JP4930818B2

JP4930818B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP4930818B2
Application number: JP2004268721A
Authority: JP
Inventors: 信行折橋; 晃青砥
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-07-09
Filing date: 2004-09-15
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2024-09-15
Also published as: JP2006049259A

Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に、無駄な発電停止を回避するための改良技術に関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to an improved technique for avoiding unnecessary power generation stoppage.

燃料電池システムは燃料ガスと酸化ガスとの電気化学的反応を利用して電力を発電する発電システムとして利用されており、その燃料の変換効率の高さや環境への安全性などに優れていることから広く注目されている。料電池発電システムにおいては、燃料電池の特性劣化が生じないように発電運転を行い、また発電停止を行うことが必要である。特開平８−２５５６２５号公報においては、燃料電池の特性低下を抑制する燃料電池の発電停止方法が提案されている。更に、特開２００２−３１３３９６号公報には逆電位によるセルの破損を避けるため、セルスタックを構成するセルの中でも最も早期に電圧が低下するセルの電圧が所定の電圧値を下回ったときに発電を停止する方法が提案されている。
特開平８−２５５６２５号公報特開２００２−３１３３９６号公報 The fuel cell system is used as a power generation system that generates electric power using the electrochemical reaction between fuel gas and oxidant gas, and has excellent fuel conversion efficiency and environmental safety. Has attracted widespread attention. In the fuel cell power generation system, it is necessary to perform a power generation operation and stop power generation so that the characteristics of the fuel cell do not deteriorate. Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-255625 proposes a method for stopping power generation of a fuel cell that suppresses deterioration in characteristics of the fuel cell. Furthermore, in Japanese Patent Laid-Open No. 2002-313396, in order to avoid cell damage due to a reverse potential, power generation occurs when the voltage of a cell whose voltage drops earliest among the cells constituting the cell stack falls below a predetermined voltage value. A method of stopping is proposed.
JP-A-8-255625 JP 2002-313396 A

燃料電池システムでは、セル面内のフラッディング等によって生じる水素不足又は空気不足の状態で発電すると、セル電圧が低下する。逆電位での発電はセルにダメージを与えると考えられることから、従来では零電位（０Ｖ）付近の正電位を発電停止の閾値として予め設定しておき、どのような原因であれ燃料電池の出力電圧が低下すると、燃料電池の発電停止が不必要な場合にも一律に発電停止を行っていた。これでは燃料電池の稼働率が低下してしまう。更に、本出願人の実験により、燃料電池の発電特性として、水素不足の場合にはセル電圧はマイナス電位まで落ち込むが、空気不足の場合にはセル電位はマイナス電位まで落ち込まないことが判明している。セル電圧を検出するセルモニタがセル電圧のマイナス電位を検出できない回路構成を採用している場合には、セル電圧の低下が水素不足によるものなのか、又は酸素不足によるものなのかを判別できないという問題が生じる。空気不足の場合には燃料電池にダメージを与える虞がないため、早急に電池運転を停止する必要がない。 In a fuel cell system, when power is generated in a state of hydrogen shortage or air shortage caused by flooding in the cell surface, the cell voltage decreases. Since it is considered that power generation at the reverse potential damages the cell, conventionally, a positive potential near zero potential (0 V) is set in advance as a threshold for stopping power generation, and the output of the fuel cell is whatever the cause. When the voltage decreased, the power generation was uniformly stopped even when it was unnecessary to stop the power generation of the fuel cell. This reduces the operating rate of the fuel cell. Furthermore, the applicant's experiments have shown that, as the power generation characteristics of the fuel cell, the cell voltage drops to a negative potential when hydrogen is insufficient, but the cell potential does not drop to a negative potential when air is insufficient. Yes. When the cell monitor that detects the cell voltage adopts a circuit configuration that cannot detect the negative potential of the cell voltage, it cannot be determined whether the decrease in the cell voltage is due to hydrogen shortage or oxygen shortage. Occurs. When there is a shortage of air, there is no risk of damaging the fuel cell, so there is no need to stop battery operation immediately.

本発明の課題は、燃料電池システムにおいて、無駄な燃料電池停止を回避することにある。 An object of the present invention is to avoid useless fuel cell stoppage in a fuel cell system.

本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスのそれぞれを電解質で隔てられたアノード電極とカソード電極のそれぞれに供給して発電し、燃料電池の出力電圧が所定の閾値電圧以下に低下したときに燃料電池の発電を制限する燃料電池システムであって、燃料電池の酸化ガス不足状態を判定する酸化ガス不足判定手段と、酸化ガス不足判定手段の判定結果を得て、燃料電池の出力電圧の低下要因が酸化ガス不足の場合には燃料電池の発電停止を禁止する制御手段を備える。燃料電池の電圧低下の原因のうち、酸化ガス不足又はフラッディングによる電圧低下は燃料電池にダメージを与えることが殆どなく、発電停止や負荷軽減の必要がないと考えることができる。酸化ガス不足状態におけるセル電圧は逆電位領域まで落ち込むことがない。他方、燃料ガス不足又はドライアップによる電圧低下は、燃料電池にダメージを与えるため、発電停止や負荷軽減を行なう必要がある。燃料ガス不足状態におけるセル電圧は逆電位領域まで落ち込む。そこで、酸化ガス不足による電圧低下は燃料電池にダメージを与えることが殆どないから、酸化ガス不足判定手段が酸化ガス不足状態を判定したときには、発電停止や負荷軽減を禁止することにより無駄な発電停止や負荷軽減を回避できる。 In the fuel cell system of the present invention, when fuel gas and oxidant gas are supplied to the anode electrode and the cathode electrode, respectively, separated by an electrolyte to generate electric power, and the output voltage of the fuel cell falls below a predetermined threshold voltage, The fuel cell system restricts the power generation of the fuel cell, and the determination result of the oxidation gas shortage determination means for determining the shortage of the oxidation gas of the fuel cell and the determination result of the oxidation gas shortage determination means Control means for prohibiting the stop of power generation of the fuel cell is provided when the reduction factor is a shortage of oxidizing gas. Among the causes of the voltage drop of the fuel cell, the shortage of oxidizing gas or the voltage drop due to flooding hardly damages the fuel cell, and it can be considered that there is no need to stop power generation or reduce the load. The cell voltage in the oxidizing gas shortage state does not drop to the reverse potential region. On the other hand, a voltage drop due to fuel gas shortage or dry-up damages the fuel cell, so that it is necessary to stop power generation or reduce the load. The cell voltage in the fuel gas shortage state drops to the reverse potential region. Therefore, since the voltage drop due to insufficient oxidizing gas hardly damages the fuel cell, when the oxidizing gas shortage determining means determines the oxidizing gas insufficient state, the power generation is stopped by prohibiting the stoppage of power generation and load reduction. And load reduction can be avoided.

ここで、酸化ガス不足判定手段としては、例えば、燃料電池への酸化ガス流量に基づいて酸化ガス不足状態を判定する手段として構成してもよい。燃料電池の直前で燃料電池への空気不足を測定することにより、空気不足状態を判定できる。 Here, the oxidizing gas shortage determining means may be configured as a means for determining an oxidizing gas shortage state based on the oxidizing gas flow rate to the fuel cell, for example. By measuring the air shortage to the fuel cell immediately before the fuel cell, the air shortage state can be determined.

また、酸化ガス不足判定手段として、燃料電池のセル面内電位分布に基づいて酸化ガス不足状態を判定する手段として構成してもよい。燃料電池のセル面内にて酸化ガス流路の出口付近の電位低下を測定することにより、酸化ガス不足状態を判定できる。 Further, the oxidizing gas shortage determining means may be configured as a means for determining the oxidizing gas shortage state based on the in-plane potential distribution of the fuel cell. By measuring the potential drop in the vicinity of the outlet of the oxidizing gas channel in the cell surface of the fuel cell, the oxidizing gas shortage state can be determined.

さらに、酸化ガス不足判定手段として、燃料電池の燃料ガス不足状態又はドライアップ状態に基づいて酸化ガス不足状態を判定する手段として構成してもよい。燃料電池の電圧低下時に、燃料ガス不足状態又はドライアップ状態の判定を行ない、それらのいずれでもなければ酸化ガス不足状態と判定することができる。 Further, the oxidizing gas shortage determining means may be configured as means for determining the oxidizing gas shortage state based on the fuel gas shortage state or the dry-up state of the fuel cell. When the voltage of the fuel cell is lowered, the fuel gas shortage state or the dry-up state is judged.

燃料電池の発電を制限する基準となる閾値電圧としては、０Ｖ〜−０．３Ｖの範囲が望ましく、特に、−０．１Ｖが好適である。閾値電圧をこの範囲に設定しておくことにより、わずかな燃料ガス不足発電による燃料電池のダメージを抑制できる。 The threshold voltage serving as a reference for limiting the power generation of the fuel cell is preferably in the range of 0V to -0.3V, and particularly preferably -0.1V. By setting the threshold voltage within this range, it is possible to suppress damage to the fuel cell due to slight fuel gas shortage power generation.

本発明によれば、無駄な燃料電池停止を回避し、燃料電池の稼動率を高めることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, a useless fuel cell stop can be avoided and the operation rate of a fuel cell can be raised.

以下、各図を参照して本発明の実施例について説明する。図１は燃料電池システムを示す配管系統図、図２は水素不足による電圧低下状態を示す線図、図３は空気不足状態による電圧低下状態を示す線図、図４は燃料電池システムのデータ取得処理ルーチンを示す流れ図、図５は燃料電池システムの運転状態判定処理ルーチンを示す流れ図、図６はセル電圧を検出するセルモニタの回路構成図、図７は差動増幅器の入出力電圧の対応関係を示す図、図８は燃料電池の運転可否を決定するための電圧領域の説明図である。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a piping system diagram showing a fuel cell system, FIG. 2 is a diagram showing a voltage drop state due to hydrogen shortage, FIG. 3 is a diagram showing a voltage drop state due to air shortage, and FIG. 4 is data acquisition of the fuel cell system FIG. 5 is a flowchart showing the operating state determination processing routine of the fuel cell system, FIG. 6 is a circuit configuration diagram of the cell monitor for detecting the cell voltage, and FIG. 7 is a diagram showing the correspondence between the input and output voltages of the differential amplifier. FIG. 8 is an explanatory diagram of a voltage region for determining whether or not the fuel cell can be operated.

図１に示す燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池車両搭載用の電源システムとして構成されており、アノード電極とカソード電極で電解質を挟んだ単セル（単電池）を複数個積層した燃料電池１１を備え、水素（燃料ガス）供給系と空気（酸化ガス）供給系により供給される水素と空気のそれぞれをアノード電極とカソード電極のそれぞれに接触させることにて発電する。即ち、燃料電池システム１０は、同図に示す如く、酸化ガスとしての空気（外気）が空気供給路７１を介して燃料電池１１の空気供給口に供給される。空気供給路７１には空気から微粒子を除去するエアフィルタ２１、空気を加圧するコンプレッサ２２、供給空気圧を検出する圧力センサ５１、及び空気に所要の水分を加える加湿器２５が設けられている。尚、エアフィルタ２１には空気流量を検出するエアフローメータ（流量計）２１Ａが設けられる。 A fuel cell system 10 shown in FIG. 1 is configured as, for example, a power supply system mounted on a fuel cell vehicle, and a fuel cell 11 in which a plurality of single cells (single cells) sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode are stacked. And generating electric power by bringing hydrogen and air supplied by a hydrogen (fuel gas) supply system and an air (oxidizing gas) supply system into contact with the anode electrode and the cathode electrode, respectively. That is, in the fuel cell system 10, air (outside air) as an oxidizing gas is supplied to the air supply port of the fuel cell 11 through the air supply path 71 as shown in FIG. The air supply path 71 is provided with an air filter 21 that removes particulates from the air, a compressor 22 that pressurizes the air, a pressure sensor 51 that detects the supply air pressure, and a humidifier 25 that adds required moisture to the air. The air filter 21 is provided with an air flow meter (flow meter) 21A for detecting the air flow rate.

燃料電池１１から排出される空気オフガスは排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、排気圧を検出する圧力センサ５２、圧力調整弁２４及び加湿器２３（水分交換器）が設けられている。圧力調整弁（減圧弁）２４は燃料電池１１への供給空気の圧力（空気圧）を設定する調圧器として機能する。圧力センサ５１及び５２の図示しない検出信号は制御部５０（制御手段）に送られる。制御部５０はコンプレッサ２２及び圧力調整弁２４を調整することによって空気の供給圧や供給流量を設定する。 The air off gas discharged from the fuel cell 11 is discharged to the outside through the exhaust path 72. The exhaust path 72 is provided with a pressure sensor 52 that detects the exhaust pressure, a pressure adjustment valve 24, and a humidifier 23 (moisture exchanger). The pressure regulating valve (pressure reducing valve) 24 functions as a pressure regulator that sets the pressure (air pressure) of the air supplied to the fuel cell 11. Detection signals (not shown) of the pressure sensors 51 and 52 are sent to the control unit 50 (control means). The controller 50 sets the air supply pressure and the supply flow rate by adjusting the compressor 22 and the pressure adjustment valve 24.

燃料ガスとしての水素は水素供給源３０から燃料供給路７５を介して燃料電池１１の水素供給口に供給される。燃料供給路７５には、水素供給源の圧力を検出する圧力センサ５４、遮断弁３１、燃料電池１１への水素の供給圧力を調整する水素調圧弁３２、燃料供給路７５の異常圧力時に開放するリリーフ弁７５Ａ、遮断弁３３、及び遮断弁３３より下流側の燃料電池１１内の圧力を検出する圧力センサ５５が設けられている。圧力センサ５４及び５５の図示しない検出信号は制御部５０に供給される。 Hydrogen as the fuel gas is supplied from the hydrogen supply source 30 to the hydrogen supply port of the fuel cell 11 through the fuel supply path 75. A pressure sensor 54 that detects the pressure of the hydrogen supply source, the shut-off valve 31, a hydrogen pressure adjustment valve 32 that adjusts the supply pressure of hydrogen to the fuel cell 11, and the fuel supply path 75 are opened when the fuel supply path 75 is in an abnormal pressure. A relief valve 75A, a shut-off valve 33, and a pressure sensor 55 for detecting the pressure in the fuel cell 11 downstream from the shut-off valve 33 are provided. Detection signals (not shown) of the pressure sensors 54 and 55 are supplied to the control unit 50.

燃料電池１１で消費されなかった水素は水素オフガスとして水素循環路７６に排出され、燃料供給路７５のリリーフ弁７５Ａの下流側に戻される。水素循環路７６には、水素オフガスの温度を検出する温度センサ６３、燃料電池１１の出口に設けられた遮断弁３４、水素オフガスから水分を回収する気液分離器３５、回収した水を図示しないタンクに回収する排水弁３６、水素オフガスを加圧する水素ポンプ３７及び逆流阻止弁３８が設けられている。遮断弁３３及び３４は燃料電池のアノード側を閉鎖する閉鎖手段に対応する。温度センサ６３の図示しない検出信号は制御部５０に供給される。水素ポンプ３７は制御部５０によって動作が制御される。水素オフガスは燃料供給路７５で水素ガスと合流し、燃料電池１１に供給されて再利用される。逆流阻止弁３８は燃料供給路７５の水素ガスが水素循環路７６側に逆流することを防止する。 Hydrogen that has not been consumed in the fuel cell 11 is discharged as a hydrogen off-gas to the hydrogen circulation path 76 and returned to the downstream side of the relief valve 75A of the fuel supply path 75. In the hydrogen circulation path 76, a temperature sensor 63 for detecting the temperature of the hydrogen off-gas, a shut-off valve 34 provided at the outlet of the fuel cell 11, a gas-liquid separator 35 for recovering moisture from the hydrogen off-gas, and the recovered water are not shown. A drain valve 36 for collecting in the tank, a hydrogen pump 37 for pressurizing the hydrogen off gas, and a backflow prevention valve 38 are provided. The shut-off valves 33 and 34 correspond to closing means for closing the anode side of the fuel cell. A detection signal (not shown) of the temperature sensor 63 is supplied to the control unit 50. The operation of the hydrogen pump 37 is controlled by the control unit 50. The hydrogen off gas merges with the hydrogen gas in the fuel supply path 75 and is supplied to the fuel cell 11 for reuse. The backflow prevention valve 38 prevents the hydrogen gas in the fuel supply path 75 from flowing back to the hydrogen circulation path 76 side.

水素循環路７６はパージ弁３９を介してパージ流路７７によって排気路７２に接続される。パージ弁３９は電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより水素オフガスを外部に放出（パージ）する。このパージ動作を間欠的に行なうことによって水素オフガスの循環が繰り返されて燃料極側の水素ガスの不純物濃度が増し、セル電圧が低下することを防止することができる。 The hydrogen circulation path 76 is connected to the exhaust path 72 by the purge flow path 77 through the purge valve 39. The purge valve 39 is an electromagnetic shut-off valve and releases (purged) hydrogen off-gas to the outside by operating according to a command from the control unit 50. By performing this purge operation intermittently, it is possible to prevent the hydrogen off-gas circulation from being repeated, the impurity concentration of the hydrogen gas on the fuel electrode side being increased, and the cell voltage from being lowered.

更に、燃料電池１１の冷却水出入口には冷却水を循環させる冷却路７４が設けられる。冷却路７４には、燃料電池１１から排水される冷却水の温度を検出する温度センサ６１、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）４１、冷却水を加圧して循環させるポンプ４２及び燃料電池１１に供給される冷却水の温度を検出する温度センサ６２が設けられている。 Further, a cooling path 74 for circulating the cooling water is provided at the cooling water inlet / outlet of the fuel cell 11. The cooling path 74 includes a temperature sensor 61 that detects the temperature of the cooling water drained from the fuel cell 11, a radiator (heat exchanger) 41 that radiates the heat of the cooling water to the outside, and a pump that pressurizes and circulates the cooling water. 42 and a temperature sensor 62 that detects the temperature of the cooling water supplied to the fuel cell 11 is provided.

制御部５０は、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システムの各部のセンサなどから制御情報を受け取り、各種の弁類やモータ類の運転を制御する。制御部５０は図示しない制御コンピュータシステムによって構成される。制御コンピュータシステムは公知の入手可能なシステムによって構成することができる。 The control unit 50 receives control information from a request load such as an accelerator signal of a vehicle (not shown), sensors of each unit of the fuel cell system, and controls the operation of various valves and motors. The control unit 50 is configured by a control computer system (not shown). The control computer system can be constituted by a known and available system.

以下、燃料電池システム１０の運転状態が発電性能に及ぼす影響、運転状態の判定動作、発電低下時における無駄な燃料電池停止の禁止動作について説明する。 Hereinafter, the influence of the operation state of the fuel cell system 10 on the power generation performance, the operation state determination operation, and the useless fuel cell stop prohibition operation when power generation is reduced will be described.

(A)燃料電池システム１０の運転状態と発電性能
燃料電池システム１０において、セル内の温度が低いドライアップと、セル内の生成水量が多いフラッディングと、セル内に供給される水素ガスや空気が所望の発電を得るための規定値より不足する水素不足及び空気不足の各運転状態を強制的に作り出し、負荷電流一定（Ｉｏ）で定常運転したときに燃料電池１１を構成する各単セルの出力電圧Ｖや燃料電池全体のインピーダンスＺを測定した。図２、図３は、各運転状態での時間に対する単セルの電圧Ｖ（セル電圧ともいう）のグラフであり、積層された多数の単セルの出力電圧Ｖの時間変化を重ねて表示したものである。尚、測定は1sec毎に行なった。 (A) Operating state and power generation performance of the fuel cell system 10 In the fuel cell system 10, dry-up with a low temperature in the cell, flooding with a large amount of generated water in the cell, and hydrogen gas and air supplied into the cell The output of each single cell constituting the fuel cell 11 when the operation state of hydrogen shortage and air shortage that is less than the specified value for obtaining the desired power generation is forcibly created and the load cell is operated at a constant load current (Io). The voltage V and the impedance Z of the entire fuel cell were measured. 2 and 3 are graphs of the voltage V (also referred to as a cell voltage) of a single cell with respect to time in each operation state, in which the time changes of the output voltage V of a large number of stacked single cells are displayed in an overlapping manner. It is. The measurement was performed every 1 second.

水素不足状態は水素と酸素との電気化学反応が起こるときの化学量論値に対して水素が不足するように水素の供給量を設定することにより、強制的に実現させた。図２はこのときの時間に対する各単セルの出力電圧Ｖの時間変化を示したものである。燃料ガス不足状態になると、各単セルの出力電圧Ｖは急激に落ち込み、マイナス領域まで落ち込んだ。この出力電圧Ｖのパターンは後述するドライアップ状態のときと酷似していた。尚、水素不足状態では、燃料電池全体のインピーダンスＺ（図示せず）は適正な運転状態の場合と差は見られなかった。 The hydrogen deficient state was forcibly realized by setting the hydrogen supply amount so that hydrogen would be deficient with respect to the stoichiometric value when the electrochemical reaction between hydrogen and oxygen occurred. FIG. 2 shows the time change of the output voltage V of each single cell with respect to the time at this time. When the fuel gas became insufficient, the output voltage V of each single cell dropped rapidly and dropped to the minus region. The pattern of the output voltage V was very similar to that in the dry-up state described later. In the hydrogen shortage state, the impedance Z (not shown) of the entire fuel cell was not different from that in the proper operation state.

ドライアップ状態は通常よりも加湿量を減らすと共に冷却装置による冷却を抑えて燃料電池全体の温度を上げることにより、強制的に実現させた。ドライアップ状態になると、各単セルの出力電圧Ｖは急激に落ち込み、逆電位（マイナス領域）まで落ち込むものもあった。また、燃料電池全体のインピーダンスＺ（図示せず）は固体電解質膜が湿潤状態から乾燥状態になりプロトン伝導性が低下することにより、通常の３倍以上の値になった。 The dry-up state was forcibly realized by reducing the amount of humidification than usual and suppressing the cooling by the cooling device to raise the temperature of the entire fuel cell. When in the dry-up state, the output voltage V of each single cell dropped suddenly, and some dropped to the reverse potential (minus region). In addition, the impedance Z (not shown) of the entire fuel cell was more than three times the normal value as the solid electrolyte membrane was changed from a wet state to a dry state and proton conductivity was lowered.

空気不足状態は水素と酸素との電気化学反応が起こるときの化学量論値に対して酸素が不足するように空気の供給量を設定することにより、強制的に実現させた。図３はこのときの時間に対する各単セルの出力電圧の時間変化を示したものである。空気不足状態になると、各単セルの出力電圧Ｖは経時に伴い一旦落ち込むもののマイナス領域まで落ち込むことはなく、落ち込んだときの値で暫く安定しその後増加に転じた。図中、黒く塗り潰されている箇所は多数のセル電圧曲線が重なり合っていることを示している。尚、空気不足状態では燃料電池全体のインピーダンスＺ（図示せず）は適正な運転状態の場合と差は見られなかった。 The air-deficient state was forcibly realized by setting the air supply amount so that oxygen was insufficient relative to the stoichiometric value when the electrochemical reaction between hydrogen and oxygen occurred. FIG. 3 shows the time change of the output voltage of each single cell with respect to the time at this time. In the air shortage state, the output voltage V of each single cell once fell with time, but did not fall to the minus region, stabilized for a while at the value when dropped, and then increased. In the figure, the blacked out portions indicate that many cell voltage curves overlap. In the air shortage state, the impedance Z (not shown) of the entire fuel cell was not different from that in the proper operation state.

フラッディング状態は通常よりも加湿量を増やすと共に冷却装置による冷却を十分行ない燃料電池全体の温度を下げることにより、強制時に実現させた。フラッディング状態になると、各単セルの出力電圧Ｖは経時に伴い急激に落ち込むもののマイナス領域まで落ち込むことはなく、その後直ちに上昇するというシャープな形状のピークが幾つか観察された。これは、単セルのセパレータの流路に水が溜まることで出力電圧Ｖが落ち込んだ後、その水がガスに持ち去られることで出力電圧Ｖが高くなったものと思われる。尚、フラッディング状態では燃料電池全体のインピーダンスＺ（図示せず）は適正な運転状態の場合と差は見られなかった。 The flooding state was realized at the time of forcing by increasing the amount of humidification more than usual and sufficiently cooling the cooling device to lower the temperature of the entire fuel cell. In the flooding state, the output voltage V of each single cell suddenly dropped over time, but did not fall to the minus region, and some sharp peaks were observed immediately rising thereafter. This is presumably because the output voltage V increased because the water was taken away by the gas after the output voltage V dropped due to water collecting in the flow path of the separator of the single cell. In the flooding state, the impedance Z (not shown) of the entire fuel cell was not different from that in the proper operation state.

以上のことから、ドライアップ状態と水素不足状態とは、時間に対する単セルの出力電圧Ｖの挙動が酷似していて共にマイナス領域又はその近傍まで落ち込むことがあるが、ドライアップ状態では燃料電池全体のインピーダンスの異常上昇が見られるのに対して、水素不足状態ではそのような現象は見られない。一方、フラッディング状態と空気不足状態とは、いずれも単セルの出力電圧Ｖはマイナス領域まで落ち込むことはないが、フラッディング状態では時間に対する単セルの出力電圧Ｖのピークがシャープつまりピーク幅が狭いのに対して、空気不足状態ではピークがブロードつまりピーク幅が広い。従って、これらの知見に基づけば、運転状態が適正でないときに、詳しくはどのような状態なのかを詳しく知ることができる。 From the above, the dry-up state and the hydrogen-deficient state are very similar in the behavior of the output voltage V of the single cell with respect to time, and may fall to the minus region or the vicinity thereof. In contrast, an abnormal increase in impedance is observed, whereas such a phenomenon is not observed in a hydrogen-deficient state. On the other hand, in both the flooding state and the air shortage state, the output voltage V of the single cell does not drop to the minus region, but in the flooding state, the peak of the output voltage V of the single cell with respect to time is sharp, that is, the peak width is narrow. On the other hand, in the air shortage state, the peak is broad, that is, the peak width is wide. Therefore, based on these findings, it is possible to know in detail what the state is when the operating state is not appropriate.

(B)燃料電池システム１０の運転状態の判定動作
燃料電池システム１０の動作、特に燃料電池１１の運転状態判定処理と、この判定処理に必要なデータを取得するデータ取得処理について説明する。図４は燃料電池システム１０の制御部５０により実行されるデータ取得処理ルーチンの一例を示す流れ図であり、図５は運転状態判定処理ルーチンの一例を示す流れ図である。 (B) Operation State Determination Operation of Fuel Cell System 10 The operation of the fuel cell system 10, particularly the operation state determination processing of the fuel cell 11, and data acquisition processing for acquiring data necessary for this determination processing will be described. FIG. 4 is a flowchart showing an example of a data acquisition process routine executed by the control unit 50 of the fuel cell system 10, and FIG. 5 is a flowchart showing an example of an operation state determination process routine.

まず、データ取得処理ルーチンについて説明する。このルーチンは、燃料電池システム１０が始動された直後からその運転が停止されるまで所定時間（例えば1sec）毎に繰り返し実行される。このデータ取得処理ルーチンが実行されると、制御部５０のＣＰＵは、まず各単セルの電圧計から電圧Ｖを取得すると共にインピーダンス検出器から燃料電池全体のインピーダンスＺを取得し、取得した電圧Ｖ及びインピーダンスＺを現在の時刻と対応付けてＲＡＭに記憶する（ステップＳ１００）。続いて、ステップＳ１００で取得した電圧Ｖが予め定めた不適正範囲に入るか否かを判定し（ステップＳ１１０）、電圧Ｖが不適正範囲に入らないときにはそのままこのルーチンを終了し、電圧Ｖが不適正範囲に入るときにはフラグＦに値１をセットし（ステップＳ１２０）、このルーチンを終了する。ここで、電圧の不適正範囲は、適正な運転状態のときには取り得ないが不適正な運転状態のときには取り得る低電圧範囲（例えば０．３［Ｖ］以下）であり、実験的なデータに基づいて設定されている。また、フラグＦは、運転状態が不適正な状態になったときに値１にセットされ、そのときの運転状態が後述する運転状態判定処理においてドライアップ状態、フラッディング状態、燃料ガス不足状態及び酸化ガス不足状態のいずれであるかが判定されたあと値０にリセットされるフラグである。 First, the data acquisition processing routine will be described. This routine is repeatedly executed every predetermined time (for example, 1 sec) from immediately after the fuel cell system 10 is started until its operation is stopped. When this data acquisition processing routine is executed, the CPU of the control unit 50 first acquires the voltage V from the voltmeter of each single cell, acquires the impedance Z of the entire fuel cell from the impedance detector, and acquires the acquired voltage V. And the impedance Z are associated with the current time and stored in the RAM (step S100). Subsequently, it is determined whether or not the voltage V acquired in step S100 falls within a predetermined inappropriate range (step S110). When the voltage V does not fall within the inappropriate range, this routine is terminated as it is, and the voltage V is When entering the inappropriate range, the flag F is set to 1 (step S120), and this routine is terminated. Here, the improper voltage range is a low voltage range (for example, 0.3 [V] or less) that cannot be obtained in the proper operation state but can be obtained in the improper operation state, and is based on experimental data. Is set. Further, the flag F is set to a value of 1 when the operation state becomes an inappropriate state, and the operation state at that time is a dry-up state, a flooding state, a fuel gas shortage state and an oxidation state in an operation state determination process described later. It is a flag that is reset to a value of 0 after it is determined which of the gas shortage states.

続いて、図５の運転状態判定処理ルーチンについて説明する。このルーチンは、燃料電池システム１０が始動された直後からその運転が停止されるまで所定時間（例えば1min）毎に繰り返し実行される。この運転状態判定処理ルーチンが実行されると、制御部５０のＣＰＵは、フラグＦにつき値０から値１への立ち上がりエッジを検出したか否かを判定し（ステップＳ２０２）、立ち上がりエッジを検出したときには、図示しないタイマによる時間計測を開始し（ステップＳ２０４）、このルーチンを終了する。一方、立ち上がりエッジを検出しなかったときには、フラグＦの値を判定し（ステップＳ２０６）、フラグＦの値が０のときには、運転状態は適正であるためそのままこのルーチンを終了する。一方、フラグＦの値が１のときには、以前にフラグＦの立ち上がりエッジが検出され時間計測が開始されているため、その時間計測を開始してから所定の判定所要時間（例えば数秒）が経過したか否かを判定し（ステップＳ２０８）、判定所要時間が経過していないときにはそのままこのルーチンを終了する。ここで、判定所要時間は、ドライアップ、フラッディング、水素不足及び空気不足のいずれの状態かを判定する上で必要となる時間間隔であり、実験的データに基づいて定められている。尚、判定所要時間が経過するまでの間、図４のデータ取得処理ルーチンが繰り返し実行されるため、電圧ＶとインピーダンスＺとが時間に対応付けられてＲＡＭに蓄積される。 Next, the operation state determination process routine of FIG. 5 will be described. This routine is repeatedly executed every predetermined time (for example, 1 min) from immediately after the fuel cell system 10 is started until the operation is stopped. When this operation state determination processing routine is executed, the CPU of the control unit 50 determines whether or not a rising edge from the value 0 to the value 1 is detected for the flag F (step S202), and detects the rising edge. Sometimes, time measurement by a timer (not shown) is started (step S204), and this routine is finished. On the other hand, when the rising edge is not detected, the value of the flag F is determined (step S206). When the value of the flag F is 0, the operation state is appropriate and this routine is immediately terminated. On the other hand, when the value of the flag F is 1, since the rising edge of the flag F was previously detected and the time measurement has been started, a predetermined determination required time (for example, several seconds) has elapsed since the time measurement was started. (Step S208), and when the required time for determination has not elapsed, this routine is ended as it is. Here, the determination required time is a time interval required for determining whether the state is dry-up, flooding, hydrogen shortage or air shortage, and is determined based on experimental data. Since the data acquisition processing routine of FIG. 4 is repeatedly executed until the determination required time elapses, the voltage V and the impedance Z are stored in the RAM in association with the time.

ステップＳ２０８で所定の判定所要時間が経過したときには、その判定所要時間内にデータ取得処理ルーチンで取得したデータ、つまり電圧Ｖ及びインピーダンスＺを読み出し（ステップＳ２１０）、読み出した複数のインピーダンスＺのうち予め定められた閾値Ｚｔｈｒを超えるものがあるか否かを判定する（ステップＳ２１２）。ここで、閾値Ｚｔｈｒは、予め強制的にドライアップ状態を作り出したときのインピーダンスよりも小さく他の運転状態でのインピーダンスよりも大きくなるように設定されている。そして、ステップＳ２１２でインピーダンスＺが閾値Ｚｔｈｒを超えるものがあるときには、現在の運転状態がドライアップ状態であることをＲＡＭに記憶し（ステップＳ２１４）、フラグＦをリセットしたあと（ステップＳ２２６）、このルーチンを終了する。 When the predetermined required determination time has elapsed in step S208, the data acquired by the data acquisition processing routine, that is, the voltage V and the impedance Z are read within the required determination time (step S210). It is determined whether there is an object that exceeds a predetermined threshold value Zthr (step S212). Here, the threshold value Zthr is set to be smaller than the impedance when the dry-up state is forcibly created in advance and larger than the impedance in the other operation state. If there is a case where the impedance Z exceeds the threshold value Zthr in step S212, the fact that the current operating state is the dry-up state is stored in the RAM (step S214), the flag F is reset (step S226), and this End the routine.

一方、ステップＳ２１２で複数のインピーダンスＺのうち閾値Ｚｔｈｒを超えるものがないときには、ステップＳ２１０で読み出した複数の電圧Ｖのうち閾値Ｖｔｈｒより落ち込むものがあるか否かを判定する（ステップＳ２１６）。ここで、閾値Ｖｔｈｒは、予め強制的に水素不足状態を作り出したときの電圧Ｖよりも大きく空気不足やフラッディング状態での電圧Ｖよりも小さくなるように設定されている。具体的には、閾値Ｖｔｈｒは0［Ｖ］以下の値、好ましくは−０．２〜０［Ｖ］の範囲内の値に設定され、本実施形態では−０．１［Ｖ］に設定されている。そして、ステップＳ２１６で複数の電圧Ｖのうち閾値Ｖｔｈｒより落ち込むものがあるときには、現在の運転状態が水素不足状態であることをＲＡＭに記憶し（ステップＳ２１８）、フラグＦをリセットしたあと（ステップＳ２２６）、このルーチンを終了する。 On the other hand, if there is no impedance that exceeds the threshold Zthr among the plurality of impedances Z in step S212, it is determined whether or not there is a voltage that falls below the threshold Vthr among the plurality of voltages V read in step S210 (step S216). Here, the threshold value Vthr is set to be larger than the voltage V when the hydrogen shortage state is forcibly created in advance and smaller than the voltage V in the air shortage or flooding state. Specifically, the threshold value Vthr is set to a value of 0 [V] or less, preferably a value within the range of −0.2 to 0 [V], and is set to −0.1 [V] in the present embodiment. ing. In step S216, if there is a voltage that falls below the threshold value Vthr among the plurality of voltages V, the fact that the current operation state is a hydrogen shortage state is stored in the RAM (step S218), and the flag F is reset (step S226). ), This routine is terminated.

一方、ステップＳ２１６で複数の電圧Ｖのうち閾値Ｖｔｈｒより落ち込むものがないときには、ステップＳ２１０で読み出した各セルの時間に対する電圧Ｖのピークがシャープかブロードかを判定する（ステップＳ２２０）。例えば、データ取得処理ルーチンにおいて今回取得した単セルの電圧Ｖから前回取得した同じ単セルの電圧Ｖを差し引くことにより差分ΔＶを求め、前回と今回との時間差Δｔで除すことによりΔＶ／Δｔを算出し、このΔＶ／Δｔが予め定められた負の値より小さくなってから予め定められた正の値より大きくなるまでの時間幅を算出しこれをピーク幅とみなしても良い。このとき、負の値、正の値は経験的データに基づいて定めれば良い。このΔＶ／Δｔは電圧Ｖの時間微分とみなすことができる。或いは、電圧Ｖが予め定められた所定のピーク判定用電圧より小さくなってからこのピーク判定用電圧より大きくなるまでの時間幅を算出しこれをピーク幅とみなしても良い。このときのピーク判定用電圧は経験的データに基づいて定めれば良い。そして、ピーク幅が予め定められた所定幅より広ければブロード、狭ければシャープと判定しても良い。 On the other hand, when no voltage V falls below the threshold value Vthr among the plurality of voltages V in step S216, it is determined whether the peak of the voltage V with respect to the time of each cell read in step S210 is sharp or broad (step S220). For example, the difference ΔV is obtained by subtracting the voltage V of the same single cell acquired last time from the voltage V of the single cell acquired this time in the data acquisition processing routine, and ΔV / Δt is obtained by dividing by the time difference Δt between the previous time and this time. It is also possible to calculate the time width from when this ΔV / Δt becomes smaller than a predetermined negative value until it becomes larger than a predetermined positive value, and this may be regarded as the peak width. At this time, the negative value and the positive value may be determined based on empirical data. This ΔV / Δt can be regarded as a time derivative of the voltage V. Alternatively, a time width from when the voltage V becomes smaller than a predetermined peak determination voltage until it becomes larger than the peak determination voltage may be calculated and regarded as the peak width. The peak determination voltage at this time may be determined based on empirical data. If the peak width is wider than a predetermined width, it may be determined to be broad, and if the peak width is narrow, it may be determined to be sharp.

そして、ステップＳ２２０でピーク形状がシャープなときには、現在の運転状態がフラッディング状態であることをＲＡＭに記憶し（ステップＳ２２２）、一方、ピーク形状がブロードなときには、現在の運転状態が空気不足状態であることをＲＡＭに記憶し（ステップＳ２２４）、ステップＳ２２２又はステップＳ２２４のあとフラグＦをリセットし（ステップＳ２２６）、このルーチンを終了する。 When the peak shape is sharp in step S220, the fact that the current operating state is flooded is stored in the RAM (step S222). On the other hand, when the peak shape is broad, the current operating state is an air shortage state. The fact is stored in the RAM (step S224), the flag F is reset after step S222 or step S224 (step S226), and this routine is terminated.

(C)燃料電池システム１０の発電停止の禁止動作
燃料電池システム１０の運転状態よる電圧低下のうち、空気不足又はフラッディングによる電圧低下では、前述した如く、各単セルの出力電圧がマイナス領域まで落ち込むことがなく、電池にダメージを与えることが殆どない。従って、このような場合には、燃料電池システム１０の発電停止や負荷軽減の必要がない。 (C) Prohibition of power generation stop of the fuel cell system 10 Among the voltage drop due to the operating state of the fuel cell system 10, when the voltage drop due to air shortage or flooding, as described above, the output voltage of each single cell falls to the minus region. Without damaging the battery. Therefore, in such a case, there is no need to stop power generation or reduce the load of the fuel cell system 10.

他方、水素不足又はドライアップによる電圧低下では、前述した如く、各単セルの出力電圧がマイナス領域(逆電位)まで落ち込み、電池にダメージを与える。従って、このような場合には、燃料電池システム１０の発電停止や負荷軽減を行なう必要がある。 On the other hand, in the case of a voltage drop due to hydrogen shortage or dry-up, as described above, the output voltage of each single cell drops to a negative region (reverse potential), causing damage to the battery. Therefore, in such a case, it is necessary to stop power generation and reduce the load of the fuel cell system 10.

そこで、燃料電池システム１０の制御部５０は燃料電池１１の各単セルによるわずかな水素不足発電を許容する零電位以下の閾値電圧を予め定め、燃料電池１１の各単セルの出力電圧が上記閾値電圧より低下したときに燃料電池１１を発電停止するものとした。閾値電圧としては、０Ｖ〜−０．３Ｖの範囲が望ましく、特に、−０．１Ｖが好適である。閾値電圧をこの範囲に設定しておくことにより、わずかな水素不足発電による燃料電池１１のダメージを抑制できる。 Therefore, the control unit 50 of the fuel cell system 10 predetermines a threshold voltage below zero potential that allows slight hydrogen deficient power generation by each single cell of the fuel cell 11, and the output voltage of each single cell of the fuel cell 11 is set to the threshold value. The fuel cell 11 is assumed to stop power generation when the voltage drops below the voltage. As the threshold voltage, a range of 0V to -0.3V is desirable, and -0.1V is particularly preferable. By setting the threshold voltage within this range, damage to the fuel cell 11 due to slight hydrogen deficient power generation can be suppressed.

即ち、本実施例の燃料電池システム１０では、わずかな水素不足発電による電池のわずかなダメージは許容すべく、発電停止の閾値をわずかな水素不足発電を許容する零電位以下（逆電位）の閾値電圧とする。これにより、発電停止や負荷軽減の必要がなく、かつ逆電位にまで落ち込むことのない空気不足による運転状態では、全ての発電を続行することにより、無駄な発電停止を回避できるものとした。 That is, in the fuel cell system 10 of the present embodiment, the threshold value for stopping power generation is set to a threshold value equal to or less than zero potential (reverse potential) that allows slight hydrogen deficient power generation in order to allow slight battery damage due to slight hydrogen deficient power generation. Voltage. As a result, it is possible to avoid unnecessary power generation stoppage by continuing all power generation in an operating state caused by air shortage that does not require power generation stoppage or load reduction and does not drop to a reverse potential.

そして、燃料電池システム１０の制御部５０（空気不足判定手段）は、前述の運転状態判定処理動作により、燃料電池１１の各単セルの出力電圧の低下要因が空気不足の場合には、燃料電池１１の発電停止を禁止する。即ち、空気不足による電圧低下は電池にダメージを与えることが殆どないから、空気不足判定手段（制御部５０）が空気不足状態を判定したときには、発電停止や負荷軽減を禁止することにより、無駄な発電停止や負荷軽減を回避できる。 Then, the control unit 50 (air shortage determining means) of the fuel cell system 10 determines that the fuel cell is in the event that the cause of the decrease in the output voltage of each single cell of the fuel cell 11 is air shortage by the aforementioned operation state determination processing operation. 11 power generation stoppage is prohibited. That is, since the voltage drop due to air shortage hardly damages the battery, when the air shortage determination means (control unit 50) determines the air shortage state, it is useless by prohibiting power generation stop and load reduction. Stoppage of power generation and load reduction can be avoided.

尚、空気不足判定手段は燃料電池１１の直前で燃料電池１１への空気流量を測定することにより、空気不足状態を判定できる。 The air shortage determination means can determine the air shortage state by measuring the air flow rate to the fuel cell 11 immediately before the fuel cell 11.

また、空気不足判定手段は燃料電池１１のセル面内にて空気流路の出口付近の電位低下を測定することにより、空気不足状態を判定できる。 Further, the air shortage determination means can determine the air shortage state by measuring the potential drop near the outlet of the air flow path in the cell surface of the fuel cell 11.

また、空気不足判定手段は燃料電池１１の電圧低下時に水素不足状態又はドライアップ状態の判定を行ない、それらの何れでもなければ空気不足状態と判定する。水素不足状態の判定は水素圧力の検知、排出水素中のＣＯ₂、ＣＯ濃度から判定することができる。ドライアップ状態の判定は、スタック温度、内部抵抗から判定することができる。 Further, the air shortage determining means determines whether the fuel cell 11 is in a hydrogen shortage state or a dry-up state when the voltage is lowered, and determines that there is an air shortage state if none of them. The determination of the hydrogen shortage state can be determined from the detection of the hydrogen pressure and the CO ₂ and CO concentrations in the discharged hydrogen. The dry-up state can be determined from the stack temperature and the internal resistance.

尚、燃料電池システム１０の制御部５０による燃料電池１１の発電停止動作は、例えば燃料電池１１を外部負荷から遮断し、燃料電池１１のアノード電極及びカソード電極に不活性ガスを供給するとともに、燃料電池に電力消費手段を接続して余剰電力を消費させ、燃料電池１１の電池電圧が予め定めた下限電圧になるときに電力消費手段を開離して燃料電池１１の発電停止を行なうこととする。 Note that the power generation stop operation of the fuel cell 11 by the control unit 50 of the fuel cell system 10 is, for example, shutting off the fuel cell 11 from an external load, supplying an inert gas to the anode electrode and the cathode electrode of the fuel cell 11, It is assumed that the power consumption means is connected to the battery to consume surplus power, and when the battery voltage of the fuel cell 11 reaches a predetermined lower limit voltage, the power consumption means is opened and the power generation of the fuel cell 11 is stopped.

本実施例の燃料電池システムの基本的な構成は上述した実施例１と共通する。制御部５０はセル電圧に基づいて電池運転を制御する。 The basic configuration of the fuel cell system of this embodiment is common to that of the first embodiment. The controller 50 controls battery operation based on the cell voltage.

図６はセル電圧を検出するセルモニタ８０の回路構成図である。同図において、１１ａは燃料電池１１を構成する単セル、Ｃは各々の単セル１１ａのセル電圧Ｖ１，Ｖ２をサンプルホールドするフライングキャパシタ、Ｌ１〜Ｌ３はセル電圧Ｖ１，Ｖ２をフライングキャパシタＣにサンプルホールドするための入力側サンプリングスイッチ、Ｌ４〜Ｌ５はフライングキャパシタＣの蓄電電圧を差動増幅器８１へ出力するための出力側サンプリングスイッチ、８２は差動増幅器８１から出力されるアナログ電圧をデジタル電圧に変換するＡ／Ｄ変換器である。セル電圧Ｖ１を測定するには入力側サンプリングスイッチＬ１，Ｌ２を閉じてセル電圧Ｖ１をフライングキャパシタＣにサンプルホールドする。次いで、入力側サンプリングスイッチＬ１，Ｌ２を開いて、出力側サンプリングスイッチＬ４，Ｌ５を閉じる。これによりフライングキャパシタＣの蓄電電圧が差動増幅器８１によって差動増幅され、そのアナログ出力電圧がＡ／Ｄ変換器８２でデジタル値に変換されて制御部５０に出力される。セル電圧Ｖ２を測定するには入力側サンプリングスイッチＬ２，Ｌ３を閉じてセル電圧Ｖ２をフライングキャパシタＣにサンプルホールドする。次いで、入力側サンプリングスイッチＬ２，Ｌ３を開いて、出力側サンプリングスイッチＬ４，Ｌ５を閉じればよい。 FIG. 6 is a circuit configuration diagram of the cell monitor 80 for detecting the cell voltage. In the figure, 11a is a single cell constituting the fuel cell 11, C is a flying capacitor that samples and holds the cell voltages V1 and V2 of each single cell 11a, and L1 to L3 are cell voltages V1 and V2 sampled in the flying capacitor C. Input side sampling switches for holding, L4 to L5 are output side sampling switches for outputting the storage voltage of the flying capacitor C to the differential amplifier 81, and 82 is an analog voltage output from the differential amplifier 81 to a digital voltage. It is an A / D converter for conversion. In order to measure the cell voltage V1, the input side sampling switches L1 and L2 are closed, and the cell voltage V1 is sampled and held in the flying capacitor C. Next, the input side sampling switches L1 and L2 are opened, and the output side sampling switches L4 and L5 are closed. As a result, the stored voltage of the flying capacitor C is differentially amplified by the differential amplifier 81, and the analog output voltage is converted to a digital value by the A / D converter 82 and output to the control unit 50. To measure the cell voltage V2, the input side sampling switches L2 and L3 are closed and the cell voltage V2 is sampled and held in the flying capacitor C. Next, the input side sampling switches L2 and L3 may be opened, and the output side sampling switches L4 and L5 may be closed.

図７は差動増幅器８１の入出力電圧の対応関係を示している。ここでは、フライングキャパシタＣは±２［Ｖ］の範囲まで蓄電可能である（図６に示すようにＶ１とＶ２は極性が反対であるから、Ｖ１の＋Ｎ［Ｖ］はＶ２の−Ｎ［Ｖ］と同義である。）。差動増幅器８１はＶ１＝＋２［Ｖ］（Ｖ２＝−２［Ｖ］）が入力されたときに＋５［Ｖ］を出力し、Ｖ１＝０［Ｖ］（Ｖ２＝０［Ｖ］）が入力されたときに＋２．５［Ｖ］を出力し、Ｖ１＝−２［Ｖ］（Ｖ２＝＋２［Ｖ］）が入力されたときに０［Ｖ］を出力するように回路パラメータが選定されている。このように、フライングキャパシタ方式でセル電圧を測定することで、正電圧に限らず負電圧をも測定することができる。 FIG. 7 shows the correspondence between the input and output voltages of the differential amplifier 81. Here, the flying capacitor C can store up to ± 2 [V] (V1 and V2 are opposite in polarity as shown in FIG. 6, so that + N [V] of V1 is −N [V of V2] ]. The differential amplifier 81 outputs +5 [V] when V1 = + 2 [V] (V2 = −2 [V]) is input, and V1 = 0 [V] (V2 = 0 [V]) is input. The circuit parameters are selected so that +2.5 [V] is output when V1 = −2 [V] (V2 = + 2 [V]) is input, and 0 [V] is output. Yes. Thus, by measuring the cell voltage by the flying capacitor method, not only a positive voltage but also a negative voltage can be measured.

図８はセル電圧に基づいて燃料電池１１の運転可否を決定するための電圧領域を示している。第１の閾値電圧Ｖｔｈ１は零電位近傍の正電位として定義されており、Ｖｔｈ１の値としては出来るだけ零電位に近い正電位が望ましい（例えば０．１Ｖ）。一方、第２の閾値電圧Ｖｔｈ２は零電位近傍の負電位として定義されており、Ｖｔｈ２の値としては出来るだけ零電位に近い負電位が望ましい（例えば−０．１Ｖ）。セル電圧がＶｔｈ１より高い高電圧領域にある場合には発電状態は正常と判断できるので、制御部５０は燃料電池１１の運転を許容する。一方、セル電圧がＶｔｈ２より低い低電圧領域にある場合にはセル面内が水素欠乏状態にあると考えられるので、制御部５０は燃料電池１１の運転に出力制限を課す。その上で、セル電圧がＶｔｈ２より低い状態が所定時間（例えば３秒）継続した場合には燃料電池１１の破損を回避するために電池運転を強制的に停止する。セル電圧がＶｔｈ２より高くＶｔｈ１より低い保留電圧領域にある場合には、フラッディングによる水詰まり等が電圧低下の原因と考えられるので、燃料電池１１に与えるダメージは殆どない。このため、セル電圧が保留電圧領域内にある場合には、制御部５０は電池運転に出力制限を課しつつ、発電制限を保留する。これにより、セル電圧が零電位近傍に低下した場合であっても、電圧低下が後に回復する傾向がある場合には、電池運転を強制停止しなくて済むので燃料電池の稼働率が上がる。保留電圧領域は、いわば、発電を停止するか否かを様子見するための電圧領域であるから、その電圧範囲は出来るだけ零電位近傍（例えば−０．１Ｖ〜０．１Ｖ）であることが望ましい。セル電圧が保留電圧領域にある場合には、制御部５０はセル電圧低下を回復するための回復処理を実施し、セル電圧を高電圧領域に復帰させるのが望ましい。このような回復処理としては、例えば、コンプレッサ２２の回転数を制御して燃料電池１１内のガスチャネルに圧力変動を生じさせ、水詰まりを解消する処理等が挙げられる。 FIG. 8 shows a voltage region for determining whether or not the fuel cell 11 can be operated based on the cell voltage. The first threshold voltage Vth1 is defined as a positive potential near zero potential, and the value of Vth1 is preferably a positive potential as close to zero potential as possible (for example, 0.1 V). On the other hand, the second threshold voltage Vth2 is defined as a negative potential near zero potential, and the value of Vth2 is desirably a negative potential as close to zero potential as possible (for example, −0.1 V). Since the power generation state can be determined to be normal when the cell voltage is in a high voltage region higher than Vth1, the control unit 50 allows the fuel cell 11 to operate. On the other hand, when the cell voltage is in a low voltage region lower than Vth2, it is considered that the cell surface is in a hydrogen deficient state, so the control unit 50 imposes an output limit on the operation of the fuel cell 11. In addition, when the state in which the cell voltage is lower than Vth2 continues for a predetermined time (for example, 3 seconds), the battery operation is forcibly stopped in order to avoid damage to the fuel cell 11. When the cell voltage is in the holding voltage region higher than Vth2 and lower than Vth1, water clogging or the like due to flooding is considered to cause the voltage drop, so there is almost no damage to the fuel cell 11. For this reason, when the cell voltage is within the hold voltage region, the control unit 50 puts the power generation limit on hold while imposing an output limit on the battery operation. As a result, even when the cell voltage is reduced to near zero potential, if the voltage drop tends to recover later, the battery operation does not have to be forcibly stopped, and the operating rate of the fuel cell increases. Since the reserved voltage region is a voltage region for observing whether or not to stop power generation, the voltage range may be as close to zero potential as possible (for example, −0.1 V to 0.1 V). desirable. When the cell voltage is in the hold voltage region, the control unit 50 preferably performs a recovery process for recovering the cell voltage drop and restores the cell voltage to the high voltage region. Such a recovery process includes, for example, a process of controlling the rotation speed of the compressor 22 to cause pressure fluctuations in the gas channel in the fuel cell 11 to eliminate water clogging.

本実施例によれば、セル電圧が低下した場合であっても、セル電圧が保留電圧領域内にある場合にはセル電圧の回復が期待できるため、発電停止を様子見することによって不必要な発電停止を抑制し、燃料電池１１の稼働率を向上させることができる。 According to the present embodiment, even when the cell voltage is lowered, if the cell voltage is within the holding voltage region, recovery of the cell voltage can be expected. Stopping power generation can be suppressed and the operating rate of the fuel cell 11 can be improved.

燃料電池システムを示す配管系統図である。It is a piping system diagram showing a fuel cell system. 水素不足による電圧低下状態を示す線図である。It is a diagram which shows the voltage drop state by hydrogen shortage. 空気不足状態による電圧低下状態を示す線図である。It is a diagram which shows the voltage fall state by an air shortage state. 燃料電池システムのデータ取得処理ルーチンを示す流れ図である。It is a flowchart which shows the data acquisition process routine of a fuel cell system. 燃料電池システムの運転状態判定処理ルーチンを示す流れ図である。It is a flowchart which shows the driving | running state determination processing routine of a fuel cell system. セル電圧を検出するセルモニタの回路構成図である。It is a circuit block diagram of the cell monitor which detects a cell voltage. 差動増幅器の入出力電圧の対応関係を示す図である。It is a figure which shows the correspondence of the input / output voltage of a differential amplifier. 燃料電池の運転可否を決定するための電圧領域の説明図である。It is explanatory drawing of the voltage area | region for determining the driving | operation availability of a fuel cell.

符号の説明Explanation of symbols

１０…燃料電池システム１１…燃料電池５０…制御部８０…セルモニタ DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell system 11 ... Fuel cell 50 ... Control part 80 ... Cell monitor

Claims

燃料ガスと酸化ガスのそれぞれを電解質で隔てられたアノード電極とカソード電極のそれぞれに供給して発電し、燃料電池の出力電圧が所定の閾値電圧以下に低下したときに燃料電池の発電を制限する燃料電池システムであって、
燃料電池の酸化ガス不足状態を判定する酸化ガス不足判定手段と、
前記酸化ガス不足判定手段の判定結果を得て燃料電池の出力電圧の低下要因が酸化ガス不足の場合には燃料電池の発電停止を禁止する制御手段と、
を備える燃料電池システム。 Fuel gas and oxidizing gas are respectively supplied to the anode electrode and cathode electrode separated by an electrolyte to generate power, and when the output voltage of the fuel cell falls below a predetermined threshold voltage, the power generation of the fuel cell is limited A fuel cell system,
An oxidizing gas shortage determining means for determining an oxidizing gas shortage state of the fuel cell;
Control means for obtaining a determination result of the oxidizing gas shortage determining means, and prohibiting the power generation stop of the fuel cell when the decrease factor of the output voltage of the fuel cell is insufficient oxidizing gas;
A fuel cell system comprising:

請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記酸化ガス不足判定手段は、燃料電池への酸化ガス流量に基づいて酸化ガス不足状態を判定する、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1,
The oxidizing gas shortage determining means is a fuel cell system that determines an oxidizing gas shortage state based on an oxidizing gas flow rate to the fuel cell.

請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記酸化ガス不足判定手段は、燃料電池のセル面内電位分布に基づいて酸化ガス不足状態を判定する、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1,
The oxidant gas shortage determining means is a fuel cell system that determines a oxidant gas shortage state based on a cell surface potential distribution of the fuel cell.

請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記酸化ガス不足判定手段は、燃料電池の燃料ガス不足状態又はドライアップ状態の判定を行い、それらの何れでもない場合には、酸化ガス不足状態と判定する、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1,
The oxidizing gas shortage determination unit performs determination of the fuel gas starved or dry-up state of the fuel cell, in neither of them determines the oxidizing gas starved, the fuel cell system.

請求項１乃至請求項４のうち何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記閾値電圧は０Ｖ〜−０．３Ｖの範囲である、燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein
The fuel cell system, wherein the threshold voltage is in a range of 0V to -0.3V.

請求項５に記載の燃料電池システムであって、
前記閾値電圧は−０．１Ｖである、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 5, wherein
The fuel cell system, wherein the threshold voltage is -0.1V.