JP2006202543A - Operation method of fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent the overflow or re-freezing of water caused by the condensation of defrosted water or produced water in power generation in the starting of a fuel cell from a below-freezing temperature. <P>SOLUTION: A controller 27 estimates the amount of ice in a fuel cell stack 4 based on the lower temperature (representative temperature) of either the cooling liquid inlet temperature of the fuel cell stack 4 measured by a temperature sensor 23 and the outlet temperature measured by a temperature sensor 21. After the starting of the defrosting of the fuel cell stack by an electric heater 26, timing for starting of the takeout of a warming-up current from the fuel cell stack 4 is quickened with an increase in ice amount. The warming-up current is decreased with an increase in the ice amount. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に低温時の起動性を改善した燃料電池システムの運転方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a method for operating a fuel cell system with improved startability at low temperatures.

燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。   In a fuel cell, a fuel gas such as hydrogen gas and an oxidizing gas containing oxygen are electrochemically reacted through an electrolyte, and electric energy is directly taken out between electrodes provided on both surfaces of the electrolyte. In particular, a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte has attracted attention as a power source for electric vehicles because of its low operating temperature and easy handling. That is, a fuel cell vehicle is equipped with a hydrogen storage device such as a high-pressure hydrogen tank, a liquid hydrogen tank, or a hydrogen storage alloy tank in the vehicle, and reacts by supplying hydrogen supplied therefrom and air containing oxygen to the fuel cell. This is the ultimate clean vehicle that drives the motor connected to the drive wheels with the electric energy extracted from the fuel cell, and the only exhaust material is water.

固体高分子型燃料電池の固体高分子電解質が十分な水素イオン導電性を発揮するためには、十分な含水状態を必要とする。このため、燃料電池に供給する燃料ガスまたは酸化剤ガスに加湿することが行われている。   In order for the solid polymer electrolyte of the solid polymer fuel cell to exhibit sufficient hydrogen ion conductivity, a sufficient water content is required. For this reason, humidification is performed on the fuel gas or oxidant gas supplied to the fuel cell.

このような燃料電池を氷点下に放置した場合、電解質膜や触媒層中の水分が凍結する。凍結した燃料電池を起動する従来技術としては、電気ヒータや水素燃焼器等により加熱した熱媒体を燃料電池に循環させて、燃料電池温度が設定温度を超えたときに、供給ガスの加湿を始めるという運転方法が公知である(例えば、特許文献1)。
特開2004−103367号公報(第5頁、図2)
When such a fuel cell is left below freezing point, moisture in the electrolyte membrane and the catalyst layer is frozen. As a conventional technique for starting a frozen fuel cell, a heating medium heated by an electric heater, a hydrogen combustor, or the like is circulated through the fuel cell, and when the fuel cell temperature exceeds a set temperature, humidification of the supply gas is started. The operation method is known (for example, Patent Document 1).
JP 2004-103367 A (page 5, FIG. 2)

しかしながら、上記従来の運転方法では、燃料電池凍結時にはヒータで燃料電池を暖機するようにしているので、凍結状態の燃料電池を解凍した場合、燃料電池内部に解けた水分が滞留して水溢れ状態が生じたり、あるいは解けた水分が再凍結することにより、燃料電池のガス通路を閉塞して運転継続できなくなるという問題点があった。   However, in the above conventional operation method, when the fuel cell is frozen, the fuel cell is warmed up by the heater. Therefore, when the frozen fuel cell is thawed, the dissolved water stays inside and overflows. There has been a problem that the operation cannot be continued because the gas path of the fuel cell is blocked by the occurrence of a state or the re-freezing of the dissolved water.

更に解けた水分が燃料電池内部から排出されるのを促進するためには、水分が気体になる程度まで温度を上昇させるのが効果的であるが、外部からヒータなどでスタック内部温度をそのような温度まで昇温するには時間が掛かる。車両のような移動体ではヒータ電力はバッテリから供給するがこのようにヒータで消費し続けるとバッテリ電力が枯渇して、起動できなくなるという問題点があった。   In order to further promote the release of dissolved moisture from the fuel cell, it is effective to raise the temperature to such an extent that the moisture becomes a gas. It takes time to raise the temperature to a certain temperature. In a moving body such as a vehicle, heater power is supplied from a battery. However, if the heater is continuously consumed by the heater, the battery power is exhausted and cannot be started.

上記問題点を解決するために、本発明は、燃料電池システムの起動時に、燃料電池の状態に基づいて燃料電池内部の氷の量を推定し、この氷の量の推定値に応じて燃料電池システムの運転条件を変更することを要旨とする燃料電池システムの運転方法である。   In order to solve the above problems, the present invention estimates the amount of ice inside the fuel cell based on the state of the fuel cell when the fuel cell system is started, and determines the amount of ice in the fuel cell according to the estimated value of the amount of ice. This is a method for operating a fuel cell system whose main point is to change the operating conditions of the system.

本発明によれば、燃料電池システムの起動時に、燃料燃料電池内部の氷の量を推定して燃料電池システムの運転条件を変更するようにしたので、燃料電池暖機が十分でない時に、発電生成水が多く発生して、燃料電池内部に滞留または滞留した水分が凍結して発電継続不能となることを防止できるという効果がある。   According to the present invention, when the fuel cell system is started, the amount of ice in the fuel fuel cell is estimated to change the operating condition of the fuel cell system. There is an effect that it is possible to prevent the generation of a large amount of water and the retention or retention of moisture in the fuel cell from being frozen to make it impossible to continue power generation.

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。   Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

[実施例の構成]
図1は、本発明に係る燃料電池システムの運転方法が適用される燃料電池システムの構成例を示すシステム構成図である。
[Configuration of Example]
FIG. 1 is a system configuration diagram showing a configuration example of a fuel cell system to which an operation method of a fuel cell system according to the present invention is applied.

図1において、燃料電池システムは、固体高分子電解質を備えた燃料電池スタック(単に燃料電池、またはスタックとも呼ぶ)4を備えている。水素タンク2に貯蔵された高圧水素は、水素圧力調整弁3で燃料電池の運転圧力まで減圧されて燃料電池スタック4の水素極へ供給される。   In FIG. 1, the fuel cell system includes a fuel cell stack (also simply referred to as a fuel cell or a stack) 4 including a solid polymer electrolyte. The high-pressure hydrogen stored in the hydrogen tank 2 is reduced to the operating pressure of the fuel cell by the hydrogen pressure adjusting valve 3 and supplied to the hydrogen electrode of the fuel cell stack 4.

酸化剤としての空気は、コンプレッサ等の空気供給装置1から燃料電池スタック4へ供給される。燃料電池スタック4は、水素と空気中の酸素とを電解質を介して電気化学反応させて発電し、発電した電力を電力変換装置9で変換して負荷装置10または二次電池13へ供給する。   Air as an oxidant is supplied to the fuel cell stack 4 from an air supply device 1 such as a compressor. The fuel cell stack 4 generates electricity by causing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen in the air via an electrolyte, and converts the generated power by the power converter 9 and supplies it to the load device 10 or the secondary battery 13.

燃料電池スタック4は水素循環経路をもつ構成である。燃料電池スタック4の水素極入口には、発電に必要な量を超える水素が供給され、未反応の水素は、燃料電池スタック4の水素極出口から排出される。この排出水素は、水素循環路25と水素循環ポンプ5により燃料電池スタック4の水素極入口に戻して再利用される(循環水素と記す)。燃料電池スタック4の水素極には、水素タンク2から供給される水素と循環水素との混合水素が供給される。循環水素は水蒸気を多く含んでおり、水素タンク2の乾燥した水素と混合して、燃料電池の水素極に供給する水素を加湿するようにしている。この混合水素を供給することにより、燃料電池スタック4の固体高分子電解質を十分加湿できる。   The fuel cell stack 4 has a configuration having a hydrogen circulation path. Hydrogen exceeding the amount necessary for power generation is supplied to the hydrogen electrode inlet of the fuel cell stack 4, and unreacted hydrogen is discharged from the hydrogen electrode outlet of the fuel cell stack 4. This discharged hydrogen is returned to the hydrogen electrode inlet of the fuel cell stack 4 by the hydrogen circulation path 25 and the hydrogen circulation pump 5 and reused (referred to as “circulated hydrogen”). The hydrogen electrode of the fuel cell stack 4 is supplied with a mixed hydrogen of hydrogen supplied from the hydrogen tank 2 and circulating hydrogen. The circulating hydrogen contains a large amount of water vapor, and is mixed with the dry hydrogen in the hydrogen tank 2 to humidify the hydrogen supplied to the hydrogen electrode of the fuel cell. By supplying this mixed hydrogen, the solid polymer electrolyte of the fuel cell stack 4 can be sufficiently humidified.

また、本実施例においては、特に限定されないが燃料電池スタック4の解凍手段として、燃料電池スタック4の表面に電気ヒータ26を設けている。燃料電池スタック4の凍結状態からの起動時には、電気ヒータ26は、二次電池13の電力で発熱して燃料電池スタック4を解凍する。   In the present embodiment, although not particularly limited, an electric heater 26 is provided on the surface of the fuel cell stack 4 as a thawing means for the fuel cell stack 4. When the fuel cell stack 4 is activated from the frozen state, the electric heater 26 generates heat by the power of the secondary battery 13 and defrosts the fuel cell stack 4.

本実施例では電力変換装置9として、DC/DCコンバータとDC/ACインバータとを備えている。DC/DCコンバータは、燃料電池スタック4の発電電圧から、二次電池13の充電電圧、またはDC/ACインバータの入力電圧に変換する。DC/ACインバータは、入力された直流電力を交流電力にエネルギー変換して負荷装置10へ交流電力を供給する。燃料電池システムを車両に適用した場合には、負荷装置10は、車両走行用の駆動モータである。   In this embodiment, the power converter 9 includes a DC / DC converter and a DC / AC inverter. The DC / DC converter converts the generated voltage of the fuel cell stack 4 into the charging voltage of the secondary battery 13 or the input voltage of the DC / AC inverter. The DC / AC inverter converts input DC power into AC power and supplies AC power to the load device 10. When the fuel cell system is applied to a vehicle, the load device 10 is a drive motor for driving the vehicle.

本実施例では電力変換装置9に電力取り出し量を設定して、燃料電池スタック4から負荷電流を取り出すようにしている。電圧センサ6は燃料電池スタック4の電圧を計測するセンサ、電流センサ7は燃料電池スタック4から電力変換装置9に向かって流れる発電電流を測定する電流センサである。   In this embodiment, a power extraction amount is set in the power converter 9 so that a load current is extracted from the fuel cell stack 4. The voltage sensor 6 is a sensor that measures the voltage of the fuel cell stack 4, and the current sensor 7 is a current sensor that measures a generated current flowing from the fuel cell stack 4 toward the power converter 9.

空気圧力調整弁11は、空気極の圧力を調節する弁、パージ弁12は水素循環系に蓄積した水や窒素等の不純物を排出するための弁である。   The air pressure adjusting valve 11 is a valve for adjusting the pressure of the air electrode, and the purge valve 12 is a valve for discharging impurities such as water and nitrogen accumulated in the hydrogen circulation system.

圧力センサ16、温度センサ17は、それぞれ水素極入口の圧力、温度を計測する。圧力センサ18、温度センサ19は、それぞれ空気極入口の圧力、温度を計測する。   The pressure sensor 16 and the temperature sensor 17 measure the pressure and temperature at the hydrogen electrode inlet, respectively. The pressure sensor 18 and the temperature sensor 19 measure the pressure and temperature at the air electrode inlet, respectively.

冷却液ポンプ20は冷却液を循環するポンプ、温度センサ21、23は、それぞれ燃料電池の出口、入口の冷却液温度を計測するセンサである。   The coolant pump 20 is a pump that circulates coolant, and the temperature sensors 21 and 23 are sensors that measure the coolant temperature at the outlet and inlet of the fuel cell, respectively.

電流センサ14,電圧センサ15はそれぞれ二次電池13の電流と電圧を計測するセンサ、温度センサ24は、二次電池13近傍の温度を計測するセンサである。   The current sensor 14 and the voltage sensor 15 are sensors for measuring the current and voltage of the secondary battery 13 respectively, and the temperature sensor 24 is a sensor for measuring the temperature in the vicinity of the secondary battery 13.

また、燃料電池システムを制御するとともに、本発明に係る燃料電池システムの運転方法を実現するコントローラ27が設けられている。特に限定されないが、本実施例では、コントローラ27は、CPUと、プログラム及び制御データを記憶するROMと、作業用RAMと、入出力ポートとを備えたマイクロプロセッサで構成されている。   Further, a controller 27 is provided for controlling the fuel cell system and realizing the operating method of the fuel cell system according to the present invention. Although not particularly limited, in this embodiment, the controller 27 includes a microprocessor including a CPU, a ROM that stores programs and control data, a working RAM, and an input / output port.

コントローラ27の入力ポートには、電圧センサ6,14,電流センサ7,15,セル電圧センサ8,圧力センサ16,16,温度センサ21,22,23,24が接続されている。またコントローラ27の出力ポートには、空気供給装置1,水素圧力調整弁3,水素循環ポンプ5,電力変換装置9,空気圧力調整弁11,パージ弁12,冷却液ポンプ20,及び電気ヒータ26が接続されている。   Voltage sensors 6 and 14, current sensors 7 and 15, cell voltage sensor 8, pressure sensors 16 and 16, and temperature sensors 21, 22, 23, and 24 are connected to input ports of the controller 27. The output port of the controller 27 includes an air supply device 1, a hydrogen pressure adjustment valve 3, a hydrogen circulation pump 5, a power conversion device 9, an air pressure adjustment valve 11, a purge valve 12, a coolant pump 20, and an electric heater 26. It is connected.

コントローラ27は、これら入力ポートに接続されたセンサ類の検出信号を入力して、燃料電池スタック4及び燃料電池システムの状態を認識し、燃料電池システム全体を制御するとともに、燃料電池スタック4の状態に基づいて燃料電池スタック4の内部の氷の量を推定し、この氷の量の推定値に応じて、燃料電池システムの運転条件を変更する制御を行うものである。   The controller 27 inputs detection signals from the sensors connected to these input ports, recognizes the states of the fuel cell stack 4 and the fuel cell system, controls the entire fuel cell system, and controls the state of the fuel cell stack 4. Based on the above, the amount of ice inside the fuel cell stack 4 is estimated, and control is performed to change the operating conditions of the fuel cell system according to the estimated value of the amount of ice.

[動作説明]
次に図2の制御フローチャートを参照して、本実施例におけるコントローラの動作を説明する。まず、ステップ(以下、ステップをSと略す)10では、温度センサ23,21の検出値であるスタック入口、スタック出口の冷却液温度値を読み込み、S12で、入口、出口の二つの温度値を比較し、低い方を代表温度とする。次いで、S14で、代表温度が所定値(例えば、0℃)より低いか否かを判定することにより、燃料電池スタック4が凍結しているか否かを判定する。
[Description of operation]
Next, the operation of the controller in this embodiment will be described with reference to the control flowchart of FIG. First, in step (hereinafter abbreviated as “S”) 10, the coolant temperature values at the stack inlet and the stack outlet, which are detected values of the temperature sensors 23 and 21, are read. In S12, the two temperature values at the inlet and the outlet are read. In comparison, the lower one is set as the representative temperature. Next, in S14, it is determined whether or not the fuel cell stack 4 is frozen by determining whether or not the representative temperature is lower than a predetermined value (for example, 0 ° C.).

本実施例ではこの段階では、まだ冷却液ポンプ20は停止しており、燃料電池スタック4に冷却液を流さないとする。このためスタック温度を推定するためにスタック入口とスタック出口の冷却液温度のどちらか低い方の温度が所定値以下かどうかで判断するようにした。   In this embodiment, at this stage, the coolant pump 20 is still stopped, and it is assumed that the coolant does not flow through the fuel cell stack 4. Therefore, in order to estimate the stack temperature, it is determined whether the lower one of the coolant temperature at the stack inlet or the stack outlet is equal to or lower than a predetermined value.

燃料電池システム停止状態で冷却液を流さない時は、スタック内部と外部で冷却液の移動は無視できる。このため外気に触れるスタック入口冷却液配管とスタック出口の冷却液配管内の冷却液温度のほうがスタック内部温度よりも早く低下する。本実施例ではこのような現象を利用して、スタック冷却液を流さない状態でスタック入口とスタック出口の冷却液温度のどちらか低い方の温度が所定値以下かどうかでスタック凍結かどうかを判断するようにした。   When the coolant does not flow when the fuel cell system is stopped, the movement of the coolant can be ignored inside and outside the stack. For this reason, the temperature of the coolant in the stack inlet coolant pipe that is in contact with the outside air and the temperature of the coolant pipe in the stack outlet outlet cools faster than the stack internal temperature. In this embodiment, using such a phenomenon, whether or not the stack is frozen is determined by checking whether the lower one of the coolant temperature at the stack inlet and the stack outlet is lower than a predetermined value without flowing the stack coolant. I tried to do it.

S14の判定で、スタックが凍結していると判定しなかった場合、S38へ進み、解凍せずに燃料電池を起動する通常の燃料電池の起動を行う。   If it is not determined in S14 that the stack is frozen, the process proceeds to S38, and a normal fuel cell is started that starts the fuel cell without thawing.

S14の判定で、スタックが凍結していると判定した場合、S16へ進み、代表温度から燃料電池スタック4内部の氷の量を推定して推定値を求める。   If it is determined in S14 that the stack is frozen, the process proceeds to S16, and an estimated value is obtained by estimating the amount of ice in the fuel cell stack 4 from the representative temperature.

S16では、まず通常停止後にスタックに残留する水分量からデフォルト値としてスタック内部の氷の量をスタック入口とスタック出口の冷却液温度のどちらか低い方の温度を参照して求める。本実施例では通常停止後にスタックに残留する水分量は予め実験して見積もっておいたデータを使っている。およびスタック入口とスタック出口の冷却液温度のどちらか低い方の温度と、水分凍結量の関係も予め実験して見積もっておいたデータを使っている。   In S16, first, the amount of ice inside the stack is obtained as a default value from the amount of water remaining in the stack after the normal stop with reference to the lower one of the coolant temperature at the stack inlet and the stack outlet. In this embodiment, the amount of water remaining in the stack after the normal stop is based on data estimated in advance through experiments. In addition, the relationship between the lower one of the coolant temperature at the stack inlet and the stack outlet and the amount of water freeze is also used based on experimentally estimated data.

図3は、氷の量を推定するテーブル値の例である。0℃付近はセンサ誤差等があるので徐々にに氷の量が増えるようにしている。ある程度以下の温度になると氷の量は一定値に落ち着くようにした。本実施例ではこの氷の量の推定値をデフォルト値として、S18で氷の量推定値に補正を加えている。   FIG. 3 is an example of a table value for estimating the amount of ice. Since there is a sensor error in the vicinity of 0 ° C., the amount of ice is gradually increased. The amount of ice settled down to a certain value when the temperature was below a certain level. In this embodiment, the estimated amount of ice is used as a default value, and the estimated amount of ice is corrected in S18.

図4は、氷の量推定値を補正するサブルーチンを説明する詳細フローチャートである。図4のS50では、前回停止時の燃料電池出口冷却液温度が所定値以下であったか否かを判定する。温度が所定値以下であった場合、燃料電池スタック内部に多くの水分を含んだ状態で凍結したと判断し、S52へ進む。S52では、前回の停止温度が低いほど補正値C1が大きくなるようにC1を算出し、S56へ進む。図5(a)は、S52で補正値C1の算出に用いる関数、またはマップの例を示す図である。S50の判定で、前回停止時の温度が所定値を超えていれば、S54で補正値C1に0を設定し、前回停止時の温度による氷の量推定値を補正しないこととし、S56へ進む。   FIG. 4 is a detailed flowchart for explaining a subroutine for correcting the estimated amount of ice. In S50 of FIG. 4, it is determined whether the fuel cell outlet coolant temperature at the previous stop was equal to or lower than a predetermined value. If the temperature is equal to or lower than the predetermined value, it is determined that the fuel cell stack is frozen in a state of containing a large amount of water, and the process proceeds to S52. In S52, C1 is calculated so that the correction value C1 increases as the previous stop temperature decreases, and the process proceeds to S56. FIG. 5A is a diagram illustrating an example of a function or map used for calculating the correction value C1 in S52. If it is determined in S50 that the temperature at the previous stop exceeds a predetermined value, the correction value C1 is set to 0 at S54, and the estimated ice amount based on the temperature at the previous stop is not corrected, and the process proceeds to S56. .

図4のS56では 前回停止時に燃料電池出口冷却液温度が所定値以下の時間が所定時間以上継続していたか否かを判定する。前回の停止前に温度が所定値以下で継続した時間が長いほどスタック内部に多くの水分を含んだ状態で凍結したと判断する。S56の判定がYesの場合、S58へ進み、継続時間が長いほど氷の量推定値の補正値C2が大きくなるように算出する。S56の判定がNoの場合、S60へ進み、補正値C2に0を設定して、S62へ進む。   In S56 of FIG. 4, it is determined whether or not the time when the fuel cell outlet coolant temperature is equal to or lower than a predetermined value has been continued for a predetermined time or more at the previous stop. It is determined that the stack has been frozen in a state containing more moisture as the time during which the temperature has continued below the predetermined value before the previous stop is longer. When the determination in S56 is Yes, the process proceeds to S58, and the correction value C2 of the ice amount estimated value is calculated to increase as the duration time increases. If the determination in S56 is No, the process proceeds to S60, the correction value C2 is set to 0, and the process proceeds to S62.

図4のS62では 前回停止時の水飛ばしパージ時間が所定値以下であったか否かを判定する。水飛ばしパージは、燃料電池スタック4内部のガス流路等に滞留する水滴を吹き飛ばすために、燃料ガス流量を大きくして燃料ガスと共に水滴をスタック外へ排出する運転操作である。前回の停止前に水飛ばしパージ時間を継続した時間が短いほどスタック内部に多くの水分を含んだ状態で凍結したと判断する。S62の判定がYesの場合、S64へ進み、パージ継続時間が短いほど補正値C3が大きくなるように算出して、S68へ進む。S62の判定がNoの場合、S66で補正値C3に0を設定して、S68へ進む。   In S62 of FIG. 4, it is determined whether or not the water removal purge time at the previous stop was less than or equal to a predetermined value. The water blowout purge is an operation operation in which the fuel gas flow rate is increased and the water droplets are discharged out of the stack to increase the flow rate of the fuel gas in order to blow off the water droplets staying in the gas flow path or the like inside the fuel cell stack 4. It is determined that the stack has been frozen in a state of containing a lot of moisture as the time for which the purge time is continued before the previous stop is shorter. If the determination in S62 is Yes, the process proceeds to S64, and the correction value C3 is calculated so as to increase as the purge duration time decreases, and the process proceeds to S68. If the determination in S62 is No, 0 is set to the correction value C3 in S66, and the process proceeds to S68.

図4のS68では、燃料電池システムの運用開始時からこれまでに燃料電池スタック4が凍結したと判定された回数が多いほど、氷の量推定値の補正値C4が大きくなるように算出する。燃料電池スタック4内部の触媒層が凍結すると、氷が膨張して触媒層に歪を生じる。その後氷が溶けても歪は完全に元に戻らないため、触媒層中に水分が滞留しやすい“穴”が多く生じる。このため燃料電池スタック4が凍結したと判定された回数が多いほど、スタック内部に多くの水分を含んだ状態で今回凍結していると判断することができる。図5(b)は、S68で補正値C4の算出に用いる関数、またはマップの例を示す図である。   In S68 of FIG. 4, the correction value C4 of the estimated ice amount is calculated to increase as the number of times that the fuel cell stack 4 is determined to have been frozen since the start of operation of the fuel cell system increases. When the catalyst layer inside the fuel cell stack 4 is frozen, the ice expands and the catalyst layer is distorted. After that, even if the ice melts, the strain is not completely restored, so that many “holes” in which moisture tends to stay in the catalyst layer are generated. Therefore, it can be determined that the fuel cell stack 4 is frozen this time as the number of times it is determined that the fuel cell stack 4 has been frozen increases, with more moisture contained in the stack. FIG. 5B is a diagram illustrating an example of a function or map used for calculating the correction value C4 in S68.

図4のS70では、前回の停止時から今回の起動までに、スタック冷却液温度(スタック入口と出口との温度の低い方の代表値)が所定温度以下となった状態が所定時間以上継続したか否かを判定する。低温環境で燃料電池の運転を停止した場合には、燃料電池スタック4内部の熱容量の影響でスタック内部温度はスタック冷却液温度よりも温度低下が遅いのでスタック内部温度が水分凍結温度まで低下するのに時間がかかる。外部温度が0℃付近の場合、燃料電池内部温度が0℃付近を継続した時間が長いほど燃料電池内部の隅々の水分が凍結する。外部温度が0℃以下の場合で現在の燃料電池内部温度も0℃以下の場合、燃料電池内部温度が0℃付近を継続した時間が長いほど燃料電池内部に多量の水分が存在してその水分凍結が凍結状態となる。この液体の水分が多いと固相と液相が共存する0℃付近で温度が維持される時間が長くなる。   In S70 of FIG. 4, the state in which the stack coolant temperature (representative value of the lower temperature of the stack inlet and outlet) is equal to or lower than a predetermined temperature continues for a predetermined time or more from the previous stop to the current start. It is determined whether or not. When the operation of the fuel cell is stopped in a low temperature environment, the stack internal temperature falls to the water freezing temperature because the temperature inside the stack is slower than the stack coolant temperature due to the heat capacity inside the fuel cell stack 4. Takes time. When the external temperature is around 0 ° C., the moisture inside the fuel cell freezes as the time during which the temperature inside the fuel cell continues around 0 ° C. is longer. When the external temperature is 0 ° C. or lower and the current internal temperature of the fuel cell is also 0 ° C. or lower, the longer the fuel cell internal temperature continues at around 0 ° C., the more water is present in the fuel cell. Freezing is frozen. When the water content of the liquid is large, the time during which the temperature is maintained near 0 ° C. where the solid phase and the liquid phase coexist is long.

このような現象を考慮して、S70の判定がYesの場合S72へ進み、所定温度以下となった状態が継続した時間が長いほど補正値C5が大きくなるように算出する。図5(c)は、S72で補正値C5の算出に用いる関数、またはマップの例を示す図である。   In consideration of such a phenomenon, if the determination in S70 is Yes, the process proceeds to S72, and the correction value C5 is calculated so as to increase as the time during which the state of being equal to or lower than the predetermined temperature continues. FIG. 5C is a diagram showing an example of a function or map used for calculating the correction value C5 in S72.

S70の判定がNoの場合、S74で補正値C5に0を設定して、S76へ進む。 If the determination in S70 is No, 0 is set to the correction value C5 in S74, and the process proceeds to S76.

図4のS76では、補正値C1,C2,C3,C4,C5を図2のS16で推定した氷の量推定値に加算して氷の量を補正し、メインルーチンへリターンする。   In S76 of FIG. 4, the correction values C1, C2, C3, C4, and C5 are added to the ice amount estimated value estimated in S16 of FIG. 2 to correct the ice amount, and the process returns to the main routine.

図2のS18で氷の量を補正した後、S20で、氷の量に基づいて、半解凍状態で発電を開始するまでに解凍手段から燃料電池スタック4に与える熱量を算出する。図6は、S20で算出する発電開始熱量の算出テーブル例である。氷の量が多いほど、解凍手段(電気ヒータ26)で燃料電池スタックに与えた熱量が少ない量で発電電流取り出しを開始するように設定する。言い換えれば、スタック内部の氷の量が多いほど目標発電電流取り出し開始タイミングを早くするようにしたので、目標発電電流取り出し開始タイミングを早くするほど発電による生成水が少なくなり、氷で邪魔されて生成水が排出されずスタック内部で滞留して水溢れ状態になることを防止できるという効果がある。   After correcting the amount of ice in S18 of FIG. 2, the amount of heat given from the thawing means to the fuel cell stack 4 before starting power generation in the half-thaw state is calculated based on the amount of ice in S20. FIG. 6 is a calculation table example of the power generation start heat amount calculated in S20. The larger the amount of ice, the more the amount of heat given to the fuel cell stack by the thawing means (electric heater 26) is set to start taking out the generated current. In other words, as the amount of ice in the stack is larger, the target generation current extraction start timing is made earlier, so the earlier the target generation current extraction start timing is, the less water is generated by power generation and the generation is interrupted by ice. There is an effect that it is possible to prevent water from being discharged and staying inside the stack and becoming overflowed.

次いでS22で、発電開始した時に燃料電池スタック4から取り出す目標暖機電流の大きさを算出する。図7は、この目標暖機電流の大きさを算出するテーブルの例である。氷の量が多いほど、目標暖機電流を小さい値に設定する。前述したS20では、スタック内部の氷の量が多いほど目標発電電流取り出し開始タイミングを早くするようにしたので、S22の結果は、目標発電電流取り出し開始タイミングを早くするほど目標発電電流を小さくすることになり、氷で邪魔されて生成水が排出されずスタック内部で滞留して水溢れ状態になることを防止できるという効果がある。   Next, in S22, the magnitude of the target warm-up current taken out from the fuel cell stack 4 when power generation is started is calculated. FIG. 7 is an example of a table for calculating the magnitude of the target warm-up current. The target warm-up current is set to a smaller value as the amount of ice increases. In S20 described above, the target generation current extraction start timing is made earlier as the amount of ice in the stack increases, so the result of S22 is that the target generation current is decreased as the target generation current extraction start timing is advanced. Therefore, it is possible to prevent the generated water from being disturbed by ice and staying in the stack without being discharged and becoming a water overflow state.

次いで、S24で、解凍手段により燃料電池スタック4の解凍を開始する。本実施例では、解凍手段として、燃料電池スタック4の表面に電気ヒータ26を設けている。電気ヒータ26の電源は、二次電池13を用い、コントローラ27の制御により電気ヒータ26への通電を開始することで燃料電池スタック4の解凍を開始する。   Next, in S24, thawing of the fuel cell stack 4 is started by the thawing means. In this embodiment, an electric heater 26 is provided on the surface of the fuel cell stack 4 as a thawing means. The power source of the electric heater 26 uses the secondary battery 13 and starts defrosting the fuel cell stack 4 by starting energization of the electric heater 26 under the control of the controller 27.

次いでS26で、解凍のために電気ヒータ26から燃料電池スタック4に加えた熱量の積算を行う。本実施例では、電気ヒータ26から燃料電池スタック4へ与えた熱量積算値によって、どの程度氷が融けた状態かを推定するようにして、解凍中の氷の量を推定するようにした。   Next, in S26, the amount of heat applied from the electric heater 26 to the fuel cell stack 4 for thawing is integrated. In this embodiment, the amount of ice being thawed is estimated by estimating how much the ice has melted based on the integrated amount of heat given from the electric heater 26 to the fuel cell stack 4.

次いで、S28において、積算熱量がS20で算出した発電開始熱量以上となったか否かを判定し、積算熱量が発電開始熱量以上となった場合、S30へ進み、燃料ガス圧力の増減タイミングを設定する。発電電流を取り出すとスタック内部が暖められるため氷として存在していた水分が液体となってガス流路などに出てくるようになる。このままの状態では水溢れ状態となるので、ガス圧力を一気に高圧から低圧にして流速の急減な変化を生じさせてスタック内部に滞留する水分をスタック外へ排出するようにする。   Next, in S28, it is determined whether or not the accumulated heat amount is equal to or greater than the power generation start heat amount calculated in S20. If the accumulated heat amount is equal to or greater than the power generation start heat amount, the process proceeds to S30, and the increase / decrease timing of the fuel gas pressure is set. . When the generated current is taken out, the inside of the stack is warmed, so that the water that existed as ice becomes liquid and comes out to the gas flow path and the like. Since the water overflows in this state, the gas pressure is changed from high pressure to low pressure at once, causing a drastic change in the flow velocity so that the moisture staying inside the stack is discharged out of the stack.

本実施例では燃料ガス圧力を増減する制御周期を設けて、高い圧力を維持する時間を制御周期に対する%で与えるようにした。100%と与えると高い圧力のままでガス圧力を下げる場面は起きない。80%と与えると制御周期を例えば60[s]とすると48[s]高い圧力を維持し、12[s]低い圧力を維持するようになる。具体例は図9に示す。本実施例では目標暖機電流取り出し時の目標運転圧力が高いので制御周期毎に一時的に低い目標圧力に運転圧力を下げるようにした。さらに図8に示すように氷の量が多いほど燃料ガス圧力を増減する制御周期が短くなるようにした。水分の排出がきめ細かくできるようにするためである。   In this embodiment, a control cycle for increasing / decreasing the fuel gas pressure is provided, and the time for maintaining a high pressure is given as a percentage of the control cycle. When it is given as 100%, there is no case where the gas pressure is lowered while maintaining a high pressure. If 80% is given, for example, if the control cycle is 60 [s], a pressure that is 48 [s] higher is maintained and a pressure that is 12 [s] lower is maintained. A specific example is shown in FIG. In this embodiment, since the target operating pressure at the time of taking out the target warm-up current is high, the operating pressure is temporarily reduced to a low target pressure every control cycle. Further, as shown in FIG. 8, the control period for increasing / decreasing the fuel gas pressure is shortened as the amount of ice increases. This is so that moisture can be discharged finely.

次いでS32で、燃料ガス流量の増減タイミングを設定する。発電電流を取り出すとスタック内部が暖められるため氷として存在していた水分が液体となってガス流路などに出てくるようになる。このままでは水溢れ状態となるので、ガス流量を一気に低流量から高流量にして流速の急減な変化を生じさせてスタック内部に滞留する水分をスタック外へ排出するようにする。   Next, in S32, the increase / decrease timing of the fuel gas flow rate is set. When the generated current is taken out, the inside of the stack is warmed, so that the water that existed as ice becomes liquid and comes out to the gas flow path and the like. Since the water overflows as it is, the gas flow rate is suddenly changed from a low flow rate to a high flow rate, and a sudden decrease in the flow velocity is caused to discharge the moisture remaining inside the stack to the outside of the stack.

本実施例では燃料ガス流量を増減する制御周期を設けて、低い流量を維持する時間を制御周期に対する%で与えるようにした。100%と与えると低い流量のままで流量を上げる場面は起きない。80%と与えると制御周期を例えば60[s]とすると48[s]低い流量を維持し、12[s]高い流量を維持するようになる。具体例は図11に示す。   In this embodiment, a control cycle for increasing or decreasing the fuel gas flow rate is provided, and the time for maintaining a low flow rate is given as a percentage of the control cycle. When it is given as 100%, there is no case where the flow rate is increased while the flow rate is low. If 80% is given, for example, if the control period is 60 [s], a flow rate that is 48 [s] lower is maintained, and a flow rate that is 12 [s] higher is maintained. A specific example is shown in FIG.

本実施例では目標暖機電流取り出し時の目標運転流量が低いので制御周期毎に一時的に高い目標流量へ上げるようにした。さらに図10に示すように氷の量が多いほど燃料ガス流量を増減する制御周期が短くなるようにした。水分の排出がきめ細かくできるようにするためである。   In this embodiment, since the target operating flow rate at the time of taking out the target warm-up current is low, it is temporarily increased to a high target flow rate every control cycle. Further, as shown in FIG. 10, the control period for increasing / decreasing the fuel gas flow rate is shortened as the amount of ice increases. This is so that moisture can be discharged finely.

S34では、S30で設定した燃料ガス圧力増減タイミングまたはS32で設定した燃料ガス流量増減タイミングで燃料ガス(水素)及び空気の供給を開始すると共に、燃料電池スタック4から電力変換装置9へ目標暖機電流の取り出しを開始する。これにより、燃料電池スタック4の内部では、目標暖機電流の発電のための反応熱が発生し、スタック内部からも暖機を行うことができるようになる。このとき取り出した電力は、主として起動のために消費した二次電池13の電力を充電するために使用される。   In S34, supply of fuel gas (hydrogen) and air is started at the fuel gas pressure increase / decrease timing set in S30 or the fuel gas flow rate increase / decrease timing set in S32, and the target warm-up from the fuel cell stack 4 to the power converter 9 is started. Start taking out current. As a result, reaction heat for power generation of the target warm-up current is generated inside the fuel cell stack 4, and warm-up can be performed from inside the stack. The electric power taken out at this time is mainly used for charging the electric power of the secondary battery 13 consumed for activation.

次いで、S36で燃料電池スタック4の暖機が完了したか否かを判定する。この判定は、例えばスタック出口温度センサ21の検出値が所定温度(例えば、1℃)以上になったか否かにより判定する。S36の判定で暖機が完了していない場合、S34へ戻り目標暖機電流の取り出しを継続する。S36の判定で暖機が完了した場合、通常運転へ移行する。   Next, in S36, it is determined whether or not the fuel cell stack 4 has been warmed up. This determination is made based on, for example, whether or not the detection value of the stack outlet temperature sensor 21 has reached or exceeded a predetermined temperature (for example, 1 ° C.). If the warm-up is not completed in the determination of S36, the process returns to S34 and the extraction of the target warm-up current is continued. When the warm-up is completed in the determination of S36, the routine proceeds to normal operation.

本発明に係る運転方法が適用される燃料電池システムの構成例を示すシステム構成図である。1 is a system configuration diagram showing a configuration example of a fuel cell system to which an operation method according to the present invention is applied. 本発明に係る燃料電池システムの運転方法を説明する制御フローチャートである。3 is a control flowchart illustrating a method for operating the fuel cell system according to the present invention. 燃料電池スタックの冷却液出入口の温度に対する燃料電池スタック内部の氷の量推定値を算出するマップの例である。It is an example of the map which calculates the amount estimation value of the ice in a fuel cell stack with respect to the temperature of the coolant inlet / outlet of a fuel cell stack. 氷の量補正サブルーチンを説明する詳細フローチャートである。It is a detailed flowchart explaining the ice amount correction subroutine. 氷の量補正値の算出マップの例である。It is an example of the calculation map of the amount correction value of ice. 氷の量に対する発電開始する解凍熱量積算値のマップ例である。It is an example of the map of the integration | desorption heat amount integrated value which starts electric power generation with respect to the quantity of ice. 氷の量に対する目標暖機電流のマップ例である。It is a map example of the target warm-up current with respect to the amount of ice. 氷の量に対する燃料ガス圧力制御周期のマップ例である。It is an example of the map of the fuel gas pressure control period with respect to the quantity of ice. 暖機時の燃料ガス圧力のタイムチャート例である。It is a time chart example of the fuel gas pressure at the time of warming up. 氷の量に対する燃料ガス流量制御周期のマップ例である。It is an example of the map of the fuel gas flow control cycle with respect to the quantity of ice. 暖機時の燃料ガス流量のタイムチャート例である。It is an example of a time chart of the fuel gas flow rate at the time of warming up.

符号の説明Explanation of symbols

1:空気供給装置
2:水素タンク
3:水素圧力調整弁
4:燃料電池スタック
5:水素循環ポンプ
6:電圧センサ
7:電流センサ
8:セル電圧センサ
9:電力変換装置
10:負荷装置
11:空気圧力調整弁
12:パージ弁
13:二次電池
14:電圧センサ
15:電流センサ
16、18:圧力センサ
17,19:温度センサ
20:冷却液ポンプ
21〜24:温度センサ
25:水素循環路
26:電気ヒータ
27:コントローラ
1: Air supply device 2: Hydrogen tank 3: Hydrogen pressure regulating valve 4: Fuel cell stack 5: Hydrogen circulation pump 6: Voltage sensor 7: Current sensor 8: Cell voltage sensor 9: Power converter 10: Load device 11: Air Pressure adjustment valve 12: Purge valve 13: Secondary battery 14: Voltage sensor 15: Current sensor 16, 18: Pressure sensor 17, 19: Temperature sensor 20: Coolant pumps 21-24: Temperature sensor 25: Hydrogen circuit 26: Electric heater 27: controller

Claims (11)

燃料電池システムの起動時に、燃料電池の状態に基づいて燃料電池内部の氷の量を推定し、この氷の量の推定値に応じて燃料電池システムの運転条件を変更することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。   A fuel characterized in that when the fuel cell system is started, the amount of ice inside the fuel cell is estimated based on the state of the fuel cell, and the operating condition of the fuel cell system is changed according to the estimated value of the amount of ice. Battery system operation method. 前記運転条件は、発電電流の取り出し開始時期であり、前記氷の量の推定値に応じて、発電電流の取り出し開始時期を変更することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システムの運転方法。   The operation of the fuel cell system according to claim 1, wherein the operation condition is a generation start timing of the generated current, and the generation start timing of the generated current is changed according to the estimated value of the ice amount. Method. 前記運転条件は、発電電流の取り出し開始時期であり、前記氷の量の推定値が大きいほど、発電電流の取り出し開始時期を早めることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システムの運転方法。   The operating method of the fuel cell system according to claim 2, wherein the operating condition is a generation start timing of the generated current, and the generation start timing of the generated current is advanced as the estimated value of the ice amount increases. . 前記運転条件は、発電電流の大きさであり、前記氷の量の推定値が大きいほど、発電電流を小さくすることを特徴とする請求項2または請求項3に記載の燃料電池システムの運転方法。   4. The fuel cell system operating method according to claim 2, wherein the operating condition is a magnitude of a generated current, and the generated current is decreased as the estimated value of the amount of ice is larger. 5. . 前記運転条件は、燃料ガスの圧力変動回数であり、前記氷の量の推定値が大きいほど、前記圧力変動回数を多くすることを特徴とする請求項2または請求項3に記載の燃料電池システムの運転方法。   4. The fuel cell system according to claim 2, wherein the operating condition is a number of fuel gas pressure fluctuations, and the larger the estimated value of the ice amount, the larger the number of pressure fluctuations. 5. Driving method. 前記運転条件は、燃料ガスの流量変動回数であり、前記氷の量の推定値が大きいほど、前記流量変動回数を多くすることを特徴とする請求項2または請求項3に記載の燃料電池システムの運転方法。   4. The fuel cell system according to claim 2, wherein the operating condition is a flow rate variation number of the fuel gas, and the flow rate variation number is increased as the estimated value of the ice amount is larger. Driving method. 燃料電池システムの前回停止時の温度が低いほど、前記氷の量の推定値が大きくなるように補正することを特徴とする請求項1乃至請求項6の何れか1項に記載の燃料電池システムの運転方法。   The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, wherein the estimated value of the ice amount is increased as the temperature at the previous stop of the fuel cell system is lower. Driving method. 燃料電池温度が所定温度以下の状態を継続した時間が長いほど、前記氷の量の推定値が大きくなるように補正することを特徴とする請求項1乃至請求項6の何れか1項に記載の燃料電池システムの運転方法。   7. The correction according to claim 1, wherein the estimated value of the ice amount is increased as the time during which the fuel cell temperature is kept below the predetermined temperature is longer. Method of operating the fuel cell system. 燃料電池が凍結した回数が多いほど、前記氷の量の推定値が大きくなるように補正することを特徴とする請求項1乃至請求項6の何れか1項に記載の燃料電池システムの運転方法。   The method of operating a fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, wherein the estimated value of the amount of ice increases as the number of times the fuel cell has been frozen increases. . 前回停止時に水飛ばしパージを行った時間が短いほど、前記氷の量の推定値が大きくなるように補正することを特徴とする請求項1乃至請求項6の何れか1項に記載の燃料電池システムの運転方法。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein the estimated value of the amount of ice is corrected so as to be shorter as the time of performing the water purge at the previous stop is shorter. How to operate the system. 前回の停止から今回の起動までに燃料電池温度が所定温度以下である状態を継続した時間が長いほど、前記氷の量の推定値が大きくなるように補正することを特徴とする請求項1乃至請求項6の何れか1項に記載の燃料電池システムの運転方法。   The correction is performed so that the estimated value of the amount of ice becomes larger as the time during which the fuel cell temperature is kept below the predetermined temperature from the previous stop to the current start is longer. The operation method of the fuel cell system according to claim 6.
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