JP5410729B2 - Fuel cell system and control method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池を作動させる燃料電池システム、例えばコジェネレーションや燃料電池自動車等に利用可能な燃料電池システム及びその制御方法に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell system that operates a fuel cell, for example, a fuel cell system that can be used for cogeneration, a fuel cell vehicle, and the like, and a control method therefor.

従来より、燃料電池の動作を制御して燃料電池を好適に作動させる技術として、例えば特許文献1、2に記載の技術が開示されている。
この特許文献1の技術は、燃料電池に接続された負荷の消費電力への追従性向上を図るものであり、初期I−V特性に基づいた燃料流量の規格流量を基本として、別途算出した補正流量を加算するものである。ここで、燃料電池(例えば複数の発電セルを積層したセルスタック)の発電能力低下の補正は、初期I−V特性から得られるセルスタック電圧の規定値と実測値との偏差をパラメータとして補正流量を求め、この補正流量を加算することにより実現している。
Conventionally, for example, techniques disclosed in Patent Documents 1 and 2 are disclosed as techniques for suitably operating a fuel cell by controlling the operation of the fuel cell.
The technique of Patent Document 1 is intended to improve the followability to the power consumption of the load connected to the fuel cell, and is a separately calculated correction based on the standard flow rate of the fuel flow based on the initial IV characteristics. The flow rate is added. Here, the correction of the decrease in the power generation capacity of the fuel cell (for example, a cell stack in which a plurality of power generation cells is stacked) is performed using the deviation between the specified value and the actual measurement value of the cell stack voltage obtained from the initial IV characteristics as a parameter This is realized by adding the corrected flow rate.

また、特許文献2の技術は、負荷の変動と燃料電池の劣化を考慮したものであり、I−V特性そのものを実測による補正を行いながら記憶し、その記憶したデータを参照して、常に最新のI−V特性に基づいて最適な空気流量を算出するものである。
特開平9−147893号公報 特開2004−296374号公報
The technique of Patent Document 2 takes into account load fluctuations and deterioration of the fuel cell. The IV characteristics themselves are stored while being corrected by actual measurement, and the stored data is always updated with reference to the stored data. The optimal air flow rate is calculated on the basis of the IV characteristics.
JP-A-9-147893 JP 2004-296374 A

しかしながら、上述した従来技術では、制御手法が複雑であり、特に負荷の消費電力が変化した場合には、その変化に速やかに対応できないという問題があった。
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、従来よりも簡易な手法で、負荷の消費電力の変化に速やかに対応できる燃料電池システム及びその制御方法を提供することにある。
However, the above-described conventional technique has a problem that the control method is complicated, and particularly when the power consumption of the load changes, the change cannot be promptly handled.
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of quickly responding to a change in power consumption of a load by a simpler technique than before and a control method thereof. There is to do.

(1)請求項1の発明は、燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給部と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給部と、前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出部と、前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出部と、システムの制御を行う制御部と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記電圧検出部によって検出された出力電圧が目標電圧になるように燃料流量を算出し、該燃料流量を燃料電池に供給するように制御する第1制御手段と、負荷消費電力の変化時において、前記負荷消費電力の増加後の前記出力電圧が前記負荷消費電力の安定時における目標電圧である基準目標電圧となるよう、前記電流検出部によって検出された出力電流の変化量に基づいて前記基準目標電圧に加算する加算電圧を算出し、前記基準目標電圧に加算電圧を加算した値を前記目標電圧として設定する第2制御手段と、を備えたことを特徴とする。 (1) The invention of claim 1 is a fuel cell, a fuel supply unit that supplies fuel gas to the fuel cell, an oxidant supply unit that supplies oxidant gas to the fuel cell, and an output voltage of the fuel cell. In the fuel cell system, the control unit is detected by the voltage detection unit. The fuel cell system includes: a voltage detection unit that detects an output current; a current detection unit that detects an output current of the fuel cell; and a control unit that controls the system. The first control means for calculating the fuel flow rate so that the output voltage thus obtained becomes the target voltage and supplying the fuel flow rate to the fuel cell, and the load power consumption increases when the load power consumption changes so that the output voltage after it becomes a reference target voltage which is a target voltage during the stable of the load power is added to the reference target voltage based on the change amount of the detected output current by the current detecting section Calculating a calculated voltage, characterized in that a value obtained by adding the sum voltage to the reference target voltage and a second control means for setting as the target voltage.

本発明では、第1制御手段によって、燃料電池の出力電圧(例えばセルスタック電圧)が目標電圧(例えば目標セルスタック電圧)になるように燃料流量を算出し、該燃料流量を燃料電池に供給するように制御し、第2制御手段によって、負荷消費電力の変化時において、負荷消費電力の増加後の出力電圧が負荷消費電力の安定時における目標電圧である基準目標電圧となるよう、電流検出部によって検出された出力電流(例えばセルスタック電流)の変化量に基づいて基準目標電圧に加算する加算電圧を算出し、この基準目標電圧に加算電圧を加算した値を目標電圧として設定することから、従来よりも簡易な手法で、負荷消費電力の変化に速やかに対応することができる。 In the present invention, the first control means calculates the fuel flow rate so that the output voltage (for example, cell stack voltage) of the fuel cell becomes the target voltage (for example, target cell stack voltage), and supplies the fuel flow rate to the fuel cell. The current detection unit is controlled by the second control unit so that the output voltage after the increase in the load power consumption becomes the reference target voltage that is the target voltage when the load power consumption is stable, when the load power consumption changes. Since the addition voltage to be added to the reference target voltage is calculated based on the change amount of the output current (for example, cell stack current) detected by, and the value obtained by adding the addition voltage to the reference target voltage is set as the target voltage, It is possible to respond quickly to changes in load power consumption by a simpler technique than before.

すなわち、出力電流の変化量に基づいて、未来の負荷消費電力を予測して、目標電圧を設定するので、負荷消費電力の増加に速やかに追従する安定した発電が可能となる。
また、本発明では、負荷消費電力の増加に備えた燃料増量を、目標電圧の設定値を上げることにより実現できるために、流量計算を同一の処理で行うことができ、簡潔な制御となる。
That is, since the future load power consumption is predicted based on the amount of change in the output current and the target voltage is set, stable power generation that quickly follows the increase in load power consumption becomes possible.
Further, in the present invention, the fuel increase in preparation for the increase in the load power consumption can be realized by increasing the set value of the target voltage. Therefore, the flow rate calculation can be performed by the same process, and the control is simple.

更に、本発明では、燃料電池の出力電圧を目標電圧に制御することにより、燃料電池の電流−電圧特性(I−V特性)を意識することなく、最適燃料流量の算出が可能になる。
その上、本発明では、上述した制御を行うことにより、さまざまな条件に起因する発電能力の低下を補正した上で、最適燃料流量による発電が可能となる。なお、燃料電池の発電能力の低下は、目標電圧にフィードバック制御することで、自動的に補正することができる。
Furthermore, in the present invention, by controlling the output voltage of the fuel cell to the target voltage, the optimum fuel flow rate can be calculated without being aware of the current-voltage characteristics (IV characteristics) of the fuel cell.
In addition, in the present invention, by performing the above-described control, it is possible to generate power with the optimum fuel flow rate after correcting the decrease in power generation capacity due to various conditions. Note that the decrease in the power generation capacity of the fuel cell can be automatically corrected by feedback control to the target voltage.

(2)請求項2の発明では、予め前記燃料電池の特性に基づいて求められた前記燃料電池の電流増加量と前記加算電圧との関係を示すマップ又は換算式により、前記加算電圧を求めることを特徴とする。
本発明は、加算電圧を求めるための構成を例示したものである。
)請求項の発明では、前記電流検出部は、電流計を用いて直接に前記出力電流を求めること、又は、前記燃料電池に接続された負荷の消費電力を検出し、この負荷消費電力から間接的に前記出力電流を求めることを特徴とする。
(2) In the invention of claim 2, the addition voltage is obtained by a map or a conversion formula showing a relationship between the amount of increase in current of the fuel cell and the addition voltage obtained in advance based on characteristics of the fuel cell. It is characterized by.
The present invention exemplifies a configuration for obtaining the addition voltage.
( 3 ) In the invention of claim 3, the current detection unit directly obtains the output current using an ammeter, or detects the power consumption of a load connected to the fuel cell, and the load consumption The output current is obtained indirectly from electric power.

本発明は、出力電流を求める電流検出部の構成を例示したものである。
なお、負荷消費電力から間接的に出力電流を求める場合には、例えば、負荷消費電力と出力電圧とを用い、(負荷消費電力/出力電圧)の演算により出力電流を算出することができる。
The present invention exemplifies a configuration of a current detection unit for obtaining an output current.
When the output current is obtained indirectly from the load power consumption, for example, the output current can be calculated by calculating (load power consumption / output voltage) using the load power consumption and the output voltage.

)請求項の発明は、燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給部と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給部と、前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出部と、前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出部と、を備えた燃料電池システムの制御方法において、前記電圧検出部によって検出された出力電圧が目標電圧になるように燃料流量を算出し、該燃料流量を燃料電池に供給するように制御する第1制御工程と、負荷消費電力の変化時において、前記負荷消費電力の増加後の前記出力電圧が前記負荷消費電力の安定時における目標電圧である基準目標電圧となるよう、前記電流検出部によって検出された出力電流の変化量に基づいて前記基準目標電圧に加算する加算電圧を算出し、前記基準目標電圧に加算電圧を加算した値を前記目標電圧として設定する第2制御工程と、を有することを特徴とする。 ( 4 ) The invention of claim 4 is a fuel cell, a fuel supply unit for supplying fuel gas to the fuel cell, an oxidant supply unit for supplying oxidant gas to the fuel cell, and an output voltage of the fuel cell. In a control method for a fuel cell system, comprising: a voltage detection unit that detects the output of the fuel cell; and a current detection unit that detects an output current of the fuel cell, so that the output voltage detected by the voltage detection unit becomes a target voltage. A first control step for calculating a fuel flow rate and controlling the fuel flow rate to be supplied to the fuel cell; and when the load power consumption changes, the output voltage after the increase in the load power consumption is equal to the load power consumption. to be a reference target voltage which is a target voltage at the stable state, it calculates the sum voltage to be added to the reference target voltage based on the change amount of the detected output current by the current detection unit, the reference target electrostatic A second control step of setting a value obtained by adding the sum voltage as the target voltage, and having a.

本発明では、前記請求項1の発明と同様に、出力電流の変化量に基づいて、目標電圧を設定し、その目標電圧となるように燃料流量を制御することから、上述した様に、従来よりも簡易な手法で、負荷消費電力の変化に速やかに対応することができる等の前記請求項1の発明と同様な効果を奏する。 In the present invention, the target voltage is set based on the amount of change in the output current and the fuel flow rate is controlled so as to be the target voltage, as in the first aspect of the invention. The same effects as those of the first aspect of the invention can be achieved, such as being able to respond quickly to changes in load power consumption by a simpler method.

(5)請求項5の発明では、予め前記燃料電池の特性に基づいて求められた前記燃料電池の電流増加量と前記加算電圧との関係を示すマップ又は換算式により、前記加算電圧を求めることを特徴とする。
本発明は、加算電圧を求める手法を例示したものである。
)請求項の発明では、前記電流検出部は、電流計を用いて直接に前記出力電流を求めること、又は、前記燃料電池に接続された負荷の消費電力を検出し、この負荷消費電力から間接的に前記出力電流を求めることを特徴とする。
(5) In the invention of claim 5, the addition voltage is obtained by a map or a conversion formula showing a relationship between the increase amount of the current of the fuel cell and the addition voltage obtained in advance based on characteristics of the fuel cell. It is characterized by.
The present invention exemplifies a method for obtaining the added voltage.
( 6 ) In the invention of claim 6, the current detection unit obtains the output current directly using an ammeter, or detects the power consumption of a load connected to the fuel cell, and the load consumption The output current is obtained indirectly from electric power.

本発明は、前記請求項の発明と同様に、出力電流を求める電流検出部の構成を例示したものである。
ここで、前記各発明の各構成について説明する。
The present invention exemplifies the configuration of the current detection unit for obtaining the output current, as in the third aspect of the invention.
Here, each structure of each said invention is demonstrated.

前記燃料電池としては、発電単位である発電セルを複数層積層した燃料電池セルスタック(例えば固体酸化物形燃料電池)を用いることができる。また、発電セルとして、固体電解質基板(固体電解質層)に空気極及び燃料極を備えたものが挙げられる。   As the fuel cell, a fuel cell stack (for example, a solid oxide fuel cell) in which a plurality of power generation cells as power generation units are stacked can be used. Examples of the power generation cell include a solid electrolyte substrate (solid electrolyte layer) provided with an air electrode and a fuel electrode.

このうち、固体電解質層としては、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)、SDC(サマリア添加セリア)、GDC(ガドリニウム添加セリア)、ペロブスカイト酸化物など公知のものを使用できる。空気極としては、ペロブスカイト酸化物、各種貴金属、貴金属とセラミックとのサーメットなどを使用でき、また、燃料極としては、各種貴金属、Ni等の卑金属、これらの金属とセラミックとのサーメットなどを使用できる。   Among these, as the solid electrolyte layer, known materials such as YSZ (yttria stabilized zirconia), ScSZ (scandia stabilized zirconia), SDC (samaria-added ceria), GDC (gadolinium-added ceria), and perovskite oxide can be used. As the air electrode, perovskite oxide, various precious metals, cermets of precious metals and ceramics can be used, and as the fuel electrode, various precious metals, base metals such as Ni, cermets of these metals and ceramics can be used. .

尚、固体電解質層は、燃料電池の作動時に燃料極に導入される燃料ガス(可燃ガス)又は空気極に導入される酸化剤ガス(支燃ガス)のうちの一方の一部をイオンとして移動させることができるイオン伝導性を有する。このイオンとしては、例えば酸素イオン及び水素イオン等が挙げられる。また、燃料極は、還元剤となる燃料ガスと接触し、セルにおける負電極として機能する。空気極は、酸化剤となる酸化剤ガスと接触し、セルにおける正電極として機能する。   The solid electrolyte layer is moved by using a part of one of the fuel gas (combustible gas) introduced into the fuel electrode or the oxidant gas (combustion gas) introduced into the air electrode during operation of the fuel cell. It has ionic conductivity that can be achieved. Examples of the ions include oxygen ions and hydrogen ions. Further, the fuel electrode comes into contact with the fuel gas that becomes the reducing agent and functions as a negative electrode in the cell. The air electrode is in contact with an oxidant gas serving as an oxidant and functions as a positive electrode in the cell.

次に、本発明の最良の形態の例について説明する。
[実施形態]
a)まず、本実施形態である燃料電池システムの構成について、図1に基づいて説明する。
Next, an example of the best mode of the present invention will be described.
[Embodiment]
a) First, the configuration of the fuel cell system according to the present embodiment will be described with reference to FIG.

図1に示す様に、本実施例の燃料電池システムは、断熱容器1内に、複数の発電セルが積層された燃料電池(セルスタック)3と、セルスタック3に供給する燃料ガスの改質を行う改質器5と、セルスタック5から排出された排出ガスを燃焼させる触媒燃焼器7を収容している。   As shown in FIG. 1, the fuel cell system of this embodiment includes a fuel cell (cell stack) 3 in which a plurality of power generation cells are stacked in a heat insulating container 1, and reforming of fuel gas supplied to the cell stack 3. And a catalytic combustor 7 for burning the exhaust gas discharged from the cell stack 5 is housed.

このうち、前記セルスタック3は、燃料ガス(詳しくは燃料ガス中の水素)と酸化剤ガス(詳しくは空気中の酸素)との供給を受けて発電を行う装置である。このセルスタック3としては、図示しないが、例えば発電単位である板状の発電セル(固体酸化物形燃料電池セル)と、セル間の導通を確保するとともにガス流路を遮断する板状のインターコネクタとが交互に積層されものを採用できる。なお、発電セルとしては、例えば板状の酸素イオン伝導性を有する例えばSc安定化ジルコニア固溶体からなる固体電解質体の一方の側に、空気極が形成され、他方の側に、燃料極が形成されたものを採用できる。   Among these, the cell stack 3 is a device that generates power by receiving supply of fuel gas (specifically, hydrogen in the fuel gas) and oxidant gas (specifically, oxygen in the air). Although not shown, the cell stack 3 is, for example, a plate-shaped power generation unit (solid oxide fuel cell) that is a power generation unit, and a plate-shaped interface that secures conduction between the cells and blocks the gas flow path. It is possible to adopt one in which connectors are alternately stacked. As the power generation cell, for example, an air electrode is formed on one side of a solid electrolyte body made of, for example, Sc-stabilized zirconia solid solution having plate-like oxygen ion conductivity, and a fuel electrode is formed on the other side. Can be used.

前記改質器5は、例えば都市ガス等の燃料ガスを、例えばニッケル、白金等の触媒を利用して改質して、前記酸素と反応する水素ガスを生成する装置である。
前記触媒燃焼器7は、セルスタック3から排出される排出ガス中に含まれる残余の可燃ガスを、例えば白金、ロジウム、パラジウム等の触媒を利用して燃焼させる装置である。この触媒燃焼器7における燃焼によって、断熱容器1内の温度を、セルスタック3における発電を好適に行う温度(例えば約700℃)に保つことができる。
The reformer 5 is a device that reforms a fuel gas such as city gas using a catalyst such as nickel or platinum to generate hydrogen gas that reacts with oxygen.
The catalytic combustor 7 is a device that burns the remaining combustible gas contained in the exhaust gas discharged from the cell stack 3 using a catalyst such as platinum, rhodium, palladium, or the like. By the combustion in the catalytic combustor 7, the temperature in the heat insulating container 1 can be kept at a temperature (for example, about 700 ° C.) at which the power generation in the cell stack 3 is suitably performed.

一方、前記断熱容器1の外部には、セルスタック3に接続された酸化剤供給部(空気供給部)9と、改質器5に接続された燃料供給部11とが配置されている。この空気供給部9からは、セルスタック3に対して、酸化剤ガスとして空気が供給され、燃料供給部11からは、改質器5に対して、燃料ガスとして水素を含む例えば改質前の都市ガス等が供給される。   On the other hand, an oxidant supply unit (air supply unit) 9 connected to the cell stack 3 and a fuel supply unit 11 connected to the reformer 5 are arranged outside the heat insulating container 1. The air supply unit 9 supplies air as an oxidant gas to the cell stack 3, and the fuel supply unit 11 includes hydrogen as a fuel gas to the reformer 5, for example, before reforming. City gas is supplied.

そして、セルスタック3から定電圧変換器(セルスタック3の出力電圧を所定の定電圧に変換する装置)13に到る電力供給路15には、第1電圧計17及び第電流計19が配置され、定電圧変換器13から負荷21に到る電力供給路23には、第2電圧計25及び第2電流計27が配置されている。 A first voltmeter 17 and a first ammeter 19 are connected to the power supply path 15 from the cell stack 3 to the constant voltage converter 13 (device that converts the output voltage of the cell stack 3 into a predetermined constant voltage) 13. A second voltmeter 25 and a second ammeter 27 are disposed in the power supply path 23 that is disposed and reaches the load 21 from the constant voltage converter 13.

なお、負荷21に対しては、通常、図示しない分電盤を介して、系統電力線からも電力が供給されるが、ここではその説明は省略する。
b)次に、燃料電池システムの基本的動作について説明する。
In addition, although the electric power is normally supplied to the load 21 also from a system | strain power line via the distribution board which is not shown in figure, the description is abbreviate | omitted here.
b) Next, the basic operation of the fuel cell system will be described.

燃料電池システムによって発電を行う場合には、空気供給部9からセルスタック3に対して(詳しくは各発電セルの空気極側に対して)空気を供給する。それとともに、燃料供給部11から改質器5に対して都市ガスを供給し、改質器5ではこの都市ガスを改質して水素ガスを取り出し、この水素ガスをセルスタック3に対して(詳しくは各発電セルの燃料極側に)供給する。   When power generation is performed by the fuel cell system, air is supplied from the air supply unit 9 to the cell stack 3 (specifically, to the air electrode side of each power generation cell). At the same time, city gas is supplied from the fuel supply unit 11 to the reformer 5, and the reformer 5 reforms the city gas to take out hydrogen gas. The hydrogen gas is supplied to the cell stack 3 ( For details, supply to the fuel electrode side of each power generation cell).

これにより、各発電セルでは、酸素と水素との反応により発電が行われ、この発電による電力が、セルスタック3から定電圧変換器13に送られる。なお、セルスタック3から排出される排出ガスには、改質されなかった都市ガスや発電に利用されなかった水素を含む改質ガスと酸素を含む空気が残留しているので、この可燃ガス(水素等)と支燃ガス(酸素)が触媒燃焼器7で燃焼することにより、断熱容器1内を適度な温度に加熱することができる。   Thereby, in each power generation cell, power generation is performed by a reaction between oxygen and hydrogen, and the power generated by this power generation is sent from the cell stack 3 to the constant voltage converter 13. Note that the exhaust gas discharged from the cell stack 3 contains the city gas that has not been reformed, the reformed gas that includes hydrogen that has not been used for power generation, and the oxygen-containing air. Hydrogen etc.) and combustion-supporting gas (oxygen) are combusted in the catalytic combustor 7, whereby the inside of the heat insulating container 1 can be heated to an appropriate temperature.

前記セルスタック3の出力の電圧及び電流は、第1電圧計17及び第電流計19により測定され、定電圧変換器13の出力の電圧と電流は、第2電圧計25及び第2電流計27により測定される。 The output voltage and current of the cell stack 3 are measured by a first voltmeter 17 and a first ammeter 19, and the output voltage and current of the constant voltage converter 13 are measured by a second voltmeter 25 and a second ammeter. 27.

そして、第1電圧計17及び第電流計19と第2電圧計25及び第2電流計27とからの信号(電圧を示す信号及び電流を示す信号)は、制御部(電子制御装置)29に入力される。制御部29では、それらの信号等に基づいて、後述する演算が行われ、空気供給部9及び燃料供給部11に対して、セルスタック3に送る空気の流量や改質器5に送る燃料ガスの流量(都市ガス等の燃料流量Q)を調整するための制御信号が出力される。 A signal (a signal indicating voltage and a signal indicating current) from the first voltmeter 17 and the first ammeter 19 and the second voltmeter 25 and the second ammeter 27 is sent to a control unit (electronic control device) 29. Is input. In the control unit 29, calculation described later is performed based on those signals and the like, and the flow rate of air sent to the cell stack 3 and the fuel gas sent to the reformer 5 to the air supply unit 9 and the fuel supply unit 11. A control signal for adjusting the flow rate (fuel flow rate Q of city gas or the like) is output.

例えば燃料流量は、下記式(1)又は(2)によって算出することができる。

<セルスタック電流を直接用いる場合>
Q=(Is・α)/(Uf・Vh2/100) ・・・(1)

<負荷消費電力から間接的にセルスタック電流を算出して用いる場合>
Q=[(P・Es)・α]/(η・Uf・Vh2/100) ・・・(2)

Q:燃料流量[L/min]
Es:セルスタック電圧[V]
Is:セルスタック電流[A]
P:負荷消費電力[W]
α:セルスタック電流1[A]の取り出しに必要な水素流量[L/min・A]
η:定電圧変換器の変換効率[%]
Uf:燃料利用率[%]
Vh2:燃料中の水素割合[%]

この式(1)又は(2)で、燃料利用率Ufとは、都市ガス等の燃料流量の総流量に対する発電に寄与する流量の割合のことであり、燃料中の水素割合Vh2とは、都市ガス等の燃料ガスに含まれる水素の割合のことである。
For example, the fuel flow rate can be calculated by the following formula (1) or (2).

<When cell stack current is used directly>
Q = (Is · α) / (Uf · Vh 2/100) (1)

<Indirect calculation of cell stack current from load power consumption>
Q = [(P · Es) · α] / (η · Uf · Vh 2/100) (2)

Q: Fuel flow rate [L / min]
Es: Cell stack voltage [V]
Is: Cell stack current [A]
P: Load power consumption [W]
α: Hydrogen flow rate [L / min · A] required for taking out the cell stack current 1 [A]
η: Conversion efficiency of constant voltage converter [%]
Uf: Fuel utilization rate [%]
Vh2: Hydrogen ratio in fuel [%]

In this formula (1) or (2), the fuel utilization rate Uf is the ratio of the flow rate that contributes to power generation with respect to the total flow rate of fuel such as city gas, and the hydrogen ratio Vh2 in the fuel is the city It is the ratio of hydrogen contained in fuel gas such as gas.

なお、空気流量に関しては、例えば燃料流量に設定空燃比となるような係数をかけたものとする。
c)次に、燃料電池システムを制御するための原理について、図2〜図4に基づいて説明する。
As for the air flow rate, for example, it is assumed that the fuel flow rate is multiplied by a coefficient that becomes the set air-fuel ratio.
c) Next, the principle for controlling the fuel cell system will be described with reference to FIGS.

(1)燃料電池の発電特性
図2に、セルスタック3の電流−電圧特性(I−V特性)を示す。
この図2から明らかな様に、燃料利用率を低く(即ち燃料流量を多くする)ほど、発電能力は高くなり、逆に、燃料利用率を高く(即ち燃料流量を少なくする)ほど、発電能力は低くなる。
(1) Power generation characteristics of fuel cell FIG. 2 shows current-voltage characteristics (IV characteristics) of the cell stack 3.
As is clear from FIG. 2, the power generation capacity increases as the fuel utilization rate decreases (ie, the fuel flow rate increases), and conversely, the power generation capacity increases as the fuel utilization rate increases (ie, the fuel flow rate decreases). Becomes lower.

なお、燃料利用率を下げるということは、発電に寄与せずそのまま排出される燃料割合を増やすことであるが、代わりに触媒燃焼による温度維持やセルスタック3の劣化補償のための燃料割合を増やすことでもあり、燃料利用率と燃料流量とには、反比例の関係がある。   Note that reducing the fuel utilization rate means increasing the proportion of fuel that is discharged without contributing to power generation, but instead increasing the proportion of fuel for maintaining temperature by catalytic combustion and compensating for deterioration of the cell stack 3. In other words, there is an inversely proportional relationship between the fuel utilization rate and the fuel flow rate.

また、セルスタック3に温度低下や劣化があると、発電能力は低下するので、燃料利用率を高くした状態(即ち燃料流量を少なくした状態)は、セルスタック3の温度低下や劣化と等価と考えることができる。   Further, if the cell stack 3 has a temperature drop or deterioration, the power generation capacity is reduced. Therefore, a state where the fuel utilization rate is increased (that is, a state where the fuel flow rate is reduced) is equivalent to a temperature drop or deterioration of the cell stack 3. Can think.

更に、負荷消費電力を一定とした場合(例えば等電力線600[W]参照)、発電能力が高い状態(従って燃料利用率が低く、燃料流量が多い状態)ほど、セルスタック電圧が高くなる。   Furthermore, when the load power consumption is constant (see, for example, the equal power line 600 [W]), the cell stack voltage increases as the power generation capacity increases (thus, the fuel utilization rate is low and the fuel flow rate is high).

(2)燃料電池のガス流量制御
図3に示す様に、初期I−V特性(例えば点Aを含む下方のカーブ)を元に、セルスタック電圧に基準となる目標電圧(基準目標電圧)を設定し、これを一定に保つように、前記式(1)又は(2)の燃料流量計算式の燃料利用率を可変として制御する(実際には燃料流量を制御する)。これにより、I−V特性は負荷消費電力に応じたものに変化する(例えば図3の点Bを含む中間のカーブ又は点Cを含む上方のカーブ参照)。
(2) Gas flow control of the fuel cell As shown in FIG. 3, based on the initial IV characteristics (for example, the lower curve including the point A), the target voltage (reference target voltage) serving as a reference for the cell stack voltage is set. The fuel usage rate in the fuel flow rate calculation formula (1) or (2) is controlled to be variable (actually, the fuel flow rate is controlled) so as to be set and kept constant. As a result, the IV characteristics change according to the load power consumption (see, for example, an intermediate curve including point B or an upper curve including point C in FIG. 3).

つまり、例えば目標とする電圧(基準目標電圧)が12[V]の場合を考えると、負荷が異なるとき(例えば360[W]から600[W]に増加したとき)に基準目標電圧の12[V]を確保するためには、燃料利用率を低下させること(従って燃料流量を多くすること)により対応することができる。   That is, for example, when the target voltage (reference target voltage) is 12 [V], when the load is different (for example, when the load is increased from 360 [W] to 600 [W]), the reference target voltage of 12 [V] V] can be secured by reducing the fuel utilization rate (and thus increasing the fuel flow rate).

ここで、目標とする電圧は、急激な負荷消費電力の上昇が起きても燃料枯れを起こさないようにするために、I−V特性上の電圧が低下する変曲点よりも同図左側に設定することが望ましい。   Here, the target voltage is on the left side of the inflection point from the inflection point where the voltage on the IV characteristic decreases in order to prevent fuel depletion even if the load power consumption suddenly increases. It is desirable to set.

また、最大電力点で制御しない場合には、そうでない場合と比較して余剰燃料(未燃燃料)が発生するが、未燃燃料は触媒燃料器7によってセルスタック3の温度維持に使用されるため、システムとして無駄にはならない。   Further, when the control is not performed at the maximum power point, surplus fuel (unburned fuel) is generated as compared with the case where it is not, but the unburned fuel is used by the catalytic fuel unit 7 to maintain the temperature of the cell stack 3. Therefore, it is not wasted as a system.

更に、上述の様に目標とする電圧を設定することにより、セルスタック3の発電能力が低下した場合でも、制御によって可変される燃料利用率が劣化前より低くなることで(即ち制御によって可変される燃料流量が劣化前よりも多くなることで)、自動的に所望の発電能力に補正される。   Further, by setting the target voltage as described above, even when the power generation capacity of the cell stack 3 is reduced, the fuel utilization rate that is changed by the control becomes lower than before the deterioration (that is, it is changed by the control). When the fuel flow rate is higher than before deterioration, the power generation capacity is automatically corrected to a desired value.

(3)燃料電池の負荷追従制御
図4に示す様に、負荷消費電力が一定で安定している場合、即ちセルスタック電流の変化量が0[A]の場合を基準目標電圧(例えば12[V])とし、これにセルスタック電流の増加量に応じた電圧(加算電圧)を加算したものを目標電圧して、燃料利用率(即ち燃料流量)を制御する。
(3) Fuel cell load following control As shown in FIG. 4, when the load power consumption is constant and stable, that is, when the change amount of the cell stack current is 0 [A], the reference target voltage (for example, 12 [ V]), and a voltage obtained by adding a voltage (added voltage) corresponding to the amount of increase in the cell stack current to the target voltage, and the fuel utilization rate (ie, fuel flow rate) is controlled.

例えば現在の負荷消費電力が360[W]から600[W]に増加する過程において、セルスタック電流の増加の程度に合わせて、目標電圧を基準目標電圧より大きく設定する。例えば同図のA点からA’点の電圧増加分(電圧偏差)として、例えば約1[V]設定する。そして、その電圧偏差を解消するように、燃料利用率を低くし(即ち燃料流量を多くし)、それによって、600[W]に到達し安定した時点では、点Bに対応する基準目標電圧で制御することになる。このとき、電流は50[A]なので、負荷消費電力は600[W]となる。   For example, in the process of increasing the current load power consumption from 360 [W] to 600 [W], the target voltage is set to be larger than the reference target voltage in accordance with the degree of increase in the cell stack current. For example, about 1 [V] is set as the voltage increase (voltage deviation) from point A to point A ′ in FIG. In order to eliminate the voltage deviation, the fuel utilization rate is lowered (that is, the fuel flow rate is increased), and when it reaches 600 [W] and stabilizes, the reference target voltage corresponding to point B is reached. To control. At this time, since the current is 50 [A], the load power consumption is 600 [W].

つまり、I−V特性は、一定時間後の負荷消費電力に対応したものと等価になるので、この制御により、急激な負荷消費電力の増加にも速やかに追従する安定した発電が可能になる。   In other words, the IV characteristic is equivalent to that corresponding to the load power consumption after a certain time, and this control enables stable power generation that quickly follows a sudden increase in load power consumption.

c)次に、上述した原理に基づいて、制御部29にて行われる燃料電池システムの制御方法について、図5〜図6に基づいて説明する。
(1)メインルーチン
図5に示す様に、本メインルーチンは、燃料電池システムの制御部29を作動させる電源がONされると開始される。
c) Next, a control method of the fuel cell system performed by the control unit 29 based on the above-described principle will be described with reference to FIGS.
(1) Main Routine As shown in FIG. 5, this main routine is started when the power source for operating the control unit 29 of the fuel cell system is turned on.

まず、処理が開始されると、ステップ(S)100では、燃料流量を計算する周期(例えば100[ms])であるか否かを判定する。ここで肯定判断されるとステップ110に進み、一方否定判断されると、同様な判定を例えば1[ms]毎に繰り返す。   First, when the process is started, in step (S) 100, it is determined whether or not it is a cycle for calculating the fuel flow rate (for example, 100 [ms]). If an affirmative determination is made here, the process proceeds to step 110. If a negative determination is made, similar determination is repeated, for example, every 1 [ms].

ステップ110では、第1電圧計17により、セルスタック電圧を測定する。
続くステップ120では、セルスタック電流を直接測定するか否か、即ち、セルスタック電流を直接測定するか、負荷消費電力を測定し間接的にセルスタック電流を算出するかを判定する。ここで肯定判断されるとステップ130に進み、一方否定判断されるとステップ140に進む。なお、この判定は、例えばどちらの処理を行うかを示すフラグ等を利用して行うことができる。
In step 110, the cell stack voltage is measured by the first voltmeter 17.
In the following step 120, it is determined whether or not to directly measure the cell stack current, that is, whether to directly measure the cell stack current or to indirectly calculate the cell stack current by measuring the load power consumption. If an affirmative determination is made here, the process proceeds to step 130, while if a negative determination is made, the process proceeds to step 140. This determination can be made using, for example, a flag indicating which process is to be performed.

ステップ130では、第1電流計19により、セルスタック電流を測定し、ステップ160に進む。
一方、ステップ140では、第2電圧計25により測定された電圧と第2電流計27により測定された電流により、負荷消費電力を算出する。
In step 130, the cell stack current is measured by the first ammeter 19, and the process proceeds to step 160.
On the other hand, in step 140, load power consumption is calculated from the voltage measured by the second voltmeter 25 and the current measured by the second ammeter 27.

続くステップ150では、前記ステップ140で算出した負荷消費電力と、前記ステップ110で測定したセルスタック電圧を基に、セルスタック電流を算出し、ステップ160に進む。具体的には、(負荷消費電力/セルスタック電圧)の演算により、セルスタック電流を求めることができる。   In the following step 150, a cell stack current is calculated based on the load power consumption calculated in step 140 and the cell stack voltage measured in step 110, and the process proceeds to step 160. Specifically, the cell stack current can be obtained by calculating (load power consumption / cell stack voltage).

続くステップ160では、後述する燃料流量計算ルーチンによって燃料流量を算出し、前記ステップ100に戻る。
(2)燃料流量計算ルーチン
図6に示す様に、ステップ200では、セルスタック電流の変化量を求める。具体的には、今回測定されたセルスタック電流と例えば3秒前に測定したセルスタック電流との差を求め、その差を単位時間(例えば前述の3秒)で除したものをセルスタック電流変化量(増加量)[A/sec]として算出する。
In the following step 160, the fuel flow rate is calculated by a fuel flow rate calculation routine described later, and the process returns to step 100.
(2) Fuel flow rate calculation routine As shown in FIG. 6, in step 200, the amount of change in the cell stack current is obtained. Specifically, the difference between the cell stack current measured this time and the cell stack current measured 3 seconds ago, for example, and the difference divided by the unit time (for example, 3 seconds described above) is the cell stack current change. Calculated as an amount (increase) [A / sec].

従って、以下では、この増加量に基づいて、その増分に応じて目標電圧を可変することになる。
続くステップ210では、セルスタック電流変化量が正か否か、即ち、セルスタック電流が増加しているか否かを判定する。ここで肯定判断されるとステップ220に進み、一方否定判断されるとステップ230に進む。
Therefore, in the following, based on this increase amount, the target voltage is varied according to the increment.
In subsequent step 210, it is determined whether or not the cell stack current change amount is positive, that is, whether or not the cell stack current is increasing. If an affirmative determination is made here, the process proceeds to step 220, while if a negative determination is made, the process proceeds to step 230.

ステップ220では、セルスタック電流変化量に応じて、加算電圧を設定する。例えば図4に示す様に、セルスタック電流の増加量が多いほど、加算電圧(例えば同じ電流値において点Aから点A’に増加する電圧)が大きくなるよう、例えば予め実験等によって、セルスタック3の特性を調べ、セルスタック電流と加算電圧との関係を求めてマップや換算式を求めておき、このマップや換算式を用いて加算電圧を求める。   In step 220, an addition voltage is set according to the cell stack current change amount. For example, as shown in FIG. 4, as the amount of increase in the cell stack current increases, the added voltage (for example, the voltage increasing from the point A to the point A ′ at the same current value) is increased, for example, by experimentation in advance. 3 is examined, the relationship between the cell stack current and the addition voltage is obtained to obtain a map and a conversion formula, and the addition voltage is obtained using the map and the conversion formula.

一方、ステップ230では、セルスタック電流が増加していないので、加算電圧を0に設定し、ステップ240に進む。
ステップ240では、基準目標セルスタック電圧(例えば図4の点Aの電圧)に加算目標セルスタック電圧(例えば点Aから点A’の電圧差)を加え、目標とする制御電圧である目標セルスタック電圧を求める。
On the other hand, in step 230, since the cell stack current has not increased, the added voltage is set to 0 and the process proceeds to step 240.
In step 240, an addition target cell stack voltage (for example, a voltage difference from point A to point A ′) is added to a reference target cell stack voltage (for example, voltage at point A in FIG. 4), and target cell stack that is a target control voltage. Find the voltage.

続くステップ250では、目標セルスタック電圧からセルスタック電圧(実際に第1電圧計17によって測定された電圧Es)を引いて、電圧偏差を求める。従って、以下の制御(フィードバック制御:PID制御)では、この電圧偏差が0[V]となるように制御を行う。   In the subsequent step 250, the cell deviation voltage (voltage Es actually measured by the first voltmeter 17) is subtracted from the target cell stack voltage to obtain a voltage deviation. Therefore, in the following control (feedback control: PID control), control is performed so that the voltage deviation becomes 0 [V].

続くステップ260では、電圧偏差に応じて、燃料利用率を求める。例えば図4の点Aを含む下方のカーブを、点Bを含む中間のカーブとなるように、燃料利用率を設定する(燃料利用率を低くする)。   In the subsequent step 260, the fuel utilization rate is obtained according to the voltage deviation. For example, the fuel utilization rate is set so that the lower curve including the point A in FIG. 4 becomes an intermediate curve including the point B (lowering the fuel utilization rate).

例えば予め実験等によって、セルスタック3の特性を調べ、電圧偏差と燃料利用率との関係を求めてマップや換算式を求めておき、このマップや換算式を用いて燃料利用率を求める。   For example, the characteristics of the cell stack 3 are examined in advance by experiments or the like, the relationship between the voltage deviation and the fuel utilization rate is obtained to obtain a map or conversion formula, and the fuel utilization rate is obtained using this map or conversion formula.

続くステップ270では、セルスタック電流と燃料利用率に応じて、燃料流量を求める。例えば上述した式(1)又は(2)に、必要な値を代入して、燃料流量を算出する。
ステップ280では、今回のセルスタック電流を前回のセルスタック電流に設定し、一旦本処理を終了する。
In the following step 270, the fuel flow rate is obtained according to the cell stack current and the fuel utilization rate. For example, the fuel flow rate is calculated by substituting a necessary value into the above-described formula (1) or (2).
In step 280, the current cell stack current is set to the previous cell stack current, and the process is temporarily terminated.

d)この様に、本実施形態では、セルスタック電流の変化量(増加量)から未来のセルスタック電流を予測し、その増分に応じて、目標セルスタック電圧を可変し、その目標セルスタック電圧となるように燃料流量を制御するので、従来よりも簡易な手法で、負荷の消費電力の変化に速やかに対応することができる。すなわち、負荷消費電力の増加に速やかに追従する安定した発電が可能となる。   d) Thus, in this embodiment, the future cell stack current is predicted from the change amount (increase amount) of the cell stack current, the target cell stack voltage is varied according to the increment, and the target cell stack voltage is changed. Thus, the fuel flow rate is controlled so that the change in the power consumption of the load can be promptly dealt with by a simpler method than in the prior art. That is, stable power generation that quickly follows the increase in load power consumption is possible.

また、本実施形態では、負荷消費電力の増加に備えた燃料増量を、目標セルスタック電圧の設定値を上げることにより実現するために、流量計算を同一の処理で行うことができ、簡潔な制御となる。   Further, in the present embodiment, in order to realize an increase in fuel in preparation for an increase in load power consumption by increasing the set value of the target cell stack voltage, the flow rate calculation can be performed by the same process, and simple control It becomes.

更に、本実施形態では、セルスタック電圧を目標セルスタック電圧に制御することで、セルスタック3のI−V特性を意識することなく、最適燃料流量の算出が可能になる。
その上、本実施形態では、上述した制御を行うことにより、さまざまな条件に起因する発電能力の低下を補正した上で、最適燃料流量による発電が可能となる。
Furthermore, in this embodiment, by controlling the cell stack voltage to the target cell stack voltage, it is possible to calculate the optimum fuel flow rate without being aware of the IV characteristics of the cell stack 3.
In addition, in the present embodiment, by performing the above-described control, it is possible to generate power with the optimum fuel flow rate after correcting the decrease in power generation capacity due to various conditions.

尚、本発明は前記実施形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。   In addition, this invention is not limited to the said embodiment at all, and it cannot be overemphasized that it can implement with a various aspect in the range which does not deviate from this invention.

実施形態の燃料電池システムを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the fuel cell system of embodiment. 燃料電池の発電特性を示すグラフである。It is a graph which shows the electric power generation characteristic of a fuel cell. 燃料電池のガス流量制御の原理を説明するためのグラフである。It is a graph for demonstrating the principle of gas flow rate control of a fuel cell. 燃料電池の負荷追従制御の原理を説明するためのグラフである。It is a graph for demonstrating the principle of load follow-up control of a fuel cell. 燃料電池システムの制御方法のメインルーチンを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the main routine of the control method of a fuel cell system. 燃料電池システムの制御方法の燃料流量計算ルーチンを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the fuel flow rate calculation routine of the control method of a fuel cell system.

符号の説明Explanation of symbols

1…断熱容器
3…セルスタック
5…改質器
7…触媒燃焼器
9…空気供給部
11…燃料供給部
13…定電圧変換器
21…負荷
29…制御部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Thermal insulation container 3 ... Cell stack 5 ... Reformer 7 ... Catalytic combustor 9 ... Air supply part 11 ... Fuel supply part 13 ... Constant voltage converter 21 ... Load 29 ... Control part

Claims (6)

燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給部と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給部と、
前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出部と、
前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出部と、
システムの制御を行う制御部と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、
前記電圧検出部によって検出された出力電圧が目標電圧になるように燃料流量を算出し、該燃料流量を燃料電池に供給するように制御する第1制御手段と、
負荷消費電力の変化時において、前記負荷消費電力の増加後の前記出力電圧が前記負荷消費電力の安定時における目標電圧である基準目標電圧となるよう、前記電流検出部によって検出された出力電流の変化量に基づいて前記基準目標電圧に加算する加算電圧を算出し、前記基準目標電圧に加算電圧を加算した値を前記目標電圧として設定する第2制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell;
A fuel supply section for supplying fuel gas to the fuel cell;
An oxidant supply unit for supplying an oxidant gas to the fuel cell;
A voltage detector for detecting an output voltage of the fuel cell;
A current detector for detecting an output current of the fuel cell;
A control unit for controlling the system;
In a fuel cell system comprising:
The controller is
First control means for calculating the fuel flow rate so that the output voltage detected by the voltage detection unit becomes a target voltage, and controlling the fuel flow rate to be supplied to the fuel cell;
When the load power consumption changes, the output current detected by the current detection unit is adjusted so that the output voltage after the load power consumption increases becomes a reference target voltage that is a target voltage when the load power consumption is stable . A second control means for calculating an addition voltage to be added to the reference target voltage based on a change amount, and setting a value obtained by adding the addition voltage to the reference target voltage as the target voltage;
A fuel cell system comprising:
予め前記燃料電池の特性に基づいて求められた前記燃料電池の電流増加量と前記加算電圧との関係を示すマップ又は換算式により、前記加算電圧を求め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 added voltage is obtained according to a map or a conversion formula showing a relationship between the amount of increase in the current of the fuel cell, which is obtained in advance based on characteristics of the fuel cell, and the added voltage, or a conversion formula. Fuel cell system. 前記電流検出部は、電流計を用いて直接に前記出力電流を求めること、又は、前記燃料電池に接続された負荷の消費電力を検出し、この負荷消費電力から間接的に前記出力電流を求めることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池システム。 The current detection unit directly obtains the output current using an ammeter, or detects power consumption of a load connected to the fuel cell, and indirectly obtains the output current from the load power consumption. The fuel cell system according to claim 1 or 2 , wherein 燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給部と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給部と、
前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出部と、
前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出部と、
を備えた燃料電池システムの制御方法において、
前記電圧検出部によって検出された出力電圧が目標電圧になるように燃料流量を算出し、該燃料流量を燃料電池に供給するように制御する第1制御工程と、
負荷消費電力の変化時において、前記負荷消費電力の増加後の前記出力電圧が前記負荷消費電力の安定時における目標電圧である基準目標電圧となるよう、前記電流検出部によって検出された出力電流の変化量に基づいて前記基準目標電圧に加算する加算電圧を算出し、前記基準目標電圧に加算電圧を加算した値を前記目標電圧として設定する第2制御工程と、
有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
A fuel cell;
A fuel supply section for supplying fuel gas to the fuel cell;
An oxidant supply unit for supplying an oxidant gas to the fuel cell;
A voltage detector for detecting an output voltage of the fuel cell;
A current detector for detecting an output current of the fuel cell;
In a control method of a fuel cell system comprising:
A first control step of calculating a fuel flow rate so that an output voltage detected by the voltage detection unit becomes a target voltage, and controlling the fuel flow rate to be supplied to the fuel cell;
When the load power consumption changes, the output current detected by the current detection unit is adjusted so that the output voltage after the load power consumption increases becomes a reference target voltage that is a target voltage when the load power consumption is stable . A second control step of calculating an addition voltage to be added to the reference target voltage based on a change amount, and setting a value obtained by adding the addition voltage to the reference target voltage as the target voltage;
Control method for a fuel cell system characterized by having a.
予め前記燃料電池の特性に基づいて求められた前記燃料電池の電流増加量と前記加算電圧との関係を示すマップ又は換算式により、前記加算電圧を求め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の制御方法。5. The added voltage is obtained by a map or a conversion formula showing a relationship between an amount of increase in the current of the fuel cell, which is obtained in advance based on characteristics of the fuel cell, and the added voltage. Control method of fuel cell system. 前記電流検出部は、電流計を用いて直接に前記出力電流を求めること、又は、前記燃料電池に接続された負荷の消費電力を検出し、この負荷消費電力から間接的に前記出力電流を求めることを特徴とする請求項4又は5に記載の燃料電池システムの制御方法。 The current detection unit directly obtains the output current using an ammeter, or detects power consumption of a load connected to the fuel cell, and indirectly obtains the output current from the load power consumption. 6. The control method for a fuel cell system according to claim 4, wherein the control method is a fuel cell system.
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