラ18は、バッテリ17の温度、電圧、充放電電流を常にモニタして、バッテリのSOCを算出している。SOCは、例えば、バッテリの満充電量に対する比率(%)で表現される。   The charge state detection unit 32 receives the SOC from the battery controller 18. The battery controller 18 constantly monitors the temperature, voltage, and charge / discharge current of the battery 17 to calculate the SOC of the battery. The SOC is expressed, for example, as a ratio (%) to the full charge amount of the battery.

燃料電池発電量決定部33は、要求電力検知部31から送信される要求電力と、充電状態検知部32から送信されるSOCから、燃料電池2での発電電力を決定する。   The fuel cell power generation amount determination unit 33 determines the generated power in the fuel cell 2 from the required power transmitted from the required power detection unit 31 and the SOC transmitted from the charge state detection unit 32.

酸化剤供給量制御部34は、燃料電池発電量決定部33で決定された目標発電電力に基づいて、発電量相当の酸化剤の供給量を算出し、コンプレッサ14の目標回転速度を決定する。コンプレッサ14には目標回転速度どおりに、実際の回転速度を制御するためのコントローラが備わっている。   The oxidant supply amount control unit 34 calculates the supply amount of the oxidant corresponding to the power generation amount based on the target generated power determined by the fuel cell power generation amount determination unit 33 and determines the target rotation speed of the compressor 14. The compressor 14 is provided with a controller for controlling the actual rotational speed in accordance with the target rotational speed.

燃料供給量制御部35は、燃料電池発電電力決定部33で決定された目標発電電力に基づいて、発電のために必要な水素供給量と、目標発電電力を満たすように、達成すべき変換効率となる燃料電池目標圧力を決定して、目標値を満たすようにアノード入口圧力センサ10aを用いて、水素供給弁9の目標開度を決定する。水素供給弁9は目標開度どおりに実際の開度を制御するためのコントローラが備わっている。   Based on the target generated power determined by the fuel cell generated power determining unit 33, the fuel supply amount control unit 35 converts the hydrogen supply necessary for power generation and the conversion efficiency to be achieved so as to satisfy the target generated power. The target opening of the hydrogen supply valve 9 is determined using the anode inlet pressure sensor 10a so as to satisfy the target value. The hydrogen supply valve 9 is provided with a controller for controlling the actual opening degree according to the target opening degree.

循環量制御部36は、燃料電池発電電力決定部33で決定された目標発電電力に基づいて、余剰水素循環量を実現するために循環ポンプ12の回転速度を決定する。このとき目標発電電力に対する回転速度を決定するためには、水素循環系に存在する窒素量を仮定する必要がある。この仮定した窒素量が存在したときの水素循環系内の気体密度を標準気体密度として決定する。例えば、水素循環系の気体の体積を気体の標準状態である0[℃],1[atm]を用いて表すとして、全体の気体の体積に対し、窒素の体積(窒素量)は、例えば10〜40[%]の範囲から、実験的に求めた燃費効率の高い任意の点に設定する。   The circulation amount control unit 36 determines the rotation speed of the circulation pump 12 in order to realize the surplus hydrogen circulation amount based on the target generated power determined by the fuel cell generated power determination unit 33. At this time, in order to determine the rotation speed with respect to the target generated power, it is necessary to assume the amount of nitrogen existing in the hydrogen circulation system. The gas density in the hydrogen circulation system when the assumed amount of nitrogen exists is determined as the standard gas density. For example, assuming that the volume of the gas in the hydrogen circulation system is expressed using 0 [° C.] and 1 [atm], which are gas standard states, the volume of nitrogen (nitrogen amount) is, for example, 10 From the range of ˜40 [%], it is set to an arbitrary point with high fuel efficiency obtained experimentally.

ここで、循環ポンプの駆動電力に燃料電池の発電電力を利用するとすれば、この電力は外部負荷に供給できない電力であるので、燃料電池の燃費効率において、パージによる不純物排出と同時に排出される水素量と、循環ポンプの駆動電力とは相反関係にある。   Here, if the generated power of the fuel cell is used for the driving power of the circulation pump, this power cannot be supplied to the external load. Therefore, in the fuel cell efficiency of the fuel cell, the hydrogen discharged simultaneously with the discharge of impurities due to the purge. The quantity and the driving power of the circulation pump are in a reciprocal relationship.

窒素量を高く設定すると、パージ量或いはパージ頻度が低下し、不純物排出と同時に排出される水素量を低減することができるが、水素循環系内の気体の質量密度が高くなり、循環装置である循環ポンプの駆動電力が増加する。逆に、窒素量を低く設定すると、水素循環系内の気体の質量密度が低くなり、循環ポンプの駆動電力を減少させることができるが、パージ量或いはパージ頻度が増加し、不純物排出と同時に排出される水素量が増加する。固体高分子型燃料電池では、燃料電池の材質、構造、出力密度等によって、10〜40[%]の範囲に、燃費効率が最も高くなる最適な窒素量の点があり、これを実験的に求めて設定するのが好ましい。   When the nitrogen amount is set high, the purge amount or the purge frequency is reduced, and the amount of hydrogen discharged at the same time as the impurity discharge can be reduced. However, the mass density of the gas in the hydrogen circulation system is increased, which is a circulation device. The driving power of the circulation pump increases. Conversely, if the nitrogen amount is set low, the mass density of the gas in the hydrogen circulation system is reduced, and the drive power of the circulation pump can be reduced, but the purge amount or purge frequency increases, and the impurities are discharged simultaneously with the impurity discharge. The amount of hydrogen produced increases. In the polymer electrolyte fuel cell, depending on the material, structure, power density, etc. of the fuel cell, there is an optimum nitrogen amount in the range of 10 to 40 [%] where the fuel efficiency becomes the highest. It is preferable to obtain and set.

こうして決定した窒素量を燃料電池運転中に、水素循環系内で維持する目標窒素量とする。循環ポンプ12には目標回転速度どおりに、実際の回転速度を制御するためのコントローラが備わっている。   The nitrogen amount thus determined is set as a target nitrogen amount to be maintained in the hydrogen circulation system during operation of the fuel cell. The circulation pump 12 is provided with a controller for controlling the actual rotational speed in accordance with the target rotational speed.

取り出し電流制御部37は、燃料電池発電電力決定部33で決定された目標発電電力に基づいて、パワーマネージャ15が燃料電池2から目標発電電力を取り出すための、目標取り出し電流を決定する。パワーマネージャ15には目標取り出し電流どおりに、実際の取り出し電流を制御するためのコントローラが備わっている。   The extraction current control unit 37 determines a target extraction current for the power manager 15 to extract the target generated power from the fuel cell 2 based on the target generated power determined by the fuel cell generated power determination unit 33. The power manager 15 includes a controller for controlling the actual extraction current in accordance with the target extraction current.

気体状態量推定部38は、循環ポンプ状態量検出部39で検出した循環ポンプ12の回転速度、ならびに電流センサ13で検出した循環ポンプの駆動モータに流れる電流を用いて、燃料循環路11内の気体質量密度を推定する。このとき気体質量密度推定方法を燃料電池の運転状態が定常状態か過渡状態かに応じて、定常気体質量密度推定演算と過渡気体質量密度推定演算とに切り替える。また推定した気体質量密度を用いて気体組成を推定する。   The gas state quantity estimation unit 38 uses the rotational speed of the circulation pump 12 detected by the circulation pump state quantity detection unit 39 and the current flowing in the drive motor of the circulation pump detected by the current sensor 13 in the fuel circulation path 11. Estimate the gas mass density. At this time, the gas mass density estimation method is switched between a steady gas mass density estimation calculation and a transient gas mass density estimation calculation depending on whether the operation state of the fuel cell is a steady state or a transient state. The gas composition is estimated using the estimated gas mass density.

排出量制御部40は、気体状態量推定部38で推定された、気体組成推定結果に基づいて、不純物排出量を決定し、パージ弁20の開度を制御する。   The discharge amount control unit 40 determines the impurity discharge amount based on the gas composition estimation result estimated by the gas state amount estimation unit 38 and controls the opening degree of the purge valve 20.

燃料電池システム起動・休止判定部41は、ユーザから燃料電池の発電開始をする要求された、もしくはユーザからの発電要求電力が小さくなり、発電を休止するという判断を行う。   The fuel cell system activation / deactivation determination unit 41 makes a determination that the user is requested to start power generation of the fuel cell or that the power generation request power from the user is reduced and power generation is suspended.

図4は、実施例1におけるコントローラの動作を説明するフローチャートである。   FIG. 4 is a flowchart for explaining the operation of the controller in the first embodiment.

先ず、ステップ(以下、ステップをSと略す)102において、燃料電池システムへの要求電力を検知し、S104において、バッテリコントローラ18からバッテリ17のSOCを受信することによりSOCを検知する。次いでS106で、燃料電池2の現在の発電電力(以下、単に発電電力という)と、目標発電電力を算出する。発電電力は、電圧センサ19が検出した燃料電池2の現在の総電圧と、パワーマネジャー15から通知される現在の取り出し電流との積で算出する。目標発電電力は、例えば要求電力の変化速度を燃料電池が応答可能な一定の変化速度以内に制限して要求電力に追随する電力として算出する。   First, in step (hereinafter abbreviated as S) 102, the required power to the fuel cell system is detected, and in S104, the SOC of the battery 17 is received from the battery controller 18 to detect the SOC. Next, in S106, the current generated power of the fuel cell 2 (hereinafter simply referred to as generated power) and the target generated power are calculated. The generated power is calculated by the product of the current total voltage of the fuel cell 2 detected by the voltage sensor 19 and the current extraction current notified from the power manager 15. The target generated power is calculated, for example, as power that follows the required power by limiting the change speed of the required power within a certain change speed that the fuel cell can respond to.

次いで、S108で要求電力より発電電力が大きいか否かを判定する。要求電力より発電電力が大きければ、S110へ進み、そうでなければ、S112へ進む。   Next, in S108, it is determined whether the generated power is larger than the required power. If the generated power is larger than the required power, the process proceeds to S110, and if not, the process proceeds to S112.

S110では、S104で検知したSOCがSOC1より少ないか否かを判定する。ここでSOC1は、所定値でもよいが、発電電力Pf−要求電力Pr=余剰電力Peを定常気体質量密度推定に必要な所定時間T1の間、バッテリ17へ充電可能な空き容量があるSOCとするのが好ましい。   In S110, it is determined whether the SOC detected in S104 is less than SOC1. Here, the SOC1 may be a predetermined value, but the generated power Pf−the required power Pr = the surplus power Pe is an SOC having a free capacity capable of charging the battery 17 for a predetermined time T1 necessary for steady gas mass density estimation. Is preferred.

(1−SOC1)×Q=(Pe/V)×T1 …(3)
ここで、バッテリの電圧V、バッテリの最大充電容量Q、SOC及びSOC1は、0から1までの数([0,1])とする。
(1-SOC1) × Q = (Pe / V) × T1 (3)
Here, the voltage V of the battery, the maximum charge capacity Q of the battery, the SOC, and the SOC1 are numbers from 0 to 1 ([0, 1]).

S110の判定で、SOCがSOC1より少なければ、余剰電力をバッテリ17へ充電するのに十分な空き容量があるとして、S114へ進む。SOCがSOC1以上であれば、S116へ進む。   If it is determined in S110 that the SOC is less than SOC1, it is determined that there is sufficient free capacity to charge the battery 17 with surplus power, and the process proceeds to S114. If the SOC is SOC1 or more, the process proceeds to S116.

S112では、S104で検知したSOCがSOC2より多いか否かを判定する。ここでSOC2は、SOC1とは異なる所定値でもよいが、発電電力Pf−要求電力Pr=不足電力Puを定常気体質量密度推定に必要な所定時間T1の間、バッテリ17から放電可能な充電容量があるSOCとするのが好ましい。   In S112, it is determined whether or not the SOC detected in S104 is greater than SOC2. Here, the SOC2 may be a predetermined value different from the SOC1, but the charge capacity that can be discharged from the battery 17 during the predetermined time T1 required for the steady gas mass density estimation is calculated as the generated power Pf−the required power Pr = the insufficient power Pu. A certain SOC is preferable.

SOC2×Q=(Pu/V)×T1 …(4)
ここで、Vはバッテリ電圧、Qはバッテリ最大充電容量、SOC及びSOC2は、0から1までの数とする。
SOC2 × Q = (Pu / V) × T1 (4)
Here, V is a battery voltage, Q is a battery maximum charge capacity, and SOC and SOC2 are numbers from 0 to 1.

S112の判定で、SOCがSOC2より多ければ、不足電力をバッテリ17から放電するのに十分な充電容量があるとして、S114へ進む。SOCがSOC2以下であれば、S116へ進む。   If it is determined in S112 that the SOC is greater than SOC2, it is determined that there is sufficient charge capacity to discharge the insufficient power from the battery 17, and the process proceeds to S114. If the SOC is SOC2 or less, the process proceeds to S116.

S114では、燃料電池システムの定常運転状態を作り出して気体組成を推定するために、酸化剤供給量制御部34で決定される目標空気流量、およびコンプレッサ回転速度、燃料供給量制御部35で決定される目標燃料電池入口圧力、循環量制御部36で決定される循環ポンプ回転速度、取り出し電流制御部37で決定される目標取り出し電流が固定される。即ち、燃料電池の運転パラメータを制御する水素供給弁9,循環ポンプ12,コンプレッサ14,及び空気圧調整弁24への指示値を継続させ、また現在の取り出し電流の継続をパワーマネジャー15へ指示して、S118へ進む。   In S114, the target air flow rate determined by the oxidant supply amount control unit 34, the compressor rotation speed, and the fuel supply amount control unit 35 are determined in order to create a steady operation state of the fuel cell system and estimate the gas composition. The target fuel cell inlet pressure, the circulation pump rotational speed determined by the circulation amount control unit 36, and the target extraction current determined by the extraction current control unit 37 are fixed. That is, the instruction values to the hydrogen supply valve 9, the circulation pump 12, the compressor 14, and the air pressure adjusting valve 24 for controlling the operation parameters of the fuel cell are continued, and the current manager is instructed to continue the current extraction. , Go to S118.

S116では、S110またはS112で定常的な運転状態ができないと判断されたため、燃料電池発電電力決定部33で決定する目標発電電力を要求電力と、バッテリの残容量に基づいて決定する。これにより酸化剤供給量制御部34、燃料供給量制御部35、循環量制御部36、取り出し電流制御部37では目標発電量相当の各アクチュエータの目標稼動量を決定する。即ち、S106で算出した燃料電池の目標発電電力相当値に対する各種制御値のマップを参照して求め、水素供給弁9,循環ポンプ12,コンプレッサ14,及び空気圧調整弁24への制御目標値を設定し、また目標発電電力相当の電流取り出しをパワーマネジャー15に指示して、S118へ進む。   In S116, it is determined that a steady operation state cannot be performed in S110 or S112. Therefore, the target generated power determined by the fuel cell generated power determination unit 33 is determined based on the required power and the remaining battery capacity. As a result, the oxidant supply amount control unit 34, the fuel supply amount control unit 35, the circulation amount control unit 36, and the extraction current control unit 37 determine the target operation amount of each actuator corresponding to the target power generation amount. That is, the control target values for the hydrogen supply valve 9, the circulation pump 12, the compressor 14, and the air pressure adjusting valve 24 are set by referring to a map of various control values corresponding to the target generated power equivalent value of the fuel cell calculated in S 106. In addition, the power manager 15 is instructed to extract a current corresponding to the target generated power, and the process proceeds to S118.

S118では、アノード入口圧力センサ10a、アノード入口温度センサ21a、アノード出口圧力センサ10b、アノード出口温度センサ21b、循環ポンプ12の回転速度センサ、循環ポンプ12の駆動モータ電流センサ13の各検出値を燃料電池運転状態として読み込む。   In S118, the detected values of the anode inlet pressure sensor 10a, the anode inlet temperature sensor 21a, the anode outlet pressure sensor 10b, the anode outlet temperature sensor 21b, the rotational speed sensor of the circulation pump 12, and the drive motor current sensor 13 of the circulation pump 12 are used as fuel. Read as battery operating status.

次いで、S120では、燃料電池システムの運転状態が定常的な運転状態であり、かつその状態が所定時間以上継続しているかを判断する。具体的には目標発電電力が所定時間一定値であり、アノード入口圧力センサ10a、アノード出口圧力センサ10b、パワーマネージャ15での取り出し電流、循環ポンプ12の回転速度、および循環ポンプモータ電流検出値が所定時間一定値であることを検出する。このときの所定時間は、実験により定常気体質量密度推定に要する時間を予め求めておいて設定する。   Next, in S120, it is determined whether the operation state of the fuel cell system is a steady operation state and the state continues for a predetermined time or more. Specifically, the target generated power is a constant value for a predetermined time, the extraction current at the anode inlet pressure sensor 10a, the anode outlet pressure sensor 10b, the power manager 15, the rotational speed of the circulation pump 12, and the circulation pump motor current detection value. A constant value is detected for a predetermined time. The predetermined time at this time is set by obtaining in advance the time required for estimating the steady gas mass density by experiment.

S120で定常状態継続時間が所定時間以上であれば、S122へ進み、定常気体質量密度演算を行い、S126へ進む。S120で定常状態継続時間が所定時間未満であれば、S124へ進み過渡気体質量密度演算を行い、S126へ進む。   If the steady state duration time is equal to or longer than the predetermined time in S120, the process proceeds to S122, the steady gas mass density calculation is performed, and the process proceeds to S126. If the steady state duration time is less than the predetermined time in S120, the process proceeds to S124, a transient gas mass density calculation is performed, and the process proceeds to S126.

S122では定常気体質量密度推定演算を行う。この演算の詳細を図5の定常気体質量密度推定部201に示す。定常気体質量密度推定部201は、循環ポンプ回転速度と循環ポンプ駆動モータ電流から気体質量密度を算出するマップを備えている。このマップは、実際の燃料電池システムのアノード及び燃料循環路にそれぞれ異なる気体質量密度のガスを封入し、循環ポンプ回転速度を変化させて、循環ポンプ駆動モータの電流を計測して求める、もしくは、燃料循環路、および燃料電池の圧損特性設計値と、ポンプの圧力流量特性、およびこのときの駆動モータの回転速度−トルク特性の設計値を元に設計する。   In S122, a steady gas mass density estimation calculation is performed. Details of this calculation are shown in the steady gas mass density estimation unit 201 of FIG. The steady gas mass density estimation unit 201 includes a map for calculating the gas mass density from the circulation pump rotation speed and the circulation pump drive motor current. This map is obtained by enclosing gas of different gas mass density in the anode and fuel circulation path of the actual fuel cell system, changing the circulation pump rotation speed, and measuring the current of the circulation pump drive motor, or The pressure loss characteristic design value of the fuel circulation path and the fuel cell, the pressure flow characteristic of the pump, and the design value of the rotational speed-torque characteristic of the drive motor at this time are designed.

図6にポンプの圧力流量特性と、燃料循環路および燃料電池アノードの圧損特性の関係を示す。循環ポンプにより燃料循環路内の気体を昇圧して、循環流量を確保するためには、燃料循環路および燃料電池のアノードガス流路の構成から決定される圧損分だけ昇圧する必要がある。そのため、所定回転速度R1で稼動させたときの、循環ポンプの動作点は、ポンプの圧力流量特性と、圧損特性との交点として求まる。   FIG. 6 shows the relationship between the pressure flow characteristics of the pump and the pressure loss characteristics of the fuel circuit and the fuel cell anode. In order to increase the gas in the fuel circulation path by the circulation pump and ensure the circulation flow rate, it is necessary to increase the pressure by the pressure loss determined from the configurations of the fuel circulation path and the anode gas flow path of the fuel cell. Therefore, the operating point of the circulation pump when operating at the predetermined rotational speed R1 is obtained as the intersection of the pressure flow characteristic of the pump and the pressure loss characteristic.

圧損特性は図6に示すように、気体の質量密度によって変化するので、気体質量密度の違いで循環ポンプの動作点は変化する、すなわちポンプの仕事率が気体質量密度で変化する。循環ポンプを駆動するモータの仕事率は回転速度とトルクとの積であるため、回転速度を固定し、気体質量密度による循環ポンプの仕事率の変化からトルクが変化することを利用して、気体密度推定を行う。   As shown in FIG. 6, the pressure loss characteristic varies depending on the gas mass density. Therefore, the operating point of the circulation pump varies depending on the difference in the gas mass density, that is, the work rate of the pump varies with the gas mass density. Since the power of the motor that drives the circulation pump is the product of the rotation speed and torque, the rotation speed is fixed, and the change in torque from the change in the work efficiency of the circulation pump due to gas mass density makes it possible to Perform density estimation.

ここで燃料電池は運転状態によって、圧力や温度が変化するために、気体質量密度の変化は、気体組成だけでなく、圧力や温度の変化についても変化する。また図7に示すように、速度式の循環ポンプは、回転速度ごとの圧力流量特性が気体質量密度によって変化するものがある。燃料電池の運転中に管理する対象は、燃料電池の水素循環系の気体組成、特に窒素濃度である。気体組成を求めるためには、気体質量密度によって循環ポンプの動作点が変化することを考慮して、まず気体質量密度を求め、その後、圧力、温度の影響を加味して、気体組成を求める必要がある。   Here, since the pressure and temperature of the fuel cell change depending on the operating state, the change in the gas mass density changes not only in the gas composition but also in the pressure and temperature. Further, as shown in FIG. 7, there are some speed type circulation pumps whose pressure flow characteristics at each rotation speed change depending on the gas mass density. The target to be managed during the operation of the fuel cell is the gas composition of the hydrogen circulation system of the fuel cell, particularly the nitrogen concentration. In order to determine the gas composition, it is necessary to first determine the gas mass density in consideration of the fact that the operating point of the circulation pump varies depending on the gas mass density, and then determine the gas composition taking into account the effects of pressure and temperature. There is.

図4に戻って、S124では過渡気体質量密度推定演算を行う。過渡気体質量密度推定演算は、循環ポンプの回転速度が一定でないときに行う推定方法であり、その原理を図8に示す。図8(a)は、過渡気体質量密度推定における力学的パラメータの説明図、図8(b)は、異なる気体質量密度における一定目標回転速度を与えた循環ポンプのモータトルク変化を示すタイムチャートである。   Returning to FIG. 4, a transient gas mass density estimation calculation is performed in S124. The transient gas mass density estimation calculation is an estimation method performed when the rotation speed of the circulation pump is not constant, and its principle is shown in FIG. FIG. 8A is an explanatory diagram of mechanical parameters in transient gas mass density estimation, and FIG. 8B is a time chart showing changes in the motor torque of the circulation pump given a constant target rotational speed at different gas mass densities. is there.

循環ポンプは、駆動モータのロータ部と循環ポンプのインペラ部とが高剛性のシャフトで接続されていると想定し、この回転部分のイナーシャ(慣性モーメント)をJM とする。モータロータに駆動トルクτM が印加されたとき、インペラが昇圧する気体の反力τG(ρ)が回転を妨げる方向に働く。それらの駆動力と反力との合成力よって、モータ即ちインペラの回転速度ωM の時間変化が発生する。この関係は、以下の式(5)で表される。ここでρは、気体の質量密度である。 In the circulation pump, it is assumed that the rotor part of the drive motor and the impeller part of the circulation pump are connected by a highly rigid shaft, and the inertia (moment of inertia) of this rotating part is J M. When driving torque τ M is applied to the motor rotor, the reaction force τ G (ρ) of the gas boosted by the impeller acts in a direction that prevents rotation. A time change of the rotational speed ω M of the motor, that is, the impeller, is generated by the combined force of the driving force and the reaction force. This relationship is expressed by the following formula (5). Here, ρ is the mass density of the gas.

τM −τG(ρ)=JM ×(d(ωM )/dt) …(5)
したがって、循環ポンプの回転部分のイナーシャと、駆動トルク(すなわち電流)、および回転速度の変化から気体の反力τG(ρ)を算出できる。具体的には、例えば、サンプリング周期ΔT毎に、回転速度の変化ΔωM と駆動モータのトルクτM とを求め、サンプリング周期ΔT毎にτG(ρ)を算出する。次いで、複数のサンプリング周期におけるτG(ρ)の平均値を求める。そして予め実験でτG(ρ)と気体の質量密度ρの関係を求めておいたマップから、τG(ρ)の平均値を用いて、気体質量密度ρを求める。
τ M −τ G (ρ) = J M × (d (ω M ) / dt) (5)
Therefore, the gas reaction force τ G (ρ) can be calculated from the inertia of the rotating portion of the circulation pump, the drive torque (ie, current), and the change in the rotation speed. Specifically, for example, the rotation speed change Δω M and the drive motor torque τ M are obtained for each sampling period ΔT, and τ G (ρ) is calculated for each sampling period ΔT. Next, an average value of τ G (ρ) in a plurality of sampling periods is obtained. Then, the gas mass density ρ is obtained using the average value of τ G (ρ) from the map in which the relationship between τ G (ρ) and the gas mass density ρ has been obtained in advance by experiments.

S122の定常気体質量密度推定演算、或いはS124の過渡気体質量密度演算を行った後、次いで、S126では、推定された気体質量密度に基づいて、気体組成推定演算を行う。気体組成推定方法を図5に示す。   After performing the steady gas mass density estimation calculation of S122 or the transient gas mass density calculation of S124, next, in S126, a gas composition estimation calculation is performed based on the estimated gas mass density. The gas composition estimation method is shown in FIG.

モル質量算出部202は、気体質量密度推定値と、圧力センサ10bが検出した循環路圧力検出値と、温度センサ21bが検出した循環路温度検出値から式(6)によりモル質量を計算する。   The molar mass calculation unit 202 calculates the molar mass by the equation (6) from the estimated gas mass density value, the circulation path pressure detection value detected by the pressure sensor 10b, and the circulation path temperature detection value detected by the temperature sensor 21b.

モル質量[g/mol]=(気体質量密度推定値[g/L])×(完全気体の体積22.4[L/mol])
×(1atmの気圧101.3[kPa]/循環路圧力センサ検出値[kPa])
×(1+(循環路温度センサ検出値[K]/0[℃]の温度273.15[K]))
…(6)
水蒸気濃度算出部203は、循環路温度センサ検出値、循環路圧力センサ検出値、ならびに湿度センサ22が検出した循環路湿度検出値から、水蒸気濃度を求める。この方法としては、温度と湿度からAntoineの式などを用いて、水蒸気分圧を求め、水蒸気分圧を全圧で割ることで、水蒸気濃度を求める。
Molar mass [g / mol] = (Estimated gas mass density [g / L]) x (Total gas volume 22.4 [L / mol])
× (1atm pressure 101.3 [kPa] / circulation pressure sensor detection value [kPa])
× (1+ (Temperature sensor detection value [K] / 0 [℃] temperature 273.15 [K]))
(6)
The water vapor concentration calculation unit 203 obtains the water vapor concentration from the circuit temperature sensor detection value, the circuit pressure sensor detection value, and the circuit humidity detection value detected by the humidity sensor 22. As this method, the water vapor partial pressure is obtained from the temperature and humidity using the Antoine equation, and the water vapor partial pressure is divided by the total pressure to obtain the water vapor concentration.

気体組成算出部204は、水素濃度及び窒素濃度を求める。モル質量算出部202で求めたモル質量をM、水蒸気濃度算出部203で求めた水蒸気濃度をyとして、窒素濃度をxとすると、以下の式(7)として表されるので、M,yが既知であるからxが求まり、水素濃度、ならびに、窒素濃度が求まる。   The gas composition calculation unit 204 obtains a hydrogen concentration and a nitrogen concentration. Since M is the molar mass determined by the molar mass calculation unit 202, y is the water vapor concentration determined by the water vapor concentration calculation unit 203, and x is the nitrogen concentration, M and y are expressed as the following equation (7). Since x is known, the hydrogen concentration and the nitrogen concentration are determined.

M=(水素の分子量[g/mol]:2)×(1-x)+(窒素の分子量[g/mol]:28)×x
+(水蒸気の分子量[g/mol]:18)×y …(7)
燃料電池においては、温度が低い状態で発電を行うのであれば、水蒸気分圧は高くなく、全圧が高ければ、水蒸気濃度は小さくなるため、水蒸気濃度を考慮しなくてもよい。また内部加湿の燃料電池のように、水蒸気が常に飽和状態であると考えられる場合には、温度センサの検出値から飽和水蒸気圧が求まるので湿度センサは不要である。
M = (molecular weight of hydrogen [g / mol]: 2) × (1-x) + (molecular weight of nitrogen [g / mol]: 28) × x
+ (Molecular weight of water vapor [g / mol]: 18) x y (7)
In a fuel cell, if power generation is performed at a low temperature, the water vapor partial pressure is not high, and if the total pressure is high, the water vapor concentration is small, so the water vapor concentration need not be taken into consideration. Further, when it is considered that the water vapor is always in a saturated state as in an internal humidified fuel cell, the humidity sensor is unnecessary because the saturated water vapor pressure can be obtained from the detection value of the temperature sensor.

図4に戻って、S128では、S126で求めた窒素濃度から水素循環系内の窒素量を推定し、推定窒素量と目標窒素量とを比較する。これは、図6で示したように、循環ポンプの所定回転速度における圧力流量特性と、燃料循環路および燃料電池アノードの圧損特性との交点が気体質量密度によって変化することを用いて、推定した気体質量密度と、循環ポンプの回転速度からポンプの圧力流量特性を元に、循環流量を求める。   Returning to FIG. 4, in S128, the nitrogen amount in the hydrogen circulation system is estimated from the nitrogen concentration obtained in S126, and the estimated nitrogen amount and the target nitrogen amount are compared. As shown in FIG. 6, this is estimated by using the fact that the intersection of the pressure flow rate characteristic at a predetermined rotational speed of the circulation pump and the pressure loss characteristic of the fuel circulation path and the fuel cell anode varies depending on the gas mass density. The circulation flow rate is obtained from the gas mass density and the rotation speed of the circulation pump based on the pressure flow characteristic of the pump.

そして、燃料循環路11と燃料電池のアノード4との流路体積と、水素供給量と循環流量、および推定した窒素濃度、水蒸気濃度、水素濃度から水素循環系内の窒素量を求める。   Then, the amount of nitrogen in the hydrogen circulation system is obtained from the flow path volume between the fuel circulation path 11 and the anode 4 of the fuel cell, the hydrogen supply amount and the circulation flow rate, and the estimated nitrogen concentration, water vapor concentration, and hydrogen concentration.

燃料循環路11中の窒素量は、燃料循環路11の体積に推定した燃料循環路の窒素濃度を掛け合わせることで求める。   The amount of nitrogen in the fuel circulation path 11 is obtained by multiplying the volume of the fuel circulation path 11 by the estimated nitrogen concentration in the fuel circulation path.

燃料電池のアノード4内の窒素量を求めるには、最初に水素供給量と循環流量から、燃料電池入口での窒素濃度が求まる。なお水素供給量は、水素供給弁9の開度とその前後差圧から求める。そして、アノード内の窒素濃度分布が入口から出口へ線形に変化すると仮定して、アノード入口窒素濃度と循環路窒素濃度から平均窒素濃度を求め、これとアノード内の容積を掛け合わせることで求める。   In order to obtain the nitrogen amount in the anode 4 of the fuel cell, first, the nitrogen concentration at the fuel cell inlet is obtained from the hydrogen supply amount and the circulation flow rate. The hydrogen supply amount is obtained from the opening of the hydrogen supply valve 9 and the differential pressure across it. Then, assuming that the nitrogen concentration distribution in the anode changes linearly from the inlet to the outlet, the average nitrogen concentration is obtained from the anode inlet nitrogen concentration and the circulation channel nitrogen concentration, and this is multiplied by the volume in the anode.

この求めた窒素量を気体の標準状態、0[℃],1[atm]へ変換する際に、センサ値を用いて、圧力、温度の平均値を算出してこれを用いて変換を行う。これらの処理は気体状態量推定部38で行う。   When the obtained nitrogen amount is converted into the standard state of gas, 0 [° C.], 1 [atm], the sensor value is used to calculate the average value of pressure and temperature, and this is used for conversion. These processes are performed by the gas state quantity estimation unit 38.

S128の判定で、推定窒素量が目標窒素量より多ければ、S130へ進む。推定窒素量が目標窒素量と等しければ、何もせずにリターンする。推定窒素量が目標窒素量より少なければS138に進む。   If it is determined in S128 that the estimated nitrogen amount is larger than the target nitrogen amount, the process proceeds to S130. If the estimated nitrogen amount is equal to the target nitrogen amount, the process returns without doing anything. If the estimated nitrogen amount is less than the target nitrogen amount, the process proceeds to S138.

S130では、窒素排出量を増やすように、パージ弁20を制御する。周期的に開閉をするパージ弁20であれば、開時間を延長または閉時間を短縮し、可変開度弁であれば、開度を大きくするように制御量を補正する。このときの補正量は、推定窒素量と目標窒素量との差、もしくは、実際の電流値と、標準気体密度における循環ポンプの電流値との差の、すくなくとも一方に基づいて決定する。差が大きいほど、排出量が多くなるように補正する。そしてS132へ進む。   In S130, the purge valve 20 is controlled so as to increase the nitrogen discharge amount. In the case of the purge valve 20 that opens and closes periodically, the open time is extended or shortened, and in the case of a variable opening valve, the control amount is corrected so as to increase the opening. The correction amount at this time is determined based on at least one of the difference between the estimated nitrogen amount and the target nitrogen amount, or the difference between the actual current value and the current value of the circulation pump at the standard gas density. The larger the difference is, the more the discharge amount is corrected. Then, the process proceeds to S132.

S132では、図3の循環量制御部36で決定していた循環ポンプ12の目標回転速度に対し、目標回転速度を増やすように補正する。このときの補正量は、目標窒素量と推定した窒素量の差に基づいて決定する。そしてS134へ進む。   In S132, it correct | amends so that a target rotational speed may be increased with respect to the target rotational speed of the circulation pump 12 determined by the circulation amount control part 36 of FIG. The correction amount at this time is determined based on the difference between the target nitrogen amount and the estimated nitrogen amount. Then, the process proceeds to S134.

S134では、S132で回転速度を増加した結果、回転速度が循環ポンプ性能上の最大値となるかの判断を行う。最大値になると判断した場合には、循環ポンプの目標回転速度を最大値で制限してS136へ進み、そうでない場合にはリターンする。   In S134, it is determined whether the rotation speed reaches the maximum value in the circulation pump performance as a result of increasing the rotation speed in S132. If it is determined that the maximum value is reached, the target rotational speed of the circulation pump is limited to the maximum value, and the process proceeds to S136. If not, the process returns.

S136では、S134で循環ポンプ回転速度が最大値となり、循環流量を増やすことができないため、燃料電池への水素供給量が不足すると判断し、燃料電池入口圧力の目標値を通常使用している目標値より高く設定する。ここで目標値は、燃料電池21の耐圧を考慮して上限を設定して、リターンする。これによって水素供給弁の開度が増加して、供給水素量が増えることになる。   In S136, since the circulating pump rotational speed reaches the maximum value in S134 and the circulating flow rate cannot be increased, it is determined that the amount of hydrogen supplied to the fuel cell is insufficient, and the target value for the normal use of the target value of the fuel cell inlet pressure is determined. Set higher than the value. Here, the target value returns after setting an upper limit in consideration of the pressure resistance of the fuel cell 21. As a result, the opening of the hydrogen supply valve increases, and the amount of hydrogen supplied increases.

S138では、窒素排出量を減少するように、パージ弁20を制御する。周期的に開閉をするパージ弁20であれば、開時間を短縮または閉時間を延長し、可変開度弁であれば、開度を小さくするように制御量を補正する。このときの補正量は、推定窒素量と目標窒素量との差、もしくは、実際の電流値と、標準気体密度における循環ポンプの電流値との差の、すくなくとも一方に基づいて決定する。差が大きいほど、排出量が少なくなるように補正する。そしてS140へ進む。   In S138, the purge valve 20 is controlled so as to reduce the nitrogen discharge amount. If the purge valve 20 opens and closes periodically, the opening time is shortened or the closing time is extended. If the valve is a variable opening valve, the control amount is corrected so as to reduce the opening. The correction amount at this time is determined based on at least one of the difference between the estimated nitrogen amount and the target nitrogen amount, or the difference between the actual current value and the current value of the circulation pump at the standard gas density. The larger the difference is, the smaller the discharge amount is corrected. Then, the process proceeds to S140.

S140では、図3の循環量制御部36で決定していた循環ポンプ12の目標回転速度に対し、目標回転速度を減少するように補正する。このときの補正量は、目標窒素量と推定した窒素量の差に基づいて決定する。そしてリターンする。   In S140, the target rotation speed of the circulation pump 12 determined by the circulation amount control unit 36 in FIG. 3 is corrected so as to decrease the target rotation speed. The correction amount at this time is determined based on the difference between the target nitrogen amount and the estimated nitrogen amount. Then return.

なおS130、S132、S136は、全て行う例を示したが、いずれか一つ、もしくは二つの組み合わせで行ってもよい。S132を行う場合には、S134を行う必要がある。またS138、S140は、双方を行う例を示したが、何れも行わない、もしくは、いずれか一方を行うようにしてもよい。   In addition, although the example which performs all S130, S132, S136 was shown, you may carry out in any one or the combination of two. When performing S132, it is necessary to perform S134. Moreover, although S138 and S140 showed the example which performs both, neither may be performed or you may make it perform any one.

以上説明した実施例1の効果としては、以下のものがある。   The effects of the first embodiment described above include the following.

水素循環路内の気体質量密度推定手段は、燃料電池システムの定常的な運転状態において推定を行う定常気体質量密度推定演算、及び燃料電池システムの過渡的な運転状態において気体質量密度を推定する過渡気体質量密度推定演算を備えたので、燃料電池システムの運転状態が過渡状態か定常状態であるかに従って、定常気体質量密度推定演算と過渡気体質量密度推定演算とを使い分けることができ、燃料電池システムの運転状態に拘わらず、常に精度の高い気体質量密度の推定を行うことができる。   The gas mass density estimation means in the hydrogen circuit includes a steady gas mass density estimation calculation for estimating in a steady operation state of the fuel cell system, and a transient for estimating the gas mass density in a transient operation state of the fuel cell system. Since the gas mass density estimation calculation is provided, the steady gas mass density estimation calculation and the transient gas mass density estimation calculation can be properly used according to whether the operation state of the fuel cell system is the transient state or the steady state. Regardless of the operation state, it is possible to always estimate the gas mass density with high accuracy.

気体組成推定手段として、気体が窒素と水素の混合気体として、気体組成推定演算を行うため、酸化剤極側から透過して燃料経路内に蓄積されている窒素量を推定して管理することで、安定した発電を行うことができる。   As gas composition estimation means, the gas is a mixed gas of nitrogen and hydrogen, and the gas composition estimation calculation is performed. Therefore, by estimating and managing the amount of nitrogen that has permeated from the oxidant electrode side and accumulated in the fuel path Stable power generation can be performed.

水素循環路の湿度検出値、圧力検出値、温度検出値から水蒸気濃度を推定して、気体が窒素、水素、水蒸気の混合気体として、気体組成推定演算を行うため、混合気体を窒素と水素として考えることにより、精度よく気体組成を推定することができ、より安定した発電を行うことができる。   Estimate the water vapor concentration from the humidity detection value, pressure detection value, and temperature detection value of the hydrogen circulation path, and perform the gas composition estimation calculation using the gas as a mixed gas of nitrogen, hydrogen, and water vapor. By thinking, the gas composition can be estimated with high accuracy, and more stable power generation can be performed.

循環ポンプの所定回転速度において、標準気体質量密度状態の駆動モータ電流と、循環ポンプの実際の電流との偏差に基づいて、気体質量密度を推定するため、新たなセンサを必要とせずに、実験的に求めた値に基づいて、気体質量密度を推定することができる。   Since the gas mass density is estimated on the basis of the deviation between the drive motor current in the standard gas mass density state and the actual current of the circulation pump at a predetermined rotational speed of the circulation pump, no new sensor is required. The gas mass density can be estimated based on the obtained value.

また、循環装置の別の構成として、例えばエキスパンダを用いて流体からの力によって循環装置を駆動させるものがある。この場合は、循環装置の駆動モータ電流に代えて、循環装置の駆動力を測定する。すなわち標準気体質量密度状態で発生する循環装置負荷と、循環装置で実際に発生する負荷との偏差に基づいて、気体質量密度を推定するため、実験的に気体質量密度が標準状態と、極端に大きいとき、および極端に小さいときとで、負荷の違いを測定しておくことで、相対的な負荷の違いから、気体質量密度を推定することができる。   Further, as another configuration of the circulation device, for example, there is one that drives the circulation device by force from a fluid using an expander, for example. In this case, instead of the driving motor current of the circulation device, the driving force of the circulation device is measured. That is, in order to estimate the gas mass density based on the deviation between the circulator load generated in the standard gas mass density state and the load actually generated in the circulator, the gas mass density is By measuring the difference in load between when it is large and when it is extremely small, the gas mass density can be estimated from the difference in relative load.

過渡気体質量密度推定演算として、循環装置が循環路流体から受ける反力を推定し、この反力から、気体質量密度を推定するため、燃料電池システムの過渡的状態においても気体質量密度を推定することができる。   As a transient gas mass density estimation calculation, the reaction force that the circulation device receives from the circuit fluid is estimated, and from this reaction force, the gas mass density is estimated, so the gas mass density is estimated even in the transient state of the fuel cell system. be able to.

要求電力と燃料電池の発電電力との差に対し、蓄電手段に蓄えられたエネルギー量が相対的に大きい場合に、燃料電池システムを定常的な運転状態に切り替え、定常気体質量密度推定演算を行うことために、要求電力に対し、蓄電手段により、エネルギー供給することで、供給エネルギー量を損なうことなく、定常運転状態を行うことができ、定常気体密度推定を行うことができる。   When the amount of energy stored in the power storage means is relatively large relative to the difference between the required power and the generated power of the fuel cell, the fuel cell system is switched to a steady operating state and a steady gas mass density estimation calculation is performed. Therefore, by supplying energy to the required power by the power storage means, the steady operation state can be performed without impairing the amount of energy supplied, and the steady gas density can be estimated.

燃料電池の発電電力と要求電力との差に対し、蓄電手段の空き容量が比較的に大きい場合には、燃料電池システムを定常的な運転状態に切り替え、定常気体質量密度推定演算を行うため、燃料電池の発電電力から要求電力を引いた余剰発電電力を蓄電手段に蓄えることが可能な状態で、定常運転を行うため、燃料電池システムを保護することができる。   When the free capacity of the power storage means is relatively large with respect to the difference between the generated power of the fuel cell and the required power, the fuel cell system is switched to a steady operating state and the steady gas mass density estimation calculation is performed. Since steady operation is performed in a state where surplus generated power obtained by subtracting required power from the generated power of the fuel cell can be stored in the storage means, the fuel cell system can be protected.

燃料電池システムの定常的な運転状態として、燃料循環路の目標圧力、循環装置目標稼動量、燃料電池目標発電量を、所定時間一定値を与えるため、循環装置への負荷に関係する要素が一定状態となり、気体密度推定の精度を上げることができる。   As a steady operation state of the fuel cell system, the target pressure of the fuel circuit, the target operating amount of the circulating device, and the target power generation amount of the fuel cell are given constant values for a predetermined time, so the elements related to the load on the circulating device are constant. It becomes a state and the accuracy of gas density estimation can be raised.

燃料循環路から分岐した、電気化学反応に寄与しない不純物を外部へ排出する不純物排出路と、不純物排出路から排出される不純物量を制御する排出量制御弁を有し、標準気体質量密度状態で発生する循環装置出力と、循環装置で実際に発生する出力との差、もしくは気体組成推定結果の少なくとも一方に基づいて、排出量制御弁の動作を補正するため、燃料経路内に蓄積された不純物量を、循環装置の循環性能を超えないように、管理することができる。   It has an impurity discharge path that discharges impurities that do not contribute to the electrochemical reaction branched off from the fuel circulation path and an emission control valve that controls the amount of impurities discharged from the impurity discharge path. Impurities accumulated in the fuel path to correct the operation of the emission control valve based on at least one of the difference between the generated circulation device output and the output actually generated in the circulation device or the gas composition estimation result The amount can be controlled so as not to exceed the circulation performance of the circulation device.

気体組成推定結果に基づいて、燃料電池への目標発電量に対する循環装置の目標稼動量を補正するため、不純物量が通常の管理量より多くなった場合でも、稼動量を増加させることで、燃料循環量を維持することで、安定した発電を行うことができる。   Based on the gas composition estimation result, the target operating amount of the circulation device is corrected with respect to the target power generation amount to the fuel cell, so even if the impurity amount exceeds the normal control amount, the operating amount is increased to increase the fuel By maintaining the amount of circulation, stable power generation can be performed.

燃料電池へ供給する燃料量を変化させる、燃料供給手段を有し、気体組成推定結果に基づいて、燃料電池への燃料供給量を補正するため、循環装置の循環性能が不足する場合でも、供給量を増加することにより、安定した発電を行うことができる。   Fuel supply means that changes the amount of fuel supplied to the fuel cell and corrects the fuel supply amount to the fuel cell based on the gas composition estimation result, so even if the circulation performance of the circulation device is insufficient By increasing the amount, stable power generation can be performed.

次に、本発明に係る燃料電池システムの制御装置の実施例2を説明する。実施例2の特徴は、定常気体質量密度推定演算と、過渡気体質量密度演算とを並列に行い、燃料電池システムの運転状態として定常状態が所定時間以上継続していれば、定常気体質量密度推定演算の結果を採用し、そうでなければ、過渡気体質量密度推定演算の結果を採用する点にある。本実施例の基本構成、本実施例が適用される燃料電池システムの構成図、コントローラの構成図は、実施例1と同様である。   Next, a second embodiment of the control device for the fuel cell system according to the present invention will be described. The feature of the second embodiment is that the steady gas mass density estimation calculation and the transient gas mass density calculation are performed in parallel, and the steady gas mass density estimation is performed if the steady state continues for a predetermined time or more as the operation state of the fuel cell system. The result of the calculation is adopted, otherwise, the result of the transient gas mass density estimation calculation is adopted. The basic configuration of this embodiment, the configuration diagram of the fuel cell system to which this embodiment is applied, and the configuration diagram of the controller are the same as those of the first embodiment.

実施例2におけるコントローラの制御フローチャートを図9に示す。まず、フローが開始されると、S202以下の処理と、S204の定常気体質量密度推定演算と、S206の過渡気体質量密度推定演算とが並列に処理可能である。   FIG. 9 shows a control flowchart of the controller in the second embodiment. First, when the flow is started, the processing after S202, the steady gas mass density estimation calculation of S204, and the transient gas mass density estimation calculation of S206 can be processed in parallel.

図9のS202乃至S222の処理内容は、実施例1の図4のS102乃至S118の処理内容と同様である。   The processing contents in S202 to S222 in FIG. 9 are the same as the processing contents in S102 to S118 in FIG.

そして、S222、S204及びS206の処理が全て完了すれば、S224の処理が開始可能となる。S224では、図4のS120と同様に、燃料電池システムの定常的な運転状態が所定時間以上継続したか否かを判定する。定常的な運転状態が所定時間以上継続したと判断した場合には、S226へ進んで、S204における定常気体質量密度推定演算の推定値を気体質量密度値とする。S224で定常的な運転状態が所定時間以上継続したと判断できない場合には、S228へ進んで、S206における過渡気体質量密度推定演算の推定値を気体質量密度値とする。その後、図4のS126以下の処理と同様の処理を行って、気体質量密度値を用いて気体組成を推定し、気体組成から窒素量を推定し、推定窒素量と目標窒素量との比較結果に応じてパージ弁20、循環ポンプ12、水素供給弁9の制御を行う。   Then, when all the processes of S222, S204, and S206 are completed, the process of S224 can be started. In S224, as in S120 of FIG. 4, it is determined whether or not the steady operation state of the fuel cell system has continued for a predetermined time or more. When it is determined that the steady operation state has continued for a predetermined time or longer, the process proceeds to S226, and the estimated value of the steady gas mass density estimation calculation in S204 is set as the gas mass density value. When it cannot be determined in S224 that the steady operating state has continued for a predetermined time or longer, the process proceeds to S228, and the estimated value of the transient gas mass density estimation calculation in S206 is set as the gas mass density value. Thereafter, the same processing as S126 and subsequent steps in FIG. 4 is performed, the gas composition is estimated using the gas mass density value, the nitrogen amount is estimated from the gas composition, and the comparison result between the estimated nitrogen amount and the target nitrogen amount Accordingly, the purge valve 20, the circulation pump 12, and the hydrogen supply valve 9 are controlled.

以上説明した実施例2によれば、以下の効果がある。定常気体質量密度推定演算と、過渡気体質量密度推定演算とを並列に行い、循環路圧力、循環装置運転状態、燃料電池発電量の検出値をそれぞれ観測し、定常的な運転状態であると判断される場合には、定常気体質量密度推定演算の結果を気体質量密度推定結果として選択して、気体組成推定演算を行うため、定常気体質量密度推定を行う回数を増加させることができ、気体組成推定精度を上げることができる。   According to Example 2 demonstrated above, there exist the following effects. The steady gas mass density estimation calculation and the transient gas mass density estimation calculation are performed in parallel, and the detected values of the circulation path pressure, the circulation device operating state, and the fuel cell power generation amount are observed, respectively, and determined to be the steady operating state. In the case where the steady gas mass density estimation calculation result is selected as the gas mass density estimation result and the gas composition estimation calculation is performed, the number of times the steady gas mass density estimation is performed can be increased. The estimation accuracy can be increased.

次に、本発明に係る燃料電池システムの制御装置の実施例3を説明する。実施例3の特徴は、燃料電池システムの起動時に、循環ポンプ駆動モータの消費電流に基づいて、燃料循環路内の気体の組成を推定し、推定した気体組成に応じて水素供給量を決定する点にある。本実施例の基本構成、本実施例が適用される燃料電池システムの構成図、コントローラの構成図は、実施例1と同様である。   Next, a third embodiment of the control device for the fuel cell system according to the present invention will be described. The feature of the third embodiment is that when the fuel cell system is started, the composition of the gas in the fuel circulation path is estimated based on the current consumption of the circulation pump drive motor, and the hydrogen supply amount is determined according to the estimated gas composition. In the point. The basic configuration of this embodiment, the configuration diagram of the fuel cell system to which this embodiment is applied, and the configuration diagram of the controller are the same as those of the first embodiment.

図10は、本実施例における燃料電池システム起動時の制御フローチャートである。まずステップS302において、図3の燃料電池システム起動・休止判定部41が図1のキースイッチ23の状態に基づいて、ユーザの発電開始要求があるか否かを判定する。キースイッチ23がターン・オンされたら、発電開始要求があり燃料電池を起動するとして、S304へ進み、そうでなければ何もせずリターンする。   FIG. 10 is a control flowchart when the fuel cell system is started in this embodiment. First, in step S302, the fuel cell system activation / deactivation determination unit 41 in FIG. 3 determines whether or not there is a user power generation start request based on the state of the key switch 23 in FIG. If the key switch 23 is turned on, it is determined that there is a power generation start request and the fuel cell is started, and the process proceeds to S304. If not, the process returns without doing anything.

S304では、循環ポンプ12の目標回転速度を所定値として設定し、循環ポンプの駆動を開始する。ここで所定値とは、図5の定常気体質量密度推定部201で説明したように、循環流量がある程度以上の流量となり、循環ポンプに流れる電流値の大小により燃料循環路11内の気体質量密度が推定可能な回転速度とする。   In S304, the target rotational speed of the circulation pump 12 is set as a predetermined value, and the drive of the circulation pump is started. Here, as described in the steady gas mass density estimation unit 201 in FIG. 5, the predetermined value is a gas flow density that exceeds a certain level, and the gas mass density in the fuel circulation path 11 depends on the value of the current flowing through the circulation pump. Is a rotation speed that can be estimated.

次いで、S306で循環ポンプ12の駆動モータの電流を電流センサ13で検出し、S308で、駆動モータの電流変化がなくなり一定値に落ち着いたかどうかを判定する。この間は、水素供給及び発電開始の前であるので、燃料循環路内の気体組成に変化はない。循環ポンプの目標回転速度は、S304において所定回転速度に設定されているのて、循環ポンプ起動直後には、駆動モータ電流は急激に立ち上がり、ある程度回転速度が上昇すると駆動モータ電流はピークをつけて減少に向かう。さらに目標回転速度に近づくと駆動モータ電流の減少は緩やかとなり、循環ポンプ回転速度が目標回転速度に一致した後は、駆動モータの電流値も一定値となる。従って、S308で駆動モータ電流が一定値となったことは、循環ポンプ12の回転が定常状態となったことと同じである。   Next, in S306, the current of the drive motor of the circulation pump 12 is detected by the current sensor 13, and in S308, it is determined whether or not the current change of the drive motor has disappeared and has settled to a constant value. During this period, before the supply of hydrogen and the start of power generation, there is no change in the gas composition in the fuel circuit. The target rotational speed of the circulation pump is set to a predetermined rotational speed in S304, so that immediately after the circulation pump is started, the drive motor current suddenly rises, and when the rotational speed increases to some extent, the drive motor current peaks. Head for decline. Further, when the target rotational speed is approached, the decrease in the drive motor current becomes moderate, and after the circulating pump rotational speed matches the target rotational speed, the current value of the drive motor also becomes a constant value. Therefore, the fact that the drive motor current has become a constant value in S308 is the same as the rotation of the circulation pump 12 being in a steady state.

ここで、電流が一定値になったかを判断するのではなく、S304において設定した目標回転速度まで到達する時間を予め実験、もしくは設計値から調べておき、その時間を経過したかを判断してもよい。S308の判定がYESならばS310へ進み、そうでなければ、S306へ戻る。   Here, instead of determining whether the current has reached a constant value, the time to reach the target rotational speed set in S304 is examined in advance from experiments or design values, and it is determined whether the time has elapsed. Also good. If the determination in S308 is YES, the process proceeds to S310, and if not, the process returns to S306.

S310では、定常気体密度推定、S312では、気体組成推定を行う。これらの推定方法は、実施例1のS122,S126と同様であるが、本実施例では、空気と水素の混合気体として気体組成推定を行う。これは、燃料電池システムの運転停止中に、カソードからアノードへ空気が漏れてくるためである。   In S310, steady gas density estimation is performed, and in S312, gas composition estimation is performed. These estimation methods are the same as S122 and S126 of the first embodiment, but in this embodiment, the gas composition is estimated as a mixed gas of air and hydrogen. This is because air leaks from the cathode to the anode while the operation of the fuel cell system is stopped.

S314では、S312の気体組成に基づいて、水素供給量を決定する。予め設定された基準水素濃度に対して、S312で推定した水素濃度が低ければ、水素が足らずに発電を開始してしまうのを避けるために、濃度差に応じて水素を多く供給するように水素供給目標を設定する。逆に基準水素濃度より推定水素濃度が高ければ、水素供給目標を減少するように設定する。   In S314, the hydrogen supply amount is determined based on the gas composition in S312. If the hydrogen concentration estimated in S312 is lower than the preset reference hydrogen concentration, hydrogen is supplied so that more hydrogen is supplied according to the concentration difference in order to avoid starting power generation due to insufficient hydrogen. Set supply targets. Conversely, if the estimated hydrogen concentration is higher than the reference hydrogen concentration, the hydrogen supply target is set to decrease.

次いで、S316では、S314で決定した水素量を供給するための、目標圧力を決定して、この目標圧力になるように、水素供給弁9を制御して、リターンする。   Next, in S316, the target pressure for supplying the amount of hydrogen determined in S314 is determined, the hydrogen supply valve 9 is controlled to reach this target pressure, and the process returns.

以上説明した実施例3によれば、燃料供給を開始する前に、循環装置の目標回転速度を所定時間一定値を与え、回転速度検出値が一定値となった後に、定常気体質量密度推定を行うため、燃料電池発電前に燃料循環路内に存在する気体の組成を知ることで、水素供給量を可変にし、安定した状態で電流取り出し開始をすることができる。   According to the third embodiment described above, the target rotational speed of the circulation device is given a constant value for a predetermined time before the fuel supply is started, and the steady gas mass density estimation is performed after the rotational speed detection value becomes a constant value. Therefore, by knowing the composition of the gas present in the fuel circulation path before the fuel cell power generation, the hydrogen supply amount can be made variable and the current extraction can be started in a stable state.

次に、本発明に係る燃料電池システムの制御装置の実施例4を説明する。実施例4の特徴は、燃料電池システムの運転停止(休止)時に、循環ポンプ駆動モータの消費電流に基づいて、燃料循環路内の気体の組成を推定する点にある。本実施例の基本構成、本実施例が適用される燃料電池システムの構成図、コントローラの構成図は、実施例1と同様である。   Next, a fourth embodiment of the control device for the fuel cell system according to the present invention will be described. The feature of the fourth embodiment is that the composition of the gas in the fuel circulation path is estimated based on the consumption current of the circulation pump drive motor when the fuel cell system is stopped (rested). The basic configuration of this embodiment, the configuration diagram of the fuel cell system to which this embodiment is applied, and the configuration diagram of the controller are the same as those of the first embodiment.

図11は、本実施例における燃料電池システムの運転停止時の制御フローチャートである。まずステップS402において、図3の燃料電池システム起動・休止判定部41が図1のキースイッチ23の状態に基づいて、ユーザの発電停止(休止)要求があるか否かを判定する。キースイッチ23がターン・オフされたら、発電停止要求があり燃料電池の発電を停止するとして、S404へ進み、そうでなければ何もせずリターンする。   FIG. 11 is a control flowchart when the operation of the fuel cell system in the present embodiment is stopped. First, in step S402, the fuel cell system start / stop determination unit 41 in FIG. 3 determines whether there is a user's power generation stop (stop) request based on the state of the key switch 23 in FIG. If the key switch 23 is turned off, it is determined that there is a power generation stop request and power generation of the fuel cell is stopped. The process proceeds to S404, and if not, the process returns without doing anything.

S404では、コンプレッサ14を停止させ、次いで、S406でパワーマネージャー15へ電流取り出し停止を指示し、電流取り出しを停止させる。   In S404, the compressor 14 is stopped, and then in S406, the power manager 15 is instructed to stop current extraction, and current extraction is stopped.

次いで、S408において、燃料電池2のアノード入口圧力の目標値に一定値を与える。ここでは、S402で運転停止判断をした際のアノード入口圧力センサ10aの検出値以下の目標圧力を設定する。   Next, in S408, a constant value is given to the target value of the anode inlet pressure of the fuel cell 2. Here, a target pressure equal to or lower than the detection value of the anode inlet pressure sensor 10a when the operation stop determination is made in S402 is set.

次いで、S410では、循環ポンプ12の目標回転速度を所定値として設定し、循環ポンプの駆動を開始する。ここで所定値とは、図5の定常気体質量密度推定部201で説明したように、循環流量がある程度以上の流量となり、循環ポンプに流れる電流値の大小により燃料循環路11内の気体質量密度が推定可能な回転速度とする。   Next, in S410, the target rotational speed of the circulation pump 12 is set as a predetermined value, and the drive of the circulation pump is started. Here, as described in the steady gas mass density estimation unit 201 in FIG. 5, the predetermined value is a gas flow density that exceeds a certain level, and the gas mass density in the fuel circulation path 11 depends on the value of the current flowing through the circulation pump. Is a rotation speed that can be estimated.

次いで、S412で循環ポンプ12の駆動モータの電流を電流センサ13で検出し、S414で、駆動モータの電流変化がなくなり一定値に落ち着いたかどうかを判定する。ここで、電流が一定値になったかを判断するのではなく、S410において設定した目標回転速度まで到達する時間を予め実験、もしくは設計値から調べておき、その時間を経過したかを判断してもよい。S414の判定がYESならばS416へ進み、そうでなければ、S412へ戻る。   Next, in S412, the current of the drive motor of the circulation pump 12 is detected by the current sensor 13, and in S414, it is determined whether or not the current change of the drive motor has disappeared and has settled to a constant value. Here, instead of determining whether the current has reached a constant value, the time to reach the target rotational speed set in S410 is examined in advance from experiments or design values, and it is determined whether the time has elapsed. Also good. If the determination in S414 is YES, the process proceeds to S416, otherwise, the process returns to S412.

S416では、燃料電池の定常状態における気体質量密度推定、S418では、気体質量密度を用いた気体組成推定をそれぞれ行う。これらの推定方法は、実施例1のS122,S126と同様であるが、本実施例では、水素、窒素、水蒸気の混合気体として気体組成推定を行う。   In S416, gas mass density estimation in the steady state of the fuel cell is performed, and in S418, gas composition estimation using the gas mass density is performed. These estimation methods are the same as S122 and S126 of the first embodiment, but in this embodiment, the gas composition is estimated as a mixed gas of hydrogen, nitrogen, and water vapor.

以上説明した実施例4によれば、酸化剤供給を停止し、電流の取り出しを停止した状態から、循環路圧力を所定時間一定圧力に維持し、循環装置を所定時間一定値で稼動させ、定常気体質量密度推定演算を行うために、燃料電池の発電を行わない、安定した状態で気体組成推定を行うことで、推定精度を上げて、発電再開時に安定した状態で電力取り出し開始をすることができる。   According to the fourth embodiment described above, from the state where the supply of the oxidant is stopped and the extraction of the current is stopped, the circulation path pressure is maintained at a constant pressure for a predetermined time, and the circulation device is operated at a constant value for a predetermined time. In order to perform gas mass density estimation calculation, the fuel cell power generation is not performed, the gas composition estimation is performed in a stable state, the estimation accuracy is increased, and power extraction can be started in a stable state when power generation is resumed. it can.

本発明に係る燃料電池システムの基本構成図である。1 is a basic configuration diagram of a fuel cell system according to the present invention. 本発明が適用される燃料電池システムの構成図である。1 is a configuration diagram of a fuel cell system to which the present invention is applied. 実施例1の燃料電池システムの制御装置であるコントローラ30の構成図である。1 is a configuration diagram of a controller 30 that is a control device of a fuel cell system according to Embodiment 1. FIG. 実施例1における制御フローチャートである。2 is a control flowchart according to the first embodiment. 気体組成推定手段の演算ブロック図である。It is a calculation block diagram of a gas composition estimation means. 循環ポンプの圧力流量特性と、気体質量密度の変化による水素循環系の圧損特性を説明する図である。It is a figure explaining the pressure loss characteristic of the hydrogen circulation system by the pressure flow characteristic of a circulation pump, and the change of gas mass density. 気体質量密度によって性能が変化する循環ポンプを用いた場合の説明図である。It is explanatory drawing at the time of using the circulation pump from which performance changes with gas mass densities. (a)過渡気体質量密度推定における力学的パラメータの説明図、(b)異なる気体質量密度における一定目標回転速度を与えた循環ポンプのモータトルク変化を示すタイムチャートである。(A) It is explanatory drawing of the dynamic parameter in transient gas mass density estimation, (b) It is a time chart which shows the motor torque change of the circulation pump which gave the constant target rotational speed in different gas mass density. 実施例2における制御フローチャートである。10 is a control flowchart in Embodiment 2. 実施例3における制御フローチャートである。10 is a control flowchart in Embodiment 3. 実施例4における制御フローチャートである。10 is a control flowchart in Embodiment 4.

符号の説明Explanation of symbols

101:目標発電電力決定手段
102:燃料電池運転状態検出手段
103:循環装置運転状態検出手段
104:気体組成推定手段
104a:定常気体質量密度推定演算部
104b:過渡気体質量密度推定演算部
105:不純物排出手段
106:循環装置制御手段
107:燃料供給制御手段
101: target generated power determining means 102: fuel cell operating state detecting means 103: circulating device operating state detecting means 104: gas composition estimating means 104a: steady gas mass density estimating calculator 104b: transient gas mass density estimating calculator 105: impurities Discharge means 106: Circulation device control means 107: Fuel supply control means

Claims (16)

燃料極と酸化剤極との間に電解質膜を挟持させてなる単電池を複数積層して構成される燃料電池と、
該燃料電池へ燃料を供給する燃料供給路と、
前記燃料極から排出される残燃料を燃料供給路へ循環させる燃料循環路と、
該燃料循環路に設けられ、燃料極から排出された残燃料を昇圧して循環させる循環装置と、
前記燃料循環路の圧力を検出する循環路圧力検出手段と、
前記燃料循環路の気体温度を検出する循環路気体温度検出手段と、
前記循環装置の運転状態を検出する循環装置運転状態検出手段と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記循環装置運転状態検出手段が検出した運転状態値に基づいて前記循環装置が循環させる気体の質量密度の推定値を算出し、
該気体質量密度の推定値、前記循環路圧力検出手段の圧力検出値、および前記循環路気体温度検出手段の温度検出値に基づいて、前記燃料循環路内の気体組成を推定する気体組成推定手段を備えたことを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
A fuel cell configured by stacking a plurality of single cells each having an electrolyte membrane sandwiched between a fuel electrode and an oxidant electrode;
A fuel supply path for supplying fuel to the fuel cell;
A fuel circulation path for circulating the remaining fuel discharged from the fuel electrode to a fuel supply path;
A circulation device provided in the fuel circulation path for boosting and circulating the residual fuel discharged from the fuel electrode;
A circuit pressure detecting means for detecting the pressure of the fuel circuit;
A circuit gas temperature detecting means for detecting a gas temperature of the fuel circuit;
Circulator operating state detecting means for detecting the operating state of the circulating device;
In a fuel cell system comprising:
Calculate an estimated value of the mass density of the gas circulated by the circulation device based on the operation state value detected by the circulation device operation state detection means,
Gas composition estimation means for estimating the gas composition in the fuel circulation path based on the estimated value of the gas mass density, the pressure detection value of the circulation path pressure detection means, and the temperature detection value of the circulation path gas temperature detection means A control apparatus for a fuel cell system, comprising:
前記気体質量密度の推定は、前記燃料電池システムの定常的な運転状態において質量密度推定を行う定常気体質量密度推定演算、もしくは、前記燃料電池システムの過渡的な運転状態において質量密度推定を行う過渡気体質量密度推定演算、の少なくとも一方を行う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 estimation of the gas mass density may be performed by a steady gas mass density estimation calculation that performs mass density estimation in a steady operation state of the fuel cell system, or a transient that performs mass density estimation in a transient operation state of the fuel cell system. 2. The fuel cell system control device according to claim 1, wherein at least one of gas mass density estimation calculation is performed. 前記気体組成推定手段は、推定対象が窒素と水素の混合気体として前記気体組成を推定することを特徴とする請求項1または請求項2記載の燃料電池システムの制御装置。   3. The control apparatus for a fuel cell system according to claim 1, wherein the gas composition estimation means estimates the gas composition as an object to be estimated as a mixed gas of nitrogen and hydrogen. 前記循環装置運転状態検出手段は、
前記燃料循環路の湿度を検出する循環路湿度検出手段と、
該循環路湿度検出手段が検出した湿度検出値、前記圧力検出値、および前記温度検出値に基づいて水蒸気濃度を推定する水蒸気濃度推定手段とを備え、
前記気体組成推定手段は、推定対象が窒素、水素、水蒸気の混合気体として、前記気体組成推定を行うことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の燃料電池システムの制御装置。
The circulating device operating state detecting means is
Circuit humidity detecting means for detecting the humidity of the fuel circuit;
Water vapor concentration estimation means for estimating the water vapor concentration based on the humidity detection value detected by the circuit humidity detection means, the pressure detection value, and the temperature detection value;
3. The control apparatus for a fuel cell system according to claim 1, wherein the gas composition estimation unit performs the gas composition estimation when the estimation target is a mixed gas of nitrogen, hydrogen, and water vapor. 4.
前記循環装置運転状態検出値は、循環装置の負荷であり、前記燃料循環路内の窒素濃度が所定の制御目標値に一致する標準気体質量密度であるときに発生する循環装置の負荷と、循環装置で実際に発生する負荷とに基づいて、前記質量密度を推定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 circulation device operating state detection value is a load of the circulation device, and the circulation device load generated when the nitrogen concentration in the fuel circulation path is a standard gas mass density that matches a predetermined control target value, and circulation 2. The control apparatus for a fuel cell system according to claim 1, wherein the mass density is estimated based on a load actually generated in the apparatus. 前記循環装置は、電動機によって回転駆動されて気体を昇圧する循環装置であり、前記循環装置運転状態検出値は、電動機の電流と循環装置の回転速度であり、循環装置の所定回転速度において、前記燃料循環路内の窒素濃度が所定の制御目標値であるときの電動機電流と、循環装置における実際の電動機電流とに基づいて、気体質量密度を推定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 circulation device is a circulation device that is rotationally driven by an electric motor to increase the pressure of the gas, and the circulation device operating state detection value is a current of the electric motor and a rotation speed of the circulation device, and at a predetermined rotation speed of the circulation device, the 2. The fuel according to claim 1, wherein the gas mass density is estimated based on an electric motor current when the nitrogen concentration in the fuel circulation path is a predetermined control target value and an actual electric motor current in the circulation device. Battery system control device. 前記過渡気体質量密度推定演算は、前記循環装置が燃料循環路の流体から受ける反力を推定し、該反力から気体質量密度を推定することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システムの制御装置。   3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the transient gas mass density estimation calculation estimates a reaction force that the circulation device receives from a fluid in a fuel circulation path, and estimates a gas mass density from the reaction force. Control device. 前記燃料電池システムは、燃料電池に対する要求電力を検出する要求電力検出手段と、燃料電池の発電電力の余剰分を蓄えるとともに不足分を放電する蓄電手段とを備え、
前記要求電力が燃料電池の発電電力を上回り、且つ前記要求電力と発電電力との差を前記蓄電手段から所定時間以上供給可能な場合に、前記燃料電池システムの発電電力を一定とする定常運転状態に切り替え、前記定常気体質量密度推定演算を行うことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システムの制御装置。
The fuel cell system includes required power detection means for detecting required power for the fuel cell, and storage means for storing a surplus of the generated power of the fuel cell and discharging the shortage,
A steady operation state in which the generated power of the fuel cell system is constant when the required power exceeds the generated power of the fuel cell and the difference between the required power and the generated power can be supplied from the power storage means for a predetermined time or more. The fuel cell system control device according to claim 2, wherein the steady gas mass density estimation calculation is performed.
前記要求電力が燃料電池の発電電力を下回り、且つ前記要求電力と発電電力との差を前記蓄電手段へ所定時間以上蓄電可能な場合に、燃料電池システムの発電電力を一定とする定常運転状態に切り替え、前記定常気体質量密度推定演算を行うことを特徴とする請求項8に記載の燃料電池システムの制御装置。   When the required power is less than the generated power of the fuel cell and the difference between the required power and the generated power can be stored in the power storage means for a predetermined time or longer, the fuel cell system generates a steady operating state in which the generated power is constant. 9. The control device for a fuel cell system according to claim 8, wherein the steady gas mass density estimation calculation is performed by switching. 前記定常運転状態として、前記燃料循環路の目標圧力、循環装置の目標回転速度、燃料電池の目標発電電力のそれぞれに一定の目標値を所定時間与えて、循環装置への負荷を一定にすることを特徴とする請求項8または請求項9に記載の燃料電池システムの制御装置。   As the steady operation state, a constant target value is given to each of the target pressure of the fuel circulation path, the target rotation speed of the circulation device, and the target generated power of the fuel cell for a predetermined time, thereby making the load on the circulation device constant. 10. The fuel cell system control device according to claim 8 or 9, wherein: 前記燃料循環路から分岐して、不純物を含む燃料ガスを外部へ排出する不純物排出路と、該不純物排出路から排出される排出量を制御する排出量制御弁とを備え、
前記標準気体質量密度状態で発生する循環装置出力と、循環装置で実際に発生する出力との差、もしくは気体組成推定結果の少なくとも一方に基づいて、排出量制御弁の動作を補正することを特徴とする請求項5に記載の燃料電池システムの制御装置。
An impurity discharge path that branches off from the fuel circulation path and discharges fuel gas containing impurities to the outside, and a discharge amount control valve that controls the discharge amount discharged from the impurity discharge path,
The operation of the discharge amount control valve is corrected based on at least one of a difference between a circulation device output generated in the standard gas mass density state and an output actually generated in the circulation device, or a gas composition estimation result. The control apparatus for a fuel cell system according to claim 5.
前記気体組成推定手段による推定結果に基づいて、燃料電池の目標発電電力に対する循環装置の目標回転速度を補正することを特徴とする請求項1乃至請求項11の何れか1項に記載の燃料電池システムの制御装置。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 11, wherein a target rotational speed of the circulation device is corrected with respect to a target generated power of the fuel cell based on an estimation result by the gas composition estimation means. System control unit. 前記燃料電池へ供給する燃料流量を変化させる燃料供給手段を備え、
前記気体組成推定手段による推定結果に基づいて、燃料電池へ供給する燃料流量を補正することを特徴とする請求項1乃至請求項12の何れか1項に記載の燃料電池システムの制御装置。
A fuel supply means for changing a fuel flow rate supplied to the fuel cell;
The fuel cell system control device according to any one of claims 1 to 12, wherein a flow rate of fuel supplied to the fuel cell is corrected based on an estimation result by the gas composition estimation means.
前記定常気体質量密度推定演算と前記過渡気体質量密度推定演算とを並列に行い、燃料循環路の圧力、循環装置の運転状態、燃料電池の発電電力をそれぞれ検出し、これらが定常状態であると判断される場合には、前記定常気体質量密度推定演算の結果を選択し、定常状態と判断されない場合には、前記過渡気体質量密度推定演算の結果を選択することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システムの制御装置。   The steady gas mass density estimation calculation and the transient gas mass density estimation calculation are performed in parallel to detect the pressure of the fuel circulation path, the operating state of the circulation device, and the generated power of the fuel cell, respectively, and these are in the steady state. The result of the steady gas mass density estimation calculation is selected when determined, and the result of the transient gas mass density estimation calculation is selected when not determined as a steady state. The control apparatus of the fuel cell system described. 燃料供給を開始する前に、循環装置の目標回転速度として一定値を所定時間与え、回転速度検出値が一定値となった後に、前記定常気体質量密度推定を行うことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システムの制御装置。   3. The steady gas mass density estimation is performed after a predetermined value is given as a target rotational speed of the circulation device for a predetermined time before the fuel supply is started, and the rotational speed detection value becomes a constant value. The control apparatus of the fuel cell system of description. 酸化剤供給を停止し、電流の取り出しを停止した状態から、循環路圧力を一定圧力に所定時間維持し、循環装置を一定回転速度で所定時間稼動させ、前記定常気体質量密度推定演算を行うことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システムの制御装置。   From the state where the supply of oxidant is stopped and the extraction of current is stopped, the circulation path pressure is maintained at a constant pressure for a predetermined time, the circulation device is operated at a constant rotation speed for a predetermined time, and the steady gas mass density estimation calculation is performed. The control device for a fuel cell system according to claim 2.
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