JP2007066622A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system for optimizing the supply of fuel gas and generated power output, stabilizing generated power output or preventing performance drop. <P>SOLUTION: The target revolving speed of a hydrogen circulation pump is determined in a circulation pump target revolving speed determination part 32, based on requested generating electric power detected in a requested generating electric power detecting part 31, and if a circulation hydrogen flow rate necessary for the requested generating electric power is secured, the target revolving speed is corrected so that the lifting height of the hydrogen circulation pump is decreased with drop in hydrogen outlet pressure of the fuel cell detected with a fuel cell system state detecting part 35, and the hydrogen outlet pressure capable of exhausting impurities stored in a hydrogen circulation line by purge is secured. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池から排出された未使用の燃料ガスを燃料電池の入口側に戻して循環
させる構成を備えた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system having a configuration in which unused fuel gas discharged from a fuel cell is circulated back to the inlet side of the fuel cell.

一般に、燃料電池は水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料のもつ化学反応エネルギーを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の燃料電池が知られている。   In general, a fuel cell is a device that converts a chemical reaction energy of a fuel into electric energy by electrochemically reacting a fuel gas such as hydrogen and an oxidant gas such as air, and one of them is an electrolyte. A polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte membrane is known.

このような燃料電池において安定した発電を行うために、燃料ガスの例えば水素の供給量は、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（未使用）水素が排出される。したがって、水素の利用効率を上げるためには、燃料電池から排出される未使用水素を電動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 in such a fuel cell, the supply amount of fuel gas, for example, hydrogen, needs to be supplied to the fuel electrode side more than the amount necessary for power generation, and a chemical reaction occurs from the fuel cell outlet. Excess (unused) hydrogen that did not exist is discharged. Therefore, in order to increase the utilization efficiency of hydrogen, a fuel cell system is known in which unused hydrogen discharged from the fuel cell is circulated again to the supply side by a circulation device such as an electric pump.

このような水素を循環させる燃料電池システムにおいて、酸化剤ガス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、空気中に含まれる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る。この結果、燃料電池内の水素濃度が低下し、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、安定した発電が困難になる。   In such a fuel cell system in which hydrogen is circulated, when air is used as an oxidant gas, impurities such as nitrogen contained in the air are transferred from the oxidant electrode to the fuel electrode via the electrolyte membrane of the fuel cell. Permeates and accumulates in the circulation channel. As a result, the hydrogen concentration in the fuel cell is lowered, the output is lowered, and the amount of hydrogen circulated by the circulation device is lowered, so that stable power generation becomes difficult.

そこで、このような問題に対処するために、水素循環路から窒素等の不純物をシステム外部に排出（パージ）することが考えられる。例えば、排出弁を循環路に付加し、適宜排出弁を開放することで、循環路内に溜まった不純物を外部に排出する。しかし、不純物と水素を完全に分離することはできないため、不純物を排出する際に、水素も一緒に排出されてしまう。したがって、不純物を排出する際に排出弁を開放しすぎると、水素を過剰に排出するに至り、水素の利用率が下がってしまう。   Therefore, in order to cope with such a problem, it can be considered that impurities such as nitrogen are discharged (purged) from the hydrogen circulation path to the outside of the system. For example, by adding a discharge valve to the circulation path and appropriately opening the discharge valve, impurities accumulated in the circulation path are discharged to the outside. However, since impurities and hydrogen cannot be completely separated, hydrogen is discharged together with the impurities. Therefore, if the discharge valve is opened too much when discharging impurities, hydrogen will be excessively discharged, and the utilization rate of hydrogen will decrease.

そこで、この不具合を回避する技術として、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献１参照）。この文献に記載された技術では、排出弁の開度、排出弁を流れる気体流量、循環路圧力、温度等を推定する、もしくは計測することによって循環路内の窒素濃度を推定し、推定した窒素濃度に応じて排出弁の開度を変化させることで、水素流量を変化させて排出水素を最小限に抑えている。
特開２００４−１８５８９７４ Thus, as a technique for avoiding this problem, for example, a technique described in the following document is known (see Patent Document 1). In the technique described in this document, the nitrogen concentration in the circulation path is estimated by estimating or measuring the opening degree of the discharge valve, the gas flow rate flowing through the discharge valve, the circulation path pressure, the temperature, etc., and the estimated nitrogen By changing the opening of the discharge valve according to the concentration, the hydrogen flow rate is changed to minimize the discharged hydrogen.
JP2004-1858974

上記従来の燃料電池システムにおいて、燃料電池と水素を循環させる循環装置との間に排出弁を設けることで、燃料電池から排出される気体の一部を排出し、残りを循環装置により循環させることが可能となる。これにより、循環装置で循環させる気体流量が少なくなり、循環装置の簡素化や、循環装置が電動機で駆動される場合には、消費電力を低減することができる。   In the above conventional fuel cell system, by providing a discharge valve between the fuel cell and the circulation device for circulating hydrogen, a part of the gas discharged from the fuel cell is discharged and the rest is circulated by the circulation device. Is possible. Thereby, the gas flow rate circulated by the circulation device decreases, and the power consumption can be reduced when the circulation device is simplified or when the circulation device is driven by an electric motor.

しかし循環装置が、昇圧することによって気体を循環させる装置である燃料電池システムでは、循環流量が発電電力に対して過剰な場合には、燃料電池での圧力損失が増加し、燃料電池出口の水素圧力が低下することになる。排出弁から排出される気体の流量は、排出弁の上流と下流との差圧で決まるため、燃料電池出口の水素圧力が低下すると、燃料電池の水素出口側の排出路に設けられた排出弁の上流側の圧力も低下することになる。これにより、排出弁の上流側の圧力が下流側の圧力よりも低くなり、排出弁を介して循環路に溜まった不純物を外部に放出することができず、循環気体中に含まれる不純物の割合が多くなり、安定した発電ができなくなるおそれがあった。   However, in a fuel cell system in which the circulation device is a device that circulates gas by increasing the pressure, when the circulation flow rate is excessive with respect to the generated power, the pressure loss in the fuel cell increases, and the hydrogen at the fuel cell outlet increases. The pressure will drop. Since the flow rate of the gas discharged from the discharge valve is determined by the differential pressure between the upstream and downstream of the discharge valve, when the hydrogen pressure at the fuel cell outlet decreases, the discharge valve provided in the discharge passage on the hydrogen outlet side of the fuel cell The pressure on the upstream side will also decrease. As a result, the pressure on the upstream side of the discharge valve becomes lower than the pressure on the downstream side, and impurities accumulated in the circulation path cannot be discharged to the outside via the discharge valve, and the ratio of impurities contained in the circulation gas There was a risk that stable power generation could not be achieved.

一方、例えば循環ポンプの回転数が低く循環水素流量が充分でない場合に、燃料電池から取り出される取り出し電流を増加させると、過渡的に燃料電池へ供給される発電に必要な水素流量が不足するため、出力が低下して発電が不安定になるおそれがあった。また、循環水素流量が十分に確保できない状態で電流を取り出すと、燃料電池本体を構成する電解質膜に設けられた触媒が劣化し、性能が低下するおそれもあった。   On the other hand, for example, when the circulation pump flow rate is low and the circulating hydrogen flow rate is not sufficient, if the extraction current taken out from the fuel cell is increased, the hydrogen flow rate necessary for power generation transiently supplied to the fuel cell is insufficient. There was a risk that the output would decrease and power generation would become unstable. Further, if the current is taken out in a state where the circulating hydrogen flow rate cannot be sufficiently secured, the catalyst provided on the electrolyte membrane constituting the fuel cell main body may be deteriorated and the performance may be deteriorated.

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料ガスの供給と発電出力との最適化を図り、発電出力の安定化もしくは性能低下の防止を達成する燃料電池システムを提供することにある。   Therefore, the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to optimize the supply of fuel gas and the power generation output to achieve stabilization of the power generation output or prevention of performance degradation. It is to provide a fuel cell system.

上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給手段により供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から排出された未使用の燃料ガスを前記燃料電池に再供給して循環させる循環手段とを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に要求される発電電力を検知する要求発電電力検知手段と、前記燃料電池システムの運転の状態を示す運転状態量を検知する運転状態量検知手段と、前記要求発電電力検知手段で検知された要求発電電力に基づいて、前記循環手段の運転状態を指令する指令手段と、前記運転状態量検知手段で検知された運転状態量に基づいて、前記指令手段の指令内容を補正する指令補正手段と、前記指令手段の指令または前記指令補正手段の補正指令に基づいて、前記循環手段の運転状態を制御する制御手段とを有することを特徴とする。   In order to achieve the above object, a means for solving the problems of the present invention is to generate power by an electrochemical reaction between a fuel gas supplied by a fuel gas supply means and an oxidant gas supplied by an oxidant gas supply means. A fuel cell system comprising: a fuel cell to perform; and a circulation means for re-supplying and circulating unused fuel gas discharged from the fuel cell to the fuel cell, and detecting generated power required for the fuel cell Based on the requested generated power detected by the requested generated power detecting means, the operating state quantity detecting means for detecting the operating state quantity indicating the operating state of the fuel cell system, and the required generated power detected by the requested generated power detecting means. Command means for instructing the operating state of the means, command correcting means for correcting the command content of the command means based on the operating state quantity detected by the operating state quantity detecting means, Based on the correction command of the command or the command correcting means command means, and having a control means for controlling the operating state of the circulating means.

本発明によれば、燃料ガス流通系の不純物濃度が上昇し、燃料ガス流通系の圧力が低下した場合であっても、不純物をシステム外に排出可能な圧力を確保して不純物の排出が可能となり、安定した発電を行うことができる。   According to the present invention, even when the concentration of impurities in the fuel gas circulation system increases and the pressure in the fuel gas circulation system decreases, it is possible to discharge the impurities by securing a pressure at which impurities can be discharged out of the system. Thus, stable power generation can be performed.

本発明によれば、燃料ガスの供給量と取り出し電流量との最適化を図り、燃料電池の性能劣化を防止することができる。   According to the present invention, the fuel gas supply amount and the extraction current amount can be optimized, and the performance deterioration of the fuel cell can be prevented.

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。   DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The best embodiment for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.

図１は本発明の実施例１〜実施例５に係る燃料電池システムに共通した基本機能を示す図である。図１において、基本機能は要求発電電力検知手段１０１、稼動状態指令手段１０２、稼動状態指令補正手段１０３ならびに燃料電池システム運転状態検知手段１０４を有している。   FIG. 1 is a diagram showing basic functions common to fuel cell systems according to Embodiments 1 to 5 of the present invention. In FIG. 1, the basic functions include required generated power detection means 101, operating state command means 102, operating state command correction means 103, and fuel cell system operating state detection means 104.

要求発電電力検知手段１０１は、本燃料電池システムに要求される発電電力を検知する手段であり、検知した要求発電電力を稼動状態指令手段１０２に与える。   The required generated power detection means 101 is means for detecting the generated power required for the fuel cell system, and provides the detected required generated power to the operating state command means 102.

稼動状態指令手段１０２は、要求発電電力検知手段１０１から与えられた要求発電電力に応じて、燃料ガスの水素を循環させる循環装置として機能する循環ポンプの目標稼動状態、または燃料電池に供給される燃料ガスとなる水素の供給流量を制御する供給制御装置として機能する水素供給弁の目標稼動状態、もしくは燃料電池から電流を取り出す電流取り出し装置の目標稼動状態を決定し、決定した目標稼動状態で稼動する旨上記対応する装置に指令を与える。   The operating state command unit 102 is supplied to the target operating state of the circulation pump that functions as a circulation device that circulates hydrogen of the fuel gas, or to the fuel cell, according to the required generated power supplied from the required generated power detection unit 101. Determine the target operating state of the hydrogen supply valve that functions as a supply control device that controls the supply flow rate of hydrogen as fuel gas, or the target operating state of the current extraction device that extracts current from the fuel cell, and operate in the determined target operating state A command is given to the corresponding device.

稼動状態指令補正手段１０３は、稼動状態指令手段１０２から出力された指令を受けて、この指令を燃料電池システムの運転状態に基づいて補正し、補正した指令を上記対応する装置に与える。   The operating state command correcting unit 103 receives the command output from the operating state command unit 102, corrects the command based on the operating state of the fuel cell system, and gives the corrected command to the corresponding device.

燃料電池システム運転状態検知手段１０４は、稼動状態指令手段１０２から出力された指令を補正するのに必要な、燃料電池入口、出口の水素圧力、取り出し電流、循環ポンプの回転数等の燃料電池システムの運転状態を検知し、検知した運転状態を稼動状態指令補正手段１０３に与える。   The fuel cell system operation state detection means 104 is a fuel cell system such as the fuel cell inlet / outlet hydrogen pressure, the extraction current, the rotation speed of the circulation pump, etc. necessary for correcting the command output from the operation state command means 102. The operating state is detected, and the detected operating state is given to the operating state command correcting means 103.

図２はこの発明の実施例１〜実施例５に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図２において、本発明の燃料電池システムは、電力を得る燃料電池１を備え、燃料電池１は、アノード極に燃料ガスとなる水素ガスが供給され、カソード極に酸化剤ガスとなる酸素を含む空気が供給され、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 diagram showing the configuration of the fuel cell system according to Embodiments 1 to 5 of the present invention. In FIG. 2, the fuel cell system of the present invention includes a fuel cell 1 that obtains electric power. The fuel cell 1 is supplied with hydrogen gas as a fuel gas at the anode electrode and contains oxygen as an oxidant gas at the cathode electrode. Air is supplied, the electrode reaction shown below proceeds, and electric power is generated.

（化１）
アノード極：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
カソード極：２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ
アノード極への水素供給は水素タンク２から水素タンク元弁３、減圧弁１６、水素供給弁４を介してなされる。水素タンク２から供給される高圧水素は、減圧弁１６で機械的に所定の圧力まで減圧され、燃料電池入口での水素圧力が所望の水素供給量を満たすような所望の水素圧力となるように、燃料電池１の水素入口に設けられた圧力センサ６ａで検出された水素圧力に基づいて水素供給弁４の開度制御で行われる。 (Chemical formula 1)
Anode electrode: H 2 → 2H + + 2e −
Cathode electrode: 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O
Hydrogen is supplied to the anode electrode from the hydrogen tank 2 through the hydrogen tank main valve 3, the pressure reducing valve 16, and the hydrogen supply valve 4. The high-pressure hydrogen supplied from the hydrogen tank 2 is mechanically reduced to a predetermined pressure by the pressure reducing valve 16 so that the hydrogen pressure at the fuel cell inlet becomes a desired hydrogen pressure that satisfies a desired hydrogen supply amount. The opening of the hydrogen supply valve 4 is controlled based on the hydrogen pressure detected by the pressure sensor 6a provided at the hydrogen inlet of the fuel cell 1.

水素循環ポンプ５は、燃料電池１のアノード極で消費されずに燃料電池１から排出された水素を燃料電池１の入口側に戻して再循環させる。水素循環ポンプ５は電動機によって駆動され、水素循環ポンプ５の回転数が回転数センサ９によって検知される。   The hydrogen circulation pump 5 returns the hydrogen discharged from the fuel cell 1 without being consumed at the anode electrode of the fuel cell 1 to the inlet side of the fuel cell 1 for recirculation. The hydrogen circulation pump 5 is driven by an electric motor, and the rotation speed of the hydrogen circulation pump 5 is detected by a rotation speed sensor 9.

燃料電池１のカソード極への空気は、コンプレッサ１０により加圧されて供給される。燃料電池１の空気出口側に設けられた空気調圧弁１４は、空気入口側に設けられた圧力センサ６ｃで検出された圧力に基づいてカソード極の空気圧力を調整制御し、例えば燃料電池１から取り出す電力を大きくしたい場合には、燃料電池１に供給される空気を加圧することによって、取り出し可能なエネルギー密度へ燃料電池１内の化学反応を上げる。   Air to the cathode of the fuel cell 1 is pressurized by the compressor 10 and supplied. The air pressure regulating valve 14 provided on the air outlet side of the fuel cell 1 adjusts and controls the air pressure at the cathode electrode based on the pressure detected by the pressure sensor 6c provided on the air inlet side. When it is desired to increase the electric power to be extracted, the chemical reaction in the fuel cell 1 is increased to a removable energy density by pressurizing the air supplied to the fuel cell 1.

パワーマネージャー８は、燃料電池１から電力を取り出して、例えば移動体を駆動するモータ（図示せず）等の負荷に電力を供給する、パワーマネージャー８には、電力を取り出す制御のために、燃料電池１から取り出す電流を計測する機能を備えている。電圧センサ１２は、燃料電池１の単電池（セル）毎もしくは複数電池毎の電圧を測定する。   The power manager 8 takes out electric power from the fuel cell 1 and supplies electric power to a load such as a motor (not shown) that drives the mobile body. The power manager 8 uses fuel for control to take out electric power. A function of measuring the current taken out from the battery 1 is provided. The voltage sensor 12 measures the voltage for each unit cell (cell) of the fuel cell 1 or for each of a plurality of batteries.

燃料電池１のカソード極側に空気を供給するため、化学反応しない窒素が電解質膜を透過して水素経路内に蓄積される。窒素量が多くなりすぎると、水素循環ポンプ５によって水素を循環させることができなくなるため、循環経路内の窒素量を管理する必要がある。したがって、燃料電池１の水素出口側の排出路１７に設けられたパージ弁７を開放することで循環経路内の窒素をシステムの外部に排出し、水素流通経路内に存在する窒素量を循環性能が維持できるレベルに制御する。   Since air is supplied to the cathode electrode side of the fuel cell 1, nitrogen that does not chemically react permeates the electrolyte membrane and accumulates in the hydrogen path. If the amount of nitrogen becomes too large, hydrogen cannot be circulated by the hydrogen circulation pump 5, so it is necessary to manage the amount of nitrogen in the circulation path. Therefore, by opening the purge valve 7 provided in the discharge path 17 on the hydrogen outlet side of the fuel cell 1, the nitrogen in the circulation path is discharged to the outside of the system, and the nitrogen amount existing in the hydrogen circulation path is circulated. To a level that can be maintained.

圧力センサ６ｂは、燃料電池１の水素出口側に設けられ、水素が循環する循環路の気体の圧力を測定する。湿度センサ１１は循環路内の気体の湿度を測定し、温度センサ１３は循環路内の気体の温度を測定し、水素濃度センサ１５は、循環路の水素濃度を測定する。   The pressure sensor 6b is provided on the hydrogen outlet side of the fuel cell 1, and measures the pressure of gas in the circulation path through which hydrogen circulates. The humidity sensor 11 measures the humidity of the gas in the circulation path, the temperature sensor 13 measures the temperature of the gas in the circulation path, and the hydrogen concentration sensor 15 measures the hydrogen concentration in the circulation path.

コントローラ３０は、本システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。コントローラ３０は、上記各センサならびにこれらのセンサで得られない他の圧力、温度、濃度、電圧、電流等本システムの運転に必要な情報を収集するセンサ（図示せず）からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、水素供給弁４、水素循環ポンプ５、パワーマネージャー８、コンプレッサ１０、空気調圧弁１４を含む本システムの制御を要する構成要素に指令を送り、以下に説明する水素の供給動作、電流取り出し制御を含む本システムの運転／停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。   The controller 30 functions as a control center for controlling the operation of the present system, and is provided with resources such as a CPU, a storage device, and an input / output device necessary for a computer that controls various operation processes based on a program, such as a microcomputer. It is realized by. The controller 30 reads signals from the sensors (not shown) that collect information necessary for the operation of the system, such as the above-mentioned sensors and other pressures, temperatures, concentrations, voltages, and currents that cannot be obtained by these sensors. Components requiring control of the present system including the hydrogen supply valve 4, the hydrogen circulation pump 5, the power manager 8, the compressor 10, and the air pressure control valve 14 based on the various signals read and the control logic (program) stored in advance. To control and control all operations necessary for the operation / stop of the system including the hydrogen supply operation and current extraction control described below.

図３は本発明の実施例１〜実施例５に係る制御処理を実行する際に必要となる手段を表したコントローラ３０の構成を示す図である。図３において、コントローラ３０は、燃料電池１に要求される発電電力を検知する要求発電電力検知部３１と、水素循環ポンプ５の目標回転数を決定する循環ポンプ目標回転数決定部３２と、燃料ガスの水素の供給量を決定し、水素供給弁４の開度を制御する水素供給弁目標開度決定部３３を備えている。   FIG. 3 is a diagram showing a configuration of the controller 30 that represents means necessary for executing the control processing according to the first to fifth embodiments of the present invention. In FIG. 3, the controller 30 includes a requested generated power detection unit 31 that detects the generated power required for the fuel cell 1, a circulation pump target rotation number determination unit 32 that determines a target rotation number of the hydrogen circulation pump 5, a fuel A hydrogen supply valve target opening degree determining unit 33 that determines the supply amount of gas hydrogen and controls the opening degree of the hydrogen supply valve 4 is provided.

また、コントローラ３０は、パワーマネージャー８で燃料電池１から取り出す電流を制御する目標取り出し電流決定部３４と、圧力センサ６ａ、６ｂ、温度センサ１３などの各センサの値を検出する燃料電池システム状態検出部３５と、循環ポンプ目標回転数決定部３２で決定された目標回転数に補正を加える循環ポンプ目標回転数補正部３６を備えている。   Further, the controller 30 detects the value of each sensor such as a target extraction current determination unit 34 that controls the current extracted from the fuel cell 1 by the power manager 8 and the pressure sensors 6a and 6b, the temperature sensor 13, and the like. And a circulation pump target rotation speed correction section 36 that corrects the target rotation speed determined by the circulation pump target rotation speed determination section 32.

さらに、コントローラ３０は、パージ弁７の開閉動作を制御するパージ弁制御部３７と、水素供給弁目標開度決定部３３で決定された水素供給弁４の目標開度を補正する水素供給弁目標開度補正部３８と、目標取り出し電流決定部３４で決定されたパワーマネージャー８の目標取り出し電流を補正する目標取り出し電流補正部３９を備えている。   Further, the controller 30 corrects the target opening of the hydrogen supply valve 4 determined by the purge valve control unit 37 that controls the opening / closing operation of the purge valve 7 and the hydrogen supply valve target opening determination unit 33. An opening correction unit 38 and a target extraction current correction unit 39 that corrects the target extraction current of the power manager 8 determined by the target extraction current determination unit 34 are provided.

要求発電電力検知部３１は、燃料電池１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１をエネルギー供給源として用いる際の燃料電池１への要求発電電力を検知する。   The required generated power detection unit 31 uses the fuel cell 1 directly as an energy supply source like a generator, or indirectly uses the fuel cell 1 as an energy supply source like an energy supply source for driving force of a moving body. The required generated power to the fuel cell 1 is detected.

循環ポンプ目標回転数決定部３２は、要求発電電力検知部３１で検知した要求発電電力に基づいて、安定した発電を行うために必要な循環水素流量を実現する、水素循環ポンプ５の目標回転数を決定する。水素循環ポンプ５は、実際の回転数を決定された目標回転数に制御する制御手段を備えている。   The circulation pump target rotational speed determination unit 32 realizes a circulating hydrogen flow rate necessary for performing stable power generation based on the required generated power detected by the required generated power detection unit 31, and the target rotational speed of the hydrogen circulation pump 5 To decide. The hydrogen circulation pump 5 includes control means for controlling the actual rotational speed to the determined target rotational speed.

水素供給弁目標開度決定部３３は、要求発電電力検知部３１で検知した要求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、達成すべきエネルギー密度となる燃料電池１の水素供給目標圧力を決定する。水素供給弁目標開度決定部３３は、圧力センサ６ａの検出値に基づいて、決定した目標圧力を満たすように水素供給弁４の目標開度を決定する。水素供給弁４は実際の開度を目標開度に制御する制御手段を備えている。   The hydrogen supply valve target opening degree determination unit 33 is based on the required generated power detected by the required generated power detection unit 31, and the energy density to be achieved so as to satisfy the hydrogen supply amount and the target generated power necessary for power generation. The target hydrogen supply pressure of the fuel cell 1 is determined. The hydrogen supply valve target opening determination unit 33 determines the target opening of the hydrogen supply valve 4 so as to satisfy the determined target pressure based on the detection value of the pressure sensor 6a. The hydrogen supply valve 4 includes control means for controlling the actual opening to the target opening.

目標取り出し電流決定部３４は、要求発電電力検知部３１で検知した要求発電電力に基づいて、パワーマネージャー８で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。パワーマネージャー８は、実際の取り出し電流を目標取り出し電流に制御する制御手段を備えている。   The target extraction current determination unit 34 determines a target extraction current for extracting the target generated power by the power manager 8 based on the required generated power detected by the required generated power detection unit 31. The power manager 8 includes control means for controlling the actual extraction current to the target extraction current.

燃料電池システム状態検出部３５は、圧力センサ６ａ、６ｂ、湿度センサ１１、温度センサ１３、水素濃度センサ１５ならびに回転数センサ９などの各センサの値を検出する。 循環ポンプ目標回転数補正部３６は、燃料電池システム状態検出部３５で検出された値に基づいて、循環ポンプ目標回転数決定部３２で決定された目標回転数に補正を加える。   The fuel cell system state detection unit 35 detects the values of the sensors such as the pressure sensors 6 a and 6 b, the humidity sensor 11, the temperature sensor 13, the hydrogen concentration sensor 15, and the rotation speed sensor 9. The circulation pump target rotation speed correction unit 36 corrects the target rotation speed determined by the circulation pump target rotation speed determination unit 32 based on the value detected by the fuel cell system state detection unit 35.

パージ弁制御部３７は、水素循環路内に蓄積される窒素および水蒸気を含む不純物によって発電に支障をきたさないように、燃料電池システム状態検出部３５で検出された検出値に基づいて、パージ弁７の開時間および閉時間を決定する。   The purge valve control unit 37 is configured to purge the purge valve based on the detection value detected by the fuel cell system state detection unit 35 so that power generation is not hindered by impurities including nitrogen and water vapor accumulated in the hydrogen circulation path. 7 open and close times are determined.

水素供給弁目標開度補正部３８は、燃料電池システム状態検出部３５で検出された検出値に基づいて、水素供給弁目標開度補正部３８で決定された目標開度を補正する。   The hydrogen supply valve target opening correction unit 38 corrects the target opening determined by the hydrogen supply valve target opening correction unit 38 based on the detection value detected by the fuel cell system state detection unit 35.

目標取り出し電流補正部３９は、燃料電池システム状態検出部３５で検出された検出値に基づいて、目標取り出し電流決定部３４で決定された目標取り出し電流を補正する。   The target extraction current correction unit 39 corrects the target extraction current determined by the target extraction current determination unit 34 based on the detection value detected by the fuel cell system state detection unit 35.

図４は実施例１に係る水素の循環動作の処理手順を示すフローチャートである。図４において、先ず要求発電電力検知部３１で燃料電池１への要求発電電力を検知する（ステップＳ４０１）。   FIG. 4 is a flowchart illustrating the processing procedure of the hydrogen circulation operation according to the first embodiment. In FIG. 4, the required generated power detection unit 31 first detects the required generated power to the fuel cell 1 (step S401).

その後、循環ポンプ目標回転数決定部３２において、要求発電電力に基づいて要求発電電力を発電するために燃料電池１から取り出す電流を計算し、算出した取り出し電流に基づいて安定した発電を行うために必要な循環水素流量を求める。続いて、パージ弁７のパージ制御によって水素経路内の水素量、水蒸気量ならびに窒素量が目標値に管理されているものとして、必要な循環水素流量を実現するための循環ガス流量を求める。なお、水素経路内の水素量、水蒸気量ならびに窒素量は、水素系路内の体積を設計値から求め、水素経路の水素濃度を計測することで求めることができる。引き続いて、循環ガス流量を実現するための水素循環ポンプ５の目標回転数（第１の目標回転数Ｒ１）を決定する。ここで、パージ制御の誤差を考慮して、第１の目標回転数Ｒ１を必要量に対して高く設定する（ステップＳ４０２）。   Thereafter, the circulation pump target rotational speed determination unit 32 calculates a current to be extracted from the fuel cell 1 to generate the required generated power based on the required generated power, and performs stable power generation based on the calculated extracted current. Obtain the required circulating hydrogen flow rate. Subsequently, assuming that the amount of hydrogen, the amount of water vapor and the amount of nitrogen in the hydrogen path are controlled to target values by the purge control of the purge valve 7, the circulating gas flow rate for realizing the necessary circulating hydrogen flow rate is obtained. The amount of hydrogen, the amount of water vapor and the amount of nitrogen in the hydrogen path can be determined by determining the volume in the hydrogen system path from the design value and measuring the hydrogen concentration in the hydrogen path. Subsequently, the target rotational speed (first target rotational speed R1) of the hydrogen circulation pump 5 for realizing the circulating gas flow rate is determined. Here, considering the purge control error, the first target rotational speed R1 is set higher than the required amount (step S402).

次に、水素供給弁目標開度決定部３３において、要求発電電力に基づいて、要求発電電力を発電するために燃料電池１から取り出す電流と、取り出し電流を実現するために燃料電池１に供給する水素の圧力を計算する。続いて、算出された水素圧力を実現するために必要な水素供給量を算出し、この水素供給量を実現するための水素供給弁４の目標開度を決定する（ステップＳ４０３）。   Next, in the hydrogen supply valve target opening degree determination unit 33, based on the required generated power, the current taken out from the fuel cell 1 to generate the required generated power and the fuel cell 1 supplied to realize the extracted current Calculate the hydrogen pressure. Subsequently, a hydrogen supply amount necessary for realizing the calculated hydrogen pressure is calculated, and a target opening degree of the hydrogen supply valve 4 for realizing the hydrogen supply amount is determined (step S403).

次に、目標取り出し電流決定部３４において、要求発電電力に基づいて要求発電電力を発電するために燃料電池１から取り出す電流を計算し、算出された電流をパワーマネージャー８の目標取り出し電流とする（ステップＳ４０４）。   Next, the target extraction current determination unit 34 calculates a current to be extracted from the fuel cell 1 to generate the required generated power based on the required generated power, and uses the calculated current as the target extraction current of the power manager 8 ( Step S404).

次に、燃料電池システム状態検出部３５において、燃料電池システムの状態を検出する。ここでは、圧力センサ６ｂで検出された燃料電池１の水素出口圧力を参照する。さらに、取り出し電流または圧力センサ６ｂ、湿度センサ１１、温度センサ１３、水素濃度センサ１５の検出値に基づいて、パージ弁７のパージ制御によって水素循環系の気体が目標としているガス成分になっているかを判断する（ステップＳ４０５）。   Next, the fuel cell system state detector 35 detects the state of the fuel cell system. Here, the hydrogen outlet pressure of the fuel cell 1 detected by the pressure sensor 6b is referred to. Further, whether the gas in the hydrogen circulation system is the target gas component by the purge control of the purge valve 7 based on the extraction current or the detection values of the pressure sensor 6b, the humidity sensor 11, the temperature sensor 13, and the hydrogen concentration sensor 15. Is determined (step S405).

なお、圧力センサ６ｂを備えていないシステムにおいては、水素循環ポンプ５の回転数センサ９で検出された回転数に基づいて水素循環系の循環ガス流量を推定し、この循環ガス流量が流れた場合の燃料電池１での圧力損失を計算し、この圧力損失と圧力センサ６ａで検出された燃料電池１の水素入口圧力との差をとることで、燃料電池１の水素出口圧力を推定してもよい。   In a system that does not include the pressure sensor 6b, the circulation gas flow rate of the hydrogen circulation system is estimated based on the rotation speed detected by the rotation speed sensor 9 of the hydrogen circulation pump 5, and the circulation gas flow rate flows. Even if the pressure loss in the fuel cell 1 is calculated and the difference between the pressure loss and the hydrogen inlet pressure of the fuel cell 1 detected by the pressure sensor 6a is calculated, the hydrogen outlet pressure of the fuel cell 1 is estimated. Good.

あるいは、水素供給弁４の開度、ならびにパワーマネージャー８の取り出し電流に基づいて燃料電池１に供給される水素の供給量を計算し、この水素供給量を上記水素出口圧力の推定に用いることで、水素が流れることによる燃料電池１での圧力損失も考慮することができる。これにより、推定精度を上げることができる。   Alternatively, the amount of hydrogen supplied to the fuel cell 1 is calculated based on the opening of the hydrogen supply valve 4 and the extraction current of the power manager 8, and this hydrogen supply amount is used to estimate the hydrogen outlet pressure. The pressure loss in the fuel cell 1 due to the flow of hydrogen can also be considered. Thereby, estimation accuracy can be raised.

次に、循環ポンプ目標回転数補正部３６において、圧力センサ６ｂ、湿度センサ１１、温度センサ１３ならびに水素濃度センサ１５の検出値に基づいて、現在のガス成分から循環水素流量を実現するための循環ガス流量を算出し、算出した循環ガス流量を実現するための水素循環ポンプ５の目標回転数（第２の目標回転数Ｒ２）を計算する（ステップＳ４０６）。   Next, in the circulation pump target rotation speed correction unit 36, the circulation for realizing the circulating hydrogen flow rate from the current gas component based on the detected values of the pressure sensor 6b, the humidity sensor 11, the temperature sensor 13 and the hydrogen concentration sensor 15. A gas flow rate is calculated, and a target rotational speed (second target rotational speed R2) of the hydrogen circulation pump 5 for realizing the calculated circulating gas flow rate is calculated (step S406).

次に、この第２の目標回転数Ｒ２と、先のステップＳ４０２で求めた第１の目標回転数Ｒ１とを比較する（ステップＳ４０７）。   Next, the second target rotational speed R2 is compared with the first target rotational speed R1 obtained in the previous step S402 (step S407).

比較結果において、第１の目標回転数Ｒ１が第２の目標回転数Ｒ２より大きい場合は、燃料電池１の水素出口圧力Ｐ１、もしくはその推定値が、パージによって水素循環路から不純物を排出することが可能な圧力Ｐ２よりも大きいか否かを判別する（ステップＳ４０８）。   In the comparison result, when the first target rotational speed R1 is larger than the second target rotational speed R2, the hydrogen outlet pressure P1 of the fuel cell 1 or its estimated value discharges impurities from the hydrogen circulation path by purging. It is determined whether or not the pressure is higher than the possible pressure P2 (step S408).

水素循環路に溜まった不純物をパージして排出できるか否かは、カソード極からアノード極へクロスリークする窒素量を基準に用いる。クロスリークする窒素量は、図５に示すように、カソード極とアノード極との窒素分圧差と、電解質膜の窒素透過係数との積で求める。   Whether or not impurities accumulated in the hydrogen circulation path can be purged and discharged is used based on the amount of nitrogen that cross leaks from the cathode electrode to the anode electrode. As shown in FIG. 5, the amount of nitrogen that leaks is determined by the product of the nitrogen partial pressure difference between the cathode and anode and the nitrogen permeability coefficient of the electrolyte membrane.

カソード極の窒素分圧は、コンプレッサ１０で吸入する空気の組成（通常であれば窒素濃度０．７９程度）と、圧力センサ６ｃで検出された燃料電池１の空気入口圧力との積で算出することができる。一方、アノード極の窒素分圧は、圧力センサ６ｂ、湿度センサ１１、温度センサ１３ならびに水素濃度センサ１５の検出値に基づいて求める。燃料電池１の電解質膜の窒素透過係数は予め実験で求めておく。   The nitrogen partial pressure at the cathode electrode is calculated by the product of the composition of air sucked by the compressor 10 (normally a nitrogen concentration of about 0.79) and the air inlet pressure of the fuel cell 1 detected by the pressure sensor 6c. be able to. On the other hand, the nitrogen partial pressure of the anode electrode is obtained based on the detection values of the pressure sensor 6 b, the humidity sensor 11, the temperature sensor 13, and the hydrogen concentration sensor 15. The nitrogen permeability coefficient of the electrolyte membrane of the fuel cell 1 is obtained in advance by experiments.

このようにして求められた窒素透過量と、圧力センサ６ｂ、湿度センサ１１、温度センサ１３ならびに水素濃度センサ１５の検出値とに基づいてパージ流量を算出し、このパージ流量を流すために必要な燃料電池１の水素出口圧力Ｐ２を求める。パージを行うために必要な燃料電池１の水素出口圧力Ｐ２は、図６（ａ）に示すようになり、そのときの水素入口圧力、水素出口圧力、水素循環ポンプ５の回転数ならびに発電量の時間変化は同図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すようになる。   The purge flow rate is calculated based on the nitrogen permeation amount thus obtained and the detected values of the pressure sensor 6b, the humidity sensor 11, the temperature sensor 13 and the hydrogen concentration sensor 15, and is necessary for flowing the purge flow rate. The hydrogen outlet pressure P2 of the fuel cell 1 is obtained. The hydrogen outlet pressure P2 of the fuel cell 1 necessary for purging is as shown in FIG. 6 (a). The hydrogen inlet pressure, the hydrogen outlet pressure, the rotation speed of the hydrogen circulation pump 5 and the power generation amount at that time are as follows. The time change is as shown in FIGS.

図４に戻って、先のステップＳ４０８の判別結果において、水素出口圧力Ｐ１が不純物パージ可能な水素出口圧力Ｐ２よりも小さい場合は、燃料電池１の水素出口圧力Ｐ１が下がりすぎたことを受けて、水素循環ポンプ５の目標回転数をステップＳ４０２で決定した目標回転数に対して低下するように補正を加え、水素出口圧力Ｐ１を上昇させる（ステップＳ４０９）。   Returning to FIG. 4, if the hydrogen outlet pressure P1 is smaller than the hydrogen outlet pressure P2 at which the impurity can be purged in the determination result of the previous step S408, the hydrogen outlet pressure P1 of the fuel cell 1 has decreased too much. Then, correction is performed so that the target rotational speed of the hydrogen circulation pump 5 is decreased with respect to the target rotational speed determined in step S402, and the hydrogen outlet pressure P1 is increased (step S409).

このときの低下量は、圧力Ｐ１と圧力Ｐ２との圧力差に応じて実験的に決めてもよい。もしくは、先のステップＳ４０６で算出した循環ガス流量が実現できる最低の回転数である第２の目標回転数Ｒ２を目安に、先のステップＳ４０２で算出した第１の目標回転数Ｒ１に対して補正を加えるようにしてもよい。このとき、目標回転数を一度に第２の目標回転数Ｒ２まで下げることも可能であるが、変動が生じたときに補正が過度になって振動することになるため、この調整の制御方法は予め実験等を行った結果に基づいて決める。   The amount of decrease at this time may be determined experimentally according to the pressure difference between the pressure P1 and the pressure P2. Alternatively, the first target rotational speed R1 calculated in the previous step S402 is corrected using the second target rotational speed R2 that is the lowest rotational speed at which the circulating gas flow rate calculated in the previous step S406 can be realized as a guide. May be added. At this time, it is possible to reduce the target rotational speed to the second target rotational speed R2 at a time. However, when the fluctuation occurs, the correction becomes excessive and vibrations occur. It is determined based on the results of experiments and the like in advance.

一方、先のステップＳ４０７の比較結果において、第１の目標回転数Ｒ１が第２の目標回転数Ｒ２より小さい場合は、続いて先のステップＳ４０８と同様に、水素出口圧力Ｐ１が不純物パージ可能な水素出口圧力Ｐ２よりも小さいか否かを判別する（ステップＳ４１０）。   On the other hand, in the comparison result of the previous step S407, when the first target rotational speed R1 is smaller than the second target rotational speed R2, the hydrogen outlet pressure P1 can be subsequently purged of impurities as in the previous step S408. It is determined whether or not the pressure is lower than the hydrogen outlet pressure P2 (step S410).

判別の結果、水素出口圧力Ｐ１が不純物パージ可能な水素出口圧力Ｐ２よりも小さい場合には、先のステップＳ４０６の判別結果の後水素循環ポンプ５の目標回転数を下げると、必要な循環水素流量が実現できなくなると判断されるため、水素循環ポンプ５の目標回転数を下げることを禁止して、循環水素量を確保するようにする（ステップＳ４１１）。一方、圧力Ｐ１が圧力Ｐ２よりも大きな場合には、この処理手順の最初の処理に戻りステップＳ４０１に示す処理を行う。   As a result of the determination, if the hydrogen outlet pressure P1 is smaller than the hydrogen outlet pressure P2 at which impurities can be purged, the necessary circulating hydrogen flow rate is reduced by lowering the target rotational speed of the hydrogen circulation pump 5 after the determination result of the previous step S406 Therefore, it is determined that the target rotational speed of the hydrogen circulation pump 5 is not lowered, and the amount of circulating hydrogen is ensured (step S411). On the other hand, if the pressure P1 is greater than the pressure P2, the process returns to the first process of this process procedure and the process shown in step S401 is performed.

水素出口圧力Ｐ１が不純物パージ可能な水素出口圧力Ｐ２よりも小さ場合に、水素循環ポンプ５の目標回転数の低下を禁止して、水素循環ポンプ５の回転数を下げないで燃料電池１の水素出口圧力を上げるためには、水素供給弁４の目標開度を増加させる（ステップＳ４１２）。これにより、燃料電池１への水素供給量が増加して燃料電池１の水素入口圧力が上がり、水素出口圧力Ｐ１も上昇し、パージ弁７を介して不純物のパージが可能となる。   When the hydrogen outlet pressure P1 is smaller than the hydrogen outlet pressure P2 at which impurities can be purged, the reduction of the target rotational speed of the hydrogen circulation pump 5 is prohibited, and the hydrogen of the fuel cell 1 is not reduced without reducing the rotational speed of the hydrogen circulation pump 5. In order to increase the outlet pressure, the target opening degree of the hydrogen supply valve 4 is increased (step S412). As a result, the amount of hydrogen supplied to the fuel cell 1 increases, the hydrogen inlet pressure of the fuel cell 1 increases, the hydrogen outlet pressure P1 also increases, and impurities can be purged via the purge valve 7.

このように、上記実施例１においては、要求発電電力に基づいて水素循環ポンプ５の目標回転数を算出し、算出した目標回転数を燃料電池システムの運転状態量を用いて補正して新たな目標回転数を決定し、燃料電池システムの運転状態量として、燃料電池１の水素入口圧力、もしくは燃料電池１の水素出口圧力を用いるようにしている。これにより、水素経路内の不純物濃度が設計で想定した値より上昇し、かつ水素系内の圧力が外乱要素、例えば非線形要素による圧力制御誤差、取り出し電流の変化による圧力挙動への影響等により低下した場合においても、燃料電池１の水素出口圧力をパージ可能な圧力以上に確保することが可能となる。この結果、水素循環系に溜まった不純物を適宜システム外に排出することができ、安定した発電が可能となる。   As described above, in the first embodiment, the target rotational speed of the hydrogen circulation pump 5 is calculated based on the required generated power, and the calculated target rotational speed is corrected by using the operation state quantity of the fuel cell system. The target rotational speed is determined, and the hydrogen inlet pressure of the fuel cell 1 or the hydrogen outlet pressure of the fuel cell 1 is used as the operating state quantity of the fuel cell system. As a result, the impurity concentration in the hydrogen path increases from the value assumed in the design, and the pressure in the hydrogen system decreases due to disturbance factors, such as pressure control errors due to nonlinear elements, the influence on pressure behavior due to changes in extraction current, etc. Even in this case, the hydrogen outlet pressure of the fuel cell 1 can be ensured to be equal to or higher than the purgeable pressure. As a result, impurities accumulated in the hydrogen circulation system can be appropriately discharged out of the system, and stable power generation is possible.

燃料電池システムの運転状態量として、燃料電池１の水素入口圧力と、水素循環ポンプ５の目標回転数に基づいて燃料電池１の水素出口圧力を推定し、この推定値に基づいて水素循環ポンプ５の目標回転数を補正して新たな目標回転数を決定することで、燃料電池１の水素出口圧力を確保して不純物排出が可能となり、安定した発電が可能となる。   As the operation state quantity of the fuel cell system, the hydrogen outlet pressure of the fuel cell 1 is estimated based on the hydrogen inlet pressure of the fuel cell 1 and the target rotational speed of the hydrogen circulation pump 5, and the hydrogen circulation pump 5 is based on this estimated value. By correcting the target rotational speed and determining a new target rotational speed, the hydrogen outlet pressure of the fuel cell 1 can be secured and impurities can be discharged, and stable power generation can be achieved.

燃料電池１の水素出口圧力の推定値が低下するほど、水素循環ポンプ５における揚程が減少するように水素循環ポンプ５の目標回転数を補正することで、燃料電池１の水素出口圧力が低下した場合には、出口圧力が増加するように水素循環ポンプ５の目標回転数を補正することが可能となり、不純物の排出が可能となる。   As the estimated value of the hydrogen outlet pressure of the fuel cell 1 decreases, the hydrogen outlet pressure of the fuel cell 1 decreases by correcting the target rotational speed of the hydrogen circulation pump 5 so that the head of the hydrogen circulation pump 5 decreases. In this case, the target rotational speed of the hydrogen circulation pump 5 can be corrected so that the outlet pressure increases, and impurities can be discharged.

要求発電電力に基づいて水素供給弁４の目標開度を決定し、燃料電池システムの運転状態量として燃料電池１の水素入口圧力と水素循環ポンプ５の回転数に基づいて燃料電池１の水素出口圧力を推定し、この推定値に基づいて水素供給弁４の目標開度を補正して新たな目標開度を決定することで、水素循環流量を確保するために水素循環ポンプ５の揚程が減少するように目標回転数を補正できない場合であっても、水素供給量を増やすことが可能となり、燃料電池１の水素出口圧力を増加させ、安定した不純物の排出が可能となる。   The target opening of the hydrogen supply valve 4 is determined based on the required generated power, and the hydrogen outlet of the fuel cell 1 is determined based on the hydrogen inlet pressure of the fuel cell 1 and the rotation speed of the hydrogen circulation pump 5 as the operating state quantity of the fuel cell system. By estimating the pressure and correcting the target opening degree of the hydrogen supply valve 4 based on the estimated value to determine a new target opening degree, the head of the hydrogen circulation pump 5 is reduced in order to secure the hydrogen circulation flow rate. Thus, even when the target rotational speed cannot be corrected, the hydrogen supply amount can be increased, the hydrogen outlet pressure of the fuel cell 1 can be increased, and stable impurities can be discharged.

水素循環ポンプ５の目標回転数の低下を禁止する一方、燃料電池１の水素入口圧力ならびに水素循環ポンプ５の回転数に基づいて、推定した燃料電池１の水素出口圧力が低下するほど水素入口圧力が増加するように水素供給弁４の目標開度を補正することで、水素循環ポンプ５の目標回転数を補正することによる燃料電池１の水素出口圧力の増加効果と、水素供給弁４の目標開度の補正効果との干渉を防止することができる。   While prohibiting the reduction of the target rotational speed of the hydrogen circulation pump 5, the hydrogen inlet pressure increases as the estimated hydrogen outlet pressure of the fuel cell 1 decreases based on the hydrogen inlet pressure of the fuel cell 1 and the rotational speed of the hydrogen circulation pump 5. By correcting the target opening degree of the hydrogen supply valve 4 so as to increase, the effect of increasing the hydrogen outlet pressure of the fuel cell 1 by correcting the target rotational speed of the hydrogen circulation pump 5 and the target of the hydrogen supply valve 4 Interference with the effect of correcting the opening can be prevented.

燃料電池システムの運転状態量として燃料電池１の水素出口圧力に基づいて、水素循環ポンプ５の目標回転数を補正して新たな目標回転数を決定することで、直接燃料電池１の水素出口圧力を管理制御することが可能となり、制御の精度を上げることができる。   The hydrogen outlet pressure of the direct fuel cell 1 is determined by correcting the target rotational speed of the hydrogen circulation pump 5 and determining a new target rotational speed based on the hydrogen outlet pressure of the fuel cell 1 as the operating state quantity of the fuel cell system. Can be managed and controlled, and the accuracy of control can be improved.

燃料電池１の水素出口圧力が低下するほど水素循環ポンプ５の揚程が減少するように、水素循環ポンプ５の目標回転数を補正することで、水素出口圧力を増加することが可能となり、不純物の排出が可能となる。   By correcting the target rotational speed of the hydrogen circulation pump 5 so that the head of the hydrogen circulation pump 5 decreases as the hydrogen outlet pressure of the fuel cell 1 decreases, the hydrogen outlet pressure can be increased. The discharge becomes possible.

要求発電電力に基づいて水素供給弁４の目標開度を決定し、燃料電池システムの運転状態量として燃料電池１の水素出口圧力に基づいて、水素供給弁４の目標開度に補正を加えて新たな目標開度を決定することで、水素の循環流量を確保するために水素循環ポンプ５の揚程が減少するように水素循環ポンプ５の回転数を補正できない場合であっても、水素供給量を増やすことが可能となる。これにより、燃料電池１の水素出口圧力を増加させることが可能となり、安定した不純物の排出ができる。また、燃料電池１の水素出口圧力を直接管理制御することで、制御の精度を上げることができる。   The target opening of the hydrogen supply valve 4 is determined based on the required generated power, and the target opening of the hydrogen supply valve 4 is corrected based on the hydrogen outlet pressure of the fuel cell 1 as the operating state quantity of the fuel cell system. Even if it is not possible to correct the rotation speed of the hydrogen circulation pump 5 so that the head of the hydrogen circulation pump 5 is reduced in order to secure the hydrogen circulation flow rate by determining the new target opening, the hydrogen supply amount Can be increased. As a result, the hydrogen outlet pressure of the fuel cell 1 can be increased, and stable impurities can be discharged. Further, the control accuracy can be improved by directly managing and controlling the hydrogen outlet pressure of the fuel cell 1.

水素循環ポンプ５の目標回転数の低下を禁止する一方、水素出口圧力が低下した場合に水素出口圧力が増加するように水素供給弁４の目標開度を補正することで、水素循環ポンプ５の目標回転数を補正する際に、水素出口圧力の増加効果と水素供給弁４の目標開度の補正効果との干渉を防止することができる。   While the reduction of the target rotational speed of the hydrogen circulation pump 5 is prohibited, the target opening degree of the hydrogen supply valve 4 is corrected so that the hydrogen outlet pressure increases when the hydrogen outlet pressure decreases, so that the hydrogen circulation pump 5 When correcting the target rotational speed, interference between the effect of increasing the hydrogen outlet pressure and the effect of correcting the target opening of the hydrogen supply valve 4 can be prevented.

図７はこの発明の実施例２に係る水素の循環環境の制御手順を示すフローチャートである。図７において、先ず要求発電電力検知部３１で燃料電池１への要求発電電力を検知する（ステップＳ７０１）。   FIG. 7 is a flowchart showing a control procedure of the hydrogen circulation environment according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 7, the required generated power detection unit 31 first detects the required generated power to the fuel cell 1 (step S701).

その後、循環ポンプ目標回転数決定部３２において、要求発電電力に基づいて要求発電電力を発電するために燃料電池１から取り出す電流を計算し、算出した取り出し電流に基づいて安定した発電を行うために必要な循環水素流量を求める。続いて、パージ弁７のパージ制御によって水素経路内の水素量、水蒸気量ならびに窒素量が目標値に管理されているものとして、必要な循環水素流量を実現するための循環ガス流量を求める。なお、水素経路内の水素量、水蒸気量ならびに窒素量は、水素系路内の体積を設計値から求め、水素経路の水素濃度を計測することで求めることができる。引き続いて、循環ガス流量を実現するための水素循環ポンプ５の目標回転数（第１の目標回転数Ｒ１）を決定する。ここで、パージ制御の誤差を考慮して、第１の目標回転数Ｒ１を必要量に対して高く設定する（ステップＳ７０２）。   Thereafter, the circulation pump target rotational speed determination unit 32 calculates a current to be extracted from the fuel cell 1 to generate the required generated power based on the required generated power, and performs stable power generation based on the calculated extracted current. Obtain the required circulating hydrogen flow rate. Subsequently, assuming that the amount of hydrogen, the amount of water vapor and the amount of nitrogen in the hydrogen path are controlled to target values by the purge control of the purge valve 7, the circulating gas flow rate for realizing the necessary circulating hydrogen flow rate is obtained. The amount of hydrogen, the amount of water vapor and the amount of nitrogen in the hydrogen path can be determined by determining the volume in the hydrogen system path from the design value and measuring the hydrogen concentration in the hydrogen path. Subsequently, the target rotational speed (first target rotational speed R1) of the hydrogen circulation pump 5 for realizing the circulating gas flow rate is determined. Here, in consideration of the purge control error, the first target rotational speed R1 is set higher than the required amount (step S702).

なお、要求発電電力に対応した目標取り出し電流は、予め求められた燃料電池１の電力−電流変換特性の元になる燃料電池１の水素圧力に対応した電流として求められる。   Note that the target extraction current corresponding to the required generated power is obtained as a current corresponding to the hydrogen pressure of the fuel cell 1 that is a source of the power-current conversion characteristics of the fuel cell 1 obtained in advance.

次に、水素供給弁目標開度決定部３３において、要求発電電力に基づいて、要求発電電力を発電するために燃料電池１から取り出す電流と、取り出し電流を実現するために燃料電池１に供給する水素の圧力を計算する。続いて、算出された水素圧力を実現するために必要な水素供給量を算出し、この水素供給量を実現するための水素供給弁４の目標開度を決定する（ステップＳ７０３）。   Next, in the hydrogen supply valve target opening degree determination unit 33, based on the required generated power, the current taken out from the fuel cell 1 to generate the required generated power and the fuel cell 1 supplied to realize the extracted current Calculate the hydrogen pressure. Subsequently, a hydrogen supply amount necessary for realizing the calculated hydrogen pressure is calculated, and a target opening degree of the hydrogen supply valve 4 for realizing the hydrogen supply amount is determined (step S703).

次に、目標取り出し電流決定部３４において、要求発電電力に基づいて要求発電電力を発電するために燃料電池１から取り出す電流を計算し、算出された電流をパワーマネージャー８の目標取り出し電流とする（ステップＳ７０４）。   Next, the target extraction current determination unit 34 calculates a current to be extracted from the fuel cell 1 to generate the required generated power based on the required generated power, and uses the calculated current as the target extraction current of the power manager 8 ( Step S704).

次に、燃料電池システム状態検出部３５において、燃料電池システムの状態を検出する。ここでは、パワーマネージャー８で取り出される取り出し電流の値と、圧力センサ６ａで検出された燃料電池１の水素入口圧力を参照する（ステップＳ７０５）。   Next, the fuel cell system state detector 35 detects the state of the fuel cell system. Here, the value of the extraction current extracted by the power manager 8 and the hydrogen inlet pressure of the fuel cell 1 detected by the pressure sensor 6a are referred to (step S705).

次に、先のステップＳ７０２で水素循環ポンプ５の第１の目標回転数Ｒ１を決定した際の基となった目標取り出し電流と、実際の取り出し電流（実取り出し電流）とを比較する（ステップＳ７０６）。   Next, the target extraction current that is the basis for determining the first target rotational speed R1 of the hydrogen circulation pump 5 in the previous step S702 is compared with the actual extraction current (actual extraction current) (step S706). ).

比較結果において、実取り出し電流＞目標取り出し電流である場合は、先のステップＳ７０２で決定された水素循環ポンプ５の第１の目標回転数Ｒ１に補正を加え、新たな目標回転数（第２の目標回転数）Ｒ２を計算する（ステップＳ７０７）。補正の加え方は、先のステップＳ７０２で計算に用いた取り出し電流と実取り出し電流とを比較し、比較結果に基づいて実験的に補正量を決めてもよいし、先のステップＳ７０５で計測した取り出し電流の値に基づいて、再度目標回転数を計算するようにしてもよい。   In the comparison result, when the actual extraction current> the target extraction current, the first target rotation speed R1 of the hydrogen circulation pump 5 determined in the previous step S702 is corrected, and a new target rotation speed (second Target rotation speed) R2 is calculated (step S707). The correction may be performed by comparing the extraction current used in the calculation in the previous step S702 with the actual extraction current, and experimentally determining the correction amount based on the comparison result, or by measuring in the previous step S705. The target rotation speed may be calculated again based on the value of the extraction current.

次に、先のステップＳ７０２で決定した循環ガス流量を流したときに、燃料電池１の水素入口圧力に応じてガス密度が変わり、ガス密度が高いと圧力損失が大きくなり、水素循環ポンプ５の吐出流量が減少する。このため、先のステップＳ７０２で計算に用いた燃料電池１の水素入口圧力と実際の燃料電池１の水素入口圧力とを比較する（ステップＳ７０８）。   Next, when the circulating gas flow rate determined in the previous step S702 is flowed, the gas density changes according to the hydrogen inlet pressure of the fuel cell 1, and if the gas density is high, the pressure loss increases, and the hydrogen circulation pump 5 The discharge flow rate decreases. For this reason, the hydrogen inlet pressure of the fuel cell 1 used for the calculation in the previous step S702 is compared with the actual hydrogen inlet pressure of the fuel cell 1 (step S708).

次に、比較結果において、実水素入口圧力が目標取り出し電流を算出する際に用いた水素入口圧力よりも低い場合は、その圧力差に応じて水素循環ポンプ５の目標回転数に補正を加えて増加させる。一方、実水素入口圧力が、先のステップＳ７０２で目標取り出し電流を算出する際に用いた水素入口圧力よりも高い場合は、この処理手順の最初の処理に戻りステップＳ７０１に示す処理を実行する。   Next, in the comparison result, when the actual hydrogen inlet pressure is lower than the hydrogen inlet pressure used when calculating the target extraction current, the target rotational speed of the hydrogen circulation pump 5 is corrected according to the pressure difference. increase. On the other hand, when the actual hydrogen inlet pressure is higher than the hydrogen inlet pressure used when the target extraction current is calculated in the previous step S702, the process returns to the first process of this process procedure and the process shown in step S701 is executed.

なお、図７に示す処理手順では、ステップＳ７０６、Ｓ７０７と、ステップＳ７０８、Ｓ７０９との双方を行う場合を示したが、いずれか一方のみを実行するのでもよい。   In the processing procedure shown in FIG. 7, a case where both steps S706 and S707 and steps S708 and S709 are performed is shown, but only one of them may be executed.

このように、上記実施例２においては、燃料電池１の水素入口圧力もしくは目標取り出し電流の少なくとも一方に基づいて水素循環ポンプ５の目標回転数を増加補正することで、制御誤差などで水素圧力が低く水素濃度が低い場合や、取り出し電流が大きくなり循環水素流量の増量が必要な場合でも、水素循環ポンプ５の目標回転数を高めることが可能となる。これにより要求発電電力に必要な循環水素流量を確保することが可能となり、安定した発電を行うことができる。   As described above, in the second embodiment, the hydrogen pressure is increased due to a control error or the like by increasing and correcting the target rotational speed of the hydrogen circulation pump 5 based on at least one of the hydrogen inlet pressure of the fuel cell 1 or the target extraction current. Even when the hydrogen concentration is low and the extraction current is large and the circulating hydrogen flow rate needs to be increased, the target rotational speed of the hydrogen circulation pump 5 can be increased. As a result, it is possible to secure a circulating hydrogen flow rate necessary for the required generated power, and stable power generation can be performed.

燃料電池１の水素入口圧力が低いほど、ならびに取り出し電流が大きいほど、循環水素流量が増加するように水素循環ポンプ５の目標回転数を補正することで、制御誤差に応じて水素循環ポンプ５の目標回転数を調整することが可能となり、安定した発電を行うことができる。   The target rotational speed of the hydrogen circulation pump 5 is corrected so that the circulating hydrogen flow rate increases as the hydrogen inlet pressure of the fuel cell 1 is lower and the extraction current is larger. The target rotational speed can be adjusted, and stable power generation can be performed.

図８はこの発明の実施例３に係る水素の循環環境の制御手順を示すフローチャートである。図８において、先ず要求発電電力検知部３１で燃料電池１への要求発電電力を検知する（ステップＳ８０１）。   FIG. 8 is a flowchart showing a control procedure of the hydrogen circulation environment according to Embodiment 3 of the present invention. In FIG. 8, first, the required generated power detection unit 31 detects the required generated power to the fuel cell 1 (step S801).

その後、循環ポンプ目標回転数決定部３２において、要求発電電力に基づいて要求発電電力を発電するために燃料電池１から取り出す電流を計算し、算出した取り出し電流に基づいて安定した発電を行うために必要な循環水素流量を求める。続いて、パージ弁７のパージ制御によって水素経路内の水素量、水蒸気量ならびに窒素量が目標値に管理されているものとして、必要な循環水素流量を実現するための循環ガス流量を求める。なお、水素経路内の水素量、水蒸気量ならびに窒素量は、水素系路内の体積を設計値から求め、水素経路の水素濃度を計測することで求めることができる。引き続いて、循環ガス流量を実現するための水素循環ポンプ５の目標回転数（第１の目標回転数Ｒ１）を決定する。ここで、パージ制御の誤差を考慮して、第１の目標回転数Ｒ１を必要量に対して高く設定する（ステップＳ８０２）。   Thereafter, the circulation pump target rotational speed determination unit 32 calculates a current to be extracted from the fuel cell 1 to generate the required generated power based on the required generated power, and performs stable power generation based on the calculated extracted current. Obtain the required circulating hydrogen flow rate. Subsequently, assuming that the amount of hydrogen, the amount of water vapor and the amount of nitrogen in the hydrogen path are controlled to target values by the purge control of the purge valve 7, the circulating gas flow rate for realizing the necessary circulating hydrogen flow rate is obtained. The amount of hydrogen, the amount of water vapor and the amount of nitrogen in the hydrogen path can be determined by determining the volume in the hydrogen system path from the design value and measuring the hydrogen concentration in the hydrogen path. Subsequently, the target rotational speed (first target rotational speed R1) of the hydrogen circulation pump 5 for realizing the circulating gas flow rate is determined. Here, in consideration of the purge control error, the first target rotational speed R1 is set higher than the required amount (step S802).

なお、要求発電電力に対応した目標取り出し電流は、予め求められた燃料電池１の電力−電流変換特性の元になる燃料電池１の水素圧力に対応した電流として求められる。   Note that the target extraction current corresponding to the required generated power is obtained as a current corresponding to the hydrogen pressure of the fuel cell 1 that is a source of the power-current conversion characteristics of the fuel cell 1 obtained in advance.

次に、水素供給弁目標開度決定部３３において、要求発電電力に基づいて、要求発電電力を発電するために燃料電池１から取り出す電流と、取り出し電流を実現するために燃料電池１に供給する水素の圧力を計算する。続いて、算出された水素圧力を実現するために必要な水素供給量を算出し、この水素供給量を実現するための水素供給弁４の目標開度を決定する（ステップＳ８０３）。   Next, in the hydrogen supply valve target opening degree determination unit 33, based on the required generated power, the current taken out from the fuel cell 1 to generate the required generated power and the fuel cell 1 supplied to realize the extracted current Calculate the hydrogen pressure. Subsequently, a hydrogen supply amount necessary for realizing the calculated hydrogen pressure is calculated, and a target opening degree of the hydrogen supply valve 4 for realizing the hydrogen supply amount is determined (step S803).

次に、目標取り出し電流決定部３４において、要求発電電力に基づいて要求発電電力を発電するために燃料電池１から取り出す電流を計算し、算出された電流をパワーマネージャー８の目標取り出し電流とする（ステップＳ８０４）。   Next, the target extraction current determination unit 34 calculates a current to be extracted from the fuel cell 1 to generate the required generated power based on the required generated power, and uses the calculated current as the target extraction current of the power manager 8 ( Step S804).

次に、燃料電池システム状態検出部３５において、燃料電池システムの状態を検出する。ここでは、回転数センサ９で検出された水素循環ポンプ５の回転数と、圧力センサ６ａで検出された燃料電池１の水素入口圧力を参照する（ステップＳ８０５）。   Next, the fuel cell system state detector 35 detects the state of the fuel cell system. Here, the rotation speed of the hydrogen circulation pump 5 detected by the rotation speed sensor 9 and the hydrogen inlet pressure of the fuel cell 1 detected by the pressure sensor 6a are referred to (step S805).

次に、先のステップＳ８０５で検出した燃料電池１の水素入口圧力と、先のステップＳ８０４で目標取り出し電流を計算するときに用いた、燃料電池１の電力−電流変換特性の元になっている水素圧力とを比較する（ステップＳ８０６）。   Next, the hydrogen inlet pressure of the fuel cell 1 detected in the previous step S805 and the power-current conversion characteristics of the fuel cell 1 used when calculating the target extraction current in the previous step S804 are used. The hydrogen pressure is compared (step S806).

比較結果において、検出された水素入口圧力が目標取り出し電流を算出する際に用いた水素圧力よりも低い場合は、先のステップＳ８０４で決定された目標取り出し電流を減少するように補正を加え、新たな目標取り出し電流を計算する（ステップＳ８０７）。補正の加え方は、圧力の比較結果に基づいて実験的に補正量を決めてもよいし、圧力による燃料電池１の電力−電流変換性能の電流の変化率を考慮して、再度目標取り出し電流を計算するようにしてもよい。   In the comparison result, when the detected hydrogen inlet pressure is lower than the hydrogen pressure used when calculating the target extraction current, a correction is made so as to decrease the target extraction current determined in the previous step S804, and a new A target extraction current is calculated (step S807). As a method of adding correction, the correction amount may be determined experimentally based on the pressure comparison result, or the target extraction current is again taken into consideration in consideration of the rate of change of the current of the power-current conversion performance of the fuel cell 1 due to the pressure. May be calculated.

次に、先のステップＳ８０５で検出した水素循環ポンプ５の回転数に基づいて、現在の状態の燃料電池１から取り出し可能な取り出し可能電流を計算し、算出された取り出し可能電流と目標取り出し電流とを比較する（ステップＳ８０８）。   Next, based on the rotation speed of the hydrogen circulation pump 5 detected in the previous step S805, a take-out current that can be taken out from the fuel cell 1 in the current state is calculated, and the calculated take-out current and target take-out current are calculated. Are compared (step S808).

次に、取り出し可能電流＜目標取り出し電流である場合は、両電流の差に基づいて先のステップＳ８０７で補正された目標取り出し電流が減少するように補正を加える（ステップＳ８０９）。補正の加え方は、先のステップＳ８０５で検出した水素循環ポンプ５の回転数に基づいて取り出し電流を算出し、算出した電流を最終的な目標取り出し電流とするようにしてもよい。一方、取り出し可能電流＞目標取り出し電流である場合には、この手順の最初の処理に戻りステップＳ８０１を実行する。   Next, when the current that can be taken out is smaller than the target current that is taken out, correction is made so that the target current that has been corrected in the previous step S807 is reduced based on the difference between the two currents (step S809). The correction may be performed by calculating the extraction current based on the rotation speed of the hydrogen circulation pump 5 detected in the previous step S805, and making the calculated current the final target extraction current. On the other hand, if the current that can be taken out is larger than the target current that is taken out, the process returns to the first process of this procedure, and step S801 is executed.

なお、この処理手順において、ステップＳ８０６、Ｓ８０７と、ステップＳ８０８、Ｓ８０９との双方を行うようにしているが、いずれか一方のみを実行するようにしてもよい。   In this processing procedure, both steps S806 and S807 and steps S808 and S809 are performed, but only one of them may be performed.

このように、上記実施例３においては、燃料電池１の水素入口圧力もしくは水素循環ポンプ５の回転数の少なくとも一方に基づいて目標取り出し電流を補正することで、制御誤差などで水素圧力が低く水素濃度が低い場合や、水素循環ポンプ５の回転数が小さく十分な循環水素流量が確保できていない場合には、取り出し電流を抑えることで燃料電池１の電解質膜に付着してある触媒の劣化反応を防止することができる。   As described above, in Example 3 described above, the target extraction current is corrected based on at least one of the hydrogen inlet pressure of the fuel cell 1 or the rotation speed of the hydrogen circulation pump 5, so that the hydrogen pressure is reduced due to a control error or the like. When the concentration is low or when the rotation speed of the hydrogen circulation pump 5 is small and a sufficient circulating hydrogen flow rate cannot be secured, the degradation reaction of the catalyst attached to the electrolyte membrane of the fuel cell 1 is suppressed by suppressing the take-out current. Can be prevented.

燃料電池１の水素入口圧力が小さいほど、ならびに水素循環ポンプ５の目標回転数が小さいほど、取り出し電流が減少するようにパワーマネージャー８の目標取出し電流を補正することで、触媒の劣化反応を防止することができる。   By correcting the target extraction current of the power manager 8 so that the extraction current decreases as the hydrogen inlet pressure of the fuel cell 1 decreases and as the target rotational speed of the hydrogen circulation pump 5 decreases, the deterioration reaction of the catalyst is prevented. can do.

図９はこの発明の実施例４に係る水素の循環環境の制御手順を示すフローチャートである。この実施例４は、先の実施例２に比べて図７のステップＳ７０７で示す処理とステップＳ７０８の処理の間に、ステップＳ９０８で示す処理が追加されていることを特徴としている。   FIG. 9 is a flowchart showing a control procedure of the hydrogen circulation environment according to Embodiment 4 of the present invention. The fourth embodiment is characterized in that the process shown in step S908 is added between the process shown in step S707 of FIG. 7 and the process of step S708 as compared to the second embodiment.

したがって、図９において、ステップＳ９０１〜ステップＳ９０７に示す処理は、先の実施例２の図７に示すステップＳ７０１〜ステップＳ７０７に示す処理と同様であり、図９のステップＳ９０９〜ステップＳ９１０に示す処理は、図７のステップＳ７０８〜ステップＳ７０９に示す処理と同様であるので、その説明は省略する。   Therefore, in FIG. 9, the processing shown in steps S901 to S907 is the same as the processing shown in steps S701 to S707 shown in FIG. 7 of the second embodiment, and the processing shown in steps S909 to S910 in FIG. Is the same as the processing shown in steps S708 to S709 in FIG.

図９において、ステップＳ９０７で水素循環ポンプ５の回転数を増加させて補正した後、
先のステップＳ９０２で水素循環ポンプ５の第１の目標回転数Ｒ１を決定した際に用いた目標取り出し電流と、検出された実際の取り出し電流とを比較する。比較の結果、実際の取り出し電流が目標取り出し電流よりも大きくなっている場合には、燃料電池１に供給される水素供給量が増加するように、水素供給弁４の目標開度を増加して補正を加える。一方、実際の取り出し電流が目標取り出し電流よりも小さい場合は、水素供給弁４の目標開度の補正は行わない（ステップＳ９０８）。 In FIG. 9, after correcting by increasing the rotation speed of the hydrogen circulation pump 5 in step S907,
The target extraction current used when the first target rotational speed R1 of the hydrogen circulation pump 5 is determined in the previous step S902 is compared with the detected actual extraction current. As a result of the comparison, when the actual extraction current is larger than the target extraction current, the target opening of the hydrogen supply valve 4 is increased so that the amount of hydrogen supplied to the fuel cell 1 increases. Add corrections. On the other hand, when the actual extraction current is smaller than the target extraction current, the target opening degree of the hydrogen supply valve 4 is not corrected (step S908).

このように、上記実施例４においては、取り出し電流に基づいて水素供給弁４の目標開度を増加させて補正することで、取り出し電流が過渡的に増大した場合に、水素の供給量を増やすことが可能となる。これにより、水素循環ポンプ５による循環水素流量が急激に増加できない場合でも、燃料電池１へ安定した燃料供給が可能となり、安定した発電を行うことができる。   As described above, in the fourth embodiment, the supply amount of hydrogen is increased when the extraction current increases transiently by increasing the target opening of the hydrogen supply valve 4 based on the extraction current for correction. It becomes possible. Thereby, even when the circulating hydrogen flow rate by the hydrogen circulation pump 5 cannot be increased rapidly, stable fuel supply to the fuel cell 1 is possible, and stable power generation can be performed.

取り出し電流が大きいほど、水素入口圧力が増加するように水素供給弁４の目標開度を増加させて補正することで、取り出し電流量に応じて水素供給量を増加させることが可能となり、安定した発電が可能となる。   By increasing and correcting the target opening of the hydrogen supply valve 4 so that the hydrogen inlet pressure increases as the extraction current increases, it becomes possible to increase the hydrogen supply amount according to the extraction current amount and Power generation is possible.

図１０はこの発明の実施例５に係る水素の循環環境の制御手順を示すフローチャートである。図１０において、先ず要求発電電力検知部３１で燃料電池１への要求発電電力を検知する（ステップＳ１００１）。   FIG. 10 is a flowchart showing a control procedure of the hydrogen circulation environment according to the fifth embodiment of the present invention. In FIG. 10, the required generated power detection unit 31 first detects the required generated power to the fuel cell 1 (step S1001).

その後、循環ポンプ目標回転数決定部３２において、要求発電電力に基づいて要求発電電力を発電するために燃料電池１から取り出す電流を計算し、算出した取り出し電流に基づいて安定した発電を行うために必要な循環水素流量を求める。続いて、パージ弁７のパージ制御によって水素経路内の水素量、水蒸気量ならびに窒素量が目標値に管理されているものとして、必要な循環水素流量を実現するための循環ガス流量を求める。なお、水素経路内の水素量、水蒸気量ならびに窒素量は、水素系路内の体積を設計値から求め、水素経路の水素濃度を計測することで求めることができる。引き続いて、循環ガス流量を実現するための水素循環ポンプ５の目標回転数（第１の目標回転数Ｒ１）を決定する。ここで、パージ制御の誤差を考慮して、第１の目標回転数Ｒ１を必要量に対して高く設定する（ステップＳ１００２）。   Thereafter, the circulation pump target rotational speed determination unit 32 calculates a current to be extracted from the fuel cell 1 to generate the required generated power based on the required generated power, and performs stable power generation based on the calculated extracted current. Obtain the required circulating hydrogen flow rate. Subsequently, assuming that the amount of hydrogen, the amount of water vapor and the amount of nitrogen in the hydrogen path are controlled to target values by the purge control of the purge valve 7, the circulating gas flow rate for realizing the necessary circulating hydrogen flow rate is obtained. The amount of hydrogen, the amount of water vapor and the amount of nitrogen in the hydrogen path can be determined by determining the volume in the hydrogen system path from the design value and measuring the hydrogen concentration in the hydrogen path. Subsequently, the target rotational speed (first target rotational speed R1) of the hydrogen circulation pump 5 for realizing the circulating gas flow rate is determined. Here, considering the purge control error, the first target rotational speed R1 is set higher than the required amount (step S1002).

なお、要求発電電力に対応した目標取り出し電流は、予め求められた燃料電池１の電力−電流変換特性の元になる燃料電池１の水素圧力に対応した電流として求められる。   Note that the target extraction current corresponding to the required generated power is obtained as a current corresponding to the hydrogen pressure of the fuel cell 1 that is a source of the power-current conversion characteristics of the fuel cell 1 obtained in advance.

次に、水素供給弁目標開度決定部３３において、要求発電電力に基づいて、要求発電電力を発電するために燃料電池１から取り出す電流と、取り出し電流を実現するために燃料電池１に供給する水素の圧力を計算する。続いて、算出された水素圧力を実現するために必要な水素供給量を算出し、この水素供給量を実現するための水素供給弁４の目標開度を決定する（ステップＳ１００３）。   Next, in the hydrogen supply valve target opening degree determination unit 33, based on the required generated power, the current taken out from the fuel cell 1 to generate the required generated power and the fuel cell 1 supplied to realize the extracted current Calculate the hydrogen pressure. Subsequently, a hydrogen supply amount necessary for realizing the calculated hydrogen pressure is calculated, and a target opening degree of the hydrogen supply valve 4 for realizing the hydrogen supply amount is determined (step S1003).

次に、目標取り出し電流決定部３４において、要求発電電力に基づいて要求発電電力を発電するために燃料電池１から取り出す電流を計算し、算出された電流をパワーマネージャー８の目標取り出し電流とする（ステップＳ１００４）。   Next, the target extraction current determination unit 34 calculates a current to be extracted from the fuel cell 1 to generate the required generated power based on the required generated power, and uses the calculated current as the target extraction current of the power manager 8 ( Step S1004).

次に、燃料電池システム状態検出部３５において、燃料電池システムの状態を検出する。ここでは、圧力センサ６ｂで検出された燃料電池１の水素出口圧力を参照する（ステップＳ１００５）。なお、検出された水素出口圧力に代えて、先に触れたように水素出口圧力の推定値を求めてこれを用いるようにしてもよい。   Next, the fuel cell system state detector 35 detects the state of the fuel cell system. Here, the hydrogen outlet pressure of the fuel cell 1 detected by the pressure sensor 6b is referred to (step S1005). Note that, instead of the detected hydrogen outlet pressure, an estimated value of the hydrogen outlet pressure may be obtained and used as described above.

次に、検出された水素出口圧力（もしくはその推定値）Ｐ１が、パージによって不純物を排出することが可能な圧力Ｐ２よりも大きいか否かを判別する（ステップＳ１００６）。なお、圧力Ｐ２は先の実施例１で説明したと同様にして求められる。   Next, it is determined whether or not the detected hydrogen outlet pressure (or its estimated value) P1 is higher than a pressure P2 at which impurities can be discharged by purging (step S1006). The pressure P2 is obtained in the same manner as described in the first embodiment.

判別の結果、水素出口圧力Ｐ１＜圧力Ｐ２である場合には、両圧力差に基づいて水素供給弁４の目標開度を増加させて補正を加える（ステップＳ１００７）。これにより、燃料電池１の水素入口圧力が上がり、これに伴って水素出口圧力も上昇し、パージにより水素循環路に溜まった不純物をシステム外に排出できる水素出口圧力が確保される。   As a result of the determination, if the hydrogen outlet pressure P1 <the pressure P2, the correction is made by increasing the target opening of the hydrogen supply valve 4 based on the pressure difference (step S1007). As a result, the hydrogen inlet pressure of the fuel cell 1 is increased, and the hydrogen outlet pressure is increased accordingly, and a hydrogen outlet pressure that can discharge impurities accumulated in the hydrogen circulation path by the purge is ensured.

このように、上記実施例５においては、燃料電池１の水素出口圧力が低下した場合には、水素入口圧力が増加するように水素供給弁４の目標開度を増加させることで、水素循環ポンプ５の回転数に関係なく水素出口圧力を上昇させることが可能となり、パージにより不純物を排出することが可能となり、安定した発電を行うことができる。   As described above, in the fifth embodiment, when the hydrogen outlet pressure of the fuel cell 1 decreases, the hydrogen circulation pump is configured by increasing the target opening of the hydrogen supply valve 4 so that the hydrogen inlet pressure increases. The hydrogen outlet pressure can be increased regardless of the number of revolutions of 5, impurities can be discharged by purging, and stable power generation can be performed.

本発明の実施例１〜実施例５に係る燃料電池システムに共通した基本機能を示す図である。It is a figure which shows the basic function common to the fuel cell system which concerns on Example 1- Example 5 of this invention. 本発明の実施例１〜実施例５に係る燃料電池システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell system which concerns on Example 1- Example 5 of this invention. 本発明の実施例１〜実施例５に係るコントローラの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the controller which concerns on Example 1- Example 5 of this invention. 実施例１に係る水素の循環環境の制御手順を示すフローチャートである。3 is a flowchart illustrating a control procedure of a hydrogen circulation environment according to the first embodiment. 燃料電池における窒素の透過を説明するための図である。It is a figure for demonstrating permeation | transmission of nitrogen in a fuel cell. 水素循環ポンプと燃料電池の各圧力との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between each pressure of a hydrogen circulation pump and a fuel cell. 実施例２に係る水素の循環環境の制御手順を示すフローチャートである。6 is a flowchart illustrating a control procedure of a hydrogen circulation environment according to a second embodiment. 実施例３に係る水素の循環環境の制御手順を示すフローチャートである。10 is a flowchart illustrating a control procedure of a hydrogen circulation environment according to a third embodiment. 実施例４に係る水素の循環環境の制御手順を示すフローチャートである。10 is a flowchart illustrating a control procedure of a hydrogen circulation environment according to a fourth embodiment. 実施例５に係る水素の循環環境の制御手順を示すフローチャートである。12 is a flowchart illustrating a control procedure of a hydrogen circulation environment according to a fifth embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

１…燃料電池
２…水素タンク
３…水素タンク元弁
４…水素供給弁
５…水素循環ポンプ
６ａ，６ｂ，６ｃ…圧力センサ
７…パージ弁
８…パワーマネージャー
９…回転数センサ
１０…コンプレッサ
１１…湿度センサ
１２…電圧センサ
１３…温度センサ
１４…空気調圧弁
１５…水素濃度センサ
１６…減圧弁
１７…排出路
３０…コントローラ
３１…要求発電電力検知部
３２…循環ポンプ目標回転数決定部
３３…水素供給弁目標開度決定部
３４…目標取り出し電流決定部
３５…燃料電池システム状態検出部
３６…循環ポンプ目標回転数補正部
３７…パージ弁制御部
３８…水素供給弁目標開度補正部
３９…目標取り出し電流補正部
１０１…要求発電電力検知手段
１０２…稼動状態指令手段
１０３…稼動状態指令補正手段
１０４…燃料電池システム運転状態検知手段 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell 2 ... Hydrogen tank 3 ... Hydrogen tank main valve 4 ... Hydrogen supply valve 5 ... Hydrogen circulation pump 6a, 6b, 6c ... Pressure sensor 7 ... Purge valve 8 ... Power manager 9 ... Revolution sensor 10 ... Compressor 11 ... Humidity sensor 12 ... Voltage sensor 13 ... Temperature sensor 14 ... Air pressure regulating valve 15 ... Hydrogen concentration sensor 16 ... Pressure reducing valve 17 ... Discharge passage 30 ... Controller 31 ... Required generated power detection unit 32 ... Circulating pump target rotational speed determination unit 33 ... Hydrogen Supply valve target opening determination unit 34 ... Target extraction current determination unit 35 ... Fuel cell system state detection unit 36 ... Circulation pump target rotation speed correction unit 37 ... Purge valve control unit 38 ... Hydrogen supply valve target opening correction unit 39 ... Target Extraction current correction unit 101... Required generation power detection means 102... Operating state command means 103. Pond system operating state detecting means

Claims (16)

燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給手段により供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池から排出された未使用の燃料ガスを前記燃料電池に再供給して循環させる循環手段とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池に要求される発電電力を検知する要求発電電力検知手段と、
前記燃料電池システムの運転の状態を示す運転状態量を検知する運転状態量検知手段と、
前記要求発電電力検知手段で検知された要求発電電力に基づいて、前記循環手段の運転状態を指令する指令手段と、
前記運転状態量検知手段で検知された運転状態量に基づいて、前記指令手段の指令内容を補正する指令補正手段と、
前記指令手段の指令または前記指令補正手段の補正指令に基づいて、前記循環手段の運転状態を制御する制御手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas supplied by the fuel gas supply means and an oxidant gas supplied by the oxidant gas supply means;
A fuel cell system comprising a circulation means for re-supplying and circulating unused fuel gas discharged from the fuel cell to the fuel cell;
Requested generated power detection means for detecting generated power required for the fuel cell;
An operation state amount detecting means for detecting an operation state amount indicating the operation state of the fuel cell system;
Based on the required generated power detected by the required generated power detection means, command means for instructing the operating state of the circulating means,
Command correction means for correcting the command content of the command means based on the driving state quantity detected by the driving state quantity detection means;
And a control means for controlling an operating state of the circulation means based on a command from the command means or a correction command from the command correction means. 前記運転状態量検知手段は、前記燃料電池の燃料ガス入口圧力と前記循環手段の運転状態との運転状態量を検知し、
前記指令補正手段は、前記運転状態量検知手段で検知された、燃料ガス入口圧力と前記循環手段の運転状態との運転状態量に基づいて燃料ガス出口圧力を推定し、その推定結果と前記循環手段の運転状態とに基づいて補正する
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 The operating state quantity detecting means detects an operating state quantity between a fuel gas inlet pressure of the fuel cell and an operating state of the circulating means,
The command correcting means estimates a fuel gas outlet pressure based on an operating state quantity detected by the operating state quantity detecting means between a fuel gas inlet pressure and an operating state of the circulating means, and the estimation result and the circulation The fuel cell system according to claim 1, wherein the correction is made based on an operating state of the means. 前記指令補正手段は、前記燃料電池の燃料ガス出口圧力の推定結果が低下する程、前記循環手段の揚程が減少するように補正する
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。 3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the command correction unit performs correction so that the head of the circulation unit decreases as the estimation result of the fuel gas outlet pressure of the fuel cell decreases. 前記指令手段は、前記要求発電電力検知手段で検知された要求発電電力に基づいて、前記燃料ガス供給手段の運転状態を指令し、
前記指令補正手段は、前記運転状態量検知手段で検知された、燃料ガス入口圧力と前記循環手段の運転状態との運転状態量に基づいて燃料ガス出口圧力を推定し、その推定結果に基づいて前記燃料ガス供給手段の運転状態の指令を補正し、
前記制御手段は、前記指令手段の指令または前記指令補正手段の補正指令に基づいて、前記燃料ガス供給手段の運転状態を制御する
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 The command means commands the operating state of the fuel gas supply means based on the required generated power detected by the required generated power detection means,
The command correction means estimates the fuel gas outlet pressure based on the operating state quantity of the fuel gas inlet pressure and the operating state of the circulating means detected by the operating state quantity detecting means, and based on the estimation result Correcting the operating state command of the fuel gas supply means,
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit controls an operating state of the fuel gas supply unit based on a command from the command unit or a correction command from the command correction unit. 前記指令補正手段は、前記燃料電池の燃料ガス出口圧力の推定結果が所定の圧力によりも低下した場合には、前記循環手段に対する運転指令の補正を行わない一方、前記燃料電池の燃料ガス出口圧力の推定結果が低下する程、燃料ガス入口圧力が上昇するように前記燃料ガス供給手段の指令を補正する
ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。 The command correction means does not correct the operation command for the circulation means when the estimation result of the fuel gas outlet pressure of the fuel cell is lowered by a predetermined pressure, while the fuel gas outlet pressure of the fuel cell is not corrected. The fuel cell system according to claim 4, wherein the command of the fuel gas supply means is corrected so that the fuel gas inlet pressure increases as the estimation result decreases. 前記運転状態量検知手段は、前記燃料電池の燃料ガス出口圧力の運転状態量を検知し、
前記指令補正手段は、前記運転状態量検知手段で検知された燃料ガス出口圧力に基づいて補正する
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 The operating state quantity detecting means detects the operating state quantity of the fuel gas outlet pressure of the fuel cell,
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the command correction unit corrects the command based on the fuel gas outlet pressure detected by the operation state quantity detection unit. 前記指令補正手段は、前記燃料電池の燃料ガス出口圧力が低下する程、前記循環手段の揚程が減少するように補正する
ことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 6, wherein the command correction unit corrects so that the lift of the circulation unit decreases as the fuel gas outlet pressure of the fuel cell decreases. 前記指令手段は、前記要求発電電力検知手段で検知された要求発電電力に基づいて、前記燃料ガス供給手段の運転状態を指令し、
前記指令補正手段は、前記運転状態量検知手段で検知された燃料ガス出口圧力の運転状態量に基づいて前記燃料ガス供給手段の運転状態の指令を補正し、
前記制御手段は、前記指令手段の指令または前記指令補正手段の補正指令に基づいて、前記燃料ガス供給手段の運転状態を制御する
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 The command means commands the operating state of the fuel gas supply means based on the required generated power detected by the required generated power detection means,
The command correction unit corrects the command of the operation state of the fuel gas supply unit based on the operation state amount of the fuel gas outlet pressure detected by the operation state amount detection unit,
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit controls an operating state of the fuel gas supply unit based on a command from the command unit or a correction command from the command correction unit. 前記指令補正手段は、前記燃料電池の燃料ガス出口圧力が所定の圧力によりも低下した場合には、前記循環手段に対する運転指令の補正を行わない一方、前記燃料電池の燃料ガス出口圧力が低下する程、燃料ガス出口圧力が上昇するように前記燃料ガス供給手段の指令を補正する
ことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。 The command correction means does not correct the operation command for the circulation means when the fuel gas outlet pressure of the fuel cell is lowered by a predetermined pressure, while the fuel gas outlet pressure of the fuel cell is reduced. 9. The fuel cell system according to claim 8, wherein the command of the fuel gas supply means is corrected so that the fuel gas outlet pressure increases. 前記運転状態量検知手段は、前記燃料電池の燃料ガス出口圧力と前記燃料電池から取り出される取り出し電流との運転状態量を検知し、
前記指令補正手段は、前記運転状態量検知手段で検知された燃料ガス出口圧力及び取り出し電流の少なくとも一方の運転状態量に基づいて前記循環手段の運転状態の指令を補正することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 The operating state quantity detection means detects an operating state quantity of a fuel gas outlet pressure of the fuel cell and a take-out current taken out from the fuel cell,
The command correction unit corrects the command of the operation state of the circulation unit based on at least one operation state amount of the fuel gas outlet pressure and the extraction current detected by the operation state amount detection unit. Item 4. The fuel cell system according to Item 1. 前記指令補正手段は、燃料ガス入口圧力が低い程または取り出し電流が大きい程循環流量が増加するように補正する
ことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。 11. The fuel cell system according to claim 10, wherein the command correction means corrects the circulating flow rate to increase as the fuel gas inlet pressure is lower or as the extraction current is higher. 前記燃料電池から取り出される取り出し電流を制御する電流制御手段を有し、
前記運転状態量検知手段は、前記燃料電池の燃料ガス入口圧力と前記循環手段の運転状態との運転状態量を検知し、
前記指令手段は、前記要求発電電力検知手段で検知された要求発電電力に基づいて、前記電流制御手段の制御内容を指令し、
前記指令補正手段は、前記運転状態量検知手段で検知された燃料ガス入口圧力及び前記循環手段の運転状態の少なくとも一方の運転状態量に基づいて、前記電流制御手段の制御内容の指令を補正する
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 Current control means for controlling the extraction current extracted from the fuel cell;
The operating state quantity detecting means detects an operating state quantity between a fuel gas inlet pressure of the fuel cell and an operating state of the circulating means,
The command means commands the control content of the current control means based on the required generated power detected by the required generated power detection means,
The command correction unit corrects the command of the control content of the current control unit based on the fuel gas inlet pressure detected by the operation state amount detection unit and the operation state amount of at least one of the operation states of the circulation unit. The fuel cell system according to claim 1. 前記指令補正手段は、燃料ガス入口圧力が低い程または前記循環手段の循環流量が少ない程取り出し電流が減少するように前記電流制御手段の制御内容の指令を補正する
ことを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。 13. The command correction unit corrects the control content command of the current control unit so that the extraction current decreases as the fuel gas inlet pressure is lower or the circulation flow rate of the circulation unit is smaller. The fuel cell system described in 1. 前記運転状態量検知手段は、前記燃料電池から取り出される取り出し電流の運転状態量を検知し、
前記指令手段は、前記要求発電電力検知手段で検知された要求発電電力に基づいて、前記燃料ガス供給手段の運転状態を指令し、
前記指令補正手段は、前記運転状態量検知手段で検知された取り出し電流の運転状態量に基づいて、前記燃料ガス供給手段の運転状態の指令を補正し、
前記制御手段は、前記指令手段の指令または前記指令補正手段の補正指令に基づいて、前記燃料ガス供給手段の運転状態を制御する
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 The operation state quantity detection means detects an operation state quantity of a take-out current taken out from the fuel cell,
The command means commands the operating state of the fuel gas supply means based on the required generated power detected by the required generated power detection means,
The command correction unit corrects the command of the operation state of the fuel gas supply unit based on the operation state amount of the extraction current detected by the operation state amount detection unit,
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit controls an operating state of the fuel gas supply unit based on a command from the command unit or a correction command from the command correction unit. 前記指令補正手段は、取り出し電流が多くなる程燃料ガス入口圧力が上昇するように前記燃料ガス供給手段の運転状態の指令を補正する
ことを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池システム。 15. The fuel cell system according to claim 14, wherein the command correction unit corrects the command of the operating state of the fuel gas supply unit so that the fuel gas inlet pressure increases as the extraction current increases. 燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給手段により供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池に要求される発電電力を検知する要求発電電力検知手段と、
前記燃料電池の燃料ガス出口圧力を検知する検知手段と、
前記要求発電電力検知手段で検知された要求発電電力に基づいて、前記燃料ガス供給手段の運転状態を指令する指令手段と、
前記検知手段で検知された燃料ガス出口圧力が低下した場合に、燃料ガス入口圧力が上昇するように前記燃料ガス供給手段の運転状態の指令を補正する指令補正手段と、
前記指令手段の指令または前記指令補正手段の補正指令に基づいて、前記燃料ガス供給手段の運転状態を制御する制御手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。 In a fuel cell system including a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas supplied by a fuel gas supply unit and an oxidant gas supplied by an oxidant gas supply unit,
Requested generated power detection means for detecting generated power required for the fuel cell;
Detecting means for detecting a fuel gas outlet pressure of the fuel cell;
Based on the required generated power detected by the required generated power detection means, command means for commanding the operating state of the fuel gas supply means,
Command correcting means for correcting a command of the operating state of the fuel gas supply means so that the fuel gas inlet pressure increases when the fuel gas outlet pressure detected by the detecting means decreases;
And a control unit that controls an operating state of the fuel gas supply unit based on a command from the command unit or a correction command from the command correction unit.
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