JP2009301804A - Fuel cell system, and method of diagnosing abnormal condition of the same - Google Patents

Fuel cell system, and method of diagnosing abnormal condition of the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To take some steps at a stage before any system stoppage by detecting the same when hydrogen density in a cathode rises during a left-alone period after the stoppage and there is a risk that the hydrogen at a cathode side can no more be properly dealt with at system start-up. <P>SOLUTION: A system control device 30 for totally controlling action of a system as a whole is provided with an abnormal condition diagnostic part 33. The abnormal condition diagnostic part 33 determines in finishing stoppage control whether a maximum hydrogen density in the cathode during the left-alone period after the system stoppage exceeds a hydrogen disposal capacity limit at a system start-up, and if it does, system abnormalities are determined to have occurred. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池のアノード側に燃料ガス、カソード側に酸化剤ガスをそれぞれ供給して発電を行う燃料電池システムに関し、特に、システム停止時に燃料電池のカソード側の酸素を消費させて燃料電池の劣化を防止する停止制御を行う燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system that generates power by supplying a fuel gas to an anode side of a fuel cell and an oxidant gas to a cathode side, and in particular, consumes oxygen on the cathode side of the fuel cell when the system is stopped. The present invention relates to a fuel cell system that performs stop control to prevent deterioration of the fuel cell.

従来、燃料電池の劣化を防止するために、システム停止時に、燃料電池のアノード側への燃料ガスの供給を継続させながらカソード側への酸化剤ガスの供給は停止させた状態で燃料電池から電流を取り出して、カソード側の酸素を消費させる停止制御を行う燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照。）。   Conventionally, in order to prevent deterioration of the fuel cell, when the system is stopped, the supply of fuel gas to the anode side of the fuel cell is continued, while the supply of oxidant gas to the cathode side is stopped, and the current from the fuel cell Is known, and a fuel cell system that performs stop control to consume oxygen on the cathode side is known (see, for example, Patent Document 1).

特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池からの電流の取出しを行っている間の燃料電池の電圧をモニタリングし、カソード側の酸素が十分に消費されたと判定できる値にまで燃料電池電圧が低下したタイミングで、燃料電池からの電流取出しを終了するようにしている。
特開２００８−４４３２号公報 In the fuel cell system described in Patent Document 1, the voltage of the fuel cell is monitored while taking out the current from the fuel cell, and the fuel cell voltage reaches a value at which it can be determined that oxygen on the cathode side is sufficiently consumed. The current extraction from the fuel cell is terminated at the timing when the voltage drops.
JP 2008-4432 A

ところで、以上のような停止制御を行う燃料電池システムでは、停止制御によりカソード側の酸素を過剰に消費させた場合に、システム停止後の放置期間にカソード内水素濃度が高くなり、次のシステム起動のタイミングによっては、システム起動時におけるカソード内水素濃度が水素処理能力限界値を越えてしまい、カソード側の水素を適切に処理できなくなる懸念がある。   By the way, in the fuel cell system that performs the stop control as described above, when oxygen on the cathode side is excessively consumed by the stop control, the hydrogen concentration in the cathode increases during the leaving period after the system stop, and the next system start Depending on the timing of the above, there is a concern that the hydrogen concentration in the cathode at the time of starting the system exceeds the hydrogen processing capacity limit value, and the hydrogen on the cathode side cannot be appropriately processed.

しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池システムのように、燃料電池電圧の低下をもとに停止制御の終了判定を行う従来の燃料電池システムでは、システム停止後の放置期間におけるカソード内水素濃度を事前に予測することは難しく、上述したシステム起動時の問題に対して事前に対処することがないという問題があった。   However, as in the fuel cell system described in Patent Document 1, in the conventional fuel cell system that determines the end of the stop control based on the decrease in the fuel cell voltage, the hydrogen concentration in the cathode during the leaving period after the system stop is set. It is difficult to predict in advance, and there is a problem that the above-described problems at the time of system startup cannot be dealt with in advance.

本発明は、システム停止時に燃料電池から電流を取出してカソード側の酸素を消費させる停止制御を行うものであり、停止制御を終了する際に、システム停止後の放置期間におけるカソード内最大水素濃度がシステム起動時における水素処理能力限界値を越えるか否かを判定し、越えると判定した場合にシステム異常と診断する。   The present invention performs stop control for taking out current from the fuel cell and consuming oxygen on the cathode side when the system is stopped. When the stop control is finished, the maximum hydrogen concentration in the cathode during the standing period after the system stop is It is determined whether or not the hydrogen processing capacity limit value at the time of starting the system is exceeded.

本発明によれば、システム停止後の放置期間におけるカソード内最大水素濃度がシステム起動時における水素処理能力限界値を越える場合にシステム異常と診断するようにしているので、システム起動時にカソード側の水素を適切に処理できなくなる懸念がある場合に、事前の対応が可能となる。   According to the present invention, a system abnormality is diagnosed when the maximum hydrogen concentration in the cathode during the standing period after the system is stopped exceeds the hydrogen processing capacity limit value at the time of starting the system. Can be handled in advance if there is a concern that it will not be possible to properly handle.

以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示すシステム構成図である。同図に示す燃料電池システムは、例えば、燃料電池車両の動力源として車両に搭載されて、車両の駆動モータやシステム内部の補機などの負荷装置に電力供給するものであり、複数の燃料電池セルが積層されて構成される燃料電池スタック１を備える。 [First Embodiment]
FIG. 1 is a system configuration diagram showing the overall configuration of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention. The fuel cell system shown in FIG. 1 is mounted on a vehicle as a power source of a fuel cell vehicle, for example, and supplies power to a load device such as a drive motor of the vehicle or an auxiliary device inside the system. The fuel cell stack 1 is configured by stacking cells.

燃料電池スタック１を構成する各燃料電池セルは、例えば、燃料ガスの供給を受ける燃料極（アノード）と酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極（カソード）とが固体高分子電解質膜を挟んで対向配置されてなる膜電極接合体をセパレータで挟持した構成とされる。このような燃料電池セルが多段に積層されて燃料電池スタック１とされ、スタックケース２に収納されている。この燃料電池スタック１を構成する各燃料電池セルのセパレータには、アノード側に燃料ガスが流れる燃料ガス流路、カソード側には酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路がそれぞれ設けられている。そして、燃料電池スタック１は、各燃料電池セルのアノード側に水素を含有する燃料ガスが供給され、カソード側に酸素を含有する酸化剤ガス（空気）が供給されることで、水分を媒体として固体高分子電解質膜中をそれぞれのイオンが移動して接触し、発電を行う。   Each fuel cell constituting the fuel cell stack 1 includes, for example, a fuel electrode (anode) that receives supply of fuel gas and an oxidant electrode (cathode) that receives supply of oxidant gas with a solid polymer electrolyte membrane interposed therebetween. It is set as the structure which clamped the membrane electrode assembly formed by opposing by the separator. Such fuel cells are stacked in multiple stages to form a fuel cell stack 1 and housed in a stack case 2. The separator of each fuel cell constituting the fuel cell stack 1 is provided with a fuel gas flow path through which fuel gas flows on the anode side and an oxidant gas flow path through which oxidant gas flows on the cathode side. In the fuel cell stack 1, fuel gas containing hydrogen is supplied to the anode side of each fuel cell, and oxidant gas (air) containing oxygen is supplied to the cathode side, so that moisture is used as a medium. Each ion moves and contacts in the solid polymer electrolyte membrane to generate power.

燃料電池システムは、発電を行う燃料電池スタック１のほかに、燃料電池スタック１に燃料ガス（純水素もしくは水素含有ガス）を供給するための水素系１０と、燃料電池スタック１に酸化剤ガスである空気を供給するための空気系２０と、燃料電池システム全体の動作を統括的に制御するシステム制御装置３０とを備えている。   The fuel cell system includes a fuel cell stack 1 for generating power, a hydrogen system 10 for supplying fuel gas (pure hydrogen or hydrogen-containing gas) to the fuel cell stack 1, and an oxidant gas for the fuel cell stack 1. An air system 20 for supplying certain air and a system control device 30 for comprehensively controlling the operation of the entire fuel cell system are provided.

水素系１０は、例えば、燃料電池スタック１に供給する燃料ガスを貯蔵する燃料タンク１１および燃料供給弁１２を備え、燃料供給弁１２を開放することで燃料タンク１１から取り出した燃料ガスを、燃料供給配管１０ａを介して燃料電池スタック１のアノード側へと供給する。燃料供給配管１０ａ中には、燃料電池スタック１に供給する燃料ガスの圧力を調整するための一次調圧弁１３および二次調圧弁１４と、燃料電池スタック１のアノード入口側で燃料ガスの圧力を測定するアノード圧力センサ１５とが設置されている。なお、燃料ガスの供給源としては、燃料タンク１１以外にも、例えば改質器を用いて生成した燃料ガスを供給する燃料供給装置など、他の燃料ガス供給源を用いるようにしてもよい。   The hydrogen system 10 includes, for example, a fuel tank 11 and a fuel supply valve 12 that store fuel gas to be supplied to the fuel cell stack 1. The fuel gas taken out from the fuel tank 11 by opening the fuel supply valve 12 is used as a fuel. The fuel is supplied to the anode side of the fuel cell stack 1 through the supply pipe 10a. In the fuel supply pipe 10a, the primary pressure regulating valve 13 and the secondary pressure regulating valve 14 for adjusting the pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell stack 1, and the pressure of the fuel gas on the anode inlet side of the fuel cell stack 1 are set. An anode pressure sensor 15 to be measured is installed. In addition to the fuel tank 11, other fuel gas supply sources such as a fuel supply device that supplies fuel gas generated using a reformer may be used as the fuel gas supply source.

燃料電池スタック１のアノード出口側には、燃料循環配管１０ｂが接続されている。この燃料循環配管１０ｂの他方の端部は燃料供給配管１０ａに接続されており、燃料ガス循環流路１０ｂ中には燃料循環ポンプ１６が設置されている。燃料電池スタック１のアノード出口から排出された排出燃料ガスは、燃料循環ポンプ１６の作動によって燃料循環配管１０ｂを介して、再度、燃料供給配管１０ａから燃料電池スタック１を構成する各燃料電池セルのアノード側へと供給され、これにより、燃料ガスの供給流量過剰率（ＳＲａ）を大きくすることを可能にしている。なお、燃料循環ポンプ１６を設ける代わりに、或いは燃料循環ポンプ１６と併用して、燃料循環配管１０ｂと燃料供給配管１０ａとの合流部にエゼクタを設置することで、燃料ガスを循環させる構成としてもよい。   A fuel circulation pipe 10 b is connected to the anode outlet side of the fuel cell stack 1. The other end of the fuel circulation pipe 10b is connected to the fuel supply pipe 10a, and a fuel circulation pump 16 is installed in the fuel gas circulation passage 10b. The exhaust fuel gas discharged from the anode outlet of the fuel cell stack 1 is again supplied to each fuel cell constituting the fuel cell stack 1 from the fuel supply pipe 10a through the fuel circulation pipe 10b by the operation of the fuel circulation pump 16. The fuel gas is supplied to the anode side, which makes it possible to increase the supply flow rate excess rate (SRa) of the fuel gas. Instead of providing the fuel circulation pump 16, or in combination with the fuel circulation pump 16, a fuel gas may be circulated by installing an ejector at the junction of the fuel circulation pipe 10b and the fuel supply pipe 10a. Good.

また、燃料電池スタック１のアノード出口側には、燃料循環配管１０ｂから分岐するように燃料排出配管１０ｃが接続されている。この燃料排出配管１０ｃ中には燃料パージ弁１７が設置され、その下流側に水素処理装置１８が設置されている。燃料ガスを循環して再利用するシステム構成の場合、循環する燃料ガス中に窒素やアルゴンなどの不純物が徐々に蓄積されて水素濃度が低下する傾向にあるが、このような場合には、燃料パージ弁１７を開放することにより、蓄積された不純物を燃料電池スタック１からの排出燃料ガスとともに燃料排出配管１０ｃから排出する。燃料パージ弁１７の開放により排出される排出燃料ガスは、燃料パージ弁１７の下流側に設置された水素処理装置１８にて処理される。   Further, a fuel discharge pipe 10c is connected to the anode outlet side of the fuel cell stack 1 so as to branch from the fuel circulation pipe 10b. A fuel purge valve 17 is installed in the fuel discharge pipe 10c, and a hydrogen treatment device 18 is installed downstream thereof. In the case of a system configuration in which the fuel gas is circulated and reused, impurities such as nitrogen and argon are gradually accumulated in the circulating fuel gas and the hydrogen concentration tends to decrease. By opening the purge valve 17, the accumulated impurities are discharged from the fuel discharge pipe 10 c together with the fuel gas discharged from the fuel cell stack 1. Exhaust fuel gas discharged by opening the fuel purge valve 17 is processed by the hydrogen treatment device 18 installed on the downstream side of the fuel purge valve 17.

空気系２０は、例えば、外気を取り込んで加圧する空気コンプレッサ２１を備え、この空気コンプレッサ２１からの酸化剤ガスとしての空気を、酸化剤供給配管２０ａを介して燃料電池スタック１を構成する各燃料電池セルのカソード側へと供給する。酸化剤供給配管２０ａ中には、燃料電池スタック１のカソード入口側で酸化剤ガスの圧力を測定するカソード圧力センサ２２が設置されている。また、酸化剤ガス供給配管２０ａの空気コンプレッサ２１上流側には、空気コンプレッサ２１に吸入される空気の流量を計測するための酸化剤流量計測器２３が設置されている。   The air system 20 includes, for example, an air compressor 21 that takes in outside air and pressurizes the air, and each fuel constituting the fuel cell stack 1 is supplied with air as an oxidant gas from the air compressor 21 via an oxidant supply pipe 20a. Supply to the cathode side of the battery cell. In the oxidant supply pipe 20a, a cathode pressure sensor 22 that measures the pressure of the oxidant gas is installed on the cathode inlet side of the fuel cell stack 1. An oxidant flow rate measuring device 23 for measuring the flow rate of air sucked into the air compressor 21 is installed on the upstream side of the air compressor 21 in the oxidant gas supply pipe 20a.

また、燃料電池スタック１のカソード出口側には、酸化剤排出配管２０ｂが接続されており、燃料電池スタック１からの排出酸化剤ガスは、この酸化剤排出配管２０ｂを介して水素処理装置１８へと供給される。この酸化剤排出配管２０ｂ中には、燃料電池スタック１に供給する酸化剤ガスの圧力を調整する酸化剤調圧弁２４と、酸化剤排出配管２０ｂを介して水素処理装置１８へと供給される排出酸化剤ガス中の水素濃度を計測するための水素濃度センサ２５とが設置されている。なお、この水素濃度センサ２５は、排水素処理装置１８の下流側に設置するようにしてもよい。   Further, an oxidant discharge pipe 20b is connected to the cathode outlet side of the fuel cell stack 1, and the discharged oxidant gas from the fuel cell stack 1 is sent to the hydrogen treatment device 18 through the oxidant discharge pipe 20b. Supplied with. In this oxidant discharge pipe 20b, an oxidant pressure regulating valve 24 for adjusting the pressure of the oxidant gas supplied to the fuel cell stack 1, and a discharge supplied to the hydrogen treatment device 18 through the oxidant discharge pipe 20b. A hydrogen concentration sensor 25 for measuring the hydrogen concentration in the oxidant gas is installed. The hydrogen concentration sensor 25 may be installed on the downstream side of the waste hydrogen treatment apparatus 18.

また、燃料電池スタック１のカソード入口側には酸化剤供給配管２０ａに酸化剤入口弁２６が設置され、燃料電池スタック１のカソード出口側には酸化剤ガス排出配管２０ｂに酸化剤出口弁２７が設置されており、これら酸化剤入口弁２６および酸化剤出口弁２７を閉じることで燃料電池スタック１のカソード側を封止できる構成とされている。   An oxidant inlet valve 26 is installed in the oxidant supply pipe 20a on the cathode inlet side of the fuel cell stack 1, and an oxidant outlet valve 27 is connected to the oxidant gas discharge pipe 20b on the cathode outlet side of the fuel cell stack 1. The oxidant inlet valve 26 and the oxidant outlet valve 27 are closed, and the cathode side of the fuel cell stack 1 can be sealed.

排水素処理装置１８は、燃料排出配管１０ｃから燃料パージ弁１７を介して排出される排出燃料ガス中の水素や、燃料電池スタック１のアノード側からカソード側へと移動して排出酸化剤ガスとともに燃料電池スタック１から排出された水素を可燃濃度以下に処理し、システム外部に排出する。この排水素処理装置１８としては、例えば白金触媒を用いて酸化剤ガス中の酸素と排出燃料ガス中の水素とを反応させる触媒燃焼器や、換気装置を備えて新たに希釈ガスを供給して水素濃度を低減する希釈装置などが用いられる。また、酸化剤排出配管２０ｂから排出されるガス中の水素濃度が可燃濃度に対して十分に低い場合、燃料排出配管１０ｃから排出される排出燃料ガスを酸化剤排出配管２０ｂから排出されるガスと混合することで可燃濃度以下に濃度を低減してシステム外部に排出する混合器を排水素処理装置１８として用いるようにしてもよい。   The waste hydrogen treatment device 18 moves from the fuel discharge pipe 10c through the fuel purge valve 17 with hydrogen in the exhaust fuel gas, or moves from the anode side to the cathode side of the fuel cell stack 1 together with the exhaust oxidant gas. Hydrogen discharged from the fuel cell stack 1 is processed to a combustible concentration or less and discharged outside the system. The exhaust hydrogen treatment device 18 includes a catalytic combustor that reacts oxygen in the oxidant gas with hydrogen in the exhaust fuel gas using a platinum catalyst, for example, and a ventilation device to supply a new dilution gas. A diluting device for reducing the hydrogen concentration is used. In addition, when the hydrogen concentration in the gas discharged from the oxidant discharge pipe 20b is sufficiently lower than the combustible concentration, the exhaust fuel gas discharged from the fuel discharge pipe 10c is the gas discharged from the oxidant discharge pipe 20b. A mixer that reduces the concentration below the flammable concentration by mixing and discharges it to the outside of the system may be used as the exhaust hydrogen treatment device 18.

システム制御装置３０は、燃料電池システム全体の動作を統括的に制御するものであり、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェースを主体に構成されるマイクロコンピュータ等を用いて構成される。このシステム制御装置３０は、所定の制御プログラムに従ってシステムの各部を動作制御することによって、燃料電池スタック１の運転状態を制御する。また、このシステム制御装置３０には、燃料電池スタック１からの取出し電流値を調整する電流制御部３１および燃料電池スタック１の電圧を計測する電圧計測部３２が設けられており、燃料電池スタック１の電圧から燃料電池スタック１の発電状態を判断し、燃料電池スタック１の発電状態に応じて適正な電流の取出しが行われるように、燃料電池スタック１からの電流取出しを制御する機能を有している。なお、システム制御装置３０の制御のもとで燃料電池スタック１から取り出された電流は、二次電池などの蓄電手段３を含む負荷に供給される。   The system control device 30 controls the overall operation of the fuel cell system, and is configured using, for example, a CPU, ROM, RAM, a microcomputer mainly composed of an input / output interface, and the like. The system control device 30 controls the operation state of the fuel cell stack 1 by controlling the operation of each part of the system according to a predetermined control program. In addition, the system control device 30 is provided with a current control unit 31 that adjusts the current value taken out from the fuel cell stack 1 and a voltage measurement unit 32 that measures the voltage of the fuel cell stack 1. The power generation state of the fuel cell stack 1 is determined from the voltage of the current, and the current extraction from the fuel cell stack 1 is controlled so that appropriate current extraction is performed according to the power generation state of the fuel cell stack 1. ing. The current taken out from the fuel cell stack 1 under the control of the system control device 30 is supplied to a load including the power storage means 3 such as a secondary battery.

また、本実施形態の燃料電池システムでは、システム停止時に、燃料電池スタック１のアノード側への燃料ガスの供給を継続させるとともにカソード側への酸化剤ガスの供給を停止させた状態で燃料電池スタック１から電流を取り出してカソード側の酸素を消費させる停止制御が行われる。このシステム停止時における停止制御は、燃料電池スタック１内部の酸素濃度を低下させた状態でシステムを停止させることで、次回のシステム起動時に局部電池が形成されることを抑制して燃料電池スタック１の劣化を防止するための制御であり、システム制御装置３０による制御のもとで実行されるものである。   Further, in the fuel cell system of the present embodiment, when the system is stopped, the fuel cell stack is kept in a state where the supply of the fuel gas to the anode side of the fuel cell stack 1 is continued and the supply of the oxidant gas to the cathode side is stopped. A stop control is performed in which the current is extracted from 1 and oxygen on the cathode side is consumed. In the stop control at the time of system stop, the system is stopped in a state where the oxygen concentration in the fuel cell stack 1 is lowered, thereby suppressing the formation of a local battery at the next system start-up and the fuel cell stack 1 This control is performed under the control of the system control device 30.

以上のような停止制御によりカソード側の酸素を過剰に消費させた場合には、システム停止後の放置期間にカソード内水素濃度が高くなり、次のシステム起動のタイミングによっては、システム起動時におけるカソード内水素濃度が水素処理能力限界値を越えてしまい、カソード側の水素を適切に処理できなくなることが懸念される。そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、システム制御装置３０に異常診断部３３を設け、停止制御を終了する際に、この異常診断部３３により、システム停止後の放置期間におけるカソード内最大水素濃度がシステム起動時における水素処理能力限界値を越えるか否かを判定し、越えると判定した場合にシステム異常と診断するようにしている。   When oxygen on the cathode side is excessively consumed by the stop control as described above, the hydrogen concentration in the cathode increases during the standing period after the system is stopped, and the cathode at the time of system start-up depends on the timing of the next system start-up. There is a concern that the concentration of internal hydrogen exceeds the limit of hydrogen treatment capacity, and hydrogen on the cathode side cannot be treated properly. Therefore, in the fuel cell system of the present embodiment, the abnormality diagnosis unit 33 is provided in the system control device 30, and when the stop control is terminated, the abnormality diagnosis unit 33 causes the maximum hydrogen concentration in the cathode during the standing period after the system is stopped. Determines whether or not the hydrogen processing capacity limit at the time of starting the system is exceeded, and if it is determined that it exceeds, the system is diagnosed as abnormal.

以下、本実施形態の燃料電池システムにおいてシステム停止時に実行される停止制御について説明する。図２は、システム停止時に実行される停止制御の一例を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、例えば、燃料電池車両のイグニッションスイッチのオフ信号など、システムの停止を指示する何らかの停止信号の入力に応じてシステム制御装置３０によって実行される。なお、この停止制御を開始する時点では、燃料電池スタック１に対する燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給は継続されている。そのため、燃料循環ポンプ１６、空気コンプレッサ２１といった燃料ガスや酸化剤ガスの供給に必要な各種機器は動作したままの状態となっている。   Hereinafter, stop control executed when the system is stopped in the fuel cell system of the present embodiment will be described. FIG. 2 is a flowchart illustrating an example of stop control executed when the system is stopped. The process shown in this flowchart is executed by the system control device 30 in response to an input of a certain stop signal that instructs to stop the system, such as an off signal of an ignition switch of the fuel cell vehicle. Note that at the time of starting the stop control, the supply of the fuel gas and the oxidant gas to the fuel cell stack 1 is continued. Therefore, various devices necessary for supplying the fuel gas and the oxidant gas such as the fuel circulation pump 16 and the air compressor 21 remain in operation.

停止制御が開始されると、システム制御装置３０は、まず、ステップＳ１０１において、燃料電池スタック１のカソード側への酸化剤ガスの供給を停止する。具体的には、システム制御装置３０は、空気コンプレッサ２１に対して運転停止指令を出力し、空気コンプレッサ２１の運転を停止させる。また、システム制御装置３０は、燃料電池スタック１のカソード入口側と出口側とに設置した酸化剤入口弁２６および酸化剤出口弁２７をそれぞれ閉じることで、燃料電池スタック１のカソード側を封止する。   When the stop control is started, the system control device 30 first stops the supply of the oxidant gas to the cathode side of the fuel cell stack 1 in step S101. Specifically, the system control device 30 outputs an operation stop command to the air compressor 21 to stop the operation of the air compressor 21. Further, the system controller 30 seals the cathode side of the fuel cell stack 1 by closing the oxidant inlet valve 26 and the oxidant outlet valve 27 installed on the cathode inlet side and the outlet side of the fuel cell stack 1 respectively. To do.

次に、システム制御装置３０は、ステップＳ１０２において、燃料電池スタック１からの電流取出しを開始する。燃料電池スタック１からの電流取出しは、電圧計測部３２により計測される燃料電池スタック１の最低電圧が０Ｖにならないように（つまり、アノード側の水素不足により電位が立たなくなる燃料電池セルが発生しないように）、電流制御部３１により制御される。この電流制御部３１の制御のもとで燃料電池スタック１から取り出された電流は、二次電池などの蓄電手段３に供給される。   Next, the system control device 30 starts taking out current from the fuel cell stack 1 in step S102. The current extraction from the fuel cell stack 1 is performed so that the minimum voltage of the fuel cell stack 1 measured by the voltage measuring unit 32 does not become 0 V (that is, no fuel cell is generated in which the potential does not rise due to insufficient hydrogen on the anode side). And so on). The current extracted from the fuel cell stack 1 under the control of the current control unit 31 is supplied to the power storage means 3 such as a secondary battery.

なお、ここでは燃料電池スタック１のカソード側への酸化剤ガスの供給を停止した直後に燃料電池スタック１からの電流取出しを開始するようにしているが、例えば空気コンプレッサ２１の応答遅れなどにより、酸化剤ガスの供給が完全に停止するまでには多少の時間がかかることも想定される。そこで、例えばカソード圧力センサ２２の検出値をモニタリングしながら、燃料電池スタック１のカソード側への酸化剤ガスの供給が完全に停止したタイミングを判定し、そのタイミングで燃料電池スタック１からの電流取出しを開始するようにしてもよい。   Here, the current extraction from the fuel cell stack 1 is started immediately after the supply of the oxidant gas to the cathode side of the fuel cell stack 1 is stopped. It is assumed that it takes some time until the supply of the oxidant gas is completely stopped. Therefore, for example, while monitoring the detection value of the cathode pressure sensor 22, the timing at which the supply of the oxidant gas to the cathode side of the fuel cell stack 1 is completely stopped is determined, and the current is taken out from the fuel cell stack 1 at that timing. May be started.

次に、システム制御装置３０は、ステップＳ１０３において、燃料電池スタック１からの電流取出しを終了するタイミングの判定を行う。ここで、本実施形態の燃料電池システムでは、カソード側の酸素を完全に消費させずに所定量の酸素をカソード側に残存させた状態にするための電流取出し時間を予め計算により求めておき、電流取出し開始時からこの電流取出し時間が経過したときに、電流取出し終了タイミングになったと判定するようにしている。   Next, in step S103, the system control device 30 determines the timing for ending current extraction from the fuel cell stack 1. Here, in the fuel cell system of the present embodiment, the current extraction time for making a predetermined amount of oxygen remain on the cathode side without completely consuming the oxygen on the cathode side is obtained in advance by calculation, When the current extraction time has elapsed from the start of current extraction, it is determined that the current extraction end timing has come.

ステップＳ１０３で電流取出し終了タイミングになったと判定すると、システム制御装置３０は、ステップＳ１０４において、燃料電池スタック１からの電流取出しを終了し、ステップＳ１０５において、燃料電池スタック１のアノード側への燃料ガスの供給を停止する。具体的には、システム制御装置３０は、燃料循環ポンプ１６に対して運転停止指令を出力して燃料循環ポンプ１６の運転を停止させ、また、燃料供給弁１２を閉じるとともに、一次調圧弁１３および二次調圧弁１４を全閉する。   If it is determined in step S103 that the current extraction end timing has come, the system control device 30 ends the current extraction from the fuel cell stack 1 in step S104, and in step S105, the fuel gas to the anode side of the fuel cell stack 1 is reached. Stop supplying. Specifically, the system control device 30 outputs an operation stop command to the fuel circulation pump 16 to stop the operation of the fuel circulation pump 16, closes the fuel supply valve 12, and sets the primary pressure regulating valve 13 and The secondary pressure regulating valve 14 is fully closed.

次に、システム制御装置３０は、ステップＳ１０６において、システム異常の診断を行う。この診断は、システム制御装置３０の異常診断部３３により実行される処理であり、システム停止後の放置期間におけるカソード内最大水素濃度がシステム起動時における水素処理能力限界値を越えるか否かを判定し、越えると判定した場合にシステム異常と診断するというものである。この診断の結果、システム異常がなければそのまま停止制御が終了し、システム異常と診断された場合には、システム異常を報知するための警報動作や、システム異常を解消させるための何らかの処置が実行される。   Next, in step S106, the system control device 30 diagnoses a system abnormality. This diagnosis is a process executed by the abnormality diagnosis unit 33 of the system control device 30, and determines whether or not the maximum hydrogen concentration in the cathode during the leaving period after the system stops exceeds the hydrogen processing capacity limit value at the time of starting the system. However, when it is determined that the system is exceeded, a system abnormality is diagnosed. As a result of the diagnosis, if there is no system abnormality, the stop control is terminated as it is, and when a system abnormality is diagnosed, an alarm action for notifying the system abnormality or some measure for eliminating the system abnormality is executed. The

図３は、システム停止後の放置期間におけるカソード内水素濃度の時間変化を示した図である。なお、この図３中の実線のグラフは、カソード側に所定量の酸素が残存している状態で停止制御を終了させた場合の放置期間におけるカソード内水素濃度の時間変化を示しており、図３中の破線のグラフは、カソード側の残存酸素量が所定値未満となっている状態で停止制御を終了させた場合の放置期間におけるカソード内水素濃度の時間変化を示している。   FIG. 3 is a diagram showing the temporal change in the hydrogen concentration in the cathode during the standing period after the system is stopped. The solid line graph in FIG. 3 shows the change over time in the hydrogen concentration in the cathode during the standing period when the stop control is terminated with a predetermined amount of oxygen remaining on the cathode side. The broken line graph in FIG. 3 shows the temporal change in the hydrogen concentration in the cathode during the standing period when the stop control is terminated in a state where the residual oxygen amount on the cathode side is less than the predetermined value.

この図３に示すように、システム停止後の放置期間におけるカソード内水素濃度は、システム停止直後に一旦上昇してある値でピークに達した後に、時間経過とともに徐々に低下していく傾向にある。   As shown in FIG. 3, the hydrogen concentration in the cathode during the standing period after the system shutdown tends to gradually decrease with time after reaching a peak at a certain value that is increased immediately after the system shutdown. .

ここで、カソード側に所定量の酸素が残存している状態で停止制御を終了させた場合には、放置期間におけるカソード内水素濃度のピーク値（カソード内最大水素濃度）を、システム起動時における水素処理能力限界値（図３中の一点鎖線で示すライン）未満とすることができる。言い換えると、本実施形態の燃料電池システムでは、システム停止後の放置期間におけるカソード内最大水素濃度が、システム起動時における水素処理能力限界値未満となるように、システム停止時におけるカソード側の残存酸素量（所定量）を決定し、この所定量の酸素がカソード側に残存するタイミングで燃料電池スタック１からの電流取出しを終了させるようにしている。なお、システム起動時における水素処理能力限界値は、システム起動時にカソード側を酸化剤ガスで置換する際に、カソードからの排ガスに含まれる水素を排水素処理装置１８で処理するときの排水素処理装置１８の処理可能限界値であり、システム設計に応じて事前に把握できる値である。また、カソード側に残存させる酸素量（所定量）は、上述したシステム起動時における水素処理能力限界値との関係から、システム設計に応じて事前に設定される値である。   Here, when the stop control is terminated while a predetermined amount of oxygen remains on the cathode side, the peak value of the hydrogen concentration in the cathode during the standing period (maximum hydrogen concentration in the cathode) It can be less than the hydrogen treatment capacity limit value (a line indicated by a one-dot chain line in FIG. 3). In other words, in the fuel cell system of the present embodiment, the residual oxygen on the cathode side at the time of system shutdown is such that the maximum hydrogen concentration in the cathode during the standing period after the system shutdown is less than the hydrogen processing capacity limit value at the time of system startup. The amount (predetermined amount) is determined, and the current extraction from the fuel cell stack 1 is terminated when the predetermined amount of oxygen remains on the cathode side. Note that the hydrogen treatment capacity limit value at the time of starting the system is the exhaust hydrogen treatment when the hydrogen contained in the exhaust gas from the cathode is processed by the exhaust hydrogen treatment device 18 when the cathode side is replaced with the oxidant gas at the time of system startup. This is a processable limit value of the device 18 and can be grasped in advance according to the system design. Further, the oxygen amount (predetermined amount) remaining on the cathode side is a value set in advance according to the system design from the relationship with the hydrogen processing capacity limit value at the time of starting the system.

したがって、本実施形態の燃料電池システムでは、システムに異常が生じていない限りは、カソード内水素濃度がピーク値をとるタイミングでシステムを再起動させたとしても、システム起動時にカソード側の水素を排水素処理装置１８で確実に処理することができる。しかしながら、何らかのシステム異常により停止制御が正常に行われず、停止制御によりカソード側の酸素が過剰に消費されて、残酸素量が所定値未満となっている状態で停止制御が終了した場合には、図３中の破線で示すグラフのように、カソード内水素濃度が相対的に高くなり、そのピーク値（カソード内最大水素濃度）が、システム起動時における水素処理能力限界値を越えてしまうことがある。この場合、カソード内水素濃度がピーク値付近となるタイミングでシステムが再起動されると、システム起動時にカソード側の水素を排水素処理装置１８で適切に処理できなくなることが懸念される。   Therefore, in the fuel cell system of this embodiment, as long as there is no abnormality in the system, even if the system is restarted at the timing when the hydrogen concentration in the cathode takes a peak value, the cathode-side hydrogen is drained when the system is started. The raw processing device 18 can reliably perform processing. However, if the stop control is not normally performed due to some system abnormality, and oxygen on the cathode side is excessively consumed by the stop control, and the stop control is finished in a state where the residual oxygen amount is less than a predetermined value, As shown by the broken line in FIG. 3, the hydrogen concentration in the cathode becomes relatively high, and the peak value (maximum hydrogen concentration in the cathode) exceeds the hydrogen treatment capacity limit value at the time of starting the system. is there. In this case, if the system is restarted at a timing at which the hydrogen concentration in the cathode is close to the peak value, there is a concern that the hydrogen on the cathode side cannot be appropriately processed by the exhaust hydrogen treatment device 18 when the system is started.

そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、システム制御装置３０の異常診断部３３が、停止制御を終了する際に、システム停止後の放置期間におけるカソード内最大水素濃度がシステム起動時における水素処理能力限界値を越えるか否かを判定し、越えると判定した場合にはシステム異常と診断するようにしている。具体的には、システム制御装置３０の異常診断部３３は、燃料電池スタック１からの電流取出しを終了した時点でのカソード側の残酸素量が、システム起動時における水素処理能力限界値との関係から設定した所定量未満となっていると推定される場合に、システム停止後の放置期間におけるカソード内最大水素濃度がシステム起動時における水素処理能力限界値を越えると判定し、システム異常と診断する。   Therefore, in the fuel cell system of the present embodiment, when the abnormality diagnosis unit 33 of the system control device 30 ends the stop control, the maximum hydrogen concentration in the cathode during the leaving period after the system stop is the hydrogen processing capability at the time of system start-up. It is determined whether or not the limit value is exceeded. If it is determined that the limit value is exceeded, a system abnormality is diagnosed. Specifically, the abnormality diagnosis unit 33 of the system control device 30 relates the relationship between the amount of residual oxygen on the cathode side at the time when the current extraction from the fuel cell stack 1 is completed and the hydrogen processing capacity limit value at the time of system startup. When it is estimated that the amount is less than the predetermined amount set from the above, it is determined that the maximum hydrogen concentration in the cathode during the standing period after system shutdown exceeds the hydrogen processing capacity limit value at system startup, and a system abnormality is diagnosed. .

燃料電池スタック１のカソード側の酸素は、上述したように、燃料電池スタック１から電流を取出すことで消費される。したがって、燃料電池スタック１からの電流取出しを終了した時点でのカソード側の残酸素量は、電流取出し開始時から終了時までの電流取出し積算値から推定することができる。つまり、システム制御装置３０の異常診断部３３は、電流取出し開始時から終了時までの電流取出し積算値を算出し、算出した電流取出し積算値が基準値を越えている場合に、システム異常と診断すればよい。なお、ここでの基準値は、カソード側の残存酸素量を上述した所定量とするために必要な酸素消費量から求めることができ、上述した所定量とともに事前に設定することが可能である。   As described above, oxygen on the cathode side of the fuel cell stack 1 is consumed by extracting current from the fuel cell stack 1. Therefore, the amount of oxygen remaining on the cathode side at the time when the current extraction from the fuel cell stack 1 is completed can be estimated from the current extraction integrated value from the start of current extraction to the end. That is, the abnormality diagnosis unit 33 of the system control device 30 calculates a current extraction integrated value from the start of current extraction to the end of the current extraction, and diagnoses a system abnormality when the calculated current extraction integrated value exceeds the reference value. do it. Note that the reference value here can be obtained from the oxygen consumption required to set the residual oxygen amount on the cathode side to the predetermined amount described above, and can be set in advance together with the predetermined amount described above.

また、停止制御時に燃料電池スタック１からの電流取出しを一定電流で行うようにした場合には、燃料電池スタック１からの電流取出しを終了した時点でのカソード側の残酸素量は、電流取出し開始時から終了時までの間の電流取出し時間から推定することができる。したがって、この場合には、システム制御装置３０の異常診断部３３は、電流取出し開始時から終了時までの電流取出し時間が所定時間を越えている場合に、システム異常と診断すればよい。なお、ここでの所定時間についても、電流取出し積算値を判定するための基準値と同様に、上述した所定量とともに事前に設定することが可能である。   In addition, when the current extraction from the fuel cell stack 1 is performed at a constant current during the stop control, the remaining oxygen amount on the cathode side when the current extraction from the fuel cell stack 1 is completed is the current extraction start. It can be estimated from the current extraction time from the time to the end. Therefore, in this case, the abnormality diagnosis unit 33 of the system control device 30 may diagnose a system abnormality when the current extraction time from the start of current extraction to the end thereof exceeds a predetermined time. Note that the predetermined time here can also be set in advance together with the above-described predetermined amount, similarly to the reference value for determining the current extraction integrated value.

以上、具体的な例を挙げながら詳細に説明したように、本実施形態の燃料電池システムによれば、システム停止制御を終了する際に、システム制御装置３０の異常診断部３３が、システム停止後の放置期間におけるカソード内最大水素濃度がシステム起動時における水素処理能力限界値を越えるか否かを判定し、越えると判定した場合にシステム異常と診断するようにしているので、システム起動時にカソード側の水素を適切に処理できなくなる懸念がある場合に、その旨を事前に検知して何らかの対応を図ることができ、システムの信頼性を高めることができる。   As described above in detail with specific examples, according to the fuel cell system of the present embodiment, when the system stop control is terminated, the abnormality diagnosis unit 33 of the system control device 30 performs the It is determined whether or not the maximum hydrogen concentration in the cathode during the stand-by period exceeds the hydrogen processing capacity limit at the time of starting the system. When there is a concern that it will not be possible to properly treat the hydrogen, it can be detected in advance to take some measures, and the reliability of the system can be improved.

また、システム制御装置３０の異常診断部３３は、燃料電池スタック１からの電流取出し積算値に基づいてカソード側の残酸素量を推定し、燃料電池スタック１からの電流取出し積算値が基準値を越えていてカソード側の残酸素量が所定量未満となっていると推定される場合に、システム停止後の放置期間におけるカソード内最大水素濃度がシステム起動時における水素処理能力限界値を越えると判定してシステム異常と診断することにより、システム異常の診断を簡便且つ適切に行うことができる。   Further, the abnormality diagnosis unit 33 of the system control apparatus 30 estimates the residual oxygen amount on the cathode side based on the current extraction integrated value from the fuel cell stack 1, and the current extraction integrated value from the fuel cell stack 1 sets the reference value. When it is estimated that the amount of oxygen remaining on the cathode side is less than the predetermined amount, it is determined that the maximum hydrogen concentration in the cathode during the standing period after system shutdown exceeds the hydrogen processing capacity limit at system startup. By diagnosing a system abnormality, the system abnormality can be diagnosed simply and appropriately.

さらに、停止制御時における燃料電池スタック１からの電流取出しが一定電流で行われる場合には、システム制御装置３０の異常診断部３３が、燃料電池スタック１からの電流取出し時間に基づいてカソード側の残酸素量を推定し、燃料電池スタック１からの電流取出し時間が所定時間を越えていてカソード側の残酸素量が所定量未満となっていると推定される場合に、システム停止後の放置期間におけるカソード内最大水素濃度がシステム起動時における水素処理能力限界値を越えると判定してシステム異常と診断することにより、システム異常の診断をより簡便に行うことができる。   Further, when the current extraction from the fuel cell stack 1 during the stop control is performed at a constant current, the abnormality diagnosis unit 33 of the system control device 30 performs the cathode side operation based on the current extraction time from the fuel cell stack 1. When the remaining oxygen amount is estimated and the current extraction time from the fuel cell stack 1 exceeds a predetermined time and the remaining oxygen amount on the cathode side is estimated to be less than the predetermined amount, By determining that the maximum hydrogen concentration in the cathode exceeds the hydrogen processing capacity limit value at the time of starting the system and diagnosing the system abnormality, the system abnormality can be diagnosed more easily.

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、停止制御を終了する際の診断の結果、システム異常が生じていると診断された場合に、システム制御装置３０が燃料電池スタック１のカソード側への酸化剤ガスの供給を一時的に再開して、カソード側の残酸素量を増加させる処理を行い、カソード側の残酸素量を所定量以上にまで回復させた後にシステムを停止させるようにしたものである。なお、燃料電池システムの構成や停止制御の基本部分は上述した第１実施形態と同様であるので、以下では、本実施形態に特徴的な部分についてのみ説明し、第１実施形態と重複する説明は省略する。 [Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, when it is determined that a system abnormality has occurred as a result of the diagnosis when the stop control is terminated, the system control device 30 temporarily supplies the oxidant gas to the cathode side of the fuel cell stack 1. The system is restarted to perform a process of increasing the amount of residual oxygen on the cathode side, and after the amount of residual oxygen on the cathode side is recovered to a predetermined amount or more, the system is stopped. The basic configuration of the fuel cell system and the stop control are the same as those in the first embodiment described above. Therefore, only the characteristic features of the present embodiment will be described below, and the description overlapping that in the first embodiment will be described. Is omitted.

図４は、本実施形態の燃料電池システムにおいて、システム異常が生じていると診断された場合にシステム制御装置３０により実行される処理の一例を示すフローチャートである。   FIG. 4 is a flowchart showing an example of processing executed by the system control device 30 when it is diagnosed that a system abnormality has occurred in the fuel cell system of the present embodiment.

本実施形態の燃料電池システムでは、第１実施形態で説明した停止制御を終了する際の診断（図２のフローチャートにおけるステップＳ１０６）の結果、システム異常が生じていると診断された場合には、システム制御装置３０が、ステップＳ２０１において、燃料電池スタック１のカソード側への酸化剤ガスの供給を再開させる。具体的には、システム制御装置３０は、燃料電池スタック１のカソード入口側と出口側とに設置した酸化剤入口弁２６および酸化剤出口弁２７を開放するとともに、空気コンプレッサ２１に対して運転開始指令を出力し、空気コンプレッサ２１の運転を再開させる。   In the fuel cell system of the present embodiment, when it is diagnosed that a system abnormality has occurred as a result of the diagnosis (step S106 in the flowchart of FIG. 2) when ending the stop control described in the first embodiment, In step S201, the system control device 30 restarts the supply of the oxidant gas to the cathode side of the fuel cell stack 1. Specifically, the system control device 30 opens the oxidant inlet valve 26 and the oxidant outlet valve 27 installed on the cathode inlet side and the outlet side of the fuel cell stack 1 and starts operation with respect to the air compressor 21. A command is output and the operation of the air compressor 21 is resumed.

次に、システム制御装置３０は、ステップＳ２０２において、酸化剤ガス供給再開により燃料電池スタック１のカソード側の残酸素量が第１実施形態で説明した所定量（システム停止後の放置期間におけるカソード内最大水素濃度をシステム起動時における水素処理能力限界値未満とするのに必要な残酸素量）以上にまで回復したか否かを判定する。この判定は、システム異常の診断時に推定したカソード側残酸素量に対して、酸化剤ガス供給再開後の経過時間と空気コンプレッサ２１の吐出容量、大気中の酸素濃度（約２１％）などから求まる増加分の酸素量を加算した値が前記所定量以上となったか否かを判定するものであり、空気コンプレッサ２１の回転数を一定（単位時間あたりの酸化剤ガス供給流量が一定）とする場合には、酸化剤ガス供給再開後の経過時間から判定することが可能である。   Next, in step S202, the system controller 30 restarts the supply of the oxidant gas so that the residual oxygen amount on the cathode side of the fuel cell stack 1 is the predetermined amount described in the first embodiment (inside the cathode in the standing period after the system is stopped). It is determined whether or not the maximum hydrogen concentration has been recovered to a level equal to or greater than the amount of residual oxygen required to make the maximum hydrogen concentration less than the hydrogen processing capacity limit at the time of system startup. This determination is obtained from the elapsed time after resuming the supply of the oxidant gas, the discharge capacity of the air compressor 21, the oxygen concentration in the atmosphere (about 21%), etc., with respect to the residual oxygen amount on the cathode side estimated at the time of system abnormality diagnosis. When it is determined whether or not the value obtained by adding the increased oxygen amount is equal to or greater than the predetermined amount, and the rotation speed of the air compressor 21 is constant (the oxidant gas supply flow rate per unit time is constant) It is possible to determine from the elapsed time after resuming the oxidant gas supply.

そして、ステップＳ２０２で燃料電池スタック１のカソード側の残酸素量が前記所定量以上にまで回復したと判定すると、システム制御装置３０は、ステップＳ２０３において、燃料電池スタック１のカソード側への酸化剤ガスの供給を停止する。具体的には、システム制御装置３０は、空気コンプレッサ２１に対して運転停止指令を出力し、空気コンプレッサ２１の運転を停止させる。また、システム制御装置３０は、燃料電池スタック１のカソード入口側と出口側とに設置した酸化剤入口弁２６および酸化剤出口弁２７をそれぞれ閉じることで、燃料電池スタック１のカソード側を封止する。   When it is determined in step S202 that the residual oxygen amount on the cathode side of the fuel cell stack 1 has recovered to the predetermined amount or more, the system control device 30 in step S203, the oxidant to the cathode side of the fuel cell stack 1 Stop supplying gas. Specifically, the system control device 30 outputs an operation stop command to the air compressor 21 to stop the operation of the air compressor 21. Further, the system controller 30 seals the cathode side of the fuel cell stack 1 by closing the oxidant inlet valve 26 and the oxidant outlet valve 27 installed on the cathode inlet side and the outlet side of the fuel cell stack 1 respectively. To do.

ところで、停止制御により燃料電池スタック１のカソード側の酸素が過剰に消費された状態では、燃料電池スタック１の電圧は例えば０．１Ｖ以下にまで低下した状態にあるが、カソード側への酸化剤ガスの供給を再開してカソード側の残酸素量が回復すると、燃料電池スタック１の電圧は上昇傾向を示す。したがって、この燃料電池スタック１の電圧の上昇から残酸素量の回復を判定することも可能である。   By the way, in the state where the oxygen on the cathode side of the fuel cell stack 1 is excessively consumed by the stop control, the voltage of the fuel cell stack 1 is in a state of being reduced to, for example, 0.1 V or less. When the supply of gas is resumed and the residual oxygen amount on the cathode side is recovered, the voltage of the fuel cell stack 1 tends to increase. Therefore, it is possible to determine the recovery of the residual oxygen amount from the increase in the voltage of the fuel cell stack 1.

具体的には、システム制御装置３０は、図５のフローチャートで示すように、ステップＳ３０１でカソード側への酸化剤ガス供給を再開させた後、ステップＳ３０２において燃料電池スタック１の電圧を監視して、燃料電池スタック１の電圧が例えば０．５Ｖ程度にまで上昇した場合にカソード側の残酸素量が前記所定量以上にまで回復したと判定して、ステップＳ３０３でカソード側への酸化剤ガスの供給を停止させるようにすればよい。   Specifically, as shown in the flowchart of FIG. 5, the system control device 30 monitors the voltage of the fuel cell stack 1 in step S302 after restarting the supply of the oxidant gas to the cathode side in step S301. When the voltage of the fuel cell stack 1 rises to about 0.5 V, for example, it is determined that the residual oxygen amount on the cathode side has recovered to the predetermined amount or more, and the oxidant gas to the cathode side is determined in step S303. What is necessary is just to stop supply.

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムによれば、停止制御を終了する際の診断の結果、システム異常が生じていると診断された場合に、システム制御装置３０が燃料電池スタック１のカソード側への酸化剤ガスの供給を一時的に再開して、カソード側の残酸素量を増加させる処理を行い、カソード側の残酸素量を所定量以上にまで回復させた後にシステムを停止させるようにしているので、システム停止後の放置期間におけるカソード内水素濃度の過度な上昇を未然に抑制することができ、次のシステム起動時にカソード側の水素を適切に処理できなくなる不都合を確実に防止することができる。   As described above, according to the fuel cell system of this embodiment, when it is diagnosed that a system abnormality has occurred as a result of the diagnosis at the time of terminating the stop control, the system control device 30 performs the fuel cell stack 1 The supply of oxidant gas to the cathode side of the cathode is temporarily resumed to increase the amount of residual oxygen on the cathode side, and after the amount of residual oxygen on the cathode side is recovered to a predetermined level or more, the system is stopped. Therefore, it is possible to prevent an excessive increase in the hydrogen concentration in the cathode during the standing period after the system is stopped, and to ensure that the cathode side hydrogen cannot be properly processed at the next system startup. Can be prevented.

なお、以上説明した例では、カソード側への酸化剤ガスの供給再開によりカソード側の残酸素量を所定量以上にまで回復させるとシステムを停止させるようにしているが、カソード側の残酸素量を所定量以上にまで回復させた後に、燃料電池スタック１からの電流取出しを再度行って、残酸素量が所定量になるまで酸素を消費させてからシステムを停止させるようにしてもよい。これにより、カソード側の残酸素量をより精度良く所定量に近づけることが可能になり、停止制御による燃料電池スタック１の劣化防止の効果を最大限に発揮することができる。   In the example described above, the system is stopped when the residual oxygen amount on the cathode side is recovered to a predetermined level or more by restarting the supply of the oxidant gas to the cathode side. After recovering to a predetermined amount or more, the current may be taken out from the fuel cell stack 1 again, and oxygen may be consumed until the residual oxygen amount reaches a predetermined amount, and then the system may be stopped. As a result, the amount of residual oxygen on the cathode side can be made closer to the predetermined amount with higher accuracy, and the effect of preventing the deterioration of the fuel cell stack 1 by the stop control can be maximized.

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、停止制御時に燃料電池スタック１のアノード側の圧力を大気圧以上に昇圧した後、アノード側を密閉した状態でシステムを停止させる制御（以下、アノード昇圧制御という。）を行う場合の例である。このようなアノード昇圧制御は、システム停止後の放置期間の間に燃料電池スタック１内に侵入する酸素量を低減させて、次回起動時にアノード側に燃料ガス（水素）が供給されたときの局部電池形成による燃料電池スタック１の劣化を抑制する上では有効であるが、アノード側の圧力が過度に昇圧されていると放置期間中にアノード側から固体高分子電解質膜を介してカソード側に移動する水素量が過大となり、放置期間におけるカソード内最大水素濃度がシステム起動時における水素処理能力限界値を越える要因となる。そこで、本実施形態では、停止制御を終了する際に、システム制御装置３０の異常診断部３３が、燃料電池スタック１のアノード側の圧力を検出し、アノード側の圧力が圧力制御目標値を越える圧力まで昇圧されている場合に、システム停止後の放置期間におけるカソード内最大水素濃度がシステム起動時における水素処理能力限界値を越えると判定し、システム異常と診断するようにしている。なお、燃料電池システムの構成は上述した第１実施形態と同様であるので、以下では、本実施形態に特徴的な部分についてのみ説明し、第１実施形態と重複する説明は省略する。 [Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, when the pressure on the anode side of the fuel cell stack 1 is increased to atmospheric pressure or higher during stop control, control is performed to stop the system with the anode side sealed (hereinafter referred to as anode pressure increase control). It is an example. Such anode pressure-up control reduces the amount of oxygen that enters the fuel cell stack 1 during the standing period after the system is stopped, and is local when fuel gas (hydrogen) is supplied to the anode at the next start-up. Although effective in suppressing deterioration of the fuel cell stack 1 due to battery formation, if the pressure on the anode side is excessively increased, it moves from the anode side to the cathode side through the solid polymer electrolyte membrane during the standing period. The amount of hydrogen to be used is excessive, and the maximum hydrogen concentration in the cathode during the standing period exceeds the hydrogen processing capacity limit value at the time of starting the system. Therefore, in the present embodiment, when the stop control is terminated, the abnormality diagnosis unit 33 of the system control device 30 detects the pressure on the anode side of the fuel cell stack 1 and the pressure on the anode side exceeds the pressure control target value. When the pressure is increased to the pressure, it is determined that the maximum hydrogen concentration in the cathode during the standing period after the system is stopped exceeds the hydrogen processing capacity limit value at the time of starting the system, and a system abnormality is diagnosed. Since the configuration of the fuel cell system is the same as that of the above-described first embodiment, only the characteristic features of this embodiment will be described below, and the description overlapping with that of the first embodiment will be omitted.

図６は、本実施形態の燃料電池システムにおいてシステム停止時に実行される停止制御の一例を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、例えば、燃料電池車両のイグニッションスイッチのオフ信号など、システムの停止を指示する何らかの停止信号の入力に応じてシステム制御装置３０によって実行される。   FIG. 6 is a flowchart showing an example of stop control executed when the system is stopped in the fuel cell system of the present embodiment. The process shown in this flowchart is executed by the system control device 30 in response to an input of a certain stop signal that instructs to stop the system, such as an off signal of an ignition switch of the fuel cell vehicle.

停止制御が開始されると、システム制御装置３０は、まず、ステップＳ４０１において、燃料電池スタック１のカソード側への酸化剤ガスの供給を停止する。具体的には、システム制御装置３０は、空気コンプレッサ２１に対して運転停止指令を出力し、空気コンプレッサ２１の運転を停止させる。また、システム制御装置３０は、燃料電池スタック１のカソード入口側と出口側とに設置した酸化剤入口弁２６および酸化剤出口弁２７をそれぞれ閉じることで、燃料電池スタック１のカソード側を封止する。   When the stop control is started, the system control device 30 first stops the supply of the oxidant gas to the cathode side of the fuel cell stack 1 in step S401. Specifically, the system control device 30 outputs an operation stop command to the air compressor 21 to stop the operation of the air compressor 21. Further, the system controller 30 seals the cathode side of the fuel cell stack 1 by closing the oxidant inlet valve 26 and the oxidant outlet valve 27 installed on the cathode inlet side and the outlet side of the fuel cell stack 1 respectively. To do.

次に、システム制御装置３０は、ステップＳ４０２において、燃料電池スタック１のアノード側の圧力を大気圧以上に昇圧するアノード昇圧制御を開始する。このときのアノード側の圧力制御目標値は、放置期間におけるカソード内最大水素濃度がシステム起動時における水素処理能力限界値を越えない範囲で事前に設定され、アノード側の昇圧は、例えば燃料循環ポンプ１６の回転数を調整することによって行われる。   Next, in step S402, the system control device 30 starts anode pressure increase control for increasing the pressure on the anode side of the fuel cell stack 1 to atmospheric pressure or higher. The target pressure control value on the anode side at this time is set in advance in a range in which the maximum hydrogen concentration in the cathode during the leaving period does not exceed the hydrogen processing capacity limit value at the time of starting the system. This is done by adjusting the number of revolutions of 16.

次に、システム制御装置３０は、ステップＳ４０３において、燃料電池スタック１からの電流取出しを開始する。燃料電池スタック１からの電流取出しは、電圧計測部３２により計測される燃料電池スタック１の最低電圧が０Ｖにならないように（つまり、アノード側の水素不足により電位が立たなくなる燃料電池セルが発生しないように）、電流制御部３１により制御される。この電流制御部３１の制御のもとで燃料電池スタック１から取り出された電流は、二次電池などの蓄電手段３に供給される。   Next, the system control device 30 starts taking out the current from the fuel cell stack 1 in step S403. The current extraction from the fuel cell stack 1 is performed so that the minimum voltage of the fuel cell stack 1 measured by the voltage measuring unit 32 does not become 0 V (that is, no fuel cell is generated in which the potential does not rise due to insufficient hydrogen on the anode side). And so on). The current extracted from the fuel cell stack 1 under the control of the current control unit 31 is supplied to the power storage means 3 such as a secondary battery.

次に、システム制御装置３０は、ステップＳ４０４において、燃料電池スタック１からの電流取出しを終了するタイミングの判定を行う。この電流取出し終了判定は、第１実施形態で説明したように、カソード側の酸素を完全に消費させずに所定量の酸素をカソード側に残存させた状態にするための電流取出し時間を予め計算により求めておき、電流取出し開始時からこの電流取出し時間が経過したときに、電流取出し終了タイミングになったと判定する。   Next, in step S404, the system control device 30 determines the timing for ending current extraction from the fuel cell stack 1. As described in the first embodiment, this current extraction end determination is performed in advance by calculating a current extraction time for making a predetermined amount of oxygen remain on the cathode side without completely consuming oxygen on the cathode side. The current extraction end timing is determined when the current extraction time has elapsed from the start of current extraction.

ステップＳ４０４で電流取出し終了タイミングになったと判定すると、システム制御装置３０は、ステップＳ４０５において、燃料電池スタック１からの電流取出しを終了し、ステップＳ４０６において、燃料電池スタック１のアノード側への燃料ガスの供給を停止する。具体的には、システム制御装置３０は、燃料循環ポンプ１６に対して運転停止指令を出力して燃料循環ポンプ１６の運転を停止させ、また、燃料供給弁１２を閉じるとともに、一次調圧弁１３および二次調圧弁１４を全閉する。また、このとき燃料パージ弁１７も全閉状態にして、アノード側を密閉する。   If it is determined in step S404 that the current extraction end timing has come, the system control device 30 ends the current extraction from the fuel cell stack 1 in step S405, and in step S406, the fuel gas to the anode side of the fuel cell stack 1 is reached. Stop supplying. Specifically, the system control device 30 outputs an operation stop command to the fuel circulation pump 16 to stop the operation of the fuel circulation pump 16, closes the fuel supply valve 12, and sets the primary pressure regulating valve 13 and The secondary pressure regulating valve 14 is fully closed. At this time, the fuel purge valve 17 is also fully closed, and the anode side is sealed.

次に、システム制御装置３０は、ステップＳ４０７において、システム異常診断を行う。ここでの診断は、アノード圧力センサ１６を用いて燃料電池スタック１のアノード側の圧力を検出し、燃料電池スタック１のアノード側の圧力がアノード昇圧制御における圧力制御目標値を越えている場合に、システム停止後の放置期間におけるカソード内最大水素濃度がシステム起動時における水素処理能力限界値を越えると判定して、システム異常と診断するというものである。この診断の結果、システム異常がなければそのまま停止制御が終了し、システム異常と診断された場合には、システム異常を報知するための警報動作や、システム異常を解消させるための何らかの処置が実行される。   Next, the system control apparatus 30 performs system abnormality diagnosis in step S407. The diagnosis here is when the anode pressure sensor 16 is used to detect the pressure on the anode side of the fuel cell stack 1 and the pressure on the anode side of the fuel cell stack 1 exceeds the pressure control target value in the anode boost control. Then, it is determined that the maximum hydrogen concentration in the cathode during the standing period after the system is stopped exceeds the hydrogen processing capacity limit value at the time of starting the system, and a system abnormality is diagnosed. As a result of the diagnosis, if there is no system abnormality, the stop control is terminated as it is, and when a system abnormality is diagnosed, an alarm action for notifying the system abnormality or some measure for eliminating the system abnormality is executed. The

図７は、アノード昇圧制御を含む停止制御を行って、カソード側に所定量の酸素が残存している状態でシステムを停止させた後の放置期間におけるカソード内水素濃度の時間変化を示した図であり、図７中の実線のグラフは、アノード側の圧力がアノード昇圧制御における圧力制御目標値以下となっている場合の放置期間におけるカソード内水素濃度の時間変化を示し、図７中の破線のグラフは、アノード側の圧力がアノード昇圧制御における圧力制御目標値を越えている場合の放置期間におけるカソード内水素濃度の時間変化を示している。   FIG. 7 is a graph showing temporal changes in the hydrogen concentration in the cathode during the standing period after stop control including anode boost control is performed and the system is stopped with a predetermined amount of oxygen remaining on the cathode side. The solid line graph in FIG. 7 shows the temporal change in the hydrogen concentration in the cathode during the standing period when the pressure on the anode side is equal to or lower than the pressure control target value in the anode boost control, and the broken line in FIG. This graph shows the temporal change in the hydrogen concentration in the cathode during the standing period when the pressure on the anode side exceeds the pressure control target value in the anode pressure increase control.

図７中の実線のグラフで示すように、アノード昇圧制御が正常に行われて、アノード側の圧力が圧力制御目標値を越えない値で停止制御が終了すれば、システム停止後の放置期間におけるカソード内最大水素濃度がシステム起動時における水素処理能力限界値を越えることはなく、カソード内水素濃度がピーク値をとるタイミングでシステムを再起動させたとしても、システム起動時にカソード側の水素を排水素処理装置１８で確実に処理することができる。一方、何らかのシステム異常によりアノード昇圧制御が正常に行われず、アノード側の圧力が圧力制御目標値を越える圧力にまで昇圧されていると、放置期間中にアノード側から固体高分子電解質膜を介してカソード側に移動する水素量が増大して、図７中の破線のグラフのように、カソード内最大水素濃度がシステム起動時における水素処理能力限界値を越えてしまうことがある。この場合、カソード内水素濃度がピーク値付近となるタイミングでシステムが再起動されると、システム起動時にカソード側の水素を排水素処理装置１８で適切に処理できなくなることが懸念される。   As shown by the solid line graph in FIG. 7, if the anode pressure increase control is normally performed and the stop control is terminated at a value at which the anode pressure does not exceed the pressure control target value, in the leaving period after the system stop. The maximum hydrogen concentration in the cathode does not exceed the hydrogen processing capacity limit at the time of system startup, and even if the system is restarted at the timing when the hydrogen concentration in the cathode reaches the peak value, the cathode side hydrogen is drained at the time of system startup. The raw processing device 18 can reliably perform processing. On the other hand, if the anode pressure increase control is not normally performed due to some system abnormality and the pressure on the anode side is increased to a pressure exceeding the pressure control target value, the anode side is passed through the solid polymer electrolyte membrane during the standing period. The amount of hydrogen moving to the cathode side may increase, and the maximum hydrogen concentration in the cathode may exceed the hydrogen processing capacity limit value at the time of starting the system, as shown by the broken line graph in FIG. In this case, if the system is restarted at a timing at which the hydrogen concentration in the cathode is close to the peak value, there is a concern that the hydrogen on the cathode side cannot be appropriately processed by the exhaust hydrogen treatment device 18 when the system is started.

そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、アノード昇圧制御を含む停止制御を終了する際に、システム制御装置３０の異常診断部３３が、燃料電池スタック１のアノード側の圧力を検出し、アノード側の圧力が圧力制御目標値を越える圧力まで昇圧されている場合に、システム停止後の放置期間におけるカソード内最大水素濃度がシステム起動時における水素処理能力限界値を越えると判定して、システム異常と診断するようにしている。したがって、本実施形態の燃料電池システムによれば、何らかのシステム異常によりアノード昇圧制御が正常に行われず、システム起動時にカソード側の水素を適切に処理できなくなる懸念がある場合に、その旨を事前に検知して何らかの対応を図ることができ、システムの信頼性を高めることができる。   Therefore, in the fuel cell system of the present embodiment, when the stop control including the anode boost control is terminated, the abnormality diagnosis unit 33 of the system control device 30 detects the pressure on the anode side of the fuel cell stack 1, and the anode side When the pressure in the cathode exceeds the pressure control target value, it is determined that the maximum hydrogen concentration in the cathode during the standing period after system shutdown exceeds the hydrogen treatment capacity limit value at system startup, I try to diagnose. Therefore, according to the fuel cell system of the present embodiment, when there is a concern that anode boost control is not normally performed due to some system abnormality and the cathode side hydrogen cannot be appropriately processed at the time of system startup, this fact is notified in advance. It can detect and take some measures, and can improve the reliability of the system.

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態は、アノード昇圧制御を含む停止制御を終了する際の診断の結果、システム異常が生じていると診断された場合に、システム制御装置３０が燃料電池スタック１のアノード側の圧力をパージ処理により減圧させる処理を行い、アノード側の圧力をアノード昇圧制御における圧力制御目標値以下にまで低下させた後にシステムを停止させるようにしたものである。なお、燃料電池システムの構成は上述した第１実施形態と同様であり、停止制御の基本部分は上述した第３実施形態と同様であるので、以下では、本実施形態に特徴的な部分についてのみ説明し、第１実施形態や第３実施形態と重複する説明は省略する。 [Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the system controller 30 purges the pressure on the anode side of the fuel cell stack 1 when it is diagnosed that a system abnormality has occurred as a result of the diagnosis when the stop control including the anode boost control is terminated. A process of reducing the pressure by the process is performed, and the system is stopped after the pressure on the anode side is lowered to a pressure control target value or less in the anode pressure increase control. The configuration of the fuel cell system is the same as that of the first embodiment described above, and the basic part of the stop control is the same as that of the third embodiment described above. Therefore, only the characteristic features of this embodiment will be described below. Explanation will be omitted, and explanations overlapping with the first embodiment and the third embodiment will be omitted.

図８は、本実施形態の燃料電池システムにおいて、システム異常が生じていると診断された場合にシステム制御装置３０により実行される処理の一例を示すフローチャートである。   FIG. 8 is a flowchart showing an example of processing executed by the system control device 30 when it is diagnosed that a system abnormality has occurred in the fuel cell system of the present embodiment.

本実施形態の燃料電池システムでは、第３実施形態で説明した停止制御を終了する際の診断（図６のフローチャートにおけるステップＳ４０７）の結果、システム異常が生じていると診断された場合には、システム制御装置３０が、ステップＳ５０１において、燃料排出配管１０ｃ中に設置された燃料パージ弁１７を開放し、アノード側の燃料ガスを排出するパージ処理を開始する。   In the fuel cell system of this embodiment, when it is diagnosed that a system abnormality has occurred as a result of the diagnosis (step S407 in the flowchart of FIG. 6) when ending the stop control described in the third embodiment, In step S501, the system control device 30 opens the fuel purge valve 17 installed in the fuel discharge pipe 10c, and starts a purge process for discharging the anode side fuel gas.

次に、システム制御装置３０は、ステップＳ５０２において、アノード圧力センサ１６の検出値を読み込んで燃料電池スタック１のアノード側の圧力を監視し、ステップＳ５０１でのパージ処理によりアノード圧力がアノード昇圧制御における圧力制御目標値以下にまで低下したか否かを判定する。   Next, in step S502, the system control device 30 reads the detection value of the anode pressure sensor 16 and monitors the pressure on the anode side of the fuel cell stack 1, and the anode pressure is controlled in the anode pressure increase control by the purge process in step S501. It is determined whether or not the pressure control value has fallen below the target value.

そして、ステップＳ５０２で燃料電池スタック１のアノード圧力がアノード昇圧制御における圧力制御目標値以下にまで低下したと判定すると、システム制御装置３０は、ステップＳ５０３において、燃料パージ弁１７を全閉状態に切り替えてパージ処理を終了し、アノード側を密閉する。   If it is determined in step S502 that the anode pressure of the fuel cell stack 1 has dropped below the pressure control target value in the anode pressure increase control, the system control device 30 switches the fuel purge valve 17 to the fully closed state in step S503. The purge process is finished, and the anode side is sealed.

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムによれば、停止制御を終了する際の診断の結果、システム異常が生じていると診断された場合に、システム制御装置３０が燃料電池スタック１のアノード側の圧力をパージ処理により減圧させる処理を行い、アノード側の圧力をアノード昇圧制御における圧力制御目標値以下にまで低下させた後にシステムを停止させるようにしているので、システム停止後の放置期間におけるカソード内水素濃度の過度な上昇を未然に抑制することができ、次のシステム起動時にカソード側の水素を適切に処理できなくなる不都合を確実に防止することができる。   As described above, according to the fuel cell system of this embodiment, when it is diagnosed that a system abnormality has occurred as a result of the diagnosis at the time of terminating the stop control, the system control device 30 performs the fuel cell stack 1 The pressure on the anode side is reduced by purging, and the system is stopped after the anode pressure is reduced below the pressure control target value in the anode pressure increase control. An excessive increase in the hydrogen concentration in the cathode during the period can be suppressed in advance, and it is possible to reliably prevent the inconvenience that the cathode-side hydrogen cannot be appropriately processed at the next system startup.

［第５実施形態］
次に、本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態は、アノード昇圧制御を含む停止制御を終了する際に、第１実施形態で説明した燃料電池スタック１からの電流取出し積算値を用いた判定と、第３実施形態で説明したアノード圧力の判定との双方により、システム異常の診断を行うようにしたものである。なお、燃料電池システムの構成は上述した第１実施形態と同様であり、停止制御の基本部分は上述した第３実施形態と同様であるので、以下では、本実施形態に特徴的な部分についてのみ説明し、第１実施形態や第３実施形態と重複する説明は省略する。 [Fifth Embodiment]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, when the stop control including the anode step-up control is terminated, the determination using the integrated value of current extraction from the fuel cell stack 1 described in the first embodiment and the anode pressure described in the third embodiment are performed. The system abnormality is diagnosed based on both of the determinations. The configuration of the fuel cell system is the same as that of the first embodiment described above, and the basic part of the stop control is the same as that of the third embodiment described above. Therefore, only the characteristic features of this embodiment will be described below. Explanation will be omitted, and explanations overlapping with the first embodiment and the third embodiment will be omitted.

図９は、本実施形態の燃料電池システムにおけるシステム異常の診断処理の一例を示すフローチャートである。   FIG. 9 is a flowchart showing an example of a system abnormality diagnosis process in the fuel cell system of the present embodiment.

本実施形態の燃料電池システムでは、システム制御装置３０の異常診断部３３がシステム異常の診断を行う際に、まず、ステップＳ６０１において、燃料電池スタック１からの電流取出し積算値を算出する。そして、ステップＳ６０２において、ステップＳ６０１で算出した電流取出し積算値が第１の基準値を越えているか否かを判定する。なお、第１の基準値は、燃料電池スタック１から当該第１の基準値以上の電流が取り出された場合、アノード圧力がアノード昇圧制御における圧力制御目標値以下であっても、システム停止後の放置期間におけるカソード内最大水素濃度がシステム起動時における水素処理能力限界値を越えると推定される値に設定される。   In the fuel cell system of the present embodiment, when the abnormality diagnosis unit 33 of the system control device 30 diagnoses a system abnormality, first, in step S601, the current extraction integrated value from the fuel cell stack 1 is calculated. In step S602, it is determined whether or not the current extraction integrated value calculated in step S601 exceeds a first reference value. Note that the first reference value is the value after the system stops even when the anode pressure is equal to or lower than the pressure control target value in the anode boost control when a current equal to or higher than the first reference value is taken out from the fuel cell stack 1. The maximum hydrogen concentration in the cathode during the standing period is set to a value estimated to exceed the hydrogen processing capacity limit value at the time of starting the system.

このステップＳ６０２において、燃料電池スタック１からの電流取出し積算値が第１の基準値を越えると判定した場合は、システム異常が発生していると判断する（ステップＳ６０６）。一方、燃料電池スタック１からの電流取出し積算値が第１の基準値以下と判定した場合は、次に、ステップＳ６０３において、ステップＳ６０１で算出した電流取出し積算値が前記第１の基準値よりは低い値である第２の基準値を越えているか否かを判定する。なお、第２の基準値は、燃料電池スタック１から当該第２の基準値以上の電流が取り出された場合、アノード圧力がアノード昇圧制御における圧力制御目標値以下であれば、システム停止後の放置期間におけるカソード内最大水素濃度がシステム起動時における水素処理能力限界値以下となるが、アノード圧力がアノード昇圧制御における圧力制御目標値を越えていると、システム停止後の放置期間におけるカソード内最大水素濃度がシステム起動時における水素処理能力限界値を越えると推定される値に設定される。   If it is determined in step S602 that the current extraction integrated value from the fuel cell stack 1 exceeds the first reference value, it is determined that a system abnormality has occurred (step S606). On the other hand, if it is determined that the current extraction integrated value from the fuel cell stack 1 is equal to or less than the first reference value, then in step S603, the current extraction integrated value calculated in step S601 is greater than the first reference value. It is determined whether or not a second reference value that is a low value is exceeded. Note that the second reference value is determined after the system is stopped if the anode pressure is equal to or lower than the pressure control target value in the anode boost control when a current greater than the second reference value is extracted from the fuel cell stack 1. The maximum hydrogen concentration in the cathode during the period is less than the hydrogen processing capacity limit value at system startup, but if the anode pressure exceeds the pressure control target value in the anode pressure increase control, the maximum hydrogen in the cathode during the standing period after system shutdown The concentration is set to a value that is estimated to exceed the hydrogen processing capacity limit at the time of system startup.

このステップＳ６０３において、燃料電池スタック１からの電流取出し積算値が第２の基準値以下と判定した場合は、システム異常は発生していないと判断する（ステップＳ６０７）。一方、燃料電池スタック１からの電流取出し積算値が第２の基準値を越えていると判定した場合は、次に、ステップＳ６０４において、アノード圧力センサ１６を用いて燃料電池スタック１のアノード側の圧力を検出する。そして、ステップＳ６０５において、ステップＳ６０４で検出したアノード圧力がアノード昇圧制御における圧力制御目標値を越えているか否かを判定する。   If it is determined in step S603 that the current extraction integrated value from the fuel cell stack 1 is equal to or less than the second reference value, it is determined that no system abnormality has occurred (step S607). On the other hand, if it is determined that the current extraction integrated value from the fuel cell stack 1 exceeds the second reference value, the anode pressure sensor 16 is used next to the anode side of the fuel cell stack 1 in step S604. Detect pressure. In step S605, it is determined whether or not the anode pressure detected in step S604 exceeds the pressure control target value in the anode pressure increase control.

このステップＳ６０５において、燃料電池スタック１のアノード圧力がアノード昇圧制御における圧力制御目標値を越えていると判定した場合は、システム異常が発生していると判断する（ステップＳ６０６）。一方、燃料電池スタック１のアノード圧力がアノード昇圧制御における圧力制御目標値以下であると判定した場合は、システム異常は発生していないと判断する（ステップＳ６０７）。   If it is determined in step S605 that the anode pressure of the fuel cell stack 1 exceeds the pressure control target value in the anode boost control, it is determined that a system abnormality has occurred (step S606). On the other hand, when it is determined that the anode pressure of the fuel cell stack 1 is equal to or lower than the pressure control target value in the anode pressure increase control, it is determined that no system abnormality has occurred (step S607).

本実施形態の燃料電池システムでは、システム制御装置３０の異常診断部３３が、以上説明した手法によりシステム異常の診断を行う。そして、システム異常が発生していると診断した場合には、第２実施形態で説明したように、カソード側への酸化剤ガスの供給を再開してカソード側の残酸素量を増加させた後にシステムを停止させる。また、このカソード側の残存酸素量を増加させる処理とともに、第４実施形態で説明したように、燃料パージ弁１７の開放によりアノード圧力を減圧させる処理を併せて行うようにしてもよい。さらに、これらの処理を行った後に、燃料電池スタック１からの電流取出しを再度行って、残酸素量が所定量になるまで酸素を消費させてからシステムを停止させるようにしてもよい。   In the fuel cell system of the present embodiment, the abnormality diagnosis unit 33 of the system control device 30 diagnoses a system abnormality by the method described above. When it is diagnosed that a system abnormality has occurred, as described in the second embodiment, after the supply of the oxidant gas to the cathode side is resumed and the residual oxygen amount on the cathode side is increased, Stop the system. In addition to the process of increasing the amount of residual oxygen on the cathode side, as described in the fourth embodiment, a process of reducing the anode pressure by opening the fuel purge valve 17 may be performed. Further, after performing these processes, the current may be taken out from the fuel cell stack 1 again, and the system may be stopped after consuming oxygen until the residual oxygen amount reaches a predetermined amount.

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１からの電流取出し積算値とアノード圧力との双方を用いてシステム異常の診断を行うようにしているので、システム異常をより精度良く診断することができ、システムの信頼性をさらに高めることができる。   As described above, according to the fuel cell system of this embodiment, the system abnormality is diagnosed using both the current extraction integrated value from the fuel cell stack 1 and the anode pressure. Can be diagnosed more accurately, and the reliability of the system can be further improved.

なお、以上説明した第１乃至第５の実施形態は、本発明の具体的な適用例を例示したものであり、本発明が以上の各実施形態で説明した内容に限定されることを意図するものではない。つまり、本発明の技術的範囲は、以上の各実施形態の説明で開示した具体的な技術事項に限らず、この開示から容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。例えば、実施形態として例示した燃料電池システムの構成では、空気系２０に水素濃度センサ２５を設置しているが、この水素濃度センサ２５は本発明を実施する上で必須のものではなく、水素濃度センサ２５を備えていない構成の燃料電池システムにおいても、本発明は有効に実施可能である。   The first to fifth embodiments described above exemplify specific application examples of the present invention, and the present invention is intended to be limited to the contents described in the above embodiments. It is not a thing. In other words, the technical scope of the present invention is not limited to the specific technical items disclosed in the description of the above embodiments, but includes various modifications, changes, alternative techniques, and the like that can be easily derived from this disclosure. For example, in the configuration of the fuel cell system exemplified as the embodiment, the hydrogen concentration sensor 25 is installed in the air system 20, but this hydrogen concentration sensor 25 is not essential for carrying out the present invention, and the hydrogen concentration The present invention can be effectively implemented even in a fuel cell system that does not include the sensor 25.

本発明を適用した燃料電池システムの全体構成を示すシステム構成図である。1 is a system configuration diagram showing an overall configuration of a fuel cell system to which the present invention is applied. 第１実施形態の燃料電池システムにおいて、システム停止時にシステム制御装置により実行される停止制御の一例を示すフローチャートである。In the fuel cell system according to the first embodiment, it is a flowchart showing an example of stop control executed by the system control device when the system is stopped. システム停止後の放置期間におけるカソード内水素濃度の時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the hydrogen concentration in a cathode in the leaving period after a system stop. 第２実施形態の燃料電池システムにおいて、システム異常が生じていると診断された場合にシステム制御装置により実行される処理の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the process performed by a system control apparatus, when it is diagnosed that the system abnormality has arisen in the fuel cell system of 2nd Embodiment. 第２実施形態の燃料電池システムにおいて、システム異常が生じていると診断された場合にシステム制御装置により実行される処理の他の例を示すフローチャートである。6 is a flowchart illustrating another example of processing executed by the system control device when it is diagnosed that a system abnormality has occurred in the fuel cell system according to the second embodiment. 第３実施形態の燃料電池システムにおいて、システム停止時にシステム制御装置により実行される停止制御の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the stop control performed by the system control apparatus at the time of a system stop in the fuel cell system of 3rd Embodiment. システム停止後の放置期間におけるカソード内水素濃度の時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the hydrogen concentration in a cathode in the leaving period after a system stop. 第４実施形態の燃料電池システムにおいて、システム異常が生じていると診断された場合にシステム制御装置により実行される処理の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the process performed by a system control apparatus, when it is diagnosed that the system abnormality has arisen in the fuel cell system of 4th Embodiment. 第５実施形態の燃料電池システムにおいて、システム制御装置の異常診断部により実行されるシステム異常の診断処理の一例を示すフローチャートである。In the fuel cell system of 5th Embodiment, it is a flowchart which shows an example of the diagnosis process of the system abnormality performed by the abnormality diagnosis part of a system control apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

１ 燃料電池スタック
１０ 水素系
１８ 排水素処理装置
２０ 空気系
３０ システム制御装置
３１ 電流制御部
３２ 電流計測部
３３ 異常診断部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell stack 10 Hydrogen system 18 Exhaust hydrogen treatment apparatus 20 Air system 30 System control apparatus 31 Current control part 32 Current measurement part 33 Abnormality diagnosis part

Claims (11)

システム停止時に、燃料電池のアノード側への燃料ガスの供給を継続させるとともにカソード側への酸化剤ガスの供給を停止させた状態で前記燃料電池から電流を取り出して前記カソード側の酸素を消費させる停止制御を行う燃料電池システムにおいて、
前記停止制御を終了する際に、システム停止後の放置期間におけるカソード内最大水素濃度がシステム起動時における水素処理能力限界値を越えるか否かを判定し、越えると判定した場合にシステム異常と診断する異常診断手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。 When the system is stopped, the supply of the fuel gas to the anode side of the fuel cell is continued and the supply of the oxidant gas to the cathode side is stopped to draw the current from the fuel cell and consume the oxygen on the cathode side In a fuel cell system that performs stop control,
When ending the stop control, it is determined whether or not the maximum hydrogen concentration in the cathode during the standing period after the system stops exceeds the hydrogen processing capacity limit value at the time of starting the system. A fuel cell system comprising abnormality diagnosis means for performing 前記異常診断手段は、前記燃料電池からの電流取出しを終了した時点での前記燃料電池のカソード側の残酸素量が所定量未満となっていると推定される場合に、システム異常と診断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 abnormality diagnosing means diagnoses a system abnormality when it is estimated that the residual oxygen amount on the cathode side of the fuel cell at the time when the current extraction from the fuel cell is finished is less than a predetermined amount. The fuel cell system according to claim 1. 前記異常診断手段は、前記燃料電池からの電流取出しを開始してから終了するまでの間の電流取出し積算値を算出し、算出した電流取出し積算値が基準値を越えている場合に、システム異常と診断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。   The abnormality diagnosing means calculates a current extraction integrated value from the start to the end of current extraction from the fuel cell, and if the calculated current extraction integrated value exceeds a reference value, a system abnormality is detected. The fuel cell system according to claim 2, wherein the fuel cell system is diagnosed. 前記異常診断手段は、前記燃料電池からの電流取出しを開始してから終了するまでの間の電流取出し時間が所定時間を越えている場合に、システム異常と診断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。   The system according to claim 2, wherein the abnormality diagnosis unit diagnoses a system abnormality when a current extraction time from the start of current extraction from the fuel cell to the end thereof exceeds a predetermined time. The fuel cell system described in 1. 前記異常診断手段によりシステム異常と診断されたときに、前記燃料電池のカソード側への酸化剤ガスの供給を一時的に再開して前記カソード側の残酸素量を増加させる異常時制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。   An abnormality control means for temporarily restarting the supply of the oxidant gas to the cathode side of the fuel cell and increasing the amount of residual oxygen on the cathode side when the abnormality diagnosis means diagnoses a system abnormality; The fuel cell system according to any one of claims 2 to 4, further comprising: 前記異常時制御手段は、前記カソード側の残酸素量が前記所定量以上にまで回復したと推定されるタイミングで前記燃料電池のカソード側への酸化剤ガスの供給を停止させ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。   The abnormal-time control means stops supplying the oxidant gas to the cathode side of the fuel cell at a timing when it is estimated that the residual oxygen amount on the cathode side has recovered to the predetermined amount or more. The fuel cell system according to claim 5. 前記異常時制御手段は、前記燃料電池のカソード側への酸化剤ガスの供給を再開した後の前記燃料電池の電圧を監視し、前記燃料電池の電圧が上昇したときに前記燃料電池のカソード側への酸化剤ガスの供給を停止させ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。   The abnormality control means monitors the voltage of the fuel cell after resuming the supply of the oxidant gas to the cathode side of the fuel cell, and when the voltage of the fuel cell rises, the cathode side of the fuel cell 6. The fuel cell system according to claim 5, wherein the supply of the oxidant gas to the fuel cell is stopped. 前記停止制御は、前記燃料電池のアノード側の圧力を大気圧以上に昇圧して前記アノード側を密閉した状態でシステムを停止させる制御を含むものであり、
前記異常診断手段は、前記燃料電池のアノード側の圧力が圧力制御目標値を越える圧力まで昇圧されている場合に、システム異常と診断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 stop control includes control for stopping the system in a state where the pressure on the anode side of the fuel cell is increased to an atmospheric pressure or more and the anode side is sealed,
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the abnormality diagnosis unit diagnoses a system abnormality when the pressure on the anode side of the fuel cell is increased to a pressure exceeding a pressure control target value. 3. 前記異常診断手段は、前記燃料電池からの電流取出しを終了した時点での前記アノード側の圧力を検知して、検知したアノード側の圧力が前記圧力制御目標値を越えている場合に、システム異常と診断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 abnormality diagnosing means detects the pressure on the anode side at the time when the current extraction from the fuel cell is completed, and when the detected pressure on the anode side exceeds the pressure control target value, a system abnormality is detected. The fuel cell system according to claim 8, wherein 前記異常診断手段によりシステム異常と診断されたときに、前記燃料電池のアノード側の圧力をパージ処理により減圧させる異常時制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項８又は９に記載の燃料電池システム。   10. The fuel cell according to claim 8, further comprising an abnormality control unit that reduces the pressure on the anode side of the fuel cell by a purge process when a system abnormality is diagnosed by the abnormality diagnosis unit. system. システム停止時に、燃料電池のアノード側への燃料ガスの供給を継続させるとともにカソード側への酸化剤ガスの供給を停止させた状態で前記燃料電池から電流を取り出して前記カソード側の酸素を消費させる停止制御を行う燃料電池システムの異常診断方法であって、
前記停止制御を終了する際に、システム停止後の放置期間におけるカソード内最大水素濃度がシステム起動時における水素処理能力限界値を越えるか否かを判定し、越えると判定した場合にシステム異常と診断することを特徴とする燃料電池システムの異常診断方法。 When the system is stopped, the supply of the fuel gas to the anode side of the fuel cell is continued and the supply of the oxidant gas to the cathode side is stopped to draw the current from the fuel cell and consume the oxygen on the cathode side An abnormality diagnosis method for a fuel cell system that performs stop control,
When ending the stop control, it is determined whether or not the maximum hydrogen concentration in the cathode during the standing period after the system stops exceeds the hydrogen processing capacity limit value at the time of starting the system. An abnormality diagnosis method for a fuel cell system, comprising:
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