JP6079227B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system.

従来の燃料電池システムとして、燃料電池スタック内のガス流路と冷却水流路とを、セパレータを介して隔てたものがある。   As a conventional fuel cell system, there is one in which a gas channel and a cooling water channel in a fuel cell stack are separated via a separator.

特開２００６−４５５９５号公報JP 2006-45595 A

通常、燃料電池に供給するアノードガスの圧力は、燃料電池の発電やその他の状況を考慮して設定され、燃料電池を冷却する冷却水の流量は、燃料電池の温度に基づいて設定される。そのため、燃料電池の発電や温度の状況に応じて、セパレータを介した両側の圧力差が大きく変化することになる。   Usually, the pressure of the anode gas supplied to the fuel cell is set in consideration of the power generation of the fuel cell and other situations, and the flow rate of the cooling water for cooling the fuel cell is set based on the temperature of the fuel cell. For this reason, the pressure difference between the two sides via the separator greatly changes depending on the power generation and temperature conditions of the fuel cell.

例えば、アノードガスの圧力が高く、冷却水の圧力が低い場合、つまり、差圧が大きい場合は、アノードガスがセパレータを冷却水側へ押し込むこととなる。この状態に対して、アノードガス流路と冷却水流路の圧力差が小さくなると、アノードガス流路側からセパレータを押し込む力が弱くなり、燃料電池内の冷却水流路の体積が大きくなる。   For example, when the pressure of the anode gas is high and the pressure of the cooling water is low, that is, when the differential pressure is large, the anode gas pushes the separator toward the cooling water. In contrast, when the pressure difference between the anode gas flow path and the cooling water flow path becomes smaller, the force for pushing the separator from the anode gas flow path side becomes weaker, and the volume of the cooling water flow path in the fuel cell becomes larger.

その結果、冷却系の体積が増加してしまい、冷却水を循環させる循環ポンプの吸引側の圧力が負圧に転じ、特に冷却水循環通路がゴムホースなどの弾性材料で形成されている場合は、冷却水循環通路が収縮するように変形し、冷却水循環通路の耐久性を低下させるという問題点がある。   As a result, the volume of the cooling system increases and the pressure on the suction side of the circulation pump that circulates the cooling water changes to a negative pressure, especially when the cooling water circulation passage is formed of an elastic material such as a rubber hose. There is a problem that the water circulation passage is deformed so as to contract, and the durability of the cooling water circulation passage is lowered.

本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、冷却水循環通路の耐久性を向上させることを目的とする。   The present invention has been made paying attention to such problems, and an object thereof is to improve the durability of the cooling water circulation passage.

本発明のある態様によれば、アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムである。そして、その燃料電池システムが、燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環通路と、冷媒循環通路に設けられ、冷媒を循環させる循環ポンプと、燃料電池システムの運転状態に基づいて、循環ポンプの回転速度を制御する循環ポンプ制御手段と、燃料電池システムの運転状態に基づいて、アノードガスの基本下限圧力を算出する基本下限圧力算出手段と、循環ポンプの回転速度に基づいて、循環ポンプの回転速度に対するアノードガスの循環ポンプ用下限圧力を算出する循環ポンプ用下限圧力算出手段と、基本下限圧力及び循環ポンプ用下限圧力の大きいほうに基づいて、燃料電池に供給するアノードガスの圧力を制御するアノード圧制御手段と、を備えることを特徴とする。   According to an aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system that generates power by supplying an anode gas and a cathode gas to a fuel cell. The fuel cell system includes a refrigerant circulation passage through which a refrigerant that cools the fuel cell circulates, a circulation pump that is provided in the refrigerant circulation passage and circulates the refrigerant, and a circulation pump based on an operating state of the fuel cell system. Circulation pump control means for controlling the rotation speed, basic lower limit pressure calculation means for calculating the basic lower limit pressure of the anode gas based on the operating state of the fuel cell system, and rotation of the circulation pump based on the rotation speed of the circulation pump Based on the larger one of the basic lower limit pressure and the lower limit pressure for the circulation pump, the pressure of the anode gas supplied to the fuel cell is controlled based on the lower limit pressure calculation means for the circulation pump that calculates the lower limit pressure for the circulation pump of the anode gas with respect to the speed. And an anode pressure control means.

この態様によれば、循環ポンプの回転速度の上昇や、アノードガスの圧力の低下に伴って燃料電池内の冷却水流路とアノードガス流路との圧力差が小さくなる場合であっても、循環ポンプの回転速度に基づいて、燃料電池に供給されるアノードガスの下限圧力が設定されているので、燃料電池内の冷却水通路とアノードガス流路との差圧が小さくなることを抑制できる。したがって、燃料電池内の冷却水流路の体積増に伴う、循環ポンプの吸入側の圧力が負圧に転じることを抑制でき、冷却水循環通路の耐久性の低下を抑制できる。   According to this aspect, even if the pressure difference between the cooling water flow path and the anode gas flow path in the fuel cell becomes small as the rotation speed of the circulation pump increases or the pressure of the anode gas decreases, the circulation pump Since the lower limit pressure of the anode gas supplied to the fuel cell is set on the basis of the rotation speed of the pump, it is possible to suppress a decrease in the differential pressure between the cooling water passage and the anode gas passage in the fuel cell. Therefore, it is possible to suppress the pressure on the suction side of the circulation pump from changing to a negative pressure accompanying an increase in the volume of the cooling water passage in the fuel cell, and it is possible to suppress a decrease in durability of the cooling water circulation passage.

本発明の第１実施形態による燃料電池の断面図である。1 is a cross-sectional view of a fuel cell according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第１実施形態によるアノードガス非循環型の燃料電池システムの概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of an anode gas non-circulating fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. アノードガス流路の圧力が冷却水流路の圧力よりも高い場合の燃料電池の断面図である。It is sectional drawing of a fuel cell in case the pressure of an anode gas flow path is higher than the pressure of a cooling water flow path. アノードガス流路の圧力が冷却水流路の圧力よりも低い場合の燃料電池の断面図である。It is sectional drawing of a fuel cell in case the pressure of an anode gas flow path is lower than the pressure of a cooling water flow path. 本発明の第１実施形態による循環ポンプの制御方法について説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the control method of the circulation pump by 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１実施形態によるアノード圧の制御方法について説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the control method of the anode pressure by 1st Embodiment of this invention. 目標出力電流に基づいて、基本アノード下限圧を算出するテーブルである。6 is a table for calculating a basic anode lower limit pressure based on a target output current. 目標循環ポンプ回転速度に基づいて、負圧防止アノード下限ゲージ圧を算出するテーブルである。It is a table which calculates a negative pressure prevention anode lower limit gauge pressure based on a target circulation pump rotational speed. 目標出力電流に基づいて脈動幅を算出するテーブルである。It is a table which calculates a pulsation width based on a target output current. 本発明の第１実施形態によるカソード圧の制御方法について説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the control method of the cathode pressure by 1st Embodiment of this invention. 目標出力電流と大気圧とに基づいて、基本カソード圧を算出するマップである。6 is a map for calculating a basic cathode pressure based on a target output current and atmospheric pressure. 本発明の第１実施形態による燃料電池システムの制御の動作について説明するタイムチャートである。It is a time chart explaining operation | movement of control of the fuel cell system by 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１実施形態によるアノード圧の制御方法について説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the control method of the anode pressure by 1st Embodiment of this invention. ポンプ入口圧に基づいて、負圧防止アノード下限圧の補正値を算出するテーブルである。It is a table which calculates the correction value of negative pressure prevention anode lower limit pressure based on pump inlet pressure. 検出アノード圧が脈動下限圧に達したときに入力された補正値を、次に検出アノード圧が脈動下限圧に達するまで保持する理由について説明する図である。It is a figure explaining the reason for hold | maintaining until the detection anode pressure reaches the pulsation lower limit pressure next, when the detection anode pressure reaches the pulsation lower limit pressure.

以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、以下の説明において、正圧とは大気圧よりも高い圧力を意味し、負圧とは大気圧よりも低い圧力を意味する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, positive pressure means a pressure higher than atmospheric pressure, and negative pressure means a pressure lower than atmospheric pressure.

（第１実施形態）
燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。 (First embodiment)
In a fuel cell, an electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode (fuel electrode) and a cathode electrode (oxidant electrode), an anode gas containing hydrogen in the anode electrode (fuel gas), and a cathode gas containing oxygen in the cathode electrode (oxidant) Electricity is generated by supplying gas. The electrode reaction that proceeds in both the anode electrode and the cathode electrode is as follows.

アノード電極 ： ２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ- …(１)
カソード電極 ： ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ …(２) Anode electrode: 2H 2 → 4H + + 4e − (1)
Cathode electrode: 4H + + 4e − + O 2 → 2H 2 O (2)

この（１）（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。   The fuel cell generates an electromotive force of about 1 volt by the electrode reactions (1) and (2).

図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池１０の断面図である。   FIG. 1 is a cross-sectional view of a fuel cell 10 according to a first embodiment of the present invention.

燃料電池１０は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という）１１の表裏両面に、アノードセパレータ１２とカソードセパレータ１３とが配置されて構成される。   The fuel cell 10 is configured by arranging an anode separator 12 and a cathode separator 13 on both front and back surfaces of a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”) 11.

ＭＥＡ１１は、電解質膜１１ａと、アノード電極１１ｂと、カソード電極１１ｃと、を備える。ＭＥＡ１１は、電解質膜１１ａの一方の面にアノード電極１１ｂを有し、他方の面にカソード電極１１ｃを有する。   The MEA 11 includes an electrolyte membrane 11a, an anode electrode 11b, and a cathode electrode 11c. The MEA 11 has an anode electrode 11b on one surface of the electrolyte membrane 11a and a cathode electrode 11c on the other surface.

電解質膜１１ａは、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜１１ａは、湿潤状態（適度に加湿された状態）で良好な電気伝導性を示す。   The electrolyte membrane 11a is a proton-conductive ion exchange membrane formed of a fluorine-based resin. The electrolyte membrane 11a exhibits good electrical conductivity in a wet state (moderately humidified state).

アノード電極１１ｂは、触媒層とガス拡散層とを含む。触媒層は、白金又は白金等が担持されたカーボンブラック粒子から形成される。ガス拡散層は、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。   The anode electrode 11b includes a catalyst layer and a gas diffusion layer. The catalyst layer is formed from carbon black particles carrying platinum or platinum. The gas diffusion layer is formed of a member having sufficient gas diffusibility and conductivity, and is formed of, for example, a carbon cloth woven with yarns made of carbon fibers.

カソード電極１１ｃもアノード電極１１ｂと同様に、触媒層とガス拡散層とを含む。   Similarly to the anode electrode 11b, the cathode electrode 11c includes a catalyst layer and a gas diffusion layer.

アノードセパレータ１２は、アノード電極１１ｂと接する。アノードセパレータ１２は、アノード電極１１ｂと接する側に、アノード電極１１ｂにアノードガスを供給するための複数の溝状のアノードガス流路１２１を有する。そして、アノード電極１１ｂと直接接する面１２ａの反対面に、発電により暖められた燃料電池１０を冷却する冷却水が流れる冷却水流路１２２を有する。   The anode separator 12 is in contact with the anode electrode 11b. The anode separator 12 has a plurality of groove-like anode gas passages 121 for supplying anode gas to the anode electrode 11b on the side in contact with the anode electrode 11b. And it has the cooling water flow path 122 through which the cooling water which cools the fuel cell 10 warmed by electric power generation flows in the opposite surface of the surface 12a which contact | connects the anode electrode 11b directly.

カソードセパレータ１３も同様に、カソード電極１１ｃと接する側に、カソード電極１１ｃにカソードガスを供給するための複数の溝状のカソードガス流路１３１を有し、カソード電極１１ｃと接する面１３ａの反対面に冷却水流路１３２を有する。   Similarly, the cathode separator 13 has a plurality of groove-like cathode gas passages 131 for supplying cathode gas to the cathode electrode 11c on the side in contact with the cathode electrode 11c, and is opposite to the surface 13a in contact with the cathode electrode 11c. Has a cooling water flow path 132.

隣接するアノードセパレータ１２とカソードセパレータ１３とに設けられたそれぞれの冷却水流路１２２，１３２は、互いに向き合うように形成されており、この冷却水流路１２２，１３２によって１つの冷却水流路１４が形成される。   The cooling water flow paths 122 and 132 provided in the adjacent anode separator 12 and cathode separator 13 are formed so as to face each other, and the cooling water flow paths 122 and 132 form one cooling water flow path 14. The

また、アノードガス流路１２１を流れるアノードガスと、カソードガス流路１３１を流れるカソードガスとは、ＭＥＡ１１を介して互いに逆向きに流れている。本実施形態では、アノードガス流路１２１を流れるアノードガスは紙面奥から手前へ流れており、カソードガス流路１３１を流れるカソードガスは紙面手前から奥へ流れている。   Also, the anode gas flowing through the anode gas flow path 121 and the cathode gas flowing through the cathode gas flow path 131 flow in opposite directions to each other via the MEA 11. In the present embodiment, the anode gas flowing through the anode gas flow path 121 flows from the back to the front of the paper, and the cathode gas flowing through the cathode gas flow path 131 flows from the front of the paper to the back.

アノードセパレータ１２及びカソードセパレータ１３は、金属又はカーボンを材料としたセパレータである。   The anode separator 12 and the cathode separator 13 are separators made of metal or carbon.

このような燃料電池１０を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池１０を積層した燃料電池スタック１として使用する。そして、燃料電池スタック１にアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システム１００を構成して、車両駆動用の電力を取り出す。   When such a fuel cell 10 is used as a power source for automobiles, a large amount of electric power is required. Therefore, the fuel cell 10 is used as a fuel cell stack 1 in which several hundred fuel cells 10 are stacked. Then, the fuel cell system 100 that supplies the anode gas and the cathode gas to the fuel cell stack 1 is configured, and electric power for driving the vehicle is taken out.

図２は、本発明の第１実施形態によるアノードガス非循環型の燃料電池システム１００の概略構成図である。アノードガス非循環型の燃料電池システム１００とは、アノードガスアノードガス排出通路２５に排出された未使用のアノードガスを、アノードガス供給通路２２に戻さない形式の燃料電池システムである。   FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the anode gas non-circulating fuel cell system 100 according to the first embodiment of the present invention. The anode gas non-circulation type fuel cell system 100 is a fuel cell system in which unused anode gas discharged to the anode gas anode gas discharge passage 25 is not returned to the anode gas supply passage 22.

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、アノードガス給排装置２と、カソードガス給排装置３と、スタック冷却装置４と、コントローラ５と、を備える。   The fuel cell system 100 includes a fuel cell stack 1, an anode gas supply / discharge device 2, a cathode gas supply / discharge device 3, a stack cooling device 4, and a controller 5.

燃料電池スタック１は、複数枚の燃料電池１０を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電し、車両の駆動に必要な電力（例えばモータを駆動するために必要な電力）を発電する。   The fuel cell stack 1 is formed by stacking a plurality of fuel cells 10, receives power from the anode gas and the cathode gas, generates electric power, and generates electric power necessary for driving the vehicle (for example, electric power necessary for driving the motor). ).

アノードガス給排装置２は、高圧タンク２１と、アノードガス供給通路２２と、アノード調圧弁２３と、アノード圧力センサ２４と、アノードガス排出通路２５と、バッファタンク２６と、パージ通路２７と、パージ弁２８と、を備える。アノードガス給排装置２は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを一旦バッファタンク２６に蓄えた後、必要に応じてパージ通路２７から排出する。   The anode gas supply / discharge device 2 includes a high pressure tank 21, an anode gas supply passage 22, an anode pressure regulating valve 23, an anode pressure sensor 24, an anode gas discharge passage 25, a buffer tank 26, a purge passage 27, and a purge. And a valve 28. The anode gas supply / discharge device 2 supplies the anode gas to the fuel cell stack 1, temporarily stores the anode off-gas discharged from the fuel cell stack 1 in the buffer tank 26, and then discharges it from the purge passage 27 as necessary. .

高圧タンク２１は、燃料電池スタック１に供給するアノードガス（水素）を高圧状態に保って貯蔵する。   The high-pressure tank 21 stores the anode gas (hydrogen) supplied to the fuel cell stack 1 while maintaining the high-pressure state.

アノードガス供給通路２２は、高圧タンク２１から排出されたアノードガスを燃料電池スタック１に供給するための通路であって、一端部が高圧タンク２１に接続され、他端部が燃料電池スタック１のアノードガス入口孔１５に接続される。   The anode gas supply passage 22 is a passage for supplying the anode gas discharged from the high-pressure tank 21 to the fuel cell stack 1, and has one end connected to the high-pressure tank 21 and the other end of the fuel cell stack 1. Connected to the anode gas inlet hole 15.

アノード調圧弁２３は、アノードガス供給通路２２に設けられる。アノード調圧弁２３は、高圧タンク２１から排出されたアノードガスを所望の圧力に調節して燃料電池スタック１に供給する。アノード調圧弁２３は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ５によって制御される。   The anode pressure regulating valve 23 is provided in the anode gas supply passage 22. The anode pressure regulating valve 23 adjusts the anode gas discharged from the high-pressure tank 21 to a desired pressure and supplies it to the fuel cell stack 1. The anode pressure regulating valve 23 is an electromagnetic valve whose opening degree can be adjusted continuously or stepwise, and the opening degree is controlled by the controller 5.

アノード圧力センサ２４は、アノード調圧弁２３よりも下流のアノードガス供給通路２２に設けられる。アノード圧力センサ２４は、アノード調圧弁２３よりも下流のアノードガス供給通路２２を流れるアノードガスの圧力を検出する。以下では、このアノード圧力センサ２４の検出値を検出アノード圧といい、この検出アノード圧を燃料電池スタック内部の各アノードガス流路１２１とバッファタンク２６とを含むアノード系全体の圧力（以下「アノード圧」という。）として代用する。   The anode pressure sensor 24 is provided in the anode gas supply passage 22 downstream of the anode pressure regulating valve 23. The anode pressure sensor 24 detects the pressure of the anode gas flowing through the anode gas supply passage 22 downstream of the anode pressure regulating valve 23. Hereinafter, the detected value of the anode pressure sensor 24 is referred to as a detected anode pressure, and this detected anode pressure is the pressure of the entire anode system including the anode gas passages 121 and the buffer tank 26 inside the fuel cell stack (hereinafter referred to as “anode”). It is called “pressure”).

アノードガス排出通路２５は、一端部が燃料電池スタック１のアノードガス出口孔１６に接続され、他端部がバッファタンク２６に接続される。アノードガス排出通路２５には、電極反応に使用されなかった余剰のアノードガスと、カソード側からアノードガス流路１２１へと透過してきた窒素等の不純ガスと、の混合ガス（以下「アノードオフガス」という。）が排出される。   The anode gas discharge passage 25 has one end connected to the anode gas outlet hole 16 of the fuel cell stack 1 and the other end connected to the buffer tank 26. In the anode gas discharge passage 25, a mixed gas (hereinafter referred to as “anode off gas”) of excess anode gas that has not been used for the electrode reaction and impure gas such as nitrogen that has permeated from the cathode side to the anode gas passage 121. Is said to be discharged.

バッファタンク２６は、アノードガス排出通路２５を通って流れてきたアノードオフガスを一旦蓄える。   The buffer tank 26 temporarily stores the anode off gas that has flowed through the anode gas discharge passage 25.

パージ通路２７は、一端部がアノードガス排出通路２５に接続され、他端部が開口端となっている。バッファタンク２６に溜められたアノードオフガスは、アノードガス排出通路２５を一旦逆流した後、パージ通路２７を通って開口端から外気へ排出される。   One end of the purge passage 27 is connected to the anode gas discharge passage 25, and the other end is an open end. The anode off gas stored in the buffer tank 26 once flows back through the anode gas discharge passage 25 and then is discharged from the opening end to the outside air through the purge passage 27.

パージ弁２８は、パージ通路２７に設けられる。パージ弁２８は、コントローラ５によって開閉制御される電磁弁である。パージ弁２８を開くことで、バッファタンク２６に溜められたアノードオフガスがパージ通路２７を通って開口端から外気へ排出される。   The purge valve 28 is provided in the purge passage 27. The purge valve 28 is an electromagnetic valve whose opening / closing is controlled by the controller 5. By opening the purge valve 28, the anode off gas stored in the buffer tank 26 passes through the purge passage 27 and is discharged from the open end to the outside air.

カソードガス給排装置３は、カソードガス供給通路３１と、カソードガス排出通路３２と、フィルタ３３と、エアフローセンサ３４と、カソードコンプレッサ３５と、カソード圧力センサ３６と、水分回収装置（Water Recovery Device；以下「ＷＲＤ」という。）３７と、カソード調圧弁３８と、を備える。カソードガス給排装置３は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを外気に排出する。   The cathode gas supply / discharge device 3 includes a cathode gas supply passage 31, a cathode gas discharge passage 32, a filter 33, an air flow sensor 34, a cathode compressor 35, a cathode pressure sensor 36, and a water recovery device (Water Recovery Device; (Hereinafter referred to as “WRD”) 37 and a cathode pressure regulating valve 38. The cathode gas supply / discharge device 3 supplies the cathode gas to the fuel cell stack 1 and discharges the cathode off-gas discharged from the fuel cell stack 1 to the outside air.

カソードガス供給通路３１は、燃料電池スタック１に供給するカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路３１は、一端がフィルタ３３に接続され、他端が燃料電池スタック１のカソードガス入口孔１７に接続される。   The cathode gas supply passage 31 is a passage through which the cathode gas supplied to the fuel cell stack 1 flows. The cathode gas supply passage 31 has one end connected to the filter 33 and the other end connected to the cathode gas inlet hole 17 of the fuel cell stack 1.

カソードガス排出通路３２は、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路３２は、一端が燃料電池スタック１のカソードガス出口孔２４に接続され、他端が開口端となっている。カソードオフガスは、カソードガスと、電極反応によって生じた水蒸気と、の混合ガスである。   The cathode gas discharge passage 32 is a passage through which the cathode off gas discharged from the fuel cell stack 1 flows. One end of the cathode gas discharge passage 32 is connected to the cathode gas outlet hole 24 of the fuel cell stack 1, and the other end is an open end. The cathode off gas is a mixed gas of the cathode gas and water vapor generated by the electrode reaction.

フィルタ３３は、カソードガス供給通路３１に取り込むカソードガス中の異物を取り除く。   The filter 33 removes foreign matters in the cathode gas taken into the cathode gas supply passage 31.

エアフローセンサ３４は、カソードコンプレッサ３５よりも上流のカソードガス供給通路３１に設けられる。エアフローセンサ３４は、カソードコンプレッサ３５に供給されて、最終的に燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を検出する。   The air flow sensor 34 is provided in the cathode gas supply passage 31 upstream of the cathode compressor 35. The air flow sensor 34 is supplied to the cathode compressor 35 and detects the flow rate of the cathode gas finally supplied to the fuel cell stack 1.

カソードコンプレッサ３５は、カソードガス供給通路３１に設けられる。カソードコンプレッサ３５は、フィルタ３３を介してカソードガスとしての空気（外気）をカソードガス供給通路３１に取り込み、燃料電池スタック１に供給する。   The cathode compressor 35 is provided in the cathode gas supply passage 31. The cathode compressor 35 takes air (outside air) as cathode gas into the cathode gas supply passage 31 through the filter 33 and supplies the air to the fuel cell stack 1.

カソード圧力センサ３６は、カソードコンプレッサ３５とＷＲＤ３７との間のカソードガス供給通路３１に設けられる。カソード圧力センサ３６は、ＷＲＤ３７のカソードガス入口部近傍のカソードガスの圧力を検出する。以下では、このカソード圧力センサ３６の検出値を検出カソード圧という。   The cathode pressure sensor 36 is provided in the cathode gas supply passage 31 between the cathode compressor 35 and the WRD 37. The cathode pressure sensor 36 detects the pressure of the cathode gas in the vicinity of the cathode gas inlet of the WRD 37. Hereinafter, the detected value of the cathode pressure sensor 36 is referred to as a detected cathode pressure.

ＷＲＤ３７は、カソードガス供給通路３１及びカソードガス排出通路３２のそれぞれに接続されて、カソードガス排出通路３２を流れるカソードオフガス中の水分を回収し、その回収した水分でカソードガス供給通路３１を流れるカソードガスを加湿する。   The WRD 37 is connected to each of the cathode gas supply passage 31 and the cathode gas discharge passage 32, collects moisture in the cathode off-gas flowing through the cathode gas discharge passage 32, and cathode that flows through the cathode gas supply passage 31 with the collected moisture. Humidify the gas.

カソード調圧弁３８は、ＷＲＤ３７よりも下流のカソードガス排出通路３２に設けられる。カソード調圧弁３８は、コントローラ５によって開閉制御されて、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を所望の圧力に調節する。   The cathode pressure regulating valve 38 is provided in the cathode gas discharge passage 32 downstream of the WRD 37. The cathode pressure regulating valve 38 is controlled to be opened and closed by the controller 5 and adjusts the pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell stack 1 to a desired pressure.

スタック冷却装置４は、冷却水循環通路４１と、ラジエータ４２と、バイパス通路４３と、ヒータ４４と、サーモスタット４５と、循環ポンプ４６と、水温センサ４７と、第１圧力センサ４８と、第２圧力センサ４９と、を備える。   The stack cooling device 4 includes a cooling water circulation passage 41, a radiator 42, a bypass passage 43, a heater 44, a thermostat 45, a circulation pump 46, a water temperature sensor 47, a first pressure sensor 48, and a second pressure sensor. 49.

冷却水循環通路４１は、燃料電池スタック１を冷却する冷却水が流れる通路である。冷却水循環通路４１は、燃料電池スタック１の冷却水入口孔１９と冷却水出口孔２０とに接続される。冷却水入口孔１９から燃料電池スタック１の内部に導入された冷却水は、各燃料電池１０の冷却水流路１４を流れた後、冷却水出口孔２０から排出される。冷却水循環通路４１は、冷却水への金属イオンの溶出を防止して絶縁性を確保するため、主にゴムホースで形成される。以下では便宜上、燃料電池スタック１の冷却水出口孔２０側を冷却水循環通路４１の上流として扱い、燃料電池スタック１の冷却水入口孔１９側を冷却水循環通路４１の下流として扱う。   The cooling water circulation passage 41 is a passage through which cooling water for cooling the fuel cell stack 1 flows. The cooling water circulation passage 41 is connected to the cooling water inlet hole 19 and the cooling water outlet hole 20 of the fuel cell stack 1. The cooling water introduced into the fuel cell stack 1 from the cooling water inlet hole 19 flows through the cooling water flow path 14 of each fuel cell 10 and is then discharged from the cooling water outlet hole 20. The cooling water circulation passage 41 is mainly formed of a rubber hose in order to prevent elution of metal ions into the cooling water and ensure insulation. Hereinafter, for convenience, the coolant outlet hole 20 side of the fuel cell stack 1 is treated as upstream of the coolant circulation path 41, and the coolant inlet hole 19 side of the fuel cell stack 1 is treated as downstream of the coolant circulation path 41.

ラジエータ４２は、冷却水循環通路４１に設けられる。ラジエータ４２は、通過する冷却水の温度を下げる。   The radiator 42 is provided in the cooling water circulation passage 41. The radiator 42 lowers the temperature of the cooling water that passes therethrough.

バイパス通路４３は、ラジエータ４２をバイパスさせて冷却水を循環させることができるように、一端が冷却水循環通路４１に接続され、他端がサーモスタット４５に接続される。バイパス通路４３も冷却水循環通路４１と同様に、主にゴムホースで形成される。   The bypass passage 43 has one end connected to the cooling water circulation passage 41 and the other end connected to the thermostat 45 so that the cooling water can be circulated by bypassing the radiator 42. Similarly to the cooling water circulation passage 41, the bypass passage 43 is also mainly formed of a rubber hose.

ヒータ４４は、バイパス通路４３に設けられる。ヒータ４４は、燃料電池スタック１の暖機時に通電されて、冷却水の温度を上昇させる。本実施形態ではヒータ４４としてＰＴＣヒータを使用するが、これに限られるものではない。   The heater 44 is provided in the bypass passage 43. The heater 44 is energized when the fuel cell stack 1 is warmed up to raise the temperature of the cooling water. In the present embodiment, a PTC heater is used as the heater 44, but is not limited thereto.

サーモスタット４５は、ラジエータ４２よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられる。サーモスタット４５は、内部を流れる冷却水の温度に応じて自動的に開閉する開閉弁である。サーモスタット４５は、内部を流れる冷却水の温度が所定のサーモ開弁温度よりも低いときは閉じた状態となっており、バイパス通路４３を経由してきた相対的に高温な冷却水のみを燃料電池スタック１に供給する。一方、内部を流れる冷却水の温度がサーモ開弁温度以上になると徐々に開き始め、バイバス通路３３を経由してきた冷却水とラジエータ４２を経由してきた相対的に低温な冷却水とを内部で混合させて燃料電池スタックに供給する。なお、本実施形態ではサーモ開弁温度が６０［℃］程度となるように、サーモスタット４５を構成するワックス材及びスプリングを調整している。   The thermostat 45 is provided in the cooling water circulation passage 41 on the downstream side of the radiator 42. The thermostat 45 is an on-off valve that automatically opens and closes according to the temperature of the cooling water flowing inside. The thermostat 45 is in a closed state when the temperature of the cooling water flowing through the thermostat 45 is lower than a predetermined thermo-opening temperature, and only the relatively high-temperature cooling water that has passed through the bypass passage 43 is supplied to the fuel cell stack. 1 is supplied. On the other hand, when the temperature of the cooling water flowing inside becomes equal to or higher than the thermo valve opening temperature, the cooling water starts to gradually open, and the cooling water passing through the bypass passage 33 and the relatively low-temperature cooling water passing through the radiator 42 are mixed inside. And supply it to the fuel cell stack. In this embodiment, the wax material and the spring constituting the thermostat 45 are adjusted so that the thermo valve opening temperature is about 60 [° C.].

循環ポンプ４６は、電動ポンプであって、サーモスタット４５よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられる。循環ポンプ４６は、冷却水循環通路４１の冷却水を循環させる。循環ポンプ４６の吐出流量は、コントローラ４によって制御される循環ポンプの回転速度に応じて連続的に変化する。   The circulation pump 46 is an electric pump and is provided in the cooling water circulation passage 41 on the downstream side of the thermostat 45. The circulation pump 46 circulates the cooling water in the cooling water circulation passage 41. The discharge flow rate of the circulation pump 46 continuously changes in accordance with the rotation speed of the circulation pump controlled by the controller 4.

水温センサ４７は、燃料電池スタック１の冷却水出口孔２０の近傍の冷却水循環通路４１に設けられ、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度（以下「スタック温度」という。）を検出する。以下では、水温センサ４７で検出されたスタック温度のことを、必要に応じて検出スタック温度という。   The water temperature sensor 47 is provided in the cooling water circulation passage 41 in the vicinity of the cooling water outlet hole 20 of the fuel cell stack 1 and detects the temperature of the cooling water discharged from the fuel cell stack 1 (hereinafter referred to as “stack temperature”). . Hereinafter, the stack temperature detected by the water temperature sensor 47 is referred to as a detected stack temperature as necessary.

第１圧力センサ４８は、サーモスタット２５と循環ポンプ４６との間の冷却水循環通路４１に設けられ、循環ポンプ４６の吸入口近傍の冷却水循環通路４１内の圧力（以下「ポンプ入口圧」という。）を検出する。   The first pressure sensor 48 is provided in the cooling water circulation passage 41 between the thermostat 25 and the circulation pump 46, and the pressure in the cooling water circulation passage 41 in the vicinity of the suction port of the circulation pump 46 (hereinafter referred to as "pump inlet pressure"). Is detected.

第２圧力センサ４９は、循環ポンプ４６と燃料電池スタック１との間の冷却水循環通路４１に設けられ、循環ポンプ４６の吐出口近傍の冷却水循環通路４１内の圧力（以下「ポンプ出口圧」という。）を検出する。   The second pressure sensor 49 is provided in the cooling water circulation passage 41 between the circulation pump 46 and the fuel cell stack 1, and the pressure in the cooling water circulation passage 41 in the vicinity of the discharge port of the circulation pump 46 (hereinafter referred to as “pump outlet pressure”). .) Is detected.

コントローラ５は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。   The controller 5 includes a microcomputer having a central processing unit (CPU), a read only memory (ROM), a random access memory (RAM), and an input / output interface (I / O interface).

コントローラ５には、前述したアノード圧力センサ２４、エアフローセンサ３４、カソード圧力センサ３６、水温センサ４７、第１圧力センサ４８及び第２圧力センサ４９の他にも、燃料電池スタック１の出力電流（燃料電池スタック１にかかる負荷）を検出する電流センサ５１や燃料電池スタック１の出力電圧を検出する電圧センサ５２、大気圧を検出する大気圧センサ５３、アクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセル操作量」という。）を検出するアクセルストロークセンサ５４などの、燃料電池システム１００の運転状態を検出するための各種の信号が入力される。   In addition to the anode pressure sensor 24, the air flow sensor 34, the cathode pressure sensor 36, the water temperature sensor 47, the first pressure sensor 48, and the second pressure sensor 49 described above, the controller 5 includes the output current (fuel) of the fuel cell stack 1. Current sensor 51 for detecting the load on the battery stack 1, voltage sensor 52 for detecting the output voltage of the fuel cell stack 1, atmospheric pressure sensor 53 for detecting atmospheric pressure, accelerator pedal depression amount (hereinafter referred to as “accelerator operation amount”) Various signals for detecting the operating state of the fuel cell system 100, such as an accelerator stroke sensor 54 for detecting.

コントローラ５は、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、調圧弁３３を周期的に開閉し、アノード圧を周期的に昇降圧させる脈動運転を行う。脈動運転では、基本的に燃料電池スタック１の目標出力電流に応じて設定される脈動上限圧及び脈動下限圧の範囲内でアノード圧を周期的に昇降圧させて、アノード圧を脈動させる。このような脈動運転を行うことで、アノード圧の昇圧時にアノードガス流路１２１の内部の液水を周期的にアノードガス流路１２１の外部へ排出することができるので、燃料電池スタック１の排水性能、ひいては出力性能を向上させることができる。   Based on the operating state of the fuel cell system 100, the controller 5 performs a pulsating operation that periodically opens and closes the pressure regulating valve 33 and periodically raises and lowers the anode pressure. In the pulsation operation, the anode pressure is periodically raised and lowered within the range of the pulsation upper limit pressure and the pulsation lower limit pressure set according to the target output current of the fuel cell stack 1 to pulsate the anode pressure. By performing such pulsation operation, the liquid water inside the anode gas passage 121 can be periodically discharged outside the anode gas passage 121 when the anode pressure is increased. Performance, and consequently output performance, can be improved.

また、コントローラ５は、電解質膜１１ａの湿潤度（含水率）が発電に適した湿潤度になるように、循環ポンプ４６の回転速度、すなわち冷却水循環通路４１を循環する冷却水の流量を制御する。具体的には、電解質膜１１ａの湿潤度と相関関係にある燃料電池スタック１の内部インピーダンス（ＨＦＲ；High Frequency Resistance）が目標内部インピーダンスとなるスタック温度（目標スタック温度）を算出し、スタック温度がこの目標スタック温度になるように、循環ポンプ４６の回転速度を制御する。   Further, the controller 5 controls the rotational speed of the circulation pump 46, that is, the flow rate of the cooling water circulating through the cooling water circulation passage 41 so that the wetness (water content) of the electrolyte membrane 11a becomes a wetness suitable for power generation. . Specifically, the stack temperature (target stack temperature) at which the internal impedance (HFR: High Frequency Resistance) of the fuel cell stack 1 correlated with the wetness of the electrolyte membrane 11a becomes the target internal impedance is calculated. The rotational speed of the circulation pump 46 is controlled so as to reach this target stack temperature.

このように、アノード圧は基本的に燃料電池スタック１の目標出力電流に応じて設定され、冷却水の流量はスタック温度に応じて設定される。そのため、燃料電池スタック内において、アノードセパレータ１２を介して隔てられているアノードガス流路１２１と冷却水流路１４との圧力差は、燃料電池スタック１の発電状態や温度に応じて大きく変化することになる。   Thus, the anode pressure is basically set according to the target output current of the fuel cell stack 1, and the flow rate of the cooling water is set according to the stack temperature. Therefore, in the fuel cell stack, the pressure difference between the anode gas flow path 121 and the cooling water flow path 14 separated via the anode separator 12 varies greatly depending on the power generation state and temperature of the fuel cell stack 1. become.

例えば、図３に示すように、アノードガス流路１２１の圧力（＝アノード圧）が冷却水流路１４の圧力よりも高い場合は、アノードガス流路１２１内のアノードガスがアノードセパレータ１２をカソードセパレータ側に押し込むことになる。   For example, as shown in FIG. 3, when the pressure in the anode gas flow path 121 (= anode pressure) is higher than the pressure in the cooling water flow path 14, the anode gas in the anode gas flow path 121 causes the anode separator 12 to become the cathode separator. Will be pushed to the side.

一方で、図４に示すように、アノードガス流路１２１の圧力が冷却水流路１４の圧力よりも低い場合や、それぞれの圧力差が小さくなった場合などは、逆に冷却水がアノードセパレータ１２をＭＥＡ１１側に押し込むことになる。その結果、燃料電池スタック１内の冷却水流路１４の体積が相対的に大きくなり、燃料電池スタック１内の冷却水流路１４と冷却水循環通路４１とを含む冷却系全体の体積が相対的に大きくなる。   On the other hand, as shown in FIG. 4, when the pressure of the anode gas flow path 121 is lower than the pressure of the cooling water flow path 14 or when the pressure difference between the two becomes small, the cooling water is conversely changed to the anode separator 12. Is pushed into the MEA 11 side. As a result, the volume of the cooling water flow path 14 in the fuel cell stack 1 becomes relatively large, and the volume of the entire cooling system including the cooling water flow path 14 and the cooling water circulation path 41 in the fuel cell stack 1 is relatively large. Become.

冷却系全体の体積が大きくなると、循環ポンプ４６の回転速度が同じでも、冷却系全体の体積が小さいときと比べてポンプ入口圧が低くなる。そうすると、循環ポンプ４６の回転速度が大きくなったときなどにポンプ入口圧が負圧に転じやすくなり、特に冷却水循環通路４１がゴムホースなどの弾性材料で形成されている場合は、冷却水循環通路４１が収縮するように変形し、冷却水循環通路４１の耐久性を低下させるおそれがある。   When the volume of the entire cooling system is increased, the pump inlet pressure is lower than when the volume of the entire cooling system is small even if the rotational speed of the circulation pump 46 is the same. Then, when the rotational speed of the circulation pump 46 is increased, the pump inlet pressure is easily changed to a negative pressure. Especially when the cooling water circulation passage 41 is formed of an elastic material such as a rubber hose, the cooling water circulation passage 41 is There is a possibility that the cooling water circulation passage 41 may be deteriorated due to deformation so as to contract.

そこで本実施形態では、循環ポンプ４６の目標回転速度（目標循環ポンプ回転速度）に基づいて、脈動下限圧に下限を設定することにした。これにより、アノードガス流路１２１の圧力が冷却水流路１４の圧力よりも低くなるのを抑制し、燃料電池スタック１内の冷却水流路１４の体積、ひいては冷却系全体の体積が増加するのを抑制することとした。   Therefore, in this embodiment, the lower limit is set for the pulsation lower limit pressure based on the target rotational speed of the circulation pump 46 (target circulation pump rotational speed). As a result, the pressure of the anode gas flow path 121 is suppressed from becoming lower than the pressure of the cooling water flow path 14, and the volume of the cooling water flow path 14 in the fuel cell stack 1 and thus the volume of the entire cooling system is increased. We decided to suppress it.

以下、この本実施形態による燃料電池システム１００の制御について説明する。   Hereinafter, control of the fuel cell system 100 according to this embodiment will be described.

図５は、本実施形態による循環ポンプ４６の制御方法について説明するブロック図である。   FIG. 5 is a block diagram illustrating a method for controlling the circulation pump 46 according to the present embodiment.

目標スタック温度算出部６１には、例えば交流インピーダンス法などの公知の種々の手法によって算出された燃料電池スタック１の内部インピーダンスが入力される。目標スタック温度算出部６１は、燃料電池スタック１の内部インピーダンスを所定の目標内部インピーダンスに制御するために必要な目標スタック温度を、内部インピーダンスに基づいて算出する。   The target stack temperature calculation unit 61 receives the internal impedance of the fuel cell stack 1 calculated by various known methods such as the AC impedance method. The target stack temperature calculation unit 61 calculates a target stack temperature necessary for controlling the internal impedance of the fuel cell stack 1 to a predetermined target internal impedance based on the internal impedance.

目標循環ポンプ回転速度算出部６２には、目標スタック温度と、検出スタック温度と、が入力される。目標循環ポンプ回転速度算出部６２は、目標スタック温度と検出スタック温度とに基づいて、検出スタック温度を目標スタック温度にするための循環ポンプ４６の回転速度の目標値（以下「目標循環ポンプ回転速度」という。）を算出する。   A target stack temperature and a detected stack temperature are input to the target circulation pump rotation speed calculation unit 62. Based on the target stack temperature and the detected stack temperature, the target circulating pump rotational speed calculation unit 62 sets a target value of the rotational speed of the circulating pump 46 for setting the detected stack temperature to the target stack temperature (hereinafter, “target circulating pump rotational speed”). ").

循環ポンプ制御部６３には、目標循環ポンプ回転速度が入力される。循環ポンプ制御部６３は、目標循環ポンプ回転速度に基づいて、循環ポンプ４６に対する指令値を算出する。   The target circulation pump rotation speed is input to the circulation pump control unit 63. The circulation pump control unit 63 calculates a command value for the circulation pump 46 based on the target circulation pump rotation speed.

図６は、本実施形態によるアノード圧の制御方法について説明するブロック図である。   FIG. 6 is a block diagram illustrating the anode pressure control method according to this embodiment.

基本アノード下限圧算出部７１には、燃料電池スタック１の目標出力電流が入力される。基本アノード下限圧算出部７１は、図７のテーブルを参照し、目標出力電流に基づいて基本アノード下限圧を算出する。基本アノード下限圧は、燃料電池スタック１から目標出力電流を取り出したときに、燃料電池スタック１内の水素分圧を確保するために必要なアノード圧の下限値である。   The basic anode lower limit pressure calculation unit 71 receives the target output current of the fuel cell stack 1. The basic anode lower limit pressure calculation unit 71 refers to the table of FIG. 7 and calculates the basic anode lower limit pressure based on the target output current. The basic anode lower limit pressure is a lower limit value of the anode pressure necessary for securing the hydrogen partial pressure in the fuel cell stack 1 when the target output current is taken out from the fuel cell stack 1.

負圧防止アノード下限圧算出部７２には、目標循環ポンプ回転速度と、大気圧と、が入力される。負圧防止アノード下限圧算出部７２は、図８のテーブルを参照し、目標循環ポンプ回転速度に基づいて負圧防止アノード下限ゲージ圧を算出する。そして、負圧防止アノード下限ゲージ圧に大気圧を加算したものを負圧防止アノード下限圧として算出する。負圧防止アノード下限圧は、燃料電池スタック１内において、各燃料電池１０のアノードガス流路１２１内の圧力が冷却水流路１４内の圧力よりも低くなるのを防止するために必要なアノード圧の下限値である。   The target circulation pump rotation speed and the atmospheric pressure are input to the negative pressure prevention anode lower limit pressure calculation unit 72. The negative pressure prevention anode lower limit pressure calculation unit 72 refers to the table of FIG. 8 and calculates the negative pressure prevention anode lower limit gauge pressure based on the target circulation pump rotation speed. Then, the negative pressure prevention anode lower limit pressure is calculated by adding the atmospheric pressure to the negative pressure prevention anode lower limit gauge pressure. The negative pressure prevention anode lower limit pressure is an anode pressure necessary for preventing the pressure in the anode gas flow path 121 of each fuel cell 10 from being lower than the pressure in the cooling water flow path 14 in the fuel cell stack 1. Is the lower limit of.

脈動下限圧を少なくとも負圧防止アノード下限圧以上に制御することで、各燃料電池１０の冷却水流路１４の体積が増加するのを防止することができるので、冷却系全体の体積が増加するのを防止できる。そのため、冷却系の体積増に起因してポンプ入口圧が負圧に転じてしまうのを防止できる。   By controlling the pulsation lower limit pressure to at least the negative pressure prevention anode lower limit pressure, it is possible to prevent the volume of the cooling water flow path 14 of each fuel cell 10 from increasing, so the volume of the entire cooling system increases. Can be prevented. Therefore, it is possible to prevent the pump inlet pressure from changing to a negative pressure due to an increase in the volume of the cooling system.

脈動下限圧設定部７３には、検出カソード圧と、基本アノード下限圧と、負圧防止アノード下限圧と、が入力される。脈動下限圧算出部は、検出カソード圧、スタック要求アノード下限圧及び負圧防止アノード下限圧のうち、最も大きいものを、脈動下限圧として設定する。   The pulsation lower limit pressure setting unit 73 receives the detected cathode pressure, the basic anode lower limit pressure, and the negative pressure prevention anode lower limit pressure. The pulsation lower limit pressure calculation unit sets the largest one of the detected cathode pressure, the stack required anode lower limit pressure, and the negative pressure prevention anode lower limit pressure as the pulsation lower limit pressure.

なお、脈動下限圧を少なくとも検出カソード圧以上に設定するのは、本実施形態のようにアノード圧を周期的に昇降圧させる脈動運転を実施する場合、カソード圧が脈動下限圧から脈動上限圧の範囲内にあると、電解質膜１１ａがアノード側とカソード側の差圧によって波打ってしまい、電解質膜１１ａ、ひいては燃料電池１０の耐久性が低下してしまうからである。   It should be noted that the pulsation lower limit pressure is set to at least the detected cathode pressure when the pulsation operation in which the anode pressure is periodically raised or lowered as in this embodiment is performed, the cathode pressure is changed from the pulsation lower limit pressure to the pulsation upper limit pressure. If it is within the range, the electrolyte membrane 11a undulates due to the differential pressure between the anode side and the cathode side, and the durability of the electrolyte membrane 11a and, consequently, the fuel cell 10 decreases.

脈動幅算出部７４には、燃料電池スタック１の目標出力電流が入力される。脈動幅算出部７４は、図９のテーブルを参照し、目標出力電流に基づいて脈動幅を算出する。   The target output current of the fuel cell stack 1 is input to the pulsation width calculation unit 74. The pulsation width calculator 74 refers to the table of FIG. 9 and calculates the pulsation width based on the target output current.

基本アノード上限圧算出部７５には、脈動幅と、脈動下限圧と、が入力される。基本アノード上限圧算出部７５は、脈動下限圧に脈動幅を加えたものを、基本アノード上限圧として算出する。   The basic anode upper limit pressure calculation unit 75 receives the pulsation width and the pulsation lower limit pressure. The basic anode upper limit pressure calculation unit 75 calculates the basic anode upper limit pressure obtained by adding the pulsation width to the pulsation lower limit pressure.

差圧過大防止アノード上限圧算出部７６には、検出カソード圧が入力される。差圧過大防止アノード上限圧算出部７６は、検出カソード圧に、電解質膜１１ａの保護の観点から予め実験等で定められる許容差圧を加えたものを、差圧過大防止アノード上限圧として算出する。つまり差圧過大防止アノード上限圧は、燃料電池スタック１内においてアノード側とカソード側との差圧が許容差圧以上になるのを防止するために守るべき必要があるアノード圧の上限値である。   The detected cathode pressure is input to the differential pressure excess prevention anode upper limit pressure calculation unit 76. The differential pressure excessive prevention anode upper limit pressure calculation unit 76 calculates a value obtained by adding a permissible differential pressure determined in advance through experiments or the like to the detected cathode pressure from the viewpoint of protecting the electrolyte membrane 11a as a differential pressure excessive prevention anode upper limit pressure. . That is, the excessive pressure-preventing anode upper limit pressure is the upper limit value of the anode pressure that must be observed in order to prevent the differential pressure between the anode side and the cathode side from exceeding the allowable differential pressure in the fuel cell stack 1. .

脈動上限圧設定部７７には、所定の最大アノード上限圧と、基本アノード上限圧と、差圧過大防止アノード上限圧と、が入力される。最大アノード上限圧は、燃料電池スタック１の耐圧保護の観点から予め実験等で定められるものであって、許容することのできるアノード圧の最大値である。脈動上限圧設定部７７は、最大アノード上限圧、基本アノード上限圧及び差圧過大防止アノード上限圧のうち、最も小さいものを脈動上限圧として設定する。   The pulsation upper limit pressure setting unit 77 receives a predetermined maximum anode upper limit pressure, a basic anode upper limit pressure, and a differential pressure excessive prevention anode upper limit pressure. The maximum anode upper limit pressure is determined in advance through experiments or the like from the viewpoint of pressure resistance protection of the fuel cell stack 1, and is the maximum value of the allowable anode pressure. The pulsation upper limit pressure setting unit 77 sets the smallest one of the maximum anode upper limit pressure, the basic anode upper limit pressure, and the differential pressure excessive prevention anode upper limit pressure as the pulsation upper limit pressure.

目標アノード圧算出部７８には、脈動上限圧と、脈動下限圧と、が入力される。目標アノード圧算出部７８は、脈動上限圧と脈動下限圧とに基づいて脈動波形を生成し、目標アノード圧を算出する。   The target anode pressure calculation unit 78 receives a pulsation upper limit pressure and a pulsation lower limit pressure. The target anode pressure calculation unit 78 generates a pulsation waveform based on the pulsation upper limit pressure and the pulsation lower limit pressure, and calculates the target anode pressure.

フィードバック制御部７９には、目標アノード圧と、検出アノード圧と、が入力される。フィードバック制御部７９は、目標アノード圧と検出アノード圧とに基づいて、検出アノード圧を目標アノード圧に向けて変化させる際のアノード調圧弁２３に対する指令値を算出する。   A target anode pressure and a detected anode pressure are input to the feedback control unit 79. The feedback control unit 79 calculates a command value for the anode pressure regulating valve 23 when changing the detected anode pressure toward the target anode pressure based on the target anode pressure and the detected anode pressure.

図１０は、本実施形態によるカソード圧の制御方法について説明するブロック図である。   FIG. 10 is a block diagram for explaining a cathode pressure control method according to this embodiment.

基本カソード圧算出部８１には、燃料電池スタック１の目標出力電流と、大気圧と、が入力される。基本カソード圧算出部８１は、図１１のマップを参照し、目標出力電流と大気圧とに基づいて基本カソード圧を算出する。基本カソード圧は、燃料電池スタック１から目標出力電流を取り出したときに、燃料電池スタック１内の酸素分圧を確保するために必要なカソード圧の下限値である。   The basic cathode pressure calculation unit 81 receives the target output current of the fuel cell stack 1 and the atmospheric pressure. The basic cathode pressure calculation unit 81 refers to the map of FIG. 11 and calculates the basic cathode pressure based on the target output current and the atmospheric pressure. The basic cathode pressure is a lower limit value of the cathode pressure necessary for securing the oxygen partial pressure in the fuel cell stack 1 when the target output current is taken out from the fuel cell stack 1.

負圧防止制限時カソード圧算出部８２には、負圧防止アノード下限圧と、脈動幅と、が入力される。負圧防止制限時カソード圧算出部８２は、負圧防止アノード圧に脈動幅を加算した値と、最大アノード圧と、の小さいほうから許容差圧を引いたものを負圧防止制限時カソード圧として算出する。負圧防止制限時カソード圧は、ポンプ入口圧が負圧になるのを防止するために脈動下限圧が負圧防止アノード下限圧に制限されたときに、アノード側とカソード側との差圧が許容差圧以上となって差圧過大防止制限がかかり、アノード圧が上げられなくなるのを防止するために設定されるカソード圧の下限値である。   The negative pressure prevention limited cathode pressure calculation unit 82 receives the negative pressure prevention anode lower limit pressure and the pulsation width. The negative pressure prevention restriction cathode pressure calculation unit 82 calculates a negative pressure prevention restriction cathode pressure by subtracting an allowable differential pressure from the smaller of the value obtained by adding the pulsation width to the negative pressure prevention anode pressure and the maximum anode pressure. Calculate as The negative pressure prevention limit cathode pressure is the difference between the anode side and the cathode side when the pulsation lower limit pressure is limited to the negative pressure prevention anode lower limit pressure to prevent the pump inlet pressure from becoming negative. This is the lower limit value of the cathode pressure that is set to prevent the anode pressure from being raised because the pressure difference is over the allowable differential pressure and the pressure difference is prevented from being excessively prevented.

目標カソード圧設定部８３には、基本カソード圧と、負圧防止制限時カソード圧と、湿潤要求カソード圧と、が入力される。湿潤要求カソード圧は、電解質膜１１ａの湿潤度（含水率）を、燃料電池スタック１の出力（目標出力電流）に応じた最適な湿潤度に制御するために必要なカソード圧である。目標カソード圧設定部８３は、基本カソード圧、負圧防止制限時カソード圧及び湿潤要求カソード圧のうち、最も大きいものを目標カソード圧として設定する。   The target cathode pressure setting unit 83 receives the basic cathode pressure, the negative pressure prevention limiting cathode pressure, and the wet demand cathode pressure. The wet demand cathode pressure is a cathode pressure required to control the wetness (moisture content) of the electrolyte membrane 11a to an optimum wetness according to the output (target output current) of the fuel cell stack 1. The target cathode pressure setting unit 83 sets the largest of the basic cathode pressure, the negative pressure prevention limiting cathode pressure, and the wet demand cathode pressure as the target cathode pressure.

フィードバック制御部８４には、目標カソード圧と、検出カソード圧と、が入力される。フィードバック制御部８４は、目標カソード圧と検出カソード圧とに基づいて、検出カソード圧を目標カソード圧に向けて変化させる際のカソードコンプレッサ３５及びカソード調圧弁３８に対する各指令値を算出する。   A target cathode pressure and a detected cathode pressure are input to the feedback control unit 84. The feedback control unit 84 calculates each command value for the cathode compressor 35 and the cathode pressure regulating valve 38 when changing the detected cathode pressure toward the target cathode pressure based on the target cathode pressure and the detected cathode pressure.

図１２は、本実施形態による燃料電池システム１００の制御の動作について説明するタイムチャートである。なお、発明の理解を容易にするために、循環ポンプ４６の回転速度が増加したときに、基本アノード下限圧を脈動下限圧として設定したまま脈動運転を実施したときの比較例による動作を破線で示した。   FIG. 12 is a time chart for explaining the control operation of the fuel cell system 100 according to the present embodiment. In order to facilitate understanding of the invention, when the rotational speed of the circulation pump 46 increases, the operation according to the comparative example when the pulsation operation is performed with the basic anode lower limit pressure set as the pulsation lower limit pressure is indicated by a broken line. Indicated.

時刻ｔ１までは、基本アノード下限圧が脈動下限圧として設定され、基本アノード上限圧が脈動上限圧として設定されているものとする。また、基本カソード圧が目標カソード圧として設定されているものとする。そのため、時刻ｔ１までは、基本アノード下限圧と基本アノード上限圧との間でアノード圧を周期的に昇降圧させる脈動運転が実施される。   Until the time t1, the basic anode lower limit pressure is set as the pulsation lower limit pressure, and the basic anode upper limit pressure is set as the pulsation upper limit pressure. Further, it is assumed that the basic cathode pressure is set as the target cathode pressure. Therefore, until time t1, a pulsation operation is performed in which the anode pressure is periodically raised and lowered between the basic anode lower limit pressure and the basic anode upper limit pressure.

時刻ｔ１で、目標循環ポンプ回転速度が増加すると、それに応じて負圧防止アノード下限圧も増加する。これにより、負圧防止アノード圧が基本アノード下限圧よりも大きくなって、負圧防止アノード下限圧が脈動下限圧として設定され、目標循環ポンプ回転速度の増加に併せて脈動下限圧が増加する。   When the target circulation pump rotational speed increases at time t1, the negative pressure prevention anode lower limit pressure also increases accordingly. Thereby, the negative pressure prevention anode pressure becomes larger than the basic anode lower limit pressure, the negative pressure prevention anode lower limit pressure is set as the pulsation lower limit pressure, and the pulsation lower limit pressure increases as the target circulation pump rotational speed increases.

また、負圧防止アノード下限圧の増加に併せて、負圧防止制限時カソード圧も増加する。これにより、負圧防止制限時カソード圧が基本カソード圧よりも大きくなって、負圧制限時カソード圧が目標カソード圧として設定され、負圧防止アノード下限圧（脈動下限圧）の増加に併せてカソード圧も増加する。   In addition, the negative pressure prevention limit cathode pressure increases with the increase of the negative pressure prevention anode lower limit pressure. As a result, the cathode pressure at the negative pressure prevention limit becomes larger than the basic cathode pressure, the cathode pressure at the negative pressure restriction is set as the target cathode pressure, and the negative pressure prevention anode lower limit pressure (pulsation lower limit pressure) increases. Cathode pressure also increases.

このように、目標循環ポンプ回転速度の増加に併せて脈動下限圧を増加させることで、燃料電池スタック１内のアノードガス流路１２１の圧力が冷却水流路１４の圧力よりも低くなるのを抑制できる。そのため、循環ポンプ回転速度の増加時に冷却系の体積が増加するのを抑制できるので、ポンプ入口圧が低下し、負圧になるのを抑制することができる。よって、冷却水循環通路４１の耐久性を向上させることができる。   As described above, the pulsation lower limit pressure is increased in accordance with the increase of the target circulation pump rotation speed, thereby suppressing the pressure of the anode gas flow path 121 in the fuel cell stack 1 from being lower than the pressure of the cooling water flow path 14. it can. For this reason, it is possible to suppress an increase in the volume of the cooling system when the circulating pump rotational speed is increased, and thus it is possible to suppress the pump inlet pressure from being lowered and becoming negative pressure. Therefore, the durability of the cooling water circulation passage 41 can be improved.

また、負圧防止アノード下限圧が脈動下限圧として設定されたときに、負圧制限時カソード圧を目標カソード圧として設定してカソード圧も同時に増加させることで、脈動上限圧が差圧過大防止アノード上限圧に制限されるのを防止できる。   Also, when the negative pressure prevention anode lower limit pressure is set as the pulsation lower limit pressure, the pulsation upper limit pressure is prevented from being excessively increased by setting the cathode pressure at the negative pressure limit as the target cathode pressure and simultaneously increasing the cathode pressure. It can prevent being limited to the anode upper limit pressure.

負圧防止アノード下限圧が脈動下限圧として設定されたときに、基本アノード上限圧ではなく差圧過大防止アノード上限圧が脈動上限圧として設定されてしまうと、燃料電池スタック１の目標出力電流に応じて算出される脈動幅で脈動運転を実施することができなくなる。そうすると、脈動運転時におけるアノード圧の昇圧量が低下するので、アノードガス流路１２１内の液水の排水性が低下し、燃料電池スタック１の出力性能の低下につながる。   When the negative pressure prevention anode lower limit pressure is set as the pulsation lower limit pressure, if the differential pressure excessive prevention anode upper limit pressure is set as the pulsation upper limit pressure instead of the basic anode upper limit pressure, the target output current of the fuel cell stack 1 is set. The pulsation operation cannot be performed with the pulsation width calculated accordingly. As a result, the amount of increase in the anode pressure during the pulsation operation decreases, so that the drainage of the liquid water in the anode gas channel 121 decreases, leading to a decrease in the output performance of the fuel cell stack 1.

したがって、本実施形態のように、負圧防止アノード下限圧が脈動下限圧として設定されたときに、カソード圧を増加させて脈動上限圧が差圧過大防止アノード上限圧に制限されるのを防止することで、燃料電池スタック１の出力性能の低下を抑制することができる。またカソード圧を増加させることで、燃料電池スタック１内のカソードガス流路１３１の圧力も増加するので、カソード側からも冷却水流路１４の体積増を抑制することができる。   Therefore, as in this embodiment, when the negative pressure prevention anode lower limit pressure is set as the pulsation lower limit pressure, the cathode pressure is increased to prevent the pulsation upper limit pressure from being limited to the differential pressure excess prevention anode upper limit pressure. By doing so, it is possible to suppress a decrease in output performance of the fuel cell stack 1. Moreover, since the pressure of the cathode gas flow path 131 in the fuel cell stack 1 is increased by increasing the cathode pressure, an increase in the volume of the cooling water flow path 14 can be suppressed also from the cathode side.

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、ポンプ入口圧に基づいて、負圧防止アノード下限圧を補正する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。 (Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. This embodiment is different from the first embodiment in that the negative pressure prevention anode lower limit pressure is corrected based on the pump inlet pressure. Hereinafter, the difference will be mainly described. In each of the following embodiments, the same reference numerals are used for portions that perform the same functions as those of the first embodiment described above, and repeated descriptions are omitted as appropriate.

第１実施形態では、ポンプ入口圧が負圧になるのを未然に防止するため、脈動下限圧が目標循環ポンプ回転速度に応じて算出された負圧防止アノード下限圧を下回らないように制御していた。しかしながら、このように制御していてもポンプ入口圧が負圧になってしまうこともある。   In the first embodiment, in order to prevent the pump inlet pressure from becoming negative, control is performed so that the pulsation lower limit pressure does not fall below the negative pressure prevention anode lower limit pressure calculated according to the target circulation pump rotational speed. It was. However, even if it controls in this way, a pump inlet pressure may become a negative pressure.

そこで本実施形態では、ポンプ入口圧に基づいて、負圧防止アノード下限圧を増大補正することにした。以下、本実施形態によるアノード圧の制御方法について説明する。   Therefore, in this embodiment, the negative pressure prevention anode lower limit pressure is corrected to be increased based on the pump inlet pressure. Hereinafter, a method for controlling the anode pressure according to the present embodiment will be described.

図１３は、本実施形態によるアノード圧の制御方法について説明するブロック図である。   FIG. 13 is a block diagram for explaining the anode pressure control method according to the present embodiment.

補正値算出部２７１には、ポンプ入口圧が入力される。補正値算出部２７１は、図１４のテーブルを参照し、ポンプ入口圧に基づいて負圧防止アノード下限圧の補正値を算出する。図１４に示すように、ポンプ入口圧が正圧のときは、補正値はゼロとなる。そして、ポンプ入口圧が負圧になるほど（ポンプ入口圧が大気圧よりも低くなるほど）、補正値は大きくなる。   The pump inlet pressure is input to the correction value calculation unit 271. The correction value calculation unit 271 refers to the table of FIG. 14 and calculates a correction value for the negative pressure prevention anode lower limit pressure based on the pump inlet pressure. As shown in FIG. 14, when the pump inlet pressure is positive, the correction value is zero. The correction value increases as the pump inlet pressure becomes negative (the pump inlet pressure becomes lower than atmospheric pressure).

補正値更新部２７２には、負圧防止アノード下限圧の補正値と、脈動下限圧と、検出アノード圧と、が入力される。補正値更新部２７２は、検出アノード圧が脈動下限圧に達したときに入力された補正値を、次に検出アノード圧が脈動下限圧に達するまで保持して出力する。この理由については図１５を参照して後述する。   The correction value update unit 272 receives the correction value for the negative pressure prevention anode lower limit pressure, the pulsation lower limit pressure, and the detected anode pressure. The correction value update unit 272 holds and outputs the correction value input when the detected anode pressure reaches the pulsation lower limit pressure until the detected anode pressure reaches the pulsation lower limit pressure next time. The reason for this will be described later with reference to FIG.

補正値更新部２７２から出力された補正値は、負圧防止アノード下限圧算出部７２から出力された負圧防止アノード下限圧に加算される。そして、負圧防止アノード下限圧に補正値が加算された補正負圧防止アノード下限圧が脈動下限圧設定部７３に入力される。   The correction value output from the correction value update unit 272 is added to the negative pressure prevention anode lower limit pressure output from the negative pressure prevention anode lower limit pressure calculation unit 72. Then, the corrected negative pressure prevention anode lower limit pressure obtained by adding the correction value to the negative pressure prevention anode lower limit pressure is input to the pulsation lower limit pressure setting unit 73.

図１５は、検出アノード圧が脈動下限圧に達したときに入力された補正値を、次に検出アノード圧が脈動下限圧に達するまで保持する理由について説明する図である。   FIG. 15 is a diagram for explaining the reason why the correction value input when the detected anode pressure reaches the pulsation lower limit pressure is held until the detected anode pressure next reaches the pulsation lower limit pressure.

図１５に示すように、脈動運転ではアノード圧が脈動上限圧と脈動下限圧との間で昇降圧させられるので、燃料電池スタック１内のアノードガス流路１２１の圧力が上下動する。その結果、冷却系の体積も上下動し、ポンプ入口圧が上下動することになる。   As shown in FIG. 15, in the pulsation operation, the anode pressure is raised or lowered between the pulsation upper limit pressure and the pulsation lower limit pressure, so the pressure of the anode gas flow path 121 in the fuel cell stack 1 moves up and down. As a result, the volume of the cooling system also moves up and down, and the pump inlet pressure moves up and down.

そのため、ポンプ入口圧に基づいて負圧防止アノード下限圧の補正値を算出しようとすると、補正値が時々刻々と変化して脈動下限圧及び脈動上限圧が変動し、結果として目標アノード圧がハンチングしてしまうおそれがある。   Therefore, when trying to calculate the correction value of the negative pressure prevention anode lower limit pressure based on the pump inlet pressure, the correction value changes from moment to moment, and the pulsation lower limit pressure and pulsation upper limit pressure fluctuate. There is a risk of it.

そこで本実施形態では、検出アノード圧が脈動下限圧に達したときに入力された補正値を、次に検出アノード圧が脈動下限圧に達するまで保持することとしたのである。これにより、ポンプ入口圧が上下動しても補正値を一定に保持することができるので、目標アノード圧のハンチングを抑制することができる。   Therefore, in this embodiment, the correction value input when the detected anode pressure reaches the pulsation lower limit pressure is held until the detected anode pressure next reaches the pulsation lower limit pressure. Thereby, even if the pump inlet pressure moves up and down, the correction value can be kept constant, so that hunting of the target anode pressure can be suppressed.

以上説明した本実施形態によれば、ポンプ入口圧に基づいて負圧防止アノード下限圧を補正することとした。具体的には、ポンプ入口圧が負圧になるほど（ポンプ入口圧が大気圧よりも低くなるほど）、負圧防止アノード下限圧が大きくなるように補正することとした。   According to this embodiment described above, the negative pressure prevention anode lower limit pressure is corrected based on the pump inlet pressure. Specifically, the negative pressure prevention anode lower limit pressure is corrected to increase as the pump inlet pressure becomes negative (the pump inlet pressure becomes lower than atmospheric pressure).

これにより、第１実施形態と同様の効果が得られるほか、ポンプ入口圧が仮に負圧になったとしても、少なくともポンプ入口圧の低下量を抑制することができる。そのため、冷却水循環通路４１が収縮変化を抑制することができ、冷却水循環通路４１の耐久性を向上させることができる。   Thereby, in addition to the same effects as those of the first embodiment, even if the pump inlet pressure becomes negative, at least the amount of decrease in the pump inlet pressure can be suppressed. Therefore, the cooling water circulation passage 41 can suppress the shrinkage change, and the durability of the cooling water circulation passage 41 can be improved.

また、本実施形態によれば、検出アノード圧が脈動下限圧に達したときに負圧防止アノード下限圧の補正値を更新することとしたので、ポンプ入口圧の変動に起因する目標アノード圧のハンチングを抑制することができる。   Further, according to the present embodiment, when the detected anode pressure reaches the pulsation lower limit pressure, the correction value of the negative pressure prevention anode lower limit pressure is updated, so the target anode pressure due to the fluctuation of the pump inlet pressure is updated. Hunting can be suppressed.

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、循環ポンプ回転速度の上昇速度の変化率をカソード圧の応答速度に応じて制限した点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。 (Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. This embodiment is different from the first embodiment in that the rate of change in the increase rate of the circulation pump rotation speed is limited according to the response speed of the cathode pressure. Hereinafter, the difference will be mainly described.

第１実施形態では、目標循環ポンプ回転速度の増加に併せて脈動下限圧を増加させる場合は、カソード圧も同時に増加させることで脈動上限圧が差圧過大防止アノード上限圧に制限されるのを防止していた。   In the first embodiment, when the pulsation lower limit pressure is increased in accordance with the increase of the target circulation pump rotational speed, the pulsation upper limit pressure is limited to the anode pressure limit anode pressure increase by simultaneously increasing the cathode pressure. It was preventing.

しかしながら、カソード圧の応答速度は循環ポンプ回転速度の応答速度よりも遅いため、循環ポンプ回転速度の上昇後、しばらくしてからカソード圧が増大していくことになる。そのため、目標循環ポンプ回転速度の増加に併せて脈動下限圧を増加させたときに、カソード圧の応答が遅れることに起因して脈動上限圧が差圧過大防止アノード上限圧に制限されるおそれがある。   However, since the response speed of the cathode pressure is slower than the response speed of the circulation pump rotation speed, the cathode pressure increases after a while after the increase of the circulation pump rotation speed. Therefore, when the pulsation lower limit pressure is increased in accordance with the increase of the target circulation pump rotational speed, the pulsation upper limit pressure may be limited to the anode pressure difference prevention excessive pressure due to the delay in the response of the cathode pressure. is there.

そこで本実施形態では、循環ポンプ回転速度の応答速度がカソード圧の応答速度と一致するように、循環ポンプ回転速度の上昇速度の変化率をカソード圧の応答速度に応じて制限することにした。この循環ポンプ回転速度の上昇速度の変化率の制限度合いは、予め実験等の適合により定めておけばよい。   Therefore, in this embodiment, the rate of change of the increase rate of the circulation pump rotation speed is limited according to the response speed of the cathode pressure so that the response speed of the circulation pump rotation speed matches the response speed of the cathode pressure. The degree of restriction on the rate of change of the increase rate of the circulating pump rotational speed may be determined in advance by adaptation through experiments or the like.

これにより、第１実施形態と同様の効果が得られるほか、負圧防止アノード下限圧が脈動下限圧として設定されたときに、より確実に脈動上限圧が差圧過大防止アノード上限圧に制限されるのを防止できる。   As a result, the same effect as in the first embodiment can be obtained, and when the negative pressure prevention anode lower limit pressure is set as the pulsation lower limit pressure, the pulsation upper limit pressure is more reliably limited to the differential pressure excessive prevention anode upper limit pressure. Can be prevented.

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is obvious that various modifications can be made within the scope of the technical idea.

例えば、上記の各実施形態では、脈動運転を実施する燃料電池システム１００を例に説明したが、このような脈動運転を実施しない燃料電池システムにも適用することができ、その場合でも上記の各実施形態と同様の効果を得ることができる。   For example, in each of the above embodiments, the fuel cell system 100 that performs pulsation operation has been described as an example, but the present invention can also be applied to a fuel cell system that does not perform such pulsation operation. The same effect as the embodiment can be obtained.

脈動運転を実施しない燃料電池システムにおいても、アノード圧は基本的に燃料電池スタック１の目標出力電流に基づいて設定され、目標出力電流が高いときほどアノード圧も高くなるように設定される。また、目標出力電流が高いときほど、燃料電池スタック自身の発熱量も基本的に多くなるので、冷却水循環通路４１を循環する冷却水の流量も多くなる。   Even in a fuel cell system that does not perform pulsation operation, the anode pressure is basically set based on the target output current of the fuel cell stack 1, and the anode pressure is set to be higher as the target output current is higher. Further, as the target output current is higher, the amount of heat generated by the fuel cell stack itself basically increases, so the flow rate of the cooling water circulating through the cooling water circulation passage 41 also increases.

そうすると、例えば目標出力電流が高く、アノード圧が高い圧力に制御されている状態から、目標出力電流が低くなってアノード圧を低下させるときに、アノード圧の応答速度に対して冷却水流量の応答速度が遅れ、アノードガス流路１２１と冷却水流路１４との圧力差が小さくなることがある。このような場合に、目標出力電流に基づいて設定されるアノード圧に替わり、循環ポンプ４６の目標回転速度に基づいて設定されたアノード圧に制御することで、ポンプ入口圧が負圧になるのを抑制することができる。   Then, for example, when the target output current is low and the anode pressure is decreased from a state where the target output current is high and the anode pressure is controlled to a high pressure, the response of the coolant flow rate to the response speed of the anode pressure The speed may be delayed, and the pressure difference between the anode gas passage 121 and the cooling water passage 14 may be reduced. In such a case, instead of the anode pressure set based on the target output current, the pump inlet pressure becomes negative by controlling to the anode pressure set based on the target rotational speed of the circulation pump 46. Can be suppressed.

また、上記の各実施形態では、アノードガス非循環型の燃料電池システム１００を例に説明したが、アノードガス排出通路２２に排出された未使用のアノードガスをアノードガス供給通路２５に戻して利用するアノードガス循環型の燃料電池システムにも適用することができる。   In each of the above embodiments, the anode gas non-circulation type fuel cell system 100 has been described as an example. However, unused anode gas discharged to the anode gas discharge passage 22 is returned to the anode gas supply passage 25 and used. The present invention can also be applied to an anode gas circulation type fuel cell system.

また、上記の各実施形態では、循環ポンプ４６の目標回転速度に基づいて、脈動下限圧に下限を制限し、これにより、アノードガス流路１２１の圧力が冷却水流路１４の圧力よりも低くなるのを抑制して冷却系全体の体積が増加するのを抑制していた。   Further, in each of the above-described embodiments, the lower limit is limited to the pulsation lower limit pressure based on the target rotational speed of the circulation pump 46, whereby the pressure in the anode gas flow path 121 becomes lower than the pressure in the cooling water flow path 14. This suppresses the increase in the volume of the entire cooling system.

これに対し、例えば、循環ポンプ４６の目標回転速度に基づいて、燃料電池システムの運転状態に応じて設定されるカソードガスの圧力の下限を制限することで、カソードガス流路１３１の圧力が冷却水流路１４の圧力よりも低くなるのを抑制して冷却系全体の体積が増加するのを抑制しても良い。   On the other hand, for example, by limiting the lower limit of the cathode gas pressure set according to the operating state of the fuel cell system based on the target rotational speed of the circulation pump 46, the pressure of the cathode gas passage 131 is cooled. It may be possible to suppress an increase in the volume of the entire cooling system by suppressing the pressure from being lower than the pressure of the water flow path 14.

また、例えば、循環ポンプ４６の目標回転速度に基づいて、アノード圧の脈動下限圧を増大補正しても良い。   Further, for example, the pulsation lower limit pressure of the anode pressure may be increased and corrected based on the target rotational speed of the circulation pump 46.

また、上記の第２実施形態では、循環ポンプ回転速度に基づいて算出した負圧防止アノード下限圧を、ポンプ入口圧に基づいて増大補正していたが、負圧防止アノード下限圧を算出せずに、ポンプ入口圧に基づいて直接脈動下限圧や目標アノード圧を増大補正しても良い。   In the second embodiment, the negative pressure prevention anode lower limit pressure calculated based on the circulation pump rotational speed is increased and corrected based on the pump inlet pressure. However, the negative pressure prevention anode lower limit pressure is not calculated. In addition, the pulsation lower limit pressure and the target anode pressure may be directly increased and corrected based on the pump inlet pressure.

１００ 燃料電池システム
１ 燃料電池スタック（燃料電池）
４１ 冷却水循環通路（冷媒循環通路）
４６ 循環ポンプ
４８ 第１圧力センサ（ポンプ入口圧検出手段）
６１〜６３ 循環ポンプ制御手段
７１ 基本アノード下限圧算出部（基本下限圧力算出手段）
７２ 負圧防止アノード下限圧算出部（循環ポンプ用下限圧力算出手段）
７４ 脈動幅算出部（脈動幅算出手段）
７３〜７９ アノード圧制御手段
８１ 基本カソード圧算出部（第１目標圧力算出手段）
８２ 負圧防止制限時カソード圧算出部（第２目標圧力算出手段）
８３〜８４ カソード圧制御手段
２７１ 補正値算出部（補正値算出手段）
２７２ 補正値更新部（補正手段） 100 Fuel cell system 1 Fuel cell stack (fuel cell)
41 Cooling water circulation passage (refrigerant circulation passage)
46 Circulating pump 48 First pressure sensor (pump inlet pressure detecting means)
61-63 Circulation pump control means 71 Basic anode lower limit pressure calculation part (basic lower limit pressure calculation means)
72 Negative pressure prevention anode lower limit pressure calculation unit (circulation pump lower limit pressure calculation means)
74 Pulsation width calculator (Pulsation width calculator)
73 to 79 Anode pressure control means 81 Basic cathode pressure calculation unit (first target pressure calculation means)
82 Cathode pressure calculation unit during negative pressure prevention restriction (second target pressure calculation means)
83-84 Cathode pressure control means 271 Correction value calculation unit (correction value calculation means)
272 Correction value update unit (correction means)

Claims (10)

アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムであって、
前記燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環通路と、
前記冷媒循環通路に設けられ、冷媒を循環させる循環ポンプと、
前記燃料電池システムの運転状態に基づいて、前記循環ポンプの回転速度を制御する循環ポンプ制御手段と、
前記燃料電池システムの運転状態に基づいて、アノードガスの基本下限圧力を算出する基本下限圧力算出手段と、
前記循環ポンプの回転速度に基づいて、前記循環ポンプの回転速度に対するアノードガ
スの循環ポンプ用下限圧力を算出する循環ポンプ用下限圧力算出手段と、
前記基本下限圧力及び循環ポンプ用下限圧力の大きいほうに基づいて、前記燃料電池に供給するアノードガスの圧力を制御するアノード圧制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell system for generating power by supplying anode gas and cathode gas to a fuel cell,
A refrigerant circulation passage through which a refrigerant for cooling the fuel cell circulates;
A circulation pump provided in the refrigerant circulation passage for circulating the refrigerant;
A circulation pump control means for controlling a rotation speed of the circulation pump based on an operating state of the fuel cell system;
A basic lower limit pressure calculating means for calculating a basic lower limit pressure of the anode gas based on an operating state of the fuel cell system;
A circulating pump lower limit pressure calculating means for calculating a lower limit pressure for the circulating pump of the anode gas with respect to the rotating speed of the circulating pump based on the rotating speed of the circulating pump;
An anode pressure control means for controlling the pressure of the anode gas supplied to the fuel cell based on the larger of the basic lower limit pressure and the circulation pump lower limit pressure;
A fuel cell system comprising: 前記循環ポンプ用下限圧力算出手段は、
前記循環ポンプの回転速度が低い場合に比して高いときほど、前記循環ポンプ用下限圧力を高くする、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 The circulating pump lower limit pressure calculating means includes:
Increasing the lower limit pressure for the circulation pump is higher as the rotation speed of the circulation pump is lower than when the rotation speed is low.
The fuel cell system according to claim 1. 前記燃料電池システムの運転状態に基づいて、前記燃料電池に供給するアノードガスの圧力を周期的に昇降圧させる脈動運転を実施する際の脈動幅を算出する脈動幅算出手段を備え、
前記アノード圧制御手段は、
前記基本下限圧力及び前記循環ポンプ用下限圧力の大きいほうを脈動下限圧として設定し、前記脈動下限圧に前記脈動幅を加算したものを脈動上限圧として設定し、前記脈動下限圧と前記脈動上限圧の範囲内でアノード圧を昇降圧させる、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。 Pulsation width calculation means for calculating a pulsation width when performing a pulsation operation of periodically raising and lowering the pressure of the anode gas supplied to the fuel cell based on the operating state of the fuel cell system;
The anode pressure control means includes
The larger of the basic lower limit pressure and the circulating pump lower limit pressure is set as the pulsation lower limit pressure, the pulsation lower limit pressure added to the pulsation width is set as the pulsation upper limit pressure, and the pulsation lower limit pressure and the pulsation upper limit are set. Increase / decrease the anode pressure within the range of pressure,
The fuel cell system according to claim 1 or 2, characterized by the above. 前記燃料電池システムの運転状態に基づいて、カソードガスの第１目標圧力を算出する第１目標圧力算出手段と、
前記循環ポンプ用下限圧力に前記脈動幅を加算した圧力又は前記燃料電池の耐圧保護の観点から定められる最大アノード上限圧力の小さい方から、所定の許容差圧を減算した圧力をカソードガスの第２目標圧力として算出する第２目標圧力算出手段と、
前記第１目標圧力及び前記第２目標圧力の大きいほうを下回らないように、前記燃料電池に供給するカソードガスの圧力を制御するカソード圧制御手段と、
を備えることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。 First target pressure calculating means for calculating a first target pressure of the cathode gas based on an operating state of the fuel cell system;
The pressure obtained by subtracting a predetermined allowable differential pressure from the smaller one of the pressure obtained by adding the pulsation width to the circulating pump lower limit pressure or the maximum anode upper limit pressure determined from the viewpoint of pressure resistance protection of the fuel cell is the second value of the cathode gas. Second target pressure calculating means for calculating as a target pressure;
Cathode pressure control means for controlling the pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell so as not to fall below the larger of the first target pressure and the second target pressure;
The fuel cell system according to claim 3, further comprising: 前記許容差圧は、前記燃料電池内のアノードガス流路の圧力とカソードガス流路の圧力との間の圧力差による電解質膜の劣化を抑制する目的で設定された値である、
ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。 The allowable pressure difference is a value set for the purpose of suppressing deterioration of the electrolyte membrane due to a pressure difference between the pressure of the anode gas passage and the pressure of the cathode gas passage in the fuel cell.
The fuel cell system according to claim 4. 前記循環ポンプの入口圧を検出するポンプ入口圧検出手段と、
ポンプ入口圧が負圧になったときに、前記循環ポンプ用下限圧力を増大補正する補正手段と、
を備えることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。 Pump inlet pressure detecting means for detecting the inlet pressure of the circulation pump;
Correction means for increasing and correcting the lower limit pressure for the circulation pump when the pump inlet pressure becomes negative pressure;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, further comprising: 前記補正手段は、
ポンプ入口圧の負圧が小さい場合に比して大きいときほど、前記循環ポンプ用下限圧力が高くなるように補正する、
ことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。 The correction means includes
Correction is made so that the lower limit pressure for the circulation pump becomes higher as the negative pressure of the pump inlet pressure is larger than when the negative pressure is small.
The fuel cell system according to claim 6. 前記循環ポンプの入口圧を検出するポンプ入口圧検出手段と、
ポンプ入口圧に基づいて、前記循環ポンプ用下限圧力に対する補正値を算出する補正値算出手段と、
前記燃料電池に供給されるアノードガスの圧力が前記脈動下限圧に達したときに算出された前記補正値を、次にアノードガスの圧力が前記脈動下限圧に達するまで保持し、その保持した補正値を加算することで前記循環ポンプ用下限圧力を増大補正する補正手段と、を備えることを特徴とする請求項３から請求項５までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。 Pump inlet pressure detecting means for detecting the inlet pressure of the circulation pump;
Correction value calculating means for calculating a correction value for the lower limit pressure for the circulating pump based on the pump inlet pressure;
The correction value calculated when the pressure of the anode gas supplied to the fuel cell reaches the pulsation lower limit pressure is held until the pressure of the anode gas reaches the pulsation lower limit pressure, and the held correction is performed. 6. The fuel cell system according to claim 3, further comprising a correction unit that increases and corrects the lower limit pressure for the circulation pump by adding a value. 前記循環ポンプ制御手段は、
前記循環ポンプの回転速度の変化率を、前記燃料電池に供給するカソードガスの圧力の応答速度に応じて制限する、
ことを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。 The circulation pump control means includes
Limiting the rate of change of the rotational speed of the circulation pump according to the response speed of the pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 8, wherein 前記基本下限圧力算出手段は、
前記燃料電池の負荷に応じて算出されるアノードガスの下限圧力と、前記燃料電池に供給されるカソードガスの圧力と、の大きいほうを基本下限圧力として算出する、
ことを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか１つに記載の燃料電システム。 The basic lower limit pressure calculating means includes
The larger of the lower limit pressure of the anode gas calculated according to the load of the fuel cell and the pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell is calculated as the basic lower limit pressure,
The fuel electric system according to any one of claims 1 to 9, wherein
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