WO2011013226A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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良明 長沼
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Definitions

  • the present invention relates to control during low-efficiency operation of a fuel cell system.
  • a fuel electrode and an oxidant electrode are arranged on both sides of an electrolyte membrane, and power is generated by an electrochemical reaction between hydrogen supplied to the fuel electrode and oxygen in the air supplied to the oxidant electrode.
  • many fuel cells are used in which water is generated at the oxidizer electrode.
  • a fuel cell Since such a fuel cell cannot output a predetermined voltage and current when operated at a temperature lower than the normal operating temperature, it often performs a warm-up operation until it reaches a normal operating temperature after starting.
  • a warm-up operation method a method of performing a low-efficiency operation in which the amount of air supplied to the fuel cell is made smaller than the normal supply amount and the air stoichiometric ratio is made smaller than the air stoichiometric ratio during normal operation is proposed.
  • the air stoichiometric ratio is the ratio of the actual air amount to the theoretical required air amount corresponding to the load of the fuel cell, and the air stoichiometric ratio during normal operation is often about 2.0. If low-efficiency operation is performed with a low air stoichiometric ratio, the air concentration overvoltage becomes larger than that during normal operation, so heat loss (power generation loss) in the energy that can be extracted by the reaction between hydrogen and oxygen increases. .
  • the air stoichiometric ratio is set to 2.0 and 1.8 as reference values.
  • the hydrogen stoichiometric ratio is changed between 1.2 and 1.05 of the reference value, the cell stoichiometric ratio of each unit cell is calculated from the rate of change of the cell voltage at that time, and the stoichiometric ratio of each unit cell is calculated.
  • the ratio is lower than a predetermined value, it has been proposed to increase the supply amount of air and hydrogen (for example, see Patent Document 2).
  • An object of the present invention is to improve the stability of low-efficiency operation in a fuel cell system.
  • the fuel cell system of the present invention includes a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between an oxidant gas supplied to an oxidant gas flow channel and a fuel gas supplied to the fuel gas flow channel, and an oxidation supplied to the fuel cell.
  • a control unit that adjusts the amount of the oxidant gas and the voltage of the fuel cell, and the control unit sets the stoichiometric ratio of the oxidant gas to be smaller than the stoichiometric ratio of the oxidant gas during normal operation,
  • a blockage degree determining means for determining the blockage degree of the oxidant gas flow path based on the stoichiometric ratio of the oxidant gas and the voltage of the fuel cell in the low efficiency operation in which the waste heat is larger than that in the normal operation. It is characterized by this.
  • the blockage degree determining means determines the blockage degree of the oxidant gas flow path according to the voltage difference between the normal fuel cell voltage and the fuel cell operating voltage with respect to the stoichiometric ratio of the oxidant gas. It is also suitable as determining.
  • a temperature sensor that acquires the temperature of the fuel cell
  • a voltage sensor that acquires the voltage of the fuel cell
  • a current sensor that acquires the output current of the fuel cell
  • a flow rate acquisition unit calculates a reference current voltage characteristic of the fuel cell based on the temperature of the fuel cell acquired by the temperature sensor, and an oxidant acquired by the flow rate acquisition unit.
  • a stoichiometric ratio calculation means for calculating the stoichiometric ratio of the oxidant gas from the gas flow rate, and a reference voltage for the operating current of the fuel cell obtained by the current sensor based on the calculated reference current voltage characteristic, and from the calculated reference voltage
  • an oxidant concentration overvoltage calculating means for calculating the oxidant concentration overvoltage by subtracting the operating voltage of the fuel cell obtained by the voltage sensor. Closed degree determination means, determining the clogging degree of the stoichiometric ratio and the oxidant concentration overvoltage to the oxygen-containing gas flow field on the basis of the oxidizing gas, it is also preferable.
  • the blockage degree determination means is a voltage difference between the reference oxidant concentration overvoltage of the fuel cell at normal time and the oxidant concentration overvoltage calculated by the oxidant concentration overvoltage calculation means with respect to the stoichiometric ratio of the oxidant gas. It is also preferable to determine the degree of blockage of the oxidant gas flow path according to the above.
  • the control unit when the voltage difference between the normal fuel cell voltage and the fuel cell operating voltage with respect to the stoichiometric ratio of the oxidant gas is larger than a predetermined threshold, the control unit It is also preferable to provide an oxidant gas flow path blow means for performing a blow operation for increasing the flow rate of the oxidant gas after increasing the voltage to shift from the low efficiency operation to the normal operation.
  • the control unit has a predetermined voltage difference between the normal oxidant concentration overvoltage of the fuel cell and the oxidant concentration overvoltage calculated by the oxidant concentration overvoltage calculating unit with respect to the stoichiometric ratio of the oxidant gas. If the fuel cell voltage is higher than the threshold value, the fuel cell voltage is increased to shift from the low efficiency operation to the normal operation, and thereafter, an oxidant gas flow path blow unit for performing the blow operation for increasing the oxidizing gas flow rate is provided. Is also suitable.
  • the oxidant gas is air
  • the fuel gas is hydrogen
  • the control unit is a voltage between the normal fuel cell voltage and the fuel cell operating voltage with respect to the stoichiometric ratio of the oxidant gas.
  • a pumping hydrogen correction unit that increases the pumping hydrogen amount from the theoretical pumping hydrogen amount according to the difference to obtain a corrected pumping hydrogen amount, and a necessary diluted air amount is calculated based on the corrected pumping hydrogen amount corrected by the pumping hydrogen amount correcting unit. It is also preferable to include necessary air amount calculating means and air flow rate increasing means for increasing the air flow rate to the required dilution air flow rate calculated by the required air amount calculating means.
  • the oxidant gas is air
  • the fuel gas is hydrogen
  • the control unit is configured so that the reference oxidant concentration overvoltage and oxidant concentration overvoltage of the fuel cell in a normal state with respect to the stoichiometric ratio of the oxidant gas.
  • a pumping hydrogen correction unit that increases the pumping hydrogen amount from the theoretical pumping hydrogen amount according to the voltage difference from the oxidant concentration overvoltage calculated by the calculation unit to obtain a corrected pumping hydrogen amount, and after correction corrected by the pumping hydrogen amount correction unit
  • a required air amount calculating means for calculating the required dilution air amount based on the pumping hydrogen amount; and an air flow rate increasing means for increasing the air flow rate to the required dilution air flow calculated by the required air amount calculating means. Is preferred.
  • the blockage degree determining means determines the fuel cell operating voltage from the normal fuel cell voltage with respect to the oxidant gas stoichiometric ratio.
  • the degree of blockage of the oxidant gas flow path it is also preferable to determine the degree of blockage of the oxidant gas flow path according to the degree of increase in the oxidant gas flow rate, and when the oxidant gas stoichiometric ratio is less than 1.0, the oxidant gas stoichiometric ratio Determining the degree of blockage of the oxidant gas flow path according to the degree to which the oxidant concentration overvoltage calculated by the oxidant concentration overvoltage calculation means is lower than the reference oxidant concentration overvoltage of the fuel cell in a normal state Is preferred.
  • the present invention has the effect of improving the stability of low-efficiency operation in a fuel cell system.
  • FIG. 1 is a system diagram showing a configuration of a fuel cell system in an embodiment of the present invention. It is a flowchart of the water, ie, determination of the fuel cell system in the embodiment of the present invention. It is the current-voltage characteristic of the normal operation and low-efficiency operation of the fuel cell system in the embodiment of the present invention. It is a graph which shows the change of the operating voltage with respect to the air stoichiometric ratio of the fuel cell system in embodiment of this invention. It is a graph which shows the change of the variation in the pressure loss ratio between the cells of the fuel cell in the embodiment of the present invention. It is a flowchart of the other water, ie, determination, of the fuel cell system in the embodiment of the present invention.
  • the fuel cell 11 of the fuel cell system 100 of the present embodiment uses air containing oxygen as the oxidant gas and hydrogen as the fuel gas.
  • Air which is an oxidant gas
  • Air is sucked into the air compressor 12 from the air suction line 16 through the air flow meter 14 from the atmosphere, and the discharge air pressurized by the air compressor 12 is sent from the air supply line 17 to the fuel cell. 11 is supplied.
  • the air that has entered the fuel cell 11 reacts with the hydrogen supplied from the hydrogen system while passing through the air flow path provided inside the fuel cell 11 to reduce oxygen.
  • the water produced as a result of the reaction increases in the air flow path as water vapor or water droplets.
  • the air whose water content has increased after the reaction is discharged from the air flow path inside the fuel cell 11 to the air discharge pipe 18.
  • a bypass pipe 19 is provided in which a part of the sucked air is not supplied to the fuel cell 11 and flows out to the air discharge pipe 18, and the bypass pipe 19 has a bypass for adjusting the flow rate of the bypass air.
  • a valve 15 is provided.
  • the air discharge line 18 and the bypass line 19 merge and are connected to the exhaust line 20.
  • the air that has flowed into the exhaust pipe 20 is exhausted from the atmospheric discharge port 27 to the atmosphere.
  • the flow rate of air flowing into the fuel cell system 100 is adjusted by adjusting the rotational speed of the motor 13 of the air compressor 12.
  • Hydrogen gas as fuel gas is stored in the hydrogen gas tank 21. Hydrogen is supplied from the hydrogen gas tank 21 through the hydrogen supply line 22 to the hydrogen flow path inside the fuel cell 11. Part of the hydrogen flowing into the hydrogen flow path of the fuel cell 11 is consumed by power generation, but is discharged from the hydrogen flow path inside the fuel cell 11 that has not been consumed to the hydrogen outlet pipe 24. The reacted hydrogen gas or the like discharged to the hydrogen outlet line 24 is pressurized by the hydrogen pump 23 of the hydrogen circulation line 25 and circulates to the hydrogen supply line 22. When hydrogen is consumed by power generation and the hydrogen concentration decreases, the hydrogen discharge valve 28 is opened, and the hydrogen gas after the reaction is discharged from the hydrogen discharge line 26 to the exhaust line 20 and diluted by the discharged air to the atmosphere. It is discharged from the discharge port 27 to the atmosphere.
  • a load 32 is connected to the fuel cell 11, and a voltage sensor 29 that acquires an output voltage from the fuel cell 11 to the load 32 and a current sensor 30 that acquires an output current are provided.
  • the fuel cell 11 is provided with a temperature sensor 31 for acquiring the temperature.
  • the motor 13, the bypass valve 15, the hydrogen pump 23, and the hydrogen discharge valve 28 of the air compressor 12 are connected to the control unit 50 and are configured to operate according to commands from the control unit 50.
  • the air flow meter 14, the voltage sensor 29, the current sensor 30, and the temperature sensor 31 are each connected to the control unit 50, and configured to input each acquired signal to the control unit 50.
  • the control unit 50 is a computer that includes a CPU that performs signal processing and a memory that stores a control program, control data, and the like. In FIG. 1, the alternate long and short dash line indicates a signal line.
  • the fuel cell 11 is operated by supplying air that is theoretically required for the output power to the load 32 and a larger amount of air and hydrogen gas than hydrogen gas.
  • the ratio of the air flow rate actually supplied to the fuel cell to the theoretically required air for the output power is called the air stoichiometric ratio, and the actual fuel cell to the hydrogen gas theoretically required for the output power.
  • the ratio of the amount of hydrogen gas supplied is called the hydrogen gas stoichiometric ratio.
  • the operation is often performed with an air stoichiometric ratio of about 1.5 to 2.0 and a hydrogen gas stoichiometric ratio of about 1.1 to 1.2.
  • the operation state in which hydrogen gas and air are supplied in an amount more than theoretically necessary for the electrical output and the current-voltage characteristics of the fuel cell 11 are stabilized is the normal operation.
  • the output current from the fuel cell 11 is the case of I 1
  • the voltage at the current I 1 becomes the reference voltage V 0.
  • the flow rate of air supplied to the fuel cell 11 is decreased from the normal operation state, and the air stoichiometric ratio is smaller than 1.0, that is, only the amount of air that is theoretically less than the amount of air necessary for output is supplied.
  • the output current-voltage characteristic of the fuel cell 11 changes from the curve a to the curve b in FIG.
  • the operating voltage is V 1
  • the voltage difference from the reference voltage V 0 is the air concentration overvoltage Ve 1 .
  • the greater the air concentration overvoltage Ve 1 the greater the loss of the fuel cell 11 and the greater the heat generation.
  • the efficiency of the fuel cell 11 can be lowered by reducing the air stoichiometric ratio by reducing the flow rate of the air supplied to the fuel cell 11, and the fuel cell 11 can be warmed up by waste heat.
  • Such an operation is a low-efficiency operation.
  • the curve f from the curve d shows the change in the operating voltages V 1 for air stoichiometric ratio of the presence of water clogging the air flow path
  • Curve d shows a case where the degree of water clogging is low
  • curve f shows a case where the degree of water clogging is large.
  • the fuel cell 11 theoretically starts power generation when the air stoichiometric ratio reaches 1.0 when air is flowing uniformly in each cell and each flow path. Therefore, theoretically, when the air stoichiometric ratio is 1.0 or less, the operating voltage V 1 is almost zero, and when the air stoichiometric ratio exceeds 1.0, power generation is started simultaneously in each cell, and the operating voltage V 1 is almost zero. From the state, the reference voltage V 0 is rapidly changed. However, as shown in FIG. 5 (a), there is a variation in pressure loss between cells even in a normal state without water clogging. When the average pressure loss is 1.0, the pressure loss ratio is 0.9. There is variation up to about 1.0.
  • the operating voltage V 1 with respect to the air stoichiometric ratio of the actual fuel cell 11 in the normal state rapidly rises from about 0.9 and the air stoichiometric ratio is about 1.1, as shown by the curve c in FIG.
  • the voltage becomes very close to the reference voltage V 0 , and thereafter, it becomes a sharp S-curve that rises gradually toward the reference voltage V 0 .
  • the air flow rate is reduced compared to normal operation, so that moisture or water droplets generated at the air electrode are not sufficiently discharged from the air flow path, and water clogging occurs in part of the air flow path. May occur.
  • the variation in the pressure loss ratio between the cells is distributed between about 0.7 and about 1.3. For this reason, when water clogging occurs, for example, in a cell having a small pressure loss ratio where water clogging is not generated even if the air stoichiometric ratio is about 0.7, the air stoichiometric ratio of the single cell becomes 1.0 and power generation is performed. Be started.
  • the operating voltage V 1 changes as described above. Therefore, in the region where the air stoichiometric ratio is lower than about 1.0, the output current from the fuel cell 11 is operated.
  • the operation is fixed at the current I 1 , the operation voltage V 1 becomes higher than the operation voltage V 2 in a normal state without water clogging as the degree of clogging with water increases.
  • the air stoichiometric ratio is larger than about 1.0 and the air stoichiometric ratio S 0 is lower than that in the normal operation, the operating voltage is lower than that when there is no water clogging.
  • the voltage difference ⁇ V between the normal operating voltage without water clogging and the operating voltage when water clogging occurs increases as the degree of water clogging increases at the same air stoichiometric ratio.
  • the control unit 50 starts the low efficiency operation as described above.
  • the fuel cell 11 is started by supplying a predetermined amount of air and hydrogen gas set in advance according to the power output in the low-efficiency operation.
  • the air flow rate is adjusted so that the required power is obtained, and the output current is adjusted to a predetermined I 1 .
  • the output voltage and output current of the fuel cell 11 can be set to electric power that can be consumed by the load with low-efficiency operation, but the air stoichiometric ratio deviates from a preset air stoichiometric ratio.
  • step S101 of FIG. 2 the control unit 50 starts the low efficiency operation after starting the fuel cell 11, and as shown in step S102 of FIG. 2, the voltage sensor 29 shown in FIG. get the operation voltage V 1 of the 11, as shown in step S103 of FIG. 2, to obtain the operating current I 1 of the fuel cell 11 by the current sensor 30.
  • step S ⁇ b> 104 of FIG. 2 the control unit 50 acquires the intake air flow rate of the fuel cell system 100 using the air flow meter 14.
  • the control unit 50 calculates the bypass flow rate from the opening, and sets the flow rate obtained by subtracting the bypass flow rate from the intake air flow rate as the supply air flow rate to the fuel cell 11.
  • the control unit 50 calculates the output power to the load 32 of the fuel cell 11 from the acquired operating voltage V 1 and operating current I 1 as shown in step S105 of FIG. Calculate the theoretical required air flow required for. Then, the operating air stoichiometric ratio S 1 is calculated by dividing the supply air flow rate to the fuel cell 11 by the required theoretical air flow rate.
  • step S 106 of FIG. 2 the air stoichiometric ratio is equal to the operating air stoichiometric ratio S 1 on the map shown in FIG.
  • the voltage difference ⁇ V between the operating voltage V 2 and the operating voltage V 1 in the normal state is acquired.
  • step S107 of FIG. 2 when the acquired voltage difference ⁇ V is larger than a predetermined threshold value, it is determined that water clogging has occurred, and the voltage difference ⁇ V exceeds the predetermined threshold value. If it is not larger, it is determined that water clogging has not occurred.
  • the controller 50 may determine the water in the air flow path, that is, the degree based on the magnitude of the voltage difference ⁇ V.
  • the degree of water clogging may be set, for example, by setting a plurality of levels of water clogging according to the voltage difference ⁇ V and outputting which water clogging level.
  • water clogging is determined based on a map of air concentration overvoltage Ve with respect to the operating air stoichiometric ratio.
  • the operating voltage V 1 is the reference voltage V 0 when operating normally with the operating current I 1. Lower than.
  • the voltage difference between the reference voltage V 0 and the operating voltage V 1 becomes the operating air concentration overvoltage Ve 1 . Since the current-voltage characteristic during normal operation of the fuel cell 11 shown by the curve a in FIG. 3 and the current-voltage characteristic during low-efficiency operation shown by the curve b change depending on the temperature of the fuel cell 11, the fuel cell 11 When the water clogging is determined for the various operating temperatures based on the map shown in FIG. 4, it is necessary to refer to a plurality of maps for each temperature of the fuel cell 11.
  • the air concentration overvoltage Ve is calculated, and water clogging is determined based on the map of the air concentration overvoltage Ve and the air stoichiometric ratio.
  • control part 50 starts a low-efficiency driving
  • Control unit 50 as shown in step S202 shown in FIG. 6, to retrieve the operating temperature T 1 of the fuel cell 11 by the temperature sensor 31 shown in FIG. 1, as shown in step S203 of FIG. 6, the current sensor 30
  • the operating current I 1 that is the output current of the fuel cell 11 is acquired, and the operating voltage V 1 of the fuel cell 11 is acquired from the voltage sensor 29 as shown in step S204 of FIG.
  • the control unit 50 uses a plurality of current-voltage characteristics during normal operation with the air stoichiometric ratio S 0 prepared for each temperature from the acquired temperature of the fuel cell 11 in the memory.
  • One current-voltage characteristic is selected, and the reference voltage V 0 at the operating current I 1 and the operating temperature T 1 is acquired from the selected current-voltage characteristic and the acquired operating current I 1 .
  • the control unit 50 subtracts the operating voltage V 1 of the fuel cell 11 from the acquired reference voltage V 0 to obtain the operating current I 1 and temperature T 1 . Calculate the operating air concentration overvoltage Ve 1 .
  • the control unit 50 acquires the intake air flow rate of the fuel cell system 100 by the air flow meter 14 as shown in step S207 of FIG. 6, and is the same as that of the above-described embodiment as shown in step S208 of FIG.
  • the operation air stoichiometric ratio S 1 is calculated by the method.
  • the air concentration overvoltage Ve 1 is the difference between the reference voltage V 0 and the operating voltage V 1 , so the air concentration overvoltage increases and becomes close to the reference voltage V 0 as the air stoichiometric ratio decreases. As the air stoichiometric ratio increases, the air concentration overvoltage decreases, and becomes zero at the air stoichiometric ratio S 0 in normal operation.
  • the air concentration overvoltage Ve is equal to the air concentration overvoltage Ve in a state without water clogging as shown in FIG.
  • the air concentration overvoltage Ve changes as described above. Therefore, in the region where the air stoichiometric ratio is lower than about 1.0, the output current from the fuel cell 11 is operated.
  • the operation is fixed at the current I 1 , the operating air concentration overvoltage Ve 1 becomes lower than the normal air concentration overvoltage Ve 2 without water clogging as the degree of water clogging increases.
  • the air stoichiometric ratio is greater than about 1.0 and is lower than the normal operation air stoichiometric ratio S 0 , the operating air concentration overvoltage Ve 1 becomes higher than when there is no water clogging.
  • the voltage difference ⁇ Ve between the normal operating air concentration overvoltage Ve 2 without water clogging and the operating air concentration overvoltage Ve 1 when water clogging occurs increases as the degree of water clogging increases at the same air stoichiometric ratio. .
  • the control unit 50 When you have finished the calculation operation air concentration acquiring and operating air stoichiometric ratio S 1 overvoltage Ve 1, as shown in step S209 of FIG. 2, the air stoichiometric ratio is operated on the map shown in FIG. 7 air stoichiometric ratio S 1 To obtain the voltage difference ⁇ Ve between the air concentration overvoltage Ve 2 in the normal state and the operating air concentration overvoltage Ve 1 . Then, as shown in step S210 of FIG. 6, when the acquired voltage difference ⁇ Ve is larger than a predetermined threshold, it is determined that water clogging has occurred, and the voltage difference ⁇ Ve is greater than the predetermined threshold. If it is not larger, it is determined that water clogging has not occurred.
  • the water in the air flow path may be determined based on the magnitude of the voltage difference ⁇ Ve.
  • the degree of water clogging for example, a plurality of levels of water clogging or levels may be set according to the voltage difference ⁇ Ve, and the water clogging level may be output.
  • water clogging can be determined by a small number of maps, and the control can be simplified. There is an effect that you can.
  • Control unit 50 as shown in step S309 from the step S301 of FIG. 8, FIG. 6, in the normal state when the air stoichiometric ratio by the same steps as the embodiment described with reference to FIG. 7 is operated air stoichiometric ratio S 1
  • the voltage difference ⁇ Ve between the air concentration overvoltage Ve 2 and the operating air concentration overvoltage Ve 1 is acquired. Then, as shown in step S310 of FIG. 8, it is determined whether or not the acquired voltage difference ⁇ Ve is larger than a predetermined threshold value. If the voltage difference ⁇ Ve is larger than the predetermined threshold value, the degree of water clogging is determined. Judged that air blow is necessary. And the control part 50 performs a low-efficiency driving
  • the fuel cell 11 is operated at the operating voltage V 1 and the operating current I 1 on the curve b indicating the current-voltage characteristics. If the air flow rate is increased in this state, the current-voltage characteristic of the fuel cell changes toward the curve a indicating the current-voltage characteristic of normal operation. Therefore, when the operating voltage V 1 is constant, the current increases. This will output more power than the load requires.
  • the controller 50 first increases the voltage of the load 32 to increase the operating voltage of the fuel cell 11 from V 1, and the output current of the fuel cell 11 varies along the equal output curve k shown by the dotted line in FIG.
  • the air supply amount is adjusted by adjusting the rotation speed of the motor 13 of the air compressor 12 so as to change.
  • the control unit 50 is operating voltages V 1 the operating point of the fuel cell 11, the operating current I 1, along the equal power curve k from the operating point P 1 operating air stoichiometric ratio S 1, showing the voltage-current characteristics of the normal operation Move to operating point P 3 on curve a.
  • the fuel cell 11 is operated at the operating voltage V 3 , the operating current I 3 , and the operating air stoichiometric ratio S 3 . Since this operating point P 3 is an operating point on the curve a of the current-voltage characteristic in normal operation, for example, when the current changes, the output voltage changes along this curve a, but the air flow rate is changed. This is an operating point at which the output voltage and output current of the fuel cell 11 do not change even if they are changed. In this manner, the control unit 50 increases the operating voltage V 1 of the fuel cell 11 and moves the operating point on the curve a indicating the current voltage characteristic of the normal operation, thereby interrupting the low efficiency operation.
  • control unit 50 After interrupting the low-efficiency operation, the control unit 50 increases the air flow rate to the fuel cell 11 by increasing the rotational speed of the motor 13 of the air compressor 12 as shown in step S312 of FIG. Blow water remaining in the road.
  • the air flow rate at this time may be the maximum air flow rate of the air compressor 12, or the air flow rate may be separately increased to a predetermined set value.
  • the control unit 50 resumes the low-efficiency operation when the air blowing process is completed.
  • the control unit 50 outputs the fuel along the equal output curve k in a manner opposite to the transition from the operating point P 1 of the low efficiency operation to the operating point P 3 on the curve a of the normal operation current-voltage characteristic.
  • the voltage of the load 32 is reduced to reduce the output current of the fuel cell 11 and the air flow rate so that the output current changes along the iso-output curve k. Adjust the air stoichiometric ratio.
  • the operating point of the fuel cell 11 is returned to the operating point P 1 for the low efficiency operation, and the low efficiency operation and water clogging are continued.
  • the voltage difference ⁇ Ve becomes larger than a predetermined threshold during the low efficiency operation, the air blow process is performed again.
  • water clogging is determined during low-efficiency operation, and air blow processing of the air flow path is performed based on the determination, so that the low-efficiency operation can be stably continued.
  • W H0 (1 ⁇ S 1 ) ⁇ I 1 ⁇ n / (2 ⁇ F) ⁇ 22.4 ⁇ 60 here, W H0 : Theoretical generation amount of pumping hydrogen S 1 : Operating air stoichiometric ratio I 1 : Operating current of fuel cell F: Faraday coefficient n: Number of cells In other words, theoretically, when pumping hydrogen has an air stoichiometric ratio of 1.0 or less, fuel It is generated in proportion to the operating current I 1 of the battery 11 and can be calculated from the operating current I 1 of the fuel cell 11 and the operating air stoichiometric ratio S 1 . However, as described above with reference to FIG.
  • the pressure loss ratio between cells varies, so that even if the air stoichiometric ratio of the entire fuel cell 11 is 1.0 or more, it depends on the cell.
  • the air flow rate is insufficient, and a portion of the cell alone having an air stoichiometric ratio of less than 1.0 occurs, and pumping hydrogen is generated in this cell.
  • the variation in the pressure loss ratio between the cells increases, and the number of cells in which pumping hydrogen is generated increases due to an insufficient air flow rate. For this reason, as shown by the curves c ′ to f ′ in FIG. 11, when the degree of water clogging increases, the generation amount of pumping hydrogen increases.
  • the curves c ′ to f ′ are generated from the curve c to the curve d shown in FIG. 4 and from the curve h to the curve j shown in FIG. It is a curve which shows quantity.
  • FIG. 11 when the water clogging degree increases, the generation amount of pumping hydrogen becomes larger than the theoretical generation amount W H0 shown in FIG.
  • the voltage difference ⁇ Ve between the air concentration overvoltage Ve 2 and the operation air concentration overvoltage Ve 1 in the normal state at the time of the operation air stoichiometric ratio S 1 described with reference to FIGS. 6 and 7 increases as water, that is, the degree increases. Therefore, the characteristic curve of the pumping hydrogen generation amount with respect to the theoretical generation amount W H0 based on this voltage difference ⁇ Ve is as shown in FIG.
  • the control unit 50 stores the map shown in FIG. 12 in the memory.
  • Control unit 50 as shown in step S409 from step S401 of FIG. 10, FIG. 6, in the normal state when the air stoichiometric ratio by the same steps as the embodiment described with reference to FIG. 7 is operated air stoichiometric ratio S 1
  • the voltage difference ⁇ Ve between the air concentration overvoltage Ve 2 and the operating air concentration overvoltage Ve 1 is acquired.
  • the control unit 50 obtains a correction coefficient for the theoretical generation amount W H0 of pumping hydrogen from the map shown in FIG. 12, and multiplies the theoretical generation amount W H0 by the correction coefficient to perform correction. Calculate the amount of pumping hydrogen.
  • the controller 50 divides the corrected pumping hydrogen amount by the diluted hydrogen concentration to calculate the necessary diluted air flow rate. Then, the control unit 50 sets an air flow rate obtained by adding a necessary air flow rate to the required air flow ratio S 1 of the low-efficiency operation of the fuel cell 11 to the necessary dilution air flow rate as a suction air flow rate, which is shown in Step S413 of FIG.
  • the rotation speed of the motor 13 of the air compressor 12 is increased to increase the intake air flow rate.
  • the bypass valve 15 is opened so that the increased air does not flow into the fuel cell 11 but flows from the bypass line 19 to the exhaust line 20, while maintaining the low efficiency operation of the fuel cell 11.
  • the hydrogen gas concentration in the air is set to a predetermined dilution concentration or less.
  • this embodiment can suppress an increase in exhaust hydrogen concentration due to pumping hydrogen that increases according to the degree of water clogging during low-efficiency operation, the effect of being able to continue low-efficiency operation stably. Play.
  • Fuel cell 12 Air compressor, 13 Motor, 14 Air flow meter, 15 Bypass valve, 16 Air intake line, 17 Air supply line, 18 Air exhaust line, 19 Bypass line, 20 Exhaust line, 21 Hydrogen gas tank, 22 Hydrogen supply line, 23 Hydrogen pump, 24 Hydrogen outlet line, 25 Hydrogen circulation line, 26 Hydrogen discharge line, 27 Air outlet, 28 Hydrogen discharge valve, 29 Voltage sensor, 30 Current sensor, 31 Temperature sensor, 32 load, 50 control unit, 100 fuel cell system.

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Abstract

　燃料電池システムであって、酸化剤ガス流路に供給される酸化剤ガスと、燃料ガス流路に供給される燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池に供給する酸化剤ガスの量と燃料電池の電圧を調整する制御部と、を備える、制御部は、酸化剤ガスのストイキ比を通常運転の際の酸化剤ガスのストイキ比よりも小さくし、燃料電池からの廃熱を通常運転の際よりも大きくする低効率運転の際に、酸化剤ガスのストイキ比と燃料電池の電圧とに基づいて酸化剤ガス流路の閉塞度合いを判定する閉塞度合い判定手段を備える。これによって、燃料電池システムの低効率運転の安定性を向上させることができる

Description

燃料電池システム
　本発明は、燃料電池システムの低効率運転の際の制御に関する。
　燃料電池システムには、電解質膜の両側に燃料極と酸化剤極とを配置し、燃料極に供給される水素と酸化剤極に供給される空気中の酸素との電気化学反応によって発電がされると共に酸化剤極に水が生成される燃料電池が多く用いられている。
　このような燃料電池は通常の運転温度よりも低い温度で運転すると所定の電圧、電流を出力できないので、始動の後、通常の運転温度に達するまで暖機運転を行う場合が多い。暖機運転の方法としては、燃料電池に供給する空気の供給量を通常の供給量よりも少なくし、エアストイキ比を通常運転の際のエアストイキ比よりも小さくする低効率運転を行う方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。ここで、エアストイキ比とは、燃料電池の負荷に対応した理論必要空気量に対する実際の空気量の比率であり、通常運転の際のエアストイキ比は２．０程度である場合が多い。エアストイキ比を低く設定して低効率運転を実施すると、通常運転時よりもエア濃度過電圧が大きくなるので、水素と酸素との反応によって取り出せるエネルギーのうち熱損失（発電損失）が増大するものである。
　また、燃料電池を低温下で始動する際に、燃料電池の暖機運転を安定して行い、ガス供給不足による劣化を抑制するために、エアストイキ比を基準値の２．０と１．８との間で変化させ、水素ストイキ比を基準値の１．２から１．０５の間で変化させ、その際のセル電圧の変化率から各単位セルのセルストイキ比を計算し、各単位セルのストイキ比が所定値よりも低下している場合には空気、水素の供給量を増加させることが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００７－１４１７４４号公報 特開２００７－１８４２０２号公報
　ところで、燃料電池に供給する空気流量を低減し、エアストイキ比を低下させた低効率運転を行った場合、空気極には水素イオンと電子と酸素とが結合して水が生成されると共に、不足する空気流量に応じて水素イオンと電子が再結合して水素が生成される。この様に乖離した水素イオンと電子とが再結合することによって空気極に生成さる水素をポンピング水素という。空気極で生成された水とポンピング水素は空気極からの排出空気によって大気に放出される。
　ポンピング水素は空気によって希釈されて大気に排出されるが、低効率運転のために空気極に供給する空気流量が少なくなると、希釈が不十分となって排出空気中の水素濃度が高くなってしまうという問題があった。また、空気流量を低減していることから、生成された水分を十分に排出することが出来ず、空気流路の中に水分が滞留して空気流路が閉塞されてしまう場合がある。生成した水分によって空気流路の閉塞が発生すると、閉塞された空気流路の周辺で燃料電池の劣化が発生するという問題がある。
　しかし、特許文献１に記載された従来技術では、低効率運転の際に空気流路の閉塞が発生してもそれを判別することはできず、特許文献２に記載された従来技術は、空気流量を減少させる低効率運転に適用することができず、低効率運転の際の空気流路の閉塞の判定もすることが出来ない。
　本発明の目的は、燃料電池システムにおいて、低効率運転の安定性を向上させることを目的とする。
　本発明の燃料電池システムは、酸化剤ガス流路に供給される酸化剤ガスと、燃料ガス流路に供給される燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池に供給する酸化剤ガスの量と燃料電池の電圧を調整する制御部と、を備え、制御部は、酸化剤ガスのストイキ比を通常運転の際の酸化剤ガスのストイキ比よりも小さくし、燃料電池からの廃熱を通常運転の際よりも大きくする低効率運転の際に、酸化剤ガスのストイキ比と燃料電池の電圧とに基づいて酸化剤ガス流路の閉塞度合いを判定する閉塞度合い判定手段を備えること、を特徴とする。
　本発明の燃料電池システムにおいて、閉塞度合い判定手段は、酸化剤ガスのストイキ比に対する正常時の燃料電池の電圧と燃料電池の運転電圧との電圧差に応じて酸化剤ガス流路の閉塞度合いを判定すること、としても好適ある。
　本発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池の温度を取得する温度センサと、燃料電池の電圧を取得する電圧センサと、燃料電池の出力電流を取得する電流センサと、酸化剤ガスの流量を取得する流量取得手段と、を備え、制御部は、温度センサによって取得した燃料電池の温度に基づいて燃料電池の基準電流電圧特性を計算する基準電流電圧特性計算手段と、流量取得手段によって取得した酸化剤ガスの流量から酸化剤ガスのストイキ比を計算するスイトキ比計算手段と、計算した基準電流電圧特性に基づいて電流センサによって取得した燃料電池の運転電流に対する基準電圧を計算し、計算した基準電圧から電圧センサによって取得した燃料電池の運転電圧を引いて酸化剤濃度過電圧を計算する酸化剤濃度過電圧計算手段と、を含み、閉塞度合い判定手段は、酸化剤ガスのストイキ比と酸化剤濃度過電圧に基づいて酸化剤ガス流路の閉塞度合いを判定すること、としても好適である。
　本発明の燃料電池システムにおいて、閉塞度合い判定手段は、酸化剤ガスのストイキ比に対する正常時の燃料電池の基準酸化剤濃度過電圧と酸化剤濃度過電圧計算手段によって計算した酸化剤濃度過電圧との電圧差に応じて酸化剤ガス流路の閉塞度合いを判定すること、としても好適である。
　本発明の燃料電池システムにおいて、制御部は、酸化剤ガスのストイキ比に対する正常時の燃料電池の電圧と燃料電池の運転電圧との電圧差が所定の閾値よりも大きい場合には、燃料電池の電圧を上昇させて低効率運転から通常運転に移行した後、酸化ガス流量を増大させるブロー運転を行う酸化剤ガス流路ブロー手段を備えること、としても好適である。
　本発明の燃料電池システムにおいて、制御部は、酸化剤ガスのストイキ比に対する正常時の燃料電池の基準酸化剤濃度過電圧と酸化剤濃度過電圧計算手段によって計算した酸化剤濃度過電圧との電圧差が所定の閾値よりも大きい場合には、燃料電池の電圧を上昇させて低効率運転から通常運転に移行した後、酸化ガス流量を増大させるブロー運転を行う酸化剤ガス流路ブロー手段を備えること、としても好適である。
　本発明の燃料電池システムにおいて、酸化剤ガスは空気であり、燃料ガスは水素であり、制御部は、酸化剤ガスのストイキ比に対する正常時の燃料電池の電圧と燃料電池の運転電圧との電圧差に応じてポンピング水素量を理論ポンピング水素量から増大させて補正ポンピング水素量とするポンピング水素補正手段と、ポンピング水素量補正手段によって補正した補正ポンピング水素量に基づいて必要希釈空気量を計算する必要空気量計算手段と、空気流量を必要空気量計算手段によって計算した必要希釈空気流量に増加させる空気流量増大手段と、を備えること、としても好適である。
　本発明の燃料電池システムにおいて、酸化剤ガスは空気であり、燃料ガスは水素であり、制御部は、酸化剤ガスのストイキ比に対する正常時の燃料電池の基準酸化剤濃度過電圧と酸化剤濃度過電圧計算手段によって計算した酸化剤濃度過電圧との電圧差に応じてポンピング水素量を理論ポンピング水素量から増大させて補正ポンピング水素量とするポンピング水素補正手段と、ポンピング水素量補正手段によって補正した補正後ポンピング水素量に基づいて必要希釈空気量を計算する必要空気量計算手段と、空気流量を必要空気量計算手段によって計算した必要希釈空気流量に増加させる空気流量増大手段と、を備えること、としても好適である。
　本発明の燃料電池システムにおいて、閉塞度合い判定手段は、酸化剤ガスのストイキ比が１．０よりも小さい場合に、酸化剤ガスのストイキ比に対する正常時の燃料電池の電圧より燃料電池の運転電圧が高くなった度合いに応じて酸化剤ガス流路の閉塞度合いを判定すること、としても好適であるし、酸化剤ガスのストイキ比が１．０よりも小さい場合に、酸化剤ガスのストイキ比に対する正常時の燃料電池の基準酸化剤濃度過電圧よりも酸化剤濃度過電圧計算手段によって計算した酸化剤濃度過電圧が低くなった度合いに応じて酸化剤ガス流路の閉塞度合いを判定すること、としても好適である。
　本発明は、燃料電池システムにおいて、低効率運転の安定性を向上させることができるという効果を奏する。
本発明の実施形態における燃料電池システムの構成を示す系統図である。 本発明の実施形態における燃料電池システムの水つまり判定のフローチャートである。 本発明の実施形態における燃料電池システムの通常運転と低効率運転の電流電圧特性である。 本発明の実施形態における燃料電池システムのエアストイキ比に対する運転電圧の変化を示すグラフである。 本発明の実施形態における燃料電池のセル間の圧力損失比のバラツキの変化を示すグラフである。 本発明の実施形態における燃料電池システムの他の水つまり判定のフローチャートである。 本発明の実施形態における燃料電池システムのエアストイキ比に対するエア濃度過電圧の変化を示すグラフである。 本発明の実施形態における燃料電池システムのエアブロー動作のフローチャートである。 本発明の実施形態における燃料電池システムのエアブロー動作の際の燃料手電池の運転点の変化を示す説明図である。 本発明の実施形態における燃料電池システムの希釈空気流量計算のフローチャートである。 本発明の実施形態における燃料電池システムのエアストイキ比に対するポンピング水素量の変化を示すグラフである。 本発明の実施形態における燃料電池システムの正常状態でのエア濃度過電圧Ｖｅ2と運転エア濃度過電圧Ｖｅ1との電圧差ΔＶｅに対するポンピング水素量の補正係数を示の変化を示すグラフである。
　以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。本実施形態の燃料電池システム１００の燃料電池１１は、酸化剤ガスとして酸素を含む空気を用い、燃料ガスとして水素を用いている。酸化剤ガスである空気は大気から空気流量計１４を介して空気吸込み管路１６から空気圧縮機１２に吸込まれ、空気圧縮機１２によって加圧された吐出空気は空気供給管路１７から燃料電池１１に供給される。燃料電池１１内に入った空気は、燃料電池１１の内部に設けられた空気流路を通過しながら水素系統から供給された水素と反応し酸素が減少する。そして反応の結果の生成水が水蒸気あるいは水滴として空気流路中に増えてくる。反応後の水分量が増加した空気は燃料電池１１内部の空気流路から空気排出管路１８に排出される。また、吸い込んだ空気の内の一部の空気を燃料電池１１に供給せず、空気排出管路１８に流出させるバイパス管路１９が設けられ、バイパス管路１９にはバイパス空気流量を調整するバイパス弁１５が設けられている。空気排出管路１８とバイパス管路１９とは合流して排気管路２０に接続されている。排気管路２０に流入した空気は大気放出口２７から大気に排気される。燃料電池システム１００に流入する空気流量は空気圧縮機１２のモータ１３の回転数を調整することによって調節される。
　燃料ガスである水素ガスは水素ガスタンク２１に貯留されている。水素は水素ガスタンク２１から水素供給管路２２を通って燃料電池１１の内部の水素流路に供給される。燃料電池１１の水素流路に流入した水素の一部は発電によって消費されるが、消費されなかった燃料電池１１の内部の水素流路から水素出口管路２４に排出される。水素出口管路２４に排出された反応後の水素ガス等は、水素循環管路２５の水素ポンプ２３によって加圧されて、水素供給管路２２に循環する。発電によって水素が消費され水素濃度が低下してくると、水素排出弁２８が開となり、反応後の水素ガスは水素排出管路２６から排気管路２０に排出され、排出空気によって希釈されて大気放出口２７から大気に放出される。
　燃料電池１１には負荷３２が接続され、燃料電池１１から負荷３２への出力電圧を取得する電圧センサ２９と、出力電流を取得する電流センサ３０が設けられている。また、燃料電池１１にはその温度を取得するための温度センサ３１が取り付けられている。空気圧縮機１２のモータ１３、バイパス弁１５、水素ポンプ２３、水素排出弁２８は制御部５０に接続され、制御部５０からの指令によって動作するよう構成されている。また、空気流量計１４、電圧センサ２９、電流センサ３０、温度センサ３１はそれぞれ制御部５０に接続され、取得した各信号を制御部５０に入力することができるよう構成されている。制御部５０は、内部に信号処理を行うＣＰＵと制御プログラム、制御用データ等を格納するメモリとを含むコンピュータである。なお、図１において、一点鎖線は信号線を示す。
　燃料電池システム１００の動作について説明する前に、燃料電池１１の通常運転と低効率運転について説明する。燃料電池１１は負荷３２への出力電力に対して理論上必要とされる空気、及び水素ガスよりも多量の空気、水素ガスを供給して運転される。出力電力に対して理論上必要とされる空気に対する実際に燃料電池に供給される空気流量の比率をエアストイキ比といい、出力電力に対して理論上必要とされる水素ガスに対する実際に燃料電池に供給される水素ガスの量の比率を水素ガスストイキ比という。通常運転では、エアストイキ比を１．５から２．０程度、水素ガスストイキ比を１．１から１．２程度にして運転することが多い。つまり、電気出力に対して理論上必要とされる水素ガスの１．１から１．２倍の水素ガスを燃料電池１１に供給し、電気出力に対して理論上必要とされる空気流量１．５から２．０倍の空気を燃料電池１１に供給して運転する。この様に、水素ガス、空気ともに所定のストイキ比として燃料電池１１を運転した場合、燃料電池１１の出力電流と出力電圧との関係は、図３の曲線ａに示すようになり、空気流量、水素ガス流量が多少変化してもその曲線ａは変化せず、曲線ａに沿って出力電圧、出力電流が決まってくる。この様に、水素ガス、空気を電気出力に対して理論上必要な量以上に供給し、燃料電池１１の電流電圧特性を安定させた状態での運転状態が通常運転である。図３に示すように、燃料電池１１からの出力電流がＩ1の場合、その電流Ｉ1での電圧は基準電圧Ｖ0となる。
　これに対して、燃料電池１１への供給空気流量を通常運転の状態から減少させ、エアストイキ比が１．０よりも小さい、すなわち、理論上出力に必要な空気量よりも少ない空気量しか供給しない場合には燃料電池１１の出力電流電圧特性は図３の曲線ａから曲線ｂのように変化する。図３に示すように、燃料電池１１からの出力電流がＩ1で運転された場合、運転電圧はＶ1となり、基準電圧Ｖ0との電圧差はエア濃度過電圧Ｖｅ1となる。このエア濃度過電圧Ｖｅ1が大きいほど燃料電池１１の損失が大きく発熱が大きくなる。この様に、燃料電池１１に供給する空気の流量を低減してエアストイキ比を下げることによって燃料電池１１の効率を下げて廃熱によって燃料電池１１の暖機を行うことができる。このような運転が低効率運転である。
　図３に示すように、燃料電池１１からの出力電流を運転電流Ｉ1に固定した場合、通常運転状態からエアストイキ比を下げると運転電圧Ｖ1は基準電圧Ｖ0から低下してくる。図４の曲線ｃから曲線ｆは、燃料電池１１からの出力電流を運転電流Ｉ1に固定した場合、エアストイキ比が変化した際の運転電圧Ｖ1の変化の様子を示したもので、曲線ｃは空気流路に水つまりがない場合のエアストイキ比に対する運転電圧Ｖ1の変化を示し、曲線ｄから曲線ｆは空気流路に水つまりがある場合のエアストイキ比に対する運転電圧Ｖ1の変化を示し、曲線ｄは水つまりの度合いが低い場合を示し、曲線ｆは水つまりの度合いが大きい場合を示している。
　燃料電池１１は、各セル、各流路に均等に空気が流れている場合には、理論上はエアストイキ比が１．０になると発電を開始することとなる。従って、理論的にはエアストイキ比が１．０以下では運転電圧Ｖ1はほとんどゼロで、エアストイキ比が１．０を越えると各セルで一斉に発電が開始され、運転電圧Ｖ1はほとんどゼロの状態から急速に基準電圧Ｖ0になるような変化をする。しかし、図５（ａ）に示すように、水つまりのない正常状態でも各セル間の圧力損失にはバラツキがあり、平均圧力損失を１．０とした場合、圧力損失比は０．９から１．０程度までのバラツキがある。このため、圧力損失比の低いセルは他のセルよりも空気流量が多くなることから、全体のエアストイキ比が１．０に達する前に一部のセルではセル単体でのエアストイキ比が１．０に達して発電が開始される。また、逆に圧力損失の大きいセルでは、全体のエアストイキ比が１．０に達してもセル単体でのエアストイキ比が１．０に達せず、例えば、全体のエアストイキ比が１．１程度に達して初めて発電が開始される。このため、正常状態の実際の燃料電池１１のエアストイキ比に対する運転電圧Ｖ1は、図４の曲線ｃに示すように、エアストイキ比が０．９程度から急速に立ち上がり、エアストイキ比が１．１程度でかなり基準電圧Ｖ0に近い電圧となり、その後なだらかに基準電圧Ｖ0に向って上昇していく立ち上がりの急なＳ字カーブとなる。
　低効率運転においては空気の流量を通常運転よりも低減した運転としているので、空気極に生成された水分或いは水滴が空気量路から十分に排出されず、空気流路の一部に水つまりが発生する場合がある。この場合には、図５（ｂ）に示すように、セル間の圧力損失比のバラツキが０．７程度から１．３程度の間に分布する様になってくる。このため、水つまりが発生した場合には、例えば、エアストイキ比が０．７程度でも水つまりが発生していない圧力損失比の小さいセルではセル単体のエアストイキ比が１．０となって発電が開始される。逆に、水つまりで圧力損失が上昇するセル間の圧力損失比の大きなセルでは、例えばエアストイキ比が１．３程度とならないと発電を開始しなくなる。このため、水つまりが発生した際は、水つまりの発生していない場合に比較して低いエアストイキ比から運転電圧Ｖ1の上昇が始まり、水つまりの発生していない場合に比較して高いエアストイキ比で運転電圧Ｖ1が基準電圧Ｖ0近傍に到達する。水つまりの度合いが大きいほどセル間圧力損失比のバラツキは大きくなるので、水つまりの度合いが大きくなるほど低いエアストイキ比から運転電圧Ｖ1の上昇が始まり、高いエアストイキ比で運転電圧Ｖ1が基準電圧Ｖ0近傍に到達する。すなわち、エアストイキ比の上昇による運転電圧Ｖ1の立ち上がりが緩やかになる。そして、図４に示すように、燃料電池１１からの出力電流を運転電流Ｉ1に固定してエアストイキ比を変化させた場合、運転電圧Ｖ1は、水つまりのない状態の運転電圧Ｖ1の変化を示す曲線ｃよりも立ち上がりの少ない一点鎖線の曲線ｄから曲線ｆで示す立つ上がりの緩やかなＳ字カーブとなり、水つまりの度合いが大きいほど運転電圧Ｖ1は曲線ｆに近い変化を示し、水つまりの度合いが小さいほど運転電圧Ｖ1は曲線ｃに近い変化を示す。
　図４に示すように、水つまりの発生した場合、上記のように運転電圧Ｖ1が変化することから、エアストイキ比が１．０近傍よりも低い領域では、燃料電池１１からの出力電流を運転電流Ｉ1に固定して運転した場合、その運転電圧Ｖ1は水つまりの度合いが大きいほど水つまりのない正常状態の運転電圧Ｖ2よりも高くなる。また、エアストイキ比が１．０近傍よりも大きく、通常運転のエアストイキ比Ｓ0よりも低い状態で運転した場合には、その運転電圧は水つまりのない場合よりも低くなる。そして、水つまりのない正常状態の運転電圧と水つまりの発生している場合の運転電圧の電圧差ΔＶは、同じエアストイキ比では水つまりの度合いが大きくなるほど大きくなる。
　制御部５０は図２のステップＳ１０１に示すように、以上説明したような低効率運転を開始する。低効率運転の制御の方法は、いろいろ考えられるが、低効率運転で出力する電力、に応じて予め設定した所定量の空気と水素ガスとを燃料電池に供給して燃料電池１１の運転を開始した後、負荷側の電圧を制御することによって燃料電池１１の運転電圧Ｖ1を固定し、必要電力となるよう空気流量を調整して出力電流を所定のＩ1に調整する方法がある。この場合、燃料電池１１の出力電圧、出力電流を低効率運転で負荷が消費することの出来る電力にすることが出来るが、エアストイキ比は予め設定したエアストイキ比よりもずれてくる。
　図２から図５を参照しながら、以上説明した燃料電池システム１００を低効率運転した際の燃料電池１１内部の空気流路の水つまり判定動作について説明する。図２のステップＳ１０１に示すように、制御部５０は燃料電池１１を始動した後、低効率運転を開始し、図２に示すステップＳ１０２に示すように、図１に示す電圧センサ２９によって燃料電池１１の運転電圧Ｖ1を取得し、図２のステップＳ１０３に示すように、電流センサ３０によって燃料電池１１の運転電流Ｉ1を取得する。次に、制御部５０は、図２のステップＳ１０４に示すように、空気流量計１４によって燃料電池システム１００の吸い込み空気流量を取得する。そして、制御部５０はバイパス弁１５が開いている場合には、その開度からバイバス流量を計算し、吸い込み空気流量からバイパス流量を差し引いた流量を燃料電池１１への供給空気流量とする。制御部５０は、図２のステップＳ１０５に示すように、取得した運転電圧Ｖ1と運転電流Ｉ1とから燃料電池１１の負荷３２への出力電力を算出し、その出力電力のために理論的に必要な理論必要空気流量を計算する。そして燃料電池１１への供給空気流量を必要理論空気流量で割って運転エアストイキ比Ｓ1を算出する。
　制御部５０は運転電圧Ｖ1の取得と運転エアストイキ比Ｓ1の計算とが終了したら、図２のステップＳ１０６に示すように、図４に示すマップ上でエアストイキ比が運転エアストイキ比Ｓ1の際の正常状態での運転電圧Ｖ2と運転電圧Ｖ1との電圧差ΔＶを取得する。そして、図２のステップＳ１０７に示すように、取得した電圧差ΔＶが所定の閾値よりも大きくなっていた場合には、水つまりが発生していると判定し、電圧差ΔＶが所定の閾値よりも大きくなっていない場合には、水つまりは発生していないと判定する。制御部５０は、電圧差ΔＶの大きさに基づいて空気流路の水つまり度合いを判定するようにしても良い。水つまり度合いは、例えば、電圧差ΔＶに応じて、複数段階の水つまりレベルを設定し、どの水つまりレベルかを出力するようにしてもよい。
　以上述べた実施形態では、燃料電池１１の低効率運転中に空気流路の水つまりを判定することができるので、水つまりによって燃料電池１１の運転が不安定になることを抑制することが出来る。
　次に図６、図７を参照しながら、本実施形態の燃料電池システム１００の他の水つまり判定方法について説明する。図１から図５を参照して説明したのと同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。本実施形態は、運転エアストイキ比に対するエア濃度過電圧Ｖｅのマップに基づいて水つまりを判定するものである。
　先に、図３を参照して説明したように、燃料電池１１を運転電流Ｉ1で抵効率運転した場合、その運転電圧Ｖ1は、運転電流Ｉ1で通常運転した際の基準電圧Ｖ0よりも低くなる。この基準電圧Ｖ0と運転電圧Ｖ1との電圧差が運転エア濃度過電圧Ｖｅ1となる。図３の曲線ａで示す燃料電池１１の通常運転の際の電流電圧特性、曲線ｂで示す低効率運転の際の電流電圧特性は、燃料電池１１の温度によって変化してしまうので、燃料電池１１の様々な運転温度に対し図４に示したマップに基づいて水つまりの判断を行う場合には、燃料電池１１の温度毎に複数のマップを参照することが必要となる。一方、図３の曲線ａで示す燃料電池１１の通常運転の際の電流電圧特性、曲線ｂで示す低効率運転の際の電流電圧特性が温度によって変化しても、その差のエア濃度過電圧Ｖｅは大きく変化しない。そこで、本実施形態は、エア濃度過電圧Ｖｅを計算し、エア濃度過電圧Ｖｅとエアストイキ比とのマップに基づいて水つまりの判定を行うようにして、燃料電池１１の温度が変化した際に先に図１から図５を参照して説明した実施形態より計算の単純化と効率化ができるようにしたものである。
　図６に示すように、制御部５０は燃料電池システム１００を始動した後、ステップＳ２０１に示すように、低効率運転を開始する。制御部５０は、図６に示すステップＳ２０２に示すように、図１に示す温度センサ３１によって燃料電池１１の運転温度Ｔ1を取得し、図６のステップＳ２０３に示すように、電流センサ３０から燃料電池１１の出力電流である運転電流Ｉ1を取得し、図６のステップＳ２０４に示すように、電圧センサ２９から燃料電池１１の運転電圧Ｖ1を取得する。
　制御部５０は、図６のステップＳ２０５に示すように、取得した燃料電池１１の温度からメモリの中に温度毎に準備してあるエアストイキ比Ｓ0の通常運転の際の複数の電流電圧特性から１つの電流電圧特性を選択し、この選択した電流電圧特性と取得した運転電流Ｉ1とから運転電流Ｉ1、運転温度Ｔ1の際の基準電圧Ｖ0を取得する。次に、制御部５０は、図６のステップＳ２０６及び図３に示すように、取得した基準電圧Ｖ0から燃料電池１１の運転電圧Ｖ1を引いて運転電流Ｉ1，温度Ｔ1の際の運転エア濃度過電圧Ｖｅ1を計算する。制御部５０は図６のステップＳ２０７に示すように、空気流量計１４によって燃料電池システム１００の吸い込み空気流量を取得し、図６のステップＳ２０８に示すように、先に説明した実施形態と同様の方法で運転エアストイキ比Ｓ1を算出する。
　図４に示すように、エア濃度過電圧Ｖｅ1は基準電圧Ｖ0と運転電圧Ｖ1との差となることから、エアストイキ比が小さくなるにつれてエア濃度過電圧は大きくなって基準電圧Ｖ0に近くなり、エアストイキ比が大きくなるにつれてエア濃度過電圧は小さくなって、通常運転でのエアストイキ比Ｓ0でゼロとなる。そして、燃料電池１１からの出力電流を運転電流Ｉ1に固定してエアストイキ比を変化させた場合、エア濃度過電圧Ｖｅは、図７に示すように、水つまりのない状態のエア濃度過電圧Ｖｅの変化を示す曲線ｇよりも立ち下がりの少ない一点鎖線の曲線ｈから曲線ｊで示す立つ上がりの緩やかなＳ字カーブとなり、水つまりの度合いが大きいほどエア濃度過電圧Ｖｅは曲線ｊに近い変化を示し、水つまりの度合いが小さいほどエア濃度過電圧Ｖｅは曲線ｈに近い変化を示す。
　図７に示すように、水つまりの発生した場合、上記のようにエア濃度過電圧Ｖｅが変化することから、エアストイキ比が１．０近傍よりも低い領域では、燃料電池１１からの出力電流を運転電流Ｉ1に固定して運転した場合、その運転エア濃度過電圧Ｖｅ1は水つまりの度合いが大きいほど水つまりのない正常状態のエア濃度過電圧Ｖｅ2よりも低くなる。また、エアストイキ比が１．０近傍よりも大きく、通常運転のエアストイキ比Ｓ0よりも低い状態で運転した場合には、その運転エア濃度過電圧Ｖｅ1は水つまりのない場合よりも高くなる。そして、水つまりのない正常状態の運転エア濃度過電圧Ｖｅ2と水つまりの発生している場合の運転エア濃度過電圧Ｖｅ1の電圧差ΔＶｅは、同じエアストイキ比では水つまりの度合いが大きくなるほど大きくなる。
　制御部５０は運転エア濃度過電圧Ｖｅ1の取得と運転エアストイキ比Ｓ1の計算とが終了したら、図２のステップＳ２０９に示すように、図７に示すマップ上でエアストイキ比が運転エアストイキ比Ｓ1で正常状態でのエア濃度過電圧Ｖｅ2と運転エア濃度過電圧Ｖｅ1との電圧差ΔＶｅを取得する。そして、図６のステップＳ２１０に示すように、取得した電圧差ΔＶｅが所定の閾値よりも大きくなっていた場合には、水つまりが発生していると判定し、電圧差ΔＶｅが所定の閾値よりも大きくなっていない場合には、水つまりは発生していないと判定する。また、電圧差ΔＶｅの大きさに基づいて空気流路の水つまり度合いを判定するようにしても良い。水つまり度合いは、例えば、電圧差ΔＶｅに応じて、複数段階の水つまりレベルを設定し、どの水つまりレベルかを出力するようにしてもよい。
　以上述べた実施形態では、先に図１から５を参照して説明した実施形態と同様の効果に加え、少ない数のマップによって水つまりの判定を行うことができ、制御を簡便にすることが出来るという効果を奏する。
　次に、図８、図９を参照しながら低効率運転の際に水つまりが発生した際のエアブロー運転について説明する。先に図１から図７を参照して説明したのと同様の部分については説明を省略する。
　制御部５０は、図８のステップＳ３０１からステップＳ３０９に示すように、図６、図７を参照して説明した実施形態と同様のステップでエアストイキ比が運転エアストイキ比Ｓ1の際の正常状態でのエア濃度過電圧Ｖｅ2と運転エア濃度過電圧Ｖｅ1の電圧差ΔＶｅを取得する。そして、図８のステップＳ３１０に示すように、取得した電圧差ΔＶｅが所定の閾値よりも大かいかどうかを判断し、電圧差ΔＶｅが所定の閾値よりも大きい場合には、水つまりの度合いが大きく、エアブローが必要と判断する。そして、制御部５０は図８のステップＳ３１１に示すように、低効率運転中断処理を行う。また、取得した電圧差ΔＶｅが所定の閾値に達しない場合には図８のステップＳ３０２に戻って水つまり監視を継続する。
　図９に示すように、低効率運転中は、燃料電池１１は電流電圧特性を示す曲線ｂの上で運転電圧Ｖ1、運転電流Ｉ1で運転されている。この状態で、空気流量増加させてしまうと、燃料電池の電流電圧特性は通常運転の電流電圧特性を示す曲線ａに向って変化するため、運転電圧Ｖ1を一定にした場合、電流が増大し、負荷が必要とする以上の電力を出力してしまうこととなる。
　そこで、制御部５０は、まず負荷３２の電圧を上昇させ、燃料電池１１の運転電圧をＶ1から上昇させると共に、図９に点線で示す等出力曲線ｋに沿って燃料電池１１の出力電流が変化するように、空気圧縮機１２のモータ１３の回転数を調整して空気供給量を調整する。そして、制御部５０は燃料電池１１の運転点を運転電圧Ｖ1，運転電流Ｉ1，運転エアストイキ比Ｓ1の運転点Ｐ1から等出力曲線ｋに沿って、通常運転の電圧電流特性を示す曲線ａ上の運転点Ｐ3に移動させる。運転点Ｐ3では、燃料電池１１は、運転電圧Ｖ3，運転電流Ｉ3，運転エアストイキ比Ｓ3で運転される。この運転点Ｐ3は通常運転の電流電圧特性の曲線ａの上にある運転点であることから、例えば、電流が変化した際にこの曲線ａに沿って出力電圧が変化するが、空気流量を変化させても燃料電池１１の出力電圧、出力電流は変化しない運転点である。この様に、制御部５０は、燃料電池１１の運転電圧Ｖ1を上昇させ、運転点を通常運転の電流電圧特性を示す曲線ａの上に移動させることにより、低効率運転を中断する。
　制御部５０は、低効率運転を中断した後、図８のステップＳ３１２に示すように、空気圧縮機１２のモータ１３の回転数を上昇させて燃料電池１１への空気流量を増加させ、空気流路に滞留している水をブローする。この際の空気流量は空気圧縮機１２の最大空気流量としても良いし、別途所定の設定値まで空気流量を上昇させるようにしてもよい。
　図８のステップＳ３１３に示すように、制御部５０は、エアブロー処理が終了したら、低効率運転を再開する。制御部５０は、低効率運転の運転点Ｐ1から通常運転の電流電圧特性の曲線ａの上にある運転点Ｐ3への移行と逆の要領で、等出力曲線ｋに沿って出力が燃料電池１１の出力電圧、出力電流が移動するように、負荷３２の電圧を低下させて燃料電池１１の出力電流を低下させると共に、等出力曲線ｋに沿って出力電流が変化するように空気流量、エアストイキ比を調整する。そして、燃料電池１１の運転点を低効率運転の運転点Ｐ1に戻して低効率運転と水つまりの監視を継続する。そして、低効率運転の途中に電圧差ΔＶｅが所定の閾値よりも大きくなった場合には、再度エアブロー処理を行う。
　本実施形態は、低効率運転中に水つまりの判定を行い、その判定に基づいて空気流路のエアブロー処理を行うので、低効率運転を安定して継続することが出来るという効果を奏する。
　次に、低効率運転の際に生成されるポンピング水素の希釈処理について説明する。燃料電池システム１００の動作について説明する前に、ポンピング水素の発生について説明する。燃料電池１１で発生するポンピング水素の理論発生量ＷH0は、以下の式で示される。
　ＷH0＝（１－Ｓ1）×Ｉ1×ｎ／（２×Ｆ）×２２．４×６０
　ここで、
　ＷH0：ポンピング水素の理論発生量
　Ｓ1：運転エアストイキ比
　Ｉ1：燃料電池の運転電流
　Ｆ：ファラデー係数
　ｎ：セル枚数
　つまり、理論上、ポンピング水素はエアストイキ比が１．０以下になると、燃料電池１１の運転電流Ｉ1に比例して発生し、燃料電池１１の運転電流Ｉ1、運転エアストイキ比Ｓ1から計算することが出来る。しかし、先に図５（ａ）を参照して説明した様に、セル間の圧力損失比にはバラツキがあることから、燃料電池１１全体のエアストイキ比が１．０以上であってもセルによっては空気流量が不足し、セル単体でエアストイキ比が１．０を下回る部分が発生し、このセルでポンピング水素が発生してしまう。そして、空気流路に水つまりが発生すると、セル間の圧力損失比のバラツキが大きくなることから、空気流量の不足でポンピング水素の発生するセルが増加する。このため、図１１の曲線ｃ’からｆ’に示すように、水つまりの度合いが大きくなると、ポンピング水素の発生量が増加してくる。ここで、曲線ｃ’から曲線ｆ’は図４に示す曲線ｃから曲線ｄ、図７に示す曲線ｈから曲線ｊの各水つまり度合いに対応する水つまり度合いとなった際のポンピング水素の発生量を示す曲線である。図１１に示すように、水つまり度合いが大きくなると、ポンピング水素の発生量は図１１に示す理論発生量ＷH0よりも大きくなる。また、図６、図７を参照して説明した運転エアストイキ比Ｓ1の際の正常状態でのエア濃度過電圧Ｖｅ2と運転エア濃度過電圧Ｖｅ1の電圧差ΔＶｅは水つまり度合いが大きくなると増大するので、この電圧差ΔＶｅに基づいてポンピング水素の発生量の理論発生量ＷH0 に対する特性カーブは図１３のようになる。制御部５０は図１２に示すマップをメモリに格納している。
　次に、ポンピング水素の希釈処理動作について図１０、図１１を参照しながら説明する。制御部５０は、図１０のステップＳ４０１からステップＳ４０９に示すように、図６、図７を参照して説明した実施形態と同様のステップでエアストイキ比が運転エアストイキ比Ｓ1の際の正常状態でのエア濃度過電圧Ｖｅ2と運転エア濃度過電圧Ｖｅ1の電圧差ΔＶｅを取得する。そして、図１０のステップＳ４１０に示すように、制御部５０は図１２に示すマップからポンピング水素の理論発生量ＷH0に対する補正係数を取得し、理論発生量ＷH0に補正係数を掛けて、補正ポンピング水素量を計算する。制御部５０は図１０のステップＳ４１１に示すように、補正ポンピング水素量を希釈水素濃度で割って、必要希釈空気流量を計算する。そして、制御部５０はこの必要希釈空気流量に燃料電池１１の低効率運転の運転エアストイキ比Ｓ1に必要な空気流量を加えた空気流量を吸い込み空気流量として設定し、図１０のステップＳ４１３に示すように、空気圧縮機１２のモータ１３の回転数を増加させて吸い込み空気流量を増加させる。そして、バイパス弁１５を開として、増加させた空気が燃料電池１１に流入せずにバイパス管路１９から排気管路２０に流れるようにして、燃料電池１１の低効率運転を維持しつつ、排出空気の水素ガス濃度を所定の希釈濃度以下にする。
　本実施形態は、低効率運転中に水つまりの度合に応じて増加するポンピング水素による排出水素濃度の増加を抑制することがでるので、低効率運転を安定して継続することが出来るという効果を奏する。
　１１　燃料電池、１２　空気圧縮機、１３　モータ、１４　空気流量計、１５　バイパス弁、１６　空気吸込み管路、１７　空気供給管路、１８　空気排出管路、１９　バイパス管路、２０　排気管路、２１　水素ガスタンク、２２　水素供給管路、２３　水素ポンプ、２４　水素出口管路、２５　水素循環管路、２６　水素排出管路、２７　大気放出口、２８　水素排出弁、２９　電圧センサ、３０　電流センサ、３１　温度センサ、３２　負荷、５０　制御部、１００　燃料電池システム。

Claims (10)

  1. 　燃料電池システムであって、
    　酸化剤ガス流路に供給される酸化剤ガスと、燃料ガス流路に供給される燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
    　燃料電池に供給する酸化剤ガスの量と燃料電池の電圧を調整する制御部と、を備え、
    　制御部は、
    　酸化剤ガスのストイキ比を通常運転の際の酸化剤ガスのストイキ比よりも小さくし、燃料電池からの廃熱を通常運転の際よりも大きくする低効率運転の際に、酸化剤ガスのストイキ比と燃料電池の電圧とに基づいて酸化剤ガス流路の閉塞度合いを判定する閉塞度合い判定手段を備える燃料電池システム。
  2. 　請求項1に記載の燃料電池システムであって、
    　閉塞度合い判定手段は、
    　酸化剤ガスのストイキ比に対する正常時の燃料電池の電圧と燃料電池の運転電圧との電圧差に応じて酸化剤ガス流路の閉塞度合いを判定する燃料電池システム。
  3. 　請求項1に記載の燃料電池システムであって、
    　燃料電池の温度を取得する温度センサと、
    　燃料電池の電圧を取得する電圧センサと、
    　燃料電池の出力電流を取得する電流センサと、
    　酸化剤ガスの流量を取得する流量取得手段と、を備え、
    　制御部は、
    　温度センサによって取得した燃料電池の温度に基づいて燃料電池の基準電流電圧特性を計算する基準電流電圧特性計算手段と、
    　流量取得手段によって取得した酸化剤ガスの流量から酸化剤ガスのストイキ比を計算するスイトキ比計算手段と、
    　計算した基準電流電圧特性に基づいて電流センサによって取得した燃料電池の運転電流に対する基準電圧を計算し、計算した基準電圧から電圧センサによって取得した燃料電池の運転電圧を引いて酸化剤濃度過電圧を計算する酸化剤濃度過電圧計算手段と、を含み、
    　閉塞度合い判定手段は、酸化剤ガスのストイキ比と酸化剤濃度過電圧に基づいて酸化剤ガス流路の閉塞度合いを判定する燃料電池システム。
  4. 　請求項３に記載の燃料電池システムであって、
    　閉塞度合い判定手段は、
    　酸化剤ガスのストイキ比に対する正常時の燃料電池の基準酸化剤濃度過電圧と酸化剤濃度過電圧計算手段によって計算した酸化剤濃度過電圧との電圧差に応じて酸化剤ガス流路の閉塞度合いを判定する燃料電池システム。
  5. 　請求項２に記載の燃料電池システムであって、
    　制御部は、
    　酸化剤ガスのストイキ比に対する正常時の燃料電池の電圧と燃料電池の運転電圧との電圧差が所定の閾値よりも大きい場合には、燃料電池の電圧を上昇させて低効率運転から通常運転に移行した後、酸化ガス流量を増大させるブロー運転を行う酸化剤ガス流路ブロー手段を備える燃料電池システム。
  6. 　請求項４に記載の燃料電池システムであって、
    　制御部は、
    　酸化剤ガスのストイキ比に対する正常時の燃料電池の基準酸化剤濃度過電圧と酸化剤濃度過電圧計算手段によって計算した酸化剤濃度過電圧との電圧差が所定の閾値よりも大きい場合には、燃料電池の電圧を上昇させて低効率運転から通常運転に移行した後、酸化ガス流量を増大させるブロー運転を行う酸化剤ガス流路ブロー手段を備える燃料電池システム。
  7. 　請求項２に記載の燃料電池システムであって、
    　酸化剤ガスは空気であり、
    　燃料ガスは水素であり、
    　制御部は、
    　酸化剤ガスのストイキ比に対する正常時の燃料電池の電圧と燃料電池の運転電圧との電圧差に応じてポンピング水素量を理論ポンピング水素量から増大させて補正ポンピング水素量とするポンピング水素補正手段と、
    　ポンピング水素量補正手段によって補正した補正ポンピング水素量に基づいて必要希釈空気量を計算する必要空気量計算手段と、
    　空気流量を必要空気量計算手段によって計算した必要希釈空気流量に増加させる空気流量増大手段と、を備える燃料電池システム。
  8. 　請求項４に記載の燃料電池システムであって、
    　酸化剤ガスは空気であり、
    　燃料ガスは水素であり、
    　制御部は、
    　酸化剤ガスのストイキ比に対する正常時の燃料電池の基準酸化剤濃度過電圧と酸化剤濃度過電圧計算手段によって計算した酸化剤濃度過電圧との電圧差に応じてポンピング水素量を理論ポンピング水素量から増大させて補正ポンピング水素量とするポンピング水素補正手段と、
    　ポンピング水素量補正手段によって補正した補正後ポンピング水素量に基づいて必要希釈空気量を計算する必要空気量計算手段と、
    　空気流量を必要空気量計算手段によって計算した必要希釈空気流量に増加させる空気流量増大手段と、を備える燃料電池システム。
  9. 　請求項２に記載の燃料電池システムであって、
    　閉塞度合い判定手段は、
    　酸化剤ガスのストイキ比が１．０よりも小さい場合に、酸化剤ガスのストイキ比に対する正常時の燃料電池の電圧より燃料電池の運転電圧が高くなった度合いに応じて酸化剤ガス流路の閉塞度合いを判定する燃料電池システム。
  10. 　請求項４に記載の燃料電池システムであって、
    　閉塞度合い判定手段は、
    　酸化剤ガスのストイキ比が１．０よりも小さい場合に、酸化剤ガスのストイキ比に対する正常時の燃料電池の基準酸化剤濃度過電圧よりも酸化剤濃度過電圧計算手段によって計算した酸化剤濃度過電圧が低くなった度合いに応じて酸化剤ガス流路の閉塞度合いを判定する燃料電池システム。
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