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JP7363680B2 - fuel cell system - Google Patents
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Description

本明細書が開示する技術は、燃料電池システムに関する。本明細書は、燃料電池スタックの湿度を適切な範囲に維持し、長期間にわたって出力電力を一定に保つことのできる燃料電池システムを提供する。 The technology disclosed herein relates to a fuel cell system. The present specification provides a fuel cell system that can maintain the humidity of a fuel cell stack within an appropriate range and keep output power constant over a long period of time.

特許文献１に、出力電力を一定に保つ燃料電池システムが開示されている。同一条件で燃料電池スタックの出力電力を一定に保持すると、燃料電池の内部が乾燥あるいは水分過多になり、発電効率が下がることが知られている。すなわち、燃料電池スタック内の湿度が適切な範囲を外れると発電効率が下がる。燃料電池スタックのカソードに供給する酸化剤ガス（典型的には空気）のストイキ比とアノードに供給する燃料ガス（典型的には水素ガス）のストイキ比を変更することで、燃料電池スタックの内部を乾燥させたり加湿させたりできることが知られている（例えば特許文献２）。具体的には、酸化剤ガスのストイキ比を小さく、燃料ガスのストイキ比を大きくすると、燃料電池スタックの内部が加湿される。同時に酸化剤ガスの燃料電池スタックへの供給圧を高めると、加湿が促進される。なお、燃料ガスのストイキ比は、電流密度０．６［Ａ/ｃｍ２］における理論燃料ガス流量に対する燃料ガスの流量の比率を意味する。酸化剤ガスのストイキ比は、電流密度０．６［Ａ/ｃｍ２］における理論酸化剤ガス流量に対する酸化剤ガスの流量の比率を意味する。以下では、説明の便宜上、酸化剤ガスのストイキ比を酸化剤ストイキ比と表記し、燃料ガスのストイキ比を燃料ストイキ比と表記する場合がある。 Patent Document 1 discloses a fuel cell system that maintains output power constant. It is known that if the output power of the fuel cell stack is held constant under the same conditions, the inside of the fuel cell will become dry or have too much moisture, reducing power generation efficiency. That is, if the humidity within the fuel cell stack falls outside of an appropriate range, power generation efficiency will decrease. By changing the stoichiometric ratio of the oxidant gas (typically air) supplied to the cathode of the fuel cell stack and the stoichiometric ratio of the fuel gas (typically hydrogen gas) supplied to the anode, the internal It is known that it is possible to dry or humidify (for example, Patent Document 2). Specifically, by decreasing the stoichiometric ratio of the oxidant gas and increasing the stoichiometric ratio of the fuel gas, the inside of the fuel cell stack is humidified. At the same time, increasing the supply pressure of the oxidant gas to the fuel cell stack promotes humidification. Note that the stoichiometric ratio of the fuel gas means the ratio of the flow rate of the fuel gas to the theoretical fuel gas flow rate at a current density of 0.6 [A/cm 2 ]. The stoichiometric ratio of the oxidizing gas means the ratio of the flow rate of the oxidizing gas to the theoretical oxidizing gas flow rate at a current density of 0.6 [A/cm 2 ]. Below, for convenience of explanation, the stoichiometric ratio of the oxidizing agent gas may be referred to as the oxidizing agent stoichiometric ratio, and the stoichiometric ratio of the fuel gas may be referred to as the fuel stoichiometric ratio.

特開２０１７－０９１９２２号公報JP2017-091922A 特開２０１９－１３９９６８号公報JP 2019-139968 Publication

先に述べたように、燃料電池スタックの内部の湿度が適切な範囲を外れると発電効率が下がる。発電効率が過度に下がると一定の出力電力を保持できなくなるおそれがある。本明細書は、燃料電池スタックの乾燥と水分過多を防ぐように適宜に酸化剤ストイキ比と燃料ストイキ比と供給圧を適宜に調整し、一定の出力電力を長時間にわたって出力し続けることのできる技術を提供する。 As mentioned above, when the humidity inside the fuel cell stack falls outside of an appropriate range, power generation efficiency decreases. If the power generation efficiency decreases excessively, there is a risk that a constant output power cannot be maintained. In this specification, the oxidizer stoichiometric ratio, the fuel stoichiometric ratio, and the supply pressure are appropriately adjusted so as to prevent drying of the fuel cell stack and excessive water content, and it is possible to continue outputting a constant output power for a long period of time. Provide technology.

本明細書が開示する燃料電池システムは、燃料電池スタックと、コントローラを備える。コントローラは、燃料電池スタックの出力電力を一定に保つとともに、燃料電池スタックに供給する酸化剤ストイキ比と燃料ストイキ比と、酸化剤ガスの燃料電池スタックへの供給圧を調整する。コントローラは、酸化剤ストイキ比を第１酸化剤ストイキ比に調整し、酸化剤ガスの燃料電池スタックへの供給圧を第１圧力に調整し、燃料ストイキ比を第１燃料ストイキ比に調整して燃料電池スタックを運転する。コントローラは、燃料電池スタックの出力電流が所定の加湿開始電流値を超えたら、酸化剤ストイキ比を第１酸化剤ストイキ比から第２酸化剤ストイキ比に変更し、供給圧を第１圧力から第２圧力に変更し、燃料ストイキ比を第１燃料ストイキ比から第２燃料ストイキ比に変更する。第２酸化剤ストイキ比は第１酸化剤ストイキ比よりも小さく、第２燃料ストイキ比は第１燃料ストイキ比よりも大きい。第２圧力は第１圧力よりも高い。酸化剤ストイキ比を下げ、燃料ストイキ比を上げ、供給圧を上げることで、燃料電池スタックの内部が加湿される。 The fuel cell system disclosed herein includes a fuel cell stack and a controller. The controller keeps the output power of the fuel cell stack constant, and adjusts the oxidant stoichiometric ratio and fuel stoichiometric ratio supplied to the fuel cell stack, and the supply pressure of oxidant gas to the fuel cell stack. The controller adjusts the oxidant stoichiometric ratio to a first oxidant stoichiometric ratio, adjusts the supply pressure of the oxidant gas to the fuel cell stack to the first pressure, and adjusts the fuel stoichiometric ratio to the first fuel stoichiometric ratio. Operate a fuel cell stack. When the output current of the fuel cell stack exceeds a predetermined humidification start current value, the controller changes the oxidant stoichiometric ratio from the first oxidant stoichiometric ratio to the second oxidant stoichiometric ratio, and changes the supply pressure from the first pressure to the second oxidant stoichiometric ratio. 2 pressure, and the fuel stoichiometric ratio is changed from the first fuel stoichiometric ratio to the second fuel stoichiometric ratio. The second oxidant stoichiometric ratio is smaller than the first oxidant stoichiometric ratio, and the second fuel stoichiometric ratio is larger than the first fuel stoichiometric ratio. The second pressure is higher than the first pressure. By lowering the oxidant stoichiometric ratio, increasing the fuel stoichiometric ratio, and increasing the supply pressure, the inside of the fuel cell stack is humidified.

本明細書が開示する燃料電池システムのコントローラは、燃料電池スタックの出力電流をモニタする。燃料電池スタックの内部が乾燥すると、発電効率が下がり、その結果、出力電圧が下がる。コントローラは、出力電力を一定に保持するので、出力電圧の低下を補うべく出力電流を増加させる。すなわち、出力電力が一定という条件下では、出力電流の増加が燃料電池スタックの乾燥の指標となる。コントローラは、出力電流が所定の閾値（加湿開始電流値）を超えると、燃料電池スタックの内部の湿度が適切な許容範囲よりも低下していると判断し、酸化剤ストイキ比を下げ、燃料ストイキ比を上げ、供給圧を上げる。ストイキ比と供給圧の変更により、燃料電池スタックの内部でアノードからカソードへの水分の移動量が増加し、湿度が上昇する。燃料電池スタックの内部の乾燥が緩和されることで、出力電圧が回復する。コントローラは、出力電圧の回復に伴い、出力電力が一定値を保つように、出力電流を下げる。 The controller of the fuel cell system disclosed herein monitors the output current of the fuel cell stack. When the inside of the fuel cell stack becomes dry, power generation efficiency decreases, resulting in a decrease in output voltage. Since the controller holds the output power constant, it increases the output current to compensate for the decrease in the output voltage. That is, under the condition that the output power is constant, an increase in the output current is an indicator of dryness of the fuel cell stack. When the output current exceeds a predetermined threshold (humidification start current value), the controller determines that the humidity inside the fuel cell stack has fallen below an appropriate tolerance range, lowers the oxidizer stoichiometric ratio, and adjusts the fuel stoichiometric ratio. Increase the ratio and increase the supply pressure. Changing the stoichiometric ratio and supply pressure increases the amount of moisture transferred from the anode to the cathode inside the fuel cell stack, increasing humidity. The output voltage is restored by alleviating the dryness inside the fuel cell stack. As the output voltage recovers, the controller lowers the output current so that the output power remains constant.

本明細書が開示する技術は、出力電力を一定に保持する条件下で、乾燥と出力電圧低下の関係を利用する。出力電力を一定に保持するためには、出力電圧が下がると燃料電池システムのコントローラは出力電流を増加させる。コントローラは、出力電流が所定の加湿開始電流値を超えるとストイキ比と供給圧を変更し、燃料電池スタック内で加湿を促進させ、発電効率を回復させる。その結果、本明細書が開示する燃料電池システムは、長期間にわたって一定の出力電力を出力し続けることが可能となる。また、本明細書が開示する技術を採用することで、酸化剤ガスを加湿する加湿器を省くことができる、あるいは、加湿器が故障した場合でも燃料電池スタックの出力電力を一定に保持することができる。 The technology disclosed herein utilizes the relationship between drying and output voltage drop under conditions where output power is held constant. To keep the output power constant, the fuel cell system controller increases the output current as the output voltage decreases. When the output current exceeds a predetermined humidification start current value, the controller changes the stoichiometric ratio and supply pressure, promotes humidification within the fuel cell stack, and restores power generation efficiency. As a result, the fuel cell system disclosed in this specification can continue to output constant output power for a long period of time. Furthermore, by adopting the technology disclosed in this specification, it is possible to omit a humidifier that humidifies the oxidant gas, or to maintain the output power of the fuel cell stack constant even if the humidifier fails. I can do it.

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。 Details and further improvements of the technology disclosed in this specification will be explained in the following "Detailed Description of the Invention".

実施例の燃料電池システムを含む燃料電池車のブロック図である。FIG. 1 is a block diagram of a fuel cell vehicle including a fuel cell system according to an embodiment. 燃料電池システムの動作を示すタイムチャートである。3 is a time chart showing the operation of the fuel cell system. 燃料電池システムの動作を示すタイムチャートである（第１変形例）。It is a time chart showing operation of a fuel cell system (first modification). 燃料電池システムの動作を示すタイムチャートである（第２変形例）。It is a time chart showing operation of a fuel cell system (second modification). 燃料電池システムの動作を示すタイムチャートである（第３変形例）。It is a time chart showing operation of a fuel cell system (third modification).

図面を参照して実施例の燃料電池システム２を説明する。燃料電池システム２は、電気自動車１００に搭載されている。図１に、燃料電池システム２を含む電気自動車１００のブロック図を示す。電気自動車１００は、燃料電池システム２から電力を得て、電気モータ１０３で走行する。燃料電池システム２の出力電力はインバータ１０２で交流に変換され、電気モータ１０３に供給される。 A fuel cell system 2 according to an embodiment will be described with reference to the drawings. Fuel cell system 2 is mounted on electric vehicle 100. FIG. 1 shows a block diagram of an electric vehicle 100 including a fuel cell system 2. As shown in FIG. The electric vehicle 100 obtains electric power from the fuel cell system 2 and runs using an electric motor 103. The output power of the fuel cell system 2 is converted into alternating current by an inverter 102 and supplied to an electric motor 103.

燃料電池システム２は燃料電池スタック１０とバッテリ３と昇圧コンバータ４を備えている。以下では、説明を簡単にするため、燃料電池スタック１０をＦＣスタック１０と表記する場合がある。 The fuel cell system 2 includes a fuel cell stack 10, a battery 3, and a boost converter 4. Below, in order to simplify the explanation, the fuel cell stack 10 may be referred to as the FC stack 10.

ＦＣスタック１０の出力電力は、昇圧コンバータ４で昇圧された後にインバータ１０２に供給される。昇圧コンバータ４の出力端にバッテリ３が接続されている。インバータ１０２には、昇圧されたＦＣスタック１０の出力電力とバッテリ３の出力電力が供給される。 The output power of the FC stack 10 is boosted by the boost converter 4 and then supplied to the inverter 102 . A battery 3 is connected to the output end of the boost converter 4. The inverter 102 is supplied with the boosted output power of the FC stack 10 and the output power of the battery 3.

昇圧コンバータ４は後述するコントローラ５によって制御される。昇圧コンバータ４の出力電圧を高くするとインバータ１０２に供給される電流のうち、ＦＣスタック１０の電流の割合が高まり、バッテリ３の電流の割合が下がる。逆に、昇圧コンバータ４の出力電圧を低くするとインバータ１０２に供給される電流のうち、ＦＣスタック１０の電流の割合が下がり、バッテリ３の電流の割合が高まる。すなわち、コントローラ５は、昇圧コンバータ４の昇圧比を調整することで、ＦＣスタック１０から出力される電流を制御することができる。 Boost converter 4 is controlled by controller 5, which will be described later. When the output voltage of boost converter 4 is increased, the proportion of current supplied to FC stack 10 increases and the proportion of current supplied to battery 3 of the current supplied to inverter 102 decreases. Conversely, when the output voltage of boost converter 4 is lowered, the proportion of current supplied to FC stack 10 and the proportion of current supplied to battery 3 of the current supplied to inverter 102 decreases and increases. That is, controller 5 can control the current output from FC stack 10 by adjusting the boost ratio of boost converter 4.

ＦＣスタック１０の出力端には、ＦＣスタック１０の出力電圧を計測する電圧センサ６と、ＦＣスタック１０の出力電流を計測する電流センサ７が備えられている。コントローラ５は、電圧センサ６と電流センサ７の計測値に基づき、ＦＣスタック１０の出力電力（すなわち、電圧センサ６の計測値と電流センサ７の計測値の積）が一定になるように、昇圧コンバータ４を制御する。コントローラ５は、ＦＣスタック１０の出力電圧が低下したら、昇圧コンバータ４の出力電圧を上げ、ＦＣスタック１０の出力電流を増加させる。コントローラ５は、ＦＣスタック１０の出力電圧が増加したら、昇圧コンバータ４の出力電圧を下げ、ＦＣスタック１０の出力電流を下げる。こうして、ＦＣスタック１０の出力電力が一定に保たれる。 The output end of the FC stack 10 is provided with a voltage sensor 6 that measures the output voltage of the FC stack 10 and a current sensor 7 that measures the output current of the FC stack 10. The controller 5 boosts the voltage based on the measured values of the voltage sensor 6 and the current sensor 7 so that the output power of the FC stack 10 (that is, the product of the measured value of the voltage sensor 6 and the measured value of the current sensor 7) is constant. Controls converter 4. When the output voltage of the FC stack 10 decreases, the controller 5 increases the output voltage of the boost converter 4 and increases the output current of the FC stack 10. When the output voltage of the FC stack 10 increases, the controller 5 lowers the output voltage of the boost converter 4 and lowers the output current of the FC stack 10. In this way, the output power of the FC stack 10 is kept constant.

なお、ＦＣスタック１０が生成した電力のうち、電気モータ１０３で消費されなかった残りの電力はバッテリ３にチャージされる。 Note that, of the power generated by the FC stack 10, the remaining power that is not consumed by the electric motor 103 is charged to the battery 3.

ＦＣスタック１０について説明する。ＦＣスタック１０は、多数の燃料セルが積層された積層体である。図１では、理解を助けるため、ＦＣスタック１０を示す矩形の中に、１個の燃料セルの構造を模式的に表している。ＦＣスタック１０（燃料セル）では、電解質膜１３を挟んでアノード触媒層１２とカソード触媒層１４が対向している。アノード触媒層１２の外側（電解質膜１３とは反対側）にはアノード拡散層１１が位置している。カソード触媒層１４の外側（電解質膜１３とは反対側）にはカソード拡散層１５が位置している。 The FC stack 10 will be explained. The FC stack 10 is a stacked body in which a large number of fuel cells are stacked. In FIG. 1, the structure of one fuel cell is schematically shown in a rectangle representing the FC stack 10 to aid understanding. In the FC stack 10 (fuel cell), an anode catalyst layer 12 and a cathode catalyst layer 14 face each other with an electrolyte membrane 13 in between. An anode diffusion layer 11 is located outside the anode catalyst layer 12 (on the opposite side from the electrolyte membrane 13). A cathode diffusion layer 15 is located outside the cathode catalyst layer 14 (on the opposite side from the electrolyte membrane 13).

アノード拡散層１１には、アノードガス入口１６ａを通じて燃料ガスが供給される。カソード拡散層１５には、カソードガス入口１７ａを通じて酸化剤ガス（空気）が供給される。燃料ガスに含まれる水素はイオン化し、アノード触媒層１２、電解質膜１３を通じてカソード触媒層１４に達する。カソード触媒層１４にて水素イオンは酸化剤ガス中の酸素と結合して水となる。アノード側では水素がイオン化し、カソード側で水素イオンが酸素と結合することで電子の流れ、すなわち電流が生成される。ＦＣスタック１０（ＦＣセル）における化学反応は良く知られているので詳しい説明は省略する。 Fuel gas is supplied to the anode diffusion layer 11 through the anode gas inlet 16a. Oxidizing gas (air) is supplied to the cathode diffusion layer 15 through the cathode gas inlet 17a. Hydrogen contained in the fuel gas is ionized and reaches the cathode catalyst layer 14 through the anode catalyst layer 12 and the electrolyte membrane 13. In the cathode catalyst layer 14, hydrogen ions combine with oxygen in the oxidant gas to become water. At the anode side, hydrogen is ionized, and at the cathode side, the hydrogen ions combine with oxygen, producing a flow of electrons, that is, an electric current. The chemical reaction in the FC stack 10 (FC cell) is well known, so a detailed explanation will be omitted.

化学反応で余った燃料ガスと、化学反応で生成された不純物はアノードガス出口１６ｂから排出される。アノードガス出口１６ｂから排出されるガスはオフガスと称されることがある。 Fuel gas left over from the chemical reaction and impurities generated from the chemical reaction are discharged from the anode gas outlet 16b. The gas discharged from the anode gas outlet 16b is sometimes referred to as off-gas.

生成された水、および、余った酸化剤ガス（空気）はカソードガス出口１７ｂから排出される。カソードガス出口１７ｂから排出されるガス（排出空気）にも水素および水が含まれ得る。 The generated water and excess oxidant gas (air) are discharged from the cathode gas outlet 17b. The gas (exhaust air) exhausted from the cathode gas outlet 17b may also contain hydrogen and water.

燃料電池システム２における燃料ガス側の装備について説明する。燃料電池システム２は、ＦＣスタック１０のアノード側へ燃料ガスを送るための装備として、燃料供給管２１、インジェクタ２２、オフガス排出管２３、気液分離器２４、戻し管２５、ポンプ２６、排気排水弁２７を備えている。 The equipment on the fuel gas side in the fuel cell system 2 will be explained. The fuel cell system 2 includes a fuel supply pipe 21, an injector 22, an off-gas discharge pipe 23, a gas-liquid separator 24, a return pipe 25, a pump 26, and an exhaust drainage pipe as equipment for sending fuel gas to the anode side of the FC stack 10. A valve 27 is provided.

燃料供給管２１は、燃料タンク２０とＦＣスタック１０を接続する。燃料供給管２１には２個の弁４１ａ、４１ｂ、インジェクタ２２、圧力センサ４２ａが接続されている。弁４１ａは主止弁であり、燃料電池システム２が停止している間、燃料タンク２０からの燃料ガスの放出を止める。弁４１ｂは調圧弁であり、インジェクタ２２に供給される燃料ガスの圧力を調整する。インジェクタ２２は、燃料ガスの圧力を高めてＦＣスタック１０に供給する。圧力センサ４２ａはインジェクタ２２の下流側に備えられており、ＦＣスタック１０に供給される燃料ガスの圧力を計測する。 The fuel supply pipe 21 connects the fuel tank 20 and the FC stack 10. Two valves 41a, 41b, an injector 22, and a pressure sensor 42a are connected to the fuel supply pipe 21. The valve 41a is a main stop valve, and stops the release of fuel gas from the fuel tank 20 while the fuel cell system 2 is stopped. The valve 41b is a pressure regulating valve and regulates the pressure of the fuel gas supplied to the injector 22. The injector 22 increases the pressure of fuel gas and supplies it to the FC stack 10 . The pressure sensor 42a is provided downstream of the injector 22 and measures the pressure of the fuel gas supplied to the FC stack 10.

燃料供給管２１の一端はＦＣスタック１０のアノードガス入口１６ａに接続されており、燃料ガスをＦＣスタック１０のアノード拡散層１１に供給する。アノードガス出口１６ｂにはオフガス排出管２３の一端が接続されており、オフガス排出管２３の他端は気液分離器２４のガス入口２４ａに接続されている。 One end of the fuel supply pipe 21 is connected to the anode gas inlet 16a of the FC stack 10, and supplies fuel gas to the anode diffusion layer 11 of the FC stack 10. One end of an off-gas exhaust pipe 23 is connected to the anode gas outlet 16b, and the other end of the off-gas exhaust pipe 23 is connected to the gas inlet 24a of the gas-liquid separator 24.

気液分離器２４は、アノードガス出口１６ｂから排出されるオフガスを水素ガス（残燃料ガス）と不純物に分離する。気液分離器２４で分離される不純物の典型は、窒素ガスや水などである。窒素ガスは、カソード側に供給される酸化剤ガス（空気）に含まれている窒素が、電解質膜１３を通過してアノード側に達したものである。残燃料ガスはガス出口２４ｂから放出され、不純物は不純物排出口２４ｃから排出される。 The gas-liquid separator 24 separates the off-gas discharged from the anode gas outlet 16b into hydrogen gas (residual fuel gas) and impurities. Typical impurities separated by the gas-liquid separator 24 include nitrogen gas and water. The nitrogen gas is nitrogen contained in the oxidant gas (air) supplied to the cathode side, which passes through the electrolyte membrane 13 and reaches the anode side. The remaining fuel gas is discharged from the gas outlet 24b, and the impurities are discharged from the impurity discharge port 24c.

戻し管２５の一端が気液分離器２４のガス出口２４ｂに接続しており、戻し管２５の他端は燃料供給管２１に接続している。戻し管２５にはポンプ２６が取り付けられている。ポンプ２６は、気液分離器２４で分離された残燃料ガスを、燃料供給管２１へ押し込む。気液分離器２４の不純物排出口２４ｃには、排気排水弁２７が接続されている。排気排水弁２７の出口には排気管３２が接続されている。コントローラ５が排気排水弁２７を開くと、気液分離器２４でオフガスから分離された不純物が排気管３２に排出される。 One end of the return pipe 25 is connected to the gas outlet 24b of the gas-liquid separator 24, and the other end of the return pipe 25 is connected to the fuel supply pipe 21. A pump 26 is attached to the return pipe 25. The pump 26 pushes the remaining fuel gas separated by the gas-liquid separator 24 into the fuel supply pipe 21 . An exhaust drain valve 27 is connected to the impurity discharge port 24c of the gas-liquid separator 24. An exhaust pipe 32 is connected to the outlet of the exhaust drain valve 27. When the controller 5 opens the exhaust drain valve 27, impurities separated from the off-gas by the gas-liquid separator 24 are discharged into the exhaust pipe 32.

燃料電池システム２の酸化剤ガス供給側の装備について説明する。燃料電池システム２は、ＦＣスタック１０のカソード側へ酸化剤ガス（空気）を送るための装備として、空気供給管３１、空気コンプレッサ３４、流量調整弁４１ｃ、調圧弁４１ｄを備えている。 The equipment on the oxidant gas supply side of the fuel cell system 2 will be explained. The fuel cell system 2 includes an air supply pipe 31, an air compressor 34, a flow rate regulating valve 41c, and a pressure regulating valve 41d as equipment for sending oxidant gas (air) to the cathode side of the FC stack 10.

空気供給管３１の一端がＦＣスタック１０のカソードガス入口１７ａに接続しており、他端は外気に開放されている。空気供給管３１の途中に空気コンプレッサ３４、流量調整弁４１ｃ、圧力センサ４２ｂが取り付けられている。空気コンプレッサ３４が外気を圧縮し、空気供給管３１を通じて空気をＦＣスタック１０（カソード拡散層１５）へ供給する。ＦＣスタック１０のカソードガス出口１７ｂには排気管３２が接続されている。排気管３２には調圧弁４１ｄが取り付けられている。 One end of the air supply pipe 31 is connected to the cathode gas inlet 17a of the FC stack 10, and the other end is open to the outside air. An air compressor 34, a flow rate regulating valve 41c, and a pressure sensor 42b are attached in the middle of the air supply pipe 31. The air compressor 34 compresses outside air and supplies the air to the FC stack 10 (cathode diffusion layer 15) through the air supply pipe 31. An exhaust pipe 32 is connected to the cathode gas outlet 17b of the FC stack 10. A pressure regulating valve 41d is attached to the exhaust pipe 32.

流量調整弁４１ｃは三方弁であり、空気供給管３１をバイパス管３３に接続する。バイパス管３３は、空気コンプレッサ３４が吸い込んだ空気の一部を、ＦＣスタック１０を迂回して排気管３２へ導く。流量調整弁４１ｃの開度を調整することで、ＦＣスタック１０へ供給する酸化剤ガス(空気）の流量を調整することができる。流量調整弁４１ｃの開度を絞ると、ＦＣスタック１０へ供給される空気の流量が減る。 The flow rate adjustment valve 41c is a three-way valve and connects the air supply pipe 31 to the bypass pipe 33. The bypass pipe 33 guides a portion of the air sucked in by the air compressor 34 to the exhaust pipe 32, bypassing the FC stack 10. By adjusting the opening degree of the flow rate adjustment valve 41c, the flow rate of the oxidant gas (air) supplied to the FC stack 10 can be adjusted. When the opening degree of the flow rate adjustment valve 41c is reduced, the flow rate of air supplied to the FC stack 10 is reduced.

また、調圧弁４１ｄの開度を調整することにより、ＦＣスタック１０（カソード拡散層１５）に供給される酸化剤ガス（空気）の圧力（供給圧）が調整される。調圧弁４１ｄの開度を絞ると、供給圧が高まる。流量調整弁４１ｃの下流側に圧力センサ４２ｂが接続されており、ＦＣスタック１０へ供給される酸化剤ガス（空気）の圧力（供給圧）を計測する。コントローラ５は、圧力センサ４２ｂの計測値をモニタしつつ、調圧弁４１ｄの開度を制御し、供給圧を調整する。 Further, by adjusting the opening degree of the pressure regulating valve 41d, the pressure (supply pressure) of the oxidant gas (air) supplied to the FC stack 10 (cathode diffusion layer 15) is adjusted. When the opening degree of the pressure regulating valve 41d is reduced, the supply pressure increases. A pressure sensor 42b is connected to the downstream side of the flow rate adjustment valve 41c, and measures the pressure (supply pressure) of the oxidant gas (air) supplied to the FC stack 10. The controller 5 monitors the measured value of the pressure sensor 42b, controls the opening degree of the pressure regulating valve 41d, and adjusts the supply pressure.

排気管３２は、排気排水弁２７の出口と、カソードガス出口１７ｂに接続されている。排気管３２は、ＦＣスタック１０のカソードガス出口１７ｂから排出される排出空気と、排気排水弁２７の出口から排出される不純物ガスとを混合して外気に放出する。排気管３２の下流側にはマフラ３５が接続されている。排出ガス（排出空気と不純物ガスの混合ガス）は、マフラ３５を通して外気に放出される。 The exhaust pipe 32 is connected to the outlet of the exhaust drain valve 27 and the cathode gas outlet 17b. The exhaust pipe 32 mixes exhaust air discharged from the cathode gas outlet 17b of the FC stack 10 and impurity gas discharged from the outlet of the exhaust/drain valve 27, and discharges the mixture to the outside air. A muffler 35 is connected to the downstream side of the exhaust pipe 32. The exhaust gas (mixed gas of exhaust air and impurity gas) is discharged to the outside air through the muffler 35.

インジェクタ２２、ポンプ２６、弁４１ａ－４１ｄ、排気排水弁２７、空気コンプレッサ３４、昇圧コンバータ１０１は、コントローラ５が制御する。圧力センサ４２ａ、４２ｂの計測値はコントローラ５に送られる。 The injector 22, the pump 26, the valves 41a to 41d, the exhaust and drain valve 27, the air compressor 34, and the boost converter 101 are controlled by the controller 5. The measured values of the pressure sensors 42a and 42b are sent to the controller 5.

先に述べたように、コントローラ５は、電圧センサ６と電流センサ７の計測値に基づいて、ＦＣスタック１０の出力電力が一定となるように昇圧コンバータ４を制御する。また、コントローラ５は、ＦＣスタック１０に供給される燃料ガスのストイキ比（燃料ストイキ比）と酸化剤ガスのストイキ比（酸化剤ストイキ比）を調整する。コントローラ５は、流量調整弁４１ｃの開度を調整することで、ＦＣスタック１０へ供給される酸化剤ガスの流量、すなわち、酸化剤ストイキ比を調整することができる。また、コントローラ５は、インジェクタ２２の出力を調整することで、ＦＣスタック１０へ供給される燃料ガスの流量、すなわち、燃料ストイキ比を調整することができる。先に述べたように、コントローラ５は、調圧弁４１ｄの開度を調整することで、ＦＣスタック１０への酸化剤ガスの供給圧を調整することができる。 As described above, controller 5 controls boost converter 4 based on the measured values of voltage sensor 6 and current sensor 7 so that the output power of FC stack 10 is constant. Further, the controller 5 adjusts the stoichiometric ratio of the fuel gas (fuel stoichiometric ratio) and the stoichiometric ratio of the oxidant gas (oxidant stoichiometric ratio) supplied to the FC stack 10 . The controller 5 can adjust the flow rate of the oxidant gas supplied to the FC stack 10, that is, the oxidant stoichiometric ratio, by adjusting the opening degree of the flow rate adjustment valve 41c. Furthermore, by adjusting the output of the injector 22, the controller 5 can adjust the flow rate of the fuel gas supplied to the FC stack 10, that is, the fuel stoichiometric ratio. As described above, the controller 5 can adjust the supply pressure of the oxidant gas to the FC stack 10 by adjusting the opening degree of the pressure regulating valve 41d.

よく知られているように、酸化剤ストイキ比を比較的に高く設定し、燃料ストイキ比を比較的に低く設定すると、ＦＣスタック１０の内部で乾燥が進む（湿度が下がる）。逆に、酸化剤ストイキ比を比較的に低く設定し、燃料ストイキ比を比較的に高く設定すると、ＦＣスタック１０の内部が加湿される（湿度が上がる）。ＦＣスタック１０は、内部の湿度が所定の許容範囲を外れると発電効率が下がる。燃料電池システム２は、定期的に燃料ストイキ比と酸化剤ストイキ比と供給圧（酸化剤ガスのＦＣスタック１０への供給圧）を調整することで、ＦＣスタック１０の湿度を適度な許容範囲に保ちつつ、長期間にわたって出力電力を一定に保持することができる。以下、コントローラ５が実行する制御について説明する。 As is well known, when the oxidant stoichiometric ratio is set relatively high and the fuel stoichiometric ratio is set relatively low, drying progresses inside the FC stack 10 (humidity decreases). Conversely, when the oxidant stoichiometric ratio is set relatively low and the fuel stoichiometric ratio is set relatively high, the inside of the FC stack 10 is humidified (humidity increases). The power generation efficiency of the FC stack 10 decreases when the internal humidity falls outside of a predetermined allowable range. The fuel cell system 2 regularly adjusts the fuel stoichiometric ratio, oxidant stoichiometric ratio, and supply pressure (supply pressure of oxidant gas to the FC stack 10) to keep the humidity of the FC stack 10 within an appropriate allowable range. output power can be held constant over a long period of time. The control executed by the controller 5 will be described below.

コントローラ５は、次の２種類の設定値群を記憶している。第１設定値群は、第１酸化剤ストイキ比、第１燃料ストイキ比、および、第１圧力を含む。第２設定値群は、第２酸化剤ストイキ比、第２燃料ストイキ比、および、第２圧力を含む。第１圧力と第２圧力は、酸化剤ガスの供給圧の設定値である。第１設定値群と第２設定値群は、ともに、ＦＣスタック１０を運転するときの条件である。 The controller 5 stores the following two types of set value groups. The first set value group includes a first oxidizer stoichiometric ratio, a first fuel stoichiometric ratio, and a first pressure. The second set value group includes a second oxidizer stoichiometric ratio, a second fuel stoichiometric ratio, and a second pressure. The first pressure and the second pressure are set values for the supply pressure of the oxidant gas. Both the first set value group and the second set value group are conditions for operating the FC stack 10.

コントローラ５は、流量調整弁４１ｃの開度を制御して酸化剤ストイキ比を第１ストイキ比に調整し、調圧弁４１ｄの開度を制御して酸化剤ガスの供給圧を第１圧力に調整し、インジェクタ２２の出力を制御して燃料ストイキ比を第１燃料ストイキ比に調整する。コントローラ５は、所定の条件が成立すると、酸化剤ストイキ比を第１酸化剤ストイキ比から第２酸化剤ストイキ比に変更し、供給圧を第１圧力から第２圧力に変更し、前記燃料ストイキ比を第１燃料ストイキ比から第２燃料ストイキ比に変更する。 The controller 5 controls the opening degree of the flow rate regulating valve 41c to adjust the oxidizing agent stoichiometric ratio to the first stoichiometric ratio, and controls the opening degree of the pressure regulating valve 41d to adjust the supply pressure of the oxidizing agent gas to the first pressure. Then, the output of the injector 22 is controlled to adjust the fuel stoichiometric ratio to the first fuel stoichiometric ratio. When a predetermined condition is satisfied, the controller 5 changes the oxidant stoichiometric ratio from the first oxidant stoichiometric ratio to the second oxidant stoichiometric ratio, changes the supply pressure from the first pressure to the second pressure, and changes the fuel stoichiometric ratio. The ratio is changed from the first fuel stoichiometric ratio to the second fuel stoichiometric ratio.

第１設定値群、すなわち、第１酸化剤ストイキ比、第１燃料ストイキ比、および、第１圧力は、理想的な発電効率が得られる値に設定されている。一方、理想的な発電効率が得られる第１設定値群を用いてＦＣスタック１０を運転すると、ＦＣスタック１０の内部が徐々に乾燥していく。第２設定値群、すなわち、第２酸化剤ストイキ比、第２燃料ストイキ比、および、第２圧力は、発電効率は第１設置値群を用いた場合よりも下がるが、ＦＣスタック１０でアノードからカソードへ水分が十分に移動するように設定されている。第２酸化剤ストイキ比は第１酸化剤ストイキ比よりも小さく、第２圧力は第１圧力よりも高く、第２燃料ストイキ比は第１燃料ストイキ比よりも大きい。 The first set value group, that is, the first oxidizer stoichiometric ratio, the first fuel stoichiometric ratio, and the first pressure are set to values that provide ideal power generation efficiency. On the other hand, when the FC stack 10 is operated using the first set value group that provides ideal power generation efficiency, the inside of the FC stack 10 gradually dries. With the second set value group, that is, the second oxidizer stoichiometric ratio, the second fuel stoichiometric ratio, and the second pressure, the power generation efficiency is lower than when the first set value group is used, but the anode at the FC stack 10 is The setting is such that sufficient moisture moves from the cathode to the cathode. The second oxidant stoichiometric ratio is lower than the first oxidant stoichiometric ratio, the second pressure is higher than the first pressure, and the second fuel stoichiometric ratio is higher than the first fuel stoichiometric ratio.

コントローラ５は、通常は第１設定値群を用いてＦＣスタック１０を運転する。第１設定値群を用いたＦＣスタック１０の運転を続けると、ＦＣスタック１０の内部が徐々に乾燥していく。先に述べたように、コントローラ５は、ＦＣスタック１０の出力電力を一定に保持する。ＦＣスタック１０が乾燥していくと、ＦＣスタック１０の発電効率が落ち、出力電圧が低下していく。コントローラ５は、ＦＣスタック１０の出力電圧が低下すると、出力電流を増加させて出力電力を一定に保つ。すなわち、出力電力を一定に保つようにＦＣスタック１０を制御するとき、出力電流の増加がＦＣスタック１０の乾燥の進行の指標となる。コントローラ５は、出力電流が所定の閾値（加湿開始電流値）を超えたら、ＦＣスタック１０を運転する際の設定値群を第１設定値群から第２設定値群に変更する。すなわち、コントローラ５は、ＦＣスタック１０の出力電流が加湿開始電流値を超えたら、酸化剤ストイキ比を第１酸化剤ストイキ比から第２酸化剤ストイキ比に変更し、供給圧を第１圧力から第２圧力に変更し、燃料ストイキ比を第１燃料ストイキ比から第２燃料ストイキ比に変更する。第２設定値群を使ってＦＣスタック１０の運転を続けると、ＦＣスタック１０の内部が加湿され、乾燥状態が緩和する。 The controller 5 normally operates the FC stack 10 using the first set value group. As the FC stack 10 continues to operate using the first set value group, the inside of the FC stack 10 gradually dries. As mentioned above, the controller 5 keeps the output power of the FC stack 10 constant. As the FC stack 10 becomes dry, the power generation efficiency of the FC stack 10 decreases, and the output voltage decreases. When the output voltage of the FC stack 10 decreases, the controller 5 increases the output current to keep the output power constant. That is, when controlling the FC stack 10 to keep the output power constant, an increase in the output current becomes an indicator of the progress of drying of the FC stack 10. When the output current exceeds a predetermined threshold (humidification start current value), the controller 5 changes the set value group for operating the FC stack 10 from the first set value group to the second set value group. That is, when the output current of the FC stack 10 exceeds the humidification start current value, the controller 5 changes the oxidant stoichiometric ratio from the first oxidant stoichiometric ratio to the second oxidant stoichiometric ratio, and changes the supply pressure from the first pressure to the second oxidant stoichiometric ratio. The pressure is changed to the second pressure, and the fuel stoichiometric ratio is changed from the first fuel stoichiometric ratio to the second fuel stoichiometric ratio. If the FC stack 10 continues to operate using the second set value group, the inside of the FC stack 10 will be humidified and the dry state will be alleviated.

ＦＣスタック１０の内部の乾燥状態が緩和すると、ＦＣスタック１０の発電効率が回復し、出力電圧が上昇する。コントローラ５は、出力電力を一定に保つべく、出力電圧の上昇に合わせて出力電流を下げる。コントローラ５は、ＦＣスタック１０の出力電流が所定の別の閾値（加湿停止電流値）を下回ったら、用いる設定値群を第２設定値群から第１設定値群に戻す。すなわち、コントローラ５は、ＦＣスタック１０の出力電流が加湿開始電流値を超えた後、加湿開始電流値よりも低い加湿停止電流値を下回ったら、酸化剤ストイキ比を第２酸化剤ストイキ比から第１酸化剤ストイキ比に戻し、供給圧を第２圧力から第１圧力に戻し、燃料ストイキ比を第２燃料ストイキ比から第１燃料ストイキ比に戻す。ＦＣスタック１０を運転するのに用いる設定値群を第１設定値群に戻すことによって、ＦＣスタック１０の加湿が止まる。以後は、ＦＣスタック１０の内部で再び徐々に乾燥が進む。コントローラ５は、第１設定値群と第２設定値群を交互に用いることによって、ＦＣスタック１０の内部の湿度を適切な許容範囲に保持し、出力電力を長期間にわたって一定に保つことができる。 When the dry state inside the FC stack 10 eases, the power generation efficiency of the FC stack 10 is restored and the output voltage increases. The controller 5 lowers the output current in accordance with the rise in the output voltage in order to keep the output power constant. When the output current of the FC stack 10 falls below another predetermined threshold (humidification stop current value), the controller 5 returns the set value group to be used from the second set value group to the first set value group. That is, when the output current of the FC stack 10 exceeds the humidification start current value and then falls below the humidification stop current value, which is lower than the humidification start current value, the controller 5 changes the oxidant stoichiometric ratio from the second oxidant stoichiometric ratio to the second oxidant stoichiometric ratio. 1 oxidant stoichiometric ratio, the supply pressure is returned from the second pressure to the first pressure, and the fuel stoichiometric ratio is returned from the second fuel stoichiometric ratio to the first fuel stoichiometric ratio. By returning the set value group used to operate the FC stack 10 to the first set value group, humidification of the FC stack 10 is stopped. Thereafter, drying gradually progresses inside the FC stack 10 again. By alternately using the first set value group and the second set value group, the controller 5 can maintain the humidity inside the FC stack 10 within an appropriate tolerance range and keep the output power constant over a long period of time. .

図２を用いて燃料電池システム２の動作を説明する。図２のタイムチャートにおいて、グラフＧ１はＦＣスタック１０の出力電力を示している。グラフＧ２は出力電圧を示し、グラフＧ３は出力電流を示す。グラフＧ４は流量調整弁４１ｃの開度を示し、グラフＧ５は酸化剤ストイキ比を示し、グラフＧ６は調圧弁４１ｄの開度を示す。グラフＧ７は酸化剤ガスの供給圧を示し、グラフＧ８はインジェクタ２２の出力を示し、グラフＧ９は燃料ストイキ比を示す。図３以降の図でも、Ｇ１－Ｇ９のグラフの意味は同じである。 The operation of the fuel cell system 2 will be explained using FIG. 2. In the time chart of FIG. 2, a graph G1 shows the output power of the FC stack 10. Graph G2 shows the output voltage, and graph G3 shows the output current. Graph G4 shows the opening degree of the flow rate regulating valve 41c, graph G5 shows the oxidizer stoichiometric ratio, and graph G6 shows the opening degree of the pressure regulating valve 41d. Graph G7 shows the supply pressure of the oxidant gas, graph G8 shows the output of the injector 22, and graph G9 shows the fuel stoichiometric ratio. In the figures after FIG. 3, the meanings of the graphs G1-G9 are the same.

ＦＣスタック１０の出力電流が加湿開始電流値Ｉｔｈ１を超えるまでは、コントローラ５は、酸化剤ストイキ比が第１酸化剤ストイキ比Ｃｓｔ１となるように流量調整弁４１ｃの開度を第１開度Ｆｖ１に制御する。また、コントローラ５は、供給圧が第１圧力Ｐｓｐ１となるように調圧弁４１ｄの開度を第１開度Ｐｖ１に制御する。コントローラ５は、燃料ストイキ比が第１燃料ストイキ比Ｆｓｔ１となるようにインジェクタ２２の出力を第１インジェクタ出力Ｉｎ１に制御する。コントローラ５は、第１設定値群（第１酸化剤ストイキ比Ｃｓｔ１、第１圧力Ｐｓｐ１、第１燃料ストイキ比Ｆｓｔ１）を用いてＦＣスタック１０を運転する。 Until the output current of the FC stack 10 exceeds the humidification start current value Ith1, the controller 5 changes the opening degree of the flow rate adjustment valve 41c to the first opening degree Fv1 so that the oxidant stoichiometric ratio becomes the first oxidant stoichiometric ratio Cst1. to control. Further, the controller 5 controls the opening degree of the pressure regulating valve 41d to the first opening degree Pv1 so that the supply pressure becomes the first pressure Psp1. The controller 5 controls the output of the injector 22 to the first injector output In1 so that the fuel stoichiometric ratio becomes the first fuel stoichiometric ratio Fst1. The controller 5 operates the FC stack 10 using a first set value group (first oxidant stoichiometric ratio Cst1, first pressure Psp1, first fuel stoichiometric ratio Fst1).

第１設定値群は、理想的な発電効率が得られるように設定されている。一方、第１設定値群を用いると、ＦＣスタック１０の内部が徐々に乾燥していく。ＦＣスタック１０の内部の乾燥が進むとＦＣスタック１０の発電効率が下がる。ＦＣスタック１０の発電効率が下がるとＦＣスタック１０の出力電圧が低下する。コントローラ５は、ＦＣスタック１０の出力電力が一定となるように昇圧コンバータ４の出力電圧を高め、その結果、ＦＣスタック１０の出力電流が増加する。 The first set value group is set so that ideal power generation efficiency can be obtained. On the other hand, when the first set value group is used, the inside of the FC stack 10 gradually dries. As the interior of the FC stack 10 becomes increasingly dry, the power generation efficiency of the FC stack 10 decreases. When the power generation efficiency of the FC stack 10 decreases, the output voltage of the FC stack 10 decreases. Controller 5 increases the output voltage of boost converter 4 so that the output power of FC stack 10 is constant, and as a result, the output current of FC stack 10 increases.

時刻Ｔ１にＦＣスタック１０の出力電流が加湿開始電流値Ｉｔｈ１を超える。時刻Ｔ１にて、コントローラ５は、酸化剤ストイキ比が第１酸化剤ストイキ比Ｃｓｔ１から第２酸化剤ストイキ比Ｃｓｔ２に下がるように、流量調整弁４１ｃの開度を第１開度Ｆｖ１から第２開度Ｆｖ２に絞る。コントローラ５は、供給圧が第１圧力Ｐｓｐ１から第２圧力Ｐｓｐ２に上がるように、調圧弁４１ｄの開度を第１開度Ｐｖ１から第２開度Ｐｖ２に絞る。調圧弁４１ｄはＦＣスタック１０の酸化剤ガス排出側の調圧弁であるから、調圧弁４１ｄの開度を絞るとＦＣスタック１０の供給圧が上昇する。 At time T1, the output current of the FC stack 10 exceeds the humidification start current value Ith1. At time T1, the controller 5 changes the opening degree of the flow rate regulating valve 41c from the first opening degree Fv1 to the second opening degree so that the oxidant stoichiometric ratio decreases from the first oxidant stoichiometric ratio Cst1 to the second oxidant stoichiometric ratio Cst2. Reduce the opening to Fv2. The controller 5 narrows the opening degree of the pressure regulating valve 41d from the first opening degree Pv1 to the second opening degree Pv2 so that the supply pressure increases from the first pressure Psp1 to the second pressure Psp2. Since the pressure regulating valve 41d is a pressure regulating valve on the oxidant gas discharge side of the FC stack 10, the supply pressure of the FC stack 10 increases when the opening degree of the pressure regulating valve 41d is reduced.

さらに、コントローラ５は、燃料ストイキ比が第１燃料ストイキ比Ｆｓｔ１から第２燃料ストイキ比Ｆｓｔ２に上がるように、インジェクタ２２の出力を第１インジェクタ出力Ｉｎ１から第２インジェクタ出力Ｉｎ２へ高める。先に述べたように、第２酸化剤ストイキ比Ｃｓｔ２は第１酸化剤ストイキ比Ｃｓｔ１よりも小さく、第２圧力Ｐｓｐ２は第１圧力Ｐｓｐ１よりも高く、第２燃料ストイキ比Ｆｓｔ２は第１燃料ストイキ比Ｆｓｔ１よりも大きい。 Further, the controller 5 increases the output of the injector 22 from the first injector output In1 to the second injector output In2 so that the fuel stoichiometric ratio increases from the first fuel stoichiometric ratio Fst1 to the second fuel stoichiometric ratio Fst2. As mentioned above, the second oxidant stoichiometric ratio Cst2 is lower than the first oxidant stoichiometric ratio Cst1, the second pressure Psp2 is higher than the first pressure Psp1, and the second fuel stoichiometric ratio Fst2 is lower than the first oxidant stoichiometric ratio Cst1. It is larger than the ratio Fst1.

第２燃料ストイキ比Ｆｓｔ２が大きいと、大量の水素が供給され、アノードからカソードへの水分の移動が促進される。また、第２圧力Ｐｓｐ２が大きいと、空気中の多くの水分がＦＣスタック１０に供給され、第２酸化剤ストイキ比Ｃｓｔ２が小さいと、ＦＣスタック１０のカソード側の内部の水（液体）の排出量が下がる。すなわち、供給圧を高め、酸化剤ストイキ比を下げることは、ＦＣスタック１０の加湿を促進する。 When the second fuel stoichiometric ratio Fst2 is large, a large amount of hydrogen is supplied and the movement of moisture from the anode to the cathode is promoted. Further, when the second pressure Psp2 is large, a lot of moisture in the air is supplied to the FC stack 10, and when the second oxidant stoichiometric ratio Cst2 is small, water (liquid) inside the cathode side of the FC stack 10 is discharged. quantity decreases. That is, increasing the supply pressure and lowering the oxidant stoichiometric ratio promotes humidification of the FC stack 10.

第２設定値群を用いてＦＣスタック１０を運転すると、ＦＣスタック１０の内部の乾燥が和らぎ、発電効率が回復し、ＦＣスタック１０の出力電圧が高くなる。コントローラ５は出力電力が一定となるように昇圧コンバータ４を制御するので、出力電圧の上昇とともに出力電流は下がる。時刻Ｔ２にＦＣスタック１０の出力電流が加湿停止電流値Ｉｔｈ２を下回る。このとき、コントローラ５は酸化剤ストイキ比などの設定値群を第２設定値群から第１設定値群に戻す。ＦＣスタック１０の内部の加湿が止まり、再び徐々に乾燥していく。時刻Ｔ３（および時刻Ｔ５）に出力電流が再び加湿開始電流値Ｉｔｈ１を超えるとコントローラ５は設定値群を第１設定値群から第２設定値群に切り替える。ＦＣスタック１０の出力電流が徐々に低下し、時刻Ｔ４（時刻Ｔ６）に出力電流が加湿停止電流値を下回ると、コントローラ５は設定値群を再び第１設定値群に戻す。コントローラ５は、ＦＣスタック１０の出力電流に応じて第１設定値群と第２設定値群を交互に切り替えることで、長期間にわたってＦＣスタック１０の出力電力を一定に保つことができる。 When the FC stack 10 is operated using the second set value group, the dryness inside the FC stack 10 is relieved, power generation efficiency is restored, and the output voltage of the FC stack 10 is increased. Since the controller 5 controls the boost converter 4 so that the output power is constant, the output current decreases as the output voltage increases. At time T2, the output current of the FC stack 10 falls below the humidification stop current value Ith2. At this time, the controller 5 returns the set value group such as the oxidizer stoichiometric ratio from the second set value group to the first set value group. Humidification inside the FC stack 10 stops, and it gradually dries again. When the output current exceeds the humidification start current value Ith1 again at time T3 (and time T5), the controller 5 switches the set value group from the first set value group to the second set value group. When the output current of the FC stack 10 gradually decreases and falls below the humidification stop current value at time T4 (time T6), the controller 5 returns the set value group to the first set value group again. The controller 5 can maintain the output power of the FC stack 10 constant over a long period of time by alternately switching between the first set value group and the second set value group according to the output current of the FC stack 10.

なお、流量調整弁４１ｃの開度などの変化は実際には応答遅れを伴う。しかし、図２のグラフＧ４－Ｇ９は、応答遅れを無視した理想的な変化を示していることに留意されたい。図３－図５のタイムチャートも、応答遅れを無視した理想的な変化を示していることに留意されたい。 Note that a change in the opening degree of the flow rate regulating valve 41c is actually accompanied by a response delay. However, it should be noted that graphs G4-G9 in FIG. 2 show ideal changes that ignore response delays. It should be noted that the time charts in FIGS. 3 to 5 also show ideal changes ignoring response delays.

（第１変形例）図３を参照して、コントローラ５によるＦＣスタック１０の制御の第１変形例を説明する。第１変形例では、コントローラ５は、ＦＣスタック１０の出力電流が加湿開始電流値Ｉｔｈ１を超えた後、加湿停止電流値Ｉｔｈ２を下回ったら、ＦＣスタック１０から水を抜く排水処理を実行する。図３のフローチャートでは、図２のフローチャートと同様に、ＦＣスタック１０の出力電流は時刻Ｔ１に加湿開始電流値Ｉｔｈ１を超える。そこで、コントローラ５は、設定値群を第１設置値群から第２設定値群に切り替える。ＦＣスタック１０の出力電流は時刻Ｔ２に加湿停止電流値Ｉｔｈ２を下回る。時刻Ｔ２から時刻Ｔ２ａまでの間、コントローラ５は排水処理を実行する。排水処理では、コントローラ５は、流量調整弁４１ｃの開度を第３開度Ｆｖ３に高め、調圧弁４１ｄの開度を第１開度Ｐｖ１へ戻す。流量調整弁４１ｃを第３開度Ｆｖ３まで開くと、酸化剤ストイキ比は第３酸化剤ストイキ比Ｃｓｔ３まで上昇する。調圧弁４１ｄを第１開度Ｐｖ１に戻すと、供給圧は第１圧力Ｐｓｐ１に戻る。 (First Modification) A first modification of the control of the FC stack 10 by the controller 5 will be described with reference to FIG. In the first modification, the controller 5 performs drainage processing to remove water from the FC stack 10 when the output current of the FC stack 10 exceeds the humidification start current value Ith1 and then falls below the humidification stop current value Ith2. In the flowchart of FIG. 3, similarly to the flowchart of FIG. 2, the output current of the FC stack 10 exceeds the humidification start current value Ith1 at time T1. Therefore, the controller 5 switches the set value group from the first set value group to the second set value group. The output current of the FC stack 10 falls below the humidification stop current value Ith2 at time T2. From time T2 to time T2a, the controller 5 executes drainage treatment. In the wastewater treatment, the controller 5 increases the opening degree of the flow rate regulating valve 41c to the third opening degree Fv3, and returns the opening degree of the pressure regulating valve 41d to the first opening degree Pv1. When the flow rate adjustment valve 41c is opened to the third opening degree Fv3, the oxidant stoichiometric ratio increases to the third oxidant stoichiometric ratio Cst3. When the pressure regulating valve 41d is returned to the first opening degree Pv1, the supply pressure returns to the first pressure Psp1.

流量調整弁４１ｃの第３開度Ｆｖ３は第１開度Ｆｖ１よりも大きく、ＦＣスタック１０に大量の酸化剤ガスが供給される。残余の酸化剤ガスの排出により、ＦＣスタック１０の内部に溜まった水が押し出される。コントローラ５は、時刻Ｔ２ａに、設定値群を第１設定値群に戻し、ＦＣスタック１０の運転を続ける。 The third opening degree Fv3 of the flow rate adjustment valve 41c is larger than the first opening degree Fv1, and a large amount of oxidant gas is supplied to the FC stack 10. By discharging the remaining oxidant gas, water accumulated inside the FC stack 10 is pushed out. The controller 5 returns the set value group to the first set value group at time T2a, and continues operating the FC stack 10.

ＦＣスタック１０を運転するための設定値群を第１設定値群から第２設定値群に変更することで、ＦＣスタック１０の加湿が進み、ＦＣスタック１０の中の乾燥状態が緩和する。同時に、ＦＣスタック１０の内部に水が溜まるおそれがある。ＦＣスタック１０の内部に過度の水分が残っても発電効率が低下する。コントローラ５は、第２設定値群を用いてＦＣスタック１０の内部を加湿した後、排水処理を実行して余分の水分をＦＣスタック１０から排出する。余分な水分を排出することで、その後の発電効率が向上する。 By changing the set value group for operating the FC stack 10 from the first set value group to the second set value group, humidification of the FC stack 10 progresses and the dry state inside the FC stack 10 is alleviated. At the same time, water may accumulate inside the FC stack 10. Even if excessive moisture remains inside the FC stack 10, power generation efficiency decreases. After humidifying the inside of the FC stack 10 using the second set value group, the controller 5 executes drainage treatment to discharge excess moisture from the FC stack 10. By removing excess water, subsequent power generation efficiency improves.

（第２変形例）図４を参照して、コントローラ５によるＦＣスタック１０の制御の第２変形例を説明する。図４は、第２変形例の処理のタイムチャートである。第２変形例では、コントローラ５は、ＦＣスタック１０の出力電流が加湿開始電流値Ｉｔｈ１を超えたら、第１設定値群を第２設定値群に切り替えてＦＣスタック１０を運転する。コントローラ５は、所定の加湿時間ｄＴが経過したら、設定値群を第１設定値群に戻す。予め定められた加湿時間ｄＴは、ＦＣスタック１０の内部の乾燥が十分に解消されるように設定される。なお、コントローラ５は、加湿時間ｄＴが経過した後、ＦＣスタック１０から水を抜く排水処理を実行するようにしてもよい。排水処理については第１変形例で説明した通りである。 (Second Modification) A second modification of the control of the FC stack 10 by the controller 5 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a time chart of processing in the second modification. In the second modification, when the output current of the FC stack 10 exceeds the humidification start current value Ith1, the controller 5 switches the first set value group to the second set value group and operates the FC stack 10. The controller 5 returns the set value group to the first set value group after the predetermined humidification time dT has elapsed. The predetermined humidification time dT is set so that dryness inside the FC stack 10 is sufficiently eliminated. Note that the controller 5 may perform a drainage process to remove water from the FC stack 10 after the humidification time dT has elapsed. The waste water treatment is as explained in the first modification.

（第３変形例）図５を参照してコントローラ５によるＦＣスタック１０の制御の第３変形例を説明する。図５は、第３変形例の処理のタイムチャートである。なお、図５では、流量調整弁４１ｃの開度（グラフＧ４）と調圧弁４１ｄの開度（グラフＧ６）とインジェクタ２２の出力（グラフＧ８）のタイムチャートは省略した。 (Third Modification) A third modification of the control of the FC stack 10 by the controller 5 will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a time chart of processing in the third modification. In addition, in FIG. 5, a time chart of the opening degree of the flow rate regulating valve 41c (graph G4), the opening degree of the pressure regulating valve 41d (graph G6), and the output of the injector 22 (graph G8) is omitted.

第３変形例では、コントローラ５は、第１設定値群を用いてＦＣスタック１０を運転する。コントローラ５は、一定の周期Ｃｙで一定の加湿時間ｄＴの間、設定値を第１設定値群から第２設定値群に切り替えてＦＣスタック１０を運転する。加湿時間ｄＴが経過したら、再び設定値を第２設定値群から第１設定値群に戻し、ＦＣスタック１０の運転を続ける。 In the third modification, the controller 5 operates the FC stack 10 using the first set value group. The controller 5 switches the set values from the first set value group to the second set value group and operates the FC stack 10 during a constant humidification time dT at a constant cycle Cy. After the humidification time dT has elapsed, the set values are returned from the second set value group to the first set value group, and the operation of the FC stack 10 is continued.

コントローラ５は、第１設定値群と第２設定値群を周期的に切り替える。ただし、ＦＣスタック１０の出力電流が加湿開始電流値Ｉｔｈ１を超えたら、コントローラ５は、周期にかかわらず、酸化剤ストイキ比を第２酸化剤ストイキ比Ｃｓｔ２に調整し、供給圧を第２圧力Ｐｓｐ２に調整し、燃料ストイキ比を第２燃料ストイキ比Ｆｓｔ２に調整し、周期の計時をリスタートする。すなわち、第２設定値群を用いる周期をゼロからカウントし直す。周期の計時をリスタートした後、コントローラ５は、改めて、周期Ｃｙで一定の加湿時間ｄＴの間、設定値を第１設定値群から第２設定値群に切り替えてＦＣスタック１０を運転する。すなわち、コントローラ５は、加湿時間ｄＴの間、第２設定値群を使ってＦＣスタック１０を運転する。加湿時間ｄＴが経過したら、設定値を第１設定値群に戻し、ＦＣスタック１０の運転を続ける。 The controller 5 periodically switches between the first set value group and the second set value group. However, when the output current of the FC stack 10 exceeds the humidification start current value Ith1, the controller 5 adjusts the oxidant stoichiometric ratio to the second oxidant stoichiometric ratio Cst2 regardless of the cycle, and adjusts the supply pressure to the second pressure Psp2. The fuel stoichiometric ratio is adjusted to the second fuel stoichiometric ratio Fst2, and the cycle time measurement is restarted. That is, the cycle using the second set value group is counted again from zero. After restarting the cycle time measurement, the controller 5 again switches the set values from the first set value group to the second set value group and operates the FC stack 10 for a constant humidification time dT in the cycle Cy. That is, the controller 5 operates the FC stack 10 using the second set value group during the humidification time dT. After the humidification time dT has elapsed, the set values are returned to the first set value group and the operation of the FC stack 10 is continued.

図５の例では、時刻Ｔ１で設定値群を第１設定値群から第２設定値群に切り替えてＦＣスタック１０を運転する。時刻Ｔ１から加湿時間ｄＴが経過したら設定値群を第１設定値群に戻す。コントローラ５は、時刻Ｔ１の次には時刻Ｔ２（時刻Ｔ１＋周期Ｃｙ）に設定値群を第２設定値群に切り替える予定である。 In the example of FIG. 5, the set value group is switched from the first set value group to the second set value group at time T1, and the FC stack 10 is operated. When the humidification time dT has elapsed from time T1, the set value group is returned to the first set value group. The controller 5 plans to switch the set value group to the second set value group at time T2 (time T1+cycle Cy) after time T1.

例えば、時刻Ｔ２よりも前の時刻Ｔ３にＦＣスタック１０の出力電流が加湿開始電流値Ｉｔｈ１を超える。コントローラ５は、出力電流が加湿開始電流値Ｉｔｈ１を超えたことを検知すると、周期に関わらずに、設定値群を第１設定値群から第２設定値群に切り替えてＦＣスタック１０を運転する。コントローラ５は、加湿時間ｄＴが経過したら、設定値群を第１設定値群に戻す。 For example, the output current of the FC stack 10 exceeds the humidification start current value Ith1 at time T3, which is earlier than time T2. When the controller 5 detects that the output current exceeds the humidification start current value Ith1, the controller 5 switches the set value group from the first set value group to the second set value group and operates the FC stack 10, regardless of the cycle. . The controller 5 returns the set value group to the first set value group after the humidification time dT has elapsed.

コントローラ５は、時刻Ｔ３に周期の経時をリスタートする。すなわち、コントローラ５は、時刻Ｔ３の次には時刻Ｔ４（時刻Ｔ３＋周期Ｃｙ）に、設定値群を第１設定値群から第２設定値群に切り替える。 The controller 5 restarts the elapsed cycle at time T3. That is, the controller 5 switches the set value group from the first set value group to the second set value group at time T4 (time T3+cycle Cy) after time T3.

第３変形例では、コントローラ５は、第１設定値群と第２設定値群を周期的に切り替えながらＦＣスタック１０を運転する。ＦＣスタック１０をそのように運転することで、ＦＣスタック１０の内部の湿度を適切な許容範囲に維持しながら、一定の出力電力を安定して出力し続けることができる。ただし、ＦＣスタック１０の出力電流が加湿開始電流値Ｉｔｈ１を超えたら、周期に関わらずに第２設定値群を用いてＦＣスタック１０を運転し、ＦＣスタック１０の内部の乾燥を解消する。 In the third modification, the controller 5 operates the FC stack 10 while periodically switching between the first set value group and the second set value group. By operating the FC stack 10 in this manner, it is possible to continue stably outputting a constant output power while maintaining the humidity inside the FC stack 10 within an appropriate tolerance range. However, if the output current of the FC stack 10 exceeds the humidification start current value Ith1, the FC stack 10 is operated using the second set value group regardless of the cycle to eliminate the dryness inside the FC stack 10.

実施例の燃料電池システム２（変形例を含む）は、酸化剤ガスを加湿する加湿器を備えなくとも、一定の電力を長時間にわたって安定して出力することができる。あるいは、燃料システム２は、加湿器が故障していても、一定の電力を安定して出力することができる。 The fuel cell system 2 of the embodiment (including modifications) can stably output a constant amount of power over a long period of time without having a humidifier that humidifies the oxidant gas. Alternatively, the fuel system 2 can stably output a constant amount of power even if the humidifier is out of order.

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例では、流量調整弁４１ｃを制御することで酸化剤ストイキ比を調整する。酸化剤ストイキ比を変えるのに空気コンプレッサ３４を用いてもよい。燃料ストイキ比を変える手段、および、酸化剤ガスの供給圧を変える手段も、実施例の手段とは異なる手段を用いてもよい。同様に、ＦＣスタック１０を排水するのも、実施例の手段とは異なる手段を用いてもよい。 Points to note regarding the techniques described in the examples will be described. In the embodiment, the oxidant stoichiometric ratio is adjusted by controlling the flow rate adjustment valve 41c. An air compressor 34 may be used to vary the oxidant stoichiometric ratio. The means for changing the fuel stoichiometric ratio and the means for changing the supply pressure of the oxidant gas may also be different from those in the embodiments. Similarly, the FC stack 10 may be drained by means different from the means in the embodiment.

また、ＦＣスタック１０の出力電力を一定に保持するのに、昇圧コンバータ４とは別のデバイスを用いてもよい。 Furthermore, a device other than boost converter 4 may be used to maintain the output power of FC stack 10 constant.

第１設定値群、すなわち、第１酸化剤ストイキ比、第１燃料ストイキ比、第１圧力は、燃料電池システム２に求められる出力電力に応じて変化してもよい。あるいは、第１設定値群は、ＦＣスタック１０に供給する燃料ガスの流量に応じて変化してもよい。ただし、第２酸化剤ストイキ比は、設定値群を第２設定値群へ切り替える直前の第１酸化剤ストイキ比よりも小さい。第２燃料ストイキ比は、設定値群を第２設定値群へ切り替える直前の第１燃料ストイキ比よりも大きい。第２圧力は、設定値群を第２設定値群へ切り替える直前の第１圧力よりも大きい。 The first set value group, that is, the first oxidant stoichiometric ratio, the first fuel stoichiometric ratio, and the first pressure may change depending on the output power required of the fuel cell system 2. Alternatively, the first set value group may change depending on the flow rate of fuel gas supplied to the FC stack 10. However, the second oxidant stoichiometric ratio is smaller than the first oxidant stoichiometric ratio immediately before switching the set value group to the second set value group. The second fuel stoichiometric ratio is larger than the first fuel stoichiometric ratio immediately before switching the set value group to the second set value group. The second pressure is greater than the first pressure immediately before switching the set value group to the second set value group.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely illustrative and do not limit the scope of the claims. The techniques described in the claims include various modifications and changes to the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical utility alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims as filed. Furthermore, the techniques illustrated in this specification or the drawings can achieve multiple objectives simultaneously, and achieving one of the objectives has technical utility in itself.

２：燃料電池システム ３：バッテリ ４：昇圧コンバータ ５：コントローラ ６：電圧センサ ７：電流センサ １０：燃料電池スタック（ＦＣスタック） ２０：燃料タンク ２１：燃料供給管 ２２：インジェクタ ２３：オフガス排出管 ２４：気液分離器 ２５：戻し管 ２６：ポンプ ２７：排気排水弁 ３１：空気供給管 ３２：排気管 ３３：バイパス管 ３４：空気コンプレッサ ３５：マフラ ４１ａ－４１ｄ：弁 ４２ａ、４２ｂ：圧力センサ １００：電気自動車 １０１：昇圧コンバータ １０２：インバータ １０３：電気モータ 2: Fuel cell system 3: Battery 4: Boost converter 5: Controller 6: Voltage sensor 7: Current sensor 10: Fuel cell stack (FC stack) 20: Fuel tank 21: Fuel supply pipe 22: Injector 23: Off-gas discharge pipe 24 : Gas-liquid separator 25: Return pipe 26: Pump 27: Exhaust drain valve 31: Air supply pipe 32: Exhaust pipe 33: Bypass pipe 34: Air compressor 35: Muffler 41a-41d: Valve 42a, 42b: Pressure sensor 100: Electric vehicle 101: Boost converter 102: Inverter 103: Electric motor

Claims (1)

燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの出力電力を一定に保つとともに、前記燃料電池スタックに供給する酸化剤ガスのストイキ比（酸化剤ストイキ比）を第１酸化剤ストイキ比に調整し、前記酸化剤ガスの前記燃料電池スタックへの供給圧を第１圧力に調整し、燃料ガスのストイキ比（燃料ストイキ比）を第１燃料ストイキ比に調整するコントローラと、
を備えており、
前記コントローラは、前記燃料電池スタックの出力電流が所定の加湿開始電流値を超えたら、前記酸化剤ストイキ比を前記第１酸化剤ストイキ比から第２酸化剤ストイキ比に変更し、前記供給圧を前記第１圧力から第２圧力に変更し、前記燃料ストイキ比を前記第１燃料ストイキ比から第２燃料ストイキ比に変更し、
前記第２酸化剤ストイキ比は前記第１酸化剤ストイキ比よりも小さく、
前記第２圧力は前記第１圧力よりも高く、
前記第２燃料ストイキ比は前記第１燃料ストイキ比よりも大きく、
前記コントローラは、さらに、
所定の周期で所定の加湿時間の間、前記酸化剤ストイキ比を前記第１酸化剤ストイキ比から前記第２酸化剤ストイキ比に変更し、前記供給圧を前記第１圧力から前記第２圧力に変更し、前記燃料ストイキ比を前記第１燃料ストイキ比から前記第２燃料ストイキ比に変更して前記燃料電池スタックを運転し、
前記出力電流が前記加湿開始電流値を超えたら、前記周期に関わらずに、前記酸化剤ストイキ比を前記第２酸化剤ストイキ比に調整し、前記供給圧を前記第２圧力に調整し、前記燃料ストイキ比を前記第２燃料ストイキ比に調整するとともに、前記周期の計時をリスタートする、
燃料電池システム。 fuel cell stack,
While keeping the output power of the fuel cell stack constant, the stoichiometric ratio of the oxidant gas supplied to the fuel cell stack (oxidant stoichiometric ratio) is adjusted to a first oxidant stoichiometric ratio, and the stoichiometric ratio of the oxidant gas supplied to the fuel a controller that adjusts the supply pressure to the battery stack to a first pressure and adjusts the stoichiometric ratio of fuel gas (fuel stoichiometric ratio) to the first fuel stoichiometric ratio;
It is equipped with
When the output current of the fuel cell stack exceeds a predetermined humidification start current value, the controller changes the oxidant stoichiometric ratio from the first oxidant stoichiometric ratio to a second oxidant stoichiometric ratio, and increases the supply pressure. changing the first pressure to a second pressure, and changing the fuel stoichiometric ratio from the first fuel stoichiometric ratio to a second fuel stoichiometric ratio,
the second oxidant stoichiometric ratio is smaller than the first oxidant stoichiometric ratio,
the second pressure is higher than the first pressure,
The second fuel stoichiometric ratio is larger than the first fuel stoichiometric ratio,
The controller further includes:
The oxidant stoichiometric ratio is changed from the first oxidant stoichiometric ratio to the second oxidant stoichiometric ratio during a predetermined humidification period at a predetermined period, and the supply pressure is changed from the first pressure to the second pressure. and operating the fuel cell stack by changing the fuel stoichiometric ratio from the first fuel stoichiometric ratio to the second fuel stoichiometric ratio,
When the output current exceeds the humidification start current value, regardless of the period, the oxidant stoichiometric ratio is adjusted to the second oxidant stoichiometric ratio, the supply pressure is adjusted to the second pressure, and the adjusting the fuel stoichiometric ratio to the second fuel stoichiometric ratio, and restarting the timing of the period;
fuel cell system.
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