JP2006164781A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system quickly and smoothly starting up even in a low temperature environment. <P>SOLUTION: When a temperature of air supplied to a fuel cell 1 is lower than a prescribed value, in compressing the air to set pressure to increase a fuel cell entrance air temperature up to a target temperature by an air supply device 6 and an air-pressure regulating valve 7, a control unit controls the supply device 6 and the regulating valve 7 so that all of an exit air temperature of the supply device 6, an entrance air temperature of a humidifier 26, and an entrance air temperature of the fuel sell 1 do not exceed respective upper limit temperatures. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、低温環境下でのシステムの起動性を改善した燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system having improved system startability in a low temperature environment.

従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている(特許文献1参照)。この文献に記載された技術では、低温起動時に燃料電池に供給する水素ガスの供給圧力を定常運転時よりも低下させることで低温起動時の発電効率を低下させ、燃料電池の自己発熱量を増大させて、燃料電池の暖機時間を短縮するようにしている。
特開2002−313388
Conventionally, as this type of technology, for example, those described in the following documents are known (see Patent Document 1). The technology described in this document reduces the power generation efficiency at low temperature startup by lowering the supply pressure of hydrogen gas supplied to the fuel cell at low temperature startup than during steady operation, and increases the self-heating amount of the fuel cell Thus, the warm-up time of the fuel cell is shortened.
JP 2002-313388 A

上記従来の燃料電池システムにおいては、低温起動時には効率の悪い発電により自己発熱量を増大させて燃料電池自体を昇温させていたが、低温環境下では、燃料電池に供給される水素ガスや空気ガスの反応ガスも低温になっている。特に氷点下の低温環境下での起動時に、燃料電池の発電が十分でない起動当初に例えば氷点下の空気ガスが燃料電池のカソード極に導入されると、発電によりカソード極側で生成された水分が凍結し、発電ができなくなるおそれがあった。   In the above conventional fuel cell system, the temperature of the fuel cell itself is increased by increasing the self-heating value by inefficient power generation at low temperature startup. However, in a low temperature environment, hydrogen gas or air supplied to the fuel cell is used. The gas reaction gas is also cold. In particular, when starting in a low-temperature environment below freezing, if the fuel cell power generation is not sufficient, for example, if subzero air gas is introduced into the cathode of the fuel cell at the beginning, the water generated on the cathode side due to power generation will freeze. However, there is a risk that power generation cannot be performed.

このような不具合を回避するために、氷点下でのシステムの起動時には、空気ガスを昇温した後燃料電池に供給する手法が採用されていた。空気ガスを昇温するためには、氷点下起動時は燃料電池の発電が十分でないため、バッテリ電力を利用して燃料電池に圧縮空気を供給するコンプレッサを高圧で運転していた。   In order to avoid such a problem, a method has been adopted in which the temperature of the air gas is raised and then supplied to the fuel cell when the system is started below freezing. In order to raise the temperature of the air gas, since the power generation of the fuel cell is not sufficient at the time of starting below freezing point, the compressor that supplies the compressed air to the fuel cell using the battery power is operated at a high pressure.

しかし、空気の流量と圧力調整のみで燃料電池入口の空気温度を所定温度以上に昇温しようとすると、コンプレッサの空気吐出温度、コンプレッサから吐出された空気の温度を冷却調整するアフタークーラの上限温度、ならびに燃料電池に供給される空気を加湿する加湿器の上限温度を超えてしまうおそれがあった。このため、空気供給系の構成に損傷を与えるおそれがあった。   However, if the air temperature at the fuel cell inlet is to be raised above the specified temperature only by adjusting the air flow rate and pressure, the upper limit temperature of the aftercooler that cools and adjusts the air discharge temperature of the compressor and the temperature of the air discharged from the compressor. In addition, there is a risk of exceeding the upper limit temperature of the humidifier that humidifies the air supplied to the fuel cell. For this reason, there existed a possibility of damaging the structure of an air supply system.

また、空気の昇温時間を短くしようとすると、空気の温度が上述した吐出温度や上限温度を上回るおそれがあるので、昇温時間を短縮して、迅速に安定した電力を得ることが困難になるといった不具合を招いていた。   Also, if the air temperature rise time is shortened, the air temperature may exceed the discharge temperature or the upper limit temperature described above, so it is difficult to shorten the temperature rise time and quickly obtain stable power. The problem of becoming was invited.

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、低温環境下でも、システムを短時間にかつ円滑に起動できる燃料電池システムを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of smoothly starting the system in a short time even in a low temperature environment.

上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により発電を行う燃料電池と、設定された流量と圧力で酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給手段と、前記酸化剤ガス供給手段で圧縮された酸化剤ガスを加湿する加湿手段と、システムの起動時に、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの目標空気流量と目標空気圧力を算出し、算出した目標空気流量と目標空気圧力で酸化剤ガスが前記燃料電池に供給されるように前記酸化剤ガス供給手段を制御する制御手段とを有する燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの温度が所定値以下の低温時には、前記酸化剤ガス供給手段で酸化剤ガスを設定された圧力に圧縮して燃料電池入口酸化剤ガス温度を目標温度まで昇温する際に、前記酸化剤供給手段の出口酸化剤ガス温度、加湿器入口酸化剤ガス温度、ならびに燃料電池入口酸化剤ガス温度のすべてがそれぞれの上限温度を超えないように前記酸化剤ガス供給手段を制御する
ことを特徴とする。
In order to achieve the above object, the means for solving the problems of the present invention includes a fuel cell that generates power by a chemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas, and the oxidant gas at a set flow rate and pressure. An oxidant gas supply means for supplying to the fuel cell, a humidifying means for humidifying the oxidant gas compressed by the oxidant gas supply means, and a target air flow rate of the oxidant gas supplied to the fuel cell when the system is started. A fuel cell system having a control means for calculating a target air pressure and controlling the oxidant gas supply means so that an oxidant gas is supplied to the fuel cell at the calculated target air flow rate and target air pressure; The control means compresses the oxidant gas to a set pressure by the oxidant gas supply means when the temperature of the oxidant gas supplied to the fuel cell is a low temperature equal to or lower than a predetermined value. When the gas temperature is raised to the target temperature, the outlet oxidant gas temperature of the oxidant supply means, the humidifier inlet oxidant gas temperature, and the fuel cell inlet oxidant gas temperature all do not exceed the respective upper limit temperatures. The oxidant gas supply means is controlled as described above.

本発明によれば、システムの低温起動時に、燃料電池へ供給する酸化剤ガスを昇温する際に、燃料電池入口温度、加湿器入口温度、酸化剤ガス供給装置出口温度の上限温度を超えないように酸化剤ガスを昇温することが可能となる。これにより、空気供給系の構成に損傷を与えることなく、システムを短時間にかつ円滑に起動することができる。   According to the present invention, when the temperature of the oxidant gas supplied to the fuel cell is raised during the low temperature startup of the system, the upper limit temperature of the fuel cell inlet temperature, the humidifier inlet temperature, and the oxidant gas supply device outlet temperature is not exceeded. Thus, it becomes possible to raise the temperature of the oxidant gas. As a result, the system can be started up smoothly in a short time without damaging the configuration of the air supply system.

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

図1は本発明の実施例1に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図1に示す実施例1のシステムは、燃料電池1と、燃料ガス系の構成として水素供給タンク2、水素圧力レギュレータ3、パージ調整弁4ならびに水素循環ポンプ5を備え、酸化剤ガス系の構成として空気供給装置6、アフタークーラ(A/C)25、加湿器26ならびに空気調圧弁7を備え、さらに冷却水ポンプ8を備えている。   FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. The system of Embodiment 1 shown in FIG. 1 includes a fuel cell 1, a hydrogen supply tank 2, a hydrogen pressure regulator 3, a purge adjustment valve 4 and a hydrogen circulation pump 5 as a fuel gas system configuration, and an oxidant gas system configuration. As an air supply device 6, an aftercooler (A / C) 25, a humidifier 26 and an air pressure regulating valve 7, and a cooling water pump 8.

燃料電池1は、供給される燃料ガスの水素と酸化剤ガスの空気とを化学反応させて発電を行い、発電で発生した熱は冷却水ポンプ8で燃料電池1を循環される冷却水で除去される。燃料電池1に供給される水素は水素供給タンク2に貯蔵され、水素供給タンク2に貯蔵された水素は、水素圧力レギュレータ3で圧力調整されて燃料電池1に供給される。燃料電池1から排出された未使用の水素は、その一部が循環水素系に蓄積した窒素をパージするパージ調整弁4を介して排気される一方、残りの水素は水素循環ポンプ5を介して燃料電池1の水素入口側に戻されて循環される。循環された循環水素は、水素供給タンク2から導出された水素と混合されて混合水素として燃料電池1に供給される。循環水素系を循環する循環水素は、水蒸気を多く含んでおり、水素供給タンク2から導出される乾燥した水素と混合することで、燃料電池1のアノード極に供給する水素を加湿するようにしている。   The fuel cell 1 generates electricity by chemically reacting the hydrogen of the supplied fuel gas and the air of the oxidant gas, and the heat generated by the electricity generation is removed by the cooling water circulated through the fuel cell 1 by the cooling water pump 8. Is done. Hydrogen supplied to the fuel cell 1 is stored in the hydrogen supply tank 2, and the hydrogen stored in the hydrogen supply tank 2 is pressure-adjusted by the hydrogen pressure regulator 3 and supplied to the fuel cell 1. A portion of the unused hydrogen discharged from the fuel cell 1 is exhausted via a purge adjustment valve 4 that purges nitrogen accumulated in the circulating hydrogen system, while the remaining hydrogen is passed through a hydrogen circulation pump 5. It is returned to the hydrogen inlet side of the fuel cell 1 and circulated. The circulated circulating hydrogen is mixed with hydrogen derived from the hydrogen supply tank 2 and supplied to the fuel cell 1 as mixed hydrogen. The circulating hydrogen circulating in the circulating hydrogen system contains a lot of water vapor, and is mixed with dry hydrogen derived from the hydrogen supply tank 2 so that the hydrogen supplied to the anode electrode of the fuel cell 1 is humidified. Yes.

一方、燃料電池1には、空気供給装置6から排出されてアフタークーラ25で温度が調整され加湿器26で加湿された酸化剤ガスの空気が供給され、燃料電池1から排出された未使用の空気は、燃料電池1のカソード極に導入される空気の圧力を調整する空気調圧弁7を介して圧力調整されて排気される。空気供給装置6は、空気を圧縮するコンプレッサで構成され、このコンプレッサで圧縮された空気が燃料電池1に供給される。したがって、燃料電池1に供給される空気は、その圧力と流量がコンプレッサの回転数ならびに空気調圧弁7の弁開度に基づいて設定調整される。また、燃料電池1に供給される空気は、空気供給装置6のコンプレッサによって圧縮されるため、圧縮により発熱する。したがって、空気供給装置6と空気調圧弁7によって燃料電池1に供給される空気は昇温されるので、空気供給装置6と空気調圧弁7は、空気を昇温する昇温手段として機能する。空気の発熱量は、空気の圧力と流量により変化するので、空気の昇温は圧力と流量とに基づいて制御される。   On the other hand, the oxidant gas air that has been discharged from the air supply device 6, adjusted in temperature by the aftercooler 25, and humidified by the humidifier 26 is supplied to the fuel cell 1, and is unused from the fuel cell 1. The air is pressure-adjusted via an air pressure regulating valve 7 that adjusts the pressure of the air introduced into the cathode electrode of the fuel cell 1 and exhausted. The air supply device 6 includes a compressor that compresses air, and the air compressed by the compressor is supplied to the fuel cell 1. Therefore, the pressure and flow rate of the air supplied to the fuel cell 1 are set and adjusted based on the rotational speed of the compressor and the valve opening degree of the air pressure regulating valve 7. Moreover, since the air supplied to the fuel cell 1 is compressed by the compressor of the air supply device 6, it generates heat by the compression. Therefore, since the temperature of the air supplied to the fuel cell 1 is raised by the air supply device 6 and the air pressure regulating valve 7, the air supply device 6 and the air pressure regulating valve 7 function as a temperature raising means for raising the temperature of the air. Since the calorific value of air varies depending on the pressure and flow rate of air, the temperature rise of air is controlled based on the pressure and flow rate.

燃料電池システムは、さらに電力変換装置9、負荷装置10、バッテリ11、バッテリコントローラ12ならびに各種センサ類を備えている。   The fuel cell system further includes a power conversion device 9, a load device 10, a battery 11, a battery controller 12, and various sensors.

燃料電池1の発電で得られた電力は、電力変換装置9により負荷装置10又はバッテリ11の仕様に対応した電力に変換されて、負荷装置10及び/又はバッテリ11に与えられる。負荷装置10は、例えばインバータや発電で得られた電力を消費する駆動モータからなり、インバータで構成された場合には、発電で得られた電力を消費する駆動モータ等の負荷がインバータに接続される。負荷装置10では発電値を設定して、設定した発電値に応じて燃料電池1から負荷電流を取り出すようにしている。   The electric power obtained by the power generation of the fuel cell 1 is converted into electric power corresponding to the specifications of the load device 10 or the battery 11 by the power conversion device 9 and given to the load device 10 and / or the battery 11. The load device 10 is composed of, for example, an inverter or a drive motor that consumes power obtained by power generation. When the load device 10 is configured by an inverter, a load such as a drive motor that consumes power obtained by power generation is connected to the inverter. The The load device 10 sets a power generation value and takes out a load current from the fuel cell 1 in accordance with the set power generation value.

電力変換装置9で電力変換されてバッテリ11に与えられた電力は、バッテリ11に蓄電され、蓄電された電力は例えばシステムの起動時に補機となる空気供給装置6に供給されて、コンプレッサを駆動する電力の一部を担う。バッテリコントローラ12は、バッテリ11に接続され、バッテリ11のSOC(State of charge:充電状態)を測定し、バッテリコントローラ12で測定されたSOCはバッテリ11から供給可能な電力を見積もる等に使用される。   The power converted by the power conversion device 9 and applied to the battery 11 is stored in the battery 11, and the stored power is supplied to the air supply device 6 that is an auxiliary machine when the system is started, for example, to drive the compressor It bears a part of electric power. The battery controller 12 is connected to the battery 11, measures the SOC (State of charge) of the battery 11, and the SOC measured by the battery controller 12 is used to estimate the power that can be supplied from the battery 11. .

各種センサ類として、燃料電池1の水素入口には、燃料電池1に導入される水素の圧力を計測する圧力センサ13ならびに温度を計測する温度センサ14が設けられている。燃料電池1の冷却水流路出口には、燃料電池1から排出された冷却水の温度を計測する温度センサ15が設けられている。燃料電池1には、燃料電池1を構成する燃料電池セルの電圧を計測する電圧センサ16が設けられている。   As various sensors, the hydrogen inlet of the fuel cell 1 is provided with a pressure sensor 13 for measuring the pressure of hydrogen introduced into the fuel cell 1 and a temperature sensor 14 for measuring the temperature. A temperature sensor 15 that measures the temperature of the cooling water discharged from the fuel cell 1 is provided at the cooling water flow path outlet of the fuel cell 1. The fuel cell 1 is provided with a voltage sensor 16 that measures the voltage of the fuel cell constituting the fuel cell 1.

空気供給装置6の上流側には、空気供給装置6に吸入される空気の温度を計測する温度センサ17が設けられている。空気供給装置6の下流には、空気供給装置6から排出された空気の流量を計測する流量センサ27ならびに空気の温度を計測する温度センサ28が設けられている。アフタークーラ25の下流側には、アフタークーラ25から排出された空気の温度、ならびに加湿器26に導入される空気の温度を計測する温度センサ29が設けられている。燃料電池1の空気入口には、燃料電池1に導入される空気の圧力を計測する圧力センサ18ならびに温度を計測する温度センサ19が設けられている。   A temperature sensor 17 that measures the temperature of the air sucked into the air supply device 6 is provided on the upstream side of the air supply device 6. Downstream of the air supply device 6, a flow sensor 27 that measures the flow rate of the air discharged from the air supply device 6 and a temperature sensor 28 that measures the temperature of the air are provided. A temperature sensor 29 that measures the temperature of the air discharged from the aftercooler 25 and the temperature of the air introduced into the humidifier 26 is provided on the downstream side of the aftercooler 25. At the air inlet of the fuel cell 1, a pressure sensor 18 that measures the pressure of air introduced into the fuel cell 1 and a temperature sensor 19 that measures temperature are provided.

燃料電池1と電力変換装置9との間には、燃料電池1から電力変換装置9に流れる負荷電流を計測する電流センサ20と、燃料電池1から電力変換装置9に与えられる電圧を計測する電圧センサ21が設けられている。燃料電池1とバッテリ11との間には、電力変換装置9からバッテリ11に与えられる電圧を計測する電圧センサ22ならびに電流を計測する電流センサ23が設けられている。バッテリ11の近傍には、バッテリ11の温度を近似するバッテリ11の近傍温度を計測する温度センサ24が設けられている。   Between the fuel cell 1 and the power converter 9, a current sensor 20 that measures a load current flowing from the fuel cell 1 to the power converter 9 and a voltage that measures a voltage applied from the fuel cell 1 to the power converter 9. A sensor 21 is provided. Between the fuel cell 1 and the battery 11, there are provided a voltage sensor 22 for measuring a voltage applied from the power converter 9 to the battery 11 and a current sensor 23 for measuring a current. In the vicinity of the battery 11, a temperature sensor 24 that measures the temperature near the battery 11 that approximates the temperature of the battery 11 is provided.

燃料電池システムは、図示しないがコントロールユニットを備えている。このコントロールユニットは、本システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、CPU、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。コントロールユニットは、図1に示す各種センサ類を含む本システムにおけるすべてのセンサ類(図示せず)からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック(プログラム)に基づいて、空気供給装置6ならびに空気調圧弁7を含む本システムの各構成要素に指令を送り、以下に説明する起動時の昇温処理ならびに電力の収支計算を含む本システムの運転/停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。   Although not shown, the fuel cell system includes a control unit. The control unit functions as a control center for controlling the operation of the system, and is provided with resources such as a CPU, a storage device, and an input / output device necessary for a computer that controls various operation processes based on a program, for example, a microcomputer Etc. The control unit reads signals from all the sensors (not shown) in this system including the various sensors shown in FIG. 1, and based on the read various signals and the control logic (program) stored in advance in advance. Commands are sent to each component of the system including the air supply device 6 and the air pressure regulating valve 7, and all necessary for operating / stopping the system including the temperature rising process at startup and calculation of the power balance described below are described. Control and control the overall operation.

次に、図2に示すフローチャートを参照して、システム起動時に燃料電池1に供給される空気の昇温制御処理の手順を説明する。   Next, with reference to the flowchart shown in FIG. 2, the procedure of the temperature raising control process for the air supplied to the fuel cell 1 when the system is started will be described.

図2において、先ず通常通りシステムの起動を開始する。この実施例1では水素供給は圧力レギュレータ構成としているので燃料電池入口との圧力差に応じて水素が燃料電池1に供給される。システム起動時にはパージ調整弁4を開いて圧力差を生じさせて水素を供給するようにする。また、目標流量と目標圧力とをコントロールユニットへ入力して、コントロールユニットでコンプレッサ回転数、圧力調整弁開度を計算し、空気供給装置6のコンプレッサならびに空気調圧弁7に出力し、燃料電池1に供給される空気の流量と圧力を制御する(ステップS200)。この実施例1では、空気の流量と圧力の干渉を考慮して、制御理論で公知の流量と圧力の非干渉化制御方式を採用した。   In FIG. 2, first, the system is started as usual. In the first embodiment, since the hydrogen supply is configured as a pressure regulator, hydrogen is supplied to the fuel cell 1 in accordance with the pressure difference from the fuel cell inlet. When the system is started, the purge adjustment valve 4 is opened to generate a pressure difference so that hydrogen is supplied. Further, the target flow rate and the target pressure are input to the control unit, the compressor rotation speed and the pressure adjustment valve opening are calculated by the control unit, and output to the compressor of the air supply device 6 and the air pressure regulating valve 7. The flow rate and pressure of the air supplied to the are controlled (step S200). In the first embodiment, in consideration of interference between the flow rate of air and pressure, a non-interference control method for flow rate and pressure known in control theory is adopted.

続いて、低温モードでシステムを起動するか否かを判断する(ステップS201)。この実施例1では、空気供給装置6の吸気空気温度と燃料電池出口冷却水温度に基づいて低温モードで起動するか否かを判断する。   Subsequently, it is determined whether or not the system is activated in the low temperature mode (step S201). In the first embodiment, it is determined whether or not to start in the low temperature mode based on the intake air temperature of the air supply device 6 and the fuel cell outlet cooling water temperature.

この判断は、図3のフローチャートに示す手順にしたがって行われる。図3において、先ず吸気空気温度<閾値Th1、または燃料電池出口冷却水温度<閾値Th2であるか否かを判別する(ステップS300)。いずれか一方の要件が成立した場合には、低温モードで起動する一方、いずれの要件も成立しない場合には、通常のモードで起動する(ステップS301、S202)。ここで、閾値Th1、Th2は実験や机上検討により予め設定された変数とし、この実施例1では、例えばTh1=0℃程度、Th2=0℃程度に設定した。   This determination is made according to the procedure shown in the flowchart of FIG. In FIG. 3, it is first determined whether or not the intake air temperature <the threshold value Th1 or the fuel cell outlet cooling water temperature <the threshold value Th2 (step S300). If any one of the requirements is satisfied, the operation is started in the low temperature mode. If neither requirement is satisfied, the operation is started in the normal mode (steps S301 and S202). Here, the threshold values Th1 and Th2 are variables set in advance through experiments and desk studies. In Example 1, for example, Th1 = 0 ° C. and Th2 = 0 ° C. are set.

図2に戻って、低温モードで起動する場合には、昇温した空気を燃料電池1へ供給するが、先ず燃料電池入口空気温度をどの程度の温度まで昇温するかを決めるために、以下の目標温度を設定する(ステップS203)。この実施例1では、燃料電池入口空気温度、コンプレッサ吐出温度、加湿器入口温度の目標温度を設定する。この実施例1では、それぞれの目標温度をそれぞれの構成部材の上限温度とした。   Returning to FIG. 2, when starting in the low temperature mode, the heated air is supplied to the fuel cell 1. First, in order to determine the temperature of the fuel cell inlet air temperature, The target temperature is set (step S203). In the first embodiment, target temperatures for the fuel cell inlet air temperature, the compressor discharge temperature, and the humidifier inlet temperature are set. In Example 1, each target temperature was set as the upper limit temperature of each constituent member.

次に、燃料電池入口空気温度が目標温度となるように、先のステップS200で算出した目標流量と目標圧力を温度補正する(ステップS204)。この温度補正は、図4(a)の制御ブロック図に示すようにして実行され、燃料電池入口空気温度、コンプレッサ吐出温度、加湿器入口温度に基づいて、公知のPI制御器を用いて温度動特性を予測した制御手法を採用して行われる。   Next, the target flow rate and the target pressure calculated in the previous step S200 are temperature-corrected so that the fuel cell inlet air temperature becomes the target temperature (step S204). This temperature correction is executed as shown in the control block diagram of FIG. 4A. Based on the fuel cell inlet air temperature, the compressor discharge temperature, and the humidifier inlet temperature, the temperature correction is performed using a known PI controller. This is done by adopting a control method that predicts the characteristics.

この公知のPI制御器を用いた温度動特性を予測した制御手法では、予め温度動特性を取得するための実験を行い、実験結果からコンプレッサ回転数と各部の温度の関係、圧力調整弁開度と温度変化の関係データを取得する。このような実験はステップ応答実験と呼ばれており公知な方法であるので説明は省略する。このような実験データから以下に示す関係式(数1)の係数K1,K2,L1,L2,M1,M2を求める。これらそれぞれの係数は時系列(予測時間だけ)にならんだベクトル係数である。これはシステム同定あるいは多変量解析手法と呼ばれ公知な方法であるので説明は省略する。   In the control method for predicting the temperature dynamic characteristic using this known PI controller, an experiment for acquiring the temperature dynamic characteristic is performed in advance, and the relationship between the compressor rotation speed and the temperature of each part, the pressure adjustment valve opening degree is obtained from the experimental result. And obtain the relationship data of temperature change. Such an experiment is called a step response experiment and is a well-known method and will not be described. Coefficients K1, K2, L1, L2, M1, and M2 of the following relational expression (Equation 1) are obtained from such experimental data. Each of these coefficients is a vector coefficient aligned in time series (only the prediction time). This is called a system identification or multivariate analysis method, and is a known method, so that the description thereof is omitted.

(数1)
燃料電池入口空気温度y1=K1×コンプレッサ回転数u1+K2×圧力調整弁開度u2
コンプレッサ吐出温度y2=L1×コンプレッサ回転数u1+L2×圧力調整弁開度u2
加湿器入口温度変化y3=M1×コンプレッサ回転数u1+M2×圧力調整弁開度u2
上記係数おいて、例えばコンプレッサ回転数u1をある回転数からある回転数へステップ変化させた時に、燃料電池入口空気温度が図5に示すように変化した場合には、データの各時点(時間t1、t2…)における温度が係数となる。さらに、平均値を引くなどのデータ標準化を行って係数を作成する。詳細はシステム同定理論で公知であるので省略する。このような時系列の係数を有する以下に示すモデル式(数2)にコンプレッサ回転数と圧力調整弁開度を入力することで、将来の温度動特性を予測することが可能となる。
(Equation 1)
Fuel cell inlet air temperature y1 = K1 × compressor rotational speed u1 + K2 × pressure adjusting valve opening u2
Compressor discharge temperature y2 = L1 × compressor rotational speed u1 + L2 × pressure adjusting valve opening u2
Humidifier inlet temperature change y3 = M1 × compressor rotational speed u1 + M2 × pressure adjusting valve opening u2
For example, when the fuel cell inlet air temperature changes as shown in FIG. 5 when the compressor rotational speed u1 is step-changed from a certain rotational speed to a certain rotational speed, for example, each time point (time t1) , T2...) Is a coefficient. Furthermore, data standardization such as subtracting the average value is performed to create a coefficient. Details are well known in the system identification theory and will be omitted. It is possible to predict future temperature dynamic characteristics by inputting the compressor rotation speed and the pressure adjustment valve opening into the following model equation (Equation 2) having such time-series coefficients.

(数2)
tを時間、a,b,c,d,e,fを係数とすると、
y1(y)=a1*y1(t-1)+a2*y1(t-2)+K11*u1(t-1)+K12*u1(t-2)
+b1*y1(t-1)+b2*y1(t-2)+K21*u2(t-1)+K22*u2(t-2)
y2(y)=c1*y2(t-1)+c2*y2(t-2)+L11*u1(t-1)+L12*u1(t-2)
+d1*y2(t-1)+d2*y2(t-2)+L21*u2(t-1)+L22*u2(t-2)
y3(y)=e1*y3(t-1)+e2*y3(t-2)+M11*u1(t-1)+M12*u1(t-2)
+f1*y3(t-1)+f2*y3(t-2)+M21*u2(t-1)+M22*u2(t-2)
この実施例1では、燃料電池入口空気温度予測値と上限値、コンプレッサ吐出温度予測値と上限値、加湿器入口温度予測値と上限値の偏差をそれぞれ計算し、(上限値−予測値)の偏差が正で絶対値が最も小さいものを選択して補正量の演算に用いるようにした。一方、(上限値−予測値)の偏差が負である場合には、絶対値が最も大きいものを選択して補正量の演算に用いるようにした。また、この実施例1ではそれぞれの目標温度をそれぞれの上限温度としたので、目標温度と予測温度の偏差は上限温度との偏差となるようにした。
(Equation 2)
If t is time and a, b, c, d, e, f are coefficients,
y1 (y) = a1 * y1 (t-1) + a2 * y1 (t-2) + K11 * u1 (t-1) + K12 * u1 (t-2)
+ b1 * y1 (t-1) + b2 * y1 (t-2) + K21 * u2 (t-1) + K22 * u2 (t-2)
y2 (y) = c1 * y2 (t-1) + c2 * y2 (t-2) + L11 * u1 (t-1) + L12 * u1 (t-2)
+ d1 * y2 (t-1) + d2 * y2 (t-2) + L21 * u2 (t-1) + L22 * u2 (t-2)
y3 (y) = e1 * y3 (t-1) + e2 * y3 (t-2) + M11 * u1 (t-1) + M12 * u1 (t-2)
+ f1 * y3 (t-1) + f2 * y3 (t-2) + M21 * u2 (t-1) + M22 * u2 (t-2)
In Example 1, fuel cell inlet air temperature predicted value and upper limit value, compressor discharge temperature predicted value and upper limit value, humidifier inlet temperature predicted value and deviation of upper limit value are calculated respectively, and (upper limit value−predicted value) The one with the positive deviation and the smallest absolute value was selected and used for calculating the correction amount. On the other hand, when the deviation of (upper limit value−predicted value) is negative, the one having the largest absolute value is selected and used for the calculation of the correction amount. Moreover, in this Example 1, since each target temperature was made into each upper limit temperature, the deviation of target temperature and estimated temperature was made to become a deviation with upper limit temperature.

例えば、燃料電池入口空気温度予測値と上限温度の(上限値−予測値)の偏差が正で絶対が他に比べて最も小さい場合には、燃料電池入口空気温度と目標温度の偏差に基づいてPI制御器で補正量を演算するようにした。これは、上限温度を行き過ぎる可能性が最も高いものを制御して、上限温度を逸脱させないようにするためである。また、燃料電池入口空気温度予測値と上限温度の(上限値−予測値)の偏差が負で絶対値が最も大きい場合には、燃料電池入口空気温度と目標温度の偏差に基づいてPI制御器で補正量を演算するようにした。これは、上限温度を行き過ぎた量が最も多いものを制御して、上限温度を逸脱させないようにするためである。また、上記偏差が正であるもの(まだ行き過ぎていないが可能性が高い)と偏差が負(すでに行き過ぎている)のものでは、偏差が負のものを優先して選択するようにした。   For example, when the deviation between the fuel cell inlet air temperature predicted value and the upper limit temperature (upper limit value−predicted value) is positive and the absolute value is the smallest compared to the others, based on the deviation between the fuel cell inlet air temperature and the target temperature. The correction amount is calculated by the PI controller. This is to prevent the maximum temperature from being deviated by controlling what is most likely to exceed the maximum temperature. When the deviation between the fuel cell inlet air temperature predicted value and the upper limit temperature (upper limit−predicted value) is negative and the absolute value is the largest, the PI controller is based on the deviation between the fuel cell inlet air temperature and the target temperature. The correction amount was calculated with. This is to prevent the upper limit temperature from being deviated by controlling the one having the largest amount of excess upper limit temperature. In addition, when the deviation is positive (not yet overshooted but likely), and when the deviation is negative (already overrun), the negative deviation is selected with priority.

一方、上記条件が複数あって一つを選択できないような場合には、燃料電池入口空気温度、コンプレッサ吐出温度、加湿器入口温度の順に優先して選択するようにした。この優先順位は、部品単体の温度耐性試験結果に基づいて、上限値を超えてもある程度は耐えることができるか否かに応じて決めた。上記の優先順位は、上限値を超えた場合に持ちこたえる能力が弱い順である。   On the other hand, when there are a plurality of the above conditions and one cannot be selected, the fuel cell inlet air temperature, the compressor discharge temperature, and the humidifier inlet temperature are preferentially selected. This priority order was determined according to whether or not it could withstand to some extent even if the upper limit value was exceeded, based on the temperature tolerance test result of a single component. The above priority order is the order in which the ability to hold when the upper limit is exceeded is weak.

また、上記説明の燃料電池空気入口温度は、燃料電池1と空気配管との接続部直近における温度としているが、燃料電池入口の配管部の温度としてもよいし、燃料電池マニホールド部の温度でもよい。この実施例1では、温度センサ19は燃料電池入口配管部のほうが取付けやすいので、この温度を制御に使うようにしている。燃料電池マニホールド部の温度は、マニホールド部の材質ならびに厚さを用いて推定することが可能である。   In addition, the fuel cell air inlet temperature described above is the temperature in the immediate vicinity of the connecting portion between the fuel cell 1 and the air pipe, but may be the temperature of the fuel cell inlet pipe portion or the temperature of the fuel cell manifold portion. . In the first embodiment, since the temperature sensor 19 is easier to attach to the fuel cell inlet piping, this temperature is used for control. The temperature of the fuel cell manifold can be estimated using the material and thickness of the manifold.

空気流量と空気圧力の補正に続いて、燃料電池入口温度が低い場合には、空気流量の補正と空気圧力の補正に対してさらに補正を行う(ステップS205)。燃料電池入口温度が予め設定された所定温度以下の場合には、空気圧力の補正を優先して空気流量の補正は行わない。すなわち、燃料電池入口温度が所定温度以下の場合には空気圧力に対しての補正のみを実行し、空気圧力が高くなるようにして空気流量を少なくする。一方、燃料電池入口温度が所定温度以上の場合に空気圧力と空気流量の双方を補正する。   Following the correction of the air flow rate and the air pressure, when the fuel cell inlet temperature is low, the air flow rate correction and the air pressure correction are further corrected (step S205). When the fuel cell inlet temperature is equal to or lower than a predetermined temperature set in advance, the correction of the air pressure is prioritized and the correction of the air flow rate is not performed. That is, when the fuel cell inlet temperature is equal to or lower than the predetermined temperature, only the correction for the air pressure is executed, and the air flow rate is decreased so as to increase the air pressure. On the other hand, when the fuel cell inlet temperature is equal to or higher than a predetermined temperature, both the air pressure and the air flow rate are corrected.

この温度補正は、図4(a)に示す制御ブロックにおいて、空気圧力ならびに空気流量に対して補正係数を設定して行う。空気圧力に対する補正係数は、図4(b)に示すように、燃料電池入口空気温度に対して常に1に設定されて温度補正が行われるものとする。一方、空気流量に対する補正係数は、図4(c)に示すように、燃料電池入口空気温度に対して予め設定された所定温度を境に所定温度以下の場合は0として温度補正を行わないようにする一方、所定温度以上の場合には1として温度補正が行われるようにしている。   This temperature correction is performed by setting correction coefficients for the air pressure and the air flow rate in the control block shown in FIG. As shown in FIG. 4B, the correction coefficient for the air pressure is always set to 1 with respect to the fuel cell inlet air temperature, and temperature correction is performed. On the other hand, as shown in FIG. 4C, the correction coefficient for the air flow rate is set to 0 when the temperature is equal to or lower than a predetermined temperature with respect to the fuel cell inlet air temperature, and temperature correction is not performed. On the other hand, if the temperature is equal to or higher than the predetermined temperature, the temperature correction is performed as 1.

最後に、図6に示すフローチャートに示すように、燃料電池入口温度が目標値(=上限値)になったか否かを判断し、低温モードでの一連の空気の昇温動作を終了するか否かを判断する(ステップS206)。判断の結果、燃料電池入口温度が目標値(=上限値)に到達した場合には、低温モードでのシステムの起動を終了する一方、到達していない場合には先のステップS203に戻る。   Finally, as shown in the flowchart shown in FIG. 6, it is determined whether or not the fuel cell inlet temperature has reached the target value (= upper limit value), and whether or not to end the series of air temperature raising operations in the low temperature mode. Is determined (step S206). As a result of the determination, when the fuel cell inlet temperature has reached the target value (= upper limit value), the system startup in the low temperature mode is terminated, whereas when it has not reached, the process returns to the previous step S203.

このように、上記実施例1では、コンプレッサ回転数と圧力調整弁開度を燃料電池入口の空気温度を目標温度まで昇温するように補正することで、低温時に燃料電池へ供給する空気を目標温度まで昇温することができ、燃料電池内で発電によって生成した水を氷結させないようにすることができる。この補正は、燃料電池入口温度、加湿器入口温度、コンプレッサ出口温度の上限温度を超えないようにしたので、それぞれの上限温度を超えないように空気を昇温することができる。   As described above, in the first embodiment, the air supplied to the fuel cell at the low temperature is targeted by correcting the compressor rotational speed and the pressure adjustment valve opening so that the air temperature at the fuel cell inlet is raised to the target temperature. The temperature can be raised to a temperature, and water generated by power generation in the fuel cell can be prevented from freezing. In this correction, the upper limit temperatures of the fuel cell inlet temperature, the humidifier inlet temperature, and the compressor outlet temperature are not exceeded, so that the air can be heated so as not to exceed the respective upper limit temperatures.

空気の目標流量と目標圧力を温度補正する際に、温度動特性を予測して補正量を算出するようにしたので、温度制御の遅れを防止することができ、これにより設定温度の超過を回避することができる。   When correcting the air target flow rate and target pressure, the temperature dynamic characteristics are predicted and the correction amount is calculated, so that delay in temperature control can be prevented, thereby avoiding exceeding the set temperature. can do.

上限温度を超えない場合に、コンプレッサ出口温度、加湿器入口温度、燃料電池入口温度のそれぞれの上限温度と予測値との差が最も小さいものが上限温度を超えないように補正するようにしたので、コンプレッサ出口温度、加湿器入口温度、燃料電池入口温度のそれぞれが上限温度を超えないようにすることが可能となる。   When the upper limit temperature is not exceeded, correction is made so that the difference between the upper limit temperature of the compressor outlet temperature, humidifier inlet temperature, and fuel cell inlet temperature and the predicted value is the smallest so that the upper limit temperature is not exceeded. It is possible to prevent the compressor outlet temperature, the humidifier inlet temperature, and the fuel cell inlet temperature from exceeding the upper limit temperature.

一方、上限温度を超えた場合には、コンプレッサ出口温度、加湿器入口温度、燃料電池入口温度のそれぞれの上限温度と予測値との差が最も大きいものが上限温度以下になるように補正するようにしたので、上限温度を超えた温度を速やかに上限温度以下にすることができる。   On the other hand, when the upper limit temperature is exceeded, correction is performed so that the difference between the upper limit temperature of the compressor outlet temperature, the humidifier inlet temperature, and the fuel cell inlet temperature and the predicted value is the maximum temperature or less. As a result, the temperature exceeding the upper limit temperature can be quickly brought to the upper limit temperature or less.

燃料電池入口空気温度が所定値以下の場合には、空気圧力のみが高くなるように補正するようにしたので、燃料電池1に供給される空気の流量を減らすことになり、冷えた空気が燃料電池1に供給されることで燃料電池1が冷え、発電により生成された生成水が氷結することを防止することができる。   When the fuel cell inlet air temperature is equal to or lower than a predetermined value, the correction is made so that only the air pressure is increased. Therefore, the flow rate of the air supplied to the fuel cell 1 is reduced, and the cooled air becomes the fuel. The fuel cell 1 is cooled by being supplied to the battery 1, and the generated water generated by power generation can be prevented from freezing.

図7は本発明の実施例2に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図7に示す実施例1の特徴とするところは、先の実施例1のシステムに比べて、燃料電池1の空気入口に空気供給装置6から排出された空気を外部に導出する空気バイパス部を設け、このバイパス部にコントロールユニットにより開閉制御されるバイパス弁31を設け、空気バイパス部の温度を計測する温度センサ30を設け、コントロールユニットの制御の下にバイパス弁31の開閉を制御し、燃料電池1に供給される空気の昇温を制御するようにしたことにあり、他は先の実施例1と同様である。   FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention. The feature of the first embodiment shown in FIG. 7 is that, compared to the system of the first embodiment, an air bypass unit for leading the air discharged from the air supply device 6 to the air inlet of the fuel cell 1 to the outside. A bypass valve 31 that is controlled to be opened and closed by the control unit is provided in the bypass unit, a temperature sensor 30 that measures the temperature of the air bypass unit is provided, and the opening and closing of the bypass valve 31 is controlled under the control of the control unit. The temperature rise of the air supplied to the battery 1 is controlled, and the others are the same as in the first embodiment.

次に、図8に示すフローチャートを参照して、システム起動時に燃料電池1に供給される空気の昇温制御処理の手順を説明する。なお、以下の説明では、図2に示す処理手順と同様の動作の説明は省略し、異なる部分のみを説明する。   Next, with reference to the flowchart shown in FIG. 8, the procedure of the temperature raising control process for the air supplied to the fuel cell 1 when the system is started will be described. In the following description, the description of the operation similar to the processing procedure shown in FIG. 2 is omitted, and only different parts are described.

図8において、先ず図2のステップS200に加えて、バイパス弁31を開放する(ステップS800)。   In FIG. 8, first, in addition to step S200 of FIG. 2, the bypass valve 31 is opened (step S800).

続いて、図2に示すステップS201,S202と同様の処理(ステップS801,S802)を行った後、燃料電池入口空気温度をどの程度の温度まで昇温するのか目標温度を設定する(ステップS803)。この実施例2では、温度センサ30で検出される燃料電池入口空気バイパス部温度、コンプレッサ吐出温度、加湿器入口温度の目標温度を設定する。コンプレッサ吐出温度、加湿器入口温度の目標温度は、それぞれの目標温度をそれぞれの上限温度とした。空気バイパス部の目標温度は、図9に示すように、燃料電池入口空気温度上限値を所定量行き過ぎる(オーバーシュートする)値となるように設定し、例えば20%程度の行き過ぎ量として、所定時間後には行き過ぎ量が0%となるようにした。   Subsequently, after performing the same processing as steps S201 and S202 shown in FIG. 2 (steps S801 and S802), the target temperature is set to what temperature the fuel cell inlet air temperature is to be raised (step S803). . In the second embodiment, the target temperature of the fuel cell inlet air bypass section temperature, the compressor discharge temperature, and the humidifier inlet temperature detected by the temperature sensor 30 is set. The target temperature of the compressor discharge temperature and the humidifier inlet temperature was set to the respective upper limit temperature. As shown in FIG. 9, the target temperature of the air bypass unit is set so that the fuel cell inlet air temperature upper limit value becomes a value that overshoots (overshoots) a predetermined amount. Later, the overshoot amount was set to 0%.

次に、先の実施例1では、前記(数1)で示す係数K1,K2,L1,L2,M1,M2を求めたが、この実施例2では、燃料電池入口空気温度に代えて、燃料電池入口空気温度の予測と同様して、以下に示すように空気バイパス部温度を予測し、先の実施例1と同様に空気流量と空気圧力を補正する(ステップS804)。   Next, in the first embodiment, the coefficients K1, K2, L1, L2, M1, and M2 shown in the above (Equation 1) were obtained. In this second embodiment, instead of the fuel cell inlet air temperature, the fuel Similar to the prediction of the battery inlet air temperature, the air bypass section temperature is predicted as shown below, and the air flow rate and the air pressure are corrected as in the first embodiment (step S804).

(数3)
空気バイパス部温度=KK1×コンプレッサ回転数+KK2×圧力調整弁開度
上記式での係数KK1,KK2を求めて、空気バイパス部温度を予測するようにする。
(Equation 3)
Air bypass section temperature = KK1 × compressor rotation speed + KK2 × pressure adjustment valve opening The coefficients KK1 and KK2 in the above equation are obtained to predict the air bypass section temperature.

なお、補正の優先順位は、コンプレッサ、加湿器、空気バイパス部温度の順とした。 The order of priority for correction was the order of compressor, humidifier, and air bypass section temperature.

次に、先の実施例1と同様に空気流量の補正と空気圧力の補正に対してさらに補正を行う(ステップS805)。この実施例2では、燃料電池入口温度に代えて、温度センサ30で計測された空気バイパス部温度を用い、先の実施例1と同様にして温度補正を実行し、空気バイパス部温度が所定値以下の場合には、空気流量が少なくなるように補正する。   Next, as in the first embodiment, correction is further performed on the correction of the air flow rate and the correction of the air pressure (step S805). In the second embodiment, the air bypass section temperature measured by the temperature sensor 30 is used instead of the fuel cell inlet temperature, and temperature correction is performed in the same manner as in the first embodiment, and the air bypass section temperature is a predetermined value. In the following cases, correction is made so that the air flow rate decreases.

最後に、実施例1のステップS206で実行したシステム起動の終了判断に加えて、バイパス弁31を閉じて、燃料電池1に空気を供給開始するか否かを判断する(ステップS806)。この判断は、図10のフローチャートに示す手順にしたがって実行される。図10において、先ず温度センサ30で検出された空気バイパス部の空気温度が予め設定された所定温度Th2以上となり、図9に示すように、燃料電池入口空気温度上限値を行き過ぎたか否かを判断する(ステップS1000)。   Finally, in addition to the system start completion determination performed in step S206 of the first embodiment, it is determined whether the bypass valve 31 is closed and the supply of air to the fuel cell 1 is started (step S806). This determination is executed according to the procedure shown in the flowchart of FIG. In FIG. 10, first, it is determined whether or not the air temperature of the air bypass section detected by the temperature sensor 30 is equal to or higher than a predetermined temperature Th2 set in advance, and the fuel cell inlet air temperature upper limit is exceeded as shown in FIG. (Step S1000).

行き過ぎた場合には、続いて、図9に示すように、空気温度が低下して燃料電池入口空気温度上限値に整定したか否かを判断する(ステップS1001)。整定したか否かの判断は、上限値と空気バイパス部の目標温度との偏差が所定値以内、例えば5%程度以内に収まったか否かとした。判断の結果、整定した場合には、バイパス弁31を閉じて、(ステップS1002)、システムの起動を終了する。   If it goes too far, then, as shown in FIG. 9, it is determined whether or not the air temperature has decreased to the fuel cell inlet air temperature upper limit (step S1001). The determination as to whether or not the settling was made was whether or not the deviation between the upper limit value and the target temperature of the air bypass portion was within a predetermined value, for example, within about 5%. As a result of the determination, when the set value is settled, the bypass valve 31 is closed (step S1002), and the activation of the system is ended.

このように、上記実施例2では、先の実施例1と同様の効果を得ることができることに加えて、燃料電池入口空気温度が低く所定値以下の場合には、燃料電池1を空気がバイパスするようにしたので、冷えた空気が燃料電池1に供給されて燃料電池1が冷えて生成水が氷結することを防止することができる。   Thus, in the second embodiment, in addition to being able to obtain the same effect as the first embodiment, when the fuel cell inlet air temperature is low and below a predetermined value, the air bypasses the fuel cell 1. Therefore, it is possible to prevent cold air from being supplied to the fuel cell 1 and cooling the fuel cell 1 to freeze the generated water.

空気バイパス部の温度が燃料電池入口上限温度を行き過ぎるように補正するようにしたので、空気の昇温時間を短縮することができる。   Since the temperature of the air bypass section is corrected so as to exceed the upper limit temperature of the fuel cell inlet, the temperature raising time of the air can be shortened.

空気バイパス部の温度の行き過ぎが整定し、空気バイパス部温度が燃料電池入口温度上限値以下になったときにバイパス弁31閉じて、燃料電池1へ空気の供給を開始するようにしたので、燃料電池1に上限温度を超えた空気を供給しないようにすることができる。   Since the overshoot of the temperature of the air bypass section is settled and the air bypass section temperature becomes equal to or lower than the fuel cell inlet temperature upper limit value, the bypass valve 31 is closed and the supply of air to the fuel cell 1 is started. It is possible to prevent the battery 1 from being supplied with air that exceeds the upper limit temperature.

本発明の実施例1に係る燃料電池システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell system which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例1に係る処理動作の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of the processing operation which concerns on Example 1 of this invention. システムを低温モードで起動するか否かを判断する手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure which judges whether a system is started by low temperature mode. 空気流量と空気圧力の温度補正を説明する制御ブロック図である。It is a control block diagram explaining temperature correction of an air flow rate and air pressure. コンプレッサの回転数と空気温度との関係における係数を示す図である。It is a figure which shows the coefficient in the relationship between the rotation speed of a compressor, and air temperature. 燃料電池入口温度が目標値になったか否かを判断する手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure which judges whether the fuel cell inlet_port | entrance temperature became target value. 本発明の実施例2に係る燃料電池システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell system which concerns on Example 2 of this invention. 本発明の実施例2に係る処理動作の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of the processing operation which concerns on Example 2 of this invention. 空気バイパス部の目標温度の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the target temperature of an air bypass part. システム起動の終了判断、ならびに燃料電池に空気を供給開始するか否かを判断する手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure which judges whether the completion | finish judgment of system starting and air supply start to a fuel cell are started.

符号の説明Explanation of symbols

1…燃料電池
2…水素供給タンク
3…水素圧力レギュレータ
4…パージ調整弁
5…水素循環ポンプ
6…空気供給装置
7…空気調圧弁
8…冷却水ポンプ
9…電力変換装置
10…負荷装置
11…バッテリ
12…バッテリコントローラ
13,18…圧力センサ
14,15,17,19,24,28,29,30…温度センサ
16,21,22…電圧センサ
20,23…電流センサ
25…アフタークーラ
26…加湿器
27…流量センサ
31…バイパス弁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell 2 ... Hydrogen supply tank 3 ... Hydrogen pressure regulator 4 ... Purge adjustment valve 5 ... Hydrogen circulation pump 6 ... Air supply device 7 ... Air pressure control valve 8 ... Cooling water pump 9 ... Power converter 10 ... Load device 11 ... Battery 12 ... Battery controller 13, 18 ... Pressure sensor 14, 15, 17, 19, 24, 28, 29, 30 ... Temperature sensor 16, 21, 22 ... Voltage sensor 20, 23 ... Current sensor 25 ... After cooler 26 ... Humidification 27 ... Flow sensor 31 ... Bypass valve

Claims (4)

燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により発電を行う燃料電池と、
設定された流量と圧力で酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記酸化剤ガス供給手段で圧縮された酸化剤ガスを加湿する加湿手段と、
システムの起動時に、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの目標空気流量と目標空気圧力を算出し、算出した目標空気流量と目標空気圧力で酸化剤ガスが前記燃料電池に供給されるように前記酸化剤ガス供給手段を制御する制御手段と
を有する燃料電池システムにおいて、
前記制御手段は、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの温度が所定値以下の低温時には、前記酸化剤ガス供給手段で酸化剤ガスを設定された圧力を圧縮して燃料電池入口酸化剤ガス温度を目標温度まで昇温する際に、前記酸化剤供給手段の出口酸化剤ガス温度、加湿器入口酸化剤ガス温度、ならびに燃料電池入口酸化剤ガス温度のすべてがそれぞれの上限温度を超えないように前記酸化剤ガス供給手段を制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell that generates electricity by a chemical reaction between the fuel gas and the oxidant gas;
Oxidant gas supply means for supplying oxidant gas to the fuel cell at a set flow rate and pressure;
Humidifying means for humidifying the oxidant gas compressed by the oxidant gas supply means;
At the time of starting the system, the target air flow rate and the target air pressure of the oxidant gas supplied to the fuel cell are calculated, and the oxidant gas is supplied to the fuel cell with the calculated target air flow rate and target air pressure. A fuel cell system having control means for controlling the oxidant gas supply means;
When the temperature of the oxidant gas supplied to the fuel cell is a low temperature below a predetermined value, the control means compresses the pressure set by the oxidant gas supply means to compress the oxidant gas at the fuel cell inlet When raising the temperature to the target temperature, the outlet oxidant gas temperature of the oxidant supply means, the humidifier inlet oxidant gas temperature, and the fuel cell inlet oxidant gas temperature should not exceed the respective upper limit temperatures. And controlling the oxidant gas supply means.
前記制御手段は、前記酸化剤供給手段の出口酸化剤ガス温度、加湿器入口酸化剤ガス温度、ならびに燃料電池入口酸化剤ガス温度の温度動特性を予測し、その予測温度とそれぞれ対応した上限温度との差を算出し、予測温度が上限温度以下の場合には上限温度との差が最も小さいものが上限温度を超えないように、前記酸化剤ガス供給手段を制御し、予測温度が上限温度を超える場合には、予測温度と上限温度との差が最も大きいものが上限温度以下になるように、前記酸化剤ガス供給手段を制御する
ことを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。
The control means predicts temperature dynamic characteristics of the outlet oxidant gas temperature, the humidifier inlet oxidant gas temperature, and the fuel cell inlet oxidant gas temperature of the oxidant supply means, and an upper limit temperature corresponding to each of the predicted temperatures. When the predicted temperature is equal to or lower than the upper limit temperature, the oxidant gas supply means is controlled so that the one with the smallest difference from the upper limit temperature does not exceed the upper limit temperature. 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the oxidant gas supply means is controlled so that the difference between the predicted temperature and the upper limit temperature is not more than the upper limit temperature when the temperature exceeds the upper limit temperature.
前記制御手段は、燃料電池入口酸化剤ガス温度が所定値以下の場合には、酸化剤ガスの圧力を流量に優先させて圧力のみが高くなるように前記酸化剤ガス供給手段を制御する
ことを特徴とする請求項1又は2記載の燃料電池システム。
When the fuel cell inlet oxidant gas temperature is equal to or lower than a predetermined value, the control means controls the oxidant gas supply means so that the pressure of the oxidant gas is prioritized over the flow rate and only the pressure is increased. The fuel cell system according to claim 1 or 2, characterized in that
前記酸化剤ガス供給手段から導出された酸化剤ガスを選択的に分岐させる酸化剤ガスバイパス手段を備え、
前記制御手段は、燃料電池入口酸化剤ガス温度が所定値以下の場合は、前記酸化剤ガスバイパス手段で酸化剤ガスを分岐させ、分岐する酸化剤ガスの温度が燃料電池入口上限温度を超えるように前記酸化剤ガス供給手段を制御し、その後分岐する酸化剤ガスの温度の超過が整定されて分岐する酸化剤ガスの温度が燃料電池入口上限温度以下になったときに前記酸化剤ガスバイパス手段による酸化剤ガスの分岐を停止する
ことを特徴とする請求項1,2及び3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
An oxidant gas bypass means for selectively branching the oxidant gas derived from the oxidant gas supply means;
When the fuel cell inlet oxidant gas temperature is equal to or lower than a predetermined value, the control means causes the oxidant gas bypass means to branch the oxidant gas so that the temperature of the branched oxidant gas exceeds the fuel cell inlet upper limit temperature. The oxidant gas bypass means when the temperature of the branched oxidant gas becomes equal to or lower than the upper limit temperature of the fuel cell inlet when the excess of the temperature of the oxidant gas branched thereafter is settled. The fuel cell system according to any one of claims 1, 2, and 3, wherein branching of the oxidant gas by the gas is stopped.
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