JP2005235546A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system restraining power voltage at start of fuel-gas supply, correctly judging that the gas at a fuel electrode is replaced by fuel-gas. <P>SOLUTION: When starting the fuel cell system, a controller 2 controls a compressor 21 in a state of not supplying oxidant gas to an air electrode 1b, controls the opening level of a hydrogen pressure control valve 12 for supplying hydrogen gas to a hydrogen electrode 1b, and makes the fuel cell consume the power voltage at a preparatory load 4 so as to make the power voltage of the fuel cell 1 detected by a voltage sensor 3 get to a prescribed voltage or lower, until it is judged that the gas at the hydrogen electrode 1a is replaced by hydrogen gas. Further, the controller takes the amount of hydrogen consumed by the electrochemical reaction at the fuel cell 1 into consideration when it is judged that the gas at the hydrogen electrode 1a is replaced by hydrogen gas. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池スタックの酸化剤極に酸化剤ガスを供給すると共に、燃料極に燃料ガスを供給して発電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 supplies an oxidant gas to an oxidant electrode of a fuel cell stack and generates power by supplying the fuel gas to a fuel electrode.

従来より、燃料電池スタックを発電させる場合に、燃料極に水素ガスを供給すると共に、酸化剤極に空気を供給して発電させる燃料電池システムが知られている。   2. Description of the Related Art Conventionally, a fuel cell system that supplies hydrogen gas to a fuel electrode and supplies air to an oxidant electrode to generate power when generating power from the fuel cell stack is known.

このような燃料電池システムは、下記の特許文献1に記載されているように、システム起動時に、燃料極に燃料ガスのみを供給することにより、燃料極の全体が燃料ガスで十分に置換された後、酸化剤極への酸化剤ガスの供給開始と略同時に、燃料電池スタックを外部負荷に接続している。これにより、従来では、無負荷状態で燃料電池スタックが高電圧状態となることを避け、酸化剤極の触媒層の腐食に起因した劣化を抑制すると共に、燃料極内での燃料ガス不足による燃料極の触媒層の腐食に起因した劣化を抑制している。   In such a fuel cell system, as described in Patent Document 1 below, the entire fuel electrode is sufficiently replaced with the fuel gas by supplying only the fuel gas to the fuel electrode at the time of starting the system. Thereafter, the fuel cell stack is connected to an external load substantially simultaneously with the start of supply of the oxidant gas to the oxidant electrode. Thus, conventionally, the fuel cell stack is prevented from becoming a high voltage state in a no-load state, the deterioration due to the corrosion of the catalyst layer of the oxidizer electrode is suppressed, and the fuel due to the shortage of fuel gas in the fuel electrode Degradation due to corrosion of the electrode catalyst layer is suppressed.

また、従来の燃料電池システムは、前回にシステム停止をした後の経過時間が長く、拡散等によって酸化剤極に酸素が十分存在していた場合、燃料ガスの供給開始時に燃料ガスが十分に供給される部分と供給されない部分とが発生し、当該燃料ガスが十分に供給される部分において高電圧状態となり、触媒腐食が発生する可能性がある。これに対し、下記の特許文献2では、無負荷状態の高電圧状態を避けるために、燃料ガスの供給を実施した後、駆動モータ等とは別個に設けた予備的な負荷を燃料電池スタックに接続して発電電圧を所定値以下となるように消費させ、触媒層の腐食に起因した劣化を抑制している。   In addition, the conventional fuel cell system has a long elapsed time after the previous system shutdown, and when the oxygen is sufficiently present in the oxidizer electrode due to diffusion or the like, the fuel gas is sufficiently supplied at the start of fuel gas supply. A portion that is supplied and a portion that is not supplied are generated, and a high voltage state is generated in a portion where the fuel gas is sufficiently supplied, which may cause catalyst corrosion. On the other hand, in the following Patent Document 2, in order to avoid a high voltage state in an unloaded state, after supplying fuel gas, a preliminary load provided separately from the drive motor or the like is applied to the fuel cell stack. The power generation voltage is connected and consumed so as to be a predetermined value or less, and deterioration due to corrosion of the catalyst layer is suppressed.

更に、下記の特許文献3では、燃料極に接続された燃料ガス配管経路中の非燃料ガス成分を燃料ガスで置換する際に、非燃料ガスと燃料ガスとの分子量の違いにより、燃料ガス供給量に対する燃料ガス圧力値、又は燃料ガス圧力に対する燃料ガス供給量を判断して、供給した燃料ガスによって燃料極が燃料ガスで置換されたかを判断し、燃料ガス不足による燃料極側の触媒層の腐食や劣化の抑制や、必要以上の燃料ガスの排出を抑制している。
特開平9−120830号公報 特公平7−63020号公報 特開2002−313390号公報
Further, in Patent Document 3 below, when a non-fuel gas component in a fuel gas piping path connected to a fuel electrode is replaced with a fuel gas, a fuel gas supply is caused by a difference in molecular weight between the non-fuel gas and the fuel gas. The fuel gas pressure value with respect to the fuel gas amount or the fuel gas supply amount with respect to the fuel gas pressure is determined, it is determined whether the fuel electrode is replaced with the fuel gas by the supplied fuel gas, and the catalyst layer on the fuel electrode side due to the fuel gas shortage is determined. It suppresses corrosion and deterioration, and the emission of fuel gas more than necessary.
JP-A-9-120830 Japanese Patent Publication No. 7-63020 JP 2002-313390 A

しかしながら、上述した従来の特許文献2に記載された燃料電池システムでは、燃料ガスの供給を開始した後、燃料電池スタックの発電電圧を触媒層の腐食が生じない所定値以下に制御しながら、燃料極が燃料ガスで置換されるまで待機する技術では、燃料ガスを供給開始した時の燃料電池スタックの発電電圧の抑制を考慮すると共に、燃料極内を非燃料ガスが満たされている状態から燃料ガス濃度が高い状態に短時間で置換する必要がある。   However, in the above-described conventional fuel cell system described in Patent Document 2, after starting the supply of the fuel gas, the fuel cell stack is controlled to a predetermined value or less at which the generated voltage of the fuel cell stack does not cause corrosion of the catalyst layer. In the technology that waits until the electrode is replaced with the fuel gas, the fuel cell stack is considered to suppress the generated voltage when the supply of the fuel gas is started, and the fuel electrode is filled with the non-fuel gas. It is necessary to replace with a high gas concentration in a short time.

そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、燃料ガス供給開始時の発電電圧を抑制すると共に、燃料極が燃料ガスで置換されたこと正確に判断することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been proposed in view of the above-described circumstances, and suppresses the power generation voltage at the start of fuel gas supply and can accurately determine that the fuel electrode has been replaced with fuel gas. An object is to provide a battery system.

本発明は、燃料極に燃料ガスが供給されると共に、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池と、燃料電池の燃料ガス入口に接続された燃料ガス供給流路を介して燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給し、燃料電池の燃料ガス出口に接続された燃料ガス排出流路を介して燃料電池から排出された燃料ガスを排出する燃料ガス供給手段と、燃料電池の酸化剤ガス入口に接続された酸化剤ガス供給流路を介して燃料電池の酸化剤ガス極に酸化剤ガスを供給し、燃料電池の酸化剤ガス出口に接続された酸化剤ガス排出流路を介して燃料電池から排出された酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス供給手段と、燃料電池の発電電力を消費して、燃料電池の発電電圧を調整する電力消費手段と、燃料電池の発電電圧を検出する発電電圧検出手段とを備えた燃料電池システムであって、システム起動時に、起動制御手段は、酸化剤極に酸化剤ガスを供給させない状態で、燃料極に燃料ガスを供給するように燃料ガス供給手段を制御し、燃料極が燃料ガスによって置換されたと判断するまで、発電電圧検出手段により検出されている燃料電池の発電電圧が所定値以下となるように電力消費手段で発電電圧を消費させることにより、上述の課題を解決する。   According to the present invention, a fuel gas is supplied to a fuel electrode, an oxidant gas is supplied to an oxidant electrode, and power is generated. A fuel gas supply channel connected to a fuel gas inlet of the fuel cell is provided. A fuel gas supply means for supplying a fuel gas to the fuel electrode of the fuel cell and discharging the fuel gas discharged from the fuel cell through a fuel gas discharge channel connected to the fuel gas outlet of the fuel cell; The oxidant gas is supplied to the oxidant gas electrode of the fuel cell via the oxidant gas supply channel connected to the oxidant gas inlet, and the oxidant gas discharge channel connected to the oxidant gas outlet of the fuel cell is provided. An oxidant gas supply means for discharging the oxidant gas discharged from the fuel cell, a power consumption means for consuming the power generated by the fuel cell and adjusting the power generation voltage of the fuel cell, and a power generation voltage of the fuel cell. Equipped with power generation voltage detection means to detect In the fuel cell system, at the time of system start-up, the start-up control means controls the fuel gas supply means so as to supply the fuel gas to the fuel electrode without supplying the oxidant gas to the oxidant electrode. The power consumption means consumes the power generation voltage so that the power generation voltage of the fuel cell detected by the power generation voltage detection means is equal to or lower than a predetermined value until it is determined that the fuel gas is replaced by the fuel gas. To do.

本発明に係る燃料電池システムによれば、酸化剤極に酸化剤ガスを供給させない状態で、燃料極に燃料ガスを供給し、燃料極が燃料ガスによって置換されたと判断するまで、燃料電池の発電電圧が所定値以下となるように電力消費手段で発電電圧を消費させるので、電極触媒の腐食を進行させるエネルギーを抑制することができると共に、燃料極内が燃料ガスに確実に置換したことを判断することができるので、通常発電に移行した後に燃料極内の燃料ガスが不足するという事態を回避することができる。   According to the fuel cell system of the present invention, power generation of the fuel cell is performed until it is determined that the fuel electrode is replaced with the fuel gas without supplying the oxidant gas to the oxidant electrode and supplying the fuel gas to the fuel electrode. Since the generated voltage is consumed by the power consuming means so that the voltage becomes a predetermined value or less, it is possible to suppress the energy that causes the corrosion of the electrode catalyst, and it is determined that the fuel electrode is surely replaced with the fuel gas. Therefore, it is possible to avoid a situation in which the fuel gas in the fuel electrode becomes insufficient after shifting to normal power generation.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

[第1実施形態]
本発明は、例えば図1に示すように構成された第1実施形態に係る燃料電池システムに適用される。この燃料電池システムは、例えば車両に搭載され、当該車両の走行トルクを発生させる駆動モータ等の負荷に電力供給を行うと共に、蓄電池に電力を充電するものである。
[First Embodiment]
The present invention is applied to the fuel cell system according to the first embodiment configured as shown in FIG. 1, for example. This fuel cell system is mounted on a vehicle, for example, and supplies power to a load such as a drive motor that generates a running torque of the vehicle and charges the storage battery with power.

[燃料電池システムの構成]
この燃料電池システムは、図1に示すように、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることにより発電する燃料電池スタック1を備える。この燃料電池スタック1は、例えば、固体高分子電解質を挟んで水素極1aと空気極1bとを対設した燃料電池セル構造体が複数積層して構成されている。本例においては、燃料電池スタック1が電気化学反応を発生させるための燃料ガスとして水素ガスを水素極1aに供給すると共に、酸化剤ガスとして酸素を含む空気を空気極1bに供給する燃料電池システムについて説明する。
[Configuration of fuel cell system]
As shown in FIG. 1, the fuel cell system includes a fuel cell stack 1 that generates electric power when supplied with a fuel gas and an oxidant gas. The fuel cell stack 1 is configured, for example, by laminating a plurality of fuel cell structures each having a hydrogen electrode 1a and an air electrode 1b facing each other with a solid polymer electrolyte interposed therebetween. In this example, the fuel cell stack 1 supplies hydrogen gas as a fuel gas for generating an electrochemical reaction to the hydrogen electrode 1a, and supplies air containing oxygen as an oxidant gas to the air electrode 1b. Will be described.

この燃料電池システムは、燃料電池スタック1に空気を供給して排出する空気系、燃料電池スタック1に水素ガスを供給させる水素ガス系を備える。なお、本例においては燃料電池スタック1を加湿する加湿用純水を循環させる加湿用純水系、燃料電池スタック1の温度調整をする冷却水を循環させる冷却水系の図示を省略している。この燃料電池システムでは、燃料電池スタック1の発電を制御するに際して、水素ガス系及び空気系の各部をコントローラ2により制御する。   The fuel cell system includes an air system for supplying and discharging air to the fuel cell stack 1 and a hydrogen gas system for supplying hydrogen gas to the fuel cell stack 1. In this example, the illustration of a humidifying pure water system for circulating humidifying pure water for humidifying the fuel cell stack 1 and a cooling water system for circulating cooling water for adjusting the temperature of the fuel cell stack 1 are omitted. In this fuel cell system, when the power generation of the fuel cell stack 1 is controlled, each part of the hydrogen gas system and the air system is controlled by the controller 2.

水素ガス系は、燃料電池スタック1の水素ガス入口に接続された水素供給流路L1に、水素ボンベ11、水素圧力調整弁12及びアクチュエータ13が設けられ、燃料電池スタック1の水素ガス出口に接続された水素排出流路L2に、パージ弁14及びアクチュエータ15が設けられて構成されている。   The hydrogen gas system is provided with a hydrogen cylinder 11, a hydrogen pressure regulating valve 12, and an actuator 13 in a hydrogen supply channel L 1 connected to the hydrogen gas inlet of the fuel cell stack 1, and is connected to the hydrogen gas outlet of the fuel cell stack 1. The purge valve 14 and the actuator 15 are provided in the hydrogen discharge flow path L2 thus configured.

この水素ガス系は、燃料電池システムの通常運転時において、水素ボンベ11に貯蔵した高圧水素を水素ガスとして水素極1aに導く。このとき、水素ガス系は、コントローラ2によりアクチュエータ13が駆動されて、水素圧力調整弁12の開度が調整される。これにより、水素ガスは、水素圧力調整弁12によって適正な圧力に調圧制御されて、水素極1aに導入される。なお、コントローラ2は、水素極1a内のガス圧力を検出するアノード極内圧力センサ(図示せず)の検出値を参照して、所望の圧力となるように水素圧力調整弁12の開度調整を行う。   This hydrogen gas system guides high-pressure hydrogen stored in the hydrogen cylinder 11 to the hydrogen electrode 1a as hydrogen gas during normal operation of the fuel cell system. At this time, in the hydrogen gas system, the actuator 13 is driven by the controller 2 and the opening degree of the hydrogen pressure regulating valve 12 is adjusted. As a result, the hydrogen gas is regulated to an appropriate pressure by the hydrogen pressure regulating valve 12 and introduced into the hydrogen electrode 1a. The controller 2 adjusts the opening of the hydrogen pressure regulating valve 12 so as to obtain a desired pressure with reference to a detected value of an anode electrode pressure sensor (not shown) that detects a gas pressure in the hydrogen electrode 1a. I do.

また、この水素ガス系は、水素極1a内に水素ガス以外の不純物が蓄積した場合に、パージ弁14を開状態とするようにアクチュエータ15を駆動することにより、水素ガスと共に不純物を外気に放出する。   Further, this hydrogen gas system releases impurities together with hydrogen gas to the outside air by driving the actuator 15 so that the purge valve 14 is opened when impurities other than hydrogen gas accumulate in the hydrogen electrode 1a. To do.

このような水素ガス系は、燃料電池システムの起動時に、水素供給流路L1、水素極1aのガスを水素で置換するために、後述の空気系により空気を空気極1bに供給しない状態で、水素ガスのみを水素極1aに供給するように制御される。   In such a hydrogen gas system, in order to replace the gas in the hydrogen supply flow path L1 and the hydrogen electrode 1a with hydrogen when the fuel cell system is started up, air is not supplied to the air electrode 1b by the air system described later, Control is performed so that only hydrogen gas is supplied to the hydrogen electrode 1a.

空気系は、空気極1bの空気入口と接続された空気供給流路L3にコンプレッサ21が設けられ、空気極1bの空気出口と接続された空気排出流路L4に空気調圧弁22及びアクチュエータ23が設けられて構成されている。   In the air system, a compressor 21 is provided in an air supply passage L3 connected to the air inlet of the air electrode 1b, and an air pressure regulating valve 22 and an actuator 23 are provided in an air discharge passage L4 connected to the air outlet of the air electrode 1b. It is provided and configured.

この空気系は、燃料電池システムの通常運転時において、コントローラ2によりコンプレッサ21のコンプレッサモータ(図示せず)の回転数が制御され、外気を取り込んで圧縮空気として空気極1bの空気入口に導入する。このとき、コントローラ2は、図示しない空気圧力センサの検出値を参照して、空気極1b内の空気圧力を所望の圧力値とするようにアクチュエータ23を駆動して、空気調圧弁22の開度調整を行う。そして、燃料電池スタック1の空気出口から排出された空気は、空気排出流路L4及び空気調圧弁22を通過して、外気に排出される。   In the air system, during the normal operation of the fuel cell system, the rotation speed of the compressor motor (not shown) of the compressor 21 is controlled by the controller 2, and outside air is taken in and introduced into the air inlet of the air electrode 1b as compressed air. . At this time, the controller 2 refers to the detected value of the air pressure sensor (not shown), drives the actuator 23 so that the air pressure in the air electrode 1b becomes a desired pressure value, and opens the opening of the air pressure regulating valve 22. Make adjustments. The air discharged from the air outlet of the fuel cell stack 1 passes through the air discharge flow path L4 and the air pressure regulating valve 22, and is discharged to the outside air.

このような空気系は、燃料電池システムの起動時に、水素供給流路L1及び水素極1aに定常的に水素ガスが流れるようになるように、空気を空気極1bに供給しない状態とされる。   Such an air system is in a state in which air is not supplied to the air electrode 1b so that hydrogen gas constantly flows through the hydrogen supply channel L1 and the hydrogen electrode 1a when the fuel cell system is started.

更に、この燃料電池システムは、燃料電池スタック1の発電電圧を検出する電圧センサ3及び上述の駆動モータ等の負荷とは別個に設けられた予備負荷4を備える。   Further, the fuel cell system includes a voltage sensor 3 that detects a power generation voltage of the fuel cell stack 1 and a preliminary load 4 that is provided separately from a load such as the drive motor described above.

電圧センサ3は、燃料電池スタック1の発電電圧を検出し、当該発電電圧がセンサ信号としてコントローラ2に読み込まれる。このセンサ信号は、コントローラ2により燃料電池スタック1の発電量を制御する場合や、燃料電池スタック1の状態を監視するために使用される。   The voltage sensor 3 detects the power generation voltage of the fuel cell stack 1, and the power generation voltage is read into the controller 2 as a sensor signal. This sensor signal is used when the controller 2 controls the power generation amount of the fuel cell stack 1 or for monitoring the state of the fuel cell stack 1.

予備負荷4は、燃料電池システムの起動時であって、水素ガスの供給開始時に発生する発電電力を消費するために備えられる。この予備負荷4は、例えばダミー抵抗と開閉器とからなり、コントローラ2により開閉器が開状態(開放状態)とされている場合には発電電力をダミー抵抗で消費させず、コントローラ2により開閉器が閉状態(導通状態)とされている場合には発電電力をダミー抵抗で消費させる。このような予備負荷4は、燃料電池システムの起動時において、コントローラ2により開閉器が閉状態とされ、燃料電池スタック1のカソード触媒腐食劣化抑制を招く高電圧が印加される。なお、この予備負荷4は、固定抵抗値のものや可変抵抗のものを使用しても良く、要するに燃料電池スタック1の発電電圧を、カソード電極触媒の腐食を発生させない所定値以下とするものであれば良い。   The preliminary load 4 is provided for consuming generated power generated at the time of starting the fuel cell system and starting the supply of hydrogen gas. The preliminary load 4 includes, for example, a dummy resistor and a switch. When the controller 2 is opened (opened) by the controller 2, the generated power is not consumed by the dummy resistor, and the switch 2 is switched by the controller 2. When is closed (conductive state), the generated power is consumed by the dummy resistor. The preliminary load 4 is applied with a high voltage that causes the switch to be closed by the controller 2 at the start of the fuel cell system and suppresses the deterioration of the cathode catalyst corrosion of the fuel cell stack 1. The preliminary load 4 may have a fixed resistance value or a variable resistance value. In short, the power generation voltage of the fuel cell stack 1 is set to a predetermined value or less which does not cause corrosion of the cathode electrode catalyst. I just need it.

コントローラ2は、後述する燃料電池システムの起動処理等を行う手順を実行するCPU(Central Processing Unit)や、上述した各部とのインターフェース回路等からなる。このコントローラ2は、例えば外部からの燃料電池システムの起動命令、更には車両用駆動モータに要求される駆動トルクに従って、上述した各部を制御する。   The controller 2 includes a CPU (Central Processing Unit) that executes a procedure for performing a startup process of a fuel cell system, which will be described later, and an interface circuit with each of the above-described units. This controller 2 controls each part mentioned above, for example according to the starting command of the fuel cell system from the outside, and also the drive torque requested | required of the vehicle drive motor.

[燃料電池システムの起動処理]
つぎに、上述したように構成された燃料電池システムの起動処理について、図2のフローチャート及び図3のタイミングチャートを参照して説明する。
[Startup process of fuel cell system]
Next, the startup process of the fuel cell system configured as described above will be described with reference to the flowchart of FIG. 2 and the timing chart of FIG.

この起動処理は、例えば車両のIGNスイッチが運転者にオン操作されることにより、コントローラ2に燃料電池システムの起動命令が入力されることに応じて、ステップS1以降の処理を開始する。   In this activation process, for example, when the driver turns on the IGN switch of the vehicle, a process for starting the fuel cell system is input to the controller 2, and the processes after step S1 are started.

先ずステップS1において、コントローラ2は、コンプレッサ21を停止状態に維持したままにすることにより空気極1bへの空気供給を遮断した状態で、水素極1aへの水素供給量が一定になるように水素圧力調整弁12の開度を調整する。このとき、コントローラ2は、パージ弁14を所定開度で開状態とするようにアクチュエータ15を制御しておく。これに対し、燃料電池システムは、時刻t1にて水素極1aへの水素ガスの供給が開始され、時刻t12にて水素ガス流量が所定流量まで立ち上がる(図3(b))。   First, in step S1, the controller 2 maintains the compressor 21 in a stopped state so that the hydrogen supply amount to the hydrogen electrode 1a is constant while the air supply to the air electrode 1b is shut off. The opening degree of the pressure regulating valve 12 is adjusted. At this time, the controller 2 controls the actuator 15 so that the purge valve 14 is opened at a predetermined opening. In contrast, in the fuel cell system, supply of hydrogen gas to the hydrogen electrode 1a is started at time t1, and the hydrogen gas flow rate rises to a predetermined flow rate at time t12 (FIG. 3B).

これにより、水素ガスは水素ボンベ11から水素圧力調整弁12を介して水素極1aに導入され、水素供給流路L1及び水素極1aに存在していた残留ガスは、外部に排出開始される。   Thereby, hydrogen gas is introduced into the hydrogen electrode 1a from the hydrogen cylinder 11 via the hydrogen pressure regulating valve 12, and residual gas existing in the hydrogen supply flow path L1 and the hydrogen electrode 1a is started to be discharged to the outside.

このステップS1おいては、コンプレッサ21を停止状態としているために空気極1bに空気供給を行っていないが(図3(a))、燃料電池システムの停止期間において空気極1b内に酸素が残存していることにより、時刻t1から供給開始した水素ガスと残存していた酸素とを使用した電気化学反応が開始されて、時刻t1から発電電圧(図3(c))が立ち上がる。この発電電圧の立ち上がりは、電圧センサ3で検出され、コントローラ2で認識される。   In step S1, air is not supplied to the air electrode 1b because the compressor 21 is stopped (FIG. 3A), but oxygen remains in the air electrode 1b during the stop period of the fuel cell system. As a result, the electrochemical reaction using the hydrogen gas started to be supplied from time t1 and the remaining oxygen is started, and the generated voltage (FIG. 3C) rises from time t1. The rise of the generated voltage is detected by the voltage sensor 3 and recognized by the controller 2.

このように水素ガスの供給を開始した場合、水素極1aの残留ガス(空気)の分子量(ガス密度)が水素ガスの分子量よりも高い(例えば約14倍)ので、パージ弁14から残留ガスが排出されにくい状態となっている。したがって、水素極1aへの水素ガス供給流量に対して残留ガスの排出流量が少なく、水素極1a内の圧力は高くなり(図3(e))、パージ弁14からは、先ず水素よりも残留ガスが先に排出される状態となり、次第に水素ガスと残留ガスとの混合ガスが排出され始める。   When supply of hydrogen gas is started in this way, the molecular weight (gas density) of the residual gas (air) of the hydrogen electrode 1a is higher than the molecular weight of the hydrogen gas (for example, about 14 times). It is difficult to be discharged. Accordingly, the discharge flow rate of the residual gas is small with respect to the hydrogen gas supply flow rate to the hydrogen electrode 1a, the pressure in the hydrogen electrode 1a becomes high (FIG. 3 (e)), and the residual from the purge valve 14 is first more than hydrogen. The gas is discharged first, and gradually the mixed gas of hydrogen gas and residual gas begins to be discharged.

次にコントローラ2は、ステップS2において、ステップS1で立ち上がった発電電圧を抑制する動作を行う。このとき、コントローラ2は、水素極1a及び空気極1bの電極と予備負荷4とを導通させ、燃料電池スタック1の発電電圧を予備負荷4に印加することで、予備負荷4に電流を供給させる。また、コントローラ2は、電圧センサ3により検出している現在の発電電圧が、カソード電極触媒の腐食を進行させるような所定値以上となった場合に、燃料電池スタック1と予備負荷4とを導通させても良い。   Next, the controller 2 performs the operation | movement which suppresses the electric power generation voltage which rose in step S1 in step S2. At this time, the controller 2 electrically connects the electrodes of the hydrogen electrode 1a and the air electrode 1b to the preliminary load 4 and applies the generated voltage of the fuel cell stack 1 to the preliminary load 4, thereby supplying current to the preliminary load 4. . Further, the controller 2 conducts the fuel cell stack 1 and the preload 4 when the current power generation voltage detected by the voltage sensor 3 exceeds a predetermined value that causes corrosion of the cathode electrode catalyst. You may let them.

これにより、時刻t1から僅かに遅れた時刻t2から予備負荷4に発電電流が流れ始めて、発電電流がピーク値まで上昇すると(図3(d))、発電電圧が低下し始める(図3(c))。このように発電電圧が低下すると、カソード電極触媒の腐食が進行するためのエネルギーが抑制されることになる。   As a result, the generated current starts to flow to the reserve load 4 from time t2 slightly delayed from time t1, and when the generated current increases to the peak value (FIG. 3D), the generated voltage starts to decrease (FIG. 3C). )). When the power generation voltage decreases in this way, the energy for the progress of corrosion of the cathode electrode catalyst is suppressed.

このように、ステップS1及びステップS2の処理を行った後には、残留ガスが排出されて、パージ弁14から排出されるガスが水素リッチとなるほど、すなわち水素極1a内の水素濃度が高くなるほど、時刻t3以降に示すように水素極1a内のガス圧力が低くなる。   As described above, after the processing of Step S1 and Step S2, the residual gas is discharged, and the gas discharged from the purge valve 14 becomes richer in hydrogen, that is, the higher the hydrogen concentration in the hydrogen electrode 1a, As shown after time t3, the gas pressure in the hydrogen electrode 1a decreases.

次にコントローラ2は、ステップS3において、水素極1a内のガス圧力を検出し、現在の水素極1a内のガス圧力に燃料電池スタック1の電気化学反応による補正を加えた水素極1a内のガス圧力が、所定値P2以下か否かを判定する。なお、このガス圧力の補正処理については、後述する。   Next, in step S3, the controller 2 detects the gas pressure in the hydrogen electrode 1a, and the gas in the hydrogen electrode 1a obtained by adding the correction by the electrochemical reaction of the fuel cell stack 1 to the current gas pressure in the hydrogen electrode 1a. It is determined whether the pressure is equal to or less than a predetermined value P2. The gas pressure correction process will be described later.

そして、コントローラ2は、補正後の水素極1a内のガス圧力が所定値P2以下ではないと判定した場合には、この判定を繰り返し、補正後の圧力が所定値P2以下となったと判定した場合にはステップS4に処理を進める。   When the controller 2 determines that the corrected gas pressure in the hydrogen electrode 1a is not lower than the predetermined value P2, the controller 2 repeats this determination, and determines that the corrected pressure is lower than the predetermined value P2. In step S4, the process proceeds.

そして、コントローラ2は、ステップS4において、水素極1a内の残留ガスを水素ガスで置換する動作が完了して終了したと時刻t5で判断し、ステップS5において、コンプレッサ21を駆動すると共に空気調圧弁22を開状態にするようにアクチュエータ23を制御して、空気極1bに空気の供給を開始して、例えば駆動モータの要求トルクに応じた水素量及び空気量を供給する通常発電に移行する(図3(a)、(b))。   Then, the controller 2 determines at time t5 that the operation of replacing the residual gas in the hydrogen electrode 1a with hydrogen gas has been completed in step S4, and at time t5, the compressor 2 is driven and the air pressure regulating valve in step S5. The actuator 23 is controlled so as to open 22 and supply of air to the air electrode 1b is started, and, for example, a transition is made to normal power generation that supplies hydrogen and air in accordance with the required torque of the drive motor ( FIG. 3 (a), (b)).

「ガス圧力の補正処理」
このステップS3において行う補正処理は、水素極1a内で電気化学反応によって消費される水素ガス量を考慮して、水素極1a内の水素ガスへの置換が完了したか否かを判定するための水素極1a内のガス圧力を補正する。
"Gas pressure correction process"
The correction process performed in step S3 is for determining whether or not the replacement with the hydrogen gas in the hydrogen electrode 1a is completed in consideration of the amount of hydrogen gas consumed by the electrochemical reaction in the hydrogen electrode 1a. The gas pressure in the hydrogen electrode 1a is corrected.

仮に、ステップS1以降の水素ガスの供給開始後に電気化学反応によって水素が消費されないとすると、水素ボンベ11から水素極1aに供給した水素量と同量のガスをパージ弁14から排出する必要が生じる。このため、水素極1a内の圧力は、図3(e)の特性Bに示すように時間と共に変化し、水素極1aが水素ガスで置換完了されたときの水素極1aの圧力はP2となる。   If hydrogen is not consumed by an electrochemical reaction after the supply of hydrogen gas after step S1 is started, it is necessary to discharge from the purge valve 14 the same amount of gas supplied from the hydrogen cylinder 11 to the hydrogen electrode 1a. . For this reason, the pressure in the hydrogen electrode 1a changes with time as shown in the characteristic B of FIG. 3E, and the pressure of the hydrogen electrode 1a when the replacement of the hydrogen electrode 1a with hydrogen gas is completed becomes P2. .

これに対し、空気極1b内に酸素が存在している状態で水素極1aに水素ガスの供給を開始した場合には、電気化学反応によって供給した水素ガスが消費され、パージ弁14から排出すべきガス量は少なくなる。このため、水素極1a内の圧力は、図3(e)の特性Aに示すように、特性Bよりも低い状態で時間と共に変化して、水素極1aが水素ガスで置換完了されたときの水素極1aの圧力は、P2よりも低いP1となる。   On the other hand, when the supply of hydrogen gas to the hydrogen electrode 1a is started in a state where oxygen is present in the air electrode 1b, the hydrogen gas supplied by the electrochemical reaction is consumed and discharged from the purge valve 14. The amount of gas that should be reduced. For this reason, as shown in the characteristic A of FIG. 3E, the pressure in the hydrogen electrode 1a changes with time in a state lower than the characteristic B, and when the replacement of the hydrogen electrode 1a with hydrogen gas is completed. The pressure of the hydrogen electrode 1a is P1 lower than P2.

したがって、電気化学反応によって消費される水素量を考慮せずにステップS3の所定値をP2に設定した場合には、実際の水素ガス圧力が特性Aに示すようになり、本例において水素ガスへの置換が完了したと判断する時刻t5よりも早い時刻t4となってしまう。   Therefore, when the predetermined value in step S3 is set to P2 without considering the amount of hydrogen consumed by the electrochemical reaction, the actual hydrogen gas pressure becomes as shown in the characteristic A. In this example, the hydrogen gas is changed to hydrogen gas. The time t4 is earlier than the time t5 at which it is determined that the replacement has been completed.

そこで、第1実施形態に係る燃料電池システムのコントローラ2は、図示しない電流センサによって例えば予備負荷4に流れる発電電流を監視し、当該発電電流値から水素ガスへの置換に寄与せずに電気化学反応によって消費された水素量を推定する。次にコントローラ2は、推定した消費した水素量と、現在パージ弁14から排出されている水素量とを加算した水素量をパージ弁14から排出するために必要な水素極1a内の圧力を推定し、当該推定した水素極1a内の圧力を所定値P2とする。このとき、コントローラ2は、例えばパージ弁14を通過する水素量を検出する流量センサ(図示せず)のセンサ信号を読み込んで、実際にパージ弁14から排出された水素量を求める。   Therefore, the controller 2 of the fuel cell system according to the first embodiment monitors, for example, a power generation current flowing through the preliminary load 4 by a current sensor (not shown), and does not contribute to the replacement of the generated current value with hydrogen gas. Estimate the amount of hydrogen consumed by the reaction. Next, the controller 2 estimates the pressure in the hydrogen electrode 1 a necessary for discharging from the purge valve 14 a hydrogen amount obtained by adding the estimated consumed hydrogen amount and the hydrogen amount currently discharged from the purge valve 14. The estimated pressure in the hydrogen electrode 1a is set to a predetermined value P2. At this time, for example, the controller 2 reads a sensor signal of a flow rate sensor (not shown) that detects the amount of hydrogen passing through the purge valve 14 and obtains the amount of hydrogen actually discharged from the purge valve 14.

具体的には、コントローラ2は、パージ弁14を通過する体積流量を求める下記の式1に示すような演算式を用いる。

Figure 2005235546
Specifically, the controller 2 uses an arithmetic expression as shown in the following Expression 1 for obtaining the volume flow rate passing through the purge valve 14.
Figure 2005235546

ここで、式1において、Qは体積流量、Aはパージ弁14の開口面積、ρ0はガス密度、κは比熱比、p0はパージ弁14の上流圧力、peはパージ弁14の下流圧力である。この式1において、κ、pe、ρ0は一定と仮定することができ、体積流量Qを発電電流に基づく消費された水素量とパージ弁14から排出されている水素量とを加算した水素量とすると、パージ弁14の上流圧力(水素極1aのガス圧力)p0を補正後の水素極1aのガス圧力として求めることができる。そして、コントローラ2は、式1により求めた補正後の水素極1aのガス圧力と、所定値P2とを比較することになる。 Here, in Equation 1, Q is the volume flow rate, A is the opening area of the purge valve 14, ρ0 is the gas density, κ is the specific heat ratio, p0 is the upstream pressure of the purge valve 14, and pe is the downstream pressure of the purge valve 14. . In Equation 1, κ, pe, ρ0 can be assumed to be constant, and the volume flow rate Q is obtained by adding the amount of hydrogen consumed based on the generated current and the amount of hydrogen discharged from the purge valve 14 to Then, the upstream pressure of the purge valve 14 (gas pressure of the hydrogen electrode 1a) p0 can be obtained as the corrected gas pressure of the hydrogen electrode 1a. Then, the controller 2 compares the corrected gas pressure of the hydrogen electrode 1a obtained by Equation 1 with the predetermined value P2.

[第1実施形態の効果]
以上詳細に説明したように、本発明を適用した第1実施形態に係る燃料電池システムによれば、空気極1bへ酸素を供給しない状態で、水素極1aに水素ガスを供給し、水素極1aの水素ガスへの置換が完了すると判断されるまで、空気極1bの残留酸素によって発生する発電電圧が所定値以下になるように予備負荷4を燃料電池スタック1に接続するので、カソード電極触媒の腐食を進行させるエネルギーを抑制することができると共に、水素極1a内が水素ガスに確実に置換したことを判断することができるので、通常発電に移行した後に水素極1a内の水素ガスが不足するという事態を回避することができる。
[Effect of the first embodiment]
As described above in detail, according to the fuel cell system according to the first embodiment to which the present invention is applied, hydrogen gas is supplied to the hydrogen electrode 1a without supplying oxygen to the air electrode 1b, and the hydrogen electrode 1a. Until it is determined that the replacement with hydrogen gas is completed, the preload 4 is connected to the fuel cell stack 1 so that the power generation voltage generated by the residual oxygen in the air electrode 1b is below a predetermined value. The energy for advancing corrosion can be suppressed, and it can be determined that the hydrogen electrode 1a has been reliably replaced with hydrogen gas, so that the hydrogen gas in the hydrogen electrode 1a runs short after shifting to normal power generation. Can be avoided.

また、この燃料電池システムによれば、システム起動時に、水素ガス流量を一定にしている場合、水素極1a内の残留ガスが水素ガスに置換されるに従って低くなる燃料電池スタック1内のガス圧力を、電気化学反応によって消費された水素量が置換に寄与しないものとして補正し、当該補正後のガス圧力と、電気化学反応による消費が発生しないと仮定した場合の水素ガスへの置換が完了したときの水素極1a内のガス圧力P2とを比較して、水素極1aの水素ガスへの置換が完了したか否かを判断するので、更に正確に水素極1a内の水素ガスへの置換を判断することができる。   Further, according to this fuel cell system, when the hydrogen gas flow rate is constant at the time of starting the system, the gas pressure in the fuel cell stack 1 that becomes lower as the residual gas in the hydrogen electrode 1a is replaced with hydrogen gas. When the amount of hydrogen consumed by the electrochemical reaction is corrected as not contributing to the replacement, and the replacement with hydrogen gas is completed assuming that the corrected gas pressure and consumption by the electrochemical reaction do not occur Is compared with the gas pressure P2 in the hydrogen electrode 1a to determine whether or not the replacement of the hydrogen electrode 1a with the hydrogen gas is completed, so that the replacement with the hydrogen gas in the hydrogen electrode 1a is more accurately determined. can do.

また、この燃料電池システムによれば、電気化学反応によって消費された水素量を実際の電流値から推定するので、システム起動毎に空気極1bの残留酸素量が変化する場合であって水素ガスを供給開始したときの発電量の立ち上がり方が変化する場合であっても、正確に水素極1a内が水素ガスに置換されたことを判断することができる。   Further, according to this fuel cell system, since the amount of hydrogen consumed by the electrochemical reaction is estimated from the actual current value, the amount of residual oxygen in the air electrode 1b changes every time the system is started. Even when the rising of the amount of power generation at the start of supply changes, it can be accurately determined that the hydrogen electrode 1a has been replaced with hydrogen gas.

また、この燃料電池システムによれば、前回の停止時刻からの経過時間が長い場合と短い場合とで、水素極1a内の水素ガスへの置換に要する水素量を調整することができ、例えば、空気極1bに残留酸素が少ない場合に余分な水素ガスを供給する必要なく、水素ガスが無駄となることを抑制することができる。   Further, according to this fuel cell system, the amount of hydrogen required for replacement with hydrogen gas in the hydrogen electrode 1a can be adjusted depending on whether the elapsed time from the previous stop time is long or short, for example, When there is little residual oxygen to the air electrode 1b, it is not necessary to supply extra hydrogen gas, and it can suppress that hydrogen gas is wasted.

[第2実施形態]
つぎに、第2実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の第1実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
[Second Embodiment]
Next, a fuel cell system according to a second embodiment will be described. In addition, about the part similar to the above-mentioned 1st Embodiment, the detailed description is abbreviate | omitted by attaching | subjecting the same code | symbol.

この第2実施形態に係る燃料電池システムは、システム起動時に、水素極1a内のガス圧力を一定にして水素ガスを供給するように水素圧力調整弁12の開度調整を行い、電気化学反応によって消費される水素量に応じて水素圧力調整弁12の開度を補正して水素極1aの水素ガスへの置換が完了したかを判断する点で、第1実施形態とは異なる。   The fuel cell system according to the second embodiment adjusts the opening of the hydrogen pressure regulating valve 12 so as to supply hydrogen gas with a constant gas pressure in the hydrogen electrode 1a at the time of system startup, and by electrochemical reaction. It differs from the first embodiment in that the opening of the hydrogen pressure regulating valve 12 is corrected according to the amount of hydrogen consumed to determine whether the replacement of the hydrogen electrode 1a with hydrogen gas has been completed.

この第2実施形態における起動処理を図4に示すように、コントローラ2は、先ずステップS11において、パージ弁14を開状態とし、空気極1bに空気を供給しない状態で(図5(a))、水素極1a内のガス圧力が一定となるように水素圧力調整弁12の開度を調整することにより、水素ガスを水素極1aに供給開始する。これにより、時刻t11にて水素極1aへの水素ガスの供給が開始され、時刻t12にて水素ガス流量が所定流量まで立ち上がり(図5(b))、水素供給流路L1及び水素極1aに存在していたガスは、外部に排出開始される。   As shown in FIG. 4 for the starting process in the second embodiment, the controller 2 first opens the purge valve 14 in step S11 and does not supply air to the air electrode 1b (FIG. 5A). Then, supply of hydrogen gas to the hydrogen electrode 1a is started by adjusting the opening of the hydrogen pressure regulating valve 12 so that the gas pressure in the hydrogen electrode 1a is constant. Thereby, supply of hydrogen gas to the hydrogen electrode 1a is started at time t11, the hydrogen gas flow rate rises to a predetermined flow rate at time t12 (FIG. 5B), and the hydrogen supply flow path L1 and the hydrogen electrode 1a are supplied. The existing gas starts to be discharged to the outside.

そして、空気極1bの残留酸素と供給開始した水素ガスとを用いて電気化学反応が起こり、時刻t11から発電電圧(図5(c))が立ち上がり、ステップS2においては、燃料電池スタック1と予備負荷4とを導通させることにより、時刻t12から発電電流(図5(d))が立ち上がる。このとき、水素極1a内の多くの水素ガスが消費されるため、水素圧力調整弁12の開度を大きくする。   Then, an electrochemical reaction occurs using the residual oxygen in the air electrode 1b and the hydrogen gas that has started to be supplied, and the generated voltage (FIG. 5 (c)) rises from time t11. By making the load 4 conductive, the generated current (FIG. 5D) rises from time t12. At this time, since much hydrogen gas in the hydrogen electrode 1a is consumed, the opening degree of the hydrogen pressure regulating valve 12 is increased.

その後、パージ弁14の開度が一定である場合、水素極1aの残留ガス(空気)の分子量が水素ガスの分子量よりも高いので、パージ弁14から残留ガスが排出されにくいために水素極1a内のガス圧力が高くなる方向に作用するため、水素極1a内のガス圧力を一定とするためには、水素圧力調整弁12の開度を次第に小さくする必要がある。そして、水素極1a内の残留ガスが次第に少なくなって、水素ガス量が多くなると、パージ弁14から排出されるガス量が多くなり、時刻t13以降においては水素圧力調整弁12の開度を次第に大きくする(図5(e))。   Thereafter, when the opening degree of the purge valve 14 is constant, the molecular weight of the residual gas (air) of the hydrogen electrode 1a is higher than the molecular weight of the hydrogen gas. Therefore, in order to keep the gas pressure in the hydrogen electrode 1a constant, it is necessary to gradually reduce the opening of the hydrogen pressure regulating valve 12. When the residual gas in the hydrogen electrode 1a gradually decreases and the amount of hydrogen gas increases, the amount of gas exhausted from the purge valve 14 increases, and the opening of the hydrogen pressure adjustment valve 12 gradually increases after time t13. Increase the size (FIG. 5E).

次にコントローラ2は、ステップS12において、現在の制御対象となっている水素圧力調整弁12の開度に燃料電池スタック1の電気化学反応による補正を加えた水素圧力調整弁12の開度が、所定値a2以上か否かを判定する。なお、この水素圧力調整弁12の開度の補正処理については、後述する。   Next, in step S12, the controller 2 determines that the opening degree of the hydrogen pressure adjusting valve 12 obtained by adding the correction by the electrochemical reaction of the fuel cell stack 1 to the opening degree of the hydrogen pressure adjusting valve 12 that is currently controlled. It is determined whether or not the value is equal to or greater than a predetermined value a2. The correction process of the opening degree of the hydrogen pressure regulating valve 12 will be described later.

そして、コントローラ2は、補正後の水素圧力調整弁12の開度が所定値a2以上ではないと判定した場合には、この判定を繰り返し、補正後の水素圧力調整弁12の開度が所定値a2以上となったと判定した場合にはステップS4に処理を進める。   When the controller 2 determines that the corrected opening of the hydrogen pressure adjusting valve 12 is not equal to or greater than the predetermined value a2, the controller 2 repeats this determination, and the corrected opening of the hydrogen pressure adjusting valve 12 is the predetermined value. If it is determined that the value is greater than or equal to a2, the process proceeds to step S4.

そして、コントローラ2は、ステップS4において、水素極1a内の残留ガスを水素ガスで置換する動作が完了して終了したと時刻t15で判断し、ステップS5において、空気極1bに空気の供給を開始して、例えば駆動モータの要求トルクに応じた水素量及び空気量を供給する通常発電に移行する(図5(a)、(b))。   Then, the controller 2 determines at time t15 that the operation of replacing the residual gas in the hydrogen electrode 1a with hydrogen gas has been completed in step S4, and starts supplying air to the air electrode 1b in step S5. Then, for example, the system shifts to normal power generation that supplies the amount of hydrogen and the amount of air corresponding to the required torque of the drive motor (FIGS. 5A and 5B).

「水素圧力調整弁12の開度の補正処理」
ステップS12において行う補正処理は、水素極1a内で電気化学反応によって消費される水素ガス量を考慮して、水素極1a内の水素ガスへの置換が完了したか否かを判定するための水素圧力調整弁12の開度を補正する。
“Adjustment of the opening of the hydrogen pressure regulating valve 12”
The correction process performed in step S12 is hydrogen for determining whether or not the replacement with the hydrogen gas in the hydrogen electrode 1a is completed in consideration of the amount of hydrogen gas consumed by the electrochemical reaction in the hydrogen electrode 1a. The opening degree of the pressure regulating valve 12 is corrected.

仮に、ステップS11以降の水素ガス圧力を一定にした場合に、電気化学反応によって水素が消費されないとすると、水素極1a内の残留ガスの分子量が水素ガスの分子量よりも高いので、供給する必要がある水素供給量が少なくなる。このとき、水素極圧力が一定のため、重たいガスを排出するときは、供給水素量も少なくなる必要があり、水素圧力調整弁12の開度は、図5(e)の特性Dに示すように時間と共に変化し、水素極1aが水素ガスで置換完了されたときの水素圧力調整弁12の開度はa2となる。   If the hydrogen gas pressure after step S11 is kept constant, if the hydrogen is not consumed by the electrochemical reaction, the molecular weight of the residual gas in the hydrogen electrode 1a is higher than the molecular weight of the hydrogen gas, so it must be supplied. There is less hydrogen supply. At this time, since the hydrogen electrode pressure is constant, when discharging heavy gas, it is necessary to reduce the amount of supplied hydrogen, and the opening degree of the hydrogen pressure regulating valve 12 is as shown by the characteristic D in FIG. When the hydrogen electrode 1a is completely replaced with hydrogen gas, the opening degree of the hydrogen pressure regulating valve 12 becomes a2.

これに対し、電気化学反応によって供給した水素ガスが消費される場合には、水素極1a内のガス圧力を一定とするためには水素極1aに供給する水素ガス量を多くする必要があるため、水素圧力調整弁12の開度は、図5(e)の特性Cに示すように、電気化学反応が発生した場合には大きくする必要があるので特性Dよりも大きくなり、水素極1aが水素ガスで置換完了されたときの水素圧力調整弁12の開度はa2よりも大きいa1となる。   On the other hand, when the hydrogen gas supplied by the electrochemical reaction is consumed, it is necessary to increase the amount of hydrogen gas supplied to the hydrogen electrode 1a in order to make the gas pressure in the hydrogen electrode 1a constant. As shown in characteristic C of FIG. 5 (e), the opening of the hydrogen pressure regulating valve 12 needs to be increased when an electrochemical reaction occurs, and therefore becomes larger than characteristic D, and the hydrogen electrode 1a When the replacement with hydrogen gas is completed, the opening degree of the hydrogen pressure regulating valve 12 is a1 which is larger than a2.

したがって、電気化学反応によって消費される水素量を考慮せずにステップS12の所定値をa2に設定した場合には、実際の水素圧力調整弁12の開度が特性Cに示すようになり、本例において水素ガスへの置換が完了したと判断する時刻t15よりも早い時刻t14となってしまう。   Therefore, when the predetermined value in step S12 is set to a2 without considering the amount of hydrogen consumed by the electrochemical reaction, the actual opening degree of the hydrogen pressure regulating valve 12 becomes as shown in the characteristic C. In the example, the time t14 is earlier than the time t15 when it is determined that the replacement with hydrogen gas is completed.

そこで、第2実施形態に係る燃料電池システムのコントローラ2は、実際の水素圧力調整弁12の開度から水素供給量を推定すると共に、置換に寄与しない電気化学反応によって消費された水素量を発電電流から推定する。そしてコントローラ2は、推定した水素供給量から、推定した消費された水素量を差し引いた水素量を、水素極1aに供給するために必要な水素圧力調整弁12の開度a2を推定する。   Therefore, the controller 2 of the fuel cell system according to the second embodiment estimates the hydrogen supply amount from the actual opening of the hydrogen pressure regulating valve 12 and generates the amount of hydrogen consumed by the electrochemical reaction that does not contribute to the substitution. Estimated from current. Then, the controller 2 estimates the opening a2 of the hydrogen pressure regulating valve 12 necessary for supplying the hydrogen amount obtained by subtracting the estimated consumed hydrogen amount from the estimated hydrogen supply amount to the hydrogen electrode 1a.

具体的には、コントローラ2は、水素圧力調整弁12を通過する体積流量を求める上記式1に示すような演算式を用いる。ここで、上記式1におけるAは、水素圧力調整弁12の開口面積とし、p0は水素圧力調整弁12の上流圧力、peは水素圧力調整弁12の下流圧力(水素極1a内の一定ガス圧力)とする。そして、この式1において、κ、pe、ρ0は一定と仮定することができ、予め水素ボンベ11の仕様等により既知のp0を用いて、体積流量Qを、推定した水素供給量から推定した消費された水素量を差し引いた水素量とすると、Aを特性Dのような変化として求めることができる。そして、コントローラ2は、式1により求めた補正後の水素圧力調整弁12の開度と、所定値a2とを比較することになる。   Specifically, the controller 2 uses an arithmetic expression as shown in the above equation 1 for obtaining the volume flow rate passing through the hydrogen pressure regulating valve 12. Here, A in Equation 1 is the opening area of the hydrogen pressure regulating valve 12, p0 is the upstream pressure of the hydrogen pressure regulating valve 12, pe is the downstream pressure of the hydrogen pressure regulating valve 12 (a constant gas pressure in the hydrogen electrode 1a). ). In Equation 1, κ, pe, and ρ0 can be assumed to be constant, and the volume flow rate Q is estimated from the estimated hydrogen supply amount using p0 that is known in advance according to the specifications of the hydrogen cylinder 11 or the like. Assuming that the amount of hydrogen is the amount obtained by subtracting the amount of hydrogen, A can be obtained as a change like the characteristic D. Then, the controller 2 compares the corrected opening degree of the hydrogen pressure regulating valve 12 obtained by Equation 1 with the predetermined value a2.

[第2実施形態の効果]
以上詳細に説明したように、本発明を適用した第2実施形態に係る燃料電池システムによれば、システム起動時に、水素極1a内のガス圧力を一定にしている場合、水素極1a内の残留ガスが水素ガスに置換されるに従って大きくなる水素圧力調整弁12の開度を、電気化学反応によって消費された水素量が置換に寄与しないものとして補正し、当該補正後の水素圧力調整弁12の開度と、電気化学反応による消費が発生しないと仮定した場合の水素ガスへの置換が完了したときの水素圧力調整弁12の開度a2とを比較して、水素極1aの水素ガスへの置換が完了したか否かを判断するので、正確に水素極1a内の水素ガスへの置換を判断することができる。
[Effects of Second Embodiment]
As described above in detail, according to the fuel cell system according to the second embodiment to which the present invention is applied, when the gas pressure in the hydrogen electrode 1a is kept constant at the time of system startup, the residual in the hydrogen electrode 1a. The opening degree of the hydrogen pressure regulating valve 12 that increases as the gas is replaced with hydrogen gas is corrected so that the amount of hydrogen consumed by the electrochemical reaction does not contribute to the replacement, and the corrected hydrogen pressure regulating valve 12 The opening degree is compared with the opening degree a2 of the hydrogen pressure regulating valve 12 when the replacement with hydrogen gas is completed when it is assumed that consumption due to an electrochemical reaction does not occur. Since it is determined whether or not the replacement is completed, it is possible to accurately determine the replacement with the hydrogen gas in the hydrogen electrode 1a.

すなわち、この燃料電池システムによれば、水素ガスを供給開始したときの発電量の立ち上がり方が変化する場合であっても、正確に水素極1a内が水素ガスに置換されたことを判断することができ、水素ガスの無駄な排出、置換が完了したと判断した時の水素ガス不足及びカソード電極触媒の腐食を回避することができる。   That is, according to this fuel cell system, it is possible to accurately determine that the interior of the hydrogen electrode 1a has been replaced with hydrogen gas, even when the rising of the amount of power generation when the supply of hydrogen gas is started changes. It is possible to avoid wasteful discharge of hydrogen gas, shortage of hydrogen gas when it is determined that the replacement is completed, and corrosion of the cathode electrode catalyst.

[第3実施形態]
つぎに、第3実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
[Third Embodiment]
Next, a fuel cell system according to a third embodiment will be described. Note that parts similar to those in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

第3実施形態に係る燃料電池システムは、図6に示すように、燃料電池スタック1の水素ガス出口から分岐し、当該水素ガス出口から排出された水素ガスを水素ガス入口に循環させる水素循環流路L11を設け、当該水素循環流路L11と水素供給流路L1との合流点にエゼクタポンプ31を設けた点で、上述した第1実施形態とは異なる。   As shown in FIG. 6, the fuel cell system according to the third embodiment branches from the hydrogen gas outlet of the fuel cell stack 1 and circulates hydrogen gas discharged from the hydrogen gas outlet to the hydrogen gas inlet. It differs from 1st Embodiment mentioned above by the point which provided the path L11 and provided the ejector pump 31 in the confluence | merging point of the said hydrogen circulation flow path L11 and the hydrogen supply flow path L1.

このような燃料電池システムは、システム起動時に、コントローラ2により第1実施形態と同様に図2の処理を行い、図3に示すような動作を行う。ここで、ステップS1においては、水素圧力調整弁12を通過させる水素ガス流量と水素循環流路L11からエゼクタポンプ31に導入される水素ガス流量とを加算した水素ガス流量が一定となるように水素圧力調整弁12の開度を調整する。このとき、コントローラ2は、水素ボンベ11からエゼクタポンプ31に流す水素ガスの流速に応じた、水素循環流路L11からエゼクタポンプ31に取り込まれて水素極1aに導入される水素流量をエゼクタポンプ31の特性等に基づいて予め記憶しており、当該循環された水素流量と水素ボンベ11から水素極1aに直接導入する水素流量との和を一定とするように水素圧力調整弁12の開度を調整する。   Such a fuel cell system performs the process shown in FIG. 2 by the controller 2 in the same manner as in the first embodiment when the system is started, and performs the operation shown in FIG. Here, in step S1, the hydrogen gas flow rate obtained by adding the hydrogen gas flow rate that passes through the hydrogen pressure regulating valve 12 and the hydrogen gas flow rate that is introduced from the hydrogen circulation flow path L11 to the ejector pump 31 is constant. The opening degree of the pressure regulating valve 12 is adjusted. At this time, the controller 2 determines the flow rate of hydrogen that is taken into the ejector pump 31 from the hydrogen circulation passage L11 and introduced into the hydrogen electrode 1a according to the flow rate of the hydrogen gas that flows from the hydrogen cylinder 11 to the ejector pump 31. The opening of the hydrogen pressure regulating valve 12 is set so that the sum of the circulated hydrogen flow rate and the hydrogen flow rate directly introduced from the hydrogen cylinder 11 to the hydrogen electrode 1a is constant. adjust.

このような第3実施形態に係る燃料電池システムによれば、システムの起動時に、水素ガスをエゼクタポンプ31によって循環させて燃料電池スタック1に供給している場合に、燃料電池スタック1から排出されて再度燃料電池スタック1に循環される水素ガス量を考慮して、水素極1a内の水素ガスへの置換を判断する水素ガス圧力を水素極1aで消費した水素量によって補正するので、システムの状態によって発電電圧の立ち上がり方が異なる場合であっても、正確に水素極1aの水素ガスへの置換を行うことができる。   According to such a fuel cell system according to the third embodiment, when hydrogen gas is circulated by the ejector pump 31 and supplied to the fuel cell stack 1 at the time of starting the system, the fuel cell system 1 is discharged from the fuel cell stack 1. In consideration of the amount of hydrogen gas circulated to the fuel cell stack 1 again, the hydrogen gas pressure for determining the replacement with the hydrogen gas in the hydrogen electrode 1a is corrected by the amount of hydrogen consumed in the hydrogen electrode 1a. Even if the generated voltage rises differently depending on the state, the hydrogen electrode 1a can be accurately replaced with hydrogen gas.

[第4実施形態]
つぎに、第4実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
[Fourth Embodiment]
Next, a fuel cell system according to a fourth embodiment will be described. Note that parts similar to those in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

第4実施形態に係る燃料電池システムは、図6に示すように、燃料電池スタック1の水素ガス出口から分岐し、当該水素ガス出口から排出された水素ガスを水素ガス入口に循環させる水素循環流路L11を設け、当該水素循環流路L11と水素供給流路L1との合流点にエゼクタポンプ31を設けた点で、上述した第2実施形態とは異なる。   As shown in FIG. 6, the fuel cell system according to the fourth embodiment branches from a hydrogen gas outlet of the fuel cell stack 1 and circulates hydrogen gas discharged from the hydrogen gas outlet to the hydrogen gas inlet. It differs from the second embodiment described above in that a path L11 is provided and an ejector pump 31 is provided at the junction of the hydrogen circulation flow path L11 and the hydrogen supply flow path L1.

このような燃料電池システムは、システム起動時に、コントローラ2により第1実施形態と同様に図4の処理を行い、図5に示すような動作を行う。ここで、ステップS11においては、水素極1a内のガス圧力を一定とするように水素圧力調整弁12の開度を調整し、ステップS2にて燃料電池スタック1と予備負荷4とを接続させた状態で、ステップS12で水素ボンベ11から直接水素極1aに導入する水素ガスとエゼクタポンプ31から循環させて水素極1aに導入する水素ガスとによって水素極1aの水素ガスへの置換が完了したか否かを判定する。   In such a fuel cell system, when the system is started, the controller 2 performs the process of FIG. 4 as in the first embodiment, and performs the operation shown in FIG. Here, in step S11, the opening degree of the hydrogen pressure regulating valve 12 is adjusted so that the gas pressure in the hydrogen electrode 1a is constant, and the fuel cell stack 1 and the preliminary load 4 are connected in step S2. In this state, whether the replacement of the hydrogen electrode 1a with the hydrogen gas is completed by the hydrogen gas introduced directly from the hydrogen cylinder 11 into the hydrogen electrode 1a in step S12 and the hydrogen gas circulated from the ejector pump 31 and introduced into the hydrogen electrode 1a. Determine whether or not.

このとき、コントローラ2は、水素ボンベ11からエゼクタポンプ31に流す水素ガスの流速に応じた、水素循環流路L11からエゼクタポンプ31に取り込まれて水素極1aに導入される水素流量をエゼクタポンプ31の特性等に基づいて予め記憶しており、当該循環された水素流量と水素ボンベ11から水素極1aに直接導入する水素流量との和を水素極1aに導入した場合に、水素極1aのガス圧力を一定とするように水素圧力調整弁12の開度を調整する。   At this time, the controller 2 determines the flow rate of hydrogen that is taken into the ejector pump 31 from the hydrogen circulation passage L11 and introduced into the hydrogen electrode 1a according to the flow rate of the hydrogen gas that flows from the hydrogen cylinder 11 to the ejector pump 31. When the sum of the circulated hydrogen flow rate and the hydrogen flow rate directly introduced from the hydrogen cylinder 11 to the hydrogen electrode 1a is introduced into the hydrogen electrode 1a, the gas of the hydrogen electrode 1a is stored in advance. The opening degree of the hydrogen pressure regulating valve 12 is adjusted so that the pressure is constant.

このような第4実施形態に係る燃料電池システムによれば、システムの起動時に、水素ガスをエゼクタポンプ31によって循環させて燃料電池スタック1に供給している場合に、燃料電池スタック1から排出されて再度燃料電池スタック1に循環される水素ガス量を考慮して、水素極1a内の水素ガスへの置換を判断する水素圧力調整弁12の開度を補正するので、システムの状態によって発電電圧の立ち上がり方が異なる場合であっても、正確に水素極1aの水素ガスへの置換を行うことができる。   According to such a fuel cell system according to the fourth embodiment, when hydrogen gas is circulated by the ejector pump 31 and supplied to the fuel cell stack 1 at the time of starting the system, the fuel cell system 1 is discharged from the fuel cell stack 1. In consideration of the amount of hydrogen gas circulated to the fuel cell stack 1 again, the opening of the hydrogen pressure regulating valve 12 for determining replacement with the hydrogen gas in the hydrogen electrode 1a is corrected. Even in the case where the rising direction of is different, the hydrogen electrode 1a can be accurately replaced with hydrogen gas.

[第5実施形態]
つぎに、第5実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
[Fifth Embodiment]
Next, a fuel cell system according to a fifth embodiment will be described. Note that parts similar to those in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

この第5実施形態に係る燃料電池システムは、図6に示した構成であって、水素圧力調整弁12とエゼクタポンプ31との間のガス圧力を補正し、当該補正したガス圧力が以上となった場合に、水素極1aの水素ガスへの置換が完了したと判定する点で、上述した実施形態とは異なる。   The fuel cell system according to the fifth embodiment has the configuration shown in FIG. 6 and corrects the gas pressure between the hydrogen pressure regulating valve 12 and the ejector pump 31, and the corrected gas pressure is as described above. In this case, it is different from the above-described embodiment in that it is determined that the replacement of the hydrogen electrode 1a with the hydrogen gas is completed.

この第5実施形態における起動処理を図7に示すように、コントローラ2は、先ずステップS11において、パージ弁14を開状態とし、空気極1bに空気を供給しない状態で(図8(a))、水素極1a内のガス圧力が一定となるように水素圧力調整弁12の開度を調整する。これにより、時刻t21にて水素極1aへの水素ガスの供給が開始され、時刻t22にて水素ガス流量が所定流量まで立ち上がり(図8(b))、水素供給流路L1及び水素極1aに存在していたガスは、外部に排出開始される。   As shown in FIG. 7 for the startup process in the fifth embodiment, the controller 2 first opens the purge valve 14 in step S11 and does not supply air to the air electrode 1b (FIG. 8A). The opening degree of the hydrogen pressure regulating valve 12 is adjusted so that the gas pressure in the hydrogen electrode 1a is constant. Thereby, supply of hydrogen gas to the hydrogen electrode 1a is started at time t21, the hydrogen gas flow rate rises to a predetermined flow rate at time t22 (FIG. 8B), and the hydrogen supply flow path L1 and the hydrogen electrode 1a are supplied. The existing gas starts to be discharged to the outside.

そして、空気極1bの残留酸素と供給開始した水素ガスとを用いて電気化学反応が起こり、時刻t21から発電電圧(図8(c))が立ち上がり、ステップS2においては、燃料電池スタック1と予備負荷4とを導通させることにより、時刻t22から発電電流(図8(d))が立ち上がる。   Then, an electrochemical reaction occurs using the residual oxygen in the air electrode 1b and the hydrogen gas that has started to be supplied, and the generated voltage (FIG. 8 (c)) rises from time t21. By making the load 4 conductive, the generated current (FIG. 8D) rises from time t22.

そして、水素極1a内の残留ガスが次第に少なくなって、水素ガス量が多くなると、パージ弁14から排出されるガス量が多くなり、時刻t23以降においては水素圧力調整弁12の開度を次第に大きくすることにより、水素圧力調整弁12の下流のガス圧力が高くなる(図8(e))。   When the residual gas in the hydrogen electrode 1a gradually decreases and the amount of hydrogen gas increases, the amount of gas discharged from the purge valve 14 increases, and the opening of the hydrogen pressure adjustment valve 12 gradually increases after time t23. By increasing the pressure, the gas pressure downstream of the hydrogen pressure regulating valve 12 increases (FIG. 8 (e)).

次にコントローラ2は、ステップS21において、現在の水素圧力調整弁12の下流のガス圧力に燃料電池スタック1の電気化学反応による補正を加えた水素圧力調整弁12の下流のガス圧力が、所定値P4以上か否かを判定する。なお、この水素圧力調整弁12の下流のガス圧力の補正処理については後述する。また、このステップS21においては、水素圧力調整弁12の下流のガス圧力を検出する圧力センサ(図示せず)からのセンサ信号をコントローラ2により読み込むものとする。   Next, in step S <b> 21, the controller 2 determines that the gas pressure downstream of the hydrogen pressure adjustment valve 12 obtained by adding the correction by the electrochemical reaction of the fuel cell stack 1 to the current gas pressure downstream of the hydrogen pressure adjustment valve 12 is a predetermined value. It is determined whether or not it is greater than or equal to P4. The correction process of the gas pressure downstream of the hydrogen pressure regulating valve 12 will be described later. In step S21, the controller 2 reads a sensor signal from a pressure sensor (not shown) that detects a gas pressure downstream of the hydrogen pressure regulating valve 12.

そして、コントローラ2は、補正後の水素圧力調整弁12の下流のガス圧力が所定値P4以上ではないと判定した場合には、この判定を繰り返し、補正後の水素圧力調整弁12の下流のガス圧力が所定値P4以上となったと判定した場合にはステップS4に処理を進める。   If the controller 2 determines that the corrected gas pressure downstream of the hydrogen pressure adjustment valve 12 is not equal to or greater than the predetermined value P4, the controller 2 repeats this determination, and the corrected downstream gas pressure of the hydrogen pressure adjustment valve 12 is determined. If it is determined that the pressure is equal to or greater than the predetermined value P4, the process proceeds to step S4.

そして、コントローラ2は、ステップS4において、水素極1a内の残留ガスを水素ガスで置換する動作が完了して終了したと時刻t25で判断し、ステップS5において、空気極1bに空気の供給を開始して、例えば駆動モータの要求トルクに応じた水素量及び空気量を供給する通常発電に移行する(図8(a)、(b))。   Then, the controller 2 determines at time t25 that the operation of replacing the residual gas in the hydrogen electrode 1a with hydrogen gas has been completed in step S4, and starts supplying air to the air electrode 1b in step S5. Then, for example, the system shifts to normal power generation that supplies the amount of hydrogen and the amount of air corresponding to the required torque of the drive motor (FIGS. 8A and 8B).

「水素圧力調整弁12の下流のガス圧力の補正処理」
ステップS21において行う補正処理は、水素極1a内で電気化学反応によって消費される水素ガス量を考慮して、水素極1a内の水素ガスへの置換が完了したか否かを判定するための水素圧力調整弁12の下流のガス圧力を補正する。
“Correction of gas pressure downstream of hydrogen pressure regulating valve 12”
The correction process performed in step S21 is a hydrogen for determining whether or not the replacement with the hydrogen gas in the hydrogen electrode 1a is completed in consideration of the amount of hydrogen gas consumed by the electrochemical reaction in the hydrogen electrode 1a. The gas pressure downstream of the pressure regulating valve 12 is corrected.

仮に、ステップS1以降の水素ガス圧力を一定にした場合に、電気化学反応によって水素が消費されないとすると、水素極1a内の残留ガスの分子量が水素ガスの分子量よりも高いので、供給する必要がある水素供給量が少なくなる。このとき、水素極圧力が一定のため、重たいガスを排出するときは、供給水素量も少なくなる必要があり、水素圧力調整弁12の下流のガス圧力は、図8(e)の特性Fに示すように時間と共に変化し、水素極1aが水素ガスで置換完了されたときの水素圧力調整弁12の下流のガス圧力はP4となる。   If the hydrogen gas pressure after step S1 is kept constant, if the hydrogen is not consumed by the electrochemical reaction, the molecular weight of the residual gas in the hydrogen electrode 1a is higher than the molecular weight of the hydrogen gas. There is less hydrogen supply. At this time, since the hydrogen electrode pressure is constant, when discharging heavy gas, it is necessary to reduce the amount of supplied hydrogen, and the gas pressure downstream of the hydrogen pressure regulating valve 12 has a characteristic F shown in FIG. As shown, the gas pressure downstream of the hydrogen pressure regulating valve 12 when the hydrogen electrode 1a is completely replaced with hydrogen gas changes to P4.

これに対し、電気化学反応によって供給した水素ガスが消費される場合には、水素極1a内のガス圧力を一定とするためには水素極1aに供給する水素ガス量を多くする必要があるため、水素圧力調整弁12の下流のガス圧力は、図8(e)の特性Eに示すように、電気化学反応が発生した場合には大きくする必要があるので特性Fよりも大きくなり、水素極1aが水素ガスで置換完了されたときの水素圧力調整弁12の下流のガス圧力はP4よりも大きいP3となる。   On the other hand, when the hydrogen gas supplied by the electrochemical reaction is consumed, it is necessary to increase the amount of hydrogen gas supplied to the hydrogen electrode 1a in order to make the gas pressure in the hydrogen electrode 1a constant. The gas pressure downstream of the hydrogen pressure regulating valve 12 is larger than the characteristic F because it needs to be increased when an electrochemical reaction occurs, as shown by the characteristic E in FIG. The gas pressure downstream of the hydrogen pressure regulating valve 12 when 1a is completely replaced with hydrogen gas is P3 which is larger than P4.

したがって、電気化学反応によって消費される水素量を考慮せずにステップS21の所定値をP4に設定した場合には、実際の水素圧力調整弁12の下流のガス圧力が特性Eに示すようになり、本例において水素ガスへの置換が完了したと判断する時刻t25よりも早い時刻t24となってしまう。   Therefore, when the predetermined value in step S21 is set to P4 without considering the amount of hydrogen consumed by the electrochemical reaction, the actual gas pressure downstream of the hydrogen pressure regulating valve 12 is shown in the characteristic E. In this example, the time t24 is earlier than the time t25 when it is determined that the replacement with hydrogen gas is completed.

そこで、第5実施形態に係る燃料電池システムのコントローラ2は、実際の水素圧力調整弁12の下流のガス圧力から水素供給量を推定すると共に、置換に寄与しない電気化学反応によって消費された水素量を発電電流から推定する。そしてコントローラ2は、推定した水素供給量から、推定した消費された水素量を差し引いた水素量を、水素極1aに供給するために必要な水素圧力調整弁12の下流のガス圧力を推定する。   Therefore, the controller 2 of the fuel cell system according to the fifth embodiment estimates the hydrogen supply amount from the actual gas pressure downstream of the hydrogen pressure regulating valve 12 and also consumes the hydrogen consumed by the electrochemical reaction that does not contribute to the substitution. Is estimated from the generated current. Then, the controller 2 estimates the gas pressure downstream of the hydrogen pressure regulating valve 12 necessary for supplying the hydrogen amount obtained by subtracting the estimated consumed hydrogen amount from the estimated hydrogen supply amount to the hydrogen electrode 1a.

具体的には、コントローラ2は、水素圧力調整弁12を通過する体積流量を求める上記式1に示すような演算式を用いて、第2実施形態と同様な演算を行うことにより、補正後の水素圧力調整弁12の下流のガス圧力を求めて、所定値P4と比較することになる。   Specifically, the controller 2 performs the same calculation as that of the second embodiment using the calculation formula shown in the above formula 1 for obtaining the volume flow rate that passes through the hydrogen pressure regulating valve 12, so that the corrected flow rate is obtained. The gas pressure downstream of the hydrogen pressure regulating valve 12 is obtained and compared with a predetermined value P4.

[第5実施形態の効果]
以上詳細に説明したように、本発明を適用した第5実施形態に係る燃料電池システムによれば、システム起動時に、水素極1aのガス圧力を一定にしている場合、水素極1aが水素ガスへ置換されるに従って減少する水素圧力調整弁12の下流のガス圧力を電気化学反応によって消費される水素量を考慮して補正するので、正確に水素極1aの水素ガスへの置換を判断することができる。
[Effect of Fifth Embodiment]
As described above in detail, according to the fuel cell system according to the fifth embodiment to which the present invention is applied, when the gas pressure of the hydrogen electrode 1a is kept constant at the time of system startup, the hydrogen electrode 1a turns into hydrogen gas. Since the gas pressure downstream of the hydrogen pressure regulating valve 12 that decreases as it is replaced is corrected in consideration of the amount of hydrogen consumed by the electrochemical reaction, it is possible to accurately determine the replacement of the hydrogen electrode 1a with hydrogen gas. it can.

[第6実施形態]
つぎに、第6実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
[Sixth Embodiment]
Next, a fuel cell system according to the sixth embodiment will be described. Note that parts similar to those in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

この第6実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池スタック1の電気化学反応によって発生する生成水が水素極1aのガスに含まれることによって、水素極1aのガスのうち水素が含まれる密度が変化することを考慮して、水素極1aが水素ガスに置換されたかを判断する点で、上述した実施形態とは異なる。   In the fuel cell system according to the sixth embodiment, the generated water generated by the electrochemical reaction of the fuel cell stack 1 is included in the gas of the hydrogen electrode 1a, so that the density of hydrogen in the gas of the hydrogen electrode 1a is increased. Considering the change, it is different from the above-described embodiment in that it is determined whether the hydrogen electrode 1a is replaced with hydrogen gas.

上述したように、水素圧力調整弁12やパージ弁14を通過するガスの体積流量は、式1で表されるが、ガス密度ρ0が変化した場合にガスの体積流量が変化する。ここで、燃料電池スタック1から排出されるガスには、燃料電池スタック1の電気化学反応によって発生した生成水が水蒸気として含まれており、パージ弁14から排出されるガスの水蒸気含有量によって残留ガス及び水素ガスの排出量が異なる。また、燃料電池スタック1から排出されるガスの水蒸気含有量は、燃料電池スタック1の温度が高いほど、ガスの飽和水蒸気圧が増加するため、増加する。   As described above, the volume flow rate of the gas passing through the hydrogen pressure regulating valve 12 and the purge valve 14 is expressed by Equation 1, but the gas volume flow rate changes when the gas density ρ0 changes. Here, the gas discharged from the fuel cell stack 1 contains water generated by an electrochemical reaction of the fuel cell stack 1 as water vapor, and remains due to the water vapor content of the gas discharged from the purge valve 14. Gas and hydrogen gas emissions are different. Further, the water vapor content of the gas discharged from the fuel cell stack 1 increases because the saturated water vapor pressure of the gas increases as the temperature of the fuel cell stack 1 increases.

したがって、この第6実施形態に係る燃料電池システムは、水素流量を一定にしてシステムを起動するときに、水素極1aの水素ガスへの置換が完了したと判断する水素極1aのガス圧力P2を補正する。   Therefore, in the fuel cell system according to the sixth embodiment, when the system is started with a constant hydrogen flow rate, the gas pressure P2 of the hydrogen electrode 1a that is determined to be replaced with the hydrogen gas of the hydrogen electrode 1a is set. to correct.

すなわち、コントローラ2は、電気化学反応によって消費された水素量と現在パージ弁14から排出されている水素量とを加算した水素量を、パージ弁14から排出するために必要な水素極1a内の圧力を推定するに際して、現在パージ弁14から排出されている水素量を燃料電池スタック1の温度に応じて補正する。このとき、コントローラ2は、燃料電池スタック1の温度センサ(図示せず)により検出された温度値から、水素極1aから排出されるガスの水蒸気量を推定する。そして、コントローラ2は、水素の分子量、残留ガス(空気)の分子量、水蒸気の分子量との比から、現在パージ弁14から排出されている水素量を補正することにより、当該補正した水素量と電気化学反応によって消費された水素量とを加算した水素量を、パージ弁14から排出するための水素極1a内の圧力を補正する。   That is, the controller 2 adds the amount of hydrogen consumed by the electrochemical reaction and the amount of hydrogen currently discharged from the purge valve 14 to the amount in the hydrogen electrode 1 a necessary for discharging from the purge valve 14. When estimating the pressure, the amount of hydrogen currently discharged from the purge valve 14 is corrected according to the temperature of the fuel cell stack 1. At this time, the controller 2 estimates the water vapor amount of the gas discharged from the hydrogen electrode 1a from the temperature value detected by the temperature sensor (not shown) of the fuel cell stack 1. Then, the controller 2 corrects the amount of hydrogen currently discharged from the purge valve 14 from the ratio of the molecular weight of hydrogen, the molecular weight of residual gas (air), and the molecular weight of water vapor, thereby correcting the corrected hydrogen amount and the electric power. The pressure in the hydrogen electrode 1a for discharging the amount of hydrogen added to the amount of hydrogen consumed by the chemical reaction from the purge valve 14 is corrected.

このような燃料電池システムによれば、水素極1aから排出されるガスが水蒸気飽和状態となっていても、燃料電池スタック1の温度が高くなるほど、パージ弁14から排出ガス中に含まれる水分濃度を低くして、水素極1aの水素ガスへの置換が完了したと判断する水素極1aのガス圧力を補正するので、より正確に水素極1aが水素ガスに置換されたことを判断することができる。   According to such a fuel cell system, even if the gas discharged from the hydrogen electrode 1a is in a water vapor saturation state, the moisture concentration contained in the exhaust gas from the purge valve 14 increases as the temperature of the fuel cell stack 1 increases. And the gas pressure of the hydrogen electrode 1a that determines that the replacement of the hydrogen electrode 1a with hydrogen gas is completed is corrected, so that it can be determined that the hydrogen electrode 1a has been replaced with hydrogen gas more accurately. it can.

また、この第6実施形態に係る燃料電池システムは、水素極1aのガス圧力を一定にしてシステムを起動するときに、水素極1aのガス圧力への置換が完了したと判断する水素圧力調整弁12の開度a2を補正する。   Further, the fuel cell system according to the sixth embodiment has a hydrogen pressure regulating valve that determines that the replacement with the gas pressure of the hydrogen electrode 1a is completed when the system is started with the gas pressure of the hydrogen electrode 1a kept constant. The opening degree a2 of 12 is corrected.

すなわち、コントローラ2は、実際の水素圧力調整弁12の開度から推定した水素供給量から消費された水素量を差し引いた水素量を、水素極1aに供給するために必要な水素圧力調整弁12の開度a2を推定するに際して、実際の水素圧力調整弁12の開度から推定した水素供給量を、燃料電池スタック1の温度によって決定される水蒸気量に基づいて補正する。これにより、コントローラ2は、水蒸気量に基づいて補正した水素供給量と、電気化学反応によって消費されている水素量とから、水素圧力調整弁12の開度a2を補正する。   That is, the controller 2 requires the hydrogen pressure adjustment valve 12 required to supply the hydrogen electrode 1a with the hydrogen amount obtained by subtracting the hydrogen amount consumed from the hydrogen supply amount estimated from the actual opening of the hydrogen pressure adjustment valve 12. When the opening degree a2 is estimated, the hydrogen supply amount estimated from the actual opening degree of the hydrogen pressure regulating valve 12 is corrected based on the water vapor amount determined by the temperature of the fuel cell stack 1. Thereby, the controller 2 corrects the opening a2 of the hydrogen pressure regulating valve 12 from the hydrogen supply amount corrected based on the water vapor amount and the hydrogen amount consumed by the electrochemical reaction.

このような燃料電池システムによれば、水素極1aから排出されるガスが水蒸気飽和状態となっていて水素極1aへの水素供給量が変化する場合であっても、水素極1a内の水蒸気量に基づいて水素圧力調整弁12の開度を補正するので、より正確に水素極1aが水素ガスに置換されたことを判断することができる。   According to such a fuel cell system, even when the gas discharged from the hydrogen electrode 1a is saturated with water vapor and the amount of hydrogen supplied to the hydrogen electrode 1a changes, the amount of water vapor in the hydrogen electrode 1a Since the opening of the hydrogen pressure regulating valve 12 is corrected based on the above, it can be determined that the hydrogen electrode 1a has been replaced with hydrogen gas more accurately.

更に、この第6実施形態に係る燃料電池システムは、水素圧力調整弁12とエゼクタポンプ31との間のガス圧力を一定にしてシステムを起動するときに、水素極1aの水素ガスへの置換が進行するほど、圧力調整弁12とエゼクタポンプ31との間のガス圧力を大きくする場合に、水素極1aの水蒸気量によって圧力調整弁12とエゼクタポンプ31との間のガス圧力を補正する。これにより、燃料電池システムは、より正確に水素極1aが水素ガスに置換されたことを判断することができる。   Further, in the fuel cell system according to the sixth embodiment, the hydrogen electrode 1a is replaced with hydrogen gas when the system is started with the gas pressure between the hydrogen pressure regulating valve 12 and the ejector pump 31 kept constant. When the gas pressure between the pressure control valve 12 and the ejector pump 31 is increased as the travel proceeds, the gas pressure between the pressure control valve 12 and the ejector pump 31 is corrected by the amount of water vapor in the hydrogen electrode 1a. As a result, the fuel cell system can more accurately determine that the hydrogen electrode 1a has been replaced with hydrogen gas.

なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。   The above-described embodiment is an example of the present invention. For this reason, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made depending on the design and the like as long as the technical idea according to the present invention is not deviated from this embodiment. Of course, it is possible to change.

本発明を適用した第1実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the fuel cell system which concerns on 1st Embodiment to which this invention is applied. 本発明を適用した第1実施形態に係る燃料電池システムの起動処理の処理手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process sequence of the starting process of the fuel cell system which concerns on 1st Embodiment to which this invention is applied. 本発明を適用した第1実施形態に係る燃料電池システムの起動処理を行った時の動作を説明する図であって、(a)は空気流量、(b)は水素流量、(c)は発電電圧、(d)は発電電流、(e)は水素極のガス圧力を示す。It is a figure explaining operation | movement when the starting process of the fuel cell system which concerns on 1st Embodiment to which this invention is applied is performed, (a) is an air flow rate, (b) is a hydrogen flow rate, (c) is electric power generation. Voltage, (d) shows the generated current, and (e) shows the gas pressure at the hydrogen electrode. 本発明を適用した第2実施形態に係る燃料電池システムの起動処理の処理手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process sequence of the starting process of the fuel cell system which concerns on 2nd Embodiment to which this invention is applied. 本発明を適用した第2実施形態に係る燃料電池システムの起動処理を行った時の動作を説明する図であって、(a)は空気流量、(b)は水素流量、(c)は発電電圧、(d)は発電電流、(e)は水素圧力調整弁の開度を示す。It is a figure explaining operation | movement when the starting process of the fuel cell system which concerns on 2nd Embodiment to which this invention is applied is performed, (a) is an air flow rate, (b) is a hydrogen flow rate, (c) is electric power generation. Voltage, (d) indicates the generated current, and (e) indicates the opening of the hydrogen pressure regulating valve. 本発明を適用した第3実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the fuel cell system which concerns on 3rd Embodiment to which this invention is applied. 本発明を適用した第5実施形態に係る燃料電池システムの起動処理の処理手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process sequence of the starting process of the fuel cell system which concerns on 5th Embodiment to which this invention is applied. 本発明を適用した第5実施形態に係る燃料電池システムの起動処理を行った時の動作を説明する図であって、(a)は空気流量、(b)は水素流量、(c)は発電電圧、(d)は発電電流、(e)は水素圧力調整弁とエゼクタポンプとの間のガス圧力を示す。It is a figure explaining operation | movement when the starting process of the fuel cell system which concerns on 5th Embodiment to which this invention is applied is performed, (a) is an air flow rate, (b) is a hydrogen flow rate, (c) is electric power generation. Voltage, (d) indicates the generated current, and (e) indicates the gas pressure between the hydrogen pressure regulating valve and the ejector pump.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池スタック
2 コントローラ
3 電圧センサ
4 予備負荷
11 水素ボンベ
12 水素圧力調整弁
13,15,23 アクチュエータ
14 パージ弁
21 コンプレッサ
22 空気調圧弁
31 エゼクタポンプ
L1 水素供給流路
L2 水素排出流路
L3 空気供給流路
L4 空気排出流路
L11 水素循環流路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell stack 2 Controller 3 Voltage sensor 4 Preliminary load 11 Hydrogen cylinder 12 Hydrogen pressure regulating valve 13, 15, 23 Actuator 14 Purge valve 21 Compressor 22 Air pressure regulating valve 31 Ejector pump L1 Hydrogen supply flow path L2 Hydrogen discharge flow path L3 Air Supply flow path L4 Air discharge flow path L11 Hydrogen circulation flow path

Claims (9)

燃料極に燃料ガスが供給されると共に、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池と、
前記燃料電池の燃料ガス入口に接続された燃料ガス供給流路を介して前記燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給し、前記燃料電池の燃料ガス出口に接続された燃料ガス排出流路を介して前記燃料電池から排出された燃料ガスを排出する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池の酸化剤ガス入口に接続された酸化剤ガス供給流路を介して前記燃料電池の酸化剤ガス極に酸化剤ガスを供給し、前記燃料電池の酸化剤ガス出口に接続された酸化剤ガス排出流路を介して前記燃料電池から排出された酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池の発電電力を消費して、前記燃料電池の発電電圧を調整する電力消費手段と、
前記燃料電池の発電電圧を検出する発電電圧検出手段と、
システム起動時に、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給させない状態で、前記燃料極に燃料ガスを供給するように前記燃料ガス供給手段を制御し、前記燃料極が燃料ガスによって置換されたと判断するまで、前記発電電圧検出手段により検出されている燃料電池の発電電圧が所定値以下となるように前記電力消費手段で発電電圧を消費させる起動制御手段と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell that generates fuel by supplying fuel gas to the fuel electrode and supplying oxidant gas to the oxidant electrode; and
Fuel gas is supplied to the fuel electrode of the fuel cell via a fuel gas supply channel connected to the fuel gas inlet of the fuel cell, and via a fuel gas discharge channel connected to the fuel gas outlet of the fuel cell. Fuel gas supply means for discharging the fuel gas discharged from the fuel cell;
An oxidant gas is supplied to an oxidant gas electrode of the fuel cell via an oxidant gas supply channel connected to an oxidant gas inlet of the fuel cell, and an oxidant connected to an oxidant gas outlet of the fuel cell. An oxidant gas supply means for discharging the oxidant gas discharged from the fuel cell through the oxidant gas discharge channel;
Power consumption means for adjusting the power generation voltage of the fuel cell by consuming the power generated by the fuel cell;
Power generation voltage detection means for detecting the power generation voltage of the fuel cell;
At the time of starting the system, the fuel gas supply means is controlled to supply the fuel gas to the fuel electrode without supplying the oxidant gas to the oxidant electrode, and it is determined that the fuel electrode has been replaced by the fuel gas. And a start control means for consuming the generated voltage by the power consuming means so that the generated voltage of the fuel cell detected by the generated voltage detecting means is below a predetermined value.
前記燃料ガス供給手段は、前記燃料ガス供給流路に流れる燃料ガス流量を調整する可変絞り弁が設けられて構成され、
前記起動制御手段は、前記燃料極に供給する燃料ガス流量が一定となるように可変絞り弁の開度を調整し、前記燃料極の実際のガス圧力を前記燃料電池の電気化学反応により消費された水素量に基づいて補正し、このガス圧力補正値が所定値以下となった場合に、前記燃料極が燃料ガスによって置換されたと判断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。
The fuel gas supply means is provided with a variable throttle valve for adjusting a flow rate of the fuel gas flowing through the fuel gas supply flow path,
The activation control means adjusts the opening of the variable throttle valve so that the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel electrode is constant, and the actual gas pressure of the fuel electrode is consumed by the electrochemical reaction of the fuel cell. 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel electrode is determined to have been replaced with a fuel gas when the gas pressure correction value is equal to or less than a predetermined value. .
前記燃料ガス供給手段は、前記燃料ガス供給流路に流れる燃料ガス流量を調整する可変絞り弁が設けられて構成され、
前記起動制御手段は、前記燃料極に供給する燃料ガス圧力が一定となるように可変絞り弁の開度を調整しているときに、前記可変絞り弁の実際の開度を前記燃料電池の電気化学反応により消費された水素量に基づいて補正し、この開度補正値が所定値以上となった場合に、前記燃料極が燃料ガスによって置換されたと判断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。
The fuel gas supply means is provided with a variable throttle valve for adjusting a flow rate of the fuel gas flowing through the fuel gas supply flow path,
The activation control means adjusts the actual opening of the variable throttle valve to the electric power of the fuel cell when the opening of the variable throttle valve is adjusted so that the fuel gas pressure supplied to the fuel electrode is constant. The correction is made based on the amount of hydrogen consumed by the chemical reaction, and when the opening correction value is equal to or greater than a predetermined value, it is determined that the fuel electrode is replaced by fuel gas. The fuel cell system described.
前記燃料ガス供給手段は、前記燃料ガス供給流路に流れる燃料ガス流量を調整する可変絞り弁と、前記燃料電池から排出された燃料ガスを前記燃料ガス供給流路に循環させるエゼクタポンプとを備え、
前記起動制御手段は、前記燃料極に供給する燃料ガス流量が一定となるように可変絞り弁の開度を調整し、前記燃料極の実際のガス圧力を前記燃料電池の電気化学反応により消費された水素量に基づいて補正し、このガス圧力補正値が所定値以下となった場合に、前記燃料極が燃料ガスによって置換されたと判断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。
The fuel gas supply means includes a variable throttle valve that adjusts the flow rate of the fuel gas flowing through the fuel gas supply flow path, and an ejector pump that circulates the fuel gas discharged from the fuel cell to the fuel gas supply flow path. ,
The activation control means adjusts the opening of the variable throttle valve so that the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel electrode is constant, and the actual gas pressure of the fuel electrode is consumed by the electrochemical reaction of the fuel cell. 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel electrode is determined to have been replaced with a fuel gas when the gas pressure correction value is equal to or less than a predetermined value. .
前記燃料ガス供給手段は、前記燃料ガス供給流路に流れる燃料ガス流量を調整する可変絞り弁と、前記燃料電池から排出された燃料ガスを前記燃料ガス供給流路に循環させるエゼクタポンプとを備え、
前記起動制御手段は、前記燃料極に供給する燃料ガス圧力が一定となるように可変絞り弁の開度を調整しているときに、前記可変絞り弁の実際の開度を前記燃料電池の電気化学反応により消費された水素量に基づいて補正し、この開度補正値が所定値以上となった場合に、前記燃料極が燃料ガスによって置換されたと判断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。
The fuel gas supply means includes a variable throttle valve that adjusts the flow rate of the fuel gas flowing through the fuel gas supply flow path, and an ejector pump that circulates the fuel gas discharged from the fuel cell to the fuel gas supply flow path. ,
The activation control means adjusts the actual opening of the variable throttle valve to the electric power of the fuel cell when the opening of the variable throttle valve is adjusted so that the fuel gas pressure supplied to the fuel electrode is constant. The correction is made based on the amount of hydrogen consumed by the chemical reaction, and when the opening correction value is equal to or greater than a predetermined value, it is determined that the fuel electrode is replaced by fuel gas. The fuel cell system described.
前記燃料ガス供給手段は、前記燃料ガス供給流路に流れる燃料ガス流量を調整する可変絞り弁と、当該可変絞り弁のガス下流側に設けられ、前記燃料電池から排出された燃料ガスを前記燃料ガス供給流路に循環させるエゼクタポンプとを備え、
前記起動制御手段は、前記燃料極に供給する燃料ガス圧力が一定となるように可変絞り弁の開度を調整しているときに、前記可変絞り弁と前記エゼクタポンプとの間の実際のガス圧力を前記燃料電池の電気化学反応により消費された水素量に基づいて補正し、このガス圧力補正値が所定値以上となった場合に、前記燃料極が燃料ガスによって置換されたと判断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。
The fuel gas supply means is provided on a downstream side of the variable throttle valve for adjusting a flow rate of the fuel gas flowing in the fuel gas supply flow path, and the fuel gas discharged from the fuel cell is supplied to the fuel. With an ejector pump that circulates in the gas supply flow path,
The start control means adjusts the opening of the variable throttle valve so that the fuel gas pressure supplied to the fuel electrode is constant, and the actual gas between the variable throttle valve and the ejector pump Correcting the pressure based on the amount of hydrogen consumed by the electrochemical reaction of the fuel cell, and determining that the fuel electrode has been replaced by the fuel gas when the gas pressure correction value exceeds a predetermined value. The fuel cell system according to claim 1, wherein
前記起動制御手段は、前記燃料極のガス圧力を前記燃料電池の温度に基づいて補正することを特徴とする請求項2又は請求項4に記載の燃料電池システム。   5. The fuel cell system according to claim 2, wherein the activation control unit corrects the gas pressure of the fuel electrode based on a temperature of the fuel cell. 前記起動制御手段は、前記可変絞り弁の開度を前記燃料電池の温度に基づいて補正することを特徴とする請求項3又は請求項5に記載の燃料電池システム。   6. The fuel cell system according to claim 3, wherein the activation control unit corrects the opening of the variable throttle valve based on a temperature of the fuel cell. 前記起動制御手段は、前記可変絞り弁と前記エゼクタポンプとの間のガス圧力を前記燃料電池の温度に基づいて補正することを特徴とする請求項6に記載の燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 6, wherein the activation control unit corrects a gas pressure between the variable throttle valve and the ejector pump based on a temperature of the fuel cell.
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