JP4984435B2

JP4984435B2 - Fuel cell system and control method

Info

Publication number: JP4984435B2
Application number: JP2005153936A
Authority: JP
Inventors: 啓吾末松
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-05-26
Filing date: 2005-05-26
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2025-05-26
Also published as: JP2006331863A

Description

本発明は、反応ガスの供給を受けて、燃料電池に接続される要求負荷に応じて発電を行なう燃料電池システムに関し、詳しくは燃料電池内の反応ガスを均一化する技術に関する。 The present invention relates to a fuel cell system that receives supply of a reaction gas and generates power in accordance with a required load connected to the fuel cell, and more particularly to a technique for uniformizing the reaction gas in the fuel cell.

燃料電池に反応ガスを供給して発電を行う燃料電池システムでは、燃料電池を構成する一のセル面内において反応ガスの偏りが生じ、セル面内の一部分で反応ガスが不足する場合がある。例えば、水素ガスと酸素ガスとを反応ガスとする場合、酸素ガスを含有する空気を燃料電池に供給すると、空気に含まれる窒素などの不純物が水素極側に漏れ出して溜まり、水素極側で水素の偏在が生じることがある。こうした反応ガスの偏在は、燃料電池システムの性能を低下させてしまうため、かかる現象を抑制する技術が種々検討されている。 In a fuel cell system that generates power by supplying a reaction gas to a fuel cell, the reaction gas may be biased in one cell surface constituting the fuel cell, and the reaction gas may be insufficient in a part of the cell surface. For example, when hydrogen gas and oxygen gas are used as reaction gases, if air containing oxygen gas is supplied to the fuel cell, impurities such as nitrogen contained in the air leak and accumulate on the hydrogen electrode side, Hydrogen may be unevenly distributed. Such uneven distribution of the reaction gas deteriorates the performance of the fuel cell system, and various techniques for suppressing this phenomenon have been studied.

例えば、特許文献１には、水素ガスを循環させるポンプを循環装置として設け、水素ガスを循環することで燃料電池に供給される水素ガスの見かけの流量を増やし、流速を上げる燃料電池システムが開示されている。こうした技術によれば、燃料電池内において漏れ出した不純物を、水素ガスの循環によって水素ガスの流路全体に均一化することができるとされている。すなわち、循環装置により水素ガスの流量を調整することで、水素ガスの偏在を低減することができるとされている。 For example, Patent Document 1 discloses a fuel cell system in which a pump for circulating hydrogen gas is provided as a circulation device, and the apparent flow rate of hydrogen gas supplied to the fuel cell is increased by circulating the hydrogen gas to increase the flow rate. Has been. According to such a technique, it is said that impurities leaking in the fuel cell can be made uniform throughout the hydrogen gas flow path by the circulation of hydrogen gas. That is, it is said that the uneven distribution of hydrogen gas can be reduced by adjusting the flow rate of hydrogen gas with a circulation device.

特開２００２−２１６８１２号公報JP 2002-216812 A 特開２００３−３１７７６９号公報JP 2003-317769 A 特開２００１−９３５４５号公報JP 2001-93545 A 特開平８−１６７４２１号公報JP-A-8-167421

一般に燃料電池システムでは、燃料電池での反応ガスの消費量に応じて反応ガスの供給流量が変化する。例えば、負荷が小さい場合には、燃料電池での反応ガスの消費量が減り、それに伴って燃料電池に供給される新たな反応ガスの量も減少する。したがって、供給流量の低減により燃料電池内を流れる反応ガスが少ないときに、上記の反応ガスの偏在が生じている場合には、その反応ガスを平均的に分布させることを循環装置に頼らざるを得ない。 In general, in the fuel cell system, the supply flow rate of the reaction gas changes according to the consumption amount of the reaction gas in the fuel cell. For example, when the load is small, the consumption amount of the reaction gas in the fuel cell is reduced, and accordingly, the amount of the new reaction gas supplied to the fuel cell is also reduced. Therefore, when the above reaction gas is unevenly distributed when the amount of reaction gas flowing through the fuel cell is small due to the reduction of the supply flow rate, it is necessary to rely on the circulation device to distribute the reaction gas on an average. I don't get it.

しかしながら、循環装置としてポンプを使用する場合には、その性能によって小流量の吐出が困難な場合がある。こうした場合には、水素ガスの偏在を低減して効率の良い運転を行なうために、過剰な流量を循環せざるを得ないという問題があった。つまり、燃料電池による発電がほとんど必要でないため、新たな反応ガスの供給はなされないが、反応ガスの偏在を解消するため、ポンプを駆動して大流量の反応ガスを循環し続けていた。その結果、ポンプの駆動にエネルギを多量に消費してしまっていた。 However, when a pump is used as the circulation device, it may be difficult to discharge a small flow rate depending on its performance. In such a case, there is a problem that an excessive flow rate must be circulated in order to reduce the uneven distribution of hydrogen gas and perform an efficient operation. That is, since almost no power generation by the fuel cell is required, no new reaction gas is supplied, but in order to eliminate the uneven distribution of the reaction gas, the pump was driven to continuously circulate a large flow rate of the reaction gas. As a result, a large amount of energy has been consumed to drive the pump.

また、循環装置としてエジェクタを使用する場合には、その構造上、新たな反応ガスの供給流路上に所定以上の反応ガスを流さなければ循環を行なうことができない。よって、かかる循環装置の場合には、反応ガスの循環により反応ガスの偏在を解消することが困難であった。いずれの循環装置による場合にも、反応ガスの偏在を適切に解消することが困難であった。 In addition, when an ejector is used as a circulation device, the structure cannot be circulated unless a predetermined amount or more of a reaction gas flows through a new reaction gas supply channel. Therefore, in the case of such a circulation device, it is difficult to eliminate the uneven distribution of the reaction gas by circulation of the reaction gas. In any of the circulation devices, it is difficult to appropriately eliminate the uneven distribution of the reaction gas.

本発明は、反応ガスがセル面内で偏在するといった問題を踏まえて、反応ガスを適切に均一化する燃料電池システムを提供することを目的としている。 An object of the present invention is to provide a fuel cell system that appropriately equalizes a reaction gas in view of the problem that the reaction gas is unevenly distributed in the cell plane.

本発明の燃料電池システムは、上記課題を鑑み、以下の手法を採った。すなわち、燃料電池に反応ガスを供給し、該燃料電池に接続される要求負荷に応じて発電を行なう燃料電池システムであって、前記燃料電池に供給する前記反応ガスの圧力を調整する圧力調整手段と、前記圧力調整手段を用いて前記反応ガスの圧力を、前記要求負荷に対応する発電に必要な分圧として予め設定された要求分圧に制御する圧力制御手段と、前記要求分圧が所定値より低い場合に、前記圧力調整手段を用いて前記反応ガスの圧力を当該要求分圧よりも高い圧力に制御する高圧力制御手段とを備えることを要旨としている。 In view of the above problems, the fuel cell system of the present invention employs the following method. That is, a fuel cell system for supplying a reaction gas to a fuel cell and generating electric power according to a required load connected to the fuel cell, wherein the pressure adjusting means adjusts the pressure of the reaction gas to be supplied to the fuel cell A pressure control means for controlling the pressure of the reaction gas to a required partial pressure set in advance as a partial pressure necessary for power generation corresponding to the required load using the pressure adjusting means; and the required partial pressure is predetermined. The gist of the invention is that it comprises high pressure control means for controlling the pressure of the reaction gas to a pressure higher than the required partial pressure using the pressure adjusting means when the pressure is lower than the value.

また、本発明の燃料電池システムの制御方法は、燃料電池に反応ガスを供給し、該燃料電池に接続される要求負荷に応じて発電を行なう燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池に供給する前記反応ガスの圧力を、前記要求負荷に対応する発電に必要な分圧として予め設定された要求分圧に制御しつつ、前記要求分圧が所定値より低い場合には、前記反応ガスの圧力を当該要求分圧よりも高い圧力に制御することを要旨としている。 The control method for a fuel cell system according to the present invention is a control method for a fuel cell system that supplies a reaction gas to a fuel cell and generates electric power according to a required load connected to the fuel cell. When the required partial pressure is lower than a predetermined value while controlling the pressure of the reaction gas supplied to the required partial pressure set in advance as the partial pressure necessary for power generation corresponding to the required load, the reaction The gist is to control the gas pressure to a pressure higher than the required partial pressure.

本発明の燃料電池システムおよびその制御方法によれば、要求分圧が所定値よりも低い場合に、発電に必要な予め設定された要求分圧よりも高い分圧に、反応ガスの圧力を制御する。すなわち、圧力を上げることで、反応ガスの拡散を促進する。したがって、燃料電池内の反応ガスの偏在を抑制し、反応ガスの分布を均一化して燃料電池システムの性能を向上することができる。 According to the fuel cell system and the control method thereof of the present invention, when the required partial pressure is lower than a predetermined value, the reaction gas pressure is controlled to be higher than the preset required partial pressure required for power generation. To do. That is, by increasing the pressure, diffusion of the reaction gas is promoted. Therefore, uneven distribution of the reaction gas in the fuel cell can be suppressed, the reaction gas distribution can be made uniform, and the performance of the fuel cell system can be improved.

上記構成の燃料電池システムにおいて、前記要求分圧が所定値より低い場合とは、前記燃料電池の起動時であるものとしても良い。 In the fuel cell system configured as described above, the case where the required partial pressure is lower than a predetermined value may be a time when the fuel cell is activated.

起動時に、反応ガスの圧力を要求分圧よりも高い圧力に制御することで、燃料電池における発電前に、反応ガスの偏在を低減し、過不足なく反応ガスを供給した状態にしておくことができる。その結果、効率よく発電を行なうことができる。 By controlling the pressure of the reaction gas to a pressure higher than the required partial pressure at the start-up, it is possible to reduce the uneven distribution of the reaction gas and to supply the reaction gas without excess or deficiency before power generation in the fuel cell. it can. As a result, power generation can be performed efficiently.

上記構成の燃料電池システムにおいて、更に、前記燃料電池内を流れた前記反応ガスとしての水素ガスを、再度該燃料電池に還流させる循環手段と、前記要求分圧が所定値より低い場合における該要求分圧よりも高い圧力への制御と共に、前記循環手段による前記水素ガスの循環を行なう循環制御手段とを備えるものとしても良い。 In the fuel cell system having the above-described configuration, a circulation unit that recirculates the hydrogen gas as the reaction gas that has flowed through the fuel cell to the fuel cell, and the requirement when the required partial pressure is lower than a predetermined value. A circulation control means for circulating the hydrogen gas by the circulation means may be provided in addition to the control to a pressure higher than the partial pressure.

かかる燃料電池システムによれば、要求分圧よりも高い圧力に制御することで水素ガスの偏在を低減すると共に、循環装置を駆動して水素ガスを循環することでも水素ガスの偏在を低減することができる。したがって、反応ガスの分布の均一化に効果を奏する。 According to such a fuel cell system, the hydrogen gas is unevenly distributed by controlling the pressure higher than the required partial pressure, and the hydrogen gas is also unevenly distributed by driving the circulation device to circulate the hydrogen gas. Can do. Therefore, there is an effect in making the distribution of the reaction gas uniform.

上記構成の燃料電池システムにおいて、更に、前記燃料電池内を流れた前記反応ガスとしての水素ガスを、再度該燃料電池に還流させる循環ポンプを備え、前記高圧力制御手段は、前記循環ポンプによる最低循環量よりも、前記燃料電池における適切な発電に必要な循環量が少ない場合に、前記循環ポンプの駆動に代えて、前記反応ガスの圧力を前記要求分圧よりも高い圧力に制御するものとしても良い。 The fuel cell system configured as described above further includes a circulation pump that recirculates the hydrogen gas as the reaction gas that has flowed through the fuel cell to the fuel cell, and the high pressure control means includes a minimum of the circulation pump. When the amount of circulation necessary for appropriate power generation in the fuel cell is smaller than the amount of circulation, instead of driving the circulation pump, the pressure of the reaction gas is controlled to a pressure higher than the required partial pressure. Also good.

かかる燃料電池システムによれば、水素ガスの偏在の低減のために循環ポンプによって水素ガスを循環する代わりに、圧力を上げて水素ガスの拡散により偏在を低減する。したがって、循環ポンプの駆動に必要となる動力を低減することができ、エネルギ効率の良い燃料電池システムを構築することができる。 According to such a fuel cell system, instead of circulating the hydrogen gas by the circulation pump to reduce the uneven distribution of the hydrogen gas, the pressure is increased and the uneven distribution is reduced by the diffusion of the hydrogen gas. Therefore, the power required for driving the circulation pump can be reduced, and an energy efficient fuel cell system can be constructed.

上記構成の燃料電池システムにおいて、更に、前記燃料電池内を流れた前記反応ガスとしての水素ガスを、再度該燃料電池に還流させるエジェクタを備え、前記高圧力制御手段は、前記エジェクタによる循環量よりも、前記燃料電池における適切な発電に必要な循環量が多い場合に、前記反応ガスの圧力を前記要求分圧よりも高い圧力に制御するものとしても良い。 The fuel cell system having the above-described configuration further includes an ejector for recirculating hydrogen gas as the reaction gas that has flowed through the fuel cell to the fuel cell, and the high pressure control means is based on a circulation amount by the ejector. Alternatively, when the amount of circulation necessary for appropriate power generation in the fuel cell is large, the pressure of the reaction gas may be controlled to a pressure higher than the required partial pressure.

かかる燃料電池システムによれば、燃料電池内の水素ガスの消費が進まない場合に水素ガスの循環が困難となるエジェクタであっても、圧力を上げることで水素ガスの偏在を低減することができる。 According to such a fuel cell system, even if the ejector is difficult to circulate the hydrogen gas when the consumption of the hydrogen gas in the fuel cell does not proceed, the uneven distribution of the hydrogen gas can be reduced by increasing the pressure. .

以下、上述した本発明の作用・効果を一層明らかにするため、本発明の実施の形態を実施例に基づき次の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システムの全体構成：
Ａ−２．水素偏在の低減の概念：
Ａ−３．低負荷時の高圧力処理：
Ｂ．第２実施例：
Ｂ−１．起動時の高圧力処理：
Ｃ．変形例： Hereinafter, in order to further clarify the operations and effects of the present invention described above, embodiments of the present invention will be described based on examples in the following order.
A. First embodiment:
A-1. Overall configuration of the fuel cell system:
A-2. The concept of reducing hydrogen uneven distribution:
A-3. High pressure treatment at low load:
B. Second embodiment:
B-1. High pressure treatment at start-up:
C. Variations:

Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システムの全体構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム１００の全体構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池システム１００は、図示するように、車両９０に搭載されており、反応ガスである水素ガスと酸素ガスとの供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池１０、水素ガスを貯蔵する水素タンク２０、燃料電池１０に酸素ガスを含む空気を供給するブロワ３０、燃料電池１０によって発電された電気により充電される二次電池４０、燃料電池１０によって発電された電力によって車軸５５を駆動するモータ５０、車両９０や燃料電池システム１００を全般的に制御する制御コンピュータ４００等を備えている。 A. First embodiment:
A-1. Overall configuration of the fuel cell system:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the overall configuration of a fuel cell system 100 as a first embodiment of the present invention. A fuel cell system 100 according to the present embodiment is mounted on a vehicle 90 as shown in the figure, and receives a supply of hydrogen gas and oxygen gas, which are reaction gases, to generate power by an electrochemical reaction, a hydrogen gas, and a hydrogen gas. A hydrogen tank 20 that stores oxygen, a blower 30 that supplies air containing oxygen gas to the fuel cell 10, a secondary battery 40 that is charged by electricity generated by the fuel cell 10, and an axle 55 by electric power generated by the fuel cell 10 And a control computer 400 for generally controlling the vehicle 90 and the fuel cell system 100.

燃料電池１０は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、構成単位である単セル（図示せず）を複数積層したスタック構造を有している。各単セルは、電解質膜を挟んで水素極（以下、アノードと呼ぶ）と酸素極（以下、カソードと呼ぶ）とを配置した構成となっている。各々の単セルのアノード側に水素ガスを供給し、カソード側に空気を供給することで、電気化学反応が進行し、起電力を生じる。燃料電池１０で生じた電力は、燃料電池１０に接続された二次電池４０やモータ５０等の負荷機器（以下、単に負荷と呼ぶ）に供給される。こうした負荷に電力を供給する回路上には、電圧計１１０，電流計１２０，負荷との接続用のスイッチ１３１，１３２等が備えられている。 The fuel cell 10 is a solid polymer electrolyte type fuel cell, and has a stack structure in which a plurality of unit cells (not shown) are stacked. Each single cell has a configuration in which a hydrogen electrode (hereinafter referred to as an anode) and an oxygen electrode (hereinafter referred to as a cathode) are arranged with an electrolyte membrane interposed therebetween. By supplying hydrogen gas to the anode side of each unit cell and supplying air to the cathode side, an electrochemical reaction proceeds and an electromotive force is generated. The electric power generated in the fuel cell 10 is supplied to a load device (hereinafter simply referred to as a load) such as the secondary battery 40 and the motor 50 connected to the fuel cell 10. On a circuit for supplying power to such a load, a voltmeter 110, an ammeter 120, switches 131 and 132 for connection to the load, and the like are provided.

なお、モータ５０は、図示しないインバータを介して電源ラインに接続されており、制御コンピュータ４００は、このインバータの動作（スイッチング周波数およびデューティ）を制御することにより、モータ５０を駆動し、結果的に車両９０の出力を制御している。 The motor 50 is connected to a power supply line via an inverter (not shown), and the control computer 400 drives the motor 50 by controlling the operation (switching frequency and duty) of the inverter, and as a result. The output of the vehicle 90 is controlled.

ブロワ３０は、燃料電池１０のカソードに空気を供給するための装置である。ブロワ３０は、空気供給流路３４を介して燃料電池１０のカソードに接続されている。電気化学反応に供された後の空気（以下、カソードオフガスと呼ぶ）は、カソードオフガス流路３６を通じて外部に排出される。 The blower 30 is a device for supplying air to the cathode of the fuel cell 10. The blower 30 is connected to the cathode of the fuel cell 10 via the air supply channel 34. The air (hereinafter referred to as cathode offgas) after being subjected to the electrochemical reaction is discharged to the outside through the cathode offgas flow path 36.

水素タンク２０には、数十ＭＰａの圧力を有する高圧の水素ガスが貯蔵される。この水素タンク２０は、水素供給流路２４を通じて燃料電池１０のアノードに接続されている。水素供給流路２４の流路中には、水素タンク２０から近い順に、開閉弁２００と、調圧弁２１０と、可変調圧弁２２０とが設けられている。開閉弁２００が制御コンピュータ４００による制御によって開弁状態になると、水素タンク２０から水素供給流路２４を通じて燃料電池１０に水素ガスが供給される。 The hydrogen tank 20 stores high-pressure hydrogen gas having a pressure of several tens of MPa. The hydrogen tank 20 is connected to the anode of the fuel cell 10 through the hydrogen supply channel 24. In the flow path of the hydrogen supply flow path 24, an on-off valve 200, a pressure regulating valve 210, and a modulatable pressure valve 220 are provided in order from the hydrogen tank 20. When the on-off valve 200 is opened by control by the control computer 400, hydrogen gas is supplied from the hydrogen tank 20 to the fuel cell 10 through the hydrogen supply channel 24.

水素タンク２０から水素供給流路２４へ供給された高圧の水素ガスは、調圧弁２１０によって調圧され、４００Ｋ〜２ＭＰａ程度の中圧状態に減圧される。こうして調圧された水素ガスは、更に、可変調圧弁２２０により調圧され、１００Ｋ〜２５０ＫＰａ程度の低圧状態まで減圧される。そして、この低圧状態の水素ガスが、燃料電池１０のアノードへ供給される。特に、可変調圧弁２２０は、制御コンピュータ４００の指令を受けて、所定開度に弁を開き、アノード側の圧力を調整している。 The high-pressure hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 20 to the hydrogen supply passage 24 is regulated by the pressure regulating valve 210 and is reduced to an intermediate pressure state of about 400 K to 2 MPa. The pressure-adjusted hydrogen gas is further regulated by the adjustable pressure valve 220 and reduced to a low pressure state of about 100 K to 250 KPa. The low-pressure hydrogen gas is supplied to the anode of the fuel cell 10. In particular, the adjustable pressure valve 220 receives a command from the control computer 400, opens the valve to a predetermined opening, and adjusts the pressure on the anode side.

燃料電池１０のアノード側の出口には、アノードオフガス流路２６が接続され、この流路上には気液分離器６０が配置されている。アノードオフガス中には、電解質膜を介してカソード側から透過してくる水分が含まれる場合がある。気液分離器６０は、アノードオフガス中に含まれるこうした水分を分離して取り除く。 An anode off-gas channel 26 is connected to the anode-side outlet of the fuel cell 10, and a gas-liquid separator 60 is disposed on the channel. The anode off gas may contain moisture that permeates from the cathode side through the electrolyte membrane. The gas-liquid separator 60 separates and removes such moisture contained in the anode off gas.

気液分離器６０には、水素循環流路２８とパージ弁２４０とが接続されている。アノードオフガス中には、水分以外にも、燃料電池１０による発電に供しきれなかった水素ガスが残存している場合がある。こうした水素ガスを水素循環流路２８を介して、再度、水素供給流路２４に供給することで、効率的に水素ガスを利用することができる。 A hydrogen circulation channel 28 and a purge valve 240 are connected to the gas-liquid separator 60. In the anode off gas, hydrogen gas that could not be used for power generation by the fuel cell 10 may remain in addition to moisture. By supplying such hydrogen gas to the hydrogen supply channel 24 again via the hydrogen circulation channel 28, the hydrogen gas can be used efficiently.

水素供給流路２４と水素循環流路２８の接合部には、水素ガスを循環させるための循環装置７０が設けられている。本実施例では、循環ポンプを循環装置７０として採用し、所定量のアノードオフガスを再度、燃料電池１０に供給している。循環装置７０としては、循環ポンプに代えてエジェクタを用いるものとしても良い。 A circulation device 70 for circulating hydrogen gas is provided at a joint portion between the hydrogen supply channel 24 and the hydrogen circulation channel 28. In this embodiment, a circulation pump is employed as the circulation device 70, and a predetermined amount of anode off gas is supplied to the fuel cell 10 again. As the circulation device 70, an ejector may be used instead of the circulation pump.

パージ弁２４０は、制御コンピュータ４００による制御によって定期的に開弁される。アノードオフガスには、前述したように水分やカソードから電解質膜を介して透過する空気中の窒素等の不純物が含まれるため、これらを、定期的に外部に排出するためである。なお、制御コンピュータ４００は、アノードオフガス中の不純物の濃度を測定もしくは燃料電池の発電量等から推定して、パージ弁２４０を開弁するものとしてもよい。 The purge valve 240 is periodically opened under the control of the control computer 400. This is because the anode off gas contains moisture and impurities such as nitrogen in the air that passes through the electrolyte membrane from the cathode as described above, and these are periodically discharged to the outside. Note that the control computer 400 may open the purge valve 240 by measuring the concentration of impurities in the anode off-gas or estimating the amount of power generated by the fuel cell.

水素供給流路２４には、流路を流れる水素ガスの圧力を検出する３つの圧力センサ３１０，３３０，３４０が備えられている。第１の圧力センサ３１０は、開閉弁２００と調圧弁２１０との間に設けられ、水素タンクから放出される水素ガスの圧力Ｐ０を検出する。第２の圧力センサ３３０は、可変調圧弁２２０と循環装置７０との間に設けられ、循環装置７０に入力する水素ガスの圧力Ｐ１を検出する。第３の圧力センサ３４０は、循環装置７０と燃料電池１０との間に設けられ、燃料電池１０に流入する水素ガスの圧力Ｐ２を検出する。また、アノードオフガス流路２６には、圧力センサ３５０が設けられ、アノードオフガスの圧力Ｐ３を検出している。 The hydrogen supply flow path 24 is provided with three pressure sensors 310, 330, and 340 that detect the pressure of hydrogen gas flowing through the flow path. The first pressure sensor 310 is provided between the on-off valve 200 and the pressure regulating valve 210 and detects the pressure P0 of the hydrogen gas released from the hydrogen tank. The second pressure sensor 330 is provided between the adjustable pressure valve 220 and the circulation device 70 and detects the pressure P1 of hydrogen gas input to the circulation device 70. The third pressure sensor 340 is provided between the circulation device 70 and the fuel cell 10 and detects the pressure P2 of the hydrogen gas flowing into the fuel cell 10. Further, a pressure sensor 350 is provided in the anode off gas flow path 26 to detect the pressure P3 of the anode off gas.

各圧力センサ３１０，３３０，３４０，３５０は、制御コンピュータ４００に接続されており、所定タイミングにおける各部分の圧力Ｐ０〜Ｐ３を検出し、これを制御コンピュータ４００に出力している。 Each pressure sensor 310, 330, 340, 350 is connected to the control computer 400, detects the pressure P <b> 0 to P <b> 3 of each part at a predetermined timing, and outputs this to the control computer 400.

制御コンピュータ４００は、ＣＰＵやＲＯＭ，ＲＡＭ，タイマ，入出力ポート等を備えている。ＲＯＭには、後述する圧力制御処理を行うためのプログラムや、車両９０や燃料電池システム１００の運転を制御するためのプログラムが記憶されている。ＣＰＵは、これらのプログラムをＲＡＭに展開して実行する。入出力ポートには、可変調圧弁２２０，圧力センサ３１０，３３０，３４０，３５０や、開閉弁２００，パージ弁２４０，ブロワ３０，電流計１２０，電圧計１１０，イグニションスイッチ等が接続されている。制御コンピュータ４００は、こうした各種センサやアクチュエータなどと接続し、燃料電池１０に要求される発電量を適切に出力するよう、燃料電池システム１００全体を制御している。 The control computer 400 includes a CPU, ROM, RAM, timer, input / output port, and the like. The ROM stores a program for performing pressure control processing, which will be described later, and a program for controlling the operation of the vehicle 90 and the fuel cell system 100. The CPU develops these programs in the RAM and executes them. The input / output port is connected to a variable pressure control valve 220, pressure sensors 310, 330, 340, 350, an on-off valve 200, a purge valve 240, a blower 30, an ammeter 120, a voltmeter 110, an ignition switch, and the like. The control computer 400 is connected to such various sensors and actuators, and controls the entire fuel cell system 100 so as to appropriately output the power generation amount required for the fuel cell 10.

こうした構成の燃料電池システム１００において、燃料電池１０の起動後、制御コンピュータ４００は、出力要求を受けて、スイッチ１３１，１３２をＯＦＦ状態（開放電圧ＯＣＶの状態）からＯＮ状態とする。燃料電池１０のセル内では、接続された負荷による電力の消費に伴い反応ガスが消費される。制御コンピュータ４００は、消費された反応ガスを補うため、可変調圧弁２２０の開度を増大する。開度の増大により、燃料電池１０の水素ガスの圧力は上昇し、セル面内に水素ガスが十分に行き亘る。 In the fuel cell system 100 having such a configuration, after the fuel cell 10 is activated, the control computer 400 receives the output request and turns the switches 131 and 132 from the OFF state (the state of the open circuit voltage OCV) to the ON state. In the cell of the fuel cell 10, the reaction gas is consumed as the power is consumed by the connected load. The control computer 400 increases the opening of the modulatable pressure valve 220 to supplement the consumed reaction gas. As the opening degree increases, the pressure of the hydrogen gas in the fuel cell 10 rises, and the hydrogen gas spreads sufficiently in the cell surface.

図２は、負荷と水素ガスの圧力との関係を示す説明図である。図中の圧力Ｐは、燃料電池の水素ガスの圧力を示している。図示するように、燃料電池に接続される負荷が増大すると、燃料電池に供給する水素ガスの圧力（入口圧力）を増大する必要がある。つまり、負荷の増大により電気化学反応に必要となる水素分子の量が増大し、これをセル面内に供給するために必要な水素ガスの圧力（これを分圧と呼ぶ）が増大することとなる。なお、図示する直線の傾きは、電解質膜の許容値等を考慮して、負荷に応じたアノード側で必要とされる分圧（要求分圧）として決定される。 FIG. 2 is an explanatory diagram showing the relationship between the load and the pressure of hydrogen gas. The pressure P in the figure indicates the pressure of hydrogen gas in the fuel cell. As shown in the figure, when the load connected to the fuel cell increases, it is necessary to increase the pressure (inlet pressure) of the hydrogen gas supplied to the fuel cell. In other words, the amount of hydrogen molecules required for the electrochemical reaction increases due to an increase in load, and the pressure of hydrogen gas (referred to as partial pressure) required to supply this to the cell surface increases. Become. The slope of the straight line shown in the figure is determined as a partial pressure (required partial pressure) required on the anode side corresponding to the load in consideration of an allowable value of the electrolyte membrane and the like.

制御コンピュータ４００は、こうした負荷と要求分圧との設定値（マップ）を予め記憶しており、マップに基づいて可変調圧弁２２０の開度を調整し、圧力の制御を行なっている。以下、こうした負荷に応じた圧力の制御を、通常の圧力制御と呼ぶこととする。なお、ここではカソード側については図示を省略するが、カソード側もアノード側と同様に負荷に応じた要求分圧のマップを備えており、通常の圧力制御が行なわれている。 The control computer 400 previously stores set values (maps) of such loads and required partial pressures, and controls the pressure by adjusting the opening of the modulatable pressure valve 220 based on the map. Hereinafter, such pressure control according to the load is referred to as normal pressure control. Here, although illustration of the cathode side is omitted, the cathode side is also provided with a map of required partial pressure according to the load, as in the anode side, and normal pressure control is performed.

本実施例では、こうした通常の圧力制御に加え、要求分圧が所定値よりも低い場合に、要求分圧よりも高い圧力を付加する高圧力処理を行なう。この高圧力処理は、要求分圧が所定値よりも低い場合として、低負荷時や燃料電池の運転起動時に実行され、高い圧力の付与により水素ガスの偏在を低減する処理である。まず、以下に圧力による水素の偏在の低減の原理について説明する。 In the present embodiment, in addition to such normal pressure control, when the required partial pressure is lower than a predetermined value, high pressure processing for applying a pressure higher than the required partial pressure is performed. This high pressure process is performed when the required partial pressure is lower than a predetermined value, and is performed when the load is low or when the operation of the fuel cell is started, and the uneven distribution of hydrogen gas is reduced by applying a high pressure. First, the principle of reducing the uneven distribution of hydrogen due to pressure will be described below.

Ａ−２．水素偏在の低減の概念：
燃料電池は、その運転により発生する水分や、供給される空気中の窒素などが、電解質膜を介して漏れ出すことがあり、例えば、セル面内のアノード側では水素ガスと共に不純物が混在した状態となることがある。こうした不純物の中でも窒素は重いため、セル面内の特定の場所に集まり易く、セル面内全体では水素ガスが存在する場所と、不足する場所とが生じている。特に、通常の発電運転時に比べ、運転の起動時や負荷が低い場合にはセル面内を流れる水素ガスの流量が低下し、こうした水素の偏在が生じ易い。 A-2. The concept of reducing hydrogen uneven distribution:
In the fuel cell, moisture generated by its operation, nitrogen in the supplied air, etc. may leak through the electrolyte membrane. For example, impurities are mixed with hydrogen gas on the anode side in the cell surface It may become. Among these impurities, nitrogen is heavy, so it is easy to gather at a specific place in the cell surface, and there are places where hydrogen gas exists and places where there is a shortage in the whole cell face. In particular, when the operation is started or when the load is low, the flow rate of hydrogen gas flowing in the cell surface is reduced compared to the normal power generation operation, and this uneven distribution of hydrogen tends to occur.

本実施例では、こうした水素の偏在が生じたセル面内に、新たな水素ガスを導入すると共に、水素ガスの圧力を、必要とされる分圧よりも高い所定範囲に上昇する。すなわち、純度の高い新たな水素ガスを燃料電池スタックの入口に供給し、圧力を上げることで燃料電池の内部であるセル面内に導入する。セル面内では、圧力を上げた新たな水素の導入によって、次式に基づく水素の拡散速度Ｊが上昇することとなる。なお、次式において、Ｊは拡散速度を、Ｄは拡散係数を、dc／dyは濃度勾配（ｃ：拡散原子の濃度、ｙ：拡散方向の隔たり）を、それぞれ示している。 In the present embodiment, new hydrogen gas is introduced into the cell surface where such uneven distribution of hydrogen occurs, and the pressure of the hydrogen gas is raised to a predetermined range higher than the required partial pressure. That is, new hydrogen gas with high purity is supplied to the inlet of the fuel cell stack, and is introduced into the cell surface inside the fuel cell by increasing the pressure. In the cell plane, the introduction of new hydrogen with increased pressure increases the hydrogen diffusion rate J based on the following equation. In the following equation, J represents the diffusion rate, D represents the diffusion coefficient, and dc / dy represents the concentration gradient (c: concentration of diffusion atoms, y: distance in the diffusion direction).

新たな水素ガスを導入すると、セル面内では濃度勾配dc／dyが大きくなり、拡散速度Ｊも大きくなる。こうして水素ガスの濃度の高い所から低い所への拡散が促進し、水素ガスの濃度が均一化していく。その結果、セル面内での水素ガスの偏在を低減することができる。以下、こうした原理を用いた高圧力処理について説明する。 When new hydrogen gas is introduced, the concentration gradient dc / dy increases and the diffusion rate J increases in the cell plane. In this way, diffusion from high to low hydrogen gas concentration is promoted, and the hydrogen gas concentration becomes uniform. As a result, the uneven distribution of hydrogen gas in the cell plane can be reduced. Hereinafter, the high pressure process using such a principle will be described.

Ａ−３．低負荷時の高圧力処理：
図３は、上述した制御コンピュータ４００がＲＯＭに記録されたプログラムに基づき実行する高圧力処理のフローチャートである。この処理は、燃料電池１０内の水素ガスの偏在を低減する処理であり、燃料電池１０に接続される負荷が低い場合に実行される処理である。したがって、この処理が実行される前提として、開閉弁２００は開弁され、水素タンク２０からの所定圧力の水素ガスと、ブロワ３０からの空気が共に燃料電池１０に供給されているものとする。 A-3. High pressure treatment at low load:
FIG. 3 is a flowchart of the high pressure process executed by the control computer 400 based on the program recorded in the ROM. This process is a process for reducing the uneven distribution of hydrogen gas in the fuel cell 10 and is performed when the load connected to the fuel cell 10 is low. Therefore, it is assumed that the on-off valve 200 is opened and that the hydrogen gas at a predetermined pressure from the hydrogen tank 20 and the air from the blower 30 are supplied to the fuel cell 10 as a premise that this process is executed.

この処理が実行されると、発電要求を受けた制御コンピュータ４００は、燃料電池１０を負荷に接続する（ステップＳ３００）。具体的には、スイッチ１３１，１３２をＯＮ状態とし、モータ５０などの負荷と燃料電池１０とを接続する。こうして所定の負荷に接続されることで、燃料電池内では電気化学反応が生じる。 When this process is executed, the control computer 400 that has received the power generation request connects the fuel cell 10 to the load (step S300). Specifically, the switches 131 and 132 are turned on to connect the load such as the motor 50 and the fuel cell 10. By connecting to a predetermined load in this way, an electrochemical reaction occurs in the fuel cell.

続いて、制御コンピュータ４００は、接続された負荷を検出する（ステップＳ３１０）。具体的には、電流計１２０による検出値を入力し、Ｉ−Ｖ特性図から負荷を演算している。 Subsequently, the control computer 400 detects the connected load (step S310). Specifically, the detection value by the ammeter 120 is input, and the load is calculated from the IV characteristic diagram.

負荷を検出後、制御コンピュータ４００は、検出された負荷が低負荷であるか否かを判断する（ステップＳ３２０）。本実施例では、予め所定範囲の負荷を低負荷領域として設定し、検出された負荷がこの領域に該当するか否かを判断している。 After detecting the load, the control computer 400 determines whether or not the detected load is a low load (step S320). In this embodiment, a predetermined range of load is set as a low load region in advance, and it is determined whether or not the detected load falls within this region.

低負荷領域とは、循環装置７０の性能により決定される領域であり、循環ポンプの場合には、水素の偏在を解消するために必要とされる循環量（必要循環量）よりも、循環ポンプの最低循環量が大きい場合の領域である。すなわち、循環ポンプの性能上、必要循環量に適した量の循環が制御できない領域（過剰に水素ガスを循環してしまう領域）となる。こうした循環ポンプの循環量を燃料電池１０の入口の水素ガスの圧力に換算し、開放電圧ＯＣＶから換算した圧力までの範囲を、低負荷領域として設定している。なお、低負荷領域以外の領域を高負荷領域と呼ぶこととする。 The low load region is a region determined by the performance of the circulation device 70. In the case of a circulation pump, the circulation pump is more than the circulation amount (necessary circulation amount) required for eliminating the uneven distribution of hydrogen. This is an area where the minimum circulation amount is large. That is, in the performance of the circulation pump, this is a region where the amount of circulation suitable for the necessary circulation amount cannot be controlled (region where hydrogen gas is circulated excessively). The circulation amount of such a circulation pump is converted into the pressure of hydrogen gas at the inlet of the fuel cell 10, and the range from the open circuit voltage OCV to the converted pressure is set as the low load region. The region other than the low load region is referred to as a high load region.

ステップＳ３２０で、検出された負荷が低負荷ではない（Ｎｏ）と判断された場合には、一連の処理を終了し、通常の圧力制御に移行する。すなわち、燃料電池１０に与えられている負荷が高負荷領域に該当するため、水素ガスの圧力Ｐ２を負荷に応じた必要な分圧値に設定する通常の圧力制御を実行することとなる。 If it is determined in step S320 that the detected load is not a low load (No), the series of processes is terminated, and the routine proceeds to normal pressure control. That is, since the load applied to the fuel cell 10 corresponds to the high load region, normal pressure control for setting the pressure P2 of the hydrogen gas to a necessary partial pressure value corresponding to the load is executed.

他方、ステップＳ３２０で、検出された負荷が低負荷である（Ｙｅｓ）と判断された場合には、負荷に応じた目標圧力値Ｐ２ｍを設定する（ステップＳ３３０）。図示するように、低負荷領域における目標圧力値Ｐ２ｍは、破線で示した要求分圧よりも高い値となるように設定されている。開放電圧ＯＣＶ時から、負荷が増大するのに伴って徐々に目標圧力値Ｐ２ｍは低減し、低負荷領域の最大値（高負荷領域との境目）で、通常の圧力制御の線図と交わるように目標圧力値Ｐ２ｍは設定されている。こうした目標圧力値Ｐ２ｍは通常の圧力制御と同様、マップとして記憶しており、制御コンピュータ４００は、負荷に応じて目標圧力値Ｐ２ｍを読み出している。 On the other hand, if it is determined in step S320 that the detected load is low (Yes), a target pressure value P2m corresponding to the load is set (step S330). As shown in the figure, the target pressure value P2m in the low load region is set to be higher than the required partial pressure indicated by the broken line. The target pressure value P2m gradually decreases as the load increases from the open circuit voltage OCV, and intersects the normal pressure control diagram at the maximum value in the low load region (boundary with the high load region). The target pressure value P2m is set. The target pressure value P2m is stored as a map as in the case of normal pressure control, and the control computer 400 reads the target pressure value P2m in accordance with the load.

こうして設定した目標値に圧力を調整するため、制御コンピュータ４００は可変調圧弁２２０に開度調整の指令信号を出力する（ステップＳ３４０）。この指令信号を受けた可変調圧弁２２０は、指令信号に基づく開度調整を実行し、水素ガスの圧力を要求分圧よりも高い圧力に設定する。 In order to adjust the pressure to the target value set in this way, the control computer 400 outputs a command signal for adjusting the opening degree to the modulatable pressure valve 220 (step S340). Upon receiving this command signal, the adjustable pressure valve 220 performs opening adjustment based on the command signal, and sets the pressure of the hydrogen gas to a pressure higher than the required partial pressure.

開度調整の後、制御コンピュータ４００は、調整された水素ガスの圧力Ｐ２を検出する（ステップＳ３５０）。具体的には、圧力センサ３４０によって検出された燃料電池１０の水素ガスの圧力Ｐ２を入力している。 After the opening degree adjustment, the control computer 400 detects the adjusted hydrogen gas pressure P2 (step S350). Specifically, the pressure P2 of the hydrogen gas of the fuel cell 10 detected by the pressure sensor 340 is input.

続いて、制御コンピュータ４００は、検出した圧力Ｐ２が目標値の範囲内に制御されたか否かを判断する（ステップＳ３６０）。ここでは検出した圧力Ｐ２と目標圧力値Ｐ２ｍとを比較することで、目標値に設定されたか否かを判断している。なお、実際には目標圧力値Ｐ２ｍには所定の誤差範囲が設定されているため、その範囲に検出した圧力Ｐ２が収まることで目標値に設定されたと判断される。 Subsequently, the control computer 400 determines whether or not the detected pressure P2 is controlled within a target value range (step S360). Here, it is determined whether or not the target pressure value is set by comparing the detected pressure P2 with the target pressure value P2m. In practice, since a predetermined error range is set for the target pressure value P2m, it is determined that the target pressure value P2m is set to the target value when the detected pressure P2 falls within that range.

ステップＳ３６０で、目標値の範囲内でない（Ｎｏ）と判断した場合には、目標値までの差分を求め、ステップＳ３４０に戻って、再度、可変調圧弁２２０の開度調整の指令を出力する。他方、ステップＳ３６０で、目標値の範囲内である（Ｙｅｓ）と判断した場合には、ステップＳ３１０に戻り、再度負荷を検出し、一連の処理を繰り返す。こうして、要求負荷が低負荷である場合には、この高圧力処理が繰り返し実行される。 If it is determined in step S360 that it is not within the range of the target value (No), the difference to the target value is obtained, the process returns to step S340, and the opening degree adjustment command for the modulatable pressure valve 220 is output again. On the other hand, if it is determined in step S360 that the value is within the target value range (Yes), the process returns to step S310, the load is detected again, and a series of processing is repeated. Thus, when the required load is a low load, this high pressure process is repeatedly executed.

以上の第１実施例の高圧力処理によれば、低負荷時に、水素ガスの圧力を、電気化学反応に必要とされる水素分圧よりも高い圧力に設定する。したがって、水素の拡散が促進され、セル面内での水素の偏在を低減することができる。 According to the high pressure treatment of the first embodiment described above, the hydrogen gas pressure is set to a pressure higher than the hydrogen partial pressure required for the electrochemical reaction at low load. Accordingly, diffusion of hydrogen is promoted, and uneven distribution of hydrogen in the cell plane can be reduced.

本実施例では、循環装置による制御に代えて可変調圧弁による圧力の制御で水素の偏在を低減する。一般に、水素消費量が少ない場合には燃料電池に供給される水素ガスの流量が減少するため、循環装置を駆動して流量を確保し、水素ガスの偏在を低減する制御が行なわれるが、本実施例ではこうした制御を採る必要がない。したがって、循環装置の駆動量を減らして補機損失を低減し、効率よく燃料電池システムを運転することができる。また、燃料電池システムの一般的な運転においては、低負荷領域での発電運転がほとんどである。したがって、低負荷時における循環装置の駆動量の低減は、燃費向上の効果が大きい。 In this embodiment, the uneven distribution of hydrogen is reduced by controlling the pressure using a modulatable pressure valve instead of the control using the circulation device. In general, when the amount of hydrogen consumption is small, the flow rate of hydrogen gas supplied to the fuel cell decreases. Therefore, the circulation device is driven to ensure the flow rate and control to reduce the uneven distribution of hydrogen gas is performed. In the embodiment, it is not necessary to take such control. Therefore, the driving amount of the circulation device can be reduced to reduce the auxiliary machine loss, and the fuel cell system can be operated efficiently. In general operation of the fuel cell system, most of the power generation operation is performed in a low load region. Therefore, the reduction of the driving amount of the circulation device at the time of low load has a great effect of improving fuel consumption.

なお、本実施例では、水素ガスの圧力として、右肩下がりの直線により定まる要求分圧よりも高い圧力を設定するものとしたが、要求分圧よりも高い圧力値であれば、どのような圧力を設定するものとしても良い。圧力の上限値の設定に際しては、電解質膜の許容限度を考慮して設定するものとすれば良い。 In the present embodiment, the pressure of hydrogen gas is set to a pressure higher than the required partial pressure determined by the straight line descending to the right. However, any pressure value higher than the required partial pressure can be used. It is good also as what sets a pressure. When setting the upper limit value of the pressure, it may be set in consideration of the allowable limit of the electrolyte membrane.

本実施例では、循環ポンプの場合の低負荷領域について説明したが、循環装置７０がエジェクタの場合における低負荷領域は、必要循環量よりもエジェクタの循環量が小さい場合の領域とすれば良い。エジェクタは、その構造上、水素ガスの供給流速が低下すると循環能力が低下する。特に、低負荷時には燃料電池内での水素ガスの消費が進まず、水素ガスの供給流量、流速が低下する。かかる場合、エジェクタの循環能力不足により、必要循環量を確保できない領域がある。こうしたエジェクタの循環能力では補えない領域を圧力に換算することで、開放電圧ＯＣＶから換算した圧力までの範囲を低負荷領域として設定することができる。 In the present embodiment, the low load region in the case of the circulation pump has been described. However, the low load region in the case where the circulation device 70 is an ejector may be a region in which the amount of circulation of the ejector is smaller than the necessary amount of circulation. Due to the structure of the ejector, the circulation capacity decreases when the supply flow rate of hydrogen gas decreases. In particular, when the load is low, the consumption of hydrogen gas in the fuel cell does not proceed, and the supply flow rate and flow rate of the hydrogen gas decrease. In such a case, there is a region where the necessary circulation amount cannot be secured due to insufficient circulation capacity of the ejector. By converting a region that cannot be compensated for by the circulation ability of the ejector into pressure, a range from the open circuit voltage OCV to the converted pressure can be set as a low load region.

循環装置としてエジェクタを用いる場合に、本実施例における高圧力処理を実行することで、水素ガスの循環が行なえない場合（例えば、開放電圧ＯＣＶ時）における水素の偏在の低減に特に効果を奏する。さらに、高圧力処理によれば、水素ガスの循環には影響されず、水素の偏在を低減することができるため、循環装置を備えないシステムにおいても適切な処理を行なうことができる。 When an ejector is used as the circulation device, the high pressure treatment in the present embodiment is executed, and this is particularly effective in reducing the uneven distribution of hydrogen when hydrogen gas cannot be circulated (for example, at the open circuit voltage OCV). Furthermore, according to the high-pressure treatment, the hydrogen gas circulation is not affected and the uneven distribution of hydrogen can be reduced, so that an appropriate treatment can be performed even in a system that does not include a circulation device.

Ｂ．第２実施例：
Ｂ−１．起動時の高圧力処理：
第１実施例の高圧力処理では、低負荷時に処理を実行するものとしたが、第２実施例では燃料電池による発電開始前の準備処理として高圧力処理を行なう。なお、第２実施例におけるハード構成は、第１実施例と同様であるため説明を省略する。 B. Second embodiment:
B-1. High pressure treatment at start-up:
In the high pressure process of the first embodiment, the process is executed at a low load, but in the second embodiment, the high pressure process is performed as a preparation process before the start of power generation by the fuel cell. The hardware configuration in the second embodiment is the same as that in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.

図４は、第２実施例における燃料電池システムを制御する制御コンピュータ４００がＲＯＭに記録されたプログラムに基づき実行する高圧力処理のフローチャートである。この処理は、運転者によるイグニションスイッチのオン操作後、燃料電池１０による発電開始前に実行される。なお、かかる処理の前提として、初期状態では、開閉弁２００とパージ弁２４０とは閉状態であるものとする。 FIG. 4 is a flowchart of high pressure processing executed by the control computer 400 that controls the fuel cell system according to the second embodiment based on a program recorded in the ROM. This process is performed after the driver turns on the ignition switch and before the fuel cell 10 starts generating power. As a premise of such processing, it is assumed that the on-off valve 200 and the purge valve 240 are closed in the initial state.

処理が開始されると、制御コンピュータ４００は、開閉弁２００に開弁指令を出力する（ステップＳ４００）。指令を受けた開閉弁２００が弁を開くことで、水素タンク２０からの高圧の水素ガスが放出され、調圧弁２１０，可変調圧弁２２０により所定の圧力に減圧されて、燃料電池１０のアノードに供給される。なお、この処理とほぼ同時にブロワ３０からの空気の供給も行なわれている。 When the process is started, the control computer 400 outputs a valve opening command to the on-off valve 200 (step S400). When the on-off valve 200 that has received the command opens, the high-pressure hydrogen gas is released from the hydrogen tank 20, and the pressure is reduced to a predetermined pressure by the pressure regulating valve 210 and the adjustable pressure valve 220, and is supplied to the anode of the fuel cell 10. Supplied. Note that air is supplied from the blower 30 almost simultaneously with this processing.

続いて、制御コンピュータ４００は目標圧力値Ｐ２ｍを設定する（ステップＳ４１０）。なお、ここでは要求分圧よりも高い圧力値が予め設定されており、制御コンピュータ４００はこの設定値を読み取ることで、目標値を設定している。 Subsequently, the control computer 400 sets a target pressure value P2m (step S410). Here, a pressure value higher than the required partial pressure is set in advance, and the control computer 400 sets the target value by reading this set value.

設定した目標値に圧力を調整するため、制御コンピュータ４００は可変調圧弁２２０に開度調整の指令信号を出力する（ステップＳ４２０）。この指令信号を受けた可変調圧弁２２０は、指令信号に基づく開度調整を実行する。 In order to adjust the pressure to the set target value, the control computer 400 outputs a command signal for opening degree adjustment to the adjustable pressure valve 220 (step S420). Upon receiving this command signal, the adjustable pressure valve 220 performs opening adjustment based on the command signal.

開度調整の後、制御コンピュータ４００は、調整された水素ガスの圧力Ｐ２を検出する（ステップＳ４３０）。具体的には、圧力センサ３４０によって検出された燃料電池１０の水素ガスの圧力Ｐ２を入力している。 After the opening degree adjustment, the control computer 400 detects the adjusted hydrogen gas pressure P2 (step S430). Specifically, the pressure P2 of the hydrogen gas of the fuel cell 10 detected by the pressure sensor 340 is input.

続いて、制御コンピュータ４００は、検出した圧力Ｐ２が目標値の範囲内に制御されたか否かを判断する（ステップＳ４４０）。ここでは検出した圧力Ｐ２と目標圧力Ｐ２ｍとを比較することで、目標値に設定されたか否かを判断している。なお、目標圧力値Ｐ２ｍに所定の誤差範囲が設定されているのは第１実施例と同様である。 Subsequently, the control computer 400 determines whether or not the detected pressure P2 is controlled within the range of the target value (step S440). Here, it is determined whether or not the target value is set by comparing the detected pressure P2 and the target pressure P2m. The predetermined error range is set for the target pressure value P2m, as in the first embodiment.

ステップＳ４４０で、目標値の範囲内でない（Ｎｏ）と判断した場合には、目標値までの差分を求め、ステップＳ４２０に戻って、可変調圧弁２２０の開度調整を行なう。 If it is determined in step S440 that it is not within the range of the target value (No), a difference to the target value is obtained, and the flow returns to step S420 to adjust the opening of the modulatable pressure valve 220.

他方、ステップＳ４２０で、目標値の範囲内である（Ｙｅｓ）と判断した場合には、所定時間が経過しているか否かを判断する（ステップＳ４５０）。制御コンピュータ４００は、処理の開始と共に内部のタイマにより、経過時間をカウントしている。この高圧力処理を実行する時間は予め動作環境等の種々の要因により設定されており、制御コンピュータ４００は、現在のカウント値と設定値とを比較することで所定時間の経過を判断している。 On the other hand, if it is determined in step S420 that it is within the target value range (Yes), it is determined whether or not a predetermined time has passed (step S450). The control computer 400 counts elapsed time with an internal timer at the start of processing. The time for executing this high pressure process is set in advance by various factors such as the operating environment, and the control computer 400 determines the passage of the predetermined time by comparing the current count value with the set value. .

ステップＳ４５０で、所定時間が経過していない（Ｎｏ）と判断された場合には、所定時間の経過まで処理を継続し、ステップＳ４５０で所定時間が経過した（Ｙｅｓ）と判断した場合には、一連の処理を終了する。こうして発電開始前の準備を整え、通常の圧力制御に移行し、要求負荷に応じた圧力制御が実行される。 If it is determined in step S450 that the predetermined time has not elapsed (No), the process is continued until the predetermined time has elapsed, and if it is determined in step S450 that the predetermined time has elapsed (Yes), A series of processing ends. In this way, preparations before the start of power generation are made, the process shifts to normal pressure control, and pressure control corresponding to the required load is executed.

図５は、起動時の高圧力処理における圧力と経過時間との関係を示す説明図である。図中の横軸は経過時間を、縦軸は燃料電池１０の水素ガスの圧力Ｐ２を、それぞれ示している。また、図中の破線は、通常の圧力制御において発電開始前（開放電圧ＯＣＶ時）に設定されるべき水素ガスの分圧値（要求分圧）を示している。図示するように、起動時の高圧力処理が実行されると、圧力Ｐ２は徐々に上昇し、要求分圧よりも高い圧力に設定される。所定時間が経過すると、水素ガスの圧力Ｐ２は、要求分圧に設定される。 FIG. 5 is an explanatory diagram showing the relationship between the pressure and the elapsed time in the high pressure process at the time of startup. In the figure, the horizontal axis indicates the elapsed time, and the vertical axis indicates the hydrogen gas pressure P <b> 2 of the fuel cell 10. Moreover, the broken line in the figure indicates the partial pressure value (required partial pressure) of hydrogen gas that should be set before the start of power generation (at the time of the open circuit voltage OCV) in normal pressure control. As shown in the figure, when the high pressure process at the time of start-up is executed, the pressure P2 gradually increases and is set to a pressure higher than the required partial pressure. When the predetermined time has elapsed, the hydrogen gas pressure P2 is set to the required partial pressure.

こうした第２実施例における起動時の高圧力処理を実行することで、発電前に水素の偏在を低減しておくことができ、負荷への接続後には効率よく発電を行なうことができる。 By executing the high pressure process at the time of startup in the second embodiment, it is possible to reduce the uneven distribution of hydrogen before power generation, and to efficiently generate power after connection to the load.

なお、循環装置７０がエジェクタである場合には、可変調圧弁２２０による圧力の上昇制御により、水素ガスの流量が増加するため燃料電池１０内の流路の圧力損失も増加する。したがって、圧力センサ３３０による検出圧力Ｐ１と、圧力センサ３５０による検出圧力Ｐ３との差圧が増大し、結果的に、エジェクタの循環性能が向上することとなる。つまり、高圧力処理によって、エジェクタの水素の循環も効率化され、相乗効果により水素ガスの偏在を低減することができる。 When the circulation device 70 is an ejector, the pressure loss of the flow path in the fuel cell 10 increases because the flow rate of the hydrogen gas increases due to the pressure increase control by the adjustable pressure valve 220. Therefore, the differential pressure between the detected pressure P1 detected by the pressure sensor 330 and the detected pressure P3 detected by the pressure sensor 350 is increased, and as a result, the circulation performance of the ejector is improved. That is, the high-pressure treatment also improves the efficiency of hydrogen circulation in the ejector, and the uneven distribution of hydrogen gas can be reduced by a synergistic effect.

Ｃ．変形例：
本実施例では、高圧力処理により水素ガスの偏在を低減するものとしたが、循環ポンプなど、循環量を制御可能な循環装置を備えたシステムであれば、高圧力処理と共に、水素ガスの循環量を増加する制御を行なうものとしても良い。こうすることで、圧力による偏在の低減に加えて、水素ガスの循環による偏在の低減を行なうことができ効果的となる。 C. Variations:
In this embodiment, the uneven distribution of hydrogen gas is reduced by high-pressure processing. However, if the system includes a circulation device such as a circulation pump that can control the amount of circulation, the circulation of hydrogen gas is performed together with high-pressure processing. Control for increasing the amount may be performed. By doing so, in addition to reducing the uneven distribution due to the pressure, the uneven distribution due to the circulation of hydrogen gas can be reduced, which is effective.

また、高圧力処理における圧力上昇に加えて、圧力を下降させることで水素ガスの流速を上げる制御を行なうものとしても良い。例えば、図６（ａ）に示すように、可変調圧弁２２０の調圧により、水素ガスの圧力Ｐ２を脈動させる。こうすることで、圧力上昇時には水素ガスが均一化され、圧力下降時には燃料電池内のガス流路の流速を増加させることができる。流速の間欠的な上昇により、特に、電気化学反応により生じる生成水を排除し、より一層水素ガスの攪拌、均一化に効果を奏する。 Further, in addition to the pressure increase in the high pressure process, it is possible to perform control to increase the flow rate of hydrogen gas by decreasing the pressure. For example, as shown in FIG. 6A, the pressure P2 of the hydrogen gas is pulsated by adjusting the pressure of the adjustable pressure valve 220. By so doing, the hydrogen gas can be made uniform when the pressure increases, and the flow rate of the gas flow path in the fuel cell can be increased when the pressure decreases. By intermittently increasing the flow velocity, the generated water generated by the electrochemical reaction is eliminated, and the hydrogen gas is more effectively stirred and homogenized.

こうした圧力の脈動制御は、可変調圧弁２２０に代えて、燃料電池に与える負荷を変動させることで行なうものとしても良い。例えば、図６（ｂ）に示すように、二次電池４０や、ブロワ３０等の補機など、所定負荷への燃料電池１０の接続を調整する。例えば、燃料電池１０に負荷が与えられると、それに応じた電流を出力するため燃料電池１０内では電気化学反応により水素ガスが消費される。この場合、燃料電池１０に供給される圧力Ｐ２は一時的に低下する。続いて、燃料電池１０の負荷を取り除くと、燃料電池１０内では水素ガスの消費が進まないため、燃料電池１０に供給される圧力Ｐ２は一時的に上昇する。こうした負荷変動により、間接的に水素ガスの圧力を脈動させることもできる。なお、この場合には、可変調圧弁２２０の開度は一定値とし水素ガスの供給量は固定され、負荷に応じた調圧は行なわない。 Such pressure pulsation control may be performed by changing the load applied to the fuel cell instead of the variable pressure control valve 220. For example, as shown in FIG. 6B, the connection of the fuel cell 10 to a predetermined load such as a secondary battery 40 or an auxiliary machine such as a blower 30 is adjusted. For example, when a load is applied to the fuel cell 10, hydrogen gas is consumed in the fuel cell 10 by an electrochemical reaction in order to output a current corresponding thereto. In this case, the pressure P2 supplied to the fuel cell 10 temporarily decreases. Subsequently, when the load of the fuel cell 10 is removed, the consumption of hydrogen gas does not proceed in the fuel cell 10, and the pressure P2 supplied to the fuel cell 10 temporarily increases. Due to such load fluctuation, the pressure of hydrogen gas can be indirectly pulsated. In this case, the degree of opening of the adjustable pressure valve 220 is a constant value, the supply amount of hydrogen gas is fixed, and pressure adjustment according to the load is not performed.

以上、本実施例の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。本実施例では循環装置を備えるものとしたが、循環装置がないシステムであっても本発明を適用することで、反応ガスの偏在を低減することができる。例えば、水素ガスの循環装置を備えないシステムの場合には、燃料電池のセル面内における水素ガスの入口と反対側に窒素などの不純物が堆積する場合がある。こうした状態において水素ガスの圧力を要求分圧よりも上げることで、全体的に水素濃度を上げて水素不足、水素の偏在を回避することができる。 The embodiment of the present embodiment has been described above. However, the present invention is not limited to such an embodiment, and can of course be implemented in various forms without departing from the spirit of the present invention. It is. In this embodiment, the circulation device is provided. However, even if the system does not have the circulation device, the uneven distribution of the reaction gas can be reduced by applying the present invention. For example, in the case of a system that does not include a hydrogen gas circulation device, impurities such as nitrogen may be deposited on the side opposite to the hydrogen gas inlet in the cell surface of the fuel cell. In such a state, by raising the pressure of the hydrogen gas above the required partial pressure, it is possible to increase the hydrogen concentration as a whole and avoid hydrogen shortage and hydrogen uneven distribution.

本発明の第１実施例としての燃料電池システムの全体構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the whole structure of the fuel cell system as 1st Example of this invention. 負荷と水素ガスの圧力との関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between a load and the pressure of hydrogen gas. 低負荷時における高圧力処理のフローチャートである。It is a flowchart of the high pressure process at the time of low load. 起動時における高圧力処理のフローチャートである。It is a flowchart of the high pressure process at the time of starting. 起動時の高圧力処理における圧力と経過時間との関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between the pressure and elapsed time in the high pressure process at the time of starting. 圧力、負荷の変動による制御の説明図である。It is explanatory drawing of the control by the fluctuation | variation of a pressure and load.

Explanation of symbols

１０...燃料電池
２０...水素タンク
２４...水素供給流路
２６...アノードオフガス流路
２８...水素循環流路
３０...ブロワ
３４...空気供給流路
３６...カソードオフガス流路
４０...二次電池
５０...モータ
５５...車軸
６０...気液分離器
７０...循環装置
９０...車両
１００...燃料電池システム
１１０...電圧計
１２０...電流計
１３１，１３２...スイッチ
２００...開閉弁
２１０...調圧弁
２２０...可変調圧弁
２４０...パージ弁
３１０，３３０，３４０，３５０...圧力センサ
４００...制御コンピュータ DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell 20 ... Hydrogen tank 24 ... Hydrogen supply flow path 26 ... Anode off gas flow path 28 ... Hydrogen circulation flow path 30 ... Blower 34 ... Air supply flow path 36 ... Cathode off gas flow path 40 ... Secondary battery 50 ... Motor 55 ... Axle 60 ... Gas-liquid separator 70 ... Circulating device 90 ... Vehicle 100 ... Fuel cell system 110 ... Voltmeter 120 ... Ammeter 131,132 ... Switch 200 ... Open / close valve 210 ... Pressure control valve 220 ... Modulatable pressure valve 240 ... Purge valve 310,330,340, 350 ... Pressure sensor 400 ... Control computer

Claims

A fuel cell system for supplying a reaction gas to a fuel cell and generating electric power according to a required load connected to the fuel cell,
Pressure adjusting means for adjusting the pressure of the reaction gas supplied to the fuel cell;
Pressure control means for controlling the pressure of the reaction gas to a required partial pressure set in advance as a partial pressure necessary for power generation corresponding to the required load using the pressure adjusting means;
High pressure for controlling the pressure of the reaction gas to a pressure higher than the required partial pressure using the pressure adjusting means when the required partial pressure is lower than a predetermined value in a state where a load is connected to the fuel cell. And a fuel cell system.

The fuel cell system according to claim 1,
In the state where the load is connected to the fuel cell, the high pressure control means has a pressure higher than the required partial pressure when the fuel cell is started in addition to the case where the required partial pressure is lower than a predetermined value . Fuel cell system that performs control .

The fuel cell system according to claim 1 or 2, further comprising:
A circulation means for recirculating hydrogen gas as the reaction gas flowing in the fuel cell to the fuel cell;
A fuel cell system comprising: a circulation control unit configured to circulate the hydrogen gas by the circulation unit, together with control to a pressure higher than the required partial pressure when the required partial pressure is lower than a predetermined value.

The fuel cell system according to claim 1, further comprising:
A circulation pump that recirculates hydrogen gas as the reaction gas flowing through the fuel cell to the fuel cell;
The high pressure control means is configured to set the pressure of the reaction gas instead of driving the circulation pump when the circulation amount necessary for appropriate power generation in the fuel cell is smaller than the minimum circulation amount by the circulation pump. A fuel cell system that controls the pressure higher than the required partial pressure.

The fuel cell system according to claim 1, further comprising:
An ejector for recirculating hydrogen gas as the reaction gas flowing through the fuel cell to the fuel cell;
The high pressure control means controls the pressure of the reaction gas to a pressure higher than the required partial pressure when the amount of circulation necessary for appropriate power generation in the fuel cell is larger than the amount of circulation by the ejector. Battery system.

A control method of a fuel cell system for supplying a reaction gas to a fuel cell and generating electric power according to a required load connected to the fuel cell,
While controlling the pressure of the reaction gas supplied to the fuel cell to a required partial pressure set in advance as a partial pressure necessary for power generation corresponding to the required load,
In the state where a load is connected to the fuel cell, when the required partial pressure is lower than a predetermined value, the pressure of the reaction gas is controlled to be higher than the required partial pressure.