JP2006100094A - Starting method of fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a starting method of a fuel cell in which galvanic corrosion of an electrode is prevented, lifetime of a fuel cell can be prolonged, and performance reduction can be suppressed in starting at a temperature below freezing point. <P>SOLUTION: This is the starting method of the fuel cell provided with a fuel cell stack in which a plurality of cells are laminated. In starting the fuel cell stack at least at the temperature below the freezing point, an effective electrode area to contribute to actual power generation is calculated based on a cell voltage obtained in flow of a prescribed current, the largest current value made to flow in the cell is calculated based on the effective electrode area, and this is started at the largest current value or less. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、複数のセルを積層してなる燃料電池スタックを備える燃料電池を氷点下の温度で起動する際における燃料電池の起動方法に関するものである。   The present invention relates to a method for starting a fuel cell when a fuel cell including a fuel cell stack formed by stacking a plurality of cells is started at a temperature below freezing point.
近年、車両の駆動源として燃料電池を備えた燃料電池車両が提案されている。この種の燃料電池としては、アノードとカソードとの間に固体高分子電解質膜を介装したセルを所定数積層された構造をとるものが知られている。そして、アノードに水素(燃料ガス)を、カソードにエア(酸化剤ガス)をそれぞれ導入することで、水素と酸素との電気化学反応によって発電する。   In recent years, a fuel cell vehicle provided with a fuel cell as a vehicle drive source has been proposed. As this type of fuel cell, one having a structure in which a predetermined number of cells having a solid polymer electrolyte membrane interposed between an anode and a cathode is laminated. Then, hydrogen (fuel gas) is introduced into the anode and air (oxidant gas) is introduced into the cathode, thereby generating electric power through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen.
この種の燃料電池は、一般に70〜80゜Cが発電に最適な温度域とされているが、使用環境によっては起動してから前記温度に達するまでに長い時間がかかる場合があり、その対策を講じる必要がある。
特に、移動手段としての燃料電池車両の場合には、低温時にも速やかな始動性が必要とされるので、燃料電池の低温起動性は極めて重要である。
In general, this type of fuel cell has an optimum temperature range of 70 to 80 ° C., but depending on the usage environment, it may take a long time to reach the temperature after startup. It is necessary to take.
In particular, in the case of a fuel cell vehicle as a moving means, quick startability is required even at low temperatures, so the low temperature startability of the fuel cell is extremely important.
例えば、特許文献1には、発電電流を周期的に変化させることにより、発電効率を低下させ発熱量を増やす技術が提案されている。
また、他の方法としては、燃料電池セルの出力電流を増大させて発電に伴う発熱量を増加させる方法も知られている。
特開2002−313388号公報
For example, Patent Document 1 proposes a technique for decreasing the power generation efficiency and increasing the heat generation amount by periodically changing the generated current.
As another method, a method of increasing the amount of heat generated by power generation by increasing the output current of the fuel battery cell is also known.
JP 2002-313388 A
しかしながら、従来の技術においては、以下のような問題がある。
すなわち、発電電流を周期的に変化させる技術においては、発熱量を増加させるためとは言え発電効率が低下してしまい、燃料電池に非効率的な運転を強いることになるため燃料電池の運転上好ましくない。
However, the conventional techniques have the following problems.
In other words, in the technique of periodically changing the generated current, the power generation efficiency is reduced although the amount of heat generation is increased, and the fuel cell is forced to operate inefficiently. It is not preferable.
また、氷点下で燃料電池を起動する場合には、燃料電池スタック内に残留する残留水が凍結して十分に反応ガスを電極(アノード、カソード)に供給できず、正常に発電が行えない場合がある。そして、従来の技術のいずれにおいても、燃料電池スタックに電流が過剰に流れると、上述のように正常に発電が行えない場合には、電極の触媒成分が電気化学反応して腐食してしまう(以下、電食、と称す)虞があり、性能や寿命を低下させてしまう虞がある。   In addition, when starting a fuel cell below freezing point, residual water remaining in the fuel cell stack may freeze and the reaction gas cannot be sufficiently supplied to the electrodes (anode and cathode), and power generation may not be performed normally. is there. In any of the conventional techniques, if an excessive amount of current flows through the fuel cell stack, when the power generation cannot be performed normally as described above, the catalyst component of the electrode is corroded due to an electrochemical reaction ( (Hereinafter referred to as “electrolytic corrosion”), and there is a risk that the performance and lifetime may be reduced.
従って、本発明は、氷点下の温度で起動するときに、電極の電食を防止して、性能低下を抑制することによって、燃料電池の寿命を延ばすことができる燃料電池の起動方法を提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention provides a fuel cell startup method capable of extending the life of the fuel cell by preventing electrode corrosion and suppressing performance degradation when starting at a temperature below freezing point. With the goal.
請求項1に係る発明は、複数のセルを積層してなる燃料電池スタックを備えた燃料電池の起動方法であって、該燃料電池スタックを少なくとも氷点下の温度で起動するときに、所定電流を流したときに得られるセル電圧に基づいて実際の発電に寄与する実効電極面積を算出して、該実効電極面積に基づいて前記セルに流し得る最大電流値を算出し、該最大電流値以下の電流値で起動することを特徴とする。   The invention according to claim 1 is a method of starting a fuel cell including a fuel cell stack formed by stacking a plurality of cells, and a predetermined current is passed when the fuel cell stack is started at a temperature at least below freezing. An effective electrode area that contributes to actual power generation is calculated based on the cell voltage obtained at the time, a maximum current value that can be passed through the cell is calculated based on the effective electrode area, and a current equal to or less than the maximum current value is calculated. It starts with a value.
この発明によれば、前記実効電極面積を求めることにより該面積を求めたセルでの発電状況を把握することができる。そして、前記実効電流密度に基づいて流し得る可能な前記最大電流値を算出し、この最大電流値以下の電流値で起動するため、過大な電流の流れによる電食の発生を防止することができる。そして、前記最大電流値以下の範囲内で、流す電流値を増加させることで、各セルにおける発電やこれに伴う暖機を促進することができる。   According to the present invention, by obtaining the effective electrode area, it is possible to grasp the power generation status in the cell for which the area has been obtained. Then, the maximum possible current value that can flow based on the effective current density is calculated, and the start is performed with a current value equal to or less than the maximum current value, so that occurrence of electrolytic corrosion due to an excessive current flow can be prevented. . And the electric power generation in each cell and the warming-up accompanying this can be accelerated | stimulated by increasing the electric current value to flow within the range below the said maximum electric current value.
請求項2に係る発明は、請求項1に記載のものであって、前記燃料電池スタックの外周への放熱量と、冷媒流路中を循環する冷媒の吸熱量との合計よりも、前記燃料電池スタックの発電による発熱量が上回るように最小電流値を算出し、前記最大電流値と前記最小電流値との間で前記セルに流す電流値を制御することを特徴とする。   The invention according to claim 2 is the invention according to claim 1, wherein the amount of heat released to the outer periphery of the fuel cell stack and the amount of heat absorbed by the refrigerant circulating in the refrigerant flow path are greater than the fuel. The minimum current value is calculated so that the amount of heat generated by the power generation of the battery stack exceeds, and the current value flowing through the cell is controlled between the maximum current value and the minimum current value.
この発明によれば、前記燃料電池スタックの発電による発熱量が、燃料電池スタックの外周への放熱量と、冷媒流路中を循環する冷媒の吸熱量との合計よりも上回るように算出した最小電流値を流すことで、燃料電池スタック内の昇温を確保することができ、燃料電池スタック外部の暖機手段に依存することなく発電による発熱のみによって前記燃料電池スタックの暖機を行うことができる。   According to this invention, the minimum amount of heat generated by the power generation of the fuel cell stack is calculated so as to exceed the total of the heat dissipation amount to the outer periphery of the fuel cell stack and the heat absorption amount of the refrigerant circulating in the refrigerant flow path. By flowing the current value, the temperature rise in the fuel cell stack can be secured, and the fuel cell stack can be warmed up only by heat generated by power generation without depending on the warming-up means outside the fuel cell stack. it can.
請求項3に係る発明は、請求項1または請求項2に記載のものであって、前記各セルへの供給ガス量と前記各セルでの発電に必要とされるガス量とを比較して、前記供給ガス量が前記必要とされるガス量よりも少ない場合には、流す電流を前記最大電流値以下とするか、または、供給ガス量を増大する処理の少なくともいずれかを行うことを特徴とする。   The invention according to claim 3 is the one according to claim 1 or 2, wherein the amount of gas supplied to each cell is compared with the amount of gas required for power generation in each cell. When the amount of supplied gas is smaller than the required amount of gas, at least one of the process of increasing the amount of supplied gas by setting the current to flow below the maximum current value is performed. And
この発明によれば、前記供給ガス量が前記必要とされるガス量よりも少ない場合には、電極表面における供給ガスが不足し、電食が起こる可能性が高まるため、供給ガス量を増大させたり、また、流す電流を低下させることで過大電流による電食の発生を防止することができる。   According to the present invention, when the supply gas amount is smaller than the required gas amount, the supply gas on the electrode surface becomes insufficient, and the possibility of electrolytic corrosion increases. Moreover, generation | occurrence | production of the electric corrosion by an excessive electric current can be prevented by reducing the electric current to flow.
請求項1に係る発明によれば、氷点下で燃料電池を起動する際に、電極の電食を防止することができるため、燃料電池の寿命を延ばすことができるとともに、迅速な起動を行うことができる。
請求項2に係る発明によれば、燃料電池スタック外部の暖機手段に依存することなく発電による発熱のみによって前記燃料電池スタックの暖機を行うことができる。
請求項3に係る発明によれば、発電を促進することができ、電食の発生を防止することができる。
According to the first aspect of the present invention, when the fuel cell is started below freezing point, it is possible to prevent electrode corrosion, thereby extending the life of the fuel cell and enabling quick start-up. it can.
According to the second aspect of the invention, the fuel cell stack can be warmed up only by heat generated by power generation without depending on the warming-up means outside the fuel cell stack.
According to the invention which concerns on Claim 3, electric power generation can be accelerated | stimulated and generation | occurrence | production of electrolytic corrosion can be prevented.
以下、この発明の実施の形態における燃料電池の起動方法を図面と共に説明する。なお、本実施の形態では、燃料電池を車両に搭載した場合の燃料電池システムについて説明する。
図1は、本発明の実施の形態における燃料電池の起動方法が適用される燃料電池システムの概略構成図である。
A fuel cell activation method according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the present embodiment, a fuel cell system when the fuel cell is mounted on a vehicle will be described.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system to which a fuel cell activation method according to an embodiment of the present invention is applied.
同図に示す燃料電池2は、複数のセル3…3を積層してなるスタック4を、一対のプレート5、5で挟持してなる構成を備えている。各セル3は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成される。各セルのアノードに燃料として水素を供給するとともに、カソードに酸化剤として酸素を含むエアを供給すると、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電する。
なお、発電の際にはカソード側で水が生成されるとともに、カソード側で生じた生成水の一部が電解質膜を介してアノード側に逆拡散するためアノード側にも生成水が存在する。
The fuel cell 2 shown in the figure has a configuration in which a stack 4 formed by stacking a plurality of cells 3... 3 is sandwiched between a pair of plates 5 and 5. Each cell 3 is formed by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane made of, for example, a solid polymer ion exchange membrane between the anode and the cathode from both sides. When hydrogen as a fuel is supplied to the anode of each cell and air containing oxygen as an oxidant is supplied to the cathode, hydrogen ions generated by a catalytic reaction at the anode move to the cathode through the electrolyte membrane, and the cathode It generates electricity by causing an electrochemical reaction with oxygen.
During power generation, water is generated on the cathode side, and part of the generated water generated on the cathode side is diffused back to the anode side through the electrolyte membrane, so that generated water is also present on the anode side.
水素タンク6から供給される水素は、遮断弁7やレギュレータ(図示せず)を介し、水素供給流路8を通って燃料電池2のアノードに供給される。そして、発電により消費されなかった未反応の水素オフガスは、アノード側の生成水等の残留水と共に、アノードから水素オフガス循環流路9に排出され、エゼクタ10を介して水素供給流路8に合流する。   Hydrogen supplied from the hydrogen tank 6 is supplied to the anode of the fuel cell 2 through the hydrogen supply flow path 8 via the shutoff valve 7 and a regulator (not shown). Then, the unreacted hydrogen off-gas that has not been consumed by the power generation is discharged from the anode to the hydrogen off-gas circulation passage 9 together with residual water such as produced water on the anode side, and joins the hydrogen supply passage 8 via the ejector 10. To do.
つまり、燃料電池2から排出された水素オフガスは、水素タンク6から供給される新鮮な水素と合流して、再び燃料電池2のアノードに供給される。また、水素オフガス循環流路9から分岐した水素オフガス排出流路11は希釈ボックス(図示せず)に接続される。水素オフガス排出流路11には水素パージ弁12が設けられ、水素パージ弁12を開弁することにより利用済の水素オフガスを水素オフガス排出流路11から希釈ボックスに排出する。   That is, the hydrogen off-gas discharged from the fuel cell 2 merges with fresh hydrogen supplied from the hydrogen tank 6 and is supplied again to the anode of the fuel cell 2. Further, the hydrogen off-gas discharge channel 11 branched from the hydrogen off-gas circulation channel 9 is connected to a dilution box (not shown). A hydrogen purge valve 12 is provided in the hydrogen off gas discharge channel 11, and the used hydrogen off gas is discharged from the hydrogen off gas discharge channel 11 to the dilution box by opening the hydrogen purge valve 12.
一方、エアはコンプレッサ13によりエア供給流路14に圧送され、燃料電池2のカソードに供給される。燃料電池2のカソードに供給されたエアは発電に供された後、燃料電池2からカソード側の生成水等の残留水と共にオフガスとしてエアオフガス排出流路15に排出される。   On the other hand, the air is pumped to the air supply channel 14 by the compressor 13 and supplied to the cathode of the fuel cell 2. After the air supplied to the cathode of the fuel cell 2 is used for power generation, it is discharged from the fuel cell 2 to the air off-gas discharge channel 15 as off-gas along with residual water such as generated water on the cathode side.
エアオフガス排出流路15は上述の希釈ボックス(図示せず)に接続され、エアオフガス排出流路15から排出されるエアオフガスは希釈ボックス内で水素オフガスと混合される。これにより、水素オフガス排出流路11から排出された水素オフガスは、希釈ボックスにより所定濃度以下に希釈される。   The air off gas discharge channel 15 is connected to the above-described dilution box (not shown), and the air off gas discharged from the air off gas discharge channel 15 is mixed with the hydrogen off gas in the dilution box. Thereby, the hydrogen off gas discharged from the hydrogen off gas discharge channel 11 is diluted to a predetermined concentration or less by the dilution box.
さらに、燃料電池2は、冷却水を循環させる循環ポンプを備えた冷却水流路(図示せず)などを備えている。燃料電池2の作動時に冷却水を循環させることにより、燃料電池2は電気化学反応に適した温度(例えば80°C)に制御される。
また、燃料電池2は車両駆動用モータなどの負荷16に電線17を介して接続され、燃料電池2の発電で得られた電力を電線17を介して負荷16に供給する。
Further, the fuel cell 2 includes a cooling water flow path (not shown) provided with a circulation pump for circulating the cooling water. By circulating the cooling water when the fuel cell 2 is operated, the fuel cell 2 is controlled to a temperature suitable for an electrochemical reaction (for example, 80 ° C.).
The fuel cell 2 is connected to a load 16 such as a vehicle driving motor via an electric wire 17, and supplies the electric power obtained by the power generation of the fuel cell 2 to the load 16 via the electric wire 17.
また、本実施の形態においては、燃料電池2の内部温度を把握するために、複数箇所に温度センサ19〜21を設けている。すなわち、エアオフガス排出流路15におけるスタック4の出口付近における温度センサ19を、水素オフガス排出流路11におけるスタック4の出口付近における温度センサ20を、燃料電池2のプレート5に温度センサ21を、それぞれ設けている。さらに、燃料電池2を循環する図示しない冷媒通路にも、温度センサを設けている。なお、上述の全ての温度センサを備える構成に限られず、少なくとも1つの温度センサを備える構成であっても良い。
また、燃料電池2の電流Iを測定するために、負荷16に接続された電線17に電流センサ22を設けている。さらに、燃料電池2の電圧を測定する電圧センサ23や、各セル3の電圧を検出するための電圧センサ25…25も設けられている。
Moreover, in this Embodiment, in order to grasp | ascertain the internal temperature of the fuel cell 2, the temperature sensors 19-21 are provided in several places. That is, the temperature sensor 19 near the outlet of the stack 4 in the air off-gas discharge passage 15, the temperature sensor 20 near the outlet of the stack 4 in the hydrogen off-gas discharge passage 11, and the temperature sensor 21 on the plate 5 of the fuel cell 2, respectively. Provided. Furthermore, a temperature sensor is also provided in a refrigerant passage (not shown) that circulates through the fuel cell 2. In addition, the structure provided with not only the above-mentioned temperature sensor but at least 1 temperature sensor may be sufficient.
In order to measure the current I of the fuel cell 2, a current sensor 22 is provided on the electric wire 17 connected to the load 16. Furthermore, a voltage sensor 23 for measuring the voltage of the fuel cell 2 and voltage sensors 25... 25 for detecting the voltage of each cell 3 are also provided.
燃料電池システム1には、該システム1の制御を行うためのコントロールユニット(制御部)24が設けられている。この制御部24には、イグニッションスイッチ(IG SW)が接続されている。制御部24には、イグニッションスイッチからのイグニッションON、OFF(IG−ON、IG−OFF)の信号や、温度センサ19〜21や電流センサ22、電圧センサ23からの検出値が入力される。そして、制御部24は、これらの入力された検出値や信号に基づいて、遮断弁7、コンプレッサ13、水素パージ弁12を駆動させる信号を出力するようになっている。   The fuel cell system 1 is provided with a control unit (control unit) 24 for controlling the system 1. An ignition switch (IG SW) is connected to the control unit 24. The controller 24 receives ignition ON / OFF (IG-ON, IG-OFF) signals from the ignition switch and detection values from the temperature sensors 19 to 21, the current sensor 22, and the voltage sensor 23. And the control part 24 outputs the signal which drives the cutoff valve 7, the compressor 13, and the hydrogen purge valve 12 based on these input detection values and signals.
図2は燃料電池システムの起動方法の処理内容を示すフローチャートである。
まず、ステップS10で、イグニッションスイッチがONになり(IG−ON)、車両が始動されたことを検出すると、遮断弁7を開弁しまたコンプレッサ13を駆動して、燃料電池2のアノードやカソードにそれぞれ反応ガス(水素、エア)を供給する制御を行い、始動運転を開始する。
FIG. 2 is a flowchart showing the processing contents of the starting method of the fuel cell system.
First, in step S10, when the ignition switch is turned on (IG-ON) and it is detected that the vehicle has been started, the shut-off valve 7 is opened and the compressor 13 is driven so that the anode and cathode of the fuel cell 2 are opened. The control for supplying the reaction gas (hydrogen, air) to each is performed, and the starting operation is started.
次に、ステップS12では、上述した温度センサ19〜21や冷媒通路に設けた温度センサで検出した温度に基づいて、燃料電池2の内部温度を把握する。ステップS14では、燃料電池2の内部温度が0度より大きいか否かを判定する。この判定結果がYESの場合には十分暖機がされていると判定できるので、ステップS38に進む。ステップS38では、電流制限を解除して、通常発電の制御に移行して本フローチャートの処理を終了する。この場合には燃料電池2内の残留水は凍結していないと判断できるためである。   Next, in step S12, the internal temperature of the fuel cell 2 is grasped based on the temperature detected by the temperature sensors 19 to 21 and the temperature sensor provided in the refrigerant passage. In step S14, it is determined whether or not the internal temperature of the fuel cell 2 is greater than 0 degrees. If the determination result is YES, it can be determined that the engine has been sufficiently warmed up, and the process proceeds to step S38. In step S38, the current limit is released, the process proceeds to normal power generation control, and the process of this flowchart is terminated. This is because it can be determined that the residual water in the fuel cell 2 is not frozen in this case.
一方、ステップS14の判定結果がNOの場合(低温起動時と判断される場合)にはステップS16に進む。ステップS16では、燃料電池2に一定電流を流す処理を行う。この一定電流は、燃料電池2の電極(アノード、カソード)での電食を防止し得る適正な電流値であって、発電により生じた生成水の凍結を防止できる最小電流値以上の値に設定される。   On the other hand, when the determination result of step S14 is NO (when it is determined that the low temperature is started), the process proceeds to step S16. In step S16, a process of flowing a constant current through the fuel cell 2 is performed. This constant current is an appropriate current value that can prevent electrolytic corrosion at the electrodes (anode and cathode) of the fuel cell 2, and is set to a value that is equal to or greater than the minimum current value that can prevent freezing of generated water generated by power generation. Is done.
ここで、最小電流値の求め方について説明する。本実施の形態においては、前記燃料電池スタック4の外周への放熱量と、冷媒流路中を循環する冷媒の吸熱量との合計よりも、前記燃料電池スタック4の発電による発熱量が上回るように最小電流値を算出している。このように算出した最小電流値を流すことで、燃料電池スタック4内の昇温を確保することができ、燃料電池スタック4外部の暖機手段(ヒータ等)に依存することなく発電による発熱のみによって前記燃料電池スタック4の暖機を行うことができる。なお、燃料電池スタック4の外周への放熱量は、燃料電池スタック4の内部温度と燃料電池スタック4の周囲温度とに基づいて、求めることができる。また、冷媒流路中を循環する冷媒の吸熱量は、燃料電池2を流通する冷媒の入口と出口での温度差に、冷媒の比熱と比重、冷媒の流量をそれぞれ乗じることで求めることができる。   Here, how to obtain the minimum current value will be described. In the present embodiment, the amount of heat generated by the power generation of the fuel cell stack 4 is greater than the total amount of heat released to the outer periphery of the fuel cell stack 4 and the amount of heat absorbed by the refrigerant circulating in the refrigerant flow path. The minimum current value is calculated. By flowing the calculated minimum current value, the temperature rise in the fuel cell stack 4 can be secured, and only the heat generated by the power generation can be obtained without depending on the warming-up means (heater etc.) outside the fuel cell stack 4. Thus, the fuel cell stack 4 can be warmed up. The amount of heat released to the outer periphery of the fuel cell stack 4 can be determined based on the internal temperature of the fuel cell stack 4 and the ambient temperature of the fuel cell stack 4. Further, the amount of heat absorbed by the refrigerant circulating in the refrigerant flow path can be obtained by multiplying the temperature difference between the inlet and outlet of the refrigerant flowing through the fuel cell 2 by the specific heat and specific gravity of the refrigerant, and the flow rate of the refrigerant. .
ついで、ステップS18では、各セル3…3に設けられた電圧センサ25…25により全てのセル電圧を把握する。ステップS20では、把握した全てのセル3の電圧のうち、最も低い電圧(最低セル電圧)を把握する。
ステップS22では、理想セル電圧と最低セル電圧との差が所定値Aよりも低いか否かを判定する。ここで、理想セル電圧は、流れた電流に対して、セル3の電極全域で発電が行われたときの電圧である。このステップS22の処理について、図3、図4を用いて説明する。
Next, in step S18, all cell voltages are grasped by the voltage sensors 25 ... 25 provided in the cells 3 ... 3. In step S20, the lowest voltage (lowest cell voltage) among the grasped voltages of all the cells 3 is grasped.
In step S22, it is determined whether or not the difference between the ideal cell voltage and the lowest cell voltage is lower than a predetermined value A. Here, the ideal cell voltage is a voltage when power is generated across the electrode of the cell 3 with respect to the flowing current. The process in step S22 will be described with reference to FIGS.
図3は燃料電池スタックを構成するセルに流れる電流と理想電圧との関係を温度毎に示すグラフ図である。同図に示すように、燃料電池2の内部温度(TA、TB、TC)に応じて、セル3に流れる電流と理想セル電圧との関係を所定のライン(この場合はラインLA〜LC)で示している。なお、ここで示すラインA、B、Cの温度は、いずれも氷点下である。そして、ラインCの温度が一番高く、ラインC、ラインB、ラインAの順に温度が低くなっている。   FIG. 3 is a graph showing the relationship between the current flowing through the cells constituting the fuel cell stack and the ideal voltage for each temperature. As shown in the figure, depending on the internal temperature (TA, TB, TC) of the fuel cell 2, the relationship between the current flowing in the cell 3 and the ideal cell voltage is expressed in a predetermined line (in this case, the lines LA to LC). Show. Note that the temperatures of the lines A, B, and C shown here are all below freezing. And the temperature of the line C is the highest, and the temperature becomes low in order of the line C, the line B, and the line A.
また、図4は燃料電池スタックを構成するセルの所定温度(この場合はラインLBの温度)でセルに流す電流に対する理想セル電圧と最低セル電圧との関係を示すグラフ図(マップ)である。ステップS22では、まず、図4を用いてステップS16で流した一定電流の値での理想セル電圧を求め、ついで、ステップS20で把握した最低セル電圧と前記理想セル電圧との差分ΔVを求めて、所定値Aと比較する。ステップS22の判定結果がYESの場合には、実際のセル電圧と理想セル電圧との差が小さく、発電を行える状態と判断できる。これ以降の処理については、後述する。
一方、ステップS22の判定結果がNOの場合には、実際のセル電圧と理想セル電圧との差が大きく、このままでは発電が困難な状態(ガス欠状態、または供給ガス量よりも発電に必要とされるガス量が多い状態)と判断できるので、ステップS32に進んで供給ガス量を増加可能か否かを判定する。この判定結果がYESであれば、ステップS36でガス量の増加処理を実行して、上述したステップS16の処理に戻る。また、ステップS32の判定結果がNOであれば、ステップS34に進んで一旦システム1を停止して、本フローチャートの処理を終了する。
FIG. 4 is a graph (map) showing the relationship between the ideal cell voltage and the minimum cell voltage with respect to the current flowing through the cell at a predetermined temperature of the cells constituting the fuel cell stack (in this case, the temperature of the line LB). In step S22, first, an ideal cell voltage at the constant current value passed in step S16 is obtained using FIG. 4, and then a difference ΔV between the lowest cell voltage grasped in step S20 and the ideal cell voltage is obtained. Compare with the predetermined value A. If the decision result in the step S22 is YES, it can be judged that the difference between the actual cell voltage and the ideal cell voltage is small and it is possible to generate power. The subsequent processing will be described later.
On the other hand, if the determination result in step S22 is NO, the difference between the actual cell voltage and the ideal cell voltage is large, and it is difficult to generate power if it remains as it is (deficient state or more necessary for power generation than supply gas amount). Therefore, the process proceeds to step S32 to determine whether or not the supply gas amount can be increased. If this determination is YES, a gas amount increase process is executed in step S36, and the process returns to the above-described process in step S16. If the decision result in the step S32 is NO, the process proceeds to a step S34 to temporarily stop the system 1 and finish the process of this flowchart.
上述のステップS22の判定結果がYESのときには、ステップS24に進み、実効電極面積を把握する。ここで、実効電極面積とは、セル3の電極において実際の発電に寄与する部位の表面積である。この実効電極面積の求め方について、図5を用いて説明する。
図5は所定電流(この場合はステップS16で流した電流)を流したときの電圧と電流密度との関係を示すグラフ図である。同図を用いて、ステップS20で把握した最低セル電圧から実効電流密度を求める。ここで、実効電流密度は、所定電流における単位面積あたりの電流値である。この実効電流密度で前記所定電流を除算することで、実効電極面積を求めることができる。
When the determination result of step S22 is YES, the process proceeds to step S24 to grasp the effective electrode area. Here, the effective electrode area is a surface area of a part contributing to actual power generation in the electrode of the cell 3. The method for obtaining the effective electrode area will be described with reference to FIG.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between voltage and current density when a predetermined current (in this case, the current passed in step S16) is passed. The effective current density is calculated | required from the minimum cell voltage grasped | ascertained by step S20 using the same figure. Here, the effective current density is a current value per unit area at a predetermined current. The effective electrode area can be obtained by dividing the predetermined current by the effective current density.
そして、ステップS26に進んで、セル3に流し得る電流最大値(最大電流値)を把握する。この最大電流値Imaxは、下式(1)により表される。
Imax=(Sj×R)/(S×Ra×α)…(1)
ここで、Sjは実効電極面積、Sは電極面積(セルの触媒塗布面積)、Rは供給ガス流量、Raは1アンペアの発電に必要なガス量、αは安定発電可能な供給ガスかさ上げ量をそれぞれ示している。このようにして、電食の発生を防止して発電を支障なく行える最大電流値Imaxを求めることができる。そして、供給ガス量よりも発電に必要とされるガス量の方が大きいときに、最大電流値Imax以下の範囲で流す電流を制御している。
And it progresses to step S26 and grasps | ascertains the electric current maximum value (maximum electric current value) which can be sent through the cell 3. FIG. This maximum current value Imax is expressed by the following equation (1).
Imax = (Sj × R) / (S × Ra × α) (1)
Where Sj is the effective electrode area, S is the electrode area (cell catalyst coating area), R is the supply gas flow rate, Ra is the amount of gas required for 1 ampere power generation, and α is the amount of increase in the supply gas capable of stable power generation. Respectively. In this way, it is possible to obtain the maximum current value Imax that can prevent the occurrence of electrolytic corrosion and generate power without any trouble. When the amount of gas required for power generation is larger than the amount of supplied gas, the current flowing in the range of the maximum current value Imax or less is controlled.
ステップS28では、燃料電池2の内部温度が0度より大きいか否かを再度判定する。この判定結果がYESの場合にはステップS38に進んで電流制限を解除し、通常発電の制御に移行して本フローチャートの処理を終了する。ステップS28の判定結果がNOの場合には、ステップS30に進んで、最大電流値の範囲内で流す電流値を変更する制御を行う。そして、上述のステップS18以降の処理を再度行う。   In step S28, it is determined again whether the internal temperature of the fuel cell 2 is greater than 0 degrees. When the determination result is YES, the process proceeds to step S38 to cancel the current limit, shift to normal power generation control, and the process of this flowchart ends. If the decision result in the step S28 is NO, the process proceeds to a step S30 so as to perform a control for changing a current value that flows within the range of the maximum current value. Then, the processes after step S18 described above are performed again.
このように、燃料電池2の内部温度が0度以下の場合には最大電流値Imax以下の電流値で起動するため、過大な電流の流れによる電食の発生を防止することができる。そして、前記最大電流値Imax以下の範囲内で、流す電流値を増加させることで、各セル3における発電やこれに伴う暖機を促進することができる。ここで、流す電流値の増加は、所定量ずつ増加させるようにしてもよいし、所定倍ずつ増加させるようにしてもよい。   In this way, when the internal temperature of the fuel cell 2 is 0 ° C. or less, the fuel cell 2 starts up with a current value that is less than or equal to the maximum current value Imax, so that the occurrence of electrolytic corrosion due to an excessive current flow can be prevented. And the electric power generation in each cell 3 and the warming-up accompanying this can be accelerated | stimulated by increasing the electric current value to flow within the range below the said maximum electric current value Imax. Here, the increase in the current value to be applied may be increased by a predetermined amount or may be increased by a predetermined multiple.
なお、本発明の内容は上述の実施の形態のみに限られるものでないことはもちろんである。例えば、実施の形態では、燃料電池を車両に搭載した場合について説明したが、車両以外の燃料電池システムにも適用してもよい。また、実施の形態では、ステップS22の処理で供給ガス量が不足していると判定されたときに、供給ガスを増加させるか否かを判定しているが、これに加えまたはこれに換えて、流す電流値を減少(流す電流を低下)するようにしてもよい。こうすると、ガス欠状態での過大電流による電食の発生を防止することができる。なお、ステップS14、ステップS28の閾値については、0℃でなくてもよく、燃料電池2のセル3が暖機されているかを判断するための所定値であればよい。   Of course, the contents of the present invention are not limited to the above-described embodiments. For example, in the embodiment, the case where the fuel cell is mounted on the vehicle has been described, but the present invention may be applied to a fuel cell system other than the vehicle. Further, in the embodiment, when it is determined that the supply gas amount is insufficient in the process of step S22, it is determined whether or not the supply gas is increased. The current value to be flown may be decreased (the current to be flowed is reduced). By doing so, it is possible to prevent the occurrence of electrolytic corrosion due to an excessive current in a gas-out state. In addition, about the threshold value of step S14 and step S28, it may not be 0 degreeC, and should just be a predetermined value for judging whether the cell 3 of the fuel cell 2 is warmed up.
本発明の実施の形態における燃料電池システムの全体構成図である。1 is an overall configuration diagram of a fuel cell system in an embodiment of the present invention. 燃料電池システムの起動方法の処理内容を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the processing content of the starting method of a fuel cell system. 燃料電池スタックを構成するセルに流れる電流と理想電圧との関係を温度毎に示すグラフ図である。It is a graph which shows the relationship between the electric current which flows into the cell which comprises a fuel cell stack, and an ideal voltage for every temperature. 燃料電池スタックを構成するセルの所定温度でセルに流す電流に対する理想セル電圧と最低セル電圧との関係を示すグラフ図である。It is a graph which shows the relationship between the ideal cell voltage with respect to the electric current sent through a cell at the predetermined temperature of the cell which comprises a fuel cell stack, and the minimum cell voltage. 所定電流を流したときの電圧と電流密度との関係を示すグラフ図である。It is a graph which shows the relationship between the voltage when a predetermined electric current is sent, and current density.
符号の説明Explanation of symbols
1…燃料電池システム
2…燃料電池
3…セル
4…スタック
19〜21…温度センサ
22…電流センサ
23…電圧センサ
24…コントロールユニット

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system 2 ... Fuel cell 3 ... Cell 4 ... Stack 19-21 ... Temperature sensor 22 ... Current sensor 23 ... Voltage sensor 24 ... Control unit

Claims (3)

  1. 複数のセルを積層してなる燃料電池スタックを備えた燃料電池の起動方法であって、
    該燃料電池スタックを少なくとも氷点下の温度で起動するときに、
    所定電流を流したときに得られるセル電圧に基づいて実際の発電に寄与する実効電極面積を算出して、該実効電極面積に基づいて前記セルに流し得る最大電流値を算出し、該最大電流値以下の電流値で起動することを特徴とする燃料電池の起動方法。
    A method for starting a fuel cell including a fuel cell stack formed by stacking a plurality of cells,
    When starting the fuel cell stack at a temperature of at least below freezing,
    An effective electrode area that contributes to actual power generation is calculated based on a cell voltage obtained when a predetermined current is passed, and a maximum current value that can be passed through the cell is calculated based on the effective electrode area. A starting method of a fuel cell, characterized by starting with a current value less than the value.
  2. 前記燃料電池スタックの外周への放熱量と、冷媒流路中を循環する冷媒の吸熱量との合計よりも、前記燃料電池スタックの発電による発熱量が上回るように最小電流値を算出し、
    前記最大電流値と前記最小電流値との間で前記セルに流す電流値を制御することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の起動方法。
    Calculate the minimum current value so that the amount of heat generated by power generation of the fuel cell stack exceeds the total amount of heat released to the outer periphery of the fuel cell stack and the amount of heat absorbed by the refrigerant circulating in the refrigerant flow path,
    2. The fuel cell startup method according to claim 1, wherein a current value flowing through the cell is controlled between the maximum current value and the minimum current value. 3.
  3. 前記各セルへの供給ガス量と前記各セルでの発電に必要とされるガス量とを比較して、
    前記供給ガス量が前記必要とされるガス量よりも少ない場合には、流す電流を前記最大電流値以下とするか、または、供給ガス量を増大する処理の少なくともいずれかを行うことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の燃料電池の起動方法。


    Compare the amount of gas supplied to each cell and the amount of gas required for power generation in each cell,
    When the amount of supplied gas is smaller than the required amount of gas, the current to flow is set to the maximum current value or less, or at least one of processing for increasing the amount of supplied gas is performed. The fuel cell starting method according to claim 1 or 2.


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