JP2006073451A - Control device of fuel cell and its control method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a control device of a fuel cell enhancing a starting ability, together with improvement of the durability of the fuel cell. <P>SOLUTION: When starting the fuel cell, a fuel control part 10c is made to supply reaction gas to the fuel cell, and when anode pressure and cathode pressure of the fuel cell have reached prescribed values, a cell voltage detecting part 10a detects cell voltage of a cell a, a cell b, a cell c,... a cell n constituting the fuel cell; when the fuel cell is started based on the detected cell voltage, a deficiency inferring part 10d infers the deficiency of the power generation performance; and if there is deficiency, a load control part 10b makes the temperature of the fuel cell raised, the deficiency is dissolved, load is applied to the fuel cell, and the fuel cell is started. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池の制御装置およびその制御方法に関し、特に、燃料電池を始動させる際の制御に関する。   The present invention relates to a control device for a fuel cell and a control method thereof, and more particularly to control when starting a fuel cell.

固定高分子型燃料電池は、高分子電解膜をカソードとアノードで挟んでなる膜電極構造体(MEA)をさらにセパレータで挟んだセルを積層して構成される。ここで、膜電極構造体は、例えばスルホン基を有する樹脂で構成される高分子電解質膜の両面に白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層を密着させることで構成されている。また、触媒層への反応ガスの供給および反応生成水の排出を円滑に行うために、触媒層の外側には高いガス拡散性と電子導電性を有するガス拡散層が必要に応じて設けられている。これらの電極層および電解質の接合体を膜電極構造体として機械的に固定するとともに、隣接する接合体を電気的に直列に接続するための導電性のセパレータ板を配し、セパレータの電極面に対向する面には、電極層に均一に反応ガスを供給するための溝状の流路を設けて構成されている。   A fixed polymer fuel cell is configured by stacking cells in which a membrane electrode structure (MEA) comprising a polymer electrolyte membrane sandwiched between a cathode and an anode is further sandwiched between separators. Here, the membrane electrode structure is configured, for example, by adhering a catalyst layer mainly composed of carbon powder carrying a platinum-based metal catalyst on both sides of a polymer electrolyte membrane composed of a resin having a sulfone group. ing. Further, in order to smoothly supply the reaction gas to the catalyst layer and discharge the reaction product water, a gas diffusion layer having high gas diffusibility and electronic conductivity is provided outside the catalyst layer as necessary. Yes. These electrode layer and electrolyte assembly are mechanically fixed as a membrane electrode structure, and a conductive separator plate for electrically connecting adjacent junctions in series is arranged on the electrode surface of the separator. On the opposite surface, a groove-like channel for supplying the reaction gas uniformly to the electrode layer is provided.

このように構成された燃料電池は、セルの個体差により特に低温下で始動するとき発電性能不調を示す不調セルが現れることがある。この不調セルは、セル間の連通穴やガス流路、さらに凍結時の凍結状況の僅かな違いによる反応ガスの分配、拡散性の差で生じるものと考えられる。このような不調セルが存在する燃料電池を、例えば一旦凍結させてしまうと、不調セルにおいては反応ガスの分配、拡散のさらなる悪化が生じ、悪循環の結果、燃料電池の始動性が極端に悪くなるという問題があり、その対策が必要である。すなわち、不調セルの存在を無視して強引に燃料電池を発電させようとすると、反応ガスの不足で不調セル近傍の電極の腐食やセパレータの劣化を招き、燃料電池の耐久性が悪化してしまうことがあるため、燃料電池を始動させる際に特に反応ガスの不足が生じないようにする必要がある。   In the fuel cell configured as described above, a malfunctioning cell that exhibits power generation performance malfunction may appear due to an individual difference of the cell, particularly when starting at a low temperature. This malfunctioning cell is considered to be caused by a difference in diffusivity and distribution of reaction gas due to a slight difference in freezing conditions at the time of freezing, a gas flow path between cells. For example, once a fuel cell in which such a malfunctioning cell exists is frozen, the reaction gas distribution and diffusion further deteriorate in the malfunctioning cell, and the startability of the fuel cell becomes extremely worse as a result of a vicious cycle. There is a problem that needs to be addressed. That is, if the fuel cell is forcibly generated by ignoring the presence of the malfunctioning cell, the shortage of reaction gas causes corrosion of the electrode near the malfunctioning cell and deterioration of the separator, and the durability of the fuel cell deteriorates. Therefore, it is necessary to prevent a shortage of reaction gas particularly when starting the fuel cell.

燃料電池の制御方法としては、例えば特許文献1で開示されたものがある。ここでは、燃料電池に対して負荷を上げる場合、燃料電池に局部的に発生する反応ガス不足状態を早期に検知して、反応ガス不足から燃料電池を保護するようになっている。
特開平6−243882号公報(特許請求の範囲、請求項1)
As a control method of the fuel cell, for example, there is one disclosed in Patent Document 1. Here, when increasing the load on the fuel cell, a reaction gas shortage state locally generated in the fuel cell is detected at an early stage to protect the fuel cell from the reaction gas shortage.
JP-A-6-243882 (Claims, Claim 1)

しかしながら、前記従来の方法では、実際に負荷を引いて燃料電池の発電状況を観察することによって、反応ガスの不足を検知するようになっているため、燃料電池の始動において実際に始動させてみないと、検出することができないという問題があった。
本発明は、前記従来の問題点に鑑み、燃料電池の耐久性の向上を図りながら、始動性を向上させることのできる燃料電池の制御装置およびその方法を提供することを目的とする。
However, in the above conventional method, the lack of reaction gas is detected by actually pulling the load and observing the power generation status of the fuel cell. Otherwise, there was a problem that it could not be detected.
The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell control apparatus and method that can improve startability while improving the durability of the fuel cell.

請求項1に記載の発明は、セルを複数積層してなる燃料電池の制御装置であって、前記燃料電池に反応ガスを供給させる反応ガス供給手段と、反応ガスの供給によって各セルで発生するセル電圧を検出するセル電圧検出手段と、検出されたセル電圧に基づいて、前記燃料電池に負荷をかけて始動させたとき、前記燃料電池の発電性能の不具合を推測する不具合推測手段と、前記燃料電池の始動を促進する始動促進手段と、前記燃料電池に負荷をかけて燃料電池を始動させる始動手段と、を備え、前記始動手段は、前記燃料電池の発電性能の不具合が推測された場合、前記始動促進手段を起動させてから燃料電池を始動させるものとした。
請求項1に記載の発明によれば、燃料電池を始動させる際に、始動をさせた場合、燃料電池の発電性能の不具合を推測し、不具合があった場合には、燃料電池の始動性を向上させてから始動を行うため、燃料電池の局部で反応ガスが不足のままで始動することを防止できる。
The invention according to claim 1 is a control device for a fuel cell in which a plurality of cells are stacked, and is generated in each cell by supplying reaction gas to the fuel cell, and reaction gas supply means for supplying the reaction gas to the fuel cell. A cell voltage detecting means for detecting a cell voltage; a malfunction estimating means for estimating a malfunction of the power generation performance of the fuel cell when the fuel cell is started by applying a load based on the detected cell voltage; A start acceleration means for accelerating the start of the fuel cell; and a start means for starting the fuel cell by applying a load to the fuel cell, wherein the start means is assumed to be inferior in power generation performance of the fuel cell. The fuel cell is started after starting the start promoting means.
According to the first aspect of the present invention, when starting the fuel cell, if the fuel cell is started, a failure in the power generation performance of the fuel cell is estimated, and if there is a failure, the startability of the fuel cell is reduced. Since the starting is performed after the improvement, it is possible to prevent the starting with the reaction gas being insufficient at the local portion of the fuel cell.

請求項2に記載の発明は、前記不具合推測手段が、前記燃料電池に供給される反応ガスの圧力が所定値に達してからのセル電圧に基づいて、前記不具合を推測するものとした。
請求項2に記載の発明によれば、請求項1と同様の効果を有するほか、その不具合を正確に推測することができる。
According to a second aspect of the present invention, the failure estimation means estimates the failure based on a cell voltage after the pressure of the reaction gas supplied to the fuel cell reaches a predetermined value.
According to the invention described in claim 2, in addition to having the same effect as that of claim 1, it is possible to accurately estimate the defect.

請求項3に記載の発明は、前記始動促進手段が、前記燃料電池を昇温させることによって前記燃料電池の始動を促進するものとした。
請求項3に記載の発明によれば、請求項1または請求項2と同様の効果を有するほか、不具合が推測された場合でも、迅速に始動させることができる。
According to a third aspect of the present invention, the start acceleration means accelerates the start of the fuel cell by raising the temperature of the fuel cell.
According to the invention described in claim 3, in addition to having the same effect as that of claim 1 or 2, it is possible to start quickly even when a malfunction is estimated.

請求項4に記載の発明は、セルを複数積層してなる燃料電池の制御方法であって、前記燃料電池に反応ガスを供給させ、反応ガスを供給した後、各セルのセル電圧を検出し、検出したセル電圧に基づいて、前記燃料電池に負荷をかけて始動させたとき、前記燃料電池の発電性能の不具合を推測し、不具合があると推測された場合には、前記燃料電池を昇温させてから、前記燃料電池に負荷をかけて始動させるものとした。
請求項4に記載の発明によれば、請求項1と同様に、燃料電池を始動させる際に、始動によって燃料電池の発電性能の不具合を推測し、不具合があった場合には、燃料電池の始動性を向上させてから始動を行うため、燃料電池の局部で反応ガスが不足のままで始動することを防止できる。
The invention according to claim 4 is a control method of a fuel cell in which a plurality of cells are stacked, and after the reaction gas is supplied to the fuel cell and the reaction gas is supplied, the cell voltage of each cell is detected. Based on the detected cell voltage, when the fuel cell is loaded and started, a fault in the power generation performance of the fuel cell is estimated, and if there is a fault, the fuel cell is raised. After the temperature was raised, the fuel cell was loaded and started.
According to the invention described in claim 4, as in the case of claim 1, when starting the fuel cell, a failure in the power generation performance of the fuel cell is estimated by starting, and if there is a failure, Since the start-up is performed after the startability is improved, it is possible to prevent the start-up with the reactive gas shortage at the local portion of the fuel cell.

本発明によれば、燃料電池を始動させる際に、燃料電池の局部で反応ガスが不足のままで始動することはない。これによって、始動のために発電性能がさらなる悪化で始動されるまでの時間が延びるようなことがないので、結果として始動性が向上する。また不具合が推測された場合、始動性を促進するようにすれば、始動性を一層向上させ、性能の劣化を防止し、耐久性も向上させることができる。   According to the present invention, when starting the fuel cell, there is no shortage of reactive gas at the local portion of the fuel cell. As a result, there is no possibility that the time required until the power generation performance is further deteriorated due to the start-up, and as a result, the startability is improved. Further, when a malfunction is estimated, if the startability is promoted, the startability can be further improved, performance deterioration can be prevented, and durability can be improved.

以下、本発明を燃料電池電気自動車に適用した一実施形態を、図面を参照して説明する。
まず、本発明における始動時の不具合の検出原理を説明する。
図5は、燃料電池を凍結した状態で始動させる場合のセル電圧と燃料電池の出力電流を示す図で、図6は図5におけるA部分とB部分の拡大図である。なお、A部分は燃料電池に反応ガスの圧力が所定値に達してからの各セルの電圧変化で、B部分は燃料電池を始動したときの各セルの電圧変化である。
燃料電池に反応ガスを供給すると、各セルでセル電圧(開放電圧)が生成される(Start)。セル電圧は、図5に示すように一旦高い電圧が生成されるが、その後アノードとカソード間のガスのリーク(いわゆるクロスリーク)などにより僅かな下降を示して変化する。このとき、例えば何らか理由によるセル間温度のばらつきや反応ガスの供給が充分でないセルが含まれていると、時間の経つにつれてA部分では図6の(a)の拡大図で示すように、各セルの電圧間でばらつきの大きいものが生じる。ここでは、他のセルに対して特にセルa、セルbの落ち込みが大きい。このような状態の燃料電池に対して通常と同じように負荷をかけて始動させると、図6の(b)の点線で示すように不具合が増幅され、セルa、セルbは他のセルよりセル電圧がさらに落ち込む。
Hereinafter, an embodiment in which the present invention is applied to a fuel cell electric vehicle will be described with reference to the drawings.
First, the principle of detecting a malfunction at the start in the present invention will be described.
FIG. 5 is a diagram showing a cell voltage and an output current of the fuel cell when the fuel cell is started in a frozen state, and FIG. 6 is an enlarged view of a portion A and a portion B in FIG. Part A is a change in voltage of each cell after the pressure of the reaction gas reaches a predetermined value in the fuel cell, and part B is a change in voltage of each cell when the fuel cell is started.
When the reaction gas is supplied to the fuel cell, a cell voltage (open voltage) is generated in each cell (Start). As shown in FIG. 5, a high voltage is once generated, and then the cell voltage changes with a slight decrease due to a gas leak (so-called cross leak) between the anode and the cathode. At this time, for example, if there is a cell temperature variation due to some reason or a cell in which the supply of the reaction gas is not sufficient, as shown in the enlarged view of FIG. A large variation occurs between the voltages of each cell. Here, the drop of cell a and cell b is particularly large with respect to other cells. When the fuel cell in such a state is started with a load as usual, the problem is amplified as shown by the dotted line in FIG. 6B, and the cells a and b are more than the other cells. Cell voltage drops further.

このとき、強引に発電をさせると、セルを挟むセパレータが劣化してしまう。本発明は、図6の(a)で示すように負荷をかけて始動させる前のセル電圧のばらつきに着目して、不調セルの存在で発電性能の不具合を推測し、不具合があった場合に燃料電池を昇温させ、不調セルの発電性能すなわち始動性を回復させてから始動を行うようにする。このようにすることによって、例えばセル間のセル電圧のばらつきが大きい状態で燃料電池を始動させても、このように発電性能(始動性能)を回復させることによって、図6の(b)に示すように不調であったセルa、セルbを含めた各セルのセル電圧が揃って変化し、図5のように出力電流が落ち込むことなく発電することができる。   At this time, if the power generation is forcibly generated, the separator sandwiching the cells will be deteriorated. In the present invention, as shown in FIG. 6 (a), paying attention to the variation in the cell voltage before starting by applying a load, if there is a malfunction, the malfunction of the power generation performance is estimated due to the presence of the malfunctioning cell. The temperature of the fuel cell is raised and the power generation performance, that is, the startability of the malfunctioning cell is recovered, and then the start is performed. By doing so, for example, even when the fuel cell is started in a state where the cell voltage variation between the cells is large, the power generation performance (starting performance) is recovered as shown in FIG. 6B. Thus, the cell voltages of the cells including the cell a and the cell b, which have been malfunctioning, change in a uniform manner, and power can be generated without the output current dropping as shown in FIG.

図1は、本発明を適用した燃料電池システムを示す図である。なお、この燃料電池システムは自動車に搭載されたものである。
燃料電池1は高分子電解膜1aをカソードとアノードで挟んでなる膜電極構造体(MEA)をさらにセパレータで挟んだセルを積層して構成されるものである。その構造としては、例えばスルホン基を有する樹脂で構成される高分子電解質膜の両面に白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層を密着させたものである。触媒層への反応ガスの供給および反応生成水の排出を円滑に行うために、触媒層の外側には高いガス拡散性と電子導電性を有するガス拡散層が設けられている。これらの電極層および電解質の接合体を膜電極構造体として機械的に固定するとともに、隣接する接合体を電気的に直列に接続するための導電性のセパレータ板を配し、セパレータの電極面に対向する面には、電極層に均一に反応ガスを供給するための溝状の流路を設けて構成される。
FIG. 1 is a diagram showing a fuel cell system to which the present invention is applied. This fuel cell system is mounted on an automobile.
The fuel cell 1 is configured by stacking cells in which a membrane electrode assembly (MEA) having a polymer electrolyte membrane 1a sandwiched between a cathode and an anode is further sandwiched between separators. As its structure, for example, a catalyst layer mainly composed of carbon powder carrying a platinum-based metal catalyst is adhered to both surfaces of a polymer electrolyte membrane composed of a resin having a sulfone group. In order to smoothly supply the reaction gas to the catalyst layer and discharge the reaction product water, a gas diffusion layer having high gas diffusibility and electronic conductivity is provided outside the catalyst layer. These electrode layer and electrolyte assembly are mechanically fixed as a membrane electrode structure, and a conductive separator plate for electrically connecting adjacent junctions in series is arranged on the electrode surface of the separator. Groove-shaped flow paths for uniformly supplying the reaction gas to the electrode layers are provided on the opposing surfaces.

燃料電池1のアノード側にガスライン2aを介して水素供給源5が接続されている。水素供給源5は例えば高圧の純水素が貯留された燃料タンクである。
ガスライン2aには電磁弁2bが設けられ、電磁弁2bの開閉で、燃料電池1のアノードに水素ガスを供給することができる。
A hydrogen supply source 5 is connected to the anode side of the fuel cell 1 through a gas line 2a. The hydrogen supply source 5 is, for example, a fuel tank that stores high-pressure pure hydrogen.
The gas line 2a is provided with an electromagnetic valve 2b, and hydrogen gas can be supplied to the anode of the fuel cell 1 by opening and closing the electromagnetic valve 2b.

燃料電池1のカソードにガスライン3aを介してコンプレッサ4が接続されている。ガスライン3aには電磁弁3bが設けられ、電磁弁3bの開閉で、燃料電池1のカソードに酸化剤ガスとしての空気を供給することができる。
ガスライン2a、3aの燃料電池1近傍に水素ガスと酸化剤ガスが供給されたときのアノード圧、カソード圧を検出する圧力センサP2、P1が設けられている。
燃料電池1のアノードとカソードにそれぞれ反応後ガスを排出するための排出ガスライン2c、3cが設けられている。燃料電池1の二つの電極に負荷6が接続されている。負荷6としては例えば車両を駆動するモータおよび他の補機である。
燃料電池1には、燃料電池1を昇温させるため、始動促進手段としてのヒータ7が設けられている。
燃料電池1を制御すべく配置された制御装置10は、電磁弁2b、3b、コンプレッサ4、ヒータ7および負荷6を制御するようになっている。また、制御を実施するために、圧力センサP2、P1の検出値が制御装置10に入力される。制御装置10、コンプレッサ4およびヒータ7は図示しないバッテリから電気供給される。
A compressor 4 is connected to the cathode of the fuel cell 1 through a gas line 3a. The gas line 3a is provided with an electromagnetic valve 3b, and air as an oxidant gas can be supplied to the cathode of the fuel cell 1 by opening and closing the electromagnetic valve 3b.
Pressure sensors P2 and P1 for detecting anode pressure and cathode pressure when hydrogen gas and oxidant gas are supplied are provided in the vicinity of the fuel cell 1 of the gas lines 2a and 3a.
Exhaust gas lines 2c and 3c are provided at the anode and cathode of the fuel cell 1 for exhausting the reacted gas, respectively. A load 6 is connected to the two electrodes of the fuel cell 1. The load 6 is, for example, a motor that drives the vehicle and other auxiliary machines.
In order to raise the temperature of the fuel cell 1, the fuel cell 1 is provided with a heater 7 as a start acceleration means.
A control device 10 arranged to control the fuel cell 1 controls the solenoid valves 2b and 3b, the compressor 4, the heater 7 and the load 6. In addition, detection values of the pressure sensors P <b> 2 and P <b> 1 are input to the control device 10 in order to perform control. The control device 10, the compressor 4 and the heater 7 are electrically supplied from a battery (not shown).

図2は、制御装置の構成を示すブロック図である。
a、b、c、…、nは燃料電池1の各セルである。制御装置10はセル電圧検出部(セル電圧検出手段)10aと、負荷制御部(始動手段)10bと、燃料制御部10cと、不具合推測部(不具合推測手段)10dを有している。
燃料制御部10cは、電磁弁2b、3bおよびコンプレッサ4を制御することによって燃料電池1に水素ガスと酸化剤を供給し、または供給を遮断する。
セル電圧検出部10aは、各セルのセル電圧を検出している。負荷制御部10bは、燃料電池1の始動に際して、燃料制御部10cに指令を出すことによって燃料電池1に水素ガスと酸化剤ガスを供給させる。不具合推測部10dは、圧力センサP2、P1の検出値に基づいてアノード圧力、カソード圧力が所定値に達したと判断した場合、セル電圧検出部10aで検出されたセル電圧に基づいて、燃料電池1を始動させた場合、発電性能の不具合があるか否かを判断する。ある場合には、負荷制御部10bがヒータ7を通電させて燃料電池1を昇温させる。そして昇温によって、不具合がないと判断されたとき、燃料電池1から負荷6に電流が流れるように負荷6を制御する。次に、燃料電池1を始動させるときの流れをフローチャートにしたがって説明する。
FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of the control device.
a, b, c,..., n are each cell of the fuel cell 1. The control device 10 includes a cell voltage detection unit (cell voltage detection unit) 10a, a load control unit (starting unit) 10b, a fuel control unit 10c, and a defect estimation unit (problem estimation unit) 10d.
The fuel control unit 10c controls the electromagnetic valves 2b and 3b and the compressor 4 to supply hydrogen gas and oxidant to the fuel cell 1 or to cut off the supply.
The cell voltage detector 10a detects the cell voltage of each cell. When the fuel cell 1 is started, the load control unit 10b instructs the fuel control unit 10c to supply the fuel cell 1 with hydrogen gas and oxidant gas. When the failure estimation unit 10d determines that the anode pressure and the cathode pressure have reached predetermined values based on the detection values of the pressure sensors P2 and P1, based on the cell voltage detected by the cell voltage detection unit 10a, When 1 is started, it is determined whether or not there is a defect in power generation performance. In some cases, the load controller 10b energizes the heater 7 to raise the temperature of the fuel cell 1. When it is determined that there is no problem due to the temperature rise, the load 6 is controlled so that a current flows from the fuel cell 1 to the load 6. Next, the flow when starting the fuel cell 1 will be described according to a flowchart.

図3は、制御装置における燃料電池を始動させるときの流れを示すフローチャートである。
自動車側から、イグニッションスイッチ信号がオン信号であると判断される(S1)と、燃料制御部10cは、コンプレッサ4を動作させるとともに、電磁弁2b、3bを開く。これによってコンプレッサが回転し、燃料電池1に水素ガスと酸化剤ガスがそれぞれ供給される(S2)。
不具合推測部10dは、圧力センサP2、P1の検出値をそれぞれ入力して、その検出値によって、図4に示すようにアノード圧力とカソード圧力の両極圧力の昇圧が完了したか否かを判断する(S3)。両極昇圧完了した場合(S3、Yes)、不具合推測部10dは、セル電圧検出部10aによって検出された各セルa、b、c、…、nのセル電圧をそれぞれ入力する。
FIG. 3 is a flowchart showing a flow when starting the fuel cell in the control device.
When it is determined from the vehicle side that the ignition switch signal is an ON signal (S1), the fuel control unit 10c operates the compressor 4 and opens the electromagnetic valves 2b and 3b. As a result, the compressor rotates and hydrogen gas and oxidant gas are supplied to the fuel cell 1 (S2).
The defect estimation unit 10d inputs the detection values of the pressure sensors P2 and P1, respectively, and determines whether or not the boosting of the anode pressure and the cathode pressure has been completed based on the detection values as shown in FIG. (S3). When the bipolar step-up is completed (S3, Yes), the failure estimation unit 10d inputs the cell voltages of the cells a, b, c,..., N detected by the cell voltage detection unit 10a.

図4はアノード圧力、カソード圧力とセル電圧の関係を示す図である。これによれば、アノード圧力、カソード圧力の昇圧が完了した(時刻a)ときから、不調セルであるセルa、セルbのセル電圧が他のセルより落ち込みが大きいため、正常なセルと区別して不調セルを容易に検出できる。なお、セル電圧が降下していくのは、前記した通り高分子電解膜を通しての反応ガスのクロスリークなどの影響によるものである。ちなみに、アノード、カソードとも反応ガスの流れが少ないときや、クロスリークが大きい(例えば電解膜に孔が開いている)ときに、セル電圧の落ち込みは大きくなるものと考えられ、不調セルの検出がさらに容易になる。   FIG. 4 is a graph showing the relationship between anode pressure, cathode pressure and cell voltage. According to this, since the increase in the anode pressure and the cathode pressure is completed (time a), the cell voltages of the cell a and the cell b which are malfunctioning cells are larger than the other cells, so that they are distinguished from normal cells. A malfunctioning cell can be easily detected. Note that the cell voltage drops due to the influence of the cross leak of the reaction gas through the polymer electrolyte membrane as described above. By the way, when the flow of reaction gas is small for both the anode and the cathode, or when the cross leak is large (for example, there is a hole in the electrolytic membrane), the drop in cell voltage is considered to increase, and detection of a malfunctioning cell is detected. It becomes easier.

入力されたセル電圧に基づいて、不具合推測部10dは、燃料電池1に負荷をかけて発電させた場合に発電性能の不具合を推測する(S5)。不具合がなかった場合(S5、No)、燃料電池1から負荷6に電流が流れるように負荷6を制御して燃料電池1を始動させる(S6)。始動させた後は、自動車側からの発電指令に基づいて通常のように燃料電池1を制御する。
不具合の推測では、例えばセル電圧が所定値以下のセルがあるか否かを判断することによって推測することができる。また、すべてセル電圧の平均値に対して、ばらつきの度合によって推測することもできる。
不具合の推測で、不具合があった場合(S5、Yes)には、負荷制御部10bがヒータ7を通電させる(S8)。これによって、燃料電池1が昇温される。これによって、図4に示すように不調セルであったセルa、セルbのセル電圧が次第に他のセルのセル電圧に近づき、発電性能すなわち始動性が回復されていく。このとき、燃料電池1からは負荷を引いていない。
Based on the input cell voltage, the failure estimation unit 10d estimates a failure in power generation performance when a load is applied to the fuel cell 1 to generate power (S5). If there is no malfunction (No in S5), the fuel cell 1 is started by controlling the load 6 so that a current flows from the fuel cell 1 to the load 6 (S6). After starting, the fuel cell 1 is controlled as usual based on a power generation command from the automobile side.
For example, the defect can be estimated by determining whether there is a cell whose cell voltage is equal to or lower than a predetermined value. Further, it can be estimated by the degree of variation with respect to the average value of the cell voltages.
If there is a problem (S5, Yes), the load control unit 10b energizes the heater 7 (S8). Thereby, the temperature of the fuel cell 1 is raised. As a result, as shown in FIG. 4, the cell voltages of cells a and b, which were malfunctioning cells, gradually approach the cell voltages of other cells, and the power generation performance, that is, the startability is restored. At this time, no load is drawn from the fuel cell 1.

その後、セル電圧検出部10aが再びセル電圧を検出し、不具合推測部10dが検出されたセル電圧を入力する(S9)、セル電圧のばらつきをチェックすることによって不具合が解消されたか否かを判断する(S10)。不具合が解消されなかった場合(S10)、ステップS9へ戻り、新たなセル電圧の検出を行う(S9)。
不具合が解消されたと判断すると(S10、Yes)、負荷制御部10bがヒータ7への通電を切断させる(S11)。その後、ステップS6で、燃料電池1から負荷6に電流が流れるように負荷6を制御して始動させて、通常通りの制御を行う。ここで、不具合が解消されたかの判定は、セル電圧でなくても、例えば燃料電池1の温度で判定することもできる。
After that, the cell voltage detection unit 10a detects the cell voltage again, and the failure estimation unit 10d inputs the detected cell voltage (S9), and checks whether or not the failure is solved by checking the variation in the cell voltage. (S10). If the problem is not resolved (S10), the process returns to step S9, and a new cell voltage is detected (S9).
If it is determined that the problem has been resolved (S10, Yes), the load control unit 10b cuts off the power to the heater 7 (S11). Thereafter, in step S6, the load 6 is controlled and started so that current flows from the fuel cell 1 to the load 6, and control is performed as usual. Here, the determination as to whether or not the problem has been resolved can be made based on, for example, the temperature of the fuel cell 1 without using the cell voltage.

実施形態によれば、燃料電池1を始動させる際に、始動させた場合、燃料電池1の発電性能の不具合を推測し、不具合があった場合には、燃料電池を昇温させ発電性能を向上させて始動を行うため、始動性を向上させながら、燃料電池の局部で反応ガスの不足で、電極の腐食やセパレータが劣化することを防止可能である。
また、不具合の推測において、アノード圧力とカソード圧力が所定値に達したときのセル電圧で推測するため、不具合を正確に推測することができる。
なお、前記実施形態では、セルの温度の低下を不具合の要因として、ヒータ7で昇温させることによって解消するものとした。しかし、生成水によって反応ガスの流通が阻害されていることが原因の場合もある。このような場合は、燃料電池1をパージなどして水分を排出することで始動を促進することもできる。あるいは、反応ガスのストイキ値を上げたり、アノード圧力、カソード圧力を上げたりすることも可能である。つまり、促進手段としてはヒータだけに限られるものではない。また、正常なセルのみから負荷を引いて発電によって燃料電池1を昇温させてもよい。
According to the embodiment, when the fuel cell 1 is started, when the fuel cell 1 is started, a failure in the power generation performance of the fuel cell 1 is estimated, and if there is a failure, the fuel cell is heated to improve the power generation performance. Since starting is performed, it is possible to prevent the corrosion of the electrode and the deterioration of the separator due to the lack of the reaction gas in the local part of the fuel cell while improving the startability.
In addition, in the estimation of the problem, since the cell voltage when the anode pressure and the cathode pressure reach predetermined values is estimated, the problem can be accurately estimated.
In the above embodiment, the decrease in the temperature of the cell is caused as a cause of the problem, and the temperature is raised by the heater 7 to be solved. However, the cause may be that the flow of the reaction gas is hindered by the produced water. In such a case, the start-up can be accelerated by purging the fuel cell 1 to discharge moisture. Alternatively, the stoichiometric value of the reaction gas can be increased, and the anode pressure and the cathode pressure can be increased. That is, the promotion means is not limited to the heater. Alternatively, the temperature of the fuel cell 1 may be raised by power generation while pulling a load from only normal cells.

本発明を適用した燃料電池システムを示す図である。It is a figure which shows the fuel cell system to which this invention is applied. 制御装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of a control apparatus. 制御装置における燃料電池を始動させるときの流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow when starting the fuel cell in a control apparatus. アノード圧力、カソード圧力とセル電圧の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between an anode pressure, a cathode pressure, and a cell voltage. 燃料電池を凍結した状態で始動させる場合のセル電圧と燃料電池の出力電流を示す図である。It is a figure which shows the cell voltage in the case of starting a fuel cell in the frozen state, and the output current of a fuel cell. 図5におけるA部分とB部分の拡大図である。FIG. 6 is an enlarged view of a portion A and a portion B in FIG. 5.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池
2a ガスライン
2b 電磁弁
2c 排出ガスライン
3a ガスライン
3b 電磁弁
4 コンプレッサ
5 水素供給源
6 負荷
7 ヒータ
10 制御装置
10a セル電圧検出部
10b 負荷制御部
10c 燃料制御部
10d 不具合推測部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell 2a Gas line 2b Solenoid valve 2c Exhaust gas line 3a Gas line 3b Solenoid valve 4 Compressor 5 Hydrogen supply source 6 Load 7 Heater 10 Controller 10a Cell voltage detection part 10b Load control part 10c Fuel control part 10d Problem estimation part

Claims (4)

セルを複数積層してなる燃料電池の制御装置であって、
前記燃料電池に反応ガスを供給させる反応ガス供給手段と、
反応ガスの供給によって各セルで発生するセル電圧を検出するセル電圧検出手段と、
検出されたセル電圧に基づいて、前記燃料電池に負荷をかけて始動させたとき、前記燃料電池の発電性能の不具合を推測する不具合推測手段と、
前記燃料電池の始動を促進する始動促進手段と、
前記燃料電池に負荷をかけて燃料電池を始動させる始動手段と、を備え、
前記始動手段は、前記燃料電池の発電性能の不具合が推測された場合、前記始動促進手段を起動させてから燃料電池を始動させることを特徴とする燃料電池の制御装置。
A fuel cell control device comprising a plurality of stacked cells,
Reactive gas supply means for supplying a reactive gas to the fuel cell;
Cell voltage detection means for detecting a cell voltage generated in each cell by the supply of the reaction gas;
Based on the detected cell voltage, when the fuel cell is loaded and started, a failure estimation means for estimating a failure in the power generation performance of the fuel cell;
Start acceleration means for accelerating the start of the fuel cell;
Starting means for applying a load to the fuel cell to start the fuel cell,
The fuel cell control device according to claim 1, wherein when the malfunction of the power generation performance of the fuel cell is estimated, the start unit starts the fuel cell after starting the start promoting unit.
前記不具合推測手段は、前記燃料電池に供給される反応ガスの圧力が所定値に達してからのセル電圧に基づいて、前記不具合を推測することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の制御装置。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein the failure estimation unit estimates the failure based on a cell voltage after a pressure of a reaction gas supplied to the fuel cell reaches a predetermined value. Control device. 前記始動促進手段は、前記燃料電池を昇温させることによって前記燃料電池の始動を促進することを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池の制御装置。   3. The fuel cell control device according to claim 1, wherein the start acceleration unit accelerates the start of the fuel cell by raising the temperature of the fuel cell. 4. セルを複数積層してなる燃料電池の制御方法であって、
前記燃料電池に反応ガスを供給させ、反応ガスを供給した後、各セルのセル電圧を検出し、検出したセル電圧に基づいて、前記燃料電池に負荷をかけて始動させたとき、前記燃料電池の発電性能の不具合を推測し、不具合があると推測された場合には、前記燃料電池を昇温させ前記燃料電池の始動を促進してから、前記燃料電池に負荷をかけて始動させることを特徴とする燃料電池の制御方法。
A fuel cell control method comprising a plurality of stacked cells,
After supplying the reaction gas to the fuel cell, and supplying the reaction gas, the cell voltage of each cell is detected, and when the fuel cell is started by applying a load based on the detected cell voltage, the fuel cell If it is estimated that there is a problem with the power generation performance of the fuel cell, the temperature of the fuel cell is increased to promote the start of the fuel cell, and then the fuel cell is started with a load applied. A control method for a fuel cell.
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