JP6223311B2 - Control method of fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムの制御方法に関する。より詳しくは、発電中の燃料電池の内部の水分の状態を適切に調整する燃料電池システムの制御方法に関する。   The present invention relates to a control method for a fuel cell system. More specifically, the present invention relates to a control method for a fuel cell system that appropriately adjusts the state of moisture inside the fuel cell during power generation.

燃料電池スタックは、燃料電池セルを複数積層して構成される。各燃料電池セルは、膜電極構造体(MEA)を一対のセパレータで挟持したもので構成される。膜電極構造体は、アノード電極及びカソード電極の2つの電極と、これら電極に教示された固体高分子電解質膜とで構成される。この燃料電池スタックは、アノード電極側に形成されたアノード流路に水素ガスが供給され、カソード電極側に形成されたカソード流路に空気が供給されると、これらの反応によって発電するとともに水が生成される。生成された水は、電解質膜を湿潤にするとともに、上記空気や水素ガス等が流れるガス流路にも流れ出す。   The fuel cell stack is configured by stacking a plurality of fuel cells. Each fuel cell is composed of a membrane electrode structure (MEA) sandwiched between a pair of separators. The membrane electrode structure is composed of two electrodes, an anode electrode and a cathode electrode, and a solid polymer electrolyte membrane taught in these electrodes. In this fuel cell stack, when hydrogen gas is supplied to the anode flow path formed on the anode electrode side and air is supplied to the cathode flow path formed on the cathode electrode side, power is generated and water is generated by these reactions. Generated. The generated water wets the electrolyte membrane and flows out to the gas flow path through which the air, hydrogen gas, and the like flow.

特許文献1には、インピーダンス計を用いて燃料電池の内部の水分状態を適切な状態に維持する発明が記載されている。特許文献1の発明では、電解質膜を挟持する電極の濡れ状態と燃料電池のインピーダンス抵抗値との間には相関があることを利用し、インピーダンス計によって電極が濡れすぎの状態を検出した場合には、電極に供給されるガスの流量を増加する。   Patent Document 1 describes an invention in which an internal moisture state of a fuel cell is maintained in an appropriate state using an impedance meter. In the invention of Patent Document 1, using the fact that there is a correlation between the wet state of the electrode sandwiching the electrolyte membrane and the impedance resistance value of the fuel cell, the impedance meter detects the state where the electrode is too wet. Increases the flow rate of the gas supplied to the electrode.

特開平7−235324号公報JP 7-235324 A

特許文献1の発明では、上述のように電極に供給されるガスの流量を増加した後、インピーダンス計によって電極が濡れすぎの状態が解消されたことに応じて(すなわち、インピーダンス抵抗値が所定の正常範囲内に戻ったことに応じて)、ガスの流量を通常の量に復帰させている。   In the invention of Patent Document 1, after increasing the flow rate of the gas supplied to the electrode as described above, the impedance meter detects that the electrode is too wet (ie, the impedance resistance value is a predetermined value). In response to returning to the normal range), the gas flow rate is restored to the normal amount.

ところが特許文献1の発明のようなタイミングでガスの流量を通常の量に復帰させると、その後、燃料電池の内部のガスの流路内に滞留する水(以下、このような水を「滞留水」ともいう)の量が増加し、所謂フラッディングが発生する場合がある。これは、インピーダンス抵抗値を正常範囲内に維持したとしても、燃料電池の内部のうちガスの流路内の滞留水の量は必ずしも適切な範囲に維持されないことを意味する。   However, when the flow rate of the gas is restored to the normal amount at the timing as in the invention of Patent Document 1, the water staying in the gas flow path inside the fuel cell (hereinafter, such water is referred to as “retaining water”). In some cases, so-called flooding may occur. This means that even if the impedance resistance value is maintained within the normal range, the amount of accumulated water in the gas flow path within the fuel cell is not necessarily maintained within an appropriate range.

本発明は、燃料電池の内部の水分状態を適切な状態に維持できる燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a control method of a fuel cell system that can maintain the moisture state inside the fuel cell in an appropriate state.

(1)燃料電池システム(例えば、後述の燃料電池システム1)は、酸化剤ガス及び燃料ガスが供給されると発電する燃料電池(例えば、後述のスタック2)と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置(例えば、後述のカソード系3)と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置(例えば、後述のアノード系4)と、前記燃料電池のインピーダンスを検出するインピーダンス検出装置(例えば、後述のインピーダンスセンサ24)と、を備える。前記燃料電池の発電には、所定の基準発電条件の下で発電制御を行う通常発電モードと、前記基準発電条件よりも前記燃料電池の膜が乾燥するように定められた乾燥発電条件の下で発電制御を行う乾燥発電モードと、前記基準発電条件よりも前記燃料電池のガスの流路内の滞留水が多く排出されるように定められた排出発電条件の下で発電制御を行う滞留水排出発電モードと、の3つの発電モードが定義される。本発明の燃料電池システムの制御方法は、前記インピーダンス検出装置の検出値に基づいて前記燃料電池が過加湿状態であるか否かを判定する過加湿判定工程(例えば、図7のS31、図9のS53)と、前記過加湿判定工程によって過加湿状態であると判定されてから過加湿状態でないと判定されるまで前記乾燥発電モードで発電を行う乾燥発電工程(例えば、図7の34、図8のt2〜t4及びt6〜t8)と、前記燃料電池の出力に対する要求値を取得する要求取得工程(例えば、図4のS15)と、前記乾燥発電工程が終わってから前記インピーダンス検出装置の検出値が所定の下限閾値(例えば、後述の滞留水判定閾値)を超えた状態が前記取得した要求値に応じて定められた待ち時間(例えば、図8のt8〜t9)維持されるまで前記滞留水排出発電モードで発電を行う滞留水排出工程(例えば、図7のS36、図8のt4〜t6及びt8〜t9)と、を備えることを特徴とする。 (1) A fuel cell system (for example, a fuel cell system 1 described later) includes a fuel cell (for example, a stack 2 described later) that generates power when an oxidant gas and a fuel gas are supplied, and an oxidant gas to the fuel cell. An oxidant gas supply device (for example, a cathode system 3 described later), a fuel gas supply device (for example, an anode system 4 described later) for supplying fuel gas to the fuel cell, and an impedance of the fuel cell are detected An impedance detection device (for example, an impedance sensor 24 described later). The power generation of the fuel cell is performed under a normal power generation mode in which power generation control is performed under a predetermined reference power generation condition, and under a dry power generation condition determined so that the membrane of the fuel cell is dried more than the reference power generation condition. Dry power generation mode for performing power generation control, and stagnant water discharge for performing power generation control under discharge power generation conditions determined so that more stagnant water in the gas flow path of the fuel cell is discharged than the reference power generation conditions Three power generation modes are defined: a power generation mode. The fuel cell system control method according to the present invention includes an over-humidity determining step of determining whether or not the fuel cell is in an over-humidified state based on a detection value of the impedance detection device (for example, S31 in FIG. 7, FIG. 9 S53), and a dry power generation process for generating power in the dry power generation mode until it is determined not to be in an excessively humid state after being determined as being in an excessively humid state in the excessive humidification determining process (for example, FIG. 34, FIG. 8 from t2 to t4 and t6 to t8), a request acquisition step for acquiring a required value for the output of the fuel cell (for example, S15 in FIG. 4), and detection of the impedance detection device after the dry power generation step is completed. value predetermined lower threshold (e.g., retained water determination threshold described later) latency state in which exceeds the stipulated in accordance with the required value described above acquired (e.g., t8 to t9 in FIG. 8) or is maintained Retained water discharge step for generating power by the accumulated water discharge power mode (e.g., S36 of FIG. 7, t4-t6 and t8~t9 in FIG. 8), characterized in that it comprises a a.

(2)この場合、前記滞留水排出工程では、前記取得した要求値が小さくなるほど前記待ち時間を長くすることが好ましい。 (2) In this case, in the previous SL accumulated water discharge step, it is preferable to lengthen the waiting time as the required value the acquired decreases.

(3)この場合、前記制御方法は、前記燃料電池の出力の低下率が所定の出力低下率閾値より大きいか否かを判定する出力低下率判定工程(例えば、図6のS22)と、前記低下率が前記出力低下率閾値より大きい場合には、前記過加湿判定工程の判定結果によらず前記滞留水発電排出モードで発電を行う排水優先工程(例えば、図9のS52)と、をさらに備えることが好ましい。 (3) In this case, the control method includes an output decrease rate determination step (for example, S22 in FIG. 6) for determining whether or not the decrease rate of the output of the fuel cell is greater than a predetermined output decrease rate threshold, If the decrease rate is larger than the output decrease rate threshold value, a drainage priority step (for example, S52 in FIG. 9) that performs power generation in the accumulated water power generation / discharge mode regardless of the determination result of the overhumidification determination step It is preferable to provide.

(4)この場合、前記制御方法は、前記燃料電池の電圧が所定の電圧閾値以下であるか否かを判定する電圧低下判定工程(例えば、図6のS23)と、前記電圧が前記電圧閾値以下である場合には、前記過加湿判定工程の判定結果によらず前記滞留水排出発電モードで発電を行う排水優先工程(例えば、図9のS52)と、をさらに備えることが好ましい。 (4) In this case, the control method includes a voltage drop determination step (for example, S23 in FIG. 6) for determining whether or not the voltage of the fuel cell is equal to or lower than a predetermined voltage threshold, and the voltage is the voltage threshold. In the case of the following, it is preferable to further include a drainage priority step (for example, S52 in FIG. 9) that generates power in the accumulated water discharge power generation mode regardless of the determination result of the overhumidification determination step.

(5)この場合、前記制御方法は、前記燃料電池の暖機が完了しているか否かを判定する暖機判定工程(例えば、後述の図7のS33、図9のS55)をさらに備え、前記暖機が完了していない場合には、前記過加湿判定工程の判定結果によらず前記滞留水排出工程を行うことが好ましい。   (5) In this case, the control method further includes a warm-up determination step (for example, S33 in FIG. 7 and S55 in FIG. 9 described later) for determining whether or not the fuel cell has been warmed up. When the warm-up is not completed, it is preferable to perform the stagnant water discharge step regardless of the determination result of the excessive humidification determination step.

(1)本発明では、インピーダンス検出装置の検出値に基づいて過加湿状態であると判定された場合には、その後過加湿状態でないと判定されるまで乾燥発電モードで発電を行う。これにより、インピーダンス検出装置の検出値と主に相関があると考えられる燃料電池の膜の含水量を適切な量に維持できる。ところで、燃料電池の内部に存在する水分を膜に含まれるもの(膜含水)とガスの流路内に含まれるもの(滞留水)とに分けた場合、滞留水は膜の保水限界を超えた膜含水が徐々に時間をかけて流路内にしみ出したもの、と考えることができる場合がある。本発明では、このような滞留水の生成モデルを考慮して、上述のように過加湿状態でないと判定された後もインピーダンス検出装置の検出値が所定の下限閾値を超えた状態が所定の待ち時間維持されるまで滞留水排出発電モードで発電を行う。このように待ち時間にわたって滞留水排出発電モードで発電を行うことにより、膜からしみ出ることによって生成された滞留水を確実に排出することができる。以上より、本発明によれば、発電中における燃料電池内部の膜含水と滞留水の量を共に適切な量に維持することができる。 (1) In the present invention, when it is determined that the state is an excessively humidified state based on the detection value of the impedance detection device, power generation is performed in the dry power generation mode until it is determined that the state is not the excessively humidified state thereafter. Thereby, the water content of the membrane of the fuel cell, which is considered to be mainly correlated with the detection value of the impedance detection device, can be maintained at an appropriate amount. By the way, when the water present in the fuel cell is divided into those contained in the membrane (containing the membrane water) and those contained in the gas flow path (retaining water), the remaining water exceeded the water retention limit of the membrane. It may be considered that the water content of the membrane gradually oozes into the flow channel over time. In the present invention, in consideration of such a generation model of stagnant water, a state in which the detection value of the impedance detection device exceeds a predetermined lower limit threshold even after it is determined not to be in an excessively humid state as described above is a predetermined waiting time. Power is generated in the accumulated water discharge power generation mode until the time is maintained. Thus, by performing power generation in the stagnant water discharge power generation mode over the waiting time, the stagnant water generated by oozing from the membrane can be reliably discharged. As described above, according to the present invention, it is possible to maintain both the amount of membrane water contained in the fuel cell and the amount of accumulated water during power generation at appropriate amounts.

(2)燃料電池の出力に対する要求値が小さくなるほど、燃料電池に供給される燃料ガスや酸化剤ガスの量は少なくなる傾向があるため、滞留水が燃料電池の内部の流路から排出されるまでにかかる時間も長くなる傾向がある。本発明では、要求値が小さくなるほど待ち時間を長くすることにより、確実に滞留水を排出することができる。   (2) Since the amount of fuel gas and oxidant gas supplied to the fuel cell tends to decrease as the required value for the output of the fuel cell decreases, the accumulated water is discharged from the flow path inside the fuel cell. There is a tendency for the time taken to become longer. In the present invention, the retained water can be reliably discharged by increasing the waiting time as the required value becomes smaller.

(3)上述のように本発明では、膜含水がしみ出ることによって滞留水が生成されることを前提として、基本的には、膜の乾燥に重点を置いた乾燥発電モードを行った後、滞留水の排出に重点を置いた滞留水排出発電モードを行う。一方で、燃料電池の出力が急激に低下すると、燃料電池の滞留水の量も急激に増加する場合があり、このような場合には、できるだけ速やかに滞留水を排出し、フラッディングを未然に防ぐことが好ましい。そこで本発明では、燃料電池の出力の低下率が所定の閾値よりも大きい場合には、乾燥発電モードと滞留水排出発電モードの実行優先順位を逆にすべく、過加湿判定工程の判定結果によらず滞留水排出発電モードで発電を行う。これにより、フラッディングを未然に防止できる。 (3) As described above, in the present invention, on the premise that the retained water is generated by oozing out the membrane water content, basically, after performing the dry power generation mode with emphasis on the drying of the membrane, The stagnant water discharge power generation mode will be implemented with emphasis on the stagnant water discharge. On the other hand, if the output of the fuel cell rapidly decreases, the amount of accumulated water in the fuel cell may also increase abruptly. In such a case, the accumulated water is discharged as quickly as possible to prevent flooding. It is preferable. Therefore, in the present invention, when the rate of decrease in the output of the fuel cell is larger than a predetermined threshold, the determination result of the overhumidification determination step is used to reverse the execution priority of the dry power generation mode and the stagnant water discharge power generation mode. Regardless of power generation in the stagnant water discharge power generation mode. Thereby, flooding can be prevented in advance.

(4)発電中の燃料電池の内部の滞留水が過剰に増加すると、電圧が大きく低下する場合がある(所謂、フラッディング)。本発明では、燃料電池の電圧が所定の閾値以下になった場合には、(3)の発明と同様に乾燥発電モードと滞留水排出発電モードの実行優先順位を逆にすべく、過加湿判定工程の判定結果によらず滞留水排出発電モードで発電を行う。これにより、速やかに滞留水を排出し、燃料電池の発電を安定化することができる。 (4) If the accumulated water inside the fuel cell during power generation increases excessively, the voltage may drop significantly (so-called flooding). In the present invention, when the voltage of the fuel cell becomes equal to or lower than a predetermined threshold value, the over-humidity determination is performed so as to reverse the execution priority of the dry power generation mode and the stagnant water discharge power generation mode as in the case of the invention of (3). Power generation is performed in the accumulated water discharge power generation mode regardless of the determination result of the process. Thereby, stagnant water can be discharged quickly and the power generation of the fuel cell can be stabilized.

(5)暖機制御を行っている間は、それまで低温環境下にあった燃料電池システムの始動を開始してからさほど時間が経っておらず、燃料電池の内部の水分の量は適切な量よりもやや多めになっているため、フラッディングが起きやすくなっている。本発明ではこの点を考慮し、暖機が完了していない場合には、過加湿判定工程の判定結果によらず滞留水排出工程を行う。これにより、速やかに滞留水を排出し、フラッディングを未然に防止し、始動時における燃料電池の発電を安定化することができる。   (5) While performing the warm-up control, it has not been so long since the start of the fuel cell system that had been in a low temperature environment until then, and the amount of moisture inside the fuel cell is appropriate. Since it is slightly larger than the amount, flooding is likely to occur. In the present invention, in consideration of this point, when the warm-up is not completed, the stagnant water discharge step is performed regardless of the determination result of the overhumidification determination step. Thereby, stagnant water can be discharged quickly, flooding can be prevented, and the power generation of the fuel cell at the start can be stabilized.

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell system which concerns on one Embodiment of this invention. 燃料電池システムの始動時における暖機制御の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of the warming-up control at the time of starting of a fuel cell system. スタックの滞留水の生成及び排出モデルの内容を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the content of the production | generation and discharge | emission model of the stagnant water of a stack. 滞留水の有無を判定する処理の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of the process which determines the presence or absence of stagnant water. 4種類の発電条件を機能面から比較した表である。It is the table | surface which compared four types of electric power generation conditions from the functional surface. 発電条件選択処理の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of an electric power generation condition selection process. 含水量制御優先時における発電条件選択処理の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of the electric power generation condition selection process at the time of water content control priority. 図7の処理の下で発電条件を選択した場合の一例を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows an example at the time of selecting electric power generation conditions under the process of FIG. 滞留水制御優先時における発電条件選択処理の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of the electric power generation condition selection process at the time of stagnant water control priority.

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図1は、本実施形態に係る燃料電池システム1の構成を示す図である。
燃料電池システム1は、燃料電池スタック2と、燃料電池スタック2に反応ガスとしての水素を供給するアノード系3と、燃料電池スタック2に反応ガスとしての酸素を含んだ空気を供給するカソード系4と、燃料電池スタック2を冷却する冷却装置5と、燃料電池スタック2で発電した電力を蓄えるバッテリBと、燃料電池スタック2及びバッテリBからの電力の供給によってタイヤ(図示せず)を駆動する走行モータMと、これらの電子制御ユニットであるECU6と、を備える。なお、この燃料電池システム1は、上記タイヤを駆動輪とした燃料電池車両(図示せず)に搭載される。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system 1 according to the present embodiment.
The fuel cell system 1 includes a fuel cell stack 2, an anode system 3 that supplies hydrogen as a reaction gas to the fuel cell stack 2, and a cathode system 4 that supplies air containing oxygen as a reaction gas to the fuel cell stack 2. And a cooling device 5 that cools the fuel cell stack 2, a battery B that stores electric power generated by the fuel cell stack 2, and a tire (not shown) is driven by the supply of electric power from the fuel cell stack 2 and the battery B A travel motor M and an ECU 6 as these electronic control units are provided. The fuel cell system 1 is mounted on a fuel cell vehicle (not shown) using the tire as a driving wheel.

燃料電池スタック(以下、単に「スタック」という)2は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。各燃料電池セルは、膜電極構造体(MEA)を一対のセパレータで挟持して構成される。膜電極構造体は、アノード電極(陰極)及びカソード電極(陽極)の2つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。通常、両電極は、固体高分子電解質膜に接して酸化・還元反応を行う触媒層と、この触媒層に接するガス拡散層とから形成される。このスタック2は、アノード電極側に形成されたアノード流路21に水素が供給され、カソード電極側に形成されたカソード流路22に酸素を含んだ空気が供給されると、これらの電気化学反応により発電する。   The fuel cell stack (hereinafter simply referred to as “stack”) 2 has a stack structure in which, for example, several tens to several hundreds of cells are stacked. Each fuel cell is configured by sandwiching a membrane electrode structure (MEA) between a pair of separators. The membrane electrode structure is composed of two electrodes, an anode electrode (cathode) and a cathode electrode (anode), and a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between these electrodes. Usually, both electrodes are formed of a catalyst layer that performs an oxidation / reduction reaction in contact with the solid polymer electrolyte membrane and a gas diffusion layer in contact with the catalyst layer. In the stack 2, when hydrogen is supplied to the anode flow path 21 formed on the anode electrode side and oxygen-containing air is supplied to the cathode flow path 22 formed on the cathode electrode side, these electrochemical reactions occur. To generate electricity.

発電中のスタック2から取り出される出力電流は、電流制御器29を介してバッテリBや負荷(走行モータM及びエアコンプレッサ41等)に入力される。ECU6は、アクセルペダルの開度を検出するアクセル開度センサからの出力信号に基づいて、スタック2の出力電流に対する要求値を算出する(図示せず)。電流制御器29は、ECU6によって算出された要求値を用いて発電中のスタック2の出力電流を制御する。   The output current taken out from the stack 2 during power generation is input to the battery B and the load (travel motor M, air compressor 41, etc.) via the current controller 29. The ECU 6 calculates a required value for the output current of the stack 2 based on the output signal from the accelerator opening sensor that detects the opening of the accelerator pedal (not shown). The current controller 29 controls the output current of the stack 2 during power generation using the required value calculated by the ECU 6.

バッテリBは、スタック2で発電した電力や、走行モータMによって回生制動力として回収した電気エネルギーを蓄える。また、例えば燃料電池システム1の起動時において、スタック2の出力電流が制限されているときや車両の高負荷運転時等には、バッテリBに蓄えられた電力はスタック2の出力を補うようにして負荷に供給される。   The battery B stores electric power generated by the stack 2 and electric energy recovered as a regenerative braking force by the traveling motor M. Further, for example, when the output current of the stack 2 is limited at the start of the fuel cell system 1 or when the vehicle is operating at a high load, the power stored in the battery B supplements the output of the stack 2. Supplied to the load.

アノード系3は、水素ガスを高圧で貯蔵する水素タンク31と、水素タンク31からスタック2のアノード流路21の導入部に至る水素供給管32と、アノード流路21の排出部からカソード系4に設けられた希釈器(図示せず)に至る水素排出管33と、水素排出管33から分岐し水素供給管32に至る水素還流管34と、を含んで構成される。水素を含んだガスの水素循環流路は、水素供給管32、アノード流路21、水素排出管33及び水素還流管34によって構成される。   The anode system 3 includes a hydrogen tank 31 that stores hydrogen gas at a high pressure, a hydrogen supply pipe 32 that extends from the hydrogen tank 31 to the introduction portion of the anode flow path 21 of the stack 2, and a discharge system that discharges the anode flow path 21 to the cathode system 4. A hydrogen discharge pipe 33 extending to a diluter (not shown) provided in FIG. 5 and a hydrogen reflux pipe 34 branched from the hydrogen discharge pipe 33 to the hydrogen supply pipe 32 are configured. The hydrogen circulation flow path for the gas containing hydrogen is constituted by a hydrogen supply pipe 32, an anode flow path 21, a hydrogen discharge pipe 33 and a hydrogen reflux pipe 34.

水素供給管32には、水素タンク31側からスタック2側へ向かって順に、遮断弁321と、遮断弁321を介して供給された新たな水素ガスをスタック2へ向けて噴射するインジェクタ322と、水素還流管34から還流されたガスをスタック2へ循環させるイジェクタ323と、が設けられている。遮断弁321は、ECU6からの指令信号に応じて開閉する電磁弁である。インジェクタ322からの水素ガスの噴射量は、ECU6によるPWM制御によって制御される。   In the hydrogen supply pipe 32, in order from the hydrogen tank 31 side to the stack 2 side, a shutoff valve 321 and an injector 322 for injecting new hydrogen gas supplied through the shutoff valve 321 toward the stack 2, An ejector 323 for circulating the gas refluxed from the hydrogen reflux pipe 34 to the stack 2 is provided. The shut-off valve 321 is an electromagnetic valve that opens and closes in response to a command signal from the ECU 6. The injection amount of hydrogen gas from the injector 322 is controlled by PWM control by the ECU 6.

水素還流管34には、水素排出管33側から水素供給管32側へガスを圧送する水素ポンプ341が設けられている。水素排出管33には、スタック2側からカソード系4側へ向かって順に、アノード流路21からガスと共に排出された水を貯留するキャッチタンク331と、水素循環流路内のガスをカソード系4側へ排出するパージ弁332と、が設けられている。水素ポンプ341は、ECU6からの指令信号に応じて作動する。水素ポンプ341の回転数は、ECU6によって制御される。パージ弁332は、ECU6からの指令信号に応じて開閉する電磁弁である。   The hydrogen reflux pipe 34 is provided with a hydrogen pump 341 that pumps gas from the hydrogen discharge pipe 33 side to the hydrogen supply pipe 32 side. In the hydrogen discharge pipe 33, a catch tank 331 for storing water discharged together with the gas from the anode flow path 21 in order from the stack 2 side to the cathode system 4 side, and the gas in the hydrogen circulation flow path are supplied to the cathode system 4. And a purge valve 332 for discharging to the side. The hydrogen pump 341 operates in response to a command signal from the ECU 6. The rotational speed of the hydrogen pump 341 is controlled by the ECU 6. The purge valve 332 is an electromagnetic valve that opens and closes in response to a command signal from the ECU 6.

またキャッチタンク331には、溜まった水を排出するためのドレイン管35が設けられている。このドレイン管35は、キャッチタンク331から水素排出管33のうちパージ弁332の下流側に至る。ドレイン管35にはドレイン弁351が設けられている。このドレイン弁351を開くと、キャッチタンク331内に溜まった水は、水素排出管33を介してカソード系4の図示しない希釈器へ排出される。ドレイン弁351は、ECU6からの指令信号に応じて開閉する電磁弁である。   The catch tank 331 is provided with a drain pipe 35 for discharging the accumulated water. The drain pipe 35 extends from the catch tank 331 to the downstream side of the purge valve 332 in the hydrogen discharge pipe 33. A drain valve 351 is provided in the drain pipe 35. When the drain valve 351 is opened, the water accumulated in the catch tank 331 is discharged to a diluter (not shown) of the cathode system 4 through the hydrogen discharge pipe 33. The drain valve 351 is an electromagnetic valve that opens and closes in response to a command signal from the ECU 6.

カソード系4は、エアコンプレッサ41と、エアコンプレッサ41からカソード流路22の導入部に至る空気供給管42と、カソード流路22の排出部から図示しない希釈器に至る空気排出管43と、空気排出管43から分岐し空気供給管42に至る空気還流管45と、空気排出管43と空気供給管42とを接続する加湿器46と、を含んで構成される。酸素を含んだガスの酸素循環流路は、空気供給管42、カソード流路22、空気排出管43及び空気還流管45によって構成される。   The cathode system 4 includes an air compressor 41, an air supply pipe 42 extending from the air compressor 41 to the introduction section of the cathode flow path 22, an air discharge pipe 43 extending from the discharge section of the cathode flow path 22 to a diluter (not shown), An air recirculation pipe 45 that branches from the discharge pipe 43 and reaches the air supply pipe 42 and a humidifier 46 that connects the air discharge pipe 43 and the air supply pipe 42 are configured. The oxygen circulation flow path of the gas containing oxygen is constituted by the air supply pipe 42, the cathode flow path 22, the air discharge pipe 43 and the air reflux pipe 45.

エアコンプレッサ41は、空気供給管42を介してスタック2のカソード流路22に外気を供給する。エアコンプレッサ41は、ECU6からの指令信号に応じて作動する。エアコンプレッサ41の回転数は、ECU6によって制御される。また空気排出管43には、カソード流路22内の圧力を調整するための背圧弁432が設けられている。背圧弁432は、ECU6からの指令信号に応じて開閉する電磁弁である。発電中のスタック2のカソード流路22内の圧力は、エアコンプレッサ41で空気を供給しながら背圧弁432の開度を調整することにより、スタック2の発電状態に応じた適切な大きさに制御される。   The air compressor 41 supplies outside air to the cathode flow path 22 of the stack 2 through the air supply pipe 42. The air compressor 41 operates in response to a command signal from the ECU 6. The rotational speed of the air compressor 41 is controlled by the ECU 6. The air exhaust pipe 43 is provided with a back pressure valve 432 for adjusting the pressure in the cathode channel 22. The back pressure valve 432 is an electromagnetic valve that opens and closes in response to a command signal from the ECU 6. The pressure in the cathode flow path 22 of the stack 2 during power generation is controlled to an appropriate level according to the power generation state of the stack 2 by adjusting the opening of the back pressure valve 432 while supplying air with the air compressor 41. Is done.

加湿器46は、カソード流路22から排出されたガスに含まれる水を回収し、回収した水を用いてエアコンプレッサ41から供給される空気を加湿する。この加湿器46の機能により、発電中のスタック2のMEAは発電に適した程度に湿潤な状態に維持される。   The humidifier 46 collects water contained in the gas discharged from the cathode channel 22 and humidifies the air supplied from the air compressor 41 using the collected water. With the function of the humidifier 46, the MEA of the stack 2 during power generation is maintained in a wet state suitable for power generation.

空気供給管42には、加湿器46をバイパスするバイパス管47が設けられている。このバイパス管47には、バイパス弁471が設けられている。バイパス弁471を開くと、エアコンプレッサ41から供給される空気の多くはバイパス管47を介して、すなわち加湿器46を迂回してスタック2に供給される。バイパス弁471は、ECU6からの指令信号に応じて開閉する電磁弁である。   The air supply pipe 42 is provided with a bypass pipe 47 that bypasses the humidifier 46. This bypass pipe 47 is provided with a bypass valve 471. When the bypass valve 471 is opened, most of the air supplied from the air compressor 41 is supplied to the stack 2 via the bypass pipe 47, that is, bypassing the humidifier 46. The bypass valve 471 is an electromagnetic valve that opens and closes in response to a command signal from the ECU 6.

また、空気供給管42及び空気排出管43には、それぞれ入口封止弁421及び出口封止弁431が設けられている。これら封止弁421,431を閉じると、スタック2のカソード流路22の内部は、外気から遮断される。これら封止弁421,431は、ECU6からの指令信号に応じて開閉する電磁弁である。   The air supply pipe 42 and the air discharge pipe 43 are provided with an inlet sealing valve 421 and an outlet sealing valve 431, respectively. When these sealing valves 421 and 431 are closed, the inside of the cathode flow path 22 of the stack 2 is blocked from outside air. These sealing valves 421 and 431 are electromagnetic valves that open and close in response to a command signal from the ECU 6.

冷却装置5は、スタック2の内部を流路の一部として含む冷媒循環路51と、冷媒循環路51に設けられこの循環路51内で冷媒を循環させるウォータポンプ52と、冷媒循環路51の一部となるラジエタ53と、を備える。ウォータポンプ52は、ECU6からの指令信号に応じて作動する。ウォータポンプ52の回転数は、ECU6によって制御される。   The cooling device 5 includes a refrigerant circulation path 51 including the inside of the stack 2 as a part of the flow path, a water pump 52 provided in the refrigerant circulation path 51 for circulating the refrigerant in the circulation path 51, and the refrigerant circulation path 51. And a radiator 53 as a part. The water pump 52 operates in response to a command signal from the ECU 6. The number of rotations of the water pump 52 is controlled by the ECU 6.

冷却装置5は、ウォータポンプ52によって冷媒を循環しスタック2と冷媒との熱交換を促進するとともに、ラジエタ53によって冷媒を冷却することにより、スタック2を保護するために定められた上限温度を上回らないようにする。   The cooling device 5 circulates the refrigerant by the water pump 52 and promotes heat exchange between the stack 2 and the refrigerant, and cools the refrigerant by the radiator 53, thereby exceeding the upper limit temperature defined for protecting the stack 2. Do not.

ECU6には、インピーダンスセンサ24、カソード側温度センサ25、アノード側温度センサ26、冷媒温度センサ27、電流センサ28、及びセル電圧検出装置29等の燃料電池システム1の状態を把握するための複数のセンサが接続されている。   The ECU 6 includes a plurality of impedance sensors 24, a cathode side temperature sensor 25, an anode side temperature sensor 26, a refrigerant temperature sensor 27, a current sensor 28, and a plurality of pieces for grasping the state of the fuel cell system 1 such as the cell voltage detection device 29. Sensor is connected.

インピーダンスセンサ24は、スタック2のインピーダンス抵抗値を検出し、検出値に略比例した信号をECU6に送信する。スタック2のインピーダンス抵抗値は、スタック2の内部のMEAの含水状態と相関関係がある。より具体的には、MEAの含水量が減少するほどインピーダンス抵抗値は増加する傾向がある。ECU6は、インピーダンスセンサ24によって検出されたインピーダンス抵抗値を用いることによって、間接的にMEAの含水状態を取得することができる。電流センサ28は、スタック2の出力電流を検出し、検出値に略比例した信号をECU6に送信する。   The impedance sensor 24 detects the impedance resistance value of the stack 2 and transmits a signal substantially proportional to the detected value to the ECU 6. The impedance resistance value of the stack 2 has a correlation with the moisture content of the MEA inside the stack 2. More specifically, the impedance resistance value tends to increase as the water content of MEA decreases. The ECU 6 can indirectly acquire the water content state of the MEA by using the impedance resistance value detected by the impedance sensor 24. The current sensor 28 detects the output current of the stack 2 and transmits a signal substantially proportional to the detected value to the ECU 6.

カソード側温度センサ25は、カソード流路22から排出されるガスの温度を検出し、検出値に略比例した信号をECU6に送信する。アノード側温度センサ26は、アノード流路21から排出されるガスの温度を検出し、検出値に略比例した信号をECU6に送信する。ECU6は、これら温度センサ25,26の検出値を用いることによって、スタック2の内部温度を算出する。冷媒温度センサ27は、循環路51のうちスタック2から排出される冷媒の温度を検出し、検出値に略比例した信号をECU6に送信する。   The cathode side temperature sensor 25 detects the temperature of the gas discharged from the cathode flow path 22 and transmits a signal substantially proportional to the detected value to the ECU 6. The anode side temperature sensor 26 detects the temperature of the gas discharged from the anode flow path 21 and transmits a signal substantially proportional to the detected value to the ECU 6. The ECU 6 calculates the internal temperature of the stack 2 by using the detection values of these temperature sensors 25 and 26. The refrigerant temperature sensor 27 detects the temperature of the refrigerant discharged from the stack 2 in the circulation path 51 and transmits a signal substantially proportional to the detected value to the ECU 6.

セル電圧検出装置29は、スタック2を構成する燃料電池セルの電圧(セル電圧)を検出する。セル電圧検出装置29は、単セルごとに検出したセル電圧を平均したもの(平均セル電圧)や、検出したセル電圧のうち最も低いもの(最低セル電圧)をECU6に送信する。   The cell voltage detection device 29 detects the voltage (cell voltage) of the fuel cells constituting the stack 2. The cell voltage detection device 29 transmits the average cell voltage detected for each single cell (average cell voltage) or the lowest detected cell voltage (lowest cell voltage) to the ECU 6.

またECU6は、上記センサ24〜29等の各種センサの出力値の時間変化、及びエアコンプレッサ41、バイパス弁471、背圧弁432、インジェクタ322、水素ポンプ341、パージ弁332、ドレイン弁351、及びウォータポンプ52等の各種装置の運転履歴を電磁的手段によって記録する履歴記録装置61を備える。   The ECU 6 also changes the output values of various sensors such as the sensors 24 to 29 over time, and the air compressor 41, the bypass valve 471, the back pressure valve 432, the injector 322, the hydrogen pump 341, the purge valve 332, the drain valve 351, and the water. A history recording device 61 is provided for recording operation histories of various devices such as the pump 52 by electromagnetic means.

スタック2のアノード流路21内の滞留水の量や、カソード流路22内の滞留水の量は、スタック2の発電態様によって変化する。ECU6は、この履歴記録装置61に記録された各種センサの出力値の履歴や各種装置の運転履歴を参照することによって、これらアノード流路21内の滞留水の量やカソード流路22内の滞留水の量を算出する。   The amount of staying water in the anode flow path 21 of the stack 2 and the amount of staying water in the cathode flow path 22 vary depending on the power generation mode of the stack 2. The ECU 6 refers to the history of output values of various sensors recorded in the history recording device 61 and the operation history of various devices, whereby the amount of accumulated water in the anode channel 21 and the retention in the cathode channel 22 are determined. Calculate the amount of water.

図示しない車両の運転席には、燃料電池システム1を起動したり停止したりするために運転者が操作可能なイグニッションスイッチIGが設けられている。イグニッションスイッチIGは、運転者によってオフからオンにされると、燃料電池システム1の起動指令信号をECU6に出力する。ECU6は、この起動指令信号を受信したことを契機として、スタックによる発電を開始させるシステム起動処理(図示せず)やスタックの暖機を促進する暖機制御(後述の図2参照)等を開始する。また、ECU6は、システム起動処理が完了し、スタックによる発電が可能となった後は、後に図6〜9を参照して説明する手順に従ってスタックの状態に適した発電条件を選択し、選択した発電条件の下で発電制御を行う。イグニッションスイッチIGは、運転者によってオンからオフにされると燃料電池システム1の停止指令信号をECU6に出力する。ECU6は、この停止指令信号を受信したことを契機として、システム停止処理(図示せず)を開始する。   A driver's seat of a vehicle (not shown) is provided with an ignition switch IG that can be operated by the driver to start and stop the fuel cell system 1. The ignition switch IG outputs a start command signal for the fuel cell system 1 to the ECU 6 when turned on by the driver. Upon receiving this start command signal, the ECU 6 starts system start processing (not shown) for starting power generation by the stack, warm-up control for promoting warm-up of the stack (see FIG. 2 described later), and the like. To do. In addition, after the system startup process is completed and power generation by the stack is possible, the ECU 6 selects and selects a power generation condition suitable for the state of the stack according to the procedure described later with reference to FIGS. Power generation control is performed under power generation conditions. The ignition switch IG outputs a stop command signal for the fuel cell system 1 to the ECU 6 when turned off by the driver. The ECU 6 starts a system stop process (not shown) upon receiving this stop command signal.

図2は、燃料電池システムの始動時における暖機制御の手順を示すフローチャートである。この処理は、イグニッションスイッチからの起動指令信号を受信したことを契機として、ECUによって実行される。   FIG. 2 is a flowchart showing a procedure of warm-up control when starting the fuel cell system. This process is executed by the ECU in response to the reception of the start command signal from the ignition switch.

S1では、ECUは、スタックの発電に伴う昇温を促進する運転を行い、S2に移る。ここで、スタックの発電に伴う昇温を促進する運転とは、例えば、ウォータポンプの回転数を低減したり、回転を停止したりすることをいう。また例えば、スタックの暖機に有利ないわゆる低IV発電(スタックへの空気の供給量を低減することによって、スタックの内部抵抗を上昇させた状態での発電)を行ってもよい。S2では、ECUは、温度センサの出力に基づいてスタックの温度を取得し、S3に移る。S3では、ECUは、取得したスタックの温度が暖気制御の終了を判定するために定められた暖気終了判定温度より高いか否かを判定する。S3の判定がNOである場合には暖気制御を継続すべくS1に戻り、S3の判定がYESである場合には、この処理を終了する。   In S1, ECU performs the driving | operation which accelerates | stimulates the temperature rise accompanying the electric power generation of a stack, and moves to S2. Here, the driving | operation which accelerates | stimulates the temperature rise accompanying the electric power generation of a stack | stump | means reducing the rotation speed of a water pump or stopping rotation, for example. Further, for example, so-called low IV power generation (power generation in a state where the internal resistance of the stack is increased by reducing the amount of air supplied to the stack) that is advantageous for warming up the stack may be performed. In S2, the ECU acquires the temperature of the stack based on the output of the temperature sensor, and proceeds to S3. In S3, the ECU determines whether or not the acquired stack temperature is higher than a warm-up end determination temperature determined to determine the end of warm-up control. If the determination in S3 is NO, the process returns to S1 to continue the warm-up control, and if the determination in S3 is YES, this process ends.

図3は、本実施形態に係るスタックの発電制御において前提とするスタックの滞留水の生成及び排出モデルの内容を説明するための図である。図3の上段のタイムチャートは、発電中のスタックのインピーダンス抵抗値、MEAに含まれる水の量、及びスタックの負荷(出力電流)の変化を示す。図3の下段は、各時刻におけるスタック内部のガス流路(カソード流路又はアノード流路)内の水の状態を模式的に示す図である。   FIG. 3 is a diagram for explaining the contents of the generation and discharge model of the stagnant water in the stack, which is assumed in the power generation control of the stack according to the present embodiment. The upper time chart of FIG. 3 shows changes in the impedance resistance value of the stack during power generation, the amount of water contained in the MEA, and the load (output current) of the stack. The lower part of FIG. 3 is a diagram schematically showing the state of water in the gas flow path (cathode flow path or anode flow path) inside the stack at each time.

図3の滞留水モデルでは、スタックの内部に存在する水分をMEAに含まれるもの(膜含水)とガスの流路内に含まれるもの(滞留水)とに分けて考える。そして、膜含水は発電によって1次的に生成されるものとし、滞留水はMEAの保水限界を超えた膜含水が徐々に時間をかけて流路内にしみ出したもの、すなわち膜含水が変化することによって2次的に生成されたものと考える。また、図3の滞留水モデルでは、スタックのインピーダンス抵抗値は、膜含水の量と直接の相関があるものと考える。このようなモデルに基づけば、スタック内のガス流路(カソード流路又はアノード流路)内で滞留水が生成されてからスタックの外へ排出されるまでの滞留水の流れは、スタックの負荷(例えば、出力電流)とスタックのインピーダンス抵抗値を用いて、図3の下段のように表現することができる。   In the stagnant water model of FIG. 3, the moisture present in the stack is considered separately for those contained in the MEA (membrane water content) and those contained in the gas flow path (stagnant water). The membrane water content is assumed to be generated primarily by power generation, and the stagnant water is the water content of the membrane that has exceeded the water retention limit of the MEA, and the membrane water content changes. This is considered to be generated secondarily. Further, in the stagnant water model of FIG. 3, it is considered that the impedance resistance value of the stack has a direct correlation with the amount of water content of the membrane. Based on such a model, the flow of stagnant water from the generation of the stagnant water in the gas flow path (cathode flow path or anode flow path) in the stack to the discharge from the stack is the load of the stack. 3 (for example, output current) and the impedance resistance value of the stack can be expressed as shown in the lower part of FIG.

例えば、時刻t1〜t3までの間では、スタックの出力電流は増加し減少する。このようなスタックの出力電流の変化にやや遅れて、時刻t2〜t4までの間では、MEAの含水量が増加し減少する。上述のようにインピーダンス抵抗値はMEAの含水量と相関があるので、このようなMEAの含水量の変化は、インピーダンス抵抗値の増減として検出される。ここで図3の滞留水モデルでは、滞留水は保水限界を超えた膜含水がしみ出したものとしてあつかう。したがってインピーダンス抵抗値が所定値よりも小さくなった時刻t2〜t4までの間は、ガス流路内に新たに滞留水が生成される区間となる。時刻t2〜t4までの間に生成された滞留水は、時刻t4以降、流路内を流れるガスとともに外に押し出される。   For example, between times t1 and t3, the output current of the stack increases and decreases. The water content of MEA increases and decreases between time t2 and time t4 with a slight delay from the change in the output current of the stack. As described above, since the impedance resistance value has a correlation with the water content of the MEA, such a change in the water content of the MEA is detected as an increase or decrease in the impedance resistance value. Here, in the stagnant water model of FIG. 3, the stagnant water is treated as if the water content of the membrane exceeding the water retention limit exudes. Therefore, the period from time t2 to t4 when the impedance resistance value becomes smaller than the predetermined value is a section in which the accumulated water is newly generated in the gas flow path. The staying water generated between time t2 and time t4 is pushed out together with the gas flowing in the flow path after time t4.

その後、時刻t5〜t7までの間では、スタックの出力電流は再び増加し減少する。これによって、時刻t6〜t8までの間では、時刻t2〜t4までの間に生成された滞留水がスタックの外へ排出される前に、再び新たな滞留水が生成される。そして時刻t6〜t8までの間に生成された滞留水は、時刻t6移行、流路内を流れるガスとともに外に押し出され、時刻t9には全てスタックの外に排出される。これにより、スタック内部のガス流路には滞留水がほぼ存在しない状態となる。   Thereafter, between time t5 and time t7, the output current of the stack increases and decreases again. As a result, between time t6 and t8, new accumulated water is generated again before the accumulated water generated between time t2 and t4 is discharged out of the stack. And the staying water produced | generated between the time t6-t8 is extruded outside with the gas which transfers to the time t6 transition and the inside of a flow path, and is all discharged | emitted out of a stack at the time t9. As a result, the stagnant water hardly exists in the gas flow path inside the stack.

以上のような滞留水モデルに基づけば、滞留水は含水量が保水限界を超えてしみ出したものととらえられることから、含水量を制御すれば滞留水の量もある程度制御することができる。   Based on the above stagnant water model, it is considered that the stagnant water exudes beyond the water retention limit, so that the amount of stagnant water can be controlled to some extent by controlling the water content.

図4は、図3の滞留水モデルに基づいて、滞留水の有無を判定する処理の手順を示すフローチャートである。より具体的には、図4の処理は、上記滞留水モデルを用いてスタックの内部のガス流路(カソード流路及びアノード流路)内に滞留水が存在するか否かを判定し、判定結果に応じて滞留水の有無を示す滞留水フラグを“0”(滞留水無し)と“1”(滞留水有り)とで切り替える処理である。この処理は、イグニッションスイッチからの起動指令信号を受信したことを契機として、ECUによって所定の制御周期の下で繰り返し実行される。   FIG. 4 is a flowchart showing a processing procedure for determining the presence or absence of stagnant water based on the stagnant water model shown in FIG. More specifically, the process of FIG. 4 determines whether or not stagnant water exists in the gas flow path (cathode flow path and anode flow path) inside the stack using the above stagnant water model. This is a process of switching the staying water flag indicating the presence or absence of staying water between “0” (no staying water) and “1” (with staying water) according to the result. This process is repeatedly executed by the ECU under a predetermined control period when the activation command signal from the ignition switch is received.

S11では、ECUは、インピーダンス抵抗の検出値が所定の滞留水発生閾値より大きいか否かを判定する。インピーダンス抵抗の検出値が滞留水発生閾値より大きい場合には、滞留水は発生しないと判断でき(S12参照)、検出値が滞留水発生閾値以下である場合には、滞留水は発生したと判断できる(S13参照)。スタックのインピーダンス抵抗値は膜含水量が増えるほど小さくなり、滞留水は膜含水量が保水限界を超えると発生する。S11における滞留水発生閾値は、インピーダンス抵抗の検出値に基づいて滞留水の発生の有無を判定するために定められる閾値であり、図9を参照して説明する後述の過加湿下限値と同じか、ほぼ同じ値に設定される。またこの滞留水発生閾値は、固定値でもよいし、スタックの内部温度に応じて変化させてもよい。   In S11, the ECU determines whether or not the detected value of impedance resistance is greater than a predetermined stagnant water generation threshold. If the detected value of the impedance resistance is greater than the accumulated water generation threshold, it can be determined that no accumulated water is generated (see S12). If the detected value is less than or equal to the accumulated water generation threshold, it is determined that the accumulated water has occurred. Yes (see S13). The impedance resistance value of the stack decreases as the membrane water content increases, and stagnant water is generated when the membrane water content exceeds the water retention limit. The stagnant water generation threshold value in S11 is a threshold value that is determined in order to determine whether or not stagnant water is generated based on the detected value of the impedance resistance, and is the same as the later-described excessive humidification lower limit value described with reference to FIG. Are set to approximately the same value. Further, this stagnant water generation threshold value may be a fixed value or may be changed according to the internal temperature of the stack.

S11の判定がNOである場合には、ECUは、滞留水が新たに発生したと判断し(S13参照)、排水カウンタの値を所定の最大値にリセットする(S14参照)。ここで「排水カウンタ」とは、ガス流路のうち滞留水が存在する位置からガス流路の出口位置までの距離に相当する。ガス流路内ではどこでも滞留水は発生し得る。図4の処理では、排出するまでにかかる時間が最も長くなる場合を想定し、新たな滞留水は常にガス流路の入口側で発生するものと仮定する。よって、S14における最大値は、例えばガス流路の全長に設定される。   If the determination in S11 is NO, the ECU determines that stagnant water has newly occurred (see S13), and resets the value of the drainage counter to a predetermined maximum value (see S14). Here, the “drainage counter” corresponds to the distance from the position where the stagnant water exists in the gas flow path to the outlet position of the gas flow path. The stagnant water can be generated anywhere in the gas flow path. In the process of FIG. 4, it is assumed that the time taken to discharge becomes the longest, and that new accumulated water is always generated on the inlet side of the gas flow path. Therefore, the maximum value in S14 is set to the total length of the gas flow path, for example.

ところで、滞留水が発生する位置や発生しない位置は、スタックの仕様や内部温度等に基づいてある程度推定できる場合がある。例えば、ガス流路の入口近傍では滞留水が生成されにくく、またこの滞留水が生成されにくい領域はスタックの内部温度が上昇するほどガス流路の内部に広がる場合がある。したがってS14の最大値は、上述のように固定値としてもよいし、その都度スタックの仕様や内部温度等に基づいて滞留水が発生する位置を推定し、これに応じて変化させてもよい。   By the way, the position where the accumulated water is generated and the position where it is not generated may be estimated to some extent based on the specifications of the stack, the internal temperature, and the like. For example, stagnant water is unlikely to be generated in the vicinity of the gas channel inlet, and the region in which stagnant water is unlikely to be generated may expand into the gas channel as the internal temperature of the stack increases. Therefore, the maximum value of S14 may be a fixed value as described above, or the position where the stagnant water is generated may be estimated each time based on the specifications of the stack, the internal temperature, or the like, and may be changed accordingly.

S15では、ECUは、スタックの運転条件に基づいて排水速度を決定する。ここで「排水速度」とは、図4の制御周期の間に滞留水がガス流路に沿って流れる距離に相当する。またここで、排水速度を決定する「スタックの運転条件」とは、例えば、現在実行中の発電モードの種類(例えば、後述の図5に示すように、排水発電モード、通常発電モード、乾燥発電モード、及び湿潤発電モード等)や、スタックの出力電流に対する要求値等であるが、本発明はこれらに限らない。排水速度は、例えば図4に例示するように発電モード毎に定められたマップを用い、スタックの出力電流に対する要求値に基づいて定められる。図4に示すように、要求値が小さくなるほど排水速度は小さな値に設定される。従って、要求値が小さくなるほど、生成された滞留水がスタックの外に排出されるまでにかかる時間が長くなる。なお、等しい要求値の下でこれら4つの発電モードの間で排水速度を比較した場合、排水モードの排水速度が最も大きい。   In S15, the ECU determines the drainage speed based on the stack operating conditions. Here, the “drainage speed” corresponds to the distance that the accumulated water flows along the gas flow path during the control period of FIG. Here, the “stack operating condition” for determining the drainage speed is, for example, the type of the power generation mode currently being executed (for example, as shown in FIG. 5 described later, the drain power generation mode, the normal power generation mode, the dry power generation mode). Mode, wet power generation mode, etc.), and a required value for the output current of the stack, but the present invention is not limited to these. The drainage speed is determined based on a required value for the output current of the stack, using a map determined for each power generation mode as exemplified in FIG. 4, for example. As shown in FIG. 4, the drainage speed is set to a smaller value as the required value becomes smaller. Therefore, the smaller the required value, the longer it takes for the generated accumulated water to be discharged out of the stack. In addition, when the drainage speed is compared between these four power generation modes under the same required value, the drainage speed in the drainage mode is the largest.

S16では、排水カウンタの値からS15で算出した排水速度だけ減算することによって、排水カウンタの値を更新する。なお演算の便宜上、排水カウンタの最小値は0とする。S17では、排水カウンタが0以下であるか否かを判定する。排水カウンタが0以下である場合には、ガス流路内の滞留水量は0である(すなわち、ガス流路内には滞留水が存在しない)と判断し、これを明示すべく滞留水フラグを0にする(S18参照)。また排水カウンタが0より大きい場合には、ガス流路内の滞留水量は0でない(すなわち、ガス流路内に滞留水が存在する)と判断し、これを明示すべく滞留水フラグを1にする(S19参照)。なお、この図4の処理において所定の制御周期ごとに更新された滞留水フラグは、後に図7,9等を参照して説明する処理において適宜参照される。   In S16, the value of the drainage counter is updated by subtracting only the drainage speed calculated in S15 from the value of the drainage counter. For convenience of calculation, the minimum value of the drainage counter is 0. In S17, it is determined whether or not the drainage counter is 0 or less. When the drainage counter is 0 or less, it is determined that the amount of staying water in the gas flow path is 0 (that is, there is no staying water in the gas flow path), and the staying water flag is set to clarify this. Set to 0 (see S18). If the drain counter is greater than 0, it is determined that the amount of staying water in the gas flow path is not 0 (that is, stagnant water exists in the gas flow path), and the staying water flag is set to 1 to clearly indicate this. (See S19). It should be noted that the stagnant water flag updated every predetermined control cycle in the process of FIG. 4 is referred to as appropriate in the process described later with reference to FIGS.

次に、本実施形態で定義されているスタックの4つの発電モードについて説明する。ECUは、それぞれ機能の異なる4種類の発電条件の下で発電制御を行うことが可能となっている。ここで発電条件とは、スタックによる発電を行うために必要な各種装置の制御態様をいう。また、発電を行うために必要な各種装置とは、例えば、加湿器のバイパス弁471、エアコンプレッサ41、背圧弁432、及びウォータポンプ52等をいう。本実施形態では、基準条件と、湿潤条件と、乾燥条件と、排水条件と、の4種類の発電条件が定義されている。なお以下では、基準条件の下で発電制御を行うことを通常発電モードによる発電といい、湿潤条件の下で発電制御を行うことを湿潤発電モードによる発電といい、乾燥条件の下で発電制御を行うことを乾燥発電モードによる発電といい、排水条件の下で発電制御を行うことを排水発電モードによる発電ともいう。   Next, the four power generation modes of the stack defined in this embodiment will be described. The ECU can perform power generation control under four types of power generation conditions having different functions. Here, the power generation conditions refer to control modes of various devices necessary for generating power by the stack. In addition, various devices necessary for power generation include, for example, a humidifier bypass valve 471, an air compressor 41, a back pressure valve 432, a water pump 52, and the like. In the present embodiment, four types of power generation conditions are defined: a reference condition, a wet condition, a dry condition, and a drainage condition. In the following, performing power generation control under reference conditions is referred to as power generation in the normal power generation mode, performing power generation control under wet conditions is referred to as power generation in the wet power generation mode, and performing power generation control under dry conditions. What is performed is referred to as power generation in the dry power generation mode, and power generation control under drainage conditions is also referred to as power generation in the drainage power generation mode.

図5は、4種類の発電条件を機能面から比較した表である。より具体的には、等しい環境条件(例えば、要求電流値や外気温度等)の下で定常的に発電を行った場合におけるMEAの含水量及び滞留水の量の単位時間当たりの変化量を、基準条件を基準として比較した図である。   FIG. 5 is a table comparing four types of power generation conditions from the functional aspect. More specifically, the amount of change per unit time in the water content of MEA and the amount of stagnant water when power generation is performed constantly under equal environmental conditions (for example, required current value, outside air temperature, etc.) It is the figure compared on the basis of reference conditions.

ところで、図3を参照して説明した滞留水モデルが成立する条件は、スタックの含水量及び滞留水の量が共に所定の範囲内である場合に限られる。例えば、スタックの出力電流が急激に低下するとスタックの含水量及び滞留水の量は共に短時間で増加する場合があり、このような場合には上述の滞留水モデルは成立しなくなる場合がある。図5の上段及び下段には、スタックの含水量及び滞留水の量が図3の滞留水モデルが成り立つ程度に抑えられている場合と、スタックの含水量及び滞留水の量が図3の滞留水モデルが成り立たないほど多い場合とに分けて示す。   By the way, the condition for establishing the accumulated water model described with reference to FIG. 3 is limited to the case where both the moisture content of the stack and the amount of accumulated water are within a predetermined range. For example, when the output current of the stack rapidly decreases, both the moisture content of the stack and the amount of accumulated water may increase in a short time, and in such a case, the above-described accumulated water model may not be established. In the upper and lower stages of FIG. 5, the water content of the stack and the amount of stagnant water are suppressed to such an extent that the stagnant water model of FIG. It is shown separately when there are too many water models.

図5に示すように、湿潤条件は、基準条件、乾燥条件、及び排水条件よりも含水量が増加するように定められる。また湿潤条件は、基準条件、乾燥条件、及び排水条件よりも滞留水の量が増加するように定められる。乾燥条件は、基準条件よりも速やかに含水量が少なくなるように定められる。また乾燥条件は、基準条件よりも滞留水の量が速やかに少なくなるように定められる。   As shown in FIG. 5, the wet conditions are determined such that the water content increases more than the reference conditions, the dry conditions, and the drainage conditions. In addition, the wetting conditions are determined so that the amount of stagnant water increases more than the reference conditions, drying conditions, and drainage conditions. The drying conditions are determined so that the water content is reduced more quickly than the reference conditions. Further, the drying conditions are determined so that the amount of the staying water is quickly reduced as compared with the reference conditions.

スタックの含水量及び滞留水の量が図3の滞留水モデルが成り立つ程度に抑えられている場合には、排水条件は、少なくとも基準条件よりも滞留水の量が速やかに少なくなるように定められる。また含水量の変化については、排水条件は基準条件とほぼ同等になるように定められる。   When the water content of the stack and the amount of stagnant water are suppressed to such an extent that the stagnant water model shown in FIG. 3 is established, the drainage conditions are determined so that the amount of stagnant water can be reduced more quickly than at least the reference conditions. . Regarding the change in water content, the drainage conditions are determined to be almost the same as the standard conditions.

スタックの含水量及び滞留水の量が図3の滞留水モデルが成り立たないほど多い場合には、排水条件は、基準条件及び乾燥条件よりも滞留水の量が速やかに少なくなるように定められる。また排水条件は、基準条件及び乾燥条件よりも含水量が速やかに少なくなるように定められる。   When the water content of the stack and the amount of stagnant water are so large that the stagnant water model of FIG. 3 does not hold, the drainage conditions are determined so that the amount of stagnant water quickly becomes smaller than the reference conditions and the drying conditions. Further, the drainage conditions are determined so that the water content is quickly reduced as compared with the standard conditions and the drying conditions.

次に、図5に示すような機能を実現するための各発電条件の具体的な制御態様の一例について説明する。   Next, an example of a specific control mode of each power generation condition for realizing the function as shown in FIG. 5 will be described.

<加湿器のバイパス弁について>
湿潤条件は、基準条件よりも加湿器による空気の加湿量が多くなるように定められる。また乾燥条件は、基準条件よりも加湿器による空気の加湿量が少なくなるように定められる。なお、加湿器による空気の加湿量とは、具体的には加湿器によって空気に供給される水の単位時間当たりの量をいうものとする。従って加湿器のバイパス弁の開度は、湿潤条件の下で発電制御を行う場合、基準条件の下で発電制御を行う場合よりも閉弁側になるように制御され、乾燥条件の下で発電制御を行う場合、基準条件の下で発電制御を行う場合よりも開弁側になるように制御される。これにより湿潤発電モード中は通常発電モード中よりも湿った空気がスタックに供給され、乾燥発電モード中は通常発電モード中よりも乾いた空気がスタックに供給される。なお、乾燥条件の下では、加湿器のバイパス弁は全開とし、加湿器による空気の加湿量を最小にすることが好ましい。
<Humidifier bypass valve>
The humid condition is determined so that the humidification amount of air by the humidifier is larger than the reference condition. The drying condition is determined so that the humidification amount of air by the humidifier is smaller than the reference condition. Note that the humidification amount of air by the humidifier specifically refers to the amount of water supplied to the air by the humidifier per unit time. Therefore, the opening of the bypass valve of the humidifier is controlled to be closer to the valve closing side when power generation control is performed under humid conditions than when power generation control is performed under reference conditions. When performing control, control is performed so that the valve is opened more than when power generation control is performed under reference conditions. Thereby, during the wet power generation mode, air that is wetter than during the normal power generation mode is supplied to the stack, and during the dry power generation mode, air that is drier than during the normal power generation mode is supplied to the stack. Note that, under dry conditions, it is preferable to fully open the bypass valve of the humidifier and minimize the amount of air humidified by the humidifier.

<エアコンプレッサ及び背圧弁について>
湿潤条件は、基準条件よりもスタックのカソード流路を流れる空気の体積流量が少なくなるように定められる。一方乾燥条件は、基準条件よりも体積流量が多くなるように定められる。また排水条件は、基準条件及び乾燥条件よりも体積流量がさらに多くなるように定められる。したがって、エアコンプレッサから新たに供給される空気の供給量(すなわち、エアコンプレッサの回転数)は、湿潤条件の下では基準条件よりも小さくなるように制御され、乾燥条件の下では、基準条件よりも大きくなるように制御され、排水条件の下では、基準条件及び乾燥条件のどちらよりも大きくなるように制御される。また同時に、スタックのカソード流路内の圧力を調整する背圧弁の開度は、湿潤条件の下では、基準条件よりも閉側(増圧側)へ小さくなるように制御され、乾燥条件の下では、基準条件よりも開側(減圧側)へ大きくなるように制御され、排水条件の下では、基準条件及び乾燥条件のどちらよりも開側(減圧側)へ大きくなるように制御される。
<About air compressor and back pressure valve>
The wetting condition is determined so that the volume flow rate of the air flowing through the cathode channel of the stack is smaller than the reference condition. On the other hand, the drying conditions are determined so that the volume flow rate is higher than the reference conditions. The drainage conditions are determined so that the volume flow rate is larger than the reference conditions and the drying conditions. Therefore, the supply amount of air newly supplied from the air compressor (that is, the rotation speed of the air compressor) is controlled to be smaller than the reference condition under the wet condition, and is lower than the reference condition under the dry condition. Also, it is controlled to be larger than both the reference condition and the drying condition under the drainage condition. At the same time, the opening of the back pressure valve that adjusts the pressure in the cathode flow path of the stack is controlled to be smaller to the closed side (pressure increasing side) than the reference condition under the wet condition, and under the dry condition. It is controlled to be larger on the open side (decompression side) than the reference condition, and is controlled to be larger on the open side (decompression side) than both the standard condition and the drying condition under the drainage condition.

<ウォータポンプについて>
湿潤条件は、基準条件よりも冷媒の循環量が多くなるように定められる。また乾燥条件は、基準条件よりも冷媒の循環量が少なくなるように定められる。なお、冷媒の循環量とは、具体的にはウォータポンプを駆動することによってスタックに供給される冷媒の単位時間当たりの量をいうものとする。従って湿潤条件の下で発電制御を行う場合、基準条件の下で発電制御を行う場合よりも冷媒の循環量が多くなるように、ウォータポンプの回転数を高めに設定する。また乾燥条件の下で発電制御を行う場合、基準条件の下で発電制御を行う場合よりも冷媒の循環量が少なくなるように、ウォータポンプの回転数を低めに設定する。なお、以上のようにして発電条件ごとに冷媒の循環量を変化させる場合、ウォータポンプの回転数を増減するかわりにウォータポンプの間欠運転におけるオフ時間とオン時間との比を増減させてもよい。
<About water pump>
The wetting condition is determined so that the circulation amount of the refrigerant is larger than the reference condition. The drying conditions are determined so that the circulation amount of the refrigerant is smaller than the reference conditions. Note that the refrigerant circulation amount specifically refers to the amount of refrigerant per unit time supplied to the stack by driving the water pump. Therefore, when power generation control is performed under wet conditions, the rotation speed of the water pump is set to be higher so that the amount of refrigerant circulating is larger than when power generation control is performed under reference conditions. In addition, when the power generation control is performed under the drying condition, the rotation speed of the water pump is set to be lower so that the circulation amount of the refrigerant is smaller than when the power generation control is performed under the reference condition. In the case where the refrigerant circulation amount is changed for each power generation condition as described above, the ratio between the off time and the on time in the intermittent operation of the water pump may be increased or decreased instead of increasing or decreasing the rotation speed of the water pump. .

ところでエアコンプレッサやウォータポンプを駆動すると、僅かながら振動や騒音が発生するため、発電条件にかかわらずこれらの回転数はできるだけ低い方が好ましい。よって、加湿器による空気の加湿量を調整するのみで上述の4種類の発電条件の機能を達成できる場合は、空気の体積流量や冷媒の循環量等はこれら4種類の発電条件で積極的に差を設ける必要はない。   By the way, when an air compressor or a water pump is driven, a slight vibration and noise are generated. Therefore, it is preferable that these rotational speeds are as low as possible regardless of power generation conditions. Therefore, when the functions of the above-described four types of power generation conditions can be achieved only by adjusting the humidification amount of air by the humidifier, the volume flow rate of air, the circulation amount of the refrigerant, etc. are positively applied under these four types of power generation conditions. There is no need to make a difference.

以上のように、湿潤条件は、MEAの含水量が少なめ(乾燥気味)である場合に、これを速やかに湿潤にする際に適した発電条件である。逆に、乾燥条件は、MEAの含水量が多め(湿潤気味)である場合に、これを速やかに乾燥させる際に適した発電条件である。従って、適切なタイミングで湿潤発電モード又は乾燥発電モードによって発電を行うことにより、スタックの含水量を発電に適した所定の範囲内で維持することができる。以下では、例えばインピーダンスセンサの検出値に基づいて定めたタイミングで湿潤発電モード又は乾燥発電モードによる発電を行うことによって含水量を制御することを含水量制御という。   As described above, the wetting conditions are power generation conditions suitable for quickly moistening the MEA when the water content is low (dry taste). On the contrary, the drying conditions are power generation conditions suitable for quickly drying the MEA when the water content is high (moist). Therefore, by performing power generation in the wet power generation mode or the dry power generation mode at an appropriate timing, the moisture content of the stack can be maintained within a predetermined range suitable for power generation. Hereinafter, for example, controlling the water content by performing power generation in the wet power generation mode or the dry power generation mode at a timing determined based on the detection value of the impedance sensor is referred to as water content control.

排水条件は、滞留水が多めである場合に、これを速やかにスタックの外に排出する際に適した発電条件である。また図5の下段の表に示すように、スタックの含水量及び滞留水の量が図3の滞留水モデルが成り立たないほど多い場合には、排水条件の下で発電制御を行うことにより、含水量と滞留水との両方を速やかにスタックの外に排出することができる。以下では、例えば図4の処理によって算出された滞留水の量に基づいて定めたタイミングで排水発電モードによる発電を行うことによって滞留水の量を制御することを滞留水制御という。   The drainage condition is a power generation condition suitable for quickly discharging out of the stack when there is a large amount of stagnant water. Also, as shown in the lower table of FIG. 5, when the water content of the stack and the amount of stagnant water are so large that the stagnant water model of FIG. Both the amount of water and stagnant water can be quickly discharged out of the stack. Hereinafter, for example, controlling the amount of staying water by performing power generation in the drainage power generation mode at a timing determined based on the amount of staying water calculated by the processing of FIG. 4 is referred to as staying water control.

図6は、発電条件選択処理の手順を示すフローチャートである。この発電条件選択処理とは、上述のように効果が異なる4種類の条件から最適な発電条件を選択する処理である。この処理は、イグニッションスイッチからの起動指令信号を受信した後、スタックによる発電が可能となったことに応じて、ECUによって所定の制御周期の下で繰り返し実行される。   FIG. 6 is a flowchart showing a procedure of power generation condition selection processing. This power generation condition selection process is a process for selecting an optimal power generation condition from the four types of conditions having different effects as described above. This process is repeatedly executed by the ECU under a predetermined control cycle in response to the fact that the stack can generate power after receiving the activation command signal from the ignition switch.

S21では、ECUは、運転履歴記録装置のスタック電流の履歴を参照し、現在から所定時間の間におけるスタック電流の低下率(過去のスタック電流値−現在のスタック電流値/所定時間)を算出する。S22では、算出した低下率が所定の出力低下率閾値より大きいか否かを判定する。例えばスタック電流が大きくなる場合とは、例えば運転者が急加速を要求した場合に相当する。またスタック電流が小さくなる場合とは、例えば運転者が加速を要求した後、急減速を要求した場合や、加速後にクルーズ走行を要求した場合に相当する。このようにスタック電流が一旦大きくなった後、急激に低下した直後は、スタックの含水量制御や滞留水制御(後述の図7や図9等参照)によるスタック内部の水分量の適正化が追い付かず、スタックの内部はMEA及びガス流路ともに湿潤気味になっている場合が多い。S21及びS22の処理は、スタックの内部が全体的に過加湿になっていることを、スタック電流の低下率に基づいて推定する処理である。S22の出力低下率閾値の具体的な値は、このような目的の下で予め試験を行うことにより定められる。   In S21, the ECU refers to the stack current history of the operation history recording device, and calculates the stack current decrease rate (past stack current value−current stack current value / predetermined time) from the present to a predetermined time. . In S22, it is determined whether or not the calculated reduction rate is larger than a predetermined output reduction rate threshold value. For example, the case where the stack current increases corresponds to, for example, a case where the driver requests rapid acceleration. The case where the stack current becomes small corresponds to, for example, a case where the driver requests acceleration and then requests rapid deceleration, or a case where the driver requests cruise travel after acceleration. Immediately after the stack current has once increased and then suddenly decreased, the moisture content control of the stack or the accumulated water control (see FIGS. 7 and 9 to be described later) can catch up with the optimization of the moisture content inside the stack. In many cases, both the MEA and the gas flow path are wet in the stack. The processing of S21 and S22 is processing for estimating that the entire inside of the stack is excessively humidified based on the stack current reduction rate. The specific value of the output decrease rate threshold value in S22 is determined by performing a test in advance for such a purpose.

S22の判定がNOである場合には、ECUは、スタックの最低セル電圧が所定の閾値以下であるか否かを判定する(S23参照)。何等かの理由によってスタックの含水量制御や滞留水制御(後述の図7や図9等参照)が機能しなかった結果、スタックの内部が過剰に湿潤になってしまうフラッディングが生じてしまい、スタックの最低セル電圧が大きく低下する場合がある。S23の処理は、スタックの内部が全体的に過加湿になっていることを、スタックの最低セル電圧の低下に基づいて推定する処理である。S23の最低セル電圧に対する閾値の具体的な値は、このような目的の下で予め試験を行うことにより定められる。   When the determination in S22 is NO, the ECU determines whether or not the lowest cell voltage of the stack is equal to or lower than a predetermined threshold (see S23). For some reason, the moisture content control or stagnant water control of the stack (see FIGS. 7 and 9 described later) did not function, resulting in flooding that would cause the inside of the stack to become excessively wet. In some cases, the minimum cell voltage may greatly decrease. The process of S23 is a process of estimating that the entire inside of the stack is excessively humid based on a decrease in the minimum cell voltage of the stack. The specific value of the threshold for the lowest cell voltage in S23 is determined by conducting a test in advance for such a purpose.

S22及びS23の判定が何れもNOである場合には、ECUは、滞留水制御よりも含水量制御を上位として適切な発電条件を選択する図7の処理を実行する。一方、S22及びS23の判定のうち何れかがYESである場合には、ECUは、過加湿気味となっているスタックの内部の水分を速やかに排出すべく、含水量制御よりも滞留水制御を上位として適切な発電条件を選択する図9の処理を実行する。   When the determinations at S22 and S23 are both NO, the ECU executes the process of FIG. 7 for selecting an appropriate power generation condition with the water content control being higher than the staying water control. On the other hand, if any of the determinations in S22 and S23 is YES, the ECU performs the stay water control rather than the water content control in order to quickly discharge the moisture inside the stack that is excessively humid. The process of FIG. 9 for selecting an appropriate power generation condition as the upper level is executed.

図7は、含水量制御優先時における発電条件選択処理の手順を示すフローチャートである。図7に示すように、含水量制御優先時には、インピーダンス抵抗の検出値を所定の適正範囲内に収めようとする含水量制御は、滞留水の量を所定値以下に制限するための滞留水制御よりも上位に設定される。   FIG. 7 is a flowchart showing a procedure of power generation condition selection processing when water content control is prioritized. As shown in FIG. 7, when the moisture content control is prioritized, the moisture content control that attempts to keep the detected value of the impedance resistance within a predetermined appropriate range is the retained water control for limiting the amount of retained water to a predetermined value or less. Is set higher.

S31では、ECUは、インピーダンス抵抗値が所定の過加湿下限値と過乾燥上限値とによって特定される適正範囲内であるか、過加湿下限値以下であるか、又は過乾燥上限値より大きいかどうかを判定する。インピーダンス抵抗値が過加湿下限値以下である場合、スタックは過加湿状態であると判定される。発電中のスタックが過加湿状態になると、発電が不安定になったり、スタックが劣化したりするおそれがある。またインピーダンス抵抗値が過乾燥上限値より大きい場合、スタックは過乾燥状態であると判定される。発電中のスタックが過加湿状態になると、スタックが劣化したり、出力が低下したりするおそれがある。したがって、発電中のインピーダンス抵抗値はできるだけ上記適正範囲内であることが好ましい。なおこれら過加湿下限値及び過乾燥上限値も上述の滞留水発生閾値と同様に固定値でもよいし、スタックの内部温度に応じて変化させてもよい。   In S31, the ECU determines whether the impedance resistance value is within an appropriate range specified by the predetermined overhumidification lower limit value and the overdrying upper limit value, is less than the overhumidification lower limit value, or is greater than the overdrying upper limit value. Determine if. When the impedance resistance value is equal to or lower than the overhumidification lower limit value, it is determined that the stack is in an overhumidified state. If the stack during power generation becomes excessively humidified, power generation may become unstable or the stack may deteriorate. Further, when the impedance resistance value is larger than the overdrying upper limit value, it is determined that the stack is in an overdrying state. If the stack during power generation is in an excessively humid state, the stack may deteriorate or the output may decrease. Therefore, it is preferable that the impedance resistance value during power generation is within the above-described appropriate range as much as possible. Note that the excessive humidification lower limit value and the excessive drying upper limit value may be fixed values as with the above-described accumulated water generation threshold value, or may be changed according to the internal temperature of the stack.

S31においてスタックは過乾燥状態であると判定された場合、ECUは、湿潤条件をスタックの発電条件として選択する(S32参照)。図5を参照して説明したように湿潤条件の下では、スタックの含水量は増加側へ変化するので、インピーダンス抵抗値は適正範囲内に向けて減少する。   If it is determined in S31 that the stack is in an overdried state, the ECU selects the wet condition as the power generation condition for the stack (see S32). As described with reference to FIG. 5, under the wet condition, the moisture content of the stack changes to the increasing side, so that the impedance resistance value decreases toward an appropriate range.

S31においてスタックは過加湿状態であると判定された場合、ECUは、S33に移り、暖機制御(図2参照)が完了しているか否かを判定し、暖機制御が完了している場合には乾燥条件をスタックの発電条件として選択する(S34参照)。図5を参照して説明したように乾燥条件の下では、スタックの含水量は減少側へ変化するので、インピーダンス抵抗値は適正範囲内へ向けて増加する。なお、S34において暖機制御が完了していないと判定された場合には、ECUは、S31の判定結果によらず、後に説明するように排水条件をスタックの発電条件として選択する(S36参照)。   When it is determined in S31 that the stack is in an excessively humidified state, the ECU proceeds to S33, determines whether or not the warm-up control (see FIG. 2) has been completed, and the warm-up control has been completed. Is selected as the power generation condition of the stack (see S34). As described with reference to FIG. 5, under the dry condition, the moisture content of the stack changes to the decreasing side, so that the impedance resistance value increases toward an appropriate range. If it is determined in S34 that the warm-up control has not been completed, the ECU selects the drainage condition as the stack power generation condition, as will be described later, regardless of the determination result in S31 (see S36). .

S31においてインピーダンス抵抗値は適正範囲内であると判定された場合、ECUは、滞留水フラグが1であるか否かを判定する(S35参照)。S35において滞留水フラグが1であると判定された場合、すなわちガス流路の中に滞留水が未排出で残っていると推定される場合には、ECUは、排水条件をスタックの発電条件として選択する(S36参照)。図5を参照して説明したように、排水条件は他の発電条件よりも排水速度が高くなるため、排水条件の下では滞留水は速やかに排出される。また、S35において滞留水フラグが0であると判定された場合には、ECUは、基準条件をスタックの発電条件として選択する(S37参照)。   When it is determined in S31 that the impedance resistance value is within the appropriate range, the ECU determines whether or not the stagnant water flag is 1 (see S35). When it is determined in S35 that the stagnant water flag is 1, that is, when it is estimated that the stagnant water remains in the gas flow path, the ECU sets the drainage condition as the power generation condition of the stack. Select (see S36). As described with reference to FIG. 5, the drainage condition has a higher drainage rate than the other power generation conditions, so that the accumulated water is quickly discharged under the drainage condition. If it is determined in S35 that the stagnant water flag is 0, the ECU selects the reference condition as the power generation condition for the stack (see S37).

図8は、図7の処理の下で発電条件を選択した場合の一例を示すタイムチャートである。図7の処理によって実現される発電モードの遷移の一例について、図8を参照しながら説明する。図8には、図3と同様に時刻t1〜t3及び時刻t5〜t7にかけてスタック電流が一時的に増減した場合を示す。   FIG. 8 is a time chart showing an example when the power generation condition is selected under the process of FIG. An example of power generation mode transition realized by the processing of FIG. 7 will be described with reference to FIG. FIG. 8 shows a case where the stack current temporarily increases or decreases from time t1 to t3 and from time t5 to t7, as in FIG.

図8に示すように、時刻t1においてスタック電流が増加すると、その後やや遅れてMEAの含水量が増加するとともにインピーダンス抵抗値が減少する。時刻t2では、インピーダンス抵抗値が過加湿下限値を下回ったことに応じて過加湿状態であると判定される(図7のS31参照)。これにより、その後時刻t4においてインピーダンス抵抗値が再び過加湿下限値を上回り過加湿状態でないと判定されるまで、発電モードはMEAの乾燥を促進するように設定された乾燥発電モードとなる(乾燥発電工程)。また時刻t2では、インピーダンス抵抗値が上記過加湿下限値とほぼ同じ値に定められた滞留水判定閾値(図4のS11参照)を下回ったことに応じて、排水カウンタが最大値にリセットされる(図4のS14参照)。なお、この排水カウンタは、インピーダンス抵抗値が滞留水判定閾値を下回っている間は繰り返し最大値にリセットされる(図4のS14参照)。   As shown in FIG. 8, when the stack current increases at time t1, the MEA water content increases and the impedance resistance value decreases slightly later. At time t2, it is determined that the state is an overhumidified state in response to the impedance resistance value falling below the overhumidified lower limit value (see S31 in FIG. 7). As a result, the power generation mode becomes the dry power generation mode set so as to promote the drying of the MEA until it is determined that the impedance resistance value again exceeds the overhumidification lower limit value and is not in the overhumidity state at time t4 (dry power generation). Process). Further, at time t2, the drainage counter is reset to the maximum value in response to the impedance resistance value falling below the stagnant water determination threshold value (see S11 in FIG. 4) set to substantially the same value as the overhumidification lower limit value. (See S14 in FIG. 4). The drain counter is repeatedly reset to the maximum value while the impedance resistance value is below the stagnant water determination threshold (see S14 in FIG. 4).

その後、時刻t4ではインピーダンス抵抗値が加湿下限値及び滞留水判定閾値を上回る。すなわち、時刻t4では、含水量は発電に適した範囲内に収まるとともに新たな滞留水の生成がストップする。このため時刻t4では、MEAの乾燥を促進する乾燥発電モードは終了する(図7のS31参照)。また時刻t4では、新たな滞留水の生成がストップしたことに応じて排水カウンタの減算が開始する(図4のS16参照)。また時刻t4以降は、膜の含水量が適正範囲内に収まった代わりに、スタックのガス流路内には滞留水が残った状態となる。ガス流路内の滞留水が排出されるまで、より具体的には排水カウンタが0になるまで(図4のS17参照)、発電モードは排水発電モードとなる(図7のS36参照)。   Thereafter, at time t4, the impedance resistance value exceeds the humidification lower limit value and the stagnant water determination threshold value. That is, at time t4, the water content falls within a range suitable for power generation, and generation of new accumulated water stops. For this reason, at time t4, the dry power generation mode for promoting the drying of the MEA is completed (see S31 in FIG. 7). At time t4, subtraction of the drainage counter is started in response to the stop of the generation of new accumulated water (see S16 in FIG. 4). In addition, after time t4, the water content of the membrane falls within the appropriate range, but the remaining water remains in the gas flow path of the stack. Until the accumulated water in the gas flow path is discharged, more specifically, until the drainage counter becomes 0 (see S17 in FIG. 4), the power generation mode becomes the drainage power generation mode (see S36 in FIG. 7).

その後、時刻t5においてスタック電流が増加したことに応じて、時刻t6では再びインピーダンス抵抗値が過加湿下限値及び滞留水判定閾値を下回る。これによって時刻t2と同様に、発電モードは排水発電モードから乾燥発電モードに移行し、排水カウンタが最大値にリセットされる。   Thereafter, in response to the increase in the stack current at time t5, the impedance resistance value again falls below the excessive humidification lower limit value and the staying water determination threshold value at time t6. As a result, similarly to the time t2, the power generation mode shifts from the drainage power generation mode to the dry power generation mode, and the drainage counter is reset to the maximum value.

時刻t8ではインピーダンス抵抗値が過加湿下限値及び滞留水判定閾値を上回り、これによって時刻t4と同様に、発電モードは乾燥発電モードから排水発電モードに移行し、排水カウンタの減算が開始する。時刻t8以降は、インピーダンス抵抗値が過加湿下限値及び滞留水判定閾値を超えた状態が維持され、これにより排水カウンタは徐々に減少し、時刻t9において0となる。これにより時刻t9では排水発電モードが終了し、これ以降、発電モードは通常発電モードとなる。以上のように図7の処理によれば、乾燥発電モードが終了した後は、排水カウンタが0になるまでの待ち時間が経過するまで排水発電モードで発電が行われる。   At time t8, the impedance resistance value exceeds the over-humidification lower limit value and the stagnant water determination threshold value. As a result, similarly to time t4, the power generation mode shifts from the dry power generation mode to the drainage power generation mode, and the subtraction of the drainage counter starts. After time t8, the state in which the impedance resistance value exceeds the excessive humidification lower limit value and the stagnant water determination threshold value is maintained, whereby the drainage counter gradually decreases and becomes 0 at time t9. As a result, the drainage power generation mode ends at time t9, and thereafter, the power generation mode becomes the normal power generation mode. As described above, according to the processing of FIG. 7, after the dry power generation mode is completed, power generation is performed in the drainage power generation mode until a waiting time until the drainage counter becomes zero has elapsed.

図9は、滞留水制御優先時における発電条件選択処理の手順を示すフローチャートである。図9に示すように、滞留水制御優先時は、溜まっていると推定される滞留水の積極的な排出を優先すべく、図7の処理とは逆に滞留水制御は含水量制御よりも上位に設定される。   FIG. 9 is a flowchart showing a procedure of power generation condition selection processing when stagnant water control is prioritized. As shown in FIG. 9, at the time of staying water control priority, in order to give priority to the positive discharge of the staying water that is estimated to be accumulated, the staying water control is opposite to the water content control, contrary to the process of FIG. Set higher.

S51では、ECUは、滞留水フラグが1であるか否かを判定する。滞留水フラグが1であると判定された場合、ECUは、インピーダンス抵抗の検出値によらず排水条件をスタックの発電条件として選択する(S52参照)。これにより、ガス流路に溜まっている滞留水の排出が促進される。また図9の処理が実行される場合には、含水量及び滞留水の量が共に過剰になっている場合が多い。このような状況の下では、図5の下段を参照して説明したように、排水条件でも乾燥条件よりも多くの量の膜含水を減らすことができる。したがって、図9の処理では含水量制御よりも滞留水制御を上位とし、発電条件として優先的に排水条件を選択することにより、滞留水を速やかに排出しつつ同時に膜含水の量も適正な量まで速やかに減らすことができる。   In S51, the ECU determines whether or not the staying water flag is 1. When it is determined that the staying water flag is 1, the ECU selects the drainage condition as the power generation condition of the stack regardless of the detected value of the impedance resistance (see S52). Thereby, discharge of the staying water accumulated in the gas flow path is promoted. In addition, when the process of FIG. 9 is executed, both the water content and the amount of accumulated water are often excessive. Under such circumstances, as described with reference to the lower part of FIG. 5, it is possible to reduce the water content of the membrane in a larger amount than in the draining condition than in the drying condition. Therefore, in the process of FIG. 9, the retained water control is placed above the moisture content control, and the drainage condition is selected as the power generation condition, so that the retained water is discharged quickly and at the same time the membrane water content is an appropriate amount. Can be reduced quickly.

S53では、ECUは、インピーダンス抵抗値が適正範囲内であるか、過加湿下限値以下であるか、又は過乾燥上限値より大きいかどうかを判定する。S53においてスタックは過乾燥状態であると判定された場合(すなわち、インピーダンス抵抗値が過乾燥上限値より大きい場合)、ECUは、過乾燥状態を解消すべく湿潤条件を発電条件として選択する(S54参照)。またS53においてインピーダンス抵抗値は適正範囲内であると判定された場合には、ECUは、基準条件をスタックの発電条件として選択する(S57参照)。   In S53, the ECU determines whether the impedance resistance value is within an appropriate range, is less than the excessive humidification lower limit value, or is greater than the upper limit upper drying value. When it is determined in S53 that the stack is in an overdried state (that is, when the impedance resistance value is larger than the overdrying upper limit value), the ECU selects a wet condition as a power generation condition to eliminate the overdried state (S54). reference). If it is determined in S53 that the impedance resistance value is within the appropriate range, the ECU selects the reference condition as the power generation condition for the stack (see S57).

S53においてスタックは過加湿状態であると判定された場合(すなわち、インピーダンス抵抗値が過加湿下限値より小さい場合)、ECUは、暖機制御が完了しているか否かを判定し(S55参照)、暖機制御が完了している場合には乾燥条件を発電条件として選択する(S56参照)。なお、S55において暖機制御が完了していないと判定された場合には、ECUは、S53の判定結果によらず、排水条件をスタックの発電条件として選択する。   When it is determined in S53 that the stack is in an excessively humidified state (that is, when the impedance resistance value is smaller than the excessively humidified lower limit value), the ECU determines whether or not the warm-up control has been completed (see S55). If the warm-up control is completed, the drying condition is selected as the power generation condition (see S56). If it is determined in S55 that the warm-up control is not completed, the ECU selects the drainage condition as the stack power generation condition regardless of the determination result in S53.

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限るものではない。本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜変更してもよい。   Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to this. Within the scope of the gist of the present invention, the detailed configuration may be changed as appropriate.

1…燃料電池システム
2…スタック(燃料電池)
3…カソード系(酸化剤ガス供給装置)
4…アノード系(燃料ガス供給装置)
24…インピーダンスセンサ(インピーダンス検出装置)
1 ... Fuel cell system 2 ... Stack (fuel cell)
3. Cathode system (oxidant gas supply device)
4 ... Anode system (fuel gas supply device)
24. Impedance sensor (impedance detection device)

Claims (5)

酸化剤ガス及び燃料ガスが供給されると発電する燃料電池と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
前記燃料電池のインピーダンスを検出するインピーダンス検出装置と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池の発電には、
所定の基準発電条件の下で発電制御を行う通常発電モードと、
前記基準発電条件よりも前記燃料電池の膜が乾燥するように定められた乾燥発電条件の下で発電制御を行う乾燥発電モードと、
前記基準発電条件よりも前記燃料電池のガスの流路内の滞留水が多く排出されるように定められた排出発電条件の下で発電制御を行う滞留水排出発電モードと、の3つの発電モードが定義され、
前記インピーダンス検出装置の検出値に基づいて前記燃料電池が過加湿状態であるか否かを判定する過加湿判定工程と、
前記過加湿判定工程によって過加湿状態であると判定されてから過加湿状態でないと判定されるまで前記乾燥発電モードで発電を行う乾燥発電工程と、
前記燃料電池の出力に対する要求値を取得する要求取得工程と、
前記乾燥発電工程が終わってから前記インピーダンス検出装置の検出値が所定の下限閾値を超えた状態が前記取得した要求値に応じて定められた待ち時間維持されるまで前記滞留水排出発電モードで発電を行う滞留水排出工程と、を備え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 that generates electricity when supplied with oxidant gas and fuel gas;
An oxidant gas supply device for supplying an oxidant gas to the fuel cell;
A fuel gas supply device for supplying fuel gas to the fuel cell;
An impedance detection device that detects the impedance of the fuel cell, and a control method for a fuel cell system comprising:
For power generation of the fuel cell,
A normal power generation mode in which power generation is controlled under predetermined reference power generation conditions;
A dry power generation mode for performing power generation control under a dry power generation condition determined so that the membrane of the fuel cell is dried more than the reference power generation condition;
Three power generation modes: a stagnant water discharge power generation mode in which power generation control is performed under a discharge power generation condition that is set so that more stagnant water in the gas flow path of the fuel cell is discharged than the reference power generation condition Is defined,
An overhumidification determination step of determining whether or not the fuel cell is in an overhumidified state based on a detection value of the impedance detection device;
A dry power generation step of generating power in the dry power generation mode until it is determined that the over-humidification state is not over-humidified by the over-humidification determination step;
A request acquisition step of acquiring a required value for the output of the fuel cell;
After the dry power generation process is completed, power generation is performed in the stagnant water discharge power generation mode until a state in which the detection value of the impedance detection device exceeds a predetermined lower limit threshold is maintained for a waiting time determined according to the acquired request value. A method for controlling a fuel cell system, comprising:
記滞留水排出工程では、前記取得した要求値が小さくなるほど前記待ち時間を長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の制御方法。 Prior SL accumulated water discharge step, the control method as set forth in claim 1, characterized in that lengthening of the waiting time as the required value the acquired decreases. 前記燃料電池の出力の低下率が所定の出力低下率閾値より大きいか否かを判定する出力低下率判定工程と、
前記低下率が前記出力低下率閾値より大きい場合には、前記過加湿判定工程の判定結果によらず前記滞留水排出発電モードで発電を行う排水優先工程と、をさらに備え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の制御方法。
An output reduction rate determination step for determining whether the output reduction rate of the fuel cell is greater than a predetermined output reduction rate threshold;
And a drainage priority step of generating power in the accumulated water discharge power generation mode regardless of the determination result of the overhumidification determination step when the decrease rate is greater than the output decrease rate threshold. Item 3. A method for controlling a fuel cell system according to Item 1 or 2.
前記燃料電池の電圧が所定の電圧閾値以下であるか否かを判定する電圧低下判定工程と、
前記電圧が前記電圧閾値以下である場合には、前記過加湿判定工程の判定結果によらず前記滞留水排出発電モードで発電を行う排水優先工程と、をさらに備え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の制御方法。
A voltage drop determination step for determining whether or not the voltage of the fuel cell is equal to or lower than a predetermined voltage threshold;
2. A drainage priority step of generating power in the stagnant water discharge power generation mode regardless of the determination result of the overhumidification determination step when the voltage is equal to or lower than the voltage threshold value. Or a control method of the fuel cell system according to 2;
前記燃料電池の暖機が完了しているか否かを判定する暖機判定工程をさらに備え、
前記暖機が完了していない場合には、前記過加湿判定工程の判定結果によらず前記滞留水排出工程を行うことを特徴とする請求項1から3の何れかに記載の燃料電池システムの制御方法。
Further comprising a warm-up determination step of determining whether or not the fuel cell has been warmed-up,
4. The fuel cell system according to claim 1, wherein, when the warm-up is not completed, the stagnant water discharge step is performed regardless of a determination result of the overhumidification determination step. 5. Control method.
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