JP2006079891A - Fuel cell system - Google Patents

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一秀 島田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To optimize a flow rate of hydrogen supplied to cells on the startup of a system and to prevent degradation in the cell performance. <P>SOLUTION: Prior to startup power generation of a fuel cell system, a variable valve 104 is opened by a predetermined opening rate; a controller 110 estimates hydrogen concentrations at a fuel cell stack 101 and a hydrogen passage, on the basis of a pressure of hydrogen supplied to the fuel cell stack 101; the pressure is detected by a hydrogen pressure sensor 109 after the expiration of a predetermined time interval; the opening rate of the variable valve 104 is adjusted by the controller 110, on the basis of the hydrogen concentrations estimated above; and hydrogen is supplied to the fuel cell stack 101 at a preset desired hydrogen flowrate Q. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、システムの起動時に燃料電池に水素のみを供給して発生する電力を負荷で消費し、カソード極の酸素を消費させる燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system that consumes electric power generated by supplying only hydrogen to a fuel cell when the system is started up, and consumes oxygen at a cathode electrode.

燃料電池車両は、圧縮水素ボンベ、液体水素タンク、水素吸蔵合金などの水素貯蔵装置を車両に搭載し、もしくはメタノール等の炭化水素系の燃料を改質し、水素貯蔵装置から供給された水素又は改質により得られた水素と酸素を含む大気とを燃料電池に送り込み反応させて発電を行い、燃料電池から取り出された電気エネルギで電気モータを動作させ、この電気モータで駆動輪を駆動して走行する車両である。   A fuel cell vehicle is equipped with a hydrogen storage device such as a compressed hydrogen cylinder, a liquid hydrogen tank, a hydrogen storage alloy, etc., or a hydrocarbon-based fuel such as methanol is reformed, and hydrogen supplied from the hydrogen storage device or The hydrogen obtained by reforming and the atmosphere containing oxygen are sent and reacted to the fuel cell to generate electricity, and the electric motor is operated by the electric energy extracted from the fuel cell, and the driving wheel is driven by this electric motor. It is a traveling vehicle.

このように、燃料ガスの水素と酸化剤ガスの空気との反応ガスを化学反応させて発電を行う燃料電池を起動する際に、水素と酸素が定常的に燃料電池に送り込まれてから燃料電池に負荷が接続されるまでの間は燃料電池は無負荷状態となる。これにより、燃料電池のセルは高電位に晒され、カソード極側の触媒の特性が低下することが従来より知られている。   Thus, when starting a fuel cell that generates power by chemically reacting a reaction gas of hydrogen of fuel gas and air of oxidant gas, the fuel cell is supplied after hydrogen and oxygen are constantly sent to the fuel cell. Until the load is connected to the fuel cell, the fuel cell is in a no-load state. As a result, it is conventionally known that the cells of the fuel cell are exposed to a high potential, and the characteristics of the catalyst on the cathode electrode side are degraded.

また、水素と酸素の流通と同時に燃料電池に負荷を接続するようにすれば、燃料電池のセルが高電位に晒されることは防止できる。一方、各セルで水素の流通距離が異なることにより各セルに水素が到達するまでの時間に差が生じ、水素が到達したセルと未だ到達していないセルとが生じる。このため、水素と酸素の流通と同時に燃料電池に負荷を接続
した場合に、水素が未だ到達していないセルでは、アノード極の腐食が発生することになる。
Further, if a load is connected to the fuel cell simultaneously with the flow of hydrogen and oxygen, it is possible to prevent the fuel cell from being exposed to a high potential. On the other hand, the difference in the flow time of hydrogen in each cell causes a difference in the time taken for hydrogen to reach each cell, resulting in cells that have reached hydrogen and cells that have not yet reached. For this reason, when a load is connected to the fuel cell simultaneously with the flow of hydrogen and oxygen, corrosion of the anode electrode occurs in a cell where hydrogen has not yet reached.

このような不具合に対して、以下に示す特許文献1に記載されている技術では、燃料電池に水素を供給して発生した電圧が上限値を越えた時に燃料電池に負荷を接続することで、燃料電池が無負荷状態で高電位とならないように制御し、水素が全セルに行き渡ったところで酸化剤の空気を供給するようにしている。これにより、燃料電池のセルに水素が到達していない状態で負荷電流が流れることは回避され、燃料極の腐食は防止される。また、燃料電池に空気を導入すると同時に負荷電流が流れるので、カソード極が無負荷状態の高電位に晒されることは回避される。
特開平10−144334号公報
With respect to such a problem, in the technique described in Patent Document 1 shown below, when a voltage generated by supplying hydrogen to the fuel cell exceeds an upper limit value, a load is connected to the fuel cell. Control is performed so that the fuel cell does not become a high potential in an unloaded state, and oxidant air is supplied when hydrogen reaches all the cells. Thereby, it is avoided that load current flows in a state where hydrogen does not reach the cells of the fuel cell, and corrosion of the fuel electrode is prevented. Further, since the load current flows simultaneously with the introduction of air into the fuel cell, it is avoided that the cathode electrode is exposed to a high potential in an unloaded state.
Japanese Patent Laid-Open No. 10-144334

以上説明したように、文献1に記載された従来の燃料電池システムにおいては、燃料電池の停止中にアノード極に空気が混入することが考慮されていない。   As described above, in the conventional fuel cell system described in Document 1, it is not considered that air is mixed into the anode electrode while the fuel cell is stopped.

燃料電池車両に搭載された燃料電池は、停止中に水素排出口に設置されたパージ弁を開放状態にしているのが一般的である。このため、燃料電池の停止中に、開放状態のパージ弁を介して燃料電池内に空気が入り込み、アノード極に残留する水素が徐々に空気と置き換わることになる。   In general, a fuel cell mounted on a fuel cell vehicle has a purge valve installed at a hydrogen discharge port opened while the vehicle is stopped. For this reason, while the fuel cell is stopped, air enters the fuel cell via the purge valve in the open state, and hydrogen remaining in the anode electrode is gradually replaced with air.

これにより、燃料電池を起動する際に、同じ一定の圧力で水素を燃料電池に供給した場合であっても、アノード極の水素がどの程度空気に置換されているかによってアノード極に流れる水素の流量に違いが生じてしまう。アノード極に供給される水素の流量が予め設定された規定の値よりも多い場合には、燃料電池の電圧が急激に立ち上がる。このため、燃料電池に接続される負荷では、燃料電池で発生した電力を消費しきれずにセルが高電位に晒され、電池性能が劣化するという問題があった。   As a result, even when hydrogen is supplied to the fuel cell at the same constant pressure when starting the fuel cell, the flow rate of hydrogen flowing to the anode electrode depends on how much hydrogen in the anode electrode is replaced with air. Will make a difference. When the flow rate of hydrogen supplied to the anode electrode is larger than a predetermined value set in advance, the voltage of the fuel cell rises rapidly. For this reason, the load connected to the fuel cell has a problem that the electric power generated in the fuel cell cannot be consumed and the cell is exposed to a high potential and the battery performance deteriorates.

逆に、アノード極に供給される水素の流量が規定の値よりも少ない場合には、水素が各セルになかなか行き渡らず、水素が各セルに供給されるまでに時間がかかるおそれがあった。このため、燃料電池の起動時に水素のみを供給して発生した電力を燃料電池に接続された負荷に与える際に、水素が全セルに行き渡る前に燃料電池に接続された負荷を燃料電池から切り離してしまうおそれがあった。このため、水素が到達していないセルでアノード極が腐食し、電池性能が劣化するという問題があった。   On the other hand, when the flow rate of hydrogen supplied to the anode electrode is smaller than a specified value, it is difficult for hydrogen to reach each cell, and it may take time until hydrogen is supplied to each cell. For this reason, when supplying power generated by supplying only hydrogen when the fuel cell is started to a load connected to the fuel cell, the load connected to the fuel cell is disconnected from the fuel cell before hydrogen reaches all the cells. There was a risk of it. For this reason, there was a problem that the anode electrode corroded in the cell where hydrogen did not reach, and the battery performance deteriorated.

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、システムの起動時にセルに導入される水素の流量を最適化し、電池性能の劣化を防止した燃料電池システムを提供することにある。   Therefore, the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system that optimizes the flow rate of hydrogen introduced into a cell at the time of system startup and prevents deterioration of battery performance. It is to provide.

上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給される燃料ガスの供給量を弁開度に基づいて調整制御する調整弁と、前記燃料電池に供給された燃料ガスを前記燃料電池外に排気する排気手段とを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システムの起動時に、前記燃料電池内、ならびに燃料ガスが前記調整弁から前記燃料電池を介して前記排気手段に流通する流通路における燃料ガスの濃度を推定する推定手段と、前記推定手段で推定された燃料ガスの濃度に基づいて、前記調整弁を制御し、予め設定された所望の流量で燃料ガスを前記燃料電池に供給制御する制御手段とを有することを特徴とする。   In order to achieve the above object, means for solving the problems of the present invention include a fuel cell that generates power by reacting a fuel gas and an oxidant gas, and a supply amount of the fuel gas supplied to the fuel cell. A fuel cell system comprising: an adjustment valve that performs adjustment control based on an opening; and an exhaust unit that exhausts fuel gas supplied to the fuel cell to the outside of the fuel cell. Estimating means for estimating the concentration of the fuel gas in the battery and in the flow passage through which the fuel gas flows from the regulating valve to the exhaust means via the fuel cell, and based on the fuel gas concentration estimated by the estimating means Control means for controlling the regulating valve and controlling supply of fuel gas to the fuel cell at a predetermined flow rate set in advance.

本発明によれば、システムの起動時発電前に、燃料電池ならびに燃料ガスの流通路における燃料ガスの濃度を推定し、推定された燃料ガスの濃度に基づいて燃料ガスを供給するようにしたので、所望の燃料ガスを燃料電池に供給することができる。これにより、燃料電池における急激な電圧上昇等が回避され、電池性能の劣化を防止することができる。   According to the present invention, the fuel gas concentration in the fuel cell and the fuel gas flow passage is estimated before power generation at the time of starting the system, and the fuel gas is supplied based on the estimated fuel gas concentration. The desired fuel gas can be supplied to the fuel cell. Thereby, a rapid voltage rise or the like in the fuel cell is avoided, and deterioration of the cell performance can be prevented.

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。   DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The best embodiment for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は本発明の実施例1に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図1に示す実施例1のシステムは、燃料電池スタック101、コンプレッサ102、スロットル103、可変バルブ104、イジェクタ105、パージ弁106、電力取り出し装置107、循環流路108、水素圧力センサ109、ならびにコントローラ110を備えて構成されている。   FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. 1 includes a fuel cell stack 101, a compressor 102, a throttle 103, a variable valve 104, an ejector 105, a purge valve 106, a power extraction device 107, a circulation flow path 108, a hydrogen pressure sensor 109, and a controller. 110 is comprised.

燃料電池スタック101は、カソード極101aに供給された酸化剤ガスの空気と、アノード極101bに供給された燃料ガスの水素とを化学反応させて発電を行い、発電によって得られた電力は、電力取り出し装置107によって取り出され、システムに接続された負荷に供給される。   The fuel cell stack 101 performs power generation by chemically reacting air of the oxidant gas supplied to the cathode electrode 101a and hydrogen of the fuel gas supplied to the anode electrode 101b. It is taken out by the take-out device 107 and supplied to a load connected to the system.

コンプレッサ102は、燃料電池スタック101の空気供給側の流路に設けられ、空気を圧縮し、燃料電池スタック101のカソード極101aに供給される空気の流量を制御し、流量が制御された空気を燃料電池スタック101のカソード極101aに供給する。   The compressor 102 is provided in a flow path on the air supply side of the fuel cell stack 101, compresses air, controls the flow rate of air supplied to the cathode electrode 101a of the fuel cell stack 101, and controls the flow rate of the air. This is supplied to the cathode electrode 101 a of the fuel cell stack 101.

スロットル103は、燃料電池スタック101の空気排気側の流路に設けられ、燃料電池スタック101から排出された空気の圧力を制御し、圧力制御された空気を外部に排気する。   The throttle 103 is provided in a flow path on the air exhaust side of the fuel cell stack 101, controls the pressure of the air discharged from the fuel cell stack 101, and exhausts the pressure-controlled air to the outside.

可変バルブ104は、燃料電池スタック101の水素供給側の流路に設けられ、水素タンク(図示せず)に貯蔵された高圧の水素を調圧制御して、水素の流量を制御し、流量が制御された水素を燃料電池スタック101のアノード極101bに供給する。可変バルブ104は、燃料電池スタック101に供給される水素の流量を調整制御する調整弁として機能する
イジェクタ105は、可変バルブと104と燃料電池スタック101の水素入口との間に設けられ、燃料電池スタック101から排出された未使用の水素を再利用するために、燃料電池スタック101の水素出口とイジェクタ105とを連結する循環流路108を介して燃料電池スタック101の水素供給側へ未使用の水素を還流する。
The variable valve 104 is provided in a flow path on the hydrogen supply side of the fuel cell stack 101, and controls the flow of hydrogen by regulating the pressure of high-pressure hydrogen stored in a hydrogen tank (not shown). Controlled hydrogen is supplied to the anode 101 b of the fuel cell stack 101. The variable valve 104 functions as an adjustment valve that adjusts and controls the flow rate of hydrogen supplied to the fuel cell stack 101. The ejector 105 is provided between the variable valve 104 and the hydrogen inlet of the fuel cell stack 101, and is a fuel cell. In order to reuse the unused hydrogen discharged from the stack 101, the unused hydrogen is supplied to the hydrogen supply side of the fuel cell stack 101 via the circulation channel 108 that connects the hydrogen outlet of the fuel cell stack 101 and the ejector 105. Reflux the hydrogen.

パージ弁106は、開状態で燃料電池スタック101から排出された未使用の水素を燃料電池スタック101の外部に排気する一方、閉状態で燃料電池スタック101から排出された未使用の水素を循環流路108に導く。   The purge valve 106 exhausts unused hydrogen discharged from the fuel cell stack 101 in the open state to the outside of the fuel cell stack 101, and circulates unused hydrogen discharged from the fuel cell stack 101 in the closed state. Guide to road 108.

電力取り出し装置107は、コントローラ110から与えられる指令に基づいて、燃料電池スタック101の発電により得られた電力を燃料電池スタック101から取り出して管理し、取り出した電力を燃料電池システムに接続された負荷に供給制御する。   The power take-out device 107 takes out and manages the power obtained by the power generation of the fuel cell stack 101 from the fuel cell stack 101 based on a command given from the controller 110, and loads the taken-out power connected to the fuel cell system. To control the supply.

水素圧力センサ109は、イジェクタ105と燃料電池スタック101の水素入口との間に設けられ、燃料電池スタック101のアノード極101bに供給される水素の圧力を検出し、検出した水素圧力をコントローラ110に与える。   The hydrogen pressure sensor 109 is provided between the ejector 105 and the hydrogen inlet of the fuel cell stack 101, detects the pressure of hydrogen supplied to the anode electrode 101b of the fuel cell stack 101, and supplies the detected hydrogen pressure to the controller 110. give.

コントローラ110は、本システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、CPU、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。コントローラ110は、水素圧力センサ109を含む本システムにおける各センサ(図示せず)からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック(プログラム)に基づいて、コンプレッサ102、スロットル103、可変バルブ104、パージ弁106、電力取り出し装置107を含む本システムの各構成要素に指令を送り、以下に説明する本システムの起動時の水素供給動作を含む本システムの運転/停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。このようなコントローラ110は、図2に示すように構成される。   The controller 110 functions as a control center for controlling the operation of the system, and includes, for example, a microcomputer having resources such as a CPU, a storage device, and an input / output device necessary for a computer that controls various operation processes based on a program. It is realized by. The controller 110 reads signals from each sensor (not shown) in this system including the hydrogen pressure sensor 109, and based on the various signals read and control logic (program) stored in advance, the compressor 102 and the throttle 103 In addition, a command is sent to each component of the system including the variable valve 104, the purge valve 106, and the power extraction device 107, which is necessary for operation / stop of the system including the hydrogen supply operation at the time of starting the system, which will be described below. Control and control all operations. Such a controller 110 is configured as shown in FIG.

図2において、コントローラ110は、水素濃度演算部201、可変バルブ制御部202、目標圧力演算部203、可変バルブ開度演算部204、目標取り出し電力演算部205、電力取り出し制御部206を備えて構成され、燃料電池スタック101ならびに水素流路の水素濃度を推定する推定手段、ならびに可変バルブ104の開度を調整制御して、燃料電池スタック101に供給される水素の流量を制御する制御手段として機能する。   2, the controller 110 includes a hydrogen concentration calculation unit 201, a variable valve control unit 202, a target pressure calculation unit 203, a variable valve opening calculation unit 204, a target extraction power calculation unit 205, and a power extraction control unit 206. And functions as an estimation means for estimating the hydrogen concentration in the fuel cell stack 101 and the hydrogen flow path, and a control means for controlling the flow rate of hydrogen supplied to the fuel cell stack 101 by adjusting and controlling the opening of the variable valve 104. To do.

水素濃度演算部201は、コントローラ110に燃料電池システムの起動が指令されると、可変バルブ制御部202に可変バルブ104の初期開度として所定開度Asを与える。水素濃度演算部201は、可変バルブ制御部202に所定開度Asを指令し、可変バルブ104の開度が所定開度Asに調整制御された後、水素圧力センサ109で検出された水素圧力を入力し、この水素圧力に基づいて燃料電池スタック101のアノード極101bならびに循環流路108の水素濃度を演算して推定し、得られた水素濃度を目標圧力演算部203に与える。   When the controller 110 is instructed to start the fuel cell system, the hydrogen concentration calculation unit 201 gives the variable valve control unit 202 a predetermined opening As as the initial opening of the variable valve 104. The hydrogen concentration calculation unit 201 instructs the variable valve control unit 202 to set a predetermined opening As, and after the opening of the variable valve 104 is adjusted and controlled to the predetermined opening As, the hydrogen pressure detected by the hydrogen pressure sensor 109 is detected. Based on this hydrogen pressure, the hydrogen concentration in the anode electrode 101 b of the fuel cell stack 101 and the circulation channel 108 is calculated and estimated, and the obtained hydrogen concentration is given to the target pressure calculation unit 203.

可変バルブ制御部202は、水素濃度演算部201から与えられた所定開度Asと、可変バルブ開度演算部204から与えられた目標開度を入力し、この所定開度Asならびに目標開度に基づいて可変バルブ104の開度を調整制御する。すなわち、可変バルブ制御部202は、所定開度Asが入力されると、可変バルブ104をこの所定開度Asに調整制御し、その後目標開度が入力されると、可変バルブ104をこの目標開度に調整制御する。   The variable valve control unit 202 inputs the predetermined opening As given from the hydrogen concentration calculation unit 201 and the target opening given from the variable valve opening calculation unit 204, and sets the predetermined opening As and the target opening. Based on this, the opening degree of the variable valve 104 is adjusted and controlled. In other words, the variable valve control unit 202 adjusts and controls the variable valve 104 to the predetermined opening As when the predetermined opening As is input, and then when the target opening is input, the variable valve 104 is opened to the target opening. Adjust control every time.

目標圧力演算部203は、水素濃度演算部201で演算された水素濃度を入力し、この水素濃度に基づいて、燃料電池システムを起動する際に燃料電池スタック101を劣化させないようにするために燃料電池スタック101に供給する水素の水素流量Qを実現する目標水素圧力を演算する。ここで、システムの起動時に酸化剤の空気が燃料電池スタック101に供給されて発電が開始される前に、酸化剤の空気をカソード極101aに供給せずに水素のみをアノード極101bに供給した際に燃料電池スタック101を劣化させない水素流量Qは、実験や机上検討等により予め決定される。目標圧力演算部203は、演算で得られた目標水素圧力を可変バルブ開度演算部204に与える。   The target pressure calculation unit 203 inputs the hydrogen concentration calculated by the hydrogen concentration calculation unit 201, and based on this hydrogen concentration, the fuel pressure is set so as not to deteriorate the fuel cell stack 101 when starting the fuel cell system. A target hydrogen pressure for realizing a hydrogen flow rate Q of hydrogen supplied to the battery stack 101 is calculated. Here, before oxidant air is supplied to the fuel cell stack 101 and power generation is started when the system is activated, only hydrogen is supplied to the anode electrode 101b without supplying the oxidant air to the cathode electrode 101a. At this time, the hydrogen flow rate Q that does not deteriorate the fuel cell stack 101 is determined in advance by experiments, desktop studies, or the like. The target pressure calculation unit 203 gives the target hydrogen pressure obtained by the calculation to the variable valve opening calculation unit 204.

可変バルブ開度演算部204は、水素圧力センサ109で検出された水素圧力と、目標圧力演算部203で演算された目標水素圧力を入力し、この水素圧力と目標水素圧力とに基づいて、検出された水素圧力を目標水素圧力にする可変バルブ104の目標開度を演算する。可変バルブ開度演算部204は、演算で得られた目標開度を可変バルブ制御部202に与える。   The variable valve opening calculation unit 204 receives the hydrogen pressure detected by the hydrogen pressure sensor 109 and the target hydrogen pressure calculated by the target pressure calculation unit 203, and detects based on the hydrogen pressure and the target hydrogen pressure. The target opening degree of the variable valve 104 for setting the hydrogen pressure thus obtained to the target hydrogen pressure is calculated. The variable valve opening calculation unit 204 gives the target opening obtained by the calculation to the variable valve control unit 202.

目標取り出し電力演算部205は、燃料電池スタック101から取り出す電力を演算し、演算で得られた目標取り出し電力は電力取り出し制御部206に与えられる。   The target extraction power calculation unit 205 calculates the power extracted from the fuel cell stack 101, and the target extraction power obtained by the calculation is given to the power extraction control unit 206.

電力取り出し制御部206は、目標取り出し電力演算部205から与えられた目標取り出し電力を入力し、この目標取り出し電力を燃料電池スタック101から取り出すべく指令を電力取り出し装置107に与える。   The power take-out control unit 206 receives the target take-out power given from the target take-out power calculation unit 205 and gives a command to the power take-out device 107 to take out the target take-out power from the fuel cell stack 101.

また、図2には図示していないが、コントローラ110は、パージ弁106の開閉を制御するパージ弁制御部、コンプレッサ102の作動を制御するコンプレッサ制御部、ならびにスロットル103の作動を制御するスロットル制御部を備えている。本システムの起動時発電前には、パージ弁制御部は、パージ弁106に開弁指令を与えてパージ弁を開放状態とし、コンプレッサ制御部は、コンプレッサ102に停止指令を与えてコンプレッサ102を停止させ、スロットル制御部は、スロットル103に停止指令を与えてスロットル103を停止させる。   Although not shown in FIG. 2, the controller 110 includes a purge valve control unit that controls opening and closing of the purge valve 106, a compressor control unit that controls the operation of the compressor 102, and throttle control that controls the operation of the throttle 103. Department. Prior to power generation at the start-up of this system, the purge valve control unit gives a valve opening command to the purge valve 106 to open the purge valve, and the compressor control unit gives a stop command to the compressor 102 to stop the compressor 102 Then, the throttle control unit gives a stop command to the throttle 103 to stop the throttle 103.

コントローラ110は、図3に示すフローチャートの手順にしたがって、システムの起動時発電前に燃料電池スタック101に供給される水素の供給量を水素流量Qとすべくシステムを制御している。なお、図3に示す処理は、所定の周期毎、例えば10[msec]毎に行われるものとする。   The controller 110 controls the system so that the amount of hydrogen supplied to the fuel cell stack 101 before the power generation at the time of starting the system is the hydrogen flow rate Q according to the procedure of the flowchart shown in FIG. 3 is performed every predetermined cycle, for example, every 10 [msec].

図3において、システムの起動が開始されると、先ずコントローラ110からの指令に基づいて、パージ弁106を開放し、コンプレッサ102ならびにスロットル103を停止し、可変バルブ104を所定開度Asに開放し、燃料電池スタック101のカソード極101aに空気を供給せず、所定開度Asの可変バルブ104を介して水素を燃料電池スタック101のアノード極101bに供給する(ステップS301)。なお、可変バルブ104の所定開度Asの決め方は後述する。   In FIG. 3, when the system is started, first, the purge valve 106 is opened, the compressor 102 and the throttle 103 are stopped, and the variable valve 104 is opened to a predetermined opening As based on a command from the controller 110. Then, without supplying air to the cathode 101a of the fuel cell stack 101, hydrogen is supplied to the anode 101b of the fuel cell stack 101 via the variable valve 104 having a predetermined opening degree As (step S301). A method for determining the predetermined opening As of the variable valve 104 will be described later.

続いて、水素圧力センサ109で検出された水素圧力Phをコントローラ110に読み込む(ステップS302)。その後、システムの起動開始からの時間が所定時間Tthを経過しているか否かを判別する(ステップS303)。判別の結果、起動開始からの時間が所定時間Tthを経過していない場合には、処理のルーチンを終了する一方、経過している場合には、水素濃度を演算する(ステップS304)。なお、所定時間Tthの決め方は後述する。   Subsequently, the hydrogen pressure Ph detected by the hydrogen pressure sensor 109 is read into the controller 110 (step S302). Thereafter, it is determined whether or not a predetermined time Tth has elapsed since the start of the system (step S303). As a result of the determination, if the time from the start of activation has not elapsed the predetermined time Tth, the processing routine is terminated, while if it has elapsed, the hydrogen concentration is calculated (step S304). A method for determining the predetermined time Tth will be described later.

水素濃度は、実験や机上検討等により予め求めた、可変バルブ104の開度を所定開度Asに設定し、燃料電池スタック101に水素を供給した後所定時間Tthが経過した時の水素圧力と水素濃度との図4に示すような特性に基づいて、ステップS302で検出した水素圧力Phを用いて水素濃度演算部201で演算する。水素濃度の演算が終了すると、実験や机上検討等により求めた、水素流量Qを実現するための水素濃度と水素圧力との図5に示すような特性に基づいて、目標圧力演算部203で水素濃度演算部201の演算で得られた水素濃度に対応した目標水素圧力を演算する。目標水素圧力の演算が終了すると、ステップS302で検出した水素圧力Phを目標水素圧力にすべく、可変バルブの開度と水素圧力との関係を示すマップ、テーブルもしくは演算式等に基づいて、検出された水素圧力Phと目標水素圧力を用いて可変バルブ開度演算部204で可変バルブ104の目標開度を演算する(ステップS305)。   The hydrogen concentration is determined in advance by experiments, desk studies, etc., and the hydrogen pressure when the predetermined time Tth elapses after the opening of the variable valve 104 is set to the predetermined opening As and hydrogen is supplied to the fuel cell stack 101. Based on the hydrogen concentration and the characteristics as shown in FIG. 4, the hydrogen concentration calculation unit 201 calculates the hydrogen pressure Ph detected in step S <b> 302. When the calculation of the hydrogen concentration is completed, the target pressure calculation unit 203 performs hydrogenation based on the characteristics as shown in FIG. 5 of the hydrogen concentration and the hydrogen pressure for realizing the hydrogen flow rate Q, which are obtained through experiments and desk studies. A target hydrogen pressure corresponding to the hydrogen concentration obtained by the calculation of the concentration calculation unit 201 is calculated. When the calculation of the target hydrogen pressure is completed, detection is performed based on a map, table, or calculation expression indicating the relationship between the opening of the variable valve and the hydrogen pressure so that the hydrogen pressure Ph detected in step S302 is set to the target hydrogen pressure. The target opening of the variable valve 104 is calculated by the variable valve opening calculator 204 using the hydrogen pressure Ph and the target hydrogen pressure (step S305).

続いて、演算で得られた可変バルブ104の目標開度を可変バルブ制御部202に与え、可変バルブ104の開度がこの目標開度となるように可変バルブ制御部202は可変バルブ104に指令を与えて開度を調整制御し、一連の処理ルーチンを終了する。   Subsequently, the target opening of the variable valve 104 obtained by the calculation is given to the variable valve control unit 202, and the variable valve control unit 202 instructs the variable valve 104 so that the opening of the variable valve 104 becomes the target opening. To adjust the opening and control, and the series of processing routines is completed.

次に、可変バルブ104の所定開度Asと、所定開度Asの可変バルブ104を介して水素を供給する所定時間Tthとの決め方について説明する。   Next, how to determine the predetermined opening As of the variable valve 104 and the predetermined time Tth for supplying hydrogen through the variable valve 104 having the predetermined opening As will be described.

図6は燃料電池システムが停止状態から可変バルブ104を所定開度Asに開いて水素を供給した時の水素圧力Phの変化を示した図である。図6において、燃料電池スタック101のアノード極101bと循環流路108(以後、両者を併せて水素流路と記述する)が空気で満たされている場合は、水素圧力は時間の経過と共に図6の(1)に示すような特性で変化するのに対して、水素流路が水素で満たされている場合には、同図の(2)に示すような特性で変化する。   FIG. 6 is a diagram showing a change in the hydrogen pressure Ph when the fuel cell system is in a stopped state and the variable valve 104 is opened to a predetermined opening As and hydrogen is supplied. In FIG. 6, when the anode 101 b of the fuel cell stack 101 and the circulation channel 108 (hereinafter collectively referred to as a hydrogen channel) are filled with air, the hydrogen pressure increases with time. When the hydrogen flow path is filled with hydrogen, the characteristics change as shown in (2) of FIG.

所定開度Asの可変バルブ104から流入する水素は、水素流路を満たしている気体を押し出し、燃料電池スタック101を通過して開放状態のパージ弁106から排出させる。排出される気体は、パージ弁106の絞り(開度)に応じて圧損が発生し、水素流路の圧力、つまり水素圧力Phが上昇する。このときに水素流路を満たしている気体が水素よりも重い空気を含む割合が多ければ多いほど、図6に示すように、水素圧力の上昇率が大きくなる一方、水素を含む割合が多ければ多いほど水素圧力の上昇率は小さくなるという特性がある。   The hydrogen flowing in from the variable valve 104 having the predetermined opening degree As pushes out the gas filling the hydrogen flow path, passes through the fuel cell stack 101, and is discharged from the purge valve 106 in the open state. The exhausted gas has a pressure loss according to the throttle (opening) of the purge valve 106, and the pressure of the hydrogen flow path, that is, the hydrogen pressure Ph increases. At this time, as the ratio of the gas filling the hydrogen flow path containing air heavier than hydrogen increases, the rate of increase in hydrogen pressure increases as shown in FIG. There is a characteristic that the increase rate of hydrogen pressure becomes smaller as the amount increases.

本発明は、このような特性を利用して、図6の所定時間Tthにおける図4に示すような水素圧力と水素濃度との関係を求め、水素流路の水素濃度を演算し、水素濃度から所望の水素流量Qを燃料電池スタック101に供給するための目標水素圧力を求めている。このように、水素流路の水素と空気の割合を考慮して水素流量を求めているので、燃料電池スタック101の劣化を引き起こすことのない所望の水素流量Qを確実に燃料電池スタック101に供給することが可能となる。   The present invention uses such characteristics to obtain the relationship between the hydrogen pressure and the hydrogen concentration as shown in FIG. 4 at the predetermined time Tth in FIG. 6, calculates the hydrogen concentration in the hydrogen flow path, and calculates the hydrogen concentration from the hydrogen concentration. A target hydrogen pressure for supplying a desired hydrogen flow rate Q to the fuel cell stack 101 is obtained. As described above, the hydrogen flow rate is obtained in consideration of the ratio of hydrogen to air in the hydrogen flow path, so that a desired hydrogen flow rate Q that does not cause deterioration of the fuel cell stack 101 is reliably supplied to the fuel cell stack 101. It becomes possible to do.

以上説明したことから、可変バルブ104の所定開度Asは、図6に示すように、水素流路を満たす気体の割合がどの程度であるのかが判別できるだけの圧力上昇差を生じるに十分で、かつなるべく小さい開度に設定する。一方、所定時間Tthは、長ければ長いほど水素濃度の演算精度を高めることができるが、あまり長いとアノード極101bの電解質膜に水素が到達してしまうことになる。したがって、可変バルブ104を所定開度Asに開いた時に、アノード極101bの電解質膜に水素が到達するまでの最大時間Tmaxを予め実験や机上検討等を行って求め、最大時間Tmax以内になるように所定時間Tthを設定する。   As described above, the predetermined opening degree As of the variable valve 104 is sufficient to generate a pressure increase difference that can be determined as to how much of the gas fills the hydrogen flow path, as shown in FIG. Set the opening as small as possible. On the other hand, as the predetermined time Tth is longer, the calculation accuracy of the hydrogen concentration can be increased. However, if the predetermined time Tth is too long, hydrogen reaches the electrolyte membrane of the anode 101b. Therefore, when the variable valve 104 is opened to the predetermined opening As, the maximum time Tmax until hydrogen reaches the electrolyte membrane of the anode electrode 101b is obtained in advance through experiments, desk studies, etc., and is within the maximum time Tmax. Is set to a predetermined time Tth.

なお、実施例1では、所定時間Tth経過後に水素圧力センサ109で検出された水素圧力Phを用いて水素濃度を演算したが、水素圧力Phの微分値を求め、この微分値を用いて水素濃度を演算するようにしてもよい。   In the first embodiment, the hydrogen concentration is calculated using the hydrogen pressure Ph detected by the hydrogen pressure sensor 109 after the predetermined time Tth has elapsed. The differential value of the hydrogen pressure Ph is obtained, and the hydrogen concentration is calculated using this differential value. May be calculated.

以上説明したように、上記実施例1では、燃料電池スタック101のアノード極101bならびに循環流路108の水素流路の水素濃度を推定し、推定した水素濃度に基づいて、燃料電池スタック101に供給する水素の流量を決定しているので、システムの起動時に水素のみを供給して発生する電力を負荷で消費してカソード極101aの酸素を消費させる際に、予め設定した所望の水素流量Qを精度よく供給することが可能となる。これにより、燃料電池スタック101の電圧が急激に立ち上がってシステムに接続される負荷では消費しきれずにセルが高電位になったり、逆に水素が全セルに行き渡る前にシステムから負荷を切り離したりしまうことを回避することができ、電池性能の劣化を防止することができる。   As described above, in the first embodiment, the hydrogen concentration in the anode electrode 101b of the fuel cell stack 101 and the hydrogen flow path of the circulation flow path 108 is estimated, and the fuel cell stack 101 is supplied based on the estimated hydrogen concentration. Therefore, when the system is started up, only hydrogen is supplied and the generated electric power is consumed by the load to consume the oxygen in the cathode 101a. It becomes possible to supply with high accuracy. As a result, the voltage of the fuel cell stack 101 suddenly rises and cannot be consumed by the load connected to the system, and the cell becomes high potential, or conversely, the load is disconnected from the system before hydrogen reaches all the cells. This can be avoided and deterioration of battery performance can be prevented.

また、水素流路の水素濃度を推定するために使用するアクチュエータやセンサは、すべてシステムの運転制御に必要となるものを利用しているので、水素濃度を推定するための特殊なデバイスを追加装備することなく実現することができる。これにより、構成の大型化、ならびに複雑化を回避することができる。   In addition, the actuators and sensors used to estimate the hydrogen concentration in the hydrogen flow path are all necessary for system operation control, so a special device for estimating the hydrogen concentration is additionally provided. It can be realized without doing. Thereby, the enlargement of a structure and complication can be avoided.

さらに、発電前に供給される水素は、そのまま発電に必要となるものであり、無駄なエネルギを浪費することなく、水素濃度の推定を行うことができる。   Furthermore, the hydrogen supplied before power generation is necessary for power generation as it is, and the hydrogen concentration can be estimated without wasting unnecessary energy.

次に、本発明の実施例2を説明する。この実施例2の特徴とするところは、先の第1の実施例1に比べて、可変バルブ104を所定開度Asに開いて水素を燃料電池スタック101に供給した後、水素圧力が所定の圧力以上になったときに水素濃度を演算して推定するようにしたことにあり、他は実施例1と同様である。したがって、実施例2のシステム構成は、図1と同様であり、コントローラ110の処理手順では、図7のフローチャートに示すように、図3に示す実施例1の処理手順に比べて、図1のステップS303,S304に代えてステップS703,S704を実行している。   Next, a second embodiment of the present invention will be described. The feature of the second embodiment is that, compared to the first first embodiment, after the variable valve 104 is opened to a predetermined opening As and hydrogen is supplied to the fuel cell stack 101, the hydrogen pressure is predetermined. The hydrogen concentration is calculated and estimated when the pressure becomes higher than the pressure, and the others are the same as in the first embodiment. Therefore, the system configuration of the second embodiment is the same as that of FIG. 1, and the processing procedure of the controller 110 is as shown in the flowchart of FIG. 7, compared with the processing procedure of the first embodiment shown in FIG. Steps S703 and S704 are executed instead of steps S303 and S304.

図7において、図3に示すステップS301、S302の処理を実行した後、水素圧力センサ109で検出された水素圧力Phが予め設定された所定の水素圧力Pthを超えているか否かを判別する(ステップS703)。判別の結果、水素圧力Phが水素圧力Pthを超えていない場合は、処理を終了する一方、越えている場合には、水素濃度を演算する(ステップS704)。なお、所定の水素圧力Pthは、図6の(2)で示す、水素流路が水素で満たされている場合であっても超える値で、かつ前述した最大時間Tmax以内に超えることのできる値を設定する。   In FIG. 7, after performing the processing of steps S301 and S302 shown in FIG. 3, it is determined whether or not the hydrogen pressure Ph detected by the hydrogen pressure sensor 109 exceeds a predetermined hydrogen pressure Pth (see FIG. 7). Step S703). As a result of the discrimination, if the hydrogen pressure Ph does not exceed the hydrogen pressure Pth, the process is terminated, while if it exceeds, the hydrogen concentration is calculated (step S704). The predetermined hydrogen pressure Pth is a value that can be exceeded even when the hydrogen flow path is filled with hydrogen, as shown in (2) of FIG. 6, and that can be exceeded within the maximum time Tmax described above. Set.

水素濃度は、実験や机上検討等により予め求めた、可変バルブ104の開度を所定開度Asに設定し、燃料電池スタック101に水素を供給した後の経過時間と水素濃度との図8に示すような特性に基づいて、可変バルブ104を所定開度Asに開いた後の予め設定された経過時間Tcを用いて水素濃度演算部201で演算する。その後は、先の実施例1と同様である。   The hydrogen concentration is obtained in advance by experiments, desk studies, and the like, and the opening time of the variable valve 104 is set to a predetermined opening As and hydrogen is supplied to the fuel cell stack 101 in FIG. Based on the characteristics shown, the hydrogen concentration calculation unit 201 calculates using a preset elapsed time Tc after the variable valve 104 is opened to the predetermined opening As. The subsequent steps are the same as in the first embodiment.

このような実施例2においても、先の実施例1と同様の効果を得ることができる。   Also in the second embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained.

次に、本発明の実施例3について説明する。この実施例3の特徴とするところは、システム起動時発電前に供給される水素の水素圧力Phが、予め設定された所定目標水素圧力Ps±制御誤差Per以内に収束した際の可変バルブ104の開度に基づいて水素濃度を演算するようにしたことにある。システムの基本的な構成は、先の実施例1と同様であるが、コントローラ110は、図9に示すように構成されている。   Next, Embodiment 3 of the present invention will be described. A feature of the third embodiment is that the hydrogen pressure Ph of hydrogen supplied before power generation at the time of system startup converges within a predetermined target hydrogen pressure Ps ± control error Per when the variable valve 104 is converged. The hydrogen concentration is calculated based on the opening degree. The basic configuration of the system is the same as that of the first embodiment, but the controller 110 is configured as shown in FIG.

図9において、コントローラ110は、水素濃度演算部901、可変バルブ制御部902、目標圧力演算部903、可変バルブ開度演算部904、ならびに先の図2に示す同符号のものと同一の目標取り出し電力演算部205、電力取り出し制御部206を備えて構成されている。さらにコントローラ110は、図示していないが先の実施例1と同様のパージ弁制御部、コンプレッサ制御部ならびにスロットル制御部を備えている。   In FIG. 9, the controller 110 includes a hydrogen concentration calculation unit 901, a variable valve control unit 902, a target pressure calculation unit 903, a variable valve opening calculation unit 904, and the same target extraction as that shown in FIG. The power calculation unit 205 and the power extraction control unit 206 are provided. Further, the controller 110 includes a purge valve control unit, a compressor control unit, and a throttle control unit, which are not shown, but are the same as those in the first embodiment.

水素濃度演算部901は、コントローラ110に燃料電池システムの起動が指令されると、可変バルブ開度演算部904に予め設定された所定目標水素圧力Psを指令する。また、水素濃度演算部901は、水素圧力センサ109で検出された水素圧力と、可変バルブ開度演算部904で演算された可変バルブ104の目標開度を入力し、水素圧力が所定目標水素圧力Psに到達すると、その時の可変バルブ104の目標開度に基づいて、アノード極101bと循環流路108との水素流路の水素濃度を演算して推定する。得られた水素濃度は、目標圧力演算部903に与えられる。   When the controller 110 is instructed to start the fuel cell system, the hydrogen concentration calculator 901 instructs the variable valve opening calculator 904 to set a predetermined target hydrogen pressure Ps. The hydrogen concentration calculation unit 901 inputs the hydrogen pressure detected by the hydrogen pressure sensor 109 and the target opening of the variable valve 104 calculated by the variable valve opening calculation unit 904, and the hydrogen pressure is a predetermined target hydrogen pressure. When Ps is reached, the hydrogen concentration in the hydrogen flow path between the anode 101b and the circulation flow path 108 is calculated and estimated based on the target opening of the variable valve 104 at that time. The obtained hydrogen concentration is given to the target pressure calculation unit 903.

可変バルブ制御部902は、可変バルブ開度演算部904で演算された可変バルブ104の目標開度を入力し、可変バルブ104の開度が目標開度となるように調整制御する。   The variable valve control unit 902 inputs the target opening of the variable valve 104 calculated by the variable valve opening calculation unit 904, and performs adjustment control so that the opening of the variable valve 104 becomes the target opening.

目標圧力演算部903は、水素濃度演算部901で演算された水素濃度を入力し、先の実施例1と同様の水素流量Qを実現する目標水素圧力を先の実施例1と同様にして演算し、演算した目標水素圧力を可変バルブ開度演算部904に与える。   The target pressure calculation unit 903 receives the hydrogen concentration calculated by the hydrogen concentration calculation unit 901, and calculates the target hydrogen pressure that achieves the same hydrogen flow rate Q as in the first embodiment as in the first embodiment. Then, the calculated target hydrogen pressure is given to the variable valve opening calculation unit 904.

可変バルブ開度演算部904は、水素圧力センサ109で検出された水素圧力と、水素濃度演算部901から与えられた所定目標水素圧力Psと、目標圧力演算部903で演算された目標水素圧力とを入力し、先ず水素圧力が所定目標水素圧力Psとなる可変バルブ104の目標開度を先の実施例1と同様な手法で演算し、演算した目標開度を可変バルブ制御部902ならびに水素濃度演算部901に与える。また、可変バルブ開度演算部904は、水素濃度演算部901で水素濃度が演算された後、目標水素圧力が目標圧力演算部903から与えられると、水素圧力がこの目標水素圧力となる可変バルブ104の目標開度を演算し、演算した目標開度を可変バルブ制御部902ならびに水素濃度演算部901に与える。   The variable valve opening calculation unit 904 includes a hydrogen pressure detected by the hydrogen pressure sensor 109, a predetermined target hydrogen pressure Ps given from the hydrogen concentration calculation unit 901, and a target hydrogen pressure calculated by the target pressure calculation unit 903. First, the target opening of the variable valve 104 at which the hydrogen pressure becomes the predetermined target hydrogen pressure Ps is calculated by the same method as in the first embodiment, and the calculated target opening is calculated using the variable valve control unit 902 and the hydrogen concentration. This is given to the calculation unit 901. The variable valve opening calculation unit 904 is a variable valve in which the hydrogen pressure becomes the target hydrogen pressure when the target hydrogen pressure is given from the target pressure calculation unit 903 after the hydrogen concentration is calculated by the hydrogen concentration calculation unit 901. The target opening of 104 is calculated, and the calculated target opening is given to the variable valve control unit 902 and the hydrogen concentration calculation unit 901.

コントローラ110は、図10に示すフローチャートの手順にしたがって、システムの起動時発電前に燃料電池スタック101に供給される水素の供給量を水素流量Qとすべくシステムを制御している。なお、図10に示す処理は、所定の周期毎、例えば10[msec]毎に行われるものとする。   The controller 110 controls the system so that the supply amount of hydrogen supplied to the fuel cell stack 101 before the power generation at the start of the system is the hydrogen flow rate Q according to the procedure of the flowchart shown in FIG. Note that the processing shown in FIG. 10 is performed every predetermined period, for example, every 10 [msec].

図10において、システムの起動が開始されると、先ずコントローラ110からの指令に基づいて、パージ弁106を開放し、コンプレッサ102ならびにスロットル103を停止し、可変バルブ104を開弁し、燃料電池スタック101のカソード極101aに空気を供給せず、可変バルブ104を介して水素を燃料電池スタック101のアノード極101bに供給する(ステップS1001)。   In FIG. 10, when the system is started, first, based on a command from the controller 110, the purge valve 106 is opened, the compressor 102 and the throttle 103 are stopped, the variable valve 104 is opened, and the fuel cell stack is opened. Air is not supplied to the cathode electrode 101a of 101, but hydrogen is supplied to the anode electrode 101b of the fuel cell stack 101 via the variable valve 104 (step S1001).

その後、水素圧力センサ109で検出された水素圧力Phをコントローラ110に読み込む(ステップS1002)。続いて、検出された水素圧力Phが所定目標水素圧力Psとなる可変バルブ104の目標開度を可変バルブ開度演算部904で演算する(ステップS1003)。   Thereafter, the hydrogen pressure Ph detected by the hydrogen pressure sensor 109 is read into the controller 110 (step S1002). Subsequently, the target opening of the variable valve 104 at which the detected hydrogen pressure Ph becomes the predetermined target hydrogen pressure Ps is calculated by the variable valve opening calculator 904 (step S1003).

なお、所定目標水素圧力Psは、可変バルブ104の開度許容範囲を考慮し、アノード極101bと循環流路108との水素流路が空気で満ちている場合、もしくは水素で満ちている場合であっても実現可能な圧力で、かつ水素濃度の演算が終了する前にアノード極101bの電解質膜へ水素が到達しないような圧力に設定する。   The predetermined target hydrogen pressure Ps is determined when the hydrogen flow path between the anode 101b and the circulation flow path 108 is filled with air or the hydrogen is filled with hydrogen in consideration of the allowable opening range of the variable valve 104. Even if it exists, it is set to a pressure that can be realized and that hydrogen does not reach the electrolyte membrane of the anode 101b before the calculation of the hydrogen concentration is completed.

次に、可変バルブ104が目標開度に調整制御された後、水素圧力Phが所定目標水素圧力Ps±制御誤差Per以内に収まっているか否かを判別する(ステップS1004)。判別の結果、水素圧力Phが範囲内に収まっていない場合には、処理のルーチンを終了する一方、収まっている場合には、水素濃度演算部901で水素濃度を演算する(ステップS1005)。   Next, after the variable valve 104 is adjusted and controlled to the target opening, it is determined whether or not the hydrogen pressure Ph is within a predetermined target hydrogen pressure Ps ± control error Per (step S1004). If the determination result shows that the hydrogen pressure Ph is not within the range, the processing routine is terminated. If the hydrogen pressure Ph is within the range, the hydrogen concentration calculation unit 901 calculates the hydrogen concentration (step S1005).

なお、制御誤差Perは、予め実験や机上検討等によって、水素圧力が十分に目標値に収束したと判断できる値として設定される。   Note that the control error Per is set in advance as a value by which it can be determined that the hydrogen pressure has sufficiently converged to the target value through experiments, desk studies, or the like.

水素濃度は、予め実験や机上検討等により求められた、水素圧力Phにおける可変バルブ104の開度と水素濃度との図11に示すような特性に基づいて、可変バルブ開度演算部904で演算された可変バルブ104の開度を用いて演算する。水素濃度の演算が終了すると、以降の処理手順は先の実施例1と同様となり、演算された水素濃度に基づいて可変バルブ104の目標開度が演算されて、所望の水素流量Qが燃料電池スタック101のアノード極101bに供給される。   The hydrogen concentration is calculated by the variable valve opening calculation unit 904 based on the characteristics shown in FIG. 11 of the opening of the variable valve 104 and the hydrogen concentration at the hydrogen pressure Ph, which are obtained in advance through experiments, desk studies, and the like. Calculation is performed using the opening degree of the variable valve 104 thus made. When the calculation of the hydrogen concentration is completed, the subsequent processing procedure is the same as in the first embodiment, and the target opening of the variable valve 104 is calculated based on the calculated hydrogen concentration, and the desired hydrogen flow rate Q is set to the fuel cell. It is supplied to the anode 101 b of the stack 101.

なお、この実施例3では、水素圧力Phが所定目標水素圧力Ps±制御誤差Perの範囲内に収まったときの可変バルブ104の開度を使用して水素濃度を演算したが、水素の供給を開始してからの可変バルブ104の開度の積分値を求め、この積分値に基づいて水素濃度を演算するようにしてもよい。また、水素圧力Phが所定目標水素圧力Ps±制御誤差Perの範囲内に収まるまでの時間を計測し、計測した時間を用いて水素濃度を演算するようにしてもよい。   In the third embodiment, the hydrogen concentration is calculated using the opening of the variable valve 104 when the hydrogen pressure Ph is within the range of the predetermined target hydrogen pressure Ps ± control error Per. An integrated value of the opening degree of the variable valve 104 after the start may be obtained, and the hydrogen concentration may be calculated based on this integrated value. Alternatively, the time until the hydrogen pressure Ph falls within the range of the predetermined target hydrogen pressure Ps ± control error Per may be measured, and the hydrogen concentration may be calculated using the measured time.

このように、上記実施例3においても、先の実施例1と同様の効果を得ることができると共に、燃料電池スタック101が許容できる最大の圧力で水素を供給することができるので、先の実施例1ならびに実施例2に比べてより一層短い時間で水素濃度を演算して推定する処理を終了することができる。   As described above, also in the third embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained, and hydrogen can be supplied at the maximum pressure that the fuel cell stack 101 can tolerate. The process of calculating and estimating the hydrogen concentration in a shorter time than in Example 1 and Example 2 can be completed.

本発明の実施例1に係る燃料電池システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell system which concerns on Example 1 of this invention. 図1に示すコントローラの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the controller shown in FIG. 実施例1に係る起動時の動作手順を示すフローチャートである。3 is a flowchart illustrating an operation procedure at the time of start-up according to the first embodiment. 実施例1における水素圧力と水素濃度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the hydrogen pressure in Example 1, and a hydrogen concentration. 実施例1において所望の水素流量Qを実現するための、水素圧力と水素濃度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the hydrogen pressure and hydrogen concentration for implement | achieving the desired hydrogen flow volume Q in Example 1. FIG. システムの停止状態における、水素流路の水素濃度に対する水素圧力の時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the hydrogen pressure with respect to the hydrogen concentration of a hydrogen flow path in the stop state of a system. 実施例2に係る起動時の動作手順を示すフローチャートである。10 is a flowchart illustrating an operation procedure at the time of start-up according to the second embodiment. 実施例2における可変バルブの開度、水素圧力に対する水素濃度の時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the hydrogen concentration with respect to the opening degree of the variable valve in Example 2, and a hydrogen pressure. 実施例3に係るコントローラの構成を示す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration of a controller according to a third embodiment. 実施例3に係る起動時の動作手順を示すフローチャートである。10 is a flowchart illustrating an operation procedure at the time of startup according to a third embodiment. 水素圧力に対する可変バルブの開度と水素濃度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the opening degree of the variable valve with respect to hydrogen pressure, and hydrogen concentration.

符号の説明Explanation of symbols

101…燃料電池スタック
101a…カソード極
101b…アノード極
102…コンプレッサ
103…スロットル
104…可変バルブ
105…イジェクタ
106…パージ弁
107…電力取り出し装置
108…循環流路
109…水素圧力センサ
110…コントローラ
201,901…水素濃度演算部
202,902…可変バルブ制御部
203,903…目標圧力演算部
204,904…可変バルブ開度演算部
205…目標取り出し電力演算部
206…電力取り出し制御部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Fuel cell stack 101a ... Cathode pole 101b ... Anode pole 102 ... Compressor 103 ... Throttle 104 ... Variable valve 105 ... Ejector 106 ... Purge valve 107 ... Power extraction device 108 ... Circulation flow path 109 ... Hydrogen pressure sensor 110 ... Controller 201, 901 ... Hydrogen concentration calculation unit 202, 902 ... Variable valve control unit 203, 903 ... Target pressure calculation unit 204, 904 ... Variable valve opening calculation unit 205 ... Target extraction power calculation unit 206 ... Power extraction control unit

Claims (7)

燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に供給される燃料ガスの供給量を弁開度に基づいて調整制御する調整弁と、
前記燃料電池に供給された燃料ガスを前記燃料電池外に排気する排気手段と
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池システムの起動時に、前記燃料電池内、ならびに燃料ガスが前記調整弁から前記燃料電池を介して前記排気手段に流通する流通路における燃料ガスの濃度を推定する推定手段と、
前記推定手段で推定された燃料ガスの濃度に基づいて、前記調整弁を制御し、予め設定された所望の流量で燃料ガスを前記燃料電池に供給制御する制御手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell that generates electricity by reacting a fuel gas and an oxidant gas; and
An adjustment valve for adjusting and controlling the amount of fuel gas supplied to the fuel cell based on the valve opening;
A fuel cell system comprising exhaust means for exhausting the fuel gas supplied to the fuel cell to the outside of the fuel cell;
Estimating means for estimating the concentration of the fuel gas in the fuel cell and in the flow path through which the fuel gas flows from the regulating valve to the exhaust means through the fuel cell at the time of starting the fuel cell system;
Control means for controlling the regulating valve based on the concentration of the fuel gas estimated by the estimating means and controlling the supply of the fuel gas to the fuel cell at a preset desired flow rate. Fuel cell system.
前記流通路に設けられ、前記燃料電池に供給される燃料ガスの圧力を検出する圧力検出手段を有し、
前記推定手段は、前記調整弁の開度と、前記圧力検出手段で検出された燃料ガスの圧力とに基づいて燃料ガスの濃度を推定する
ことを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。
Pressure detecting means provided in the flow passage for detecting the pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell;
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the estimating means estimates the concentration of the fuel gas based on the opening of the regulating valve and the pressure of the fuel gas detected by the pressure detecting means.
前記推定手段は、予め設定された所定の開度で前記調整弁を開いて所定時間経過した後に、前記検出手段で検出された燃料ガスの圧力に基づいて燃料ガスの濃度を検出する
ことを特徴とする請求項2記載の燃料電池システム。
The estimation means detects the concentration of the fuel gas based on the pressure of the fuel gas detected by the detection means after the adjustment valve is opened at a predetermined opening degree and a predetermined time has elapsed. The fuel cell system according to claim 2.
前記流通路に設けられ、前記燃料電池に供給される燃料ガスの圧力を検出する圧力検出手段を有し、
前記推定手段は、予め設定された所定の開度で前記調整弁を開いて所定時間経過した後に、前記検出手段で検出された燃料ガスの圧力が予め設定された所定値以上に達するまでの時間に基づいて燃料ガスの濃度を検出する
ことを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。
Pressure detecting means provided in the flow passage for detecting the pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell;
The estimation means is a time until the pressure of the fuel gas detected by the detection means reaches a preset predetermined value or more after a predetermined time has elapsed after opening the regulating valve at a preset predetermined opening. 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the concentration of the fuel gas is detected based on the above.
前記調整弁の開度を調整して、前記検出手段で検出される燃料ガスの圧力を予め設定された所定の圧力に制御し、
前記推定手段は、前記検出手段で検出され燃料ガスの圧力が所定の圧力に収束した際の前記調整弁の開度に基づいて燃料ガスの濃度を検出する
ことを特徴とする請求項2記載の燃料電池システム。
Adjusting the opening of the adjusting valve to control the pressure of the fuel gas detected by the detecting means to a predetermined pressure set in advance;
The said estimation means detects the density | concentration of fuel gas based on the opening degree of the said adjustment valve when the pressure of fuel gas detected by the said detection means converges to predetermined pressure, The fuel gas density | concentration is detected. Fuel cell system.
前記流通路に設けられ、前記燃料電池に供給される燃料ガスの圧力を検出する圧力検出手段を有し、
前記調整弁の開度を調整して、前記検出手段で検出される燃料ガスの圧力を予め設定された所定の圧力に制御し、
前記推定手段は、前記検出手段で検出され燃料ガスの圧力が所定の圧力に収束するまでの時間に基づいて燃料ガスの濃度を検出する
ことを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。
Pressure detecting means provided in the flow passage for detecting the pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell;
Adjusting the opening of the adjusting valve to control the pressure of the fuel gas detected by the detecting means to a predetermined pressure set in advance;
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the estimating means detects the concentration of the fuel gas based on the time taken by the detecting means until the pressure of the fuel gas converges to a predetermined pressure.
前記推定手段は、燃料電池システムの起動時、前記燃料電池に酸化剤ガスが供給される前に燃料ガスの濃度を推定する
ことを特徴とする請求項1,2,3,4,5及び6のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The said estimation means estimates the density | concentration of fuel gas before oxidant gas is supplied to the said fuel cell at the time of starting of a fuel cell system, The fuel cell system is characterized by the above-mentioned. The fuel cell system according to any one of the above.
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