JP2013134866A - Fuel cell system and fuel cell system control method - Google Patents

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耕太郎 池田
Norimitsu Takeuchi
仙光 竹内
Masaaki Matsusue
真明 松末
Yumi Inoue
侑美 井ノ上
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide technology which restrains a decline in the power generation performance of a fuel cell.SOLUTION: A fuel cell system includes a control unit which, when the fuel cell is determined to be in a high temperature state, starts executing a performance decline restraining operation (steps S30 to S50) to restrain a decline in the power generation performance of the fuel cell. If shortage of hydrogen quantity or conspicuous drying of an electrolyte membrane in the fuel cell is not detected in step S30, a temporary voltage reduction process (step S50) is executed to increase the amount of generated water in the fuel cell by temporarily lowering the voltage of the fuel cell. If hydrogen shortage or conspicuous drying of the electrolyte membrane is detected in step S30, a process for increasing a hydrogen flow rate (step S40) is executed before the temporary voltage reduction process is executed.

Description

この発明は、燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell.

燃料電池車両では、固体高分子形燃料電池（以下、単に「燃料電池」と呼ぶ）を電力源として搭載する。また、燃料電池車両では、その加速中や登坂中など、燃料電池に著しく高い出力電力が要求される高負荷運転が長期間に渡って継続される場合がある。燃料電池に高負荷運転を継続させると、その運転温度が上昇し、燃料電池の発電特性が変化し、燃料電池の発電性能が低下してしまう場合があった（下記特許文献１等）。この問題は、燃料電池車両等に限らず、燃料電池を備える燃料電池システムに共通の問題であった。   In a fuel cell vehicle, a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter simply referred to as “fuel cell”) is mounted as a power source. In addition, in a fuel cell vehicle, a high load operation that requires a significantly high output power from the fuel cell may be continued for a long period of time, such as during acceleration or climbing. When the fuel cell is continuously operated at a high load, the operation temperature rises, the power generation characteristics of the fuel cell change, and the power generation performance of the fuel cell may be reduced (Patent Document 1 below). This problem is not limited to fuel cell vehicles and the like, but is a problem common to fuel cell systems including fuel cells.

特開２００５−１２９２５２号公報JP 2005-129252 A 特開２００４−０４７４２７号公報JP 2004-047427 A

本発明は、燃料電池の発電性能の低下を抑制する技術を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the technique which suppresses the fall of the electric power generation performance of a fuel cell.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.

［適用例１］
燃料電池システムであって、燃料電池と、前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給部と、前記燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出部と、前記燃料電池と、前記反応ガス供給部とを制御し、前記燃料電池の運転状態に基づいて、前記燃料電池の発電性能の低下を抑制するための性能低下抑制運転を開始する制御部と、を備え、前記制御部は、前記性能低下抑制運転として、前記燃料電池に供給される反応ガスの状態を調整する準備処理を実行した上で、前記燃料電池の電流−電圧特性に基づいて、一時的に前記燃料電池の出力電圧を低下させることにより、前記燃料電池の出力電流を増大させて、前記燃料電池内部の生成水量を増大させる一時的電圧低下処理を実行する、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、一時的電圧低下処理の実行により、燃料電池の発電性能の低下が抑制される。また、反応ガスの状態を調整した上で、その一時的電圧低下処理を実行するため、一時的電圧低下処理に伴う反応ガス不足や急激な圧力変動などの不具合の発生を事前に抑制することができる。 [Application Example 1]
A fuel cell system, a fuel cell, a reaction gas supply unit that supplies a reaction gas to the fuel cell, an operation state detection unit that detects an operation state of the fuel cell, the fuel cell, and the reaction gas supply And a control unit that starts a performance deterioration suppression operation for suppressing a decrease in power generation performance of the fuel cell based on an operating state of the fuel cell, and the control unit includes the performance As a reduction control operation, after performing a preparation process for adjusting the state of the reaction gas supplied to the fuel cell, the output voltage of the fuel cell is temporarily reduced based on the current-voltage characteristics of the fuel cell. A fuel cell system that executes a temporary voltage reduction process for increasing the output current of the fuel cell and increasing the amount of water produced in the fuel cell.
According to this fuel cell system, a decrease in the power generation performance of the fuel cell is suppressed by executing the temporary voltage reduction process. In addition, since the temporary voltage reduction process is executed after adjusting the state of the reactive gas, it is possible to suppress in advance the occurrence of problems such as a shortage of reactive gas and sudden pressure fluctuations associated with the temporary voltage reduction process. it can.

［適用例２］
適用例１記載の燃料電池システムであって、前記準備処理は、前記反応ガスの流量を変更する処理、または、前記反応ガスの湿潤度を増大させる処理の少なくとも一方を含む、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、一時的電圧低下処理の準備処理として、反応ガスの流量を変更する処理を実行することにより、一時的電圧低下処理に伴う反応ガス不足や圧力変動などを事前に抑制することができる。また、一時的電圧低下処理の準備処理として、反応ガスの湿潤度を増大させる処理を実行することにより、燃料電池内部の乾燥状態が著しい状態での一時的電圧低下処理の実行を回避できる。従って、一時的電圧低下処理において十分に電流を増大させることができずに、燃料電池の発電性能の低下の抑制効果が十分に得られなくなることを回避することができる。 [Application Example 2]
The fuel cell system according to Application Example 1, wherein the preparation process includes at least one of a process of changing a flow rate of the reaction gas and a process of increasing the wetness of the reaction gas.
According to this fuel cell system, by executing a process for changing the flow rate of the reaction gas as a preparation process for the temporary voltage reduction process, it is possible to suppress in advance the reaction gas shortage and pressure fluctuation associated with the temporary voltage reduction process. can do. In addition, by executing a process for increasing the wetness of the reaction gas as a preparation process for the temporary voltage reduction process, it is possible to avoid the execution of the temporary voltage reduction process when the dry state inside the fuel cell is significant. Therefore, it can be avoided that the current cannot be sufficiently increased in the temporary voltage reduction process and the effect of suppressing the decrease in the power generation performance of the fuel cell cannot be sufficiently obtained.

［適用例３］
適用例１または適用例２記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記性能低下抑制運転を開始する際に、前記燃料電池内部の反応ガスの量、または、前記燃料電池内部の湿潤度が、所定の閾値以上である場合には、前記準備処理を実行せずに、前記一時的電圧低下処理を実行する、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、一時的電圧低下処理の実行に伴って不具合が発生する可能性がない場合には、一時的電圧低下処理のための準備処理が実行されない。従って、より効率的に、燃料電池の性能低下を抑制する性能抑制運転を実行することが可能となる。 [Application Example 3]
The fuel cell system according to Application Example 1 or Application Example 2, wherein the control unit, when starting the performance deterioration suppressing operation, the amount of reaction gas inside the fuel cell or wetting inside the fuel cell. When the degree is equal to or greater than a predetermined threshold value, the fuel cell system performs the temporary voltage reduction process without executing the preparation process.
According to this fuel cell system, when there is no possibility of occurrence of a problem with the execution of the temporary voltage reduction process, the preparation process for the temporary voltage reduction process is not executed. Therefore, it is possible to more efficiently execute the performance suppression operation that suppresses the performance degradation of the fuel cell.

［適用例４］
適用例１から３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池の運転状態は、前記燃料電池の運転温度と、前記燃料電池内部の湿潤状態と、前記燃料電池の発電特性の中の少なくとも１つである、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、燃料電池の運転温度が著しく高いときや、燃料電池の内部において電解質膜が著しく乾燥しているとき、燃料電池の発電性能が低下しているときなどに、適宜、一時的電圧低下処理を実行する。従って、燃料電池の発電性能の低下が抑制される。 [Application Example 4]
4. The fuel cell system according to any one of Application Examples 1 to 3, wherein an operating state of the fuel cell is an operating temperature of the fuel cell, a wet state inside the fuel cell, and a power generation characteristic of the fuel cell. A fuel cell system which is at least one of them.
According to this fuel cell system, when the operating temperature of the fuel cell is remarkably high, when the electrolyte membrane is extremely dry inside the fuel cell, or when the power generation performance of the fuel cell is reduced, etc. Execute temporary voltage drop processing. Accordingly, a decrease in power generation performance of the fuel cell is suppressed.

［適用例５］
適用例４記載の燃料電池システムであって、前記反応ガスは、燃料ガスと酸化ガスであり、前記燃料ガスと前記酸化ガスとは、前記燃料電池の運転中には、前記燃料電池の内部において電解質膜を挟んで互いに対向する方向に流され、前記運転状態検出部は、前記燃料電池内部の湿潤状態として、前記燃料電池の発電部内における前記燃料ガスの下流側の局所的な領域の膜抵抗に関する値を計測することにより、前記局所的な領域の湿潤度を検出する局所的湿潤状態検出部を含み、前記制御部は、前記局所的な領域における湿潤度が、所定の閾値より低い場合に、前記準備処理として、前記局所的な領域への前記燃料ガスの流入量を増大させる処理を実行する、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、電解質膜が乾燥しやすい酸化ガスの上流側の領域、即ち、燃料ガスの下流側の領域において、電解質膜の著しい乾燥が検出された場合には、その乾燥領域へと水分が移動するように、燃料ガスの流量を増大させた上で、一時的電圧低下処理が実行される。従って、燃料電池の電解質膜が著しい乾燥状態にあるときに、一時的電圧低下処理が実行されてしまうことを抑制することができる。 [Application Example 5]
The fuel cell system according to Application Example 4, wherein the reaction gas is a fuel gas and an oxidant gas, and the fuel gas and the oxidant gas are inside the fuel cell during operation of the fuel cell. Flowing in directions opposite to each other with the electrolyte membrane interposed therebetween, the operating state detection unit is in a wet state inside the fuel cell, and the membrane resistance of a local region downstream of the fuel gas in the power generation unit of the fuel cell A local wet state detection unit that detects a wetness level of the local region by measuring a value related to the local region, and the control unit is configured to detect a wetness level in the local region lower than a predetermined threshold value. The fuel cell system executes a process of increasing the amount of the fuel gas flowing into the local region as the preparation process.
According to this fuel cell system, when significant drying of the electrolyte membrane is detected in the upstream region of the oxidizing gas that is easy to dry the electrolyte membrane, that is, in the downstream region of the fuel gas, to the dry region. In order to move the moisture, the flow rate of the fuel gas is increased, and then the temporary voltage reduction process is executed. Therefore, it is possible to prevent the temporary voltage reduction process from being performed when the electrolyte membrane of the fuel cell is extremely dry.

［適用例６］
適用例１から５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池に接続され、前記燃料電池の排ガスを排出する排ガス配管を備え、前記排ガス配管の途中には、前記排ガスを貯留する排ガス貯留部が設けられている、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、排ガス貯留部によって、一時的電圧低下処理を実行したときの燃料電池における急激な圧力変動が緩和される。従って、一時的電圧低下処理の実行に伴うスパイク電流の発生などの不具合が抑制される。 [Application Example 6]
The fuel cell system according to any one of Application Examples 1 to 5, further comprising an exhaust gas pipe connected to the fuel cell and exhausting the exhaust gas of the fuel cell, wherein the exhaust gas pipe is disposed in the middle of the exhaust gas pipe. A fuel cell system provided with an exhaust gas storage part for storing the fuel.
According to this fuel cell system, sudden pressure fluctuations in the fuel cell when the temporary voltage lowering process is executed are alleviated by the exhaust gas storage unit. Accordingly, problems such as the occurrence of spike currents associated with the temporary voltage reduction process are suppressed.

［適用例７］
適用例１から６のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池の出力電力の供給を受ける外部負荷と、前記燃料電池との間に、前記一時的電圧低下処理を実行したときに発生するスパイク電流が前記外部負荷に流れることを抑制するための電流制限回路が設けられている、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、電流制限回路によって、一時的電圧低下処理の実行に伴って発生したスパイク電流による不具合が抑制される。 [Application Example 7]
The fuel cell system according to any one of Application Examples 1 to 6, wherein the temporary voltage reduction process is executed between the fuel cell and an external load that receives supply of output power of the fuel cell. A fuel cell system provided with a current limiting circuit for suppressing a spike current generated in the current from flowing to the external load.
According to this fuel cell system, the current limiting circuit suppresses problems caused by spike currents that occur with the execution of the temporary voltage reduction process.

［適用例８］
燃料電池システムを制御する方法であって、
（ａ）燃料電池の運転状態を検出する工程と、
（ｂ）前記燃料電池の運転状態に基づいて、前記燃料電池の発電性能の低下を抑制するための性能低下抑制運転を開始する工程と、
を備え、前記性能低下抑制運転は、前記燃料電池に供給される反応ガスの状態を調整する準備処理を実行した上で、前記燃料電池の電流−電圧特性に基づいて、一時的に前記燃料電池の出力電圧を低下させることにより、前記燃料電池の出力電流を増大させて、前記燃料電池内部の生成水量を増大させる一時的電圧低下処理を実行する運転を含む、制御方法。 [Application Example 8]
A method for controlling a fuel cell system, comprising:
(A) detecting the operating state of the fuel cell;
(B) starting a performance deterioration suppressing operation for suppressing a decrease in power generation performance of the fuel cell based on the operating state of the fuel cell;
And the performance deterioration suppressing operation temporarily executes the preparation process for adjusting the state of the reaction gas supplied to the fuel cell, and then temporarily based on the current-voltage characteristic of the fuel cell. A control method including an operation of executing a temporary voltage reduction process for increasing the output current of the fuel cell by increasing the output voltage of the fuel cell and increasing the amount of water generated in the fuel cell.

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。また、本発明は、燃料電池システムの制御方法、その制御方法を実行する制御装置やプログラム、そのプログラムを記録した記録媒体等の形態で実現することができる。   The present invention can be realized in various forms, for example, in the form of a fuel cell system, a vehicle equipped with the fuel cell system, and the like. The present invention can also be realized in the form of a control method for a fuel cell system, a control device and program for executing the control method, a recording medium on which the program is recorded, and the like.

燃料電池システムの構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of a fuel cell system. 燃料電池システムの電気的構成を示す概略図。Schematic which shows the electrical structure of a fuel cell system. 燃料電池システムの制御部によるシステム制御の制御手順を示す説明図。Explanatory drawing which shows the control procedure of the system control by the control part of a fuel cell system. 通常運転の実行時における燃料電池システムの出力制御を説明するための説明図。Explanatory drawing for demonstrating the output control of a fuel cell system at the time of execution of normal driving | operation. 一時的電圧低下処理による燃料電池の発電性能の一時的回復を説明するための説明図。Explanatory drawing for demonstrating the temporary recovery of the power generation performance of the fuel cell by a temporary voltage drop process. 一時的電圧低下処理が繰り返し実行されたときの燃料電池における電圧の時間変化と電流の時間変化の一例を示す説明図。Explanatory drawing which shows an example of the time change of the voltage in a fuel cell, and the time change of an electric current when a temporary voltage reduction process is repeatedly performed. 水素の流量の増大に伴う電解質膜の乾燥状態の解消を説明するための模式図。The schematic diagram for demonstrating cancellation | release of the dry state of the electrolyte membrane accompanying the increase in the flow volume of hydrogen. 第２実施例の燃料電池システムの電気的構成を示す概略図。Schematic which shows the electrical structure of the fuel cell system of 2nd Example. 局所的インピーダンス計測部と燃料電池との電気的な接続状態を説明するための模式図。The schematic diagram for demonstrating the electrical connection state of a local impedance measurement part and a fuel cell. 第３実施例の燃料電池システムの構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the fuel cell system of 3rd Example. 第３実施例の燃料電池システムの電気的構成を示す概略図。Schematic which shows the electrical structure of the fuel cell system of 3rd Example.

A．第１実施例：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を示す概略図である。この燃料電池システム１００は、燃料電池車両などに搭載され、運転者からの要求に応じて、駆動力として用いられる電力を出力する。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、制御部２０と、カソードガス供給部３０と、カソードガス排出部４０と、アノードガス供給部５０と、アノードガス循環排出部６０と、冷媒供給部７０とを備える。 A. First embodiment:
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a fuel cell system as an embodiment of the present invention. The fuel cell system 100 is mounted on a fuel cell vehicle or the like, and outputs electric power used as a driving force in response to a request from a driver. The fuel cell system 100 includes a fuel cell 10, a control unit 20, a cathode gas supply unit 30, a cathode gas discharge unit 40, an anode gas supply unit 50, an anode gas circulation discharge unit 60, and a refrigerant supply unit 70. Is provided.

燃料電池１０は、反応ガスとして水素（アノードガス）と空気（カソードガス）の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池１０は、単セルとも呼ばれる複数の発電体１１が積層されたスタック構造を有する。各発電体１１は、電解質膜の両面に電極を配置した発電体である膜電極接合体（図示せず）と、膜電極接合体を狭持する２枚のセパレータ（図示せず）とを有する。   The fuel cell 10 is a polymer electrolyte fuel cell that generates power by receiving supply of hydrogen (anode gas) and air (cathode gas) as reaction gases. The fuel cell 10 has a stack structure in which a plurality of power generators 11 called single cells are stacked. Each power generation body 11 has a membrane electrode assembly (not shown) that is a power generation body in which electrodes are arranged on both surfaces of the electrolyte membrane, and two separators (not shown) that sandwich the membrane electrode assembly. .

ここで、電解質膜は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜によって構成することができる。また、電極は、発電反応を促進させるための触媒が担持された導電性粒子によって構成することができる。触媒としては、例えば、白金（Ｐｔ）を採用することができ、導電性粒子としては、例えば、カーボン（Ｃ）粒子を採用することができる。   Here, the electrolyte membrane can be composed of a solid polymer thin film that exhibits good proton conductivity in a wet state. The electrode can be composed of conductive particles carrying a catalyst for promoting a power generation reaction. As the catalyst, for example, platinum (Pt) can be adopted, and as the conductive particles, for example, carbon (C) particles can be adopted.

制御部２０は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成することができる。制御部２０は、出力電力の要求を受け付け、その要求に応じて、以下に説明する各構成部を制御し、燃料電池１０に発電させる。   The control unit 20 can be configured by a microcomputer including a central processing unit and a main storage device. The control unit 20 receives a request for output power and controls each component described below to cause the fuel cell 10 to generate power in response to the request.

カソードガス供給部３０は、カソードガス配管３１と、エアコンプレッサ３２と、エアフロメータ３３と、開閉弁３４と、加湿部３５とを備える。カソードガス配管３１は、燃料電池１０のカソード側に接続された配管である。エアコンプレッサ３２は、カソードガス配管３１を介して燃料電池１０と接続されており、外気を取り込んで圧縮した空気を、カソードガスとして燃料電池１０に供給する。   The cathode gas supply unit 30 includes a cathode gas pipe 31, an air compressor 32, an air flow meter 33, an on-off valve 34, and a humidification unit 35. The cathode gas pipe 31 is a pipe connected to the cathode side of the fuel cell 10. The air compressor 32 is connected to the fuel cell 10 via the cathode gas pipe 31 and supplies air compressed by taking in outside air to the fuel cell 10 as cathode gas.

エアフロメータ３３は、エアコンプレッサ３２の上流側において、エアコンプレッサ３２が取り込む外気の量を計測し、制御部２０に送信する。制御部２０は、この計測値に基づいて、エアコンプレッサ３２を駆動することにより、燃料電池１０に対する空気の供給量を制御する。   The air flow meter 33 measures the amount of outside air taken in by the air compressor 32 on the upstream side of the air compressor 32, and transmits it to the control unit 20. The control unit 20 controls the amount of air supplied to the fuel cell 10 by driving the air compressor 32 based on the measured value.

開閉弁３４は、エアコンプレッサ３２と燃料電池１０との間に設けられており、カソードガス配管３１における供給空気の流れに応じて開閉する。具体的には、開閉弁３４は、通常、閉じた状態であり、エアコンプレッサ３２から所定の圧力を有する空気がカソードガス配管３１に供給されたときに開く。   The on-off valve 34 is provided between the air compressor 32 and the fuel cell 10 and opens and closes according to the flow of supply air in the cathode gas pipe 31. Specifically, the on-off valve 34 is normally closed and opens when air having a predetermined pressure is supplied from the air compressor 32 to the cathode gas pipe 31.

加湿部３５は、エアコンプレッサ３２から送り出された高圧空気を加湿する。制御部２０は、電解質膜の湿潤状態を保持して良好なプロトン伝導性を得るために、加湿部３５によって、燃料電池１０に供給される空気の加湿量を制御し、燃料電池１０内部の湿潤状態を調整する。なお、加湿部３５は、カソード排ガス配管４１、アノード排水配管６５とに接続されており、カソード排ガス中の水分や、アノード排ガスから分離された水分を高圧空気の加湿に用いる。   The humidifying unit 35 humidifies the high-pressure air sent out from the air compressor 32. The control unit 20 controls the humidification amount of air supplied to the fuel cell 10 by the humidification unit 35 in order to maintain the wet state of the electrolyte membrane and obtain good proton conductivity, so that the humidity inside the fuel cell 10 is increased. Adjust the condition. The humidifying unit 35 is connected to the cathode exhaust gas pipe 41 and the anode drain pipe 65, and uses moisture in the cathode exhaust gas and moisture separated from the anode exhaust gas for humidifying the high-pressure air.

カソードガス排出部４０は、カソード排ガス配管４１と、調圧弁４３と、圧力計測部４４とを備える。カソード排ガス配管４１は、燃料電池１０のカソード側に接続された配管であり、カソード排ガスを燃料電池システム１００の外部へと排出する。調圧弁４３は、カソード排ガス配管４１におけるカソード排ガスの圧力（燃料電池１０のカソード側の背圧）を調整する。圧力計測部４４は、調圧弁４３の上流側に設けられており、カソード排ガスの圧力を計測し、その計測値を制御部２０に送信する。制御部２０は、圧力計測部４４の計測値に基づいて調圧弁４３の開度を調整する。   The cathode gas discharge unit 40 includes a cathode exhaust gas pipe 41, a pressure regulating valve 43, and a pressure measurement unit 44. The cathode exhaust gas pipe 41 is a pipe connected to the cathode side of the fuel cell 10, and discharges the cathode exhaust gas to the outside of the fuel cell system 100. The pressure regulating valve 43 adjusts the pressure of the cathode exhaust gas in the cathode exhaust gas pipe 41 (back pressure on the cathode side of the fuel cell 10). The pressure measurement unit 44 is provided on the upstream side of the pressure regulating valve 43, measures the pressure of the cathode exhaust gas, and transmits the measured value to the control unit 20. The control unit 20 adjusts the opening degree of the pressure regulating valve 43 based on the measurement value of the pressure measurement unit 44.

アノードガス供給部５０は、アノードガス配管５１と、水素タンク５２と、開閉弁５３と、レギュレータ５４と、水素供給装置５５と、圧力計測部５６とを備える。水素タンク５２は、アノードガス配管５１を介して燃料電池１０のアノードと接続されており、タンク内に充填された水素を燃料電池１０に供給する。開閉弁５３と、レギュレータ５４と、水素供給装置５５と、圧力計測部５６とは、アノードガス配管５１に、この順序で、上流側（水素タンク５２側）から設けられている。   The anode gas supply unit 50 includes an anode gas pipe 51, a hydrogen tank 52, an on-off valve 53, a regulator 54, a hydrogen supply device 55, and a pressure measurement unit 56. The hydrogen tank 52 is connected to the anode of the fuel cell 10 through the anode gas pipe 51, and supplies hydrogen filled in the tank to the fuel cell 10. The on-off valve 53, the regulator 54, the hydrogen supply device 55, and the pressure measuring unit 56 are provided in the anode gas pipe 51 in this order from the upstream side (hydrogen tank 52 side).

開閉弁５３は、制御部２０からの指令により開閉し、水素タンク５２から水素供給装置５５の上流側への水素の流入を制御する。レギュレータ５４は、水素供給装置５５の上流側における水素の圧力を調整するための減圧弁であり、その開度が制御部２０によって制御されている。   The on-off valve 53 opens and closes according to a command from the control unit 20 and controls the inflow of hydrogen from the hydrogen tank 52 to the upstream side of the hydrogen supply device 55. The regulator 54 is a pressure reducing valve for adjusting the pressure of hydrogen on the upstream side of the hydrogen supply device 55, and its opening degree is controlled by the control unit 20.

水素供給装置５５は、例えば、電磁駆動式の開閉弁であるインジェクタによって構成することができる。圧力計測部５６は、水素供給装置５５の下流側の水素の圧力を計測し、制御部２０に送信する。制御部２０は、圧力計測部５６の計測値に基づき、水素供給装置５５を制御することによって、燃料電池１０に供給される水素量を制御する。   The hydrogen supply device 55 can be configured by, for example, an injector that is an electromagnetically driven on-off valve. The pressure measurement unit 56 measures the pressure of hydrogen on the downstream side of the hydrogen supply device 55 and transmits it to the control unit 20. The control unit 20 controls the amount of hydrogen supplied to the fuel cell 10 by controlling the hydrogen supply device 55 based on the measurement value of the pressure measurement unit 56.

アノードガス循環排出部６０は、アノード排ガス配管６１と、気液分離部６２と、アノードガス循環配管６３と、水素循環用ポンプ６４と、アノード排水配管６５と、排水弁６６と、圧力計測部６７とを備える。アノード排ガス配管６１は、燃料電池１０のアノードの出口と気液分離部６２とを接続する配管であり、発電反応に用いられることのなかった未反応ガス（水素や窒素など）を含むアノード排ガスを気液分離部６２へと誘導する。   The anode gas circulation discharge unit 60 includes an anode exhaust gas pipe 61, a gas-liquid separation unit 62, an anode gas circulation pipe 63, a hydrogen circulation pump 64, an anode drain pipe 65, a drain valve 66, and a pressure measurement unit 67. With. The anode exhaust gas pipe 61 is a pipe that connects the outlet of the anode of the fuel cell 10 and the gas-liquid separator 62, and anode exhaust gas containing unreacted gas (such as hydrogen and nitrogen) that has not been used for power generation reaction. Guide to the gas-liquid separator 62.

気液分離部６２は、アノードガス循環配管６３と、アノード排水配管６５とに接続されている。気液分離部６２は、アノード排ガスに含まれる気体成分と水分とを分離し、気体成分については、アノードガス循環配管６３へと誘導し、水分についてはアノード排水配管６５へと誘導する。   The gas-liquid separator 62 is connected to the anode gas circulation pipe 63 and the anode drain pipe 65. The gas-liquid separator 62 separates the gas component and moisture contained in the anode exhaust gas, guides the gas component to the anode gas circulation pipe 63, and guides the moisture to the anode drain pipe 65.

アノードガス循環配管６３は、アノードガス配管５１の水素供給装置５５より下流に接続されている。アノードガス循環配管６３には、水素循環用ポンプ６４が設けられており、この水素循環用ポンプ６４によって、気液分離部６２において分離された気体成分に含まれる水素は、アノードガス配管５１へと送り出される。このように、この燃料電池システム１００では、アノード排ガスに含まれる水素を循環させて、再び燃料電池１０に供給することにより、水素の利用効率を向上させている。   The anode gas circulation pipe 63 is connected downstream of the hydrogen supply device 55 of the anode gas pipe 51. The anode gas circulation pipe 63 is provided with a hydrogen circulation pump 64, and hydrogen contained in the gas component separated in the gas-liquid separation unit 62 by the hydrogen circulation pump 64 is supplied to the anode gas pipe 51. Sent out. As described above, in the fuel cell system 100, hydrogen contained in the anode exhaust gas is circulated and supplied to the fuel cell 10 again to improve the utilization efficiency of hydrogen.

アノード排水配管６５は、気液分離部６２において分離された水分を燃料電池システム１００の外部へと排出するための配管であり、カソードガス供給部３０の加湿部３５に接続されている。排水弁６６は、アノード排水配管６５に設けられており、制御部２０からの指令に応じて開閉する。制御部２０は、燃料電池システム１００の運転中は、通常、排水弁６６を閉じておき、予め設定された所定の排水タイミングや、アノード排ガス中の不活性ガスの排出タイミングで排水弁６６を開く。   The anode drain pipe 65 is a pipe for discharging the water separated in the gas-liquid separator 62 to the outside of the fuel cell system 100, and is connected to the humidifier 35 of the cathode gas supply unit 30. The drain valve 66 is provided in the anode drain pipe 65 and opens and closes according to a command from the control unit 20. During operation of the fuel cell system 100, the control unit 20 normally closes the drain valve 66 and opens the drain valve 66 at a predetermined drain timing set in advance or a discharge timing of the inert gas in the anode exhaust gas. .

アノードガス循環排出部６０の圧力計測部６７は、アノード排ガス配管６１に設けられている。圧力計測部６７は、燃料電池１０の水素マニホールドの出口近傍において、アノード排ガスの圧力（燃料電池１０のアノード側の背圧）を計測し、制御部２０に送信する。   The pressure measuring unit 67 of the anode gas circulation discharge unit 60 is provided in the anode exhaust gas pipe 61. The pressure measuring unit 67 measures the pressure of the anode exhaust gas (the back pressure on the anode side of the fuel cell 10) in the vicinity of the outlet of the hydrogen manifold of the fuel cell 10 and transmits it to the control unit 20.

冷媒供給部７０は、冷媒用配管７１と、ラジエータ７２と、三方弁７３と、冷媒循環用ポンプ７５と、２つの冷媒温度計測部７６ａ，７６ｂとを備える。冷媒用配管７１は、燃料電池１０を冷却するための冷媒を循環させるための配管であり、上流側配管７１ａと、下流側配管７１ｂと、バイパス配管７１ｃとで構成される。   The refrigerant supply unit 70 includes a refrigerant pipe 71, a radiator 72, a three-way valve 73, a refrigerant circulation pump 75, and two refrigerant temperature measuring units 76a and 76b. The refrigerant pipe 71 is a pipe for circulating a refrigerant for cooling the fuel cell 10, and includes an upstream pipe 71a, a downstream pipe 71b, and a bypass pipe 71c.

上流側配管７１ａは、燃料電池１０に設けられた冷媒用の出口マニホールドとラジエータ７２の入口とを接続する。下流側配管７１ｂは、燃料電池１０に設けられた冷媒用の入口マニホールドとラジエータ７２の出口とを接続する。バイパス配管７１ｃは、一端が、三方弁７３を介して上流側配管７１ａと接続され、他端が、下流側配管７１ｂに接続されている。制御部２０は、三方弁７３の開閉を制御することにより、バイパス配管７１ｃへの冷媒の流入量を調整して、ラジエータ７２への冷媒の流入量を制御する。   The upstream side pipe 71 a connects the refrigerant outlet manifold provided in the fuel cell 10 and the inlet of the radiator 72. The downstream pipe 71 b connects the refrigerant inlet manifold provided in the fuel cell 10 and the outlet of the radiator 72. One end of the bypass pipe 71c is connected to the upstream pipe 71a via the three-way valve 73, and the other end is connected to the downstream pipe 71b. The control unit 20 controls the opening and closing of the three-way valve 73, thereby adjusting the amount of refrigerant flowing into the bypass pipe 71c and controlling the amount of refrigerant flowing into the radiator 72.

ラジエータ７２は、冷媒用配管７１に設けられており、冷媒用配管７１を流れる冷媒と外気との間で熱交換させることにより、冷媒を冷却する。冷媒循環用ポンプ７５は、下流側配管７１ｂにおいて、バイパス配管７１ｃの接続箇所より下流側（燃料電池１０の冷媒入口側）に設けられており、制御部２０の指令に基づき駆動する。   The radiator 72 is provided in the refrigerant pipe 71 and cools the refrigerant by exchanging heat between the refrigerant flowing through the refrigerant pipe 71 and the outside air. The refrigerant circulation pump 75 is provided on the downstream side pipe 71b on the downstream side (the refrigerant inlet side of the fuel cell 10) from the connection point of the bypass pipe 71c, and is driven based on a command from the control unit 20.

２つの冷媒温度計測部７６ａ，７６ｂはそれぞれ、上流側配管７１ａと、下流側配管７１ｂとに設けられており、それぞれの計測値を制御部２０へと送信する。制御部２０は、各冷媒温度計測部７６ａ，７６ｂのそれぞれの計測値の差から燃料電池１０の運転温度を検出する。また、制御部２０は、検出した燃料電池１０の運転温度に基づき、冷媒循環用ポンプ７５の回転数を制御して、燃料電池１０の運転温度を調整する。   The two refrigerant temperature measuring units 76 a and 76 b are provided in the upstream pipe 71 a and the downstream pipe 71 b, respectively, and transmit the measured values to the control unit 20. The control unit 20 detects the operating temperature of the fuel cell 10 from the difference between the measured values of the refrigerant temperature measuring units 76a and 76b. Further, the control unit 20 adjusts the operating temperature of the fuel cell 10 by controlling the rotational speed of the refrigerant circulation pump 75 based on the detected operating temperature of the fuel cell 10.

燃料電池システム１００は、さらに、燃料電池車両の車両情報を取得するための、外気温センサ１０１や、車速センサ１０２を備える。外気温センサ１０１は、燃料電池車両外部の気温を検出し、制御部２０に送信する。車速センサ１０２は、燃料電池車両の現在の速度を検出し、制御部２０に送信する。制御部２０は、これらのセンサから得られた情報を適宜、燃料電池１０の出力制御のために利用する。   The fuel cell system 100 further includes an outside air temperature sensor 101 and a vehicle speed sensor 102 for acquiring vehicle information of the fuel cell vehicle. The outside air temperature sensor 101 detects the temperature outside the fuel cell vehicle and transmits it to the control unit 20. The vehicle speed sensor 102 detects the current speed of the fuel cell vehicle and transmits it to the control unit 20. The control unit 20 appropriately uses information obtained from these sensors for output control of the fuel cell 10.

図２は、燃料電池システム１００の電気的構成を示す概略図である。燃料電池システム１００は、二次電池８１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２と、ＤＣ／ＡＣインバータ８３とを備える。また、燃料電池システム１００は、セル電圧計測部９１と、電流計測部９２と、インピーダンス計測部９３と、ＳＯＣ検出部９４とを備える。   FIG. 2 is a schematic diagram showing an electrical configuration of the fuel cell system 100. The fuel cell system 100 includes a secondary battery 81, a DC / DC converter 82, and a DC / AC inverter 83. The fuel cell system 100 also includes a cell voltage measurement unit 91, a current measurement unit 92, an impedance measurement unit 93, and an SOC detection unit 94.

燃料電池１０は、直流配線ＤＣＬを介してＤＣ／ＡＣインバータ８３に接続されており、ＤＣ／ＡＣインバータ８３は、燃料電池車両の駆動力源であるモータ２００に接続されている。二次電池８１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２を介して、直流配線ＤＣＬに接続されている。   The fuel cell 10 is connected to a DC / AC inverter 83 via a DC wiring DCL, and the DC / AC inverter 83 is connected to a motor 200 that is a driving force source of the fuel cell vehicle. The secondary battery 81 is connected to the DC wiring DCL via the DC / DC converter 82.

二次電池８１は、燃料電池１０とともに電力供給源として機能し、例えば充・放電可能なリチウムイオン電池で構成することができる。制御部２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２を制御することにより、燃料電池１０の電流・電圧と、二次電池８１の充放電とを制御し、直流配線ＤＣＬの電圧レベルを可変に調整する。   The secondary battery 81 functions as a power supply source together with the fuel cell 10 and can be constituted by, for example, a chargeable / dischargeable lithium ion battery. The control unit 20 controls the DC / DC converter 82 to control the current / voltage of the fuel cell 10 and the charging / discharging of the secondary battery 81 and variably adjust the voltage level of the DC wiring DCL.

二次電池８１には、ＳＯＣ検出部９４が接続されている。ＳＯＣ検出部９４は、二次電池８１の充電状態であるＳＯＣ（State of Charge）を検出し、制御部２０に送信する。ここで、二次電池８１のＳＯＣとは、二次電池８１の充電容量に対する二次電池８１の充電残量（蓄電量）の比率を意味する。ＳＯＣ検出部９４は、二次電池８１の温度や電力、電流を計測することにより、二次電池８１のＳＯＣを検出する。   An SOC detector 94 is connected to the secondary battery 81. The SOC detection unit 94 detects a state of charge (SOC) that is a charged state of the secondary battery 81 and transmits the detected state to the control unit 20. Here, the SOC of the secondary battery 81 means the ratio of the remaining charge (charged amount) of the secondary battery 81 to the charge capacity of the secondary battery 81. The SOC detection unit 94 detects the SOC of the secondary battery 81 by measuring the temperature, power, and current of the secondary battery 81.

制御部２０は、ＳＯＣ検出部９４の検出値に基づき、二次電池８１のＳＯＣが所定の範囲内に収まるように、二次電池８１の充放電を制御する。具体的には、制御部２０は、ＳＯＣ検出部９４から取得した二次電池８１のＳＯＣが予め設定された下限値より低い場合には、燃料電池１０の出力する電力によって、二次電池８１を充電する。また、二次電池８１のＳＯＣが予め設定された上限値より高い場合には、二次電池８１に放電させる。   Control unit 20 controls charging / discharging of secondary battery 81 based on the detection value of SOC detection unit 94 such that the SOC of secondary battery 81 falls within a predetermined range. Specifically, when the SOC of the secondary battery 81 acquired from the SOC detection unit 94 is lower than a preset lower limit value, the control unit 20 controls the secondary battery 81 with the power output from the fuel cell 10. Charge. When the SOC of the secondary battery 81 is higher than a preset upper limit value, the secondary battery 81 is discharged.

ＤＣ／ＡＣインバータ８３は、燃料電池１０と二次電池８１とから得られた直流電力を交流電力へと変換し、モータ２００に供給する。そして、モータ２００によって回生電力が発生する場合には、ＤＣ／ＡＣインバータ８３が、その回生電力を直流電力に変換する。直流電力に変換された回生電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２を介して二次電池８１に蓄電される。   The DC / AC inverter 83 converts DC power obtained from the fuel cell 10 and the secondary battery 81 into AC power and supplies the AC power to the motor 200. When regenerative power is generated by the motor 200, the DC / AC inverter 83 converts the regenerative power into DC power. The regenerative power converted into direct current power is stored in the secondary battery 81 via the DC / DC converter 82.

セル電圧計測部９１は、燃料電池１０の各発電体１１と接続されており、各発電体１１の電圧（セル電圧）を計測する。セル電圧計測部９１は、その計測結果を制御部２０に送信する。なお、セル電圧計測部９１は、計測したセル電圧のうち、最も低いセル電圧のみを制御部２０に送信するものとしても良い。電流計測部９２は、直流配線ＤＣＬに接続されており、燃料電池１０の出力する電流値を計測し、制御部２０に送信する。   The cell voltage measurement unit 91 is connected to each power generator 11 of the fuel cell 10 and measures the voltage (cell voltage) of each power generator 11. The cell voltage measurement unit 91 transmits the measurement result to the control unit 20. Note that the cell voltage measurement unit 91 may transmit only the lowest cell voltage among the measured cell voltages to the control unit 20. The current measuring unit 92 is connected to the direct current wiring DCL, measures the current value output from the fuel cell 10, and transmits it to the control unit 20.

インピーダンス計測部９３は、燃料電池１０に接続されており、燃料電池１０に交流電流を印加することにより、燃料電池１０全体のインピーダンスを測定し、制御部２０へと送信する。制御部２０は、インピーダンス計測部９３の計測結果に基づき、電解質膜の湿潤度を表す膜抵抗を求め、燃料電池１０の電解質膜の湿潤状態を管理する。   The impedance measuring unit 93 is connected to the fuel cell 10, measures the impedance of the entire fuel cell 10 by applying an alternating current to the fuel cell 10, and transmits the measured impedance to the control unit 20. Based on the measurement result of the impedance measuring unit 93, the control unit 20 obtains a membrane resistance indicating the degree of wetness of the electrolyte membrane, and manages the wet state of the electrolyte membrane of the fuel cell 10.

図３は、燃料電池システム１００の制御部２０によるシステム制御の制御手順を示すフローチャートである。制御部２０は、燃料電池システム１００が起動すると、運転者からの燃料電池車両に対する駆動要求に基づいて燃料電池１０に発電させる通常運転の実行を開始する（ステップＳ１０）。   FIG. 3 is a flowchart showing a control procedure of system control by the control unit 20 of the fuel cell system 100. When the fuel cell system 100 is activated, the control unit 20 starts executing a normal operation for causing the fuel cell 10 to generate power based on a drive request from the driver to the fuel cell vehicle (step S10).

図４は、通常運転の実行時における燃料電池システム１００の出力制御を説明するための説明図である。図４には、燃料電池１０の電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を示すグラフＧI-Vと、電流−電力特性（Ｉ−Ｐ特性）を示すグラフＧI-Pとを、左右の縦軸をそれぞれ電圧と電力とし、横軸を電流として示してある。通常、燃料電池の発電特性は、Ｉ−Ｖ特性やＩ−Ｐ特性によって表される。燃料電池のＩ−Ｖ特性は、電流の増加に従って下降する横Ｓ字状のなだらかな曲線グラフとして表され、燃料電池のＩ−Ｐ特性は、上に凸の曲線グラフとして表される。 FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining output control of the fuel cell system 100 during execution of normal operation. FIG. 4 shows a graph G IV indicating current-voltage characteristics ( IV characteristics) of the fuel cell 10 and a graph G IP indicating current-power characteristics ( IP characteristics), with the left and right vertical axes respectively. Voltage and power are shown, and the horizontal axis is shown as current. Usually, the power generation characteristics of a fuel cell are represented by IV characteristics and IP characteristics. The IV characteristic of the fuel cell is expressed as a horizontal S-shaped gentle curve graph that decreases as the current increases, and the IP characteristic of the fuel cell is expressed as a convex curve graph.

制御部２０は、燃料電池１０についてのＩ−Ｖ特性およびＩ−Ｐ特性などの発電特性を表す情報を、燃料電池１０の制御用情報として予め記憶している。なお、燃料電池１０のＩ−Ｖ特性およびＩ−Ｐ特性は、燃料電池１０の運転温度など、その運転条件に応じて変化するため、制御部２０は、それらの運転条件ごとの制御用情報を有していることが好ましい。   The control unit 20 stores in advance information representing power generation characteristics such as IV characteristics and IP characteristics of the fuel cell 10 as control information for the fuel cell 10. In addition, since the IV characteristic and the IP characteristic of the fuel cell 10 change according to the operating conditions such as the operating temperature of the fuel cell 10, the control unit 20 displays the control information for each of the operating conditions. It is preferable to have.

制御部２０は、燃料電池１０のＩ−Ｐ特性に基づいて、要求電力Ｐｔに対して燃料電池１０が出力すべき目標電流Ｉｔを取得する。そして、制御部２０は、燃料電池１０のＩ−Ｖ特性に基づいて、目標電流Ｉｔを出力するための燃料電池１０の目標電圧Ｖｔを取得する。制御部２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２に直流配線ＤＣＬの電圧を目標電圧Ｖｔに設定させることにより、燃料電池１０および二次電池８１に要求電力Ｐｔを出力させる。   The control unit 20 acquires a target current It that should be output by the fuel cell 10 with respect to the required power Pt based on the IP characteristic of the fuel cell 10. Then, the control unit 20 acquires the target voltage Vt of the fuel cell 10 for outputting the target current It based on the IV characteristic of the fuel cell 10. The control unit 20 causes the fuel cell 10 and the secondary battery 81 to output the required power Pt by causing the DC / DC converter 82 to set the voltage of the DC wiring DCL to the target voltage Vt.

ここで、図４のグラフには、燃料電池１０の発電性能が低下しているときのＩ−Ｖ特性の一例を示すグラフｄＧI-Vを破線で図示してある。通常、燃料電池のＩ−Ｖ特性は、燃料電池の運転温度の上昇とともに、その特性をあらわす曲線グラフが下降する方向に変化する傾向にある。Ｉ−Ｖ特性を示すグラフが下降するほど、ある電流値に対して得られる電圧値の値が低下し、燃料電池の発電効率が低下した状態となる。 Here, in the graph of FIG. 4, a graph dG IV showing an example of the IV characteristic when the power generation performance of the fuel cell 10 is lowered is shown by a broken line. Usually, the IV characteristic of a fuel cell tends to change in a direction in which a curve graph representing the characteristic decreases as the operating temperature of the fuel cell increases. The lower the graph indicating the IV characteristic, the lower the voltage value obtained for a certain current value, and the lower the power generation efficiency of the fuel cell.

特に、このＩ−Ｖ特性の変化に伴う燃料電池の発電性能は、燃料電池が高温状態にあるときに著しく低下してしまうことが知られている。そして、そうした発電性能が著しく低下した高温状態での運転が継続されると、燃料電池に不可逆な劣化が生じてしまう可能性がある。   In particular, it is known that the power generation performance of a fuel cell that accompanies this change in IV characteristics is significantly reduced when the fuel cell is in a high temperature state. If the operation in a high temperature state in which the power generation performance is significantly reduced is continued, irreversible deterioration may occur in the fuel cell.

そこで、制御部２０は、通常運転の実行中に、所定の周期で、燃料電池１０が高温状態であるか否かの判定処理を実行する（図３のステップＳ２０）。具体的には、制御部２０は、燃料電池１０の運転温度が予め設定された閾値（例えば約８５℃）より高くなっている状態のときに、燃料電池１０が高温状態であると判定する。   Therefore, the control unit 20 performs a process of determining whether or not the fuel cell 10 is in a high temperature state at a predetermined cycle during execution of the normal operation (step S20 in FIG. 3). Specifically, the control unit 20 determines that the fuel cell 10 is in a high temperature state when the operating temperature of the fuel cell 10 is higher than a preset threshold (for example, about 85 ° C.).

制御部２０は、燃料電池１０が高温状態ではないと判定した場合には、通常運転を継続する（ステップＳ１０）。一方、燃料電池１０が高温状態であると判定した場合には、燃料電池の発電性能の低下を抑制するための性能低下抑制運転を実行する（ステップＳ３０〜Ｓ６０）。   When it is determined that the fuel cell 10 is not in a high temperature state, the control unit 20 continues the normal operation (step S10). On the other hand, when it determines with the fuel cell 10 being a high temperature state, the performance fall suppression driving | operation for suppressing the fall of the power generation performance of a fuel cell is performed (step S30-S60).

ここで、性能低下抑制運転では、通常運転と同様な出力制御の間に、燃料電池１０の電圧を、燃料電池１０のＩ−Ｖ特性に基づいて一時的に低下させて、電流を一時的に増大させる一時的電圧低下処理が実行される（ステップＳ５０）。詳細は後述するが、この一時的電圧低下処理によれば、燃料電池１０の発電性能を一時的に回復させ、発電効率を一時的に上昇させることができ、燃料電池１０の昇温を抑制することが可能となる。一時的電圧低下処理は、燃料電池１０が高温状態である間、繰り返し実行される（ステップＳ６０）。   Here, in the performance reduction suppression operation, during the output control similar to the normal operation, the voltage of the fuel cell 10 is temporarily reduced based on the IV characteristics of the fuel cell 10 to temporarily reduce the current. Temporary voltage reduction processing for increasing is executed (step S50). Although details will be described later, according to the temporary voltage reduction process, the power generation performance of the fuel cell 10 can be temporarily recovered, the power generation efficiency can be temporarily increased, and the temperature rise of the fuel cell 10 is suppressed. It becomes possible. The temporary voltage reduction process is repeatedly executed while the fuel cell 10 is in a high temperature state (step S60).

しかし、一時的電圧低下処理は、発電中の燃料電池１０に対して急激な電圧低下を強制する処理である。そのため、燃料電池１０の運転状態によっては、燃料電池１０の劣化や、その他の不具合の発生を引き起こす可能性がある。そこで、本実施例の燃料電池システム１００では、一時的電圧低下処理を実行する前に、そうした不具合の発生を抑制するための事前処理として、ステップＳ３０，Ｓ４０の処理を実行する。以下では、ステップＳ５０の一時的電圧低下処理について説明した後、ステップＳ３０，Ｓ４０の事前処理について説明する。   However, the temporary voltage drop process is a process for forcing a rapid voltage drop on the fuel cell 10 during power generation. Therefore, depending on the operating state of the fuel cell 10, there is a possibility that the fuel cell 10 is deteriorated or other problems occur. Therefore, in the fuel cell system 100 of the present embodiment, before executing the temporary voltage reduction process, the processes of steps S30 and S40 are executed as a preliminary process for suppressing the occurrence of such a problem. Below, after explaining the temporary voltage drop process of step S50, the preliminary process of steps S30 and S40 will be explained.

図５（Ａ）〜（Ｃ）は、一時的電圧低下処理による燃料電池の発電性能の一時的回復を説明するための説明図である。図５（Ａ），（Ｂ）のグラフは実験により得られたものである。図５（Ａ）は、燃料電池の電流の時間変化を示すグラフであり、図５（Ｂ）は、燃料電池の電圧の時間変化を示すグラフである。図５（Ａ），（Ｂ）のグラフはそれぞれ、時間軸を互いに対応させて図示してある。   5A to 5C are explanatory diagrams for explaining the temporary recovery of the power generation performance of the fuel cell by the temporary voltage reduction process. The graphs of FIGS. 5A and 5B are obtained by experiments. FIG. 5A is a graph showing the time change of the current of the fuel cell, and FIG. 5B is a graph showing the time change of the voltage of the fuel cell. The graphs of FIGS. 5A and 5B are illustrated with their time axes corresponding to each other.

この実験では、時刻ｔ1〜ｔ2の間に、燃料電池の電流を、Ｉ1からＩ2に増大させ、I2で一時的に保持した後、再びＩ1まで低下させた（図５（Ａ））。このとき、燃料電池の電圧は、電流の増大に伴って、Ｖ1からＶ2まで低下したが、電流を元の電流値Ｉ1に復帰させたとき（時刻ｔ2）には、元の電圧Ｖ1よりも高い電圧Ｖ3となり、その後も元の電圧Ｖ1より高い電圧がしばらく維持された（図５（Ｂ））。 In this experiment, between times t 1 ~t 2, the current of the fuel cell increases from I 1 to I 2, after temporarily held in I 2, (Figure 5 was lowered to I 1 again ( A)). At this time, the voltage of the fuel cell decreased from V 1 to V 2 as the current increased, but when the current was returned to the original current value I 1 (time t 2 ), the original voltage The voltage V 3 was higher than V 1 , and the voltage higher than the original voltage V 1 was maintained for a while (FIG. 5B).

図５（Ｃ）は、一時的に電圧を低下させた後の電圧の上昇を燃料電池のＩ−Ｖ特性によって説明するための説明図である。図５（Ｃ）には、時刻ｔ1（燃料電池の電圧を低下させる前）における燃料電池のＩ−Ｖ特性を示すグラフを破線で図示し、時刻ｔ2（燃料電池の電圧を回復させた後）における燃料電池のＩ−Ｖ特性を示すグラフを実線で図示してある。 FIG. 5C is an explanatory diagram for explaining the increase in voltage after the voltage is temporarily decreased by the IV characteristic of the fuel cell. In FIG. 5C, a graph showing the IV characteristic of the fuel cell at time t 1 (before the voltage of the fuel cell is lowered) is shown by a broken line, and time t 2 (the voltage of the fuel cell is recovered). A graph showing the IV characteristics of the fuel cell in (after) is shown by a solid line.

図５（Ａ），（Ｂ）に示されたように、一時的に電流を増大させた後に、燃料電池の電流と電圧とが対応しなくなったのは、図５（Ｃ）に示すように、燃料電池のＩ−Ｖ特性を表す曲線グラフが一時的に上昇し、燃料電池の発電性能が回復したためである。このようなＩ−Ｖ特性の変化は、一時的な電流の増大によって、燃料電池内部の水分の増加がもたらされ、電解質膜の乾燥領域の減少や、触媒の酸化被膜の減少／活性化などが促進されるために生じる。   As shown in FIGS. 5A and 5B, the current and voltage of the fuel cell no longer correspond to each other after temporarily increasing the current as shown in FIG. 5C. This is because the curve graph representing the IV characteristic of the fuel cell temporarily rises and the power generation performance of the fuel cell is restored. Such a change in IV characteristics results in an increase in moisture inside the fuel cell due to a temporary increase in current, a decrease in the dry region of the electrolyte membrane, a decrease / activation of the oxide film of the catalyst, etc. To be promoted.

このように、燃料電池の電圧を一時的に低下させて、燃料電池の発電特性に応じた一時的な電流の増大を生じさせる一時的電圧低下処理により、燃料電池の発電性能の回復が可能である。ただし、この発電性能の回復変化による発電性能の向上は、あくまで一時的なものであり、燃料電池の電圧は、電流を一定に保持していても、時間の経過とともに次第に低下する。従って、発電効率の低下・燃料電池の昇温を確実に抑制し、燃料電池の劣化を回避するためには、一時的電圧低下処理は、本実施例の燃料電池システム１００のように、繰り返し実行されることが望ましい。   In this way, the power generation performance of the fuel cell can be recovered by the temporary voltage reduction process that temporarily decreases the voltage of the fuel cell and causes a temporary increase in current according to the power generation characteristics of the fuel cell. is there. However, the improvement in the power generation performance due to the recovery change of the power generation performance is only temporary, and the voltage of the fuel cell gradually decreases with time even if the current is kept constant. Therefore, in order to reliably suppress the decrease in power generation efficiency and the temperature rise of the fuel cell and to avoid the deterioration of the fuel cell, the temporary voltage reduction process is repeatedly executed as in the fuel cell system 100 of the present embodiment. It is desirable that

図６（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ、一時的電圧低下処理が繰り返し実行されたときの燃料電池１０における電圧の時間変化と電流の時間変化の一例を模式的に示すグラフである。図６（Ａ），（Ｂ）にはそれぞれ、縦軸を電圧または電流とし、横軸を時間とするグラフが、互いの時間軸を対応させて図示してある。この例では、時刻ｔnにおいて、電圧をＶａからＶｂへと低下させることにより、電流がＩａからＩｂへと増大している。そして、電圧をＶｂで一時的に保持した後、時刻ｔn+1において、電圧をＶａよりも大きいＶｃまで一時的に上昇させ、電流をＩａに復帰させている。 FIGS. 6A and 6B are graphs schematically showing an example of the time change of the voltage and the time change of the current in the fuel cell 10 when the temporary voltage reduction process is repeatedly executed. In each of FIGS. 6A and 6B, a graph in which the vertical axis represents voltage or current and the horizontal axis represents time is illustrated with the time axes corresponding to each other. In this example, at time t n , the current is increased from Ia to Ib by decreasing the voltage from Va to Vb. Then, after temporarily holding the voltage at Vb, at time t n + 1 , the voltage is temporarily raised to Vc larger than Va to return the current to Ia.

その後、燃料電池１０の電流はＩａで保持されるが、電圧は一時的に向上していた燃料電池１０の発電性能の低下に伴いＶａに戻る。時刻ｔn+2では、再び電圧をＶａからＶｂへと低下させて、電流をＩａからＩｂへと増大させている。時刻ｔn+3では、時刻ｔn+1のときと同様に、電圧をＶｃまで上昇させて、電流をＩｂに復帰させている。 Thereafter, the current of the fuel cell 10 is maintained at Ia, but the voltage returns to Va as the power generation performance of the fuel cell 10 has been temporarily improved. At time t n + 2 , the voltage is decreased again from Va to Vb, and the current is increased from Ia to Ib. At time t n + 3 , as with time t n + 1 , the voltage is raised to Vc, and the current is returned to Ib.

燃料電池システム１００では、燃料電池１０が高温状態である間、一時的電圧低下処理が、このように繰り返される。一時的電圧低下処理の周期的な繰り返しにより、燃料電池１０における生成水量は間欠的に増大することになるため、いわゆるフラッディングが発生してしまわない程度に、生成水量を増大させることができる。ここで、「フラッディング」とは、燃料電池内部の水分量が過剰になり、反応ガスの流れが当該水分によって阻害されてしまう状態を意味する。また、一時的電圧低下処理が繰り返されている間には、上述したように、燃料電池１０の発電性能が一時的に回復するため、発電効率が向上し、燃料電池１０の昇温が抑制される。   In the fuel cell system 100, the temporary voltage reduction process is repeated in this manner while the fuel cell 10 is in a high temperature state. By periodically repeating the temporary voltage reduction process, the amount of water generated in the fuel cell 10 increases intermittently, so that the amount of water generated can be increased to the extent that so-called flooding does not occur. Here, “flooding” means a state in which the amount of water inside the fuel cell becomes excessive and the flow of the reaction gas is obstructed by the water. Further, as described above, since the power generation performance of the fuel cell 10 is temporarily recovered while the temporary voltage reduction process is repeated, the power generation efficiency is improved and the temperature rise of the fuel cell 10 is suppressed. The

ところで、一時的電圧低下処理は、急激な電流の上昇、即ち、水素の急激な消費量の増加を伴う。そのため、燃料電池１０における水素の圧力の急激な変動をもたらし、図６（Ｂ）において破線で示したような、瞬間的な大電流Ｉｓ（以後、「スパイク電流Ｉｓ」とも呼ぶ）が発生する可能性がある。スパイク電流Ｉｓの発生は、燃料電池１０の劣化や、燃料電池１０の電流が流入する各構成部や外部負荷の劣化を引き起こす可能性がある。また、急激な水素の消費量の増大により、燃料電池１０の水素量が不足してしまう場合には、燃料電池１０の内部で、プロトンの不足を補うために、電極の酸化が促進され、燃料電池１０が劣化してしまう可能性がある。   By the way, the temporary voltage drop process is accompanied by a sudden increase in current, that is, a sudden increase in hydrogen consumption. Therefore, the hydrogen pressure in the fuel cell 10 is suddenly changed, and an instantaneous large current Is (hereinafter also referred to as “spike current Is”) as shown by a broken line in FIG. 6B can be generated. There is sex. The generation of the spike current Is may cause deterioration of the fuel cell 10, and deterioration of each component into which the current of the fuel cell 10 flows and an external load. Further, when the amount of hydrogen in the fuel cell 10 becomes insufficient due to a sudden increase in hydrogen consumption, the oxidation of the electrode is promoted inside the fuel cell 10 to compensate for the lack of protons, and the fuel The battery 10 may be deteriorated.

さらに、一時的電圧低下処理は、前記したとおり、燃料電池１０が高温状態であるときに実行されるため、燃料電池１０の電解質膜における乾燥領域が著しく増加している場合がある。その場合には、一時的電圧低下処理において所望の電流の増大を得ることができず、燃料電池１０の発電性能の低下を十分に抑制できない可能性がある。   Further, as described above, since the temporary voltage reduction process is performed when the fuel cell 10 is in a high temperature state, the dry region in the electrolyte membrane of the fuel cell 10 may be remarkably increased. In that case, the increase in the desired current cannot be obtained in the temporary voltage reduction process, and the decrease in the power generation performance of the fuel cell 10 may not be sufficiently suppressed.

そこで、本実施例の燃料電池システム１００では、一時的電圧低下処理において不具合が発生する可能性があると判定される場合には、そうした不具合の発生を抑制するための処理を実行した上で、一時的電圧低下処理を実行する（図３のステップＳ３０，Ｓ４０）。具体的には、以下の通りである。   Therefore, in the fuel cell system 100 according to the present embodiment, when it is determined that there is a possibility that a problem occurs in the temporary voltage reduction process, after performing a process for suppressing the occurrence of such a problem, Temporary voltage drop processing is executed (steps S30 and S40 in FIG. 3). Specifically, it is as follows.

ステップＳ３０では、制御部２０は、燃料電池１０の運転状態に基づいて、上述した不具合の発生を回避しつつ一時的電圧低下処理を実行することが可能か否かの判定処理を実行する。即ち、制御部２０は、燃料電池１０に水素が十分に供給されているか、または、電解質膜が著しく乾燥した状態で無いかを判定する。具体的には、制御部２０は、以下のような判定処理を実行するものとしても良い。   In step S <b> 30, the control unit 20 executes a determination process based on the operating state of the fuel cell 10 to determine whether or not the temporary voltage reduction process can be performed while avoiding the above-described problem. In other words, the control unit 20 determines whether hydrogen is sufficiently supplied to the fuel cell 10 or whether the electrolyte membrane is not extremely dry. Specifically, the control unit 20 may execute the following determination process.

制御部２０は、燃料電池１０内の水素供給量については、インピーダンス計測部９３によって検出された燃料電池１０のインピーダンスに基づいて、燃料電池１０の内部の水素量を求め、その水素量が所定量以上あるか否かを判定するものとしても良い。また、制御部２０は、予め準備されたマップなどに基づき、水素の供給量に対して所望の電流量が得られているか否かを判定し、燃料電池１０のアノードのガス流路が閉塞されることによる水素不足が生じていないかを判定するものとしても良い。   The control unit 20 obtains the amount of hydrogen inside the fuel cell 10 based on the impedance of the fuel cell 10 detected by the impedance measuring unit 93 for the hydrogen supply amount in the fuel cell 10, and the amount of hydrogen is a predetermined amount. It is good also as what determines whether it is above. Further, the control unit 20 determines whether a desired current amount is obtained with respect to the hydrogen supply amount based on a map prepared in advance, and the anode gas flow path of the fuel cell 10 is closed. It is good also as what judges whether the hydrogen shortage by doing has arisen.

制御部２０は、電解質膜の乾燥状態については、燃料電池１０のインピーダンスに基づき、燃料電池１０における現在の膜抵抗を取得することにより、電解質膜の湿潤度が所定の閾値より高いか否かを判定するものとしても良い。また、制御部２０は、燃料電池１０の電圧と電流の計測値に基づき、現在の燃料電池のＩ−Ｖ特性を特定し、電解質膜の乾燥による発電性能の低下を検出するものとしても良い。さらに、制御部２０は、燃料電池１０の運転温度が所定の閾値（例えば９０℃）より高い場合には、電解質膜が著しく乾燥した状態であるものと判定するものとしても良い。   As for the dry state of the electrolyte membrane, the control unit 20 obtains the current membrane resistance in the fuel cell 10 based on the impedance of the fuel cell 10 to determine whether the wetness of the electrolyte membrane is higher than a predetermined threshold value. It may be determined. Moreover, the control part 20 is good also as what detects the fall of the electric power generation performance by drying the electrolyte membrane by specifying the IV characteristic of the present fuel cell based on the measured value of the voltage and electric current of the fuel cell 10. Further, the control unit 20 may determine that the electrolyte membrane is extremely dry when the operating temperature of the fuel cell 10 is higher than a predetermined threshold (for example, 90 ° C.).

燃料電池１０における水素量が不足した状態であると判定された場合や、電解質膜が著しく乾燥していると判定された場合には、制御部２０は、そうした燃料電池１０の状態を解消するための準備処理を実行する（ステップＳ４０）。具体的には、制御部２０は、アノードガス供給部５０にアノードガスの流量を増大させて、燃料電池１０におけるアノードガスのストイキ比を増大させる処理を実行する。ここで、「ストイキ比」とは、燃料電池の発電量に対して理論的に必要な反応ガスの量（反応ガスの理論的消費量）に対する実際の反応ガスの供給量の比を意味する。   When it is determined that the amount of hydrogen in the fuel cell 10 is insufficient, or when it is determined that the electrolyte membrane is extremely dry, the control unit 20 cancels the state of the fuel cell 10. The preparation process is executed (step S40). Specifically, the control unit 20 performs processing for increasing the flow rate of the anode gas in the anode gas supply unit 50 and increasing the stoichiometric ratio of the anode gas in the fuel cell 10. Here, the “stoichiometric ratio” means the ratio of the actual reactant gas supply amount to the theoretically necessary reactant gas amount (theoretical consumption amount of the reactant gas) with respect to the power generation amount of the fuel cell.

図７（Ａ）〜（Ｃ）は、水素の流量の増大に伴う電解質膜の乾燥状態の解消を説明するための模式図である。図７（Ａ）〜（Ｃ）にはそれぞれ、燃料電池１０の膜電極接合体１５を面に沿った方向に見たときの模式図が、紙面上側をカソード２側とし、紙面下側をアノード３側として図示してある。   7A to 7C are schematic diagrams for explaining the elimination of the dry state of the electrolyte membrane accompanying the increase in the flow rate of hydrogen. FIGS. 7A to 7C are schematic views of the membrane electrode assembly 15 of the fuel cell 10 when viewed in the direction along the plane. The upper side of the paper is the cathode 2 side, and the lower side of the paper is the anode. It is shown as 3 side.

なお、本実施例の燃料電池１０では、反応ガスが膜電極接合体１５を挟んで互いに対向する方向に流れており、それぞれの流れ方向を、矢印ＣＦ，ＡＦとして図示してある。さらに、図７（Ａ）〜（Ｃ）では、膜電極接合体１５における水分循環を、一点鎖線の矢印ＷＦによって模式的に示してあり、膜電極接合体１５において乾燥状態にある部位については破線ＤＡで示してある。   In the fuel cell 10 of the present embodiment, the reaction gas flows in the directions facing each other with the membrane electrode assembly 15 interposed therebetween, and the flow directions are indicated by arrows CF and AF. Further, in FIGS. 7A to 7C, moisture circulation in the membrane electrode assembly 15 is schematically shown by a one-dot chain line arrow WF, and a portion in a dry state in the membrane electrode assembly 15 is a broken line. It is indicated by DA.

図７（Ａ）は、通常運転が実行される運転温度（約６０℃〜８５℃程度）のときの燃料電池１０における理想的な水分の循環状態の一例を示している。この状態のときには、カソード２側の空気の上流側（紙面左側）において生成された水分が空気の流れによって下流側へと移動する。そして、カソード２側から電解質膜１を介してアノード３側へと移動した水分が、水素の流れによって、その下流側（紙面左側）へと移動する。これによって、水分の循環系路が膜電極接合体１５の全体にわたって形成される。   FIG. 7A shows an example of an ideal moisture circulation state in the fuel cell 10 at the operating temperature (about 60 ° C. to 85 ° C.) at which the normal operation is performed. In this state, moisture generated on the upstream side (left side of the paper) of the air on the cathode 2 side moves to the downstream side by the flow of air. Then, the moisture that has moved from the cathode 2 side to the anode 3 side through the electrolyte membrane 1 moves to the downstream side (left side in the drawing) due to the flow of hydrogen. As a result, a water circulation path is formed throughout the membrane electrode assembly 15.

図７（Ｂ）は、膜電極接合体１５において乾燥領域ＤＡが形成されたときの水分の循環状態の一例を示している。膜電極接合体１５では、燃料電池１０の運転温度が高くなると、カソード２側において空気の流量が多い上流側ほど乾燥する傾向にある。そのため、カソード２側の上流側において膜電極接合体１５が乾燥状態となり、水分の循環経路は、空気の下流側（水素の上流側）に偏った領域に形成される。   FIG. 7B shows an example of the moisture circulation state when the dry region DA is formed in the membrane electrode assembly 15. In the membrane electrode assembly 15, when the operating temperature of the fuel cell 10 becomes higher, the upstream side where the air flow rate is larger on the cathode 2 side tends to be dried. Therefore, the membrane electrode assembly 15 is in a dry state on the upstream side of the cathode 2, and the moisture circulation path is formed in a region that is biased toward the downstream side of air (upstream side of hydrogen).

図７（Ｃ）は、図７（Ｂ）の状態のときに、水素の流量を増大させたときの水分の循環状態の一例を示している。水分の循環経路が水素の上流側に偏った領域に形成されているときに、水素の流量を増大させることにより、水素の上流側の水分を下流側へと移動させることができる。そのため、水素の下流側における膜電極接合体１５の湿潤状態を改善することができる。   FIG. 7C shows an example of a water circulation state when the flow rate of hydrogen is increased in the state of FIG. 7B. When the moisture circulation path is formed in a region biased toward the upstream side of hydrogen, the moisture on the upstream side of hydrogen can be moved to the downstream side by increasing the flow rate of hydrogen. Therefore, the wet state of the membrane electrode assembly 15 on the downstream side of hydrogen can be improved.

このように、ステップＳ４０（図３）の処理によれば、水素の流量を増大させることにより、電解質膜の乾燥状態が改善された状態、かつ、燃料電池１０における水素量が十分に確保された状態で、ステップＳ５０の一時的電圧低下処理を実行することができる。従って、一時的電圧低下処理にとって適切な電解質膜の湿潤状態が確保され、一時的電圧低下処理の効果を十分に得ることが可能となり、水素不足による燃料電池１０の劣化が抑制される。また、一時的電圧低下処理における燃料電池１０内部での著しい圧力変動が緩和され、スパイク電流Ｉｓの発生が抑制される。   As described above, according to the process of step S40 (FIG. 3), by increasing the flow rate of hydrogen, the dry state of the electrolyte membrane is improved and the amount of hydrogen in the fuel cell 10 is sufficiently secured. In the state, the temporary voltage drop process of step S50 can be executed. Therefore, the wet state of the electrolyte membrane suitable for the temporary voltage reduction process is ensured, and the effect of the temporary voltage reduction process can be sufficiently obtained, and the deterioration of the fuel cell 10 due to the lack of hydrogen is suppressed. In addition, the significant pressure fluctuation inside the fuel cell 10 in the temporary voltage reduction process is alleviated, and the generation of the spike current Is is suppressed.

なお、ステップＳ４０では、さらに、電解質膜の乾燥状態の改善のために、カソードガス供給部３０の供給する空気の加湿量を増大させる処理が実行されるものとしても良い。また、電解質膜のカソード側において、空気の上流側の領域の乾燥を緩和するために、空気の流量を一時的に低下させる処理が実行されるものとしても良い。   In step S40, a process for increasing the humidification amount of the air supplied from the cathode gas supply unit 30 may be further executed in order to improve the dry state of the electrolyte membrane. Further, on the cathode side of the electrolyte membrane, a process of temporarily reducing the air flow rate may be executed in order to relieve the drying of the region upstream of the air.

以上のように、本実施例の燃料電池システム１００であれば、燃料電池１０が高温状態となったときに、一時的電圧低下処理を実行することにより、燃料電池１０の発電効率の著しい低下が抑制され、燃料電池１０の更なる昇温が抑制される。また、一時的電圧低下処理に先立って、反応ガスの状態を調整する準備処理を適宜実行するため、燃料電池１０の発電性能の低下を抑制する効果が十分に得られる状態、かつ、不具合の発生が抑制された状態で、一時的電圧低下処理を実行することが可能である。   As described above, in the fuel cell system 100 of this embodiment, when the fuel cell 10 is in a high temperature state, the power generation efficiency of the fuel cell 10 is significantly reduced by executing the temporary voltage reduction process. It is suppressed and further temperature increase of the fuel cell 10 is suppressed. In addition, since the preparatory process for adjusting the state of the reaction gas is appropriately performed prior to the temporary voltage reduction process, a state in which the effect of suppressing the decrease in the power generation performance of the fuel cell 10 can be sufficiently obtained, and the occurrence of a malfunction It is possible to execute the temporary voltage reduction process in a state where the voltage is suppressed.

B．第２実施例：
図８は本発明の第２実施例としての燃料電池システム１００Ａの電機構成を示す概略図である。図８はインピーダンス計測部９３に変えて、局所的インピーダンス計測部９３Ａが設けられている点以外は、図２とほぼ同じである。なお、第２実施例の燃料電池システム１００Ａの他の構成は、第１実施例の燃料電池システム１００の構成とほぼ同じである（図１）。また、第２実施例の燃料電池システム１００Ａの制御部２０が実行するシステム制御の手順は、以下に説明する点以外は、第１実施例で説明した手順と同様である（図３）。 B. Second embodiment:
FIG. 8 is a schematic diagram showing the electrical configuration of a fuel cell system 100A as a second embodiment of the present invention. FIG. 8 is substantially the same as FIG. 2 except that a local impedance measuring unit 93A is provided instead of the impedance measuring unit 93. The other configuration of the fuel cell system 100A of the second embodiment is substantially the same as the configuration of the fuel cell system 100 of the first embodiment (FIG. 1). The system control procedure executed by the control unit 20 of the fuel cell system 100A of the second embodiment is the same as the procedure described in the first embodiment except for the points described below (FIG. 3).

図９は、局所的インピーダンス計測部９３Ａと燃料電池１０との電気的な接続状態を説明するための模式図である。図９には、燃料電池１０の膜電極接合体１５と、膜電極接合体１５における反応ガスの流れを示す矢印ＣＦ，ＡＦとが図７と同様に図示してある。膜電極接合体１５における水素の下流側（紙面左側）の端部には、カソード２およびアノード３とは絶縁された状態で、電解質膜１を狭持する２つの端子５ａ，５ｂが設けられている。   FIG. 9 is a schematic diagram for explaining an electrical connection state between the local impedance measuring unit 93 </ b> A and the fuel cell 10. FIG. 9 shows the membrane electrode assembly 15 of the fuel cell 10 and the arrows CF and AF indicating the flow of the reaction gas in the membrane electrode assembly 15 in the same manner as in FIG. Two terminals 5a and 5b that sandwich the electrolyte membrane 1 are provided at the end of the membrane electrode assembly 15 on the downstream side (left side in the drawing) of hydrogen while being insulated from the cathode 2 and the anode 3. Yes.

局所的インピーダンス計測部９３Ａは、燃料電池１０の各膜電極接合体１５と、これら２つの端子５ａ，５ｂを介して接続されている。これによって、局所的インピーダンス計測部９３Ａは、燃料電池１０の水素出口近傍における電解質膜１の膜抵抗を検出することが可能である。   The local impedance measuring unit 93A is connected to each membrane electrode assembly 15 of the fuel cell 10 via these two terminals 5a and 5b. Accordingly, the local impedance measuring unit 93 </ b> A can detect the membrane resistance of the electrolyte membrane 1 in the vicinity of the hydrogen outlet of the fuel cell 10.

第２実施例の燃料電池システム１００Ａでは、制御部２０は、システム制御のステップＳ３０（図３）において、局所的インピーダンス計測部９３Ａの検出結果を用いる。具体的には、制御部２０は、局所的インピーダンス計測部９３Ａの検出結果に基づき、燃料電池１０の水素出口近傍における電解質膜の湿潤度を取得する。そして、当該領域における電解質膜１の湿潤度が所定の閾値より低い場合には、ステップＳ４０において、準備処理として、水素の流量を増大させる処理を実行する。一方、当該領域における電解質膜１の湿潤度が所定の閾値以上である場合には、ステップＳ５０の一時的電圧低下処理を実行する。   In the fuel cell system 100A of the second embodiment, the control unit 20 uses the detection result of the local impedance measurement unit 93A in step S30 (FIG. 3) of system control. Specifically, the control unit 20 acquires the wetness of the electrolyte membrane in the vicinity of the hydrogen outlet of the fuel cell 10 based on the detection result of the local impedance measuring unit 93A. If the wetness of the electrolyte membrane 1 in the region is lower than a predetermined threshold value, a process for increasing the hydrogen flow rate is performed as a preparation process in step S40. On the other hand, when the degree of wetness of the electrolyte membrane 1 in the region is equal to or greater than a predetermined threshold value, the temporary voltage lowering process in step S50 is executed.

以上のように、第２実施例の燃料電池システム１００Ａであれば、直接的に図７（Ｂ）で説明したような膜電極接合体１５の乾燥状態を検出することができる。従って、一時的電圧低下処理の準備処理を実行するか否かの判定処理を、より適切に行うことができる。   As described above, with the fuel cell system 100A of the second embodiment, the dry state of the membrane electrode assembly 15 as described in FIG. 7B can be detected directly. Therefore, it is possible to more appropriately determine whether or not to execute the preparation process for the temporary voltage reduction process.

C．第３実施例：
図１０は、本発明の第３実施例としての燃料電池システム１００Ｂの構成を示す概略図であり、図１１は、第３実施例の燃料電池システム１００Ｂの電気的構成を示す概略図である。図１０は、アノードガス循環排出部６０に水素バッファタンク６８が設けられている点以外は、図１とほぼ同じである。図１１は、直流配線ＤＣＬに、電流制限回路８５が設けられている点以外は、図２とほぼ同じである。なお、第３実施例の燃料電池システム１００Ｂでは、第１実施例で説明したのと同様なシステム制御が実行される（図３）。 C. Third embodiment:
FIG. 10 is a schematic diagram showing the configuration of a fuel cell system 100B as a third embodiment of the present invention, and FIG. 11 is a schematic diagram showing the electrical configuration of the fuel cell system 100B of the third embodiment. FIG. 10 is substantially the same as FIG. 1 except that a hydrogen buffer tank 68 is provided in the anode gas circulation discharge unit 60. FIG. 11 is substantially the same as FIG. 2 except that a current limiting circuit 85 is provided in the DC wiring DCL. In the fuel cell system 100B of the third embodiment, system control similar to that described in the first embodiment is executed (FIG. 3).

第３実施例の燃料電池システム１００では、アノードガス循環排出部６０のアノード排ガス配管６１に、水素を含むアノード排ガスを一時的に貯留しておくための水素バッファタンク６８が設けられている（図１０）。第３実施例の燃料電池システム１００Ｂは、この水素バッファタンク６８を有することにより、一時的電圧低下処理を実行したときに、燃料電池１０の内部における水素圧力の急激な変動の発生が抑制される。従って、一時的電圧低下処理においてスパイク電流Ｉｓ（図６（Ｂ））が発生してしまうことを抑制することができる。   In the fuel cell system 100 of the third embodiment, a hydrogen buffer tank 68 for temporarily storing anode exhaust gas containing hydrogen is provided in the anode exhaust gas pipe 61 of the anode gas circulation discharge unit 60 (see FIG. 10). The fuel cell system 100B according to the third embodiment includes the hydrogen buffer tank 68, so that when the temporary voltage lowering process is executed, the rapid fluctuation of the hydrogen pressure inside the fuel cell 10 is suppressed. . Therefore, it is possible to suppress the occurrence of the spike current Is (FIG. 6B) in the temporary voltage reduction process.

また、第３実施例の燃料電池システム１００では、電流制限回路８５が、直流配線ＤＣＬにおいて、燃料電池１０とＤＣ／ＤＣコンバータ８２との間に設けられている（図１１）。電流制限回路８５は、コンデンサや抵抗を備え、所定の電流より高い電流が流れることを制限するための回路である。より具体的には、電流制限回路８５は、通常運転の際の燃料電池１０の電流はそのまま通し、一時的電圧低下処理において発生するスパイク電流Ｉｓのような大電流はカットする。   In the fuel cell system 100 of the third embodiment, the current limiting circuit 85 is provided between the fuel cell 10 and the DC / DC converter 82 in the direct current wiring DCL (FIG. 11). The current limiting circuit 85 includes a capacitor and a resistor, and is a circuit for limiting the flow of a current higher than a predetermined current. More specifically, the current limiting circuit 85 passes the current of the fuel cell 10 during normal operation as it is, and cuts a large current such as the spike current Is generated in the temporary voltage reduction process.

以上のように、第３実施例の燃料電池システム１００であれば、水素バッファタンク６８によって一時的電圧低下処理によって発生するスパイク電流Ｉｓの発生を抑制できる。また、電流制限回路８５によって、スパイク電流Ｉｓが燃料電池システムの各構成部や外部負荷へと流入することを抑制することができる。   As described above, in the fuel cell system 100 according to the third embodiment, the generation of the spike current Is generated by the temporary voltage reduction process by the hydrogen buffer tank 68 can be suppressed. Further, the current limiting circuit 85 can suppress the spike current Is from flowing into each component of the fuel cell system and an external load.

D．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。 D. Variations:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.

D1．変形例１：
上記実施例では、燃料電池１０が高温状態であることが検出されたときに、燃料電池１０の発電性能の低下を抑制するための性能低下抑制運転が実行されていた。しかし、性能低下抑制運転は、燃料電池１０が高温状態であることを検出した場合だけでなく、他の場合に実行されるものとしても良い。例えば、性能低下抑制運転は、燃料電池１０の所定の電圧に対する電流値が所定の閾値よりも低下し、発電性能の低下が検出されたときに、実行されるものとしても良い。また、性能低下抑制運転は、燃料電池１０の内部における湿潤状態が低下しているときに実行されるものとしても良い。さらに、性能低下抑制運転は、燃料電池システム１００の運転中や、モータ２００への燃料電池１０の出力の供給を停止している、燃料電池１０の待機中などに定期的に実行されるものとしても良い。 D1. Modification 1:
In the above embodiment, when it is detected that the fuel cell 10 is in a high temperature state, the performance deterioration suppressing operation for suppressing the decrease in the power generation performance of the fuel cell 10 is executed. However, the performance deterioration suppressing operation may be executed not only when the fuel cell 10 is detected to be in a high temperature state but also in other cases. For example, the performance deterioration suppressing operation may be executed when the current value with respect to a predetermined voltage of the fuel cell 10 is lower than a predetermined threshold value and a decrease in power generation performance is detected. Further, the performance deterioration suppressing operation may be executed when the wet state inside the fuel cell 10 is decreasing. Further, it is assumed that the performance degradation suppressing operation is periodically performed during the operation of the fuel cell system 100, the supply of the output of the fuel cell 10 to the motor 200 is stopped, the standby of the fuel cell 10, and the like. Also good.

D2．変形例２：
上記実施例では、ステップＳ３０において、一時的電圧低下処理による不具合の発生の可能性を判定する処理が実行されていた。しかし、ステップＳ３０は省略されるものとしても良く、一時的電圧低下処理の実行を開始する際には、ステップＳ４０の処理が、常に、または、所定のタイミングで、実行されるものとしても良い。また、ステップＳ３０の判定処理においては、上記実施例で説明した以外の方法により、水素不足の判定や、電解質膜の乾燥状態の判定が実行されるものとしても良い。 D2. Modification 2:
In the embodiment described above, in step S30, a process for determining the possibility of occurrence of a malfunction due to the temporary voltage drop process has been executed. However, step S30 may be omitted, and when the execution of the temporary voltage lowering process is started, the process of step S40 may be executed constantly or at a predetermined timing. Moreover, in the determination process of step S30, determination of hydrogen deficiency or determination of the dry state of the electrolyte membrane may be executed by a method other than that described in the above embodiment.

D3．変形例３：
上記実施例では、一時的電圧低下処理の準備処理として、水素の流量を増大させて、水素のストイキ比を増大させる処理が実行されていた。しかし、一時的電圧低下処理の準備処理としては、他の反応ガスの状態を調整するための処理が実行されるものとしても良い。例えば、一時的電圧低下処理の準備処理としては、カソードガスとして供給される空気の湿潤度を増大させる処理が実行されても良いし、空気の流量を低下させて、水素上流側の電解質膜１の乾燥状態を緩和する処理が実行されるものとしても良い。 D3. Modification 3:
In the above embodiment, as a preparation process for the temporary voltage reduction process, a process for increasing the hydrogen flow rate and increasing the stoichiometric ratio of hydrogen has been executed. However, as a preparatory process for the temporary voltage reduction process, a process for adjusting the state of another reactive gas may be executed. For example, as a preparatory process for the temporary voltage lowering process, a process for increasing the wetness of the air supplied as the cathode gas may be executed, or the flow rate of the air is decreased to the electrolyte membrane 1 on the upstream side of hydrogen. It is also possible to execute a process for relaxing the dry state.

D4．変形例４：
上記第３実施例の燃料電池システム１００Ｂには、一時的電圧低下処理において発生するスパイク電流Ｉｓに対する対策として、水素バッファタンク６８と電流制限回路８５の両方が設けられていた。しかし、水素バッファタンク６８または電流制限回路８５のいずれか一方が省略されるものとしても良い。また、第３実施例の燃料電池システム１００Ｂでは、第１実施例や第２実施例の燃料電池システム１００，１００Ａと同様に、一時的電圧低下処理の前に準備処理が実行されるシステム制御が実行されていた（図３）。しかし、水素バッファタンク６８や、電流制限回路８５は、ステップＳ３０，４０の事前処理を実行することなく、ステップＳ５０の一時的電圧低下処理を実行する燃料電池システムに設けることも可能である。 D4. Modification 4:
In the fuel cell system 100B of the third embodiment, both the hydrogen buffer tank 68 and the current limiting circuit 85 are provided as a countermeasure against the spike current Is generated in the temporary voltage drop process. However, either the hydrogen buffer tank 68 or the current limiting circuit 85 may be omitted. Further, in the fuel cell system 100B of the third embodiment, similarly to the fuel cell systems 100 and 100A of the first embodiment and the second embodiment, the system control in which the preparation process is executed before the temporary voltage reduction process is performed. It was executed (Fig. 3). However, the hydrogen buffer tank 68 and the current limiting circuit 85 can also be provided in the fuel cell system that executes the temporary voltage reduction process in step S50 without executing the preliminary process in steps S30 and S40.

１…電解質膜
２…カソード
３…アノード
５ａ，５ｂ…端子
１０…燃料電池
１１…発電体
１５…膜電極接合体
２０…制御部
３０…カソードガス供給部
３１…カソードガス配管
３２…エアコンプレッサ
３３…エアフロメータ
３４…開閉弁
３５…加湿部
４０…カソードガス排出部
４１…カソード排ガス配管
４３…調圧弁
４４…圧力計測部
５０…アノードガス供給部
５１…アノードガス配管
５２…水素タンク
５３…開閉弁
５４…レギュレータ
５５…水素供給装置
５６…圧力計測部
６０…アノードガス循環排出部
６１…アノード排ガス配管
６２…気液分離部
６３…アノードガス循環配管
６４…水素循環用ポンプ
６５…アノード排水配管
６６…排水弁
６７…圧力計測部
６８…水素バッファタンク
７０…冷媒供給部
７１…冷媒用配管
７１ａ…上流側配管
７１ｂ…下流側配管
７１ｃ…バイパス配管
７２…ラジエータ
７３…三方弁
７５…冷媒循環用ポンプ
７６ａ，７６ｂ…冷媒温度計測部
８１…二次電池
８２…ＤＣ／ＤＣコンバータ
８３…ＤＣ／ＡＣインバータ
８５…電流制限回路
９１…セル電圧計測部
９２…電流計測部
９３…インピーダンス計測部
９３Ａ…局所的インピーダンス計測部
９４…ＳＯＣ検出部
１００，１００Ａ，１００Ｂ…燃料電池システム
１０１…外気温センサ
１０２…車速センサ
２００…モータ
ＤＡ…乾燥領域
ＤＣＬ…直流配線
Ｉｓ…スパイク電流 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electrolyte membrane 2 ... Cathode 3 ... Anode 5a, 5b ... Terminal 10 ... Fuel cell 11 ... Electric power generation body 15 ... Membrane electrode assembly 20 ... Control part 30 ... Cathode gas supply part 31 ... Cathode gas piping 32 ... Air compressor 33 ... Air flow meter 34 ... Opening and closing valve 35 ... Humidification part 40 ... Cathode gas discharge part 41 ... Cathode exhaust gas pipe 43 ... Pressure regulating valve 44 ... Pressure measuring part 50 ... Anode gas supply part 51 ... Anode gas pipe 52 ... Hydrogen tank 53 ... Opening and closing valve 54 ... Regulator 55 ... Hydrogen supply device 56 ... Pressure measuring part 60 ... Anode gas circulation discharge part 61 ... Anode exhaust gas pipe 62 ... Gas-liquid separation part 63 ... Anode gas circulation pipe 64 ... Hydrogen circulation pump 65 ... Anode drain pipe 66 ... Drain Valve 67 ... Pressure measuring unit 68 ... Hydrogen buffer tank 70 ... Refrigerant supply unit 71 ... Refrigerant distribution 71a ... Upstream piping 71b ... Downstream piping 71c ... Bypass piping 72 ... Radiator 73 ... Three-way valve 75 ... Refrigerant circulation pumps 76a, 76b ... Refrigerant temperature measuring unit 81 ... Secondary battery 82 ... DC / DC converter 83 ... DC / DC AC inverter 85 ... current limiting circuit 91 ... cell voltage measuring unit 92 ... current measuring unit 93 ... impedance measuring unit 93A ... local impedance measuring unit 94 ... SOC detecting unit 100, 100A, 100B ... fuel cell system 101 ... outside air temperature sensor 102 ... Vehicle speed sensor 200 ... Motor DA ... Drying area DCL ... DC wiring Is ... Spike current

Claims (8)

燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給部と、
前記燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出部と、
前記燃料電池と、前記反応ガス供給部とを制御し、前記燃料電池の運転状態に基づいて、前記燃料電池の発電性能の低下を抑制するための性能低下抑制運転を開始する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記性能低下抑制運転として、前記燃料電池に供給される反応ガスの状態を調整する準備処理を実行した上で、
前記燃料電池の電流−電圧特性に基づいて、一時的に前記燃料電池の出力電圧を低下させることにより、前記燃料電池の出力電流を増大させて、前記燃料電池内部の生成水量を増大させる一時的電圧低下処理を実行する、燃料電池システム。 A fuel cell system,
A fuel cell;
A reaction gas supply unit for supplying a reaction gas to the fuel cell;
An operation state detection unit for detecting an operation state of the fuel cell;
A control unit that controls the fuel cell and the reaction gas supply unit, and starts a performance deterioration suppressing operation for suppressing a decrease in power generation performance of the fuel cell based on an operation state of the fuel cell;
With
The control unit, as the performance degradation suppression operation, after performing a preparation process for adjusting the state of the reaction gas supplied to the fuel cell,
Temporarily lowering the output voltage of the fuel cell based on the current-voltage characteristics of the fuel cell, thereby increasing the output current of the fuel cell and increasing the amount of water generated in the fuel cell. A fuel cell system that performs a voltage drop process. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記準備処理は、前記反応ガスの流量を変更する処理、または、前記反応ガスの湿潤度を増大させる処理の少なくとも一方を含む、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
The fuel cell system, wherein the preparation process includes at least one of a process of changing a flow rate of the reaction gas and a process of increasing the wetness of the reaction gas. 請求項１または請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記性能低下抑制運転を開始する際に、前記燃料電池内部の反応ガスの量、または、前記燃料電池内部の湿潤度が、所定の閾値以上である場合には、前記準備処理を実行せずに、前記一時的電圧低下処理を実行する、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein
When the control unit starts the performance deterioration suppressing operation, if the amount of the reaction gas inside the fuel cell or the wetness inside the fuel cell is equal to or greater than a predetermined threshold, the preparation process A fuel cell system that executes the temporary voltage reduction process without executing the above. 請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の運転状態は、前記燃料電池の運転温度と、前記燃料電池内部の湿潤状態と、前記燃料電池の発電特性の中の少なくとも１つである、燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3,
The operating state of the fuel cell is at least one of an operating temperature of the fuel cell, a wet state inside the fuel cell, and a power generation characteristic of the fuel cell. 請求項４記載の燃料電池システムであって、
前記反応ガスは、燃料ガスと酸化ガスであり、
前記燃料ガスと前記酸化ガスとは、前記燃料電池の運転中には、前記燃料電池の内部において電解質膜を挟んで互いに対向する方向に流され、
前記運転状態検出部は、前記燃料電池内部の湿潤状態として、前記燃料電池の発電部内における前記燃料ガスの下流側の局所的な領域の膜抵抗に関する値を計測することにより、前記局所的な領域の湿潤度を検出する局所的湿潤状態検出部を含み、
前記制御部は、前記局所的な領域における湿潤度が、所定の閾値より低い場合に、前記準備処理として、前記局所的な領域への前記燃料ガスの流入量を増大させる処理を実行する、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 4, wherein
The reaction gas is a fuel gas and an oxidizing gas,
The fuel gas and the oxidizing gas are caused to flow in directions facing each other across the electrolyte membrane inside the fuel cell during operation of the fuel cell,
The operation state detection unit measures the value of the local region as a wet state inside the fuel cell by measuring a value related to a membrane resistance of a local region downstream of the fuel gas in the power generation unit of the fuel cell. Including a local wet state detection unit for detecting the wetness of
The control unit executes a process of increasing the amount of inflow of the fuel gas into the local area as the preparation process when the wetness in the local area is lower than a predetermined threshold. Battery system. 請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池に接続され、前記燃料電池の排ガスを排出する排ガス配管を備え、
前記排ガス配管の途中には、前記排ガスを貯留する排ガス貯留部が設けられている、燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, further comprising:
An exhaust pipe connected to the fuel cell and discharging exhaust gas from the fuel cell;
A fuel cell system in which an exhaust gas storage unit for storing the exhaust gas is provided in the middle of the exhaust gas pipe. 請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の出力電力の供給を受ける外部負荷と、前記燃料電池との間に、前記一時的電圧低下処理を実行したときに発生するスパイク電流が前記外部負荷に流れることを抑制するための電流制限回路が設けられている、燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6,
A current for suppressing a spike current generated when the temporary voltage reduction process is performed between the external load receiving the output power of the fuel cell and the fuel cell from flowing to the external load. A fuel cell system provided with a limiting circuit. 燃料電池システムを制御する方法であって、
（ａ）燃料電池の運転状態を検出する工程と、
（ｂ）前記燃料電池の運転状態に基づいて、前記燃料電池の発電性能の低下を抑制するための性能低下抑制運転を開始する工程と、
を備え、
前記性能低下抑制運転は、前記燃料電池に供給される反応ガスの状態を調整する準備処理を実行した上で、前記燃料電池の電流−電圧特性に基づいて、一時的に前記燃料電池の出力電圧を低下させることにより、前記燃料電池の出力電流を増大させて、前記燃料電池内部の生成水量を増大させる一時的電圧低下処理を実行する運転を含む、制御方法。 A method for controlling a fuel cell system, comprising:
(A) detecting the operating state of the fuel cell;
(B) starting a performance deterioration suppressing operation for suppressing a decrease in power generation performance of the fuel cell based on the operating state of the fuel cell;
With
In the performance deterioration suppressing operation, after performing a preparation process for adjusting the state of the reaction gas supplied to the fuel cell, the output voltage of the fuel cell is temporarily based on the current-voltage characteristics of the fuel cell. A control method including an operation of executing a temporary voltage reduction process for increasing the output current of the fuel cell by increasing the output of the fuel cell to increase the amount of water generated in the fuel cell.
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CN111540930A (en) * 2020-05-09 2020-08-14 电子科技大学 Air cooling fuel cell stack with import and export air humidity detects
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