JP4915049B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体用発電機、或いは家庭用発電機に適用して有効である。   The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates electric energy by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. The present invention relates to a generator for a mobile body such as a vehicle, a ship, and a portable generator, or a household generator. It is effective to apply.

現状、燃料電池システムにおいては、低温起動時に、前回システム停止時の水分が燃料電池内に残留していると水分が凍結し、起動しない問題がある。また、起動したとしても、自己の反応によって生じた生成水が凍結し、発電が停止する問題がある。   At present, in the fuel cell system, there is a problem that when the water at the time of the previous system stop remains in the fuel cell at the time of low temperature startup, the water freezes and does not start. Moreover, even if it starts, there is a problem that the generated water generated by its own reaction freezes and power generation stops.

このような問題を解決するために、燃料電池の発電効率を制御して自己発熱量を制御する技術が提案されている（特許文献１）。これは、反応物（酸化物・還元物）を不足状態で燃料電池の運転を行い、電極での過電圧を増やすことで自己発熱量を増やしている。具体的には、セルを短絡し、反応ガスを間欠的に供給している。
特表２００３−５０４８０７号公報 In order to solve such a problem, a technique for controlling the power generation efficiency of the fuel cell to control the amount of self-heating is proposed (Patent Document 1). This increases the self-heating value by operating the fuel cell with insufficient reactants (oxides / reduced products) and increasing the overvoltage at the electrodes. Specifically, the cells are short-circuited and the reaction gas is intermittently supplied.
Special table 2003-504807 gazette

しかし、上記特許文献１に記載の方法では、自己発熱を最大にする効果があるが、ガスの供給不足により、燃料電池の電解質劣化を促進する大きな逆電位が生ずる問題がある。   However, although the method described in Patent Document 1 has the effect of maximizing self-heating, there is a problem that a large reverse potential that promotes electrolyte degradation of the fuel cell is caused by insufficient supply of gas.

本発明は上記点に鑑み、逆電位が発生することを抑制しつつ、燃料電池の発電効率を制御して自己発熱量を制御することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of controlling the power generation efficiency of a fuel cell and controlling the amount of self-heating while suppressing the occurrence of a reverse potential.

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、酸化剤ガスと燃料ガスを電気化学反応させて発電し、電力消費機器（２２、４２）に電力を供給する燃料電池（１０）を備える燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電効率を調整する発電効率調整手段（１８、１９、５０、６１）と、燃料電池が発電する際に、逆電位が発生することを抑制する逆電位防止手段（１６、２１、２２、５０）とを備え、逆電位防止手段は、燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段（１６）と、燃料電池に対する酸化剤ガスの供給量を制御する酸化剤ガス供給制御手段（２１、２２、５０）とを含んでおり、酸化剤ガス供給制御手段は、逆電位が発生しない電流を燃料電池で発電させるのに必要な酸化剤ガスの所定供給量と、燃料電池の温度とを予め関連づけたマップを用い、燃料電池温度検出手段にて検出した燃料電池温度に基づいて所定供給量を取得することを特徴とする。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, there is provided a fuel cell (10) for generating electricity by electrochemically reacting an oxidant gas and a fuel gas and supplying electric power to power consuming devices (22, 42). In the fuel cell system, the power generation efficiency adjusting means (18, 19, 50, 61) for adjusting the power generation efficiency of the fuel cell, and the reverse potential preventing means for suppressing the generation of the reverse potential when the fuel cell generates power (16, 21, 22, 50), and the reverse potential preventing means includes a fuel cell temperature detecting means (16) for detecting the temperature of the fuel cell, and an oxidant for controlling the amount of oxidant gas supplied to the fuel cell. Gas supply control means (21, 22, 50), and the oxidant gas supply control means includes a predetermined supply amount of oxidant gas necessary for generating electric power in the fuel cell so that no reverse potential is generated; The temperature of the fuel cell Using a pre-association map, and obtains a predetermined supply amount based on the fuel cell temperature detected by the fuel cell temperature detecting means.

これにより、逆電位が発生することを抑制しつつ、燃料電池の発電効率を制御して自己発熱量を制御することが可能となる。また、「酸化剤ガスの所定供給量」は、燃料電池（１０）を構成する複数のセル（１００）それぞれで逆電位が発生しない範囲での最大電流値で燃料電池（１０）が発電するために必要な酸化剤ガスの供給量とすることで、燃料電池で逆電位が発生すること抑制しつつ、早期に燃料電池を昇温することができる。
また、請求項２に記載の発明では、マップは、燃料電池の温度が高くなるにしたがって、酸化剤ガスの所定供給量が増加するように設定されていることを特徴としている。これにより、電流量が増え発熱することにより燃料電池（１０）を早期の昇温させることができる。 As a result, it is possible to control the self-heating value by controlling the power generation efficiency of the fuel cell while suppressing the occurrence of the reverse potential. In addition, the “predetermined supply amount of the oxidant gas” is generated by the fuel cell (10) with the maximum current value within a range where no reverse potential is generated in each of the plurality of cells (100) constituting the fuel cell (10). By setting the supply amount of the oxidant gas necessary for the fuel cell, it is possible to raise the temperature of the fuel cell early while suppressing the occurrence of a reverse potential in the fuel cell.
Further, the invention according to claim 2 is characterized in that the map is set so that the predetermined supply amount of the oxidant gas increases as the temperature of the fuel cell increases. As a result, the amount of current increases and heat is generated, so that the temperature of the fuel cell (10) can be raised quickly.

また、請求項３に記載の発明のように、発電効率調整手段により燃料電池の電圧をゼロボルト付近で制御することで、発電効率を極力低くし、水素のエネルギーの大半を熱エネルギーに変換して燃料電池の発熱量を大きくすることができる。 Further, as in the third aspect of the invention, by controlling the fuel cell voltage near zero volts by the power generation efficiency adjusting means, the power generation efficiency is made as low as possible, and most of the hydrogen energy is converted into heat energy. The calorific value of the fuel cell can be increased.

また、請求項４に記載の発明は、発電効率調整手段は、燃料電池と電力消費機器との間を電気的に開閉可能な第１の開閉器（１８ａ、１８ｂ）と、燃料電池の端子間を電気的に開閉可能な第２の開閉器（１９、６１）を含んでいることを特徴とする。これにより、燃料電池の端子間を短絡させることができ、燃料電池の電圧を低下させることができる。 According to a fourth aspect of the present invention, the power generation efficiency adjusting means is provided between the first switch (18a, 18b) capable of electrically switching between the fuel cell and the power consuming device, and the terminal of the fuel cell. And a second switch (19, 61) that can be electrically opened and closed. Thereby, the terminals of the fuel cell can be short-circuited, and the voltage of the fuel cell can be reduced.

また、請求項５に記載の発明では、第１の開閉器（１８ａ、１８ｂ）が開状態であり、第２の開閉器（１９、６１）が閉状態である場合に、燃料電池の端子間に過電流が流れることを防止する突入電流防止手段（６１、６２）を備えることを特徴としている。これにより、燃料電池の電解質膜が劣化する等の不具合を防止できる。 Further, in the invention described in claim 5 , when the first switch (18a, 18b) is in the open state and the second switch (19, 61) is in the closed state, the gap between the terminals of the fuel cell. And an inrush current preventing means (61, 62) for preventing an overcurrent from flowing through. Thereby, problems such as deterioration of the electrolyte membrane of the fuel cell can be prevented.

また、請求項６に記載の発明では、突入電流防止手段（６１）は、抵抗値が異なる複数の抵抗（６１ｃ、６１ｄ）と、複数の抵抗（６１ｃ、６１ｄ）を切り替えることが可能な抵抗切替手段（６１ａ、６１ｂ）とを備えることを特徴としている。これにより、段階的に抵抗値を変更することが可能となり、燃料電池の端子間における突入電流の発生を防止することができる。 In the invention according to claim 6 , the inrush current preventing means (61) is capable of switching between a plurality of resistors (61c, 61d) having different resistance values and a plurality of resistors (61c, 61d). And means (61a, 61b). As a result, the resistance value can be changed step by step, and the occurrence of an inrush current between the terminals of the fuel cell can be prevented.

また、請求項７に記載の発明のように、抵抗切替手段としてパワートランジスタ（６１ａ、６１ｂ）を用いることで、抵抗を切り替えを迅速に行うことができる。 In addition, as in the seventh aspect of the invention, by using the power transistors (61a, 61b) as the resistance switching means, the resistance can be switched quickly.

また、請求項８に記載の発明のように、突入電流防止手段（６２）としてインダクタンス（６２ａ）を用いることで、インダクタンス（６２ａ）には燃料電池（１０）の電流流れ方向と逆方向に燃料電池（１０）の電流の大きさに比例した起電力が発生する。これにより、燃料電池（１０）の電流とインダクタンス（６２ａ）の起電力とが打ち消し合って、突入電流の発生を防止することができる。 Further, as in the invention described in claim 8 , by using the inductance (62a) as the inrush current preventing means (62), the inductance (62a) has a fuel in the direction opposite to the current flow direction of the fuel cell (10). An electromotive force is generated that is proportional to the magnitude of the current of the battery (10). As a result, the current of the fuel cell (10) and the electromotive force of the inductance (62a) cancel each other, and the occurrence of an inrush current can be prevented.

また、請求項９に記載の発明では、突入電流防止手段（６２）は、インダクタンス（６２ａ）と並列接続され、インダクタンス（６２ａ）における電流流れ方向と逆方向にのみ電流を流す電流逆流防止手段（６２ｂ）を備えていることを特徴としている。 According to the ninth aspect of the present invention, the inrush current preventing means (62) is connected in parallel to the inductance (62a), and the current backflow preventing means (current reverse flow preventing means ( 62b).

これにより、第２の開閉器（１９）を閉状態から開状態にしたときにインダクタンス（６２ａ）で発生する電流は、インダクタンス（６２ａ）と電流逆流防止手段（６２ｂ）とからなるループを流れ、次第に消滅する。この結果、インダクタンス（６２ａ）で発生する起電力で燃料電池（１０）の電流流れ方向と逆方向の電流が流れることを防止できる。 Thereby, the current generated in the inductance (62a) when the second switch (19) is changed from the closed state to the open state flows through a loop composed of the inductance (62a) and the current backflow prevention means (62b). It will disappear gradually. As a result, it is possible to prevent a current in the direction opposite to the current flow direction of the fuel cell (10) from flowing due to the electromotive force generated by the inductance (62a) .

また、請求項１０に記載の発明は、第１の開閉器により、燃料電池と電力消費機器との間を開状態とするとともに、第２の開閉器により、燃料電池の端子間を閉状態にした後で、酸化剤ガス供給制御手段による燃料電池への酸化剤ガスの供給と、燃料ガス供給制御手段による燃料電池への燃料ガスの供給とを行うことを特徴とする。これにより、開閉器による開閉を安全に行うことができる。According to a tenth aspect of the present invention, the first switch opens the space between the fuel cell and the power consuming device, and the second switch closes the fuel cell terminals. After that, the oxidant gas supply control means supplies the oxidant gas to the fuel cell, and the fuel gas supply control means supplies the fuel cell to the fuel cell. Thereby, opening and closing by a switch can be performed safely.

また、請求項１１に記載の発明は、燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段（１５）を備え、酸化剤ガス供給制御手段による燃料電池への酸化剤ガスの供給と、燃料ガス供給制御手段による燃料電池への燃料ガスの供給とを停止した後、電圧検出手段にて検出した燃料電池の電圧が所定電圧以下であることを確認した後、第１の開閉器により、燃料電池と電力消費機器との間を閉状態とするとともに、第２の開閉器により、燃料電池の端子間を開状態とすることを特徴とする。これにより、開閉器による開閉を安全に行うことができる。The invention described in claim 11 is provided with voltage detection means (15) for detecting the voltage of the fuel cell, the supply of the oxidant gas to the fuel cell by the oxidant gas supply control means, and the fuel gas supply control means. After stopping the supply of the fuel gas to the fuel cell by the fuel cell, after confirming that the voltage of the fuel cell detected by the voltage detecting means is not more than a predetermined voltage, the first switch opens and closes the power consumption with the fuel cell. The device is closed, and the second switch is used to open the terminals of the fuel cell. Thereby, opening and closing by a switch can be performed safely.

また、請求項１２に記載の発明のように、燃料電池温度検出手段は、燃料電池の発電電流を検出し、発電電流に基づいて燃料電池温度を推定するように構成でき、さらに、請求項１３に記載の発明は、燃料電池温度検出手段は、燃料電池に供給された酸化剤ガスのうち電気化学反応に用いられず、燃料電池から排出される酸化剤排ガスの温度を検出し、この酸化剤排ガスの温度に基づいて燃料電池温度を推定するように構成できる。   According to a twelfth aspect of the present invention, the fuel cell temperature detecting means can be configured to detect a power generation current of the fuel cell and estimate the fuel cell temperature based on the power generation current. The fuel cell temperature detecting means detects the temperature of the oxidant exhaust gas discharged from the fuel cell and is not used for the electrochemical reaction among the oxidant gas supplied to the fuel cell. The fuel cell temperature can be estimated based on the temperature of the exhaust gas.

また、請求項１４に記載の発明は、逆電位防止手段は、燃料電池に対する燃料ガスの供給量を制御する燃料ガス供給制御手段（３１〜３３、５０）を含んでおり、燃料ガス供給量制御手段は、燃料ガス供給量を常に燃料電池における反応可能量以上に保つことを特徴とする。これにより、燃料電池の電解質の劣化を抑えることができる。   According to a fourteenth aspect of the present invention, the reverse potential prevention means includes fuel gas supply control means (31 to 33, 50) for controlling the supply amount of the fuel gas to the fuel cell. The means is characterized in that the fuel gas supply amount is always kept to be equal to or higher than the reaction possible amount in the fuel cell. Thereby, deterioration of the electrolyte of the fuel cell can be suppressed.

また、請求項１５に記載の発明は、逆電位防止手段は、燃料電池の端子間を電気的に結合する電気経路に設けられた可変抵抗（６０）を含んでいることを特徴とする。これにより、燃料電池の電流を制御することができ、燃料電池の電流を逆電位が発生しない電流値に調整することができる。   The invention according to claim 15 is characterized in that the reverse potential preventing means includes a variable resistor (60) provided in an electrical path for electrically coupling the terminals of the fuel cell. Thereby, the current of the fuel cell can be controlled, and the current of the fuel cell can be adjusted to a current value at which no reverse potential is generated.

また、請求項１６に記載の発明は、酸化剤排ガスが通過する酸化剤ガス排出通路（２０ｂ）に、酸化触媒が担持されていることを特徴とする。これにより、燃料ガスが酸化剤ガス排出通路（２０ｂ）から排出されることを防止できる。 The invention described in claim 16 is characterized in that an oxidation catalyst is supported in the oxidant gas discharge passage (20b) through which the oxidant exhaust gas passes. As a result, the fuel gas can be prevented from being discharged from the oxidant gas discharge passage (20b).

また、請求項１７に記載の発明は、酸化剤排ガスが通過する酸化剤ガス排出通路（２０ｂ）の内部に外気を導入し、酸化剤ガス排出通路（２０ｂ）内部のガス濃度を低下させるガス希釈手段を備えることを特徴としている。これにより、空気排出経路（２０ｂ）に水素が存在する場合にも、外気によって水素を希釈して水素濃度を低下させてから外部に排出することができる。
The invention described in claim 17 is a gas that introduces outside air into the oxidant gas discharge passage (20b) through which the oxidant exhaust gas passes and reduces the gas concentration inside the oxidant gas discharge passage (20b). It is provided with a dilution means. As a result, even when hydrogen is present in the air discharge path (20b), it can be discharged outside after diluting the hydrogen with the outside air to lower the hydrogen concentration.

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。   In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。本実施形態は、燃料電池システムを、燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。 (First embodiment)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. In this embodiment, the fuel cell system is applied to an electric vehicle (fuel cell vehicle) that runs using the fuel cell as a power source.

図１は、本実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池（ＦＣスタック）１０を備えている。燃料電池１０は、車両走行用のモータジェネレータ１１、二次電池１２、補機２２、４２等の電気機器に電力を供給するように構成されている。なお、モータジェネレータ１１および補機２２、４２は、本発明の電力消費機器に相当する。   FIG. 1 shows the overall configuration of the fuel cell system of the present embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell system of the present embodiment includes a fuel cell (FC stack) 10 that generates electric power by utilizing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. The fuel cell 10 is configured to supply electric power to electric devices such as a motor generator 11 for driving a vehicle, a secondary battery 12, and auxiliary machines 22 and 42. Motor generator 11 and auxiliary machines 22 and 42 correspond to the power consuming device of the present invention.

燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギーが発生する。   In the fuel cell 10, the following electrochemical reaction between hydrogen and oxygen occurs to generate electric energy.

（水素極側） Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
（酸素極側） ２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
本実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセル１００が複数積層されて構成されている。各セル１００は、電解質膜が一対の電極で挟まれた構成となっている。 (Hydrogen electrode side) H 2 → 2H + + 2e −
(Oxygen electrode side) 2H + + 1 / 2O 2 + 2e − → H 2 O
In this embodiment, a solid polymer electrolyte fuel cell is used as the fuel cell 10, and a plurality of cells 100 serving as a basic unit are stacked. Each cell 100 has a configuration in which an electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes.

燃料電池システムには、燃料電池１０の酸素極側に空気（酸化剤ガス）を供給するための空気供給経路２０ａと、燃料電池１０からの空気を排出するための空気排出経路２０ｂと、燃料電池１０の水素極側に水素（燃料ガス）を供給するための水素供給経路３０ａと、燃料電池１０からの未反応水素ガス等を排出するための水素排出経路３０ｂとが設けられている。   The fuel cell system includes an air supply path 20a for supplying air (oxidant gas) to the oxygen electrode side of the fuel cell 10, an air discharge path 20b for discharging air from the fuel cell 10, and a fuel cell. A hydrogen supply path 30a for supplying hydrogen (fuel gas) to the hydrogen electrode side of 10 and a hydrogen discharge path 30b for discharging unreacted hydrogen gas and the like from the fuel cell 10 are provided.

空気供給経路２０ａには、空気圧送用の送風機２１が設けられている。この送風機２１は電動モータ２２によって駆動される。空気排出経路２０ｂには、空気排出経路２０ｂを開閉する空気排出経路開閉弁２４が設けられている。燃料電池１０に空気を供給する際には、空気排出経路開閉弁２４を開弁するとともに、電動モータ２２によって送風機２１を駆動する。補機としての電動モータ２２は、インバータ２３を介して二次電池１２と接続されている。送風機２１、電動モータ２２は、後述の制御部５０とともに、本発明の酸化剤ガス供給制御手段に相当している。   The air supply path 20a is provided with a blower 21 for air pressure feeding. The blower 21 is driven by an electric motor 22. The air discharge path 20b is provided with an air discharge path opening / closing valve 24 that opens and closes the air discharge path 20b. When supplying air to the fuel cell 10, the air discharge path opening / closing valve 24 is opened and the blower 21 is driven by the electric motor 22. The electric motor 22 as an auxiliary machine is connected to the secondary battery 12 via the inverter 23. The blower 21 and the electric motor 22 correspond to the oxidant gas supply control means of the present invention together with the control unit 50 described later.

空気供給経路２０ａと空気排出経路２０ｂには、加湿器２５が設けられている。この加湿器２５は、燃料電池１０から排出される湿った排気空気に含まれる水分を用いて送風機２１の吐出後の空気を加湿するものであり、これにより、燃料電池１０内の固体高分子電解質膜を水分を含んだ湿潤状態にして、発電運転時における電気化学反応が良好に行われるようにしている。   A humidifier 25 is provided in the air supply path 20a and the air discharge path 20b. The humidifier 25 humidifies the air discharged from the blower 21 using moisture contained in the moist exhaust air discharged from the fuel cell 10, and thereby the solid polymer electrolyte in the fuel cell 10. The membrane is in a wet state containing moisture so that the electrochemical reaction can be satisfactorily performed during power generation operation.

水素供給経路３０ａには、水素ガスが充填された水素ボンベ３１、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁３２、および水素供給経路３０ａを開閉する水素供給経路開閉弁３３が設けられている。水素排出経路３０ｂには、水素排出経路３０ｂを開閉する水素排出経路開閉弁３４が設けられている。なお、水素ボンベ３１、水素調圧弁３２、水素供給経路開閉弁３３は、後述の制御部５０とともに、本発明の燃料ガス供給制御手段に相当している。   The hydrogen supply path 30a includes a hydrogen cylinder 31 filled with hydrogen gas, a hydrogen pressure regulating valve 32 that adjusts the pressure of hydrogen supplied to the fuel cell 10, and a hydrogen supply path opening / closing valve 33 that opens and closes the hydrogen supply path 30a. Is provided. The hydrogen discharge path 30b is provided with a hydrogen discharge path on / off valve 34 that opens and closes the hydrogen discharge path 30b. The hydrogen cylinder 31, the hydrogen pressure regulating valve 32, and the hydrogen supply path opening / closing valve 33, together with the control unit 50 described later, correspond to the fuel gas supply control means of the present invention.

燃料電池１０に水素を供給する際には、水素供給経路開閉弁３３を開弁するとともに、水素調圧弁３２によって所望の水素圧力に調整する。水素排出経路３０ｂは、運転条件に応じて水素排出経路開閉弁３４によって開閉される。水素排出経路３０ｂは、未反応水素ガス、蒸気（あるいは水）、および酸素極から固体高分子電解質膜を通過して混入した窒素、酸素などを排出する。   When supplying hydrogen to the fuel cell 10, the hydrogen supply path opening / closing valve 33 is opened and adjusted to a desired hydrogen pressure by the hydrogen pressure regulating valve 32. The hydrogen discharge path 30b is opened and closed by a hydrogen discharge path opening / closing valve 34 in accordance with operating conditions. The hydrogen discharge path 30b discharges unreacted hydrogen gas, steam (or water), nitrogen, oxygen, and the like mixed through the solid polymer electrolyte membrane from the oxygen electrode.

燃料電池１０は発電に伴い熱を生じる。このため、燃料電池システムには、燃料電池１０を冷却して作動温度が電気化学反応に適した温度（例えば８０℃程度）となるようにする冷却システム４０〜４４が設けられている。   The fuel cell 10 generates heat with power generation. For this reason, the fuel cell system is provided with cooling systems 40 to 44 that cool the fuel cell 10 so that the operating temperature becomes a temperature suitable for the electrochemical reaction (for example, about 80 ° C.).

冷却システムには、燃料電池１０に冷却水（熱媒体）を循環させる冷却水経路４０、冷却水を循環させるウォータポンプ４１、ウォータポンプ４１を駆動する電動モータ４２、ファン４４を備えたラジエータ４３が設けられている。燃料電池１０で発生した熱は、冷却水を介してラジエータ４３で系外に排出される。このような冷却系によって、ウォータポンプ４１による流量制御、およびファン４４による風量制御で、燃料電池１０の冷却量制御を行うことができる。補機としての電動モータ４２は、図示を省略しているが、送風機用電動モータ２２と同様、インバータを介して二次電池１２と接続されている。   The cooling system includes a cooling water path 40 that circulates cooling water (heat medium) in the fuel cell 10, a water pump 41 that circulates the cooling water, an electric motor 42 that drives the water pump 41, and a radiator 43 that includes a fan 44. Is provided. The heat generated in the fuel cell 10 is discharged out of the system by the radiator 43 through the cooling water. With such a cooling system, the cooling amount control of the fuel cell 10 can be performed by the flow rate control by the water pump 41 and the air volume control by the fan 44. Although not shown, the electric motor 42 as an auxiliary machine is connected to the secondary battery 12 via an inverter, like the blower electric motor 22.

燃料電池１０と二次電池１２との間は、双方向に電力を伝達可能なＤＣ−ＤＣコンバータ１３を介して電気的に接続されている。このＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、燃料電池１０から二次電池１２、あるいは二次電池１２から燃料電池１０への、電力の流れをコントロールするものである。   The fuel cell 10 and the secondary battery 12 are electrically connected via a DC-DC converter 13 capable of transmitting power in both directions. The DC-DC converter 13 controls the flow of electric power from the fuel cell 10 to the secondary battery 12 or from the secondary battery 12 to the fuel cell 10.

燃料電池１０および二次電池１２とモータジェネレータ１１との間にインバータ１４が配置されている。このインバータ１４により、モータジェネレータ１１の機能、すなわち、電動機としての機能と発電機としての機能が切り換えられるようになっている。   An inverter 14 is arranged between the fuel cell 10 and the secondary battery 12 and the motor generator 11. The inverter 14 switches the function of the motor generator 11, that is, the function as an electric motor and the function as a generator.

そして、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３とインバータ１４の作動により、例えば、急加速時などに急激に大きな電力が必要になった場合には、燃料電池１０からだけでなく二次電池１２からもモータジェネレータ１１に電力を供給することができる。また、燃料電池１０の発電時に余った電力や、モータジェネレータ１１によって回生された電力を、二次電池１２に蓄えることができる。   When the DC-DC converter 13 and the inverter 14 are operated, for example, when a large amount of electric power is suddenly required during sudden acceleration, the motor generator 11 is not only from the fuel cell 10 but also from the secondary battery 12. Can be powered. Further, the surplus power during the power generation of the fuel cell 10 and the power regenerated by the motor generator 11 can be stored in the secondary battery 12.

燃料電池システムには、各セル１００の電圧を検出するセルモニタ１５と、燃料電池１０の温度を検出する温度センサ１６と、燃料電池１０の発電電流を検出する電流センサ１７が設けられている。さらに燃料電池システムには、燃料電池１０の両電極とＤＣ／ＤＣコンバータ１３とを結ぶ電流経路上に燃料電池１０と電力消費機器との間を電気的に開閉可能な２つの第１スイッチ１８ａ、１８ｂが設けられ、燃料電池１０の端子間を結ぶ電流経路に燃料電池１０の端子間を電気的に開閉可能な第２スイッチ１９が設けられている。なお、セルモニタ１５は本発明の電圧検出手段に相当し、温度センサ１６は本発明の燃料電池温度検出手段に相当し、第１スイッチ１８ａ、１８ｂは本発明の第１の開閉器に相当し、第２スイッチ１９は本発明の第２の開閉器に相当している。さらに、第１スイッチ１８ａ、１８ｂ、第２スイッチ１９、制御部５０は、本発明の発電効率調整手段に相当している。   The fuel cell system is provided with a cell monitor 15 that detects the voltage of each cell 100, a temperature sensor 16 that detects the temperature of the fuel cell 10, and a current sensor 17 that detects the generated current of the fuel cell 10. Further, the fuel cell system includes two first switches 18a that can be electrically opened and closed between the fuel cell 10 and the power consuming device on a current path that connects both electrodes of the fuel cell 10 and the DC / DC converter 13. 18 b is provided, and a second switch 19 that can electrically open and close between the terminals of the fuel cell 10 is provided in a current path that connects between the terminals of the fuel cell 10. The cell monitor 15 corresponds to the voltage detection means of the present invention, the temperature sensor 16 corresponds to the fuel cell temperature detection means of the present invention, the first switches 18a and 18b correspond to the first switch of the present invention, The second switch 19 corresponds to the second switch of the present invention. Furthermore, the first switches 18a and 18b, the second switch 19, and the control unit 50 correspond to the power generation efficiency adjusting means of the present invention.

燃料電池システムには、各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）５０が設けられている。制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏなどを備えた周知のマイクロコンピュータによって構成され、ＲＯＭなどに記憶されたプログラムに従って各種演算などの処理を実行する。制御部５０には、各種負荷からの要求電力信号、セルモニタ１５からの電圧信号、温度センサ１６からの温度信号、および電流センサ１７からの電流信号が入力される。また、制御部５０は、二次電池１２、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３、インバータ１４、２３、第１スイッチ１８ａ、１８ｂ、第２スイッチ１９、電動モータ２２、空気排出経路開閉弁２３、水素調圧弁３２、水素供給経路開閉弁３３、水素排出経路開閉弁３４、電動モータ４２、ファン４４等に制御信号を出力するように構成されている。   The fuel cell system is provided with a control unit (ECU) 50 that performs various controls. The control unit 50 is configured by a known microcomputer including a CPU, a ROM, a RAM, an I / O, and the like, and executes processing such as various calculations according to a program stored in the ROM. The control unit 50 receives a required power signal from various loads, a voltage signal from the cell monitor 15, a temperature signal from the temperature sensor 16, and a current signal from the current sensor 17. Further, the control unit 50 includes the secondary battery 12, the DC-DC converter 13, the inverters 14 and 23, the first switches 18 a and 18 b, the second switch 19, the electric motor 22, the air discharge path opening / closing valve 23, and the hydrogen pressure regulating valve 32. The hydrogen supply path on / off valve 33, the hydrogen discharge path on / off valve 34, the electric motor 42, the fan 44, and the like are configured to output control signals.

図２は、燃料電池１０の発電時における電流Ｉと電圧Ｖとの関係を示している。図２において、実線が定常運転時のＩ−Ｖ特性を示し、破線で囲んだ部分が水素の化学エネルギーを示している。図２に示す水素のエネルギーのうち、電気エネルギーに変換できない分は熱エネルギーに変換される。したがって、燃料電池１０の発電をＩ−Ｖ特性上で制御する場合には、水素のエネルギーのうちＩ−Ｖ特性より上側が熱エネルギーに変換され、燃料電池１０の自己発熱となる。   FIG. 2 shows the relationship between the current I and the voltage V when the fuel cell 10 generates power. In FIG. 2, the solid line indicates the IV characteristic during steady operation, and the portion surrounded by the broken line indicates the chemical energy of hydrogen. Of the hydrogen energy shown in FIG. 2, the amount that cannot be converted into electrical energy is converted into thermal energy. Therefore, when the power generation of the fuel cell 10 is controlled on the IV characteristics, the upper side of the hydrogen energy than the IV characteristics is converted into thermal energy, and the fuel cell 10 self-heats.

図２より、燃料電池１０の発電効率を低下させると、発生する電気エネルギーが低下する分、発生する熱エネルギーが増大することがわかる。発電効率とは、水素を消費したエネルギーに対する燃料電池１０が発電したエネルギーの比率である。燃料電池１０を定電流制御した場合には、電圧の低下とともに発電効率が低下する。燃料電池１０の発電効率は、反応ガス（水素、酸素）の供給量を減少させたり、燃料電池１０の電極間を短絡させることで調整することができる。   As can be seen from FIG. 2, when the power generation efficiency of the fuel cell 10 is reduced, the generated thermal energy is increased as much as the generated electrical energy is reduced. The power generation efficiency is a ratio of energy generated by the fuel cell 10 to energy consumed by hydrogen. When the fuel cell 10 is controlled at a constant current, the power generation efficiency decreases as the voltage decreases. The power generation efficiency of the fuel cell 10 can be adjusted by reducing the supply amount of the reaction gas (hydrogen, oxygen) or by short-circuiting the electrodes of the fuel cell 10.

また、反応ガスの供給量を減少させて、燃料電池１０の電圧をゼロボルト付近に制御した場合、燃料電池セル１００に逆電位が生じる場合がある。燃料電池セル１００での逆電位の発生を防ぐためには、燃料電池１０の発電電流を逆電位が発生しない電流値に制御すればよい。逆電位が発生しない電流値は燃料電池１０の温度によって変化するため、逆電位が発生しない電流値を燃料電池１０で発電させるのに必要な酸素供給量は、燃料電池１０の温度によって変化する。このため、逆電位が発生しない電流を燃料電池１０で発電させるのに必要な酸素供給量と、燃料電池１０の温度とを予め関連づけたマップ化しておき、燃料電池１０の温度に基づいて酸素供給量を決定すればよい。なお、温度センサ１６、送風機２１、電動モータ２２、制御部５０が本発明の逆電位防止手段に相当している。   Further, when the supply amount of the reaction gas is decreased and the voltage of the fuel cell 10 is controlled to be near zero volts, a reverse potential may be generated in the fuel cell 100. In order to prevent the generation of the reverse potential in the fuel cell 100, the generated current of the fuel cell 10 may be controlled to a current value that does not generate the reverse potential. Since the current value at which no reverse potential is generated varies depending on the temperature of the fuel cell 10, the oxygen supply amount necessary for generating the current value at which the reverse potential is not generated by the fuel cell 10 varies with the temperature of the fuel cell 10. For this reason, a map in which the oxygen supply amount necessary for generating the current that does not generate the reverse potential in the fuel cell 10 and the temperature of the fuel cell 10 are associated in advance is mapped, and the oxygen supply is performed based on the temperature of the fuel cell 10. The amount can be determined. The temperature sensor 16, the blower 21, the electric motor 22, and the control unit 50 correspond to the reverse potential preventing means of the present invention.

次に、本実施形態の燃料電池システムの発電効率制御について説明する。図３〜図５は、本実施形態の燃料電池システムの発電効率制御を示すフローチャートである。   Next, power generation efficiency control of the fuel cell system of the present embodiment will be described. 3 to 5 are flowcharts showing the power generation efficiency control of the fuel cell system according to the present embodiment.

図３に示すように、温度センサ１６で燃料電池１０の温度を検出し、燃料電池温度が第１所定温度ｔ０を下回っているか否かを判定する（Ｓ１００）。この結果、燃料電池温度が第１所定温度ｔ０を下回っている場合には、図４に示す発電効率制御１を行う（Ｓ１０１）。   As shown in FIG. 3, the temperature sensor 16 detects the temperature of the fuel cell 10, and determines whether or not the fuel cell temperature is below a first predetermined temperature t0 (S100). As a result, when the fuel cell temperature is lower than the first predetermined temperature t0, the power generation efficiency control 1 shown in FIG. 4 is performed (S101).

第１発電効率制御では、第１スイッチ１８ａ、１８ｂを開状態にし（Ｓ２００）、第２スイッチ１９を閉状態にする（Ｓ２０１）。これにより、燃料電池１０が短絡状態となる。そして、燃料電池１０に水素と空気を供給する（Ｓ２０２、Ｓ２０３）。燃料電池１０への水素供給量は、常に燃料電池１０における反応可能量以上に保つようにする。これにより、水素不足により電解質膜の劣化を抑制できる。また、燃料電池１０の水素と空気を供給開始する前に、第１スイッチ１８ａ、１８ｂを開状態にし、第２スイッチ１９を閉状態にすることで、これらのスイッチ１８ａ、１８ｂ、１９の切り替えを安全に行うことができる。   In the first power generation efficiency control, the first switches 18a and 18b are opened (S200), and the second switch 19 is closed (S201). Thereby, the fuel cell 10 will be in a short circuit state. Then, hydrogen and air are supplied to the fuel cell 10 (S202, S203). The amount of hydrogen supplied to the fuel cell 10 is always kept equal to or greater than the amount capable of reaction in the fuel cell 10. Thereby, deterioration of the electrolyte membrane can be suppressed due to lack of hydrogen. Further, before the supply of hydrogen and air to the fuel cell 10 is started, the first switches 18a and 18b are opened and the second switch 19 is closed so that the switches 18a, 18b and 19 are switched. It can be done safely.

そして、燃料電池温度が第１所定温度ｔ０を下回っているか否かを判定する（Ｓ２０４）。この結果、燃料電池温度が第１所定温度ｔ０を下回っている場合には（Ｓ２０４：ＹＥＳ）、燃料電池１０の電流を検出し（Ｓ２０５）、燃料電池１０への空気供給制御を行って空気供給量を減少させる（Ｓ２０６）。空気供給量の制御は、逆電位が発生しない電流を燃料電池１０で発電させるのに必要な酸素供給量と、燃料電池１０の温度とを予め関連づけたマップを用い、燃料電池１０の温度に基づいて逆電位が発生しない電流を燃料電池１０で発電させることができる空気供給量を決定する。   Then, it is determined whether or not the fuel cell temperature is below the first predetermined temperature t0 (S204). As a result, when the fuel cell temperature is lower than the first predetermined temperature t0 (S204: YES), the current of the fuel cell 10 is detected (S205), and the air supply control to the fuel cell 10 is performed to supply the air. The amount is decreased (S206). The control of the air supply amount is based on the temperature of the fuel cell 10 using a map in which the oxygen supply amount necessary for generating an electric current that does not generate a reverse potential in the fuel cell 10 and the temperature of the fuel cell 10 are associated in advance. Thus, the amount of air supply that can generate electric current in the fuel cell 10 without generating a reverse potential is determined.

このように、燃料電池１０を短絡させ、空気供給量を減少させることにより、外部出力電圧をゼロボルト付近にすることができ、燃料電池１０の発電効率をゼロに近づけることができる。これにより、燃料電池１０の発熱量が増大し、燃料電池１０を昇温させることができる。また、燃料電池１０への空気供給量を、燃料電池１０で逆電位が発生しない値にすることで、燃料電池１０で逆電位が発生することを防止できる。   In this way, by short-circuiting the fuel cell 10 and reducing the air supply amount, the external output voltage can be made near zero volts, and the power generation efficiency of the fuel cell 10 can be brought close to zero. Thereby, the emitted-heat amount of the fuel cell 10 increases, and the fuel cell 10 can be heated up. Further, by setting the amount of air supplied to the fuel cell 10 to a value at which no reverse potential is generated in the fuel cell 10, it is possible to prevent the reverse potential from being generated in the fuel cell 10.

次に、空気供給を停止し（Ｓ２０７）、燃料電池１０の電圧が所定電圧以下であることを確認し（Ｓ２０８）、水素供給を停止する（Ｓ２０９）。その後、第２スイッチ１９を開状態にし（Ｓ２１０）、第１スイッチ１８ａ、１８ｂを閉状態にする（Ｓ２１１）。このように、燃料電池１０の水素と空気の供給停止後、燃料電池１０の電圧が所定電圧以下であることを確認してから、第２スイッチ１９を開状態にし、第１スイッチ１８ａ、１８ｂを閉状態にすることで、安全にスイッチ１８ａ、１８ｂ、１９の切り替えを行うことができる。   Next, the air supply is stopped (S207), it is confirmed that the voltage of the fuel cell 10 is equal to or lower than a predetermined voltage (S208), and the hydrogen supply is stopped (S209). Thereafter, the second switch 19 is opened (S210), and the first switches 18a and 18b are closed (S211). As described above, after the supply of hydrogen and air to the fuel cell 10 is stopped, after confirming that the voltage of the fuel cell 10 is equal to or lower than a predetermined voltage, the second switch 19 is opened, and the first switches 18a and 18b are turned on. By setting the closed state, the switches 18a, 18b, and 19 can be switched safely.

以上の第１発電効率制御終了後、図３に戻り、通常運転を行う（Ｓ１０２）。そして、運転停止時に（Ｓ１０３）、燃料電池温度が第２所定温度ｔ１を下回っているか否かを判定する（Ｓ１０４）。この結果、燃料電池温度が第２所定温度ｔ１を下回っていると判定された場合には、図５に示す第２発電効率制御を行う（Ｓ１０５）。   After the end of the first power generation efficiency control, the routine returns to FIG. 3 and normal operation is performed (S102). Then, when the operation is stopped (S103), it is determined whether or not the fuel cell temperature is lower than the second predetermined temperature t1 (S104). As a result, when it is determined that the fuel cell temperature is lower than the second predetermined temperature t1, the second power generation efficiency control shown in FIG. 5 is performed (S105).

第２発電効率制御では、第１スイッチ１８ａ、１８ｂを開状態にし（Ｓ３００）、第２スイッチ１９を閉状態にする（Ｓ３０１）。これにより、燃料電池１０が短絡状態となる。そして、燃料電池１０に水素と空気を供給し（Ｓ３０２、Ｓ３０３）、燃料電池１０に冷却水を供給する（Ｓ３０４）。燃料電池１０への水素供給量は、常に燃料電池１０における反応可能量以上に保つようにする。これにより、水素不足により電解質膜の劣化を抑制できる。また、燃料電池１０の水素と空気を供給開始する前に、スイッチ１８ａ、１８ｂ、１９の切り替えを行うことで、スイッチ切り替えを安全に行うことができる。   In the second power generation efficiency control, the first switches 18a and 18b are opened (S300), and the second switch 19 is closed (S301). Thereby, the fuel cell 10 will be in a short circuit state. Then, hydrogen and air are supplied to the fuel cell 10 (S302, S303), and cooling water is supplied to the fuel cell 10 (S304). The amount of hydrogen supplied to the fuel cell 10 is always kept equal to or greater than the amount capable of reaction in the fuel cell 10. Thereby, deterioration of the electrolyte membrane can be suppressed due to lack of hydrogen. In addition, by switching the switches 18a, 18b, and 19 before starting the supply of hydrogen and air from the fuel cell 10, the switches can be switched safely.

そして、燃料電池温度が第１所定温度ｔ０を下回っているか否かを判定する（Ｓ３０５）。この結果、燃料電池温度が第１所定温度ｔ０を下回っている場合には（Ｓ３０５：ＹＥＳ）、燃料電池１０の電流を検出し（Ｓ３０６）、空気供給制御および冷却水制御を行う（Ｓ３０６、Ｓ３０７）。具体的には、空気供給量を減少させ、冷却水流量を減少させる。空気供給制御は、上記Ｓ２０６と同様、逆電位が発生しない電流を燃料電池１０で発電させるのに必要な酸素供給量と、燃料電池１０の温度とを予め関連づけたマップを用い、燃料電池１０の温度に基づいて逆電位が発生しない電流を燃料電池１０で発電させることができる空気供給量を決定する。   Then, it is determined whether or not the fuel cell temperature is lower than the first predetermined temperature t0 (S305). As a result, when the fuel cell temperature is lower than the first predetermined temperature t0 (S305: YES), the current of the fuel cell 10 is detected (S306), and air supply control and cooling water control are performed (S306, S307). ). Specifically, the air supply amount is decreased and the cooling water flow rate is decreased. As in S206, the air supply control uses a map in which the oxygen supply amount necessary for generating the current that does not generate a reverse potential in the fuel cell 10 and the temperature of the fuel cell 10 are correlated in advance. Based on the temperature, an air supply amount capable of generating a current that does not generate a reverse potential in the fuel cell 10 is determined.

このように、燃料電池１０を短絡させ、空気供給量を減少させることにより、外部出力電圧をゼロボルト付近にすることができ、燃料電池１０の発電効率をゼロに近づけることができる。さらに冷却水流量を減少させることで、燃料電池１０を昇温させやすくすることができる。また、燃料電池１０で逆電位が発生することを防止できる。   In this way, by short-circuiting the fuel cell 10 and reducing the air supply amount, the external output voltage can be made near zero volts, and the power generation efficiency of the fuel cell 10 can be brought close to zero. Further, the temperature of the fuel cell 10 can be easily increased by decreasing the cooling water flow rate. Further, it is possible to prevent the reverse potential from being generated in the fuel cell 10.

次に、空気供給を停止し（Ｓ３０８）、燃料電池１０の電圧が所定電圧以下であることを確認し（Ｓ３０９）、水素供給を停止する（Ｓ３１０）。その後、第２スイッチ１９を開状態にし（Ｓ３１１）、第１スイッチ１８ａ、１８ｂを閉状態にする（Ｓ３１２）。このように、燃料電池１０の水素と空気の供給停止後、燃料電池１０の電圧が所定電圧以下であることを確認してから、スイッチ１８ａ、１８ｂ、１９の切り替えを行うことで、スイッチ切り替えを安全に行うことができる。   Next, the air supply is stopped (S308), it is confirmed that the voltage of the fuel cell 10 is equal to or lower than a predetermined voltage (S309), and the hydrogen supply is stopped (S310). Thereafter, the second switch 19 is opened (S311), and the first switches 18a and 18b are closed (S312). As described above, after the supply of hydrogen and air to the fuel cell 10 is stopped, it is confirmed that the voltage of the fuel cell 10 is equal to or lower than a predetermined voltage, and then the switches 18a, 18b, and 19 are switched to switch the switch. It can be done safely.

以上の第２発電効率制御終了後、図３に戻り、燃料電池１０内部の残留水分を除去する水分パージを行い（Ｓ１０６）、システムを終了させる。このように、燃料電池１０の温度が高くなった状態で水分パージを行うことで、水分パージに要する時間を短くすることができる。   After the second power generation efficiency control is completed, the process returns to FIG. 3 to perform a moisture purge for removing the residual moisture in the fuel cell 10 (S106), and the system is terminated. In this way, by performing the moisture purge while the temperature of the fuel cell 10 is high, the time required for the moisture purge can be shortened.

以上の構成により、低温起動時には、発電効率制御を行うことで燃料電池１０を昇温させることができる。これにより、燃料電池１０が起動できなくなることを防止でき、燃料電池起動後においても電気化学反応による生成水が凍結してしまうことを防止できる。また、燃料電池１０への空気供給量を、逆電位が発生しない電流を燃料電池１０で発電させるのに必要な酸素供給量と、燃料電池１０の温度とを予め関連づけたマップを用いて決定することで、燃料電池１０で逆電位が発生することを防止でき、電解質が劣化してしまうことを防止できる。   With the above configuration, the temperature of the fuel cell 10 can be raised by performing power generation efficiency control at low temperature startup. Thereby, it can prevent that the fuel cell 10 becomes unable to start, and it can prevent that the water produced | generated by an electrochemical reaction freezes even after fuel cell starting. In addition, the amount of air supplied to the fuel cell 10 is determined using a map in which the oxygen supply amount necessary for causing the fuel cell 10 to generate a current that does not generate a reverse potential and the temperature of the fuel cell 10 are associated in advance. Thus, it is possible to prevent the reverse potential from being generated in the fuel cell 10 and to prevent the electrolyte from being deteriorated.

また、燃料電池システムを停止する際にも、燃料電池１０の温度が低い場合には、発電効率制御を行うことで、燃料電池１０で逆電位が発生することを防止しつつ、燃料電池１０を昇温させることができ、効率的に燃料電池１０内部の残留水を除去することができる。これにより、燃料電池システム停止時に燃料電池１０内部の水が凍結し、燃料電池１０が起動できなくなることを防止できる。   In addition, when the temperature of the fuel cell 10 is low when the fuel cell system is stopped, the fuel cell 10 is controlled while preventing generation of a reverse potential in the fuel cell 10 by performing power generation efficiency control. The temperature can be raised, and the residual water inside the fuel cell 10 can be efficiently removed. Thereby, it is possible to prevent the water inside the fuel cell 10 from being frozen when the fuel cell system is stopped, and the fuel cell 10 from being unable to start.

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図６〜図８に基づいて説明する。上記第１実施形態と同様の部分は、同一の符号を付して説明を省略する。 (Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

図６は、燃料電池１０とスイッチ１８、１９等を示している。図６に示すように、本第２実施形態では、燃料電池１０の両電極間を結ぶ電流経路に第２スイッチ１９に加えて、可変抵抗６０が設けられている。制御部５０は可変抵抗６０に制御信号を出力するように構成されており、この制御信号に基づいて可変抵抗６０は抵抗値を変更する。なお、可変抵抗６０は、逆電位防止手段の一具体例を示している。   FIG. 6 shows the fuel cell 10 and the switches 18, 19 and the like. As shown in FIG. 6, in the second embodiment, in addition to the second switch 19, a variable resistor 60 is provided in the current path connecting both electrodes of the fuel cell 10. The control unit 50 is configured to output a control signal to the variable resistor 60, and the variable resistor 60 changes the resistance value based on the control signal. The variable resistor 60 shows a specific example of the reverse potential preventing means.

次に、本第２実施形態の発電効率制御について説明する。   Next, the power generation efficiency control of the second embodiment will be described.

図７は、本第２実施形態の第１発電効率制御の内容を示すフローチャートである。図７に示すように、本第２実施形態では、燃料電池温度が第１所定温度ｔ０を下回っていると判定された場合には（Ｓ２０４：ＹＥＳ）、電流量がゼロか否かを判定し（Ｓ２１１：ＹＥＳ）、電流量がゼロでない場合には（Ｓ２１１：ＮＯ）、空気供給制御を行うとともに（Ｓ２０５）、可変抵抗６０の抵抗値を制御する（Ｓ２１２）。可変抵抗６０の抵抗値の制御は、燃料電池１０の発電電流が逆電位が発生しない電流となるように行う。   FIG. 7 is a flowchart showing the contents of the first power generation efficiency control of the second embodiment. As shown in FIG. 7, in the second embodiment, when it is determined that the fuel cell temperature is lower than the first predetermined temperature t0 (S204: YES), it is determined whether or not the current amount is zero. If the current amount is not zero (S211: NO), air supply control is performed (S205), and the resistance value of the variable resistor 60 is controlled (S212). The resistance value of the variable resistor 60 is controlled such that the generated current of the fuel cell 10 is a current that does not generate a reverse potential.

図８は、本第２実施形態の第２発電効率制御の内容を示すフローチャートである。図８に示すように、本第２実施形態では、燃料電池温度が第１所定温度ｔ０を下回っていると判定された場合には（Ｓ３０５：ＹＥＳ）、電流量がゼロか否かを判定し（Ｓ３１３：ＹＥＳ）、電流量がゼロでない場合には（Ｓ３１３：ＮＯ）、空気供給制御を行い（Ｓ３０６）、可変抵抗６０の抵抗値を制御し（Ｓ３１４）、冷却水制御を行う（Ｓ３０７）。可変抵抗６０の抵抗値の制御は、燃料電池１０の発電電流が逆電位が発生しない電流となるように行う。   FIG. 8 is a flowchart showing the contents of the second power generation efficiency control of the second embodiment. As shown in FIG. 8, in the second embodiment, when it is determined that the fuel cell temperature is lower than the first predetermined temperature t0 (S305: YES), it is determined whether or not the current amount is zero. (S313: YES) If the amount of current is not zero (S313: NO), air supply control is performed (S306), the resistance value of the variable resistor 60 is controlled (S314), and cooling water control is performed (S307). . The resistance value of the variable resistor 60 is controlled such that the generated current of the fuel cell 10 is a current that does not generate a reverse potential.

このような構成によっても、上記第１実施形態と同様、燃料電池１０での逆電位の発生を防止しつつ、燃料電池１０を効率的に昇温させることができる。   Even with such a configuration, as in the first embodiment, the temperature of the fuel cell 10 can be efficiently raised while preventing the generation of a reverse potential in the fuel cell 10.

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図９、図１０に基づいて説明する。上記各実施形態と同様の部分は、同一の符号を付して説明を省略する。 (Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The same parts as those in the above embodiments are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

上記第１実施形態の構成において、第１スイッチ１８を開閉状態にし第２スイッチ１９を閉状態にして燃料電池１０を短絡させた場合、燃料電池１０の起動直後にいわゆる突入電流が発生し、燃料電池１０から一時的に過大な電流が流れることがある。このような燃料電池１０での大電流の発生により、燃料電池１０を構成する各セル１００でのガス供給量がばらつき、電解質膜の劣化を招く恐れがある。このため、本第３実施形態では、突入電流の発生を防止する突入電流防止回路を設けている。   In the configuration of the first embodiment, when the fuel cell 10 is short-circuited with the first switch 18 opened and closed and the second switch 19 closed, a so-called inrush current is generated immediately after the fuel cell 10 is started, An excessive current may temporarily flow from the battery 10. Due to the generation of such a large current in the fuel cell 10, the gas supply amount in each cell 100 constituting the fuel cell 10 varies, which may cause deterioration of the electrolyte membrane. For this reason, in the third embodiment, an inrush current prevention circuit for preventing the occurrence of an inrush current is provided.

図９は、本第３実施形態の燃料電池１０と突入電流防止回路６１を示している。図９に示すように、本第３実施形態では、燃料電池１０の両電極間を結ぶ電流経路に突入電流防止回路６１が設けられている。突入電流防止回路６１は、スイッチング動作を行いつつ、抵抗を段階的に小さくすることで電流値を段階的に上昇させて突入電流の発生を防止するものである。制御部５０は突入電流防止回路６１に制御信号を出力するように構成されており、この制御信号に基づいて電流防止回路６１は電流経路を変更し抵抗を変化させる。なお、本第３実施形態の突入電流防止回路６１は本発明の突入電流防止手段および第２の開閉器に相当している。   FIG. 9 shows the fuel cell 10 and the inrush current prevention circuit 61 of the third embodiment. As shown in FIG. 9, in the third embodiment, an inrush current prevention circuit 61 is provided in a current path connecting both electrodes of the fuel cell 10. The inrush current prevention circuit 61 prevents the occurrence of an inrush current by increasing the current value stepwise by reducing the resistance stepwise while performing a switching operation. The control unit 50 is configured to output a control signal to the inrush current prevention circuit 61. Based on this control signal, the current prevention circuit 61 changes the current path and changes the resistance. The inrush current prevention circuit 61 of the third embodiment corresponds to the inrush current prevention means and the second switch of the invention.

突入電流防止回路６１には、スイッチング素子としての２つのサイリスタ６１ａ、６１ｂと、２つの抵抗６１ｃ、６１ｄとが設けられている。第１サイリスタ６１ａは、第２サイリスタ６１ｂおよび２つの抵抗６１ｃ、６１ｄと並列接続されている。第２サイリスタ６１ｂは、第１抵抗６１ｃと直列接続されているとともに、第２抵抗６１ｄと並列接続されている。なお、スイッチング素子としてのサイリスタ６１ａ、６１ｂが本発明の抵抗切替手段に相当している。スイッチング素子としてはサイリスタ以外のパワートランジスタを用いてもよい。   The inrush current prevention circuit 61 is provided with two thyristors 61a and 61b as switching elements and two resistors 61c and 61d. The first thyristor 61a is connected in parallel with the second thyristor 61b and the two resistors 61c and 61d. The second thyristor 61b is connected in series with the first resistor 61c and is connected in parallel with the second resistor 61d. The thyristors 61a and 61b as switching elements correspond to the resistance switching means of the present invention. A power transistor other than a thyristor may be used as the switching element.

第２抵抗６１ｄは第１抵抗６１ｃより抵抗値が大きくなるように構成されている。また、第１抵抗６１ｃと第２抵抗６１ｄの合成抵抗は、燃料電池１０の発電電流が電流がほとんど流れない抵抗値に設定されている。本実施形態では、第１抵抗６１ｃの抵抗値を５オームとし、第２抵抗６１ｄの抵抗値は１０オームとしている。   The second resistor 61d is configured to have a larger resistance value than the first resistor 61c. The combined resistance of the first resistor 61c and the second resistor 61d is set to a resistance value at which the generated current of the fuel cell 10 hardly flows. In the present embodiment, the resistance value of the first resistor 61c is 5 ohms, and the resistance value of the second resistor 61d is 10 ohms.

次に、突入電流防止回路６１の作動について図１０に基づいて説明する。図１０は突入電流防止回路６１の作動を説明するための図である。   Next, the operation of the inrush current prevention circuit 61 will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a diagram for explaining the operation of the inrush current prevention circuit 61.

まず、燃料電池１０の端子間を開状態とする場合には、第１サイリスタ６１ａおよび第２サイリスタ６１ｂともにゲートに電圧を印加しない。この状態では、第１サイリスタ６１ａおよび第２サイリスタ６１ｂともに電流を流さないため、電流の経路は第１抵抗６１ｃおよび第２抵抗６１ｄを通過する電流経路Ａとなる。この場合、電流経路Ａの抵抗は第１抵抗６１ｃと第２抵抗６１ｄとの合成抵抗となり、電流経路Ａには電流がほとんど流れない。   First, when the terminals of the fuel cell 10 are opened, no voltage is applied to the gates of both the first thyristor 61a and the second thyristor 61b. In this state, since no current flows through both the first thyristor 61a and the second thyristor 61b, the current path is the current path A that passes through the first resistor 61c and the second resistor 61d. In this case, the resistance of the current path A is a combined resistance of the first resistance 61c and the second resistance 61d, and almost no current flows through the current path A.

次に、第２サイリスタ６１ｂのゲートにプラス電圧を印加する。これにより、第２サイリスタ６１ｂは電流を流すようになり、電流の経路は第１抵抗６１ｃのみを通過する電流経路Ｂとなる。この場合、電流経路Ｂの抵抗は第１抵抗６１ｃのみなので、電流経路Ｂには電流が流れるようになり、燃料電池１０の端子間が閉状態となる。このとき、電流経路Ｂには第１抵抗６１ｃが存在しており、電流経路Ｂに過大な電流が流れることを防ぐことができる。   Next, a plus voltage is applied to the gate of the second thyristor 61b. As a result, the second thyristor 61b allows current to flow, and the current path becomes a current path B that passes only through the first resistor 61c. In this case, since the resistance of the current path B is only the first resistance 61c, a current flows through the current path B, and the terminals of the fuel cell 10 are closed. At this time, the first resistor 61c exists in the current path B, and an excessive current can be prevented from flowing in the current path B.

次に、第１サイリスタ６１ａのゲートにプラス電圧を印加する。これにより、第１サイリスタ６１ａは電流を流すようになり、電流の経路は抵抗６１ｃ、６１ｄを通過しない電流経路Ｃとなる。これにより、燃料電池１０の端子間が短絡状態となる。このように、燃料電池１０を短絡させ、上記各実施形態のように空気供給量を減少させることにより、外部出力電圧をゼロボルト付近にすることができ、燃料電池１０の発電効率をゼロに近づけることができる。   Next, a positive voltage is applied to the gate of the first thyristor 61a. As a result, the first thyristor 61a allows current to flow, and the current path becomes a current path C that does not pass through the resistors 61c and 61d. As a result, the terminals of the fuel cell 10 are short-circuited. In this way, by short-circuiting the fuel cell 10 and reducing the air supply amount as in the above embodiments, the external output voltage can be brought close to zero volts, and the power generation efficiency of the fuel cell 10 is brought close to zero. Can do.

以上のように、燃料電池１０の端子間を短絡させる際に、抵抗を段階的に変化させることで電流値を段階的に上昇させる突入電流防止回路６１を設けることで、突入電流の発生を防止することができる。また、本実施形態のようにスイッチング素子としてサイリスタを用いることで、無理なく迅速に回路を切り替えることが可能となる。   As described above, when the terminals of the fuel cell 10 are short-circuited, the inrush current prevention circuit 61 that increases the current value stepwise by changing the resistance stepwise is provided to prevent the occurrence of the inrush current. can do. Further, by using a thyristor as a switching element as in the present embodiment, it becomes possible to switch the circuit quickly without difficulty.

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図１１に基づいて説明する。本第４実施形態は、上記第３実施形態と比較して、突入電流防止回路の構成が異なるものである。上記各実施形態と同様の部分は、同一の符号を付して説明を省略する。 (Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The fourth embodiment differs from the third embodiment in the configuration of the inrush current prevention circuit. The same parts as those in the above embodiments are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

図１１は、本第４実施形態の燃料電池１０と突入電流防止回路６２を示している。図１１に示すように、本第４実施形態では、燃料電池１０の両電極間を結ぶ電流経路にスイッチ１９とともに突入電流防止回路６２が設けられている。本実施形態の突入電流防止回路６２は、コイル（インダクタンス）６２ａとダイオード６２ｂが並列接続されて構成されている。なお、本第４実施形態の突入電流防止回路６２は本発明の突入電流防止手段に相当している。   FIG. 11 shows the fuel cell 10 and the inrush current prevention circuit 62 according to the fourth embodiment. As shown in FIG. 11, in the fourth embodiment, an inrush current preventing circuit 62 is provided along with the switch 19 in the current path connecting both electrodes of the fuel cell 10. The inrush current prevention circuit 62 of the present embodiment is configured by connecting a coil (inductance) 62a and a diode 62b in parallel. The inrush current prevention circuit 62 of the fourth embodiment corresponds to the inrush current prevention means of the present invention.

図１１の突入電流防止回路６２では、燃料電池１０の端子間を流れる電流は図中左側から右側に向けて流れるように構成されており、ダイオード６２ｂは燃料電池１０の電流流れ方向と逆方向の電流、言い換えればコイル６２ａにおける電流流れ方向と逆方向の電流を流すようになっている。このため、スイッチ１９が閉状態となった場合には、燃料電池１０の端子間を流れる電流は突入電流防止回路６２のコイル６２ａのみを流れる。   In the inrush current prevention circuit 62 of FIG. 11, the current flowing between the terminals of the fuel cell 10 is configured to flow from the left side to the right side in the drawing, and the diode 62b is in a direction opposite to the current flow direction of the fuel cell 10. A current, in other words, a current in the direction opposite to the direction of current flow in the coil 62a is allowed to flow. For this reason, when the switch 19 is closed, the current flowing between the terminals of the fuel cell 10 flows only through the coil 62 a of the inrush current prevention circuit 62.

周知のようにコイル６２ａに流れる電流Ｉが変化した場合、コイル６２ａには−Ｌ（ｄＩ／ｄｔ）の起電力が生じる。スイッチ１９を閉状態にしたとき、コイル６２ａを通過する電流が増大するため、コイル６２ａには燃料電池１０の電流流れ方向と逆方向に燃料電池１０の電流の大きさに比例した起電力が発生する。これにより、燃料電池１０の電流とコイル６２ａの起電力とが打ち消し合って、突入電流の発生を防止することができる。コイル６２ａの起電力は、燃料電池１０の電流が定常状態になったときに消滅する。   As is well known, when the current I flowing through the coil 62a changes, an electromotive force of -L (dI / dt) is generated in the coil 62a. When the switch 19 is closed, the current passing through the coil 62a increases, so that an electromotive force proportional to the magnitude of the current in the fuel cell 10 is generated in the coil 62a in the direction opposite to the current flow direction in the fuel cell 10. To do. Thereby, the current of the fuel cell 10 and the electromotive force of the coil 62a cancel each other, and the occurrence of an inrush current can be prevented. The electromotive force of the coil 62a disappears when the current of the fuel cell 10 reaches a steady state.

そして、スイッチ１９を閉状態から開状態にしたときに、コイル６２ａに蓄えられた電圧により起電力が発生し、燃料電池１０の電流流れ方向と逆方向に電流が流れるおそれがある。これに対し、本実施形態のように、コイル６２ａと並列に燃料電池１０の電流流れ方向と逆方向の電流を流すダイオード６２ｂを設けることで、コイル６２ａに蓄えられた電圧により発生する電流はコイル６２ａとダイオード６２ｂとからなるループを図中の時計方向に流れ、次第に消滅する。これにより、スイッチ１９を開状態にしたときに、コイル６２ａで発生する起電力で燃料電池１０の電流流れ方向と逆方向の電流が流れることを防止できる。   When the switch 19 is changed from the closed state to the open state, an electromotive force is generated by the voltage stored in the coil 62a, and the current may flow in a direction opposite to the current flow direction of the fuel cell 10. On the other hand, the current generated by the voltage stored in the coil 62a can be obtained by providing the diode 62b that flows a current in the direction opposite to the current flow direction of the fuel cell 10 in parallel with the coil 62a as in the present embodiment. A loop composed of 62a and diode 62b flows in the clockwise direction in the figure and gradually disappears. Thereby, when the switch 19 is in the open state, it is possible to prevent a current in the direction opposite to the current flow direction of the fuel cell 10 from flowing due to the electromotive force generated in the coil 62a.

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について図１２、図１３に基づいて説明する。上記各実施形態と同様の部分は、同一の符号を付して説明を省略する。 (Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The same parts as those in the above embodiments are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

図１２は、燃料電池１０を構成する各セル１００の電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を示している。図１２（ａ）は本実施形態の空気供給量制御を行わない場合のＩ−Ｖ特性を示し、図１２（ｂ）は本実施形態の空気供給量制御を行った場合のＩ−Ｖ特性を示している。   FIG. 12 shows current-voltage characteristics (IV characteristics) of each cell 100 constituting the fuel cell 10. FIG. 12A shows the IV characteristics when the air supply amount control of the present embodiment is not performed, and FIG. 12B shows the IV characteristics when the air supply amount control of the present embodiment is performed. Show.

上記実施形態の発電効率制御（Ｓ１０１、Ｓ１０５）では、燃料電池１０を短絡させ、燃料電池１０への空気供給量を減少させることで、燃料電池１０を低電圧で作動させるように構成したが、この発電効率制御を低温時に行った場合には、燃料電池１０を構成する各セル１００への空気供給量のばらつきにより各セル１００の電圧がばらつくことがある。この結果、図１２（ａ）に示すように、空気供給量が少ないセル１００では逆電位が発生し、電解質膜の破損を招くおそれがある。これを防ぐためには、最も電圧が低くなるセル１００で逆電位が発生しない電流値で燃料電池１０を作動させる必要がある。また、燃料電池１０を早期に昇温させるためには、最も電圧が低くなるセル１００で逆電位が発生しない範囲で燃料電池１０の電流値をできるだけ高くする必要がある。   In the power generation efficiency control (S101, S105) of the above embodiment, the fuel cell 10 is operated at a low voltage by short-circuiting the fuel cell 10 and decreasing the amount of air supplied to the fuel cell 10. When this power generation efficiency control is performed at a low temperature, the voltage of each cell 100 may vary due to variations in the amount of air supplied to each cell 100 constituting the fuel cell 10. As a result, as shown in FIG. 12A, a reverse potential is generated in the cell 100 with a small air supply amount, which may cause damage to the electrolyte membrane. In order to prevent this, it is necessary to operate the fuel cell 10 at a current value at which no reverse potential is generated in the cell 100 where the voltage is lowest. Further, in order to raise the temperature of the fuel cell 10 at an early stage, it is necessary to make the current value of the fuel cell 10 as high as possible within a range where no reverse potential is generated in the cell 100 where the voltage is lowest.

本第５実施形態では、発電効率制御を行う際の燃料電池１０への空気供給量を、最も電圧が低くなるセル１００で逆電位が発生しない範囲での最大電流値で燃料電池１０が発電するための空気供給量としている。最も電圧が低くなるセル１００で逆電位が発生しない範囲での最大電流値で燃料電池１０が発電するための空気供給量は、燃料電池１０の温度に依存している。このため、制御部５０は、発電効率制御を行う際に燃料電池１０の温度に応じて燃料電池１０への空気供給量を調整する。   In the fifth embodiment, the fuel cell 10 generates electric power at the maximum current value in the range where the reverse potential does not occur in the cell 100 where the voltage is the lowest when the power supply efficiency control is performed. Air supply amount for The amount of air supplied for the fuel cell 10 to generate power at the maximum current value in a range where no reverse potential is generated in the cell 100 where the voltage is the lowest depends on the temperature of the fuel cell 10. Therefore, the control unit 50 adjusts the air supply amount to the fuel cell 10 according to the temperature of the fuel cell 10 when performing the power generation efficiency control.

図１３は、燃料電池１０の温度と、最も電圧が低くなるセル１００で逆電位が発生しない空気供給量との関係を示している。制御部５０は、ＲＯＭ等のメモリに図１３に示す燃料電池温度と空気供給量との関係をマップとして記憶している。制御部５０は、発電効率制御（Ｓ１０１、Ｓ１０５）において、温度センサ１６で燃料電池温度を検出し、メモリから燃料電池温度と空気供給量とが関連づけられたマップを読み出し、このマップに基づいて検出した燃料電池温度に対応する空気供給量を目標空気供給量として決定する。そして、制御部５０は、送風機２１による空気供給量が目標空気供給量となるように電動モータ２２の回転数を制御する。   FIG. 13 shows the relationship between the temperature of the fuel cell 10 and the air supply amount at which no reverse potential is generated in the cell 100 where the voltage is lowest. The control unit 50 stores the relationship between the fuel cell temperature and the air supply amount shown in FIG. 13 as a map in a memory such as a ROM. In the power generation efficiency control (S101, S105), the control unit 50 detects the fuel cell temperature with the temperature sensor 16, reads a map in which the fuel cell temperature and the air supply amount are associated from the memory, and detects based on the map. The air supply amount corresponding to the fuel cell temperature thus determined is determined as the target air supply amount. And the control part 50 controls the rotation speed of the electric motor 22 so that the air supply amount by the air blower 21 may become a target air supply amount.

このように、最も電圧が低くなるセル１００で逆電位が発生しない範囲での最大電流値で燃料電池１０が発電する空気供給量に制御することで、低温時に燃料電池１０を低電圧で作動させた場合にも、逆電位が発生することを防止できるとともに、燃料電池１０を早期に昇温させることができる。また、燃料電池温度に基づいて空気供給量を決定する場合には、空気供給量決定のために燃料電池１０を構成する各セル１００の電圧を検出する必要がない。   In this way, the fuel cell 10 is operated at a low voltage at a low temperature by controlling the air supply amount generated by the fuel cell 10 at the maximum current value in a range where no reverse potential is generated in the cell 100 where the voltage is the lowest. In this case, the reverse potential can be prevented from being generated, and the temperature of the fuel cell 10 can be raised quickly. Further, when the air supply amount is determined based on the fuel cell temperature, it is not necessary to detect the voltage of each cell 100 constituting the fuel cell 10 for determining the air supply amount.

（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について説明する。上記各実施形態と同様の部分は、同一の符号を付して説明を省略する。 (Sixth embodiment)
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described. The same parts as those in the above embodiments are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

上記各実施形態では、発電効率制御（Ｓ１０１、Ｓ１０５）において、燃料電池１０の温度に基づいて燃料電池１０への空気供給量を決定したが、本第６実施形態では、セルモニタ１５にて検出した各セル１００の電圧に基づいて燃料電池１０への空気供給量を決定するように構成されている。なお、セルモニタ１５が本発明のセル電圧検出手段に相当している。   In each of the above embodiments, in the power generation efficiency control (S101, S105), the air supply amount to the fuel cell 10 is determined based on the temperature of the fuel cell 10, but in the sixth embodiment, it is detected by the cell monitor 15. The air supply amount to the fuel cell 10 is determined based on the voltage of each cell 100. The cell monitor 15 corresponds to the cell voltage detection means of the present invention.

本実施形態の制御部５０は、発電効率制御（Ｓ１０１、Ｓ１０５）において、セルモニタ１５にて検出した各セル１００の電圧のいずれかがマイナス電位となった場合に、燃料電池１０への空気供給量を減少させ、燃料電池１０の出力電流値を低下させる。そして、各セル１００の電位のすべてがプラス電位となるまで燃料電池１０への空気供給量を減少させて燃料電池１０の出力電流値を低下させる。このような構成によっても、燃料電池１０で逆電位が発生することを抑制することができる。   In the power generation efficiency control (S101, S105), the control unit 50 according to the present embodiment supplies an air supply amount to the fuel cell 10 when any of the voltages of each cell 100 detected by the cell monitor 15 becomes a negative potential. And the output current value of the fuel cell 10 is reduced. Then, the amount of air supplied to the fuel cell 10 is decreased until all of the potentials of the cells 100 become positive potentials, thereby reducing the output current value of the fuel cell 10. Even with such a configuration, it is possible to suppress the generation of a reverse potential in the fuel cell 10.

（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、燃料電池１０の発電効率制御を燃料電池１０の起動時と停止時に行ったが、これに限らず、通常運転時において燃料電池１０の温度が所定温度を下回った場合に本発明の発電効率制御を行ってもよい。これにより、燃料電池１０内部からの水分排出を促進でき、燃料電池１０内部の残留水で反応ガスの拡散が阻害されるフラッディングを防止できる。 (Other embodiments)
In the above-described embodiment, the power generation efficiency control of the fuel cell 10 is performed when the fuel cell 10 is started and stopped. However, the present invention is not limited to this, and when the temperature of the fuel cell 10 falls below a predetermined temperature during normal operation. You may perform the power generation efficiency control of this invention. As a result, moisture discharge from the inside of the fuel cell 10 can be promoted, and flooding in which the diffusion of the reaction gas is inhibited by residual water inside the fuel cell 10 can be prevented.

また、上記実施形態では、燃料電池温度検出手段として燃料電池温度を直接検出する温度センサ１６を用いたが、これに限らず、燃料電池温度を間接的に検出する手段を用いることもできる。例えば、燃料電池１０の発電電流と燃料電池１０の発熱量とは相関関係があるので、電流センサ１７にて検出した燃料電池１０の発電電流に基づいて燃料電池温度を間接的に求めることができる。さらに、空気排出経路２０ｂに温度センサを設け、燃料電池１０から排出される排出空気（酸化剤排ガス）の温度を検出することによっても、燃料電池温度を間接的に求めることができる。   In the above embodiment, the temperature sensor 16 that directly detects the fuel cell temperature is used as the fuel cell temperature detecting means. However, the present invention is not limited to this, and a means that indirectly detects the fuel cell temperature can also be used. For example, since the power generation current of the fuel cell 10 and the amount of heat generated by the fuel cell 10 have a correlation, the fuel cell temperature can be obtained indirectly based on the power generation current of the fuel cell 10 detected by the current sensor 17. . Further, the temperature of the fuel cell can be indirectly obtained by providing a temperature sensor in the air discharge path 20b and detecting the temperature of the exhaust air (oxidant exhaust gas) discharged from the fuel cell 10.

また、空気排出経路２０ｂに白金等の酸化触媒を担持するように構成してもよい。燃料電池１０の発電効率制御を行う際に、仮に燃料電池１０で逆電位が発生した場合には、燃料電池１０の酸素極側に水素が移動し、空気排出経路２０ｂから水素が排出される可能性がある。このため、空気排出経路２０ｂに酸化触媒を設けることで、水素を空気中の酸素と反応させて消費することができ、外部に水素が漏れ出ることを防止できる。   Further, an oxidation catalyst such as platinum may be supported on the air discharge path 20b. When power generation efficiency control of the fuel cell 10 is performed, if a reverse potential occurs in the fuel cell 10, hydrogen moves to the oxygen electrode side of the fuel cell 10 and hydrogen can be discharged from the air discharge path 20b. There is sex. For this reason, by providing an oxidation catalyst in the air discharge path 20b, hydrogen can be consumed by reacting with oxygen in the air, and hydrogen can be prevented from leaking outside.

また、空気排出経路２０ｂの内部に外気を導入し、空気排出経路２０ｂ内部のガス濃度を低下させるガス希釈手段を設けてもよい。これにより、燃料電池１０の酸素極側に水素が移動し、空気排出経路２０ｂに水素が存在する場合にも、外気によって水素を希釈して水素濃度を低下させてから外部に排出することができる。例えば空気供給経路２０ａにおける送風機２１の下流側と空気排出経路２０ｂとを接続するバイパス経路を設け、送風機２１から供給される外気を空気排出経路２０ｂに導入するように構成することができる。この場合には、バイパス経路と送風機２１とがガス希釈手段に相当する。   Moreover, you may provide the gas dilution means which introduces external air inside the air exhaust path 20b, and reduces the gas concentration inside the air exhaust path 20b. Thereby, even when hydrogen moves to the oxygen electrode side of the fuel cell 10 and hydrogen exists in the air discharge path 20b, it can be discharged outside after diluting the hydrogen with the outside air to reduce the hydrogen concentration. . For example, a bypass path that connects the downstream side of the blower 21 and the air discharge path 20b in the air supply path 20a may be provided, and the outside air supplied from the blower 21 may be introduced into the air discharge path 20b. In this case, the bypass path and the blower 21 correspond to the gas dilution means.

第１実施形態の燃料電池システムの概念図である。It is a conceptual diagram of the fuel cell system of 1st Embodiment. 燃料電池の発電時における電流Ｉと電圧Vとの関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between the electric current I and the voltage V at the time of the power generation of a fuel cell. 第１実施形態の燃料電池システムの発電効率制御を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows electric power generation efficiency control of the fuel cell system of 1st Embodiment. 第１実施形態の燃料電池システムの発電効率制御を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows electric power generation efficiency control of the fuel cell system of 1st Embodiment. 第１実施形態の燃料電池システムの発電効率制御を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows electric power generation efficiency control of the fuel cell system of 1st Embodiment. 第２実施形態の燃料電池とスイッチ等を示す図である。It is a figure which shows the fuel cell, switch, etc. of 2nd Embodiment. 第２実施形態の燃料電池システムの発電効率制御を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the electric power generation efficiency control of the fuel cell system of 2nd Embodiment. 第２実施形態の燃料電池システムの発電効率制御を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the electric power generation efficiency control of the fuel cell system of 2nd Embodiment. 第３実施形態の燃料電池と突入電流防止回路を示す図である。It is a figure which shows the fuel cell and inrush current prevention circuit of 3rd Embodiment. 第３実施形態の突入電流防止回路を示す図である。It is a figure which shows the inrush current prevention circuit of 3rd Embodiment. 第４実施形態の燃料電池と突入電流防止回路を示す図である。It is a figure which shows the fuel cell and inrush current prevention circuit of 4th Embodiment. 第５実施形態の燃料電池セルの電流−電圧特性を示す図である。It is a figure which shows the electric current-voltage characteristic of the fuel battery cell of 5th Embodiment. 第５実施形態の燃料電池温度と燃料電池への空気供給量との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the fuel cell temperature of 5th Embodiment, and the air supply amount to a fuel cell.

符号の説明Explanation of symbols

１０…燃料電池、１５…セルモニタ、１６…温度センサ、１７…電流センサ、１８…第１スイッチ、１９…第２スイッチ、５０…制御部、６０…可変抵抗、６１、６２…突入電流防止回路。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell, 15 ... Cell monitor, 16 ... Temperature sensor, 17 ... Current sensor, 18 ... 1st switch, 19 ... 2nd switch, 50 ... Control part, 60 ... Variable resistance, 61, 62 ... Inrush current prevention circuit.

Claims (17)

酸化剤ガスと燃料ガスを電気化学反応させて発電し、電力消費機器（２２、４２）に電力を供給する燃料電池（１０）を備える燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の発電効率を調整する発電効率調整手段（１８、１９、５０、６１）と、
前記燃料電池が発電する際に、逆電位が発生することを抑制する逆電位防止手段（１６、２１、２２、５０）とを備え、
前記逆電位防止手段は、前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段（１６）と、前記燃料電池に対する酸化剤ガスの供給量を制御する酸化剤ガス供給制御手段（２１、２２、５０）とを含んでおり、
前記酸化剤ガス供給制御手段は、逆電位が発生しない電流を前記燃料電池で発電させるのに必要な酸化剤ガスの所定供給量と、前記燃料電池の温度とを予め関連づけたマップを用い、前記燃料電池温度検出手段にて検出した燃料電池温度に基づいて前記所定供給量を取得することを特徴とする燃料電池システム。 In a fuel cell system including a fuel cell (10) that generates an electric power by electrochemically reacting an oxidant gas and a fuel gas and supplies power to the power consuming devices (22, 42),
Power generation efficiency adjusting means (18, 19, 50, 61) for adjusting the power generation efficiency of the fuel cell;
Reverse potential prevention means (16, 21, 22, 50) for suppressing the occurrence of a reverse potential when the fuel cell generates electricity ,
The reverse potential prevention means includes a fuel cell temperature detection means (16) for detecting the temperature of the fuel cell, and an oxidant gas supply control means (21, 22, 50) for controlling the supply amount of the oxidant gas to the fuel cell. ) And
The oxidant gas supply control means uses a map in which a predetermined supply amount of an oxidant gas necessary for generating a current that does not generate a reverse potential in the fuel cell and a temperature of the fuel cell are associated in advance. The fuel cell system characterized in that the predetermined supply amount is acquired based on the fuel cell temperature detected by the fuel cell temperature detecting means . 前記マップは、前記燃料電池の温度が高くなるにしたがって、前記酸化剤ガスの所定供給量が増加するように設定されてい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。 2. The fuel cell system according to claim 1 , wherein the map is set so that a predetermined supply amount of the oxidant gas increases as the temperature of the fuel cell increases. 前記発電効率調整手段は、前記燃料電池の電圧をゼロボルト付近で制御することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2 , wherein the power generation efficiency adjusting means controls the voltage of the fuel cell in the vicinity of zero volts. 前記発電効率調整手段は、前記燃料電池と前記電力消費機器との間を電気的に開閉可能な第１の開閉器（１８ａ、１８ｂ）と、前記燃料電池の端子間を電気的に開閉可能な第２の開閉器（１９、６１）を含んでいることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。 The power generation efficiency adjusting means can electrically open and close between the first switch (18a, 18b) capable of electrically opening and closing between the fuel cell and the power consuming device and the terminal of the fuel cell. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, further comprising a second switch (19, 61). 前記第１の開閉器（１８ａ、１８ｂ）が開状態であり、前記第２の開閉器（１９、６１）が閉状態である場合に、前記燃料電池の端子間に過電流が流れることを防止する突入電流防止手段（６１、６２）を備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。 When the first switch (18a, 18b) is open and the second switch (19, 61) is closed, an overcurrent is prevented from flowing between the terminals of the fuel cell. The fuel cell system according to claim 4 , further comprising inrush current preventing means (61, 62). 前記突入電流防止手段（６１）は、抵抗値が異なる複数の抵抗（６１ｃ、６１ｄ）と、前記複数の抵抗（６１ｃ、６１ｄ）を切り替えることが可能な抵抗切替手段（６１ａ、６１ｂ）とを備え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 inrush current preventing means (61) includes a plurality of resistors (61c, 61d) having different resistance values and a resistance switching means (61a, 61b) capable of switching the plurality of resistors (61c, 61d). The fuel cell system according to claim 5 . 前記抵抗切替手段はパワートランジスタ（６１ａ、６１ｂ）であることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 6 , wherein the resistance switching means is a power transistor (61a, 61b). 前記突入電流防止手段（６２）は、インダクタンス（６２ａ）を備え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 fuel cell system according to claim 5 , wherein the inrush current preventing means (62) includes an inductance (62a). 前記突入電流防止手段（６２）は、前記インダクタンス（６２ａ）と並列接続され、前記インダクタンス（６２ａ）における電流流れ方向と逆方向にのみ電流を流す電流逆流防止手段（６２ｂ）を備えてい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 inrush current prevention means (62) includes a current backflow prevention means (62b) that is connected in parallel to the inductance (62a) and that allows current to flow only in the direction opposite to the current flow direction in the inductance (62a). 9. The fuel cell system according to claim 8 , wherein 前記第１の開閉器により、前記燃料電池と前記電力消費機器との間を開状態とするとともに、前記第２の開閉器により、前記燃料電池の端子間を閉状態にした後で、前記酸化剤ガス供給制御手段による前記燃料電池への酸化剤ガスの供給と、前記燃料ガス供給制御手段による前記燃料電池への燃料ガスの供給とを行うことを特徴とする請求項４ないし９のいずれか１つに記載の燃料電池システム。 The first switch opens the fuel cell and the power consuming device, and the second switch closes the terminals of the fuel cell. 10. The oxidant gas is supplied to the fuel cell by the agent gas supply control means, and the fuel gas is supplied to the fuel cell by the fuel gas supply control means . the fuel cell system according to one. 前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段（１５）を備え、
前記酸化剤ガス供給制御手段による前記燃料電池への酸化剤ガスの供給と、前記燃料ガス供給制御手段による前記燃料電池への燃料ガスの供給とを停止した後、前記電圧検出手段にて検出した前記燃料電池の電圧が所定電圧以下であることを確認した後、
前記第１の開閉器により、前記燃料電池と前記電力消費機器との間を閉状態とするとともに、前記第２の開閉器により、前記燃料電池の端子間を開状態とすることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。 Voltage detecting means (15) for detecting the voltage of the fuel cell;
After the supply of the oxidant gas to the fuel cell by the oxidant gas supply control unit and the supply of the fuel gas to the fuel cell by the fuel gas supply control unit are stopped, the voltage detection unit detects After confirming that the voltage of the fuel cell is not more than a predetermined voltage,
The first switch is used to close the fuel cell and the power consuming device, and the second switch is used to open the terminal of the fuel cell. The fuel cell system according to claim 10 . 前記燃料電池温度検出手段は、前記燃料電池の発電電流を検出し、前記発電電流に基づいて前記燃料電池温度を推定するものであることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の燃料電池システム。 Said fuel cell temperature detecting means detects a power generation current of the fuel cell, to any one of claims 1 to 11, characterized in that for estimating the fuel cell temperature on the basis of the generated current The fuel cell system described. 前記燃料電池温度検出手段は、前記燃料電池に供給された前記酸化剤ガスのうち前記電気化学反応に用いられず、前記燃料電池から排出される酸化剤排ガスの温度を検出し、この酸化剤排ガスの温度に基づいて前記燃料電池温度を推定するものであることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の燃料電池システム。 The fuel cell temperature detecting means detects the temperature of the oxidant exhaust gas that is not used for the electrochemical reaction out of the oxidant gas supplied to the fuel cell and is discharged from the fuel cell. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 11 , wherein the fuel cell temperature is estimated based on the temperature of the fuel cell. 前記逆電位防止手段は、前記燃料電池に対する燃料ガスの供給量を制御する燃料ガス供給制御手段（３１〜３３、５０）を含んでおり、
前記燃料ガス供給量制御手段は、燃料ガス供給量を常に前記燃料電池における反応可能量以上に保つことを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。 The reverse potential prevention means includes fuel gas supply control means (31 to 33, 50) for controlling the amount of fuel gas supplied to the fuel cell,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 13 , wherein the fuel gas supply amount control means always maintains a fuel gas supply amount equal to or greater than a reaction possible amount in the fuel cell. 前記逆電位防止手段は、前記燃料電池の端子間を電気的に結合する電気経路に設けられた可変抵抗（６０）を含んでいることを特徴とする請求項１ないし１４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。 The reverse potential preventing means, to any one of claims 1 to 14, characterized in that it includes a variable resistor (60) provided in the electrical path electrically coupling the terminals of the fuel cell The fuel cell system described. 前記酸化剤排ガスが通過する酸化剤ガス排出通路（２０ｂ）に、酸化触媒が担持されていることを特徴とする請求項１ないし１５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 15 , wherein an oxidation catalyst is supported in an oxidant gas discharge passage (20b) through which the oxidant exhaust gas passes. 前記酸化剤排ガスが通過する酸化剤ガス排出通路（２０ｂ）の内部に外気を導入し、前記酸化剤ガス排出通路（２０ｂ）内部のガス濃度を低下させるガス希釈手段を備えることを特徴とする請求項１ないし１５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。 A gas dilution means is provided for introducing outside air into the oxidant gas discharge passage (20b) through which the oxidant exhaust gas passes to reduce the gas concentration in the oxidant gas discharge passage (20b). Item 16. The fuel cell system according to any one of Items 1 to 15 .
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