JP2006253005A - Fuel cell system and starting method of fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池システムおよび燃料電池システムの起動方法に係り、特に、起動時の燃料電池の出力電圧を低く抑えて負荷側の耐電圧を低く設定できると共に、酸化剤極側の酸化剤ガス圧力を膜間差圧の許容値以内に抑える圧力に設定して燃料電池(電解質膜など)の耐久性を上げ得る燃料電池システムおよび燃料電池システムの起動方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a fuel cell system start-up method, and in particular, the output voltage of the fuel cell at the time of start-up can be kept low, the withstand voltage on the load side can be set low and the oxidant gas pressure on the oxidant electrode side The present invention relates to a fuel cell system that can increase the durability of a fuel cell (electrolyte membrane, etc.) by setting the pressure to a value that keeps the pressure difference between membranes within an allowable value, and a method for starting the fuel cell system.
燃料電池システムは、燃料電池の燃料極に燃料ガスとして水素を供給し、燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスとして空気を供給し、これら水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。このような燃料電池システムは、例えば自動車の動力源等として実用化に大きな期待が寄せられており、現在、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。 The fuel cell system supplies hydrogen as a fuel gas to the fuel electrode of the fuel cell, supplies air as the oxidant gas to the oxidant electrode of the fuel cell, and causes the hydrogen and oxygen in the air to react electrochemically. To obtain generated power. Such a fuel cell system is highly expected to be put into practical use, for example, as a power source for automobiles, and research and development for practical use are being actively carried out.
燃料電池システムに用いられる燃料電池としては。例えば自動車に搭載する上で好適なものとして、固体高分子タイプの燃料電池が知られている。固体高分子タイプの燃料電池は、燃料極と酸化剤極との間に電解質膜として固体高分子膜が設けられたものである。この固体高分子タイプの燃料電池では、固体高分子膜がイオン伝導体として機能し、燃料極で水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、酸化剤極で空気中の酸素と水素イオンと電子とから水を生成する反応が行われる。 As a fuel cell used in a fuel cell system. For example, a solid polymer type fuel cell is known as being suitable for mounting in an automobile. A solid polymer type fuel cell is provided with a solid polymer membrane as an electrolyte membrane between a fuel electrode and an oxidant electrode. In this solid polymer type fuel cell, the solid polymer membrane functions as an ion conductor, a reaction occurs in which hydrogen is separated into hydrogen ions and electrons at the fuel electrode, and oxygen and hydrogen in the air at the oxidant electrode. A reaction for generating water from ions and electrons is performed.
このような燃料電池システムにおいては、起動時において、燃料電池の通常運転時に供給されている燃料ガスのガス圧と同じガス圧で燃料ガスを供給した場合には、燃料室内で瞬間的に燃料ガスと置換ガスとの偏在が発生してしまい、該偏在によって電気化学反応が生じて電極が劣化するという問題があった。このような問題に対処するべく、特開2004−139984号公報に開示の燃料電池システムでは、起動時の燃料ガスを通常運転時の圧力よりも高圧で供給することで、燃料極内の置換ガス(例えば、停止中に空気で置換されている)と燃料ガスとの間のガスの偏在を抑制し、電極や触媒などの劣化を抑えている。
しかしながら、上述した特許文献1に開示された技術のように、燃料ガスの高圧起動を行う場合には、燃料極と酸化剤極の圧力差が付いてしまい、電解質膜の強度で決まる膜間差圧を守ることができないという問題があった。 However, as in the technique disclosed in Patent Document 1 described above, when high-pressure activation of the fuel gas is performed, a pressure difference between the fuel electrode and the oxidant electrode is attached, and the inter-membrane difference determined by the strength of the electrolyte membrane. There was a problem that the pressure could not be protected.
そこで酸化剤ガス(空気)の供給圧力も高くすることで膜間差圧を抑える対応が考えられる。しかし、この対応策によっても、空気供給手段であるコンプレッサやブロアなどの音や振動の問題があった。 Therefore, it is conceivable to suppress the transmembrane pressure difference by increasing the supply pressure of the oxidant gas (air). However, even with this countermeasure, there was a problem of sound and vibration of the air supply means such as the compressor and blower.
また、燃料ガスや酸化剤ガスの圧力が高ければ高いほど、燃料電池電圧は高くなるため、起動時に通常運転中以上の燃料電池電圧が立ち、燃料電池に電気的接続がなされている種々の部品の許容電圧を超えてしまうという問題があった。また、起動時の高い燃料電池電圧に対応するために許容電圧を高くする構成とした場合には、電気部品の大きさが大きくなったり、高価になったりする問題があった。 Also, the higher the pressure of the fuel gas or oxidant gas, the higher the fuel cell voltage. Therefore, various components that are electrically connected to the fuel cell when starting up have a fuel cell voltage higher than that during normal operation. There was a problem of exceeding the allowable voltage of. Further, when the allowable voltage is increased in order to cope with the high fuel cell voltage at the start-up, there is a problem that the size of the electric component becomes large or becomes expensive.
本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、起動時の燃料電池の出力電圧を低く抑えて負荷側の耐電圧を低く設定できると共に、酸化剤極側の酸化剤ガス圧力を膜間差圧の許容値以内に抑える圧力に設定して燃料電池(電解質膜など)の耐久性を上げ得る燃料電池システムおよび燃料電池システムの起動方法を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above-described conventional circumstances, and can suppress the output voltage of the fuel cell at the time of start-up and set the withstand voltage on the load side to be low, and the oxidant gas pressure on the oxidant electrode side. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system that can increase the durability of a fuel cell (electrolyte membrane, etc.) by setting the pressure to be within the allowable value of the transmembrane pressure difference, and a method for starting the fuel cell system.
上記目的を解決するため、本発明は、電解質膜を挟んで配置された燃料極および酸化剤極を備え、該燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、起動時に、前記燃料極における燃料ガス圧力の目標値を通常時よりも高い圧力に設定する燃料ガス圧力設定手段と、前記酸化剤極における酸化剤ガス圧力の目標値を、前記電解質膜の膜間許容差圧から決まる酸化剤極下限圧力値以上で、且つ、前記燃料電池の出力電圧が所定値以下となる酸化剤極上限圧力値以下になるように設定する酸化剤ガス圧力設定手段と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-described object, the present invention includes a fuel electrode and an oxidant electrode arranged with an electrolyte membrane interposed therebetween, and an electrochemical reaction between the fuel gas and the oxidant gas supplied to the fuel electrode and the oxidant electrode, respectively. A fuel cell for generating power by means of fuel, a fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel electrode, an oxidant gas supply means for supplying oxidant gas to the oxidant electrode, and a fuel gas at the fuel electrode at startup Fuel gas pressure setting means for setting the target value of pressure to a pressure higher than normal, and the target value of the oxidant gas pressure at the oxidant electrode, the oxidant electrode lower limit determined from the allowable pressure difference between the electrolyte membranes And an oxidant gas pressure setting means for setting the fuel cell so that the output voltage of the fuel cell is not more than a predetermined value and not more than an oxidant electrode upper limit pressure value.
本発明に係る燃料電池システムおよび燃料電池システムの起動方法では、燃料ガスで置換をしたい燃料極側は燃料ガス圧力を高く、その必要がない酸化剤極側は酸化剤ガス圧力を低くするので、起動時の燃料電池の出力電圧を低く抑えることができ、また、負荷装置の耐電圧を低く設定できる。さらに、酸化剤極側の酸化剤ガス圧力を膜間差圧の許容値以内に抑えるような圧力に設定するので、燃料電池(電解質膜など)の耐久性を上げることができる。 In the fuel cell system and the fuel cell system start-up method according to the present invention, the fuel electrode side to be replaced with the fuel gas has a high fuel gas pressure, and the oxidant electrode side that does not need to have the oxidant gas pressure low. The output voltage of the fuel cell at the time of startup can be kept low, and the withstand voltage of the load device can be set low. Furthermore, since the oxidant gas pressure on the oxidant electrode side is set to a pressure that keeps the pressure difference within the allowable value of the transmembrane pressure, the durability of the fuel cell (electrolyte membrane, etc.) can be improved.
以下、本発明の燃料電池システムおよび燃料電池システムの起動方法の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。 Embodiments of a fuel cell system and a fuel cell system activation method according to the present invention will be described below in detail 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図である。本実施例の燃料電池システムは、例えば燃料電池車両の駆動動力源として用いられるものである。 FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. The fuel cell system of the present embodiment is used as a driving power source of a fuel cell vehicle, for example.
本実施例の燃料電池システムの概略的構成は、図1に示すように、燃料ガス(水素)および酸化剤ガス(空気)の供給により発電を行う燃料電池本体1を備える。なお、燃料電池本体1の単位セルの概念図を図2に示す。 As shown in FIG. 1, the schematic configuration of the fuel cell system of this embodiment includes a fuel cell main body 1 that generates power by supplying fuel gas (hydrogen) and oxidant gas (air). In addition, the conceptual diagram of the unit cell of the fuel cell main body 1 is shown in FIG.
また、空気系(酸化剤ガス供給手段)として、空気コンプレッサ11、空気供給経路12、空気系加湿装置13、空気排気経路14、空気調圧弁15および空気圧力計16を備え、水素系(燃料ガス供給手段)として、高圧水素タンク21、水素供給経路22、水素調圧弁23、水素循環装置24、水素系加湿装置25、水素循環経路26、水素排気経路27、水素排出弁28および水素圧力計29を備え、冷却水系として、冷却水ポンプ31、冷却水循環経路32、熱交換器33および冷却水温度計34を備えている。また、負荷系として、負荷装置40、電圧計41および電流計42を備え、さらに制御系として、水素系、空気系、冷却水系および負荷系の各種計器や他の各種計器からの検知信号に基づき水素系、空気系、冷却水系および負荷系の各構成要素の制御を行うコントローラ43を備えた構成である。
The air system (oxidant gas supply means) includes an
次に、燃料電池本体1および各系について詳しく説明する。まず、燃料電池本体1は、酸化剤ガスである空気が供給される酸化剤極1aと燃料ガスである水素が供給される燃料極1bとが電解質を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されると共に、図2に示すような構成の燃料電池単セル100を複数枚積層したものから成っており、燃料電池本体1の外部の水素系から供給された燃料ガス(水素)と空気系から供給された酸化剤ガス(空気)とが、それぞれ燃料ガス流路109と酸化剤ガス流路110とに供給され、電気化学反応により発電する。
Next, the fuel cell main body 1 and each system will be described in detail. First, in the fuel cell main body 1, an oxidant electrode 1 a supplied with air as an oxidant gas and a fuel electrode 1 b supplied with hydrogen as a fuel gas are overlapped with an electrolyte interposed therebetween to constitute a power generation cell. In addition, the
図2において、燃料電池単セル100は、例えば、固体高分子型電解質膜を用いた電解質膜102の両面に燃料極触媒層103および酸化剤極触媒層104をそれぞれ形成した膜電極接合体(MEA)101と、該MEA101の両面にそれぞれ配置された燃料ガス拡散層105および酸化剤ガス拡散層106と、セパレータ107,108とを有し、セパレータ107と燃料ガス拡散層105との間に燃料ガス流路109が、セパレータ108と酸化剤ガス拡散層106との間に酸化剤ガス流路110がそれぞれ設けられた構造を備えている。
In FIG. 2, a fuel cell
次に空気系において、空気コンプレッサ11によって圧縮された空気は、空気供給経路12を介して空気系加湿装置13に送られ、加湿された後、燃料電池本体1の酸化剤極1aに送られる。燃料電池本体1内の電気化学反応で酸素が消費された後、空気排気経路14を通り、空気調圧弁15で圧力が調整されてシステム外へ排気される。酸化剤極1aに供給される空気の圧力は、酸化剤極1aの入口に設けられた空気圧力計16により検出されており、この圧力が所望の圧力となるように、コントローラ43によって空気圧調整弁15が制御される。なお、空気系加湿装置13は、排気中の水分を利用する水蒸気交換膜を用いたものや、外部から純水を供給するものなどを用いることができる。
Next, in the air system, the air compressed by the
次に水素系において、高圧水素タンク21によって供給された水素は、水素供給経路22を通り、水素調圧弁23で所望の圧力に調圧され、水素循環装置24により循環している排水素と合流した後、水素系加湿装置25で加湿されて、燃料電池本体1の燃料極1bに送られる。燃料極1bに供給される水素の圧力は、燃料極1bの入口に設けられた水素圧力計29で検出されており、この圧力が所望の圧力となるように、コントローラ43によって水素調圧弁23が制御される。また、燃料電池本体1内の電気化学反応で水素が消費された後、余分に供給された水素は、水素循環経路26を通り、水素循環装置24により再び発電に利用される。
Next, in the hydrogen system, the hydrogen supplied from the high-
また、水素系には、運転中に酸化剤極1aから燃料極1bにクロスオーバーしてくる窒素や高圧水素タンク21中に含まれる不純物が蓄積してくるため、これらをシステム外部へ排出するための水素排出経路27と水素排出弁28を有している。
In the hydrogen system, nitrogen that crosses over from the oxidizer electrode 1a to the fuel electrode 1b during operation and impurities contained in the high-
本実施例の燃料電池システムでは、燃料電池本体1の発電によって発生した熱を除去し、燃料電池本体1を適温に保つために、冷却水系が設けられている。この冷却水系において、冷却水ポンプ31によって圧送された冷却水は、燃料電池本体1を通り、熱を吸収した後、冷却水循環経路32を通り、熱交換器33でシステム外部へ熱を排熱して、再び冷却水ポンプ31で燃料電池本体1へ圧送される。また、コントローラ43によって冷却水温度計34で冷却水温度をモニタしながら、燃料電池本体1の発電に適正な温度に温度調整される。
In the fuel cell system of this embodiment, a cooling water system is provided in order to remove heat generated by power generation of the fuel cell main body 1 and keep the fuel cell main body 1 at an appropriate temperature. In this cooling water system, the cooling water pumped by the
次に負荷系において、燃料電池本体1の発電電力を消費する負荷装置40は、本実施例の燃料電池システムが例えば燃料電池車両にて適用される場合には、車両駆動モータに電力を供給するインバータ装置である。燃料電池本体1の発電電圧は、電圧計41で検出され、燃料電池本体1から負荷装置40へ供給される電流は、電流計42により検出される。
Next, in the load system, the
さらに制御系において、コントローラ43は、例えばCPUやROM、RAM、周辺インターフェース等を有するマイクロコンピュータとして構成されており、燃料電池本体1を含む燃料電池システム全体を制御する。また、コントローラ43は、空気圧力計16,水素圧力計29,冷却水温度計34,電圧計41および電流計42の検出信号に基づいて、燃料電池本体1をあらかじめ設定されている最適な圧力・温度・流量・負荷にするために、空気コンプレッサ11、空気調圧弁15、水素調圧弁23、水素排出弁28、冷却水ポンプ31、負荷装置40へ制御信号を出力する。
Further, in the control system, the
また、コントローラ43は、その機能的構成要素として、起動時に、燃料極1bにおける燃料ガス圧力の目標値を通常時よりも高い圧力に設定する燃料ガス圧力設定手段と、酸化剤極1aにおける酸化剤ガス圧力の目標値を、電解質膜102の膜間許容差圧から決まる酸化剤極下限圧力値以上で、且つ、燃料電池本体1の出力電圧が所定値以下となる酸化剤極上限圧力値以下になるように設定する酸化剤ガス圧力設定手段とを備えているが、これら手段はCPU上で実行されるプログラムの機能的なまとまりとして実現される。
Further, the
なお、本実施例では、燃料電池本体1の内部温度を検出する温度検出手段の代わりに、冷却水系の冷却水温度計34を用いて該温度検出結果から燃料電池本体1内の温度を推定しており、酸化剤ガス圧力設定手段においては、酸化剤極上限圧力値および酸化剤極下限圧力値を該温度検出結果に応じて変化させている。
In this embodiment, instead of the temperature detecting means for detecting the internal temperature of the fuel cell main body 1, the temperature in the fuel cell main body 1 is estimated from the temperature detection result using the cooling
次に、以上の構成を備えた本実施例の燃料電池システムにおける起動方法並びに起動時の酸化剤極1aと燃料極1bの圧力設定方法について、図3および図4を参照しながら説明する。ここで、図3は、本実施例の燃料電池システムの起動方法により設定される燃料極ガス圧力および酸化剤極ガス圧力の時間的推移を説明する説明図であり、図4は、燃料電池本体1の出力電圧の時間的推移を説明する説明図である。 Next, a starting method and a pressure setting method for the oxidizer electrode 1a and the fuel electrode 1b at the time of starting in the fuel cell system of the present embodiment having the above-described configuration will be described with reference to FIGS. Here, FIG. 3 is an explanatory view for explaining the temporal transition of the fuel electrode gas pressure and the oxidant electrode gas pressure set by the starting method of the fuel cell system of this embodiment, and FIG. 4 is the fuel cell main body. It is explanatory drawing explaining the time transition of 1 output voltage.
まず、燃料極1b側における圧力設定は次にように行われる。水素系では、燃料極1b内の置換ガス(例えば、停止中に空気で置換されている)と供給される水素との間でガスの偏在を抑制するために、高圧水素タンク21内の水素が水素調圧弁23で調圧された後、燃料極1bに供給される。つまり、起動時に、コントローラ43の燃料ガス圧力設定手段によって燃料極1bにおける燃料ガス圧力の目標値が通常時よりも高い圧力に設定され、該目標値となるように水素調圧弁23が調整される。このとき、燃料極1bの燃料ガス(水素ガス)圧力は水素圧力計29によって測定されるが、燃料ガス圧力は、電極や触媒などの劣化を抑制する(即ち、燃料極1b内の置換ガスと燃料ガスとの間のガスの偏在を緩和する)の観点からすると、高ければ高いほど(水素流量が多くなるので)良いが、燃料電池そのものの耐圧があり、それ以上は上げることができないのは言うまでもない。
First, the pressure setting on the fuel electrode 1b side is performed as follows. In the hydrogen system, hydrogen in the high-
一方、酸化剤極1a側における圧力設定は次にように行われる。空気系では、空気コンプレッサ11によって圧縮された空気が酸化剤極1aに供給される。コントローラ43の酸化剤ガス圧力設定手段によって、酸化剤極1aにおける酸化剤ガス圧力の目標値が、電解質膜102の膜間許容差圧から決まる酸化剤極下限圧力値(図3の破線で示す膜間差圧による下限)以上で、且つ、燃料電池本体1の出力電圧が所定値以下となる酸化剤極上限圧力値(図3の破線で示す電圧による上限)以下になるように設定され、空気圧力計34で測定される圧力が該所定圧力範囲内となるように空気調圧弁15が調整される。つまり、酸化剤ガス圧力の実圧力が所定圧力範囲内、即ち、酸化剤極1aと燃料極1bとの間の差圧が電解質膜102の耐差圧を超えて電解質膜102が破損することがない酸化剤極下限圧力値以上で、且つ、燃料電池本体1の出力電圧が負荷装置40の耐電圧(図4の破線で示す上限電圧)を超えることのない酸化剤極上限圧力値以下となるように制御されている。
On the other hand, the pressure setting on the oxidant electrode 1a side is performed as follows. In the air system, the air compressed by the
酸化剤極下限圧力値は、電解質膜102の耐差圧強度から決まる。つまり、電解質膜102の力学的物性であり、あらかじめ実験的に求めておくことができる。さらに、高分子から成る電解質膜102は、温度が高いほど、その強度は弱くなることが知られている。あらかじめ「電解質膜102の耐差圧強度」と「電解質膜102の温度」との関係を求めておき、起動時に冷却水を流し、冷却水温度計34で検出される温度から燃料電池本体1内の温度を推定し、これに応じて、酸化剤極下限圧力を変更する。例えば、図3に示すように、燃料電池本体1内の温度が高いほど、酸化剤極下限圧力値はより高い値に設定される。
The oxidant minimum lower limit pressure value is determined from the pressure-resistant strength of the
また、酸化剤極上限圧力値は、燃料電池本体1の出力が供給される負荷装置40の耐電圧から決まる。一般的に、燃料電池の起電力Eは下記のネルンストの式(1)から明らかであるが、水素及び酸素分圧が高くなるほど、温度が高くなるほど大きくなることが知られている。
The oxidant electrode upper limit pressure value is determined from the withstand voltage of the
(数1)
E=2.3026×{R・T/2・F}×log10{PH2/PO20.5} …(1)
ここで、R: 気体定数 8.31 [J/mol・K]
F: ファラデー定数 96485 [C/mol]
T: 温度 [K]
PH2: 燃料極側の水素分圧 [kPa_abs]
PO2: 酸化剤極側の酸素分圧 [kPa_abs]
あらかじめ、実験的に「酸化剤極1a側の空気圧力」と「燃料電池電圧」との関係を求めておくことで、負荷装置40の耐電圧を超えることのない酸化剤極上限圧力を設定することが可能である。さらに、「酸化剤極1a側の空気圧力」と「燃料電池電圧」との関係に「燃料電池本体1内部の温度」を加えることで、燃料電池本体1内の温度に応じて、酸化剤極上限圧力を変更する。例えば、図3に示すように、燃料電池本体1内の温度が高いほど、酸化剤極上限圧力値はより低い値に設定される。
(Equation 1)
E = 2.3026 × {R · T / 2 · F} × log 10 {PH2 / PO2 0.5 } (1)
Here, R: gas constant 8.31 [J / mol · K]
F: Faraday constant 96485 [C / mol]
T: Temperature [K]
PH2: Hydrogen partial pressure on the fuel electrode side [kPa_abs]
PO2: Oxygen partial pressure on the oxidizer electrode side [kPa_abs]
The oxidant electrode upper limit pressure that does not exceed the withstand voltage of the
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムおよび燃料電池システムの起動方法では、電解質膜102を挟んで配置された燃料極1bおよび酸化剤極1aを備え、該燃料極1bおよび酸化剤極1aにそれぞれ供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池本体1と、燃料極1bに燃料ガスを供給する水素系(燃料ガス供給手段)と、酸化剤極1aに酸化剤ガスを供給する空気系(酸化剤ガス供給手段)と、を有する燃料電池システムにおいて、起動時に、コントローラ43内の燃料ガス圧力設定手段により、燃料極1bにおける燃料ガス圧力の目標値を通常時よりも高い圧力に設定して燃料ガス圧力を調整し、またコントローラ43内の酸化剤ガス圧力設定手段により、酸化剤極1aにおける酸化剤ガス圧力の目標値を、電解質膜102の膜間許容差圧から決まる酸化剤極下限圧力値以上で、且つ、燃料電池本体1の出力電圧が所定値以下となる酸化剤極上限圧力値以下になるように設定して酸化剤圧力を調整する。
As described above, the fuel cell system and the fuel cell system activation method according to the present embodiment include the fuel electrode 1b and the oxidant electrode 1a arranged with the
このように、燃料ガス(水素ガス)で置換をしたい燃料極1b側は燃料ガス圧力を高く、その必要がない酸化剤極1a側は酸化剤ガス圧力を低くするので、起動時の燃料電池電圧を低く抑えることができ、また、負荷装置40の耐電圧を低く設定できる。さらに、酸化剤極1a側の酸化剤ガス圧力を膜間差圧の許容値以内に抑えるような圧力に設定するので、燃料電池本体1(電解質膜102など)の耐久性を上げることができる。
As described above, the fuel electrode 1b side to be replaced with the fuel gas (hydrogen gas) has a high fuel gas pressure, and the oxidant electrode 1a side which does not need the oxidant gas pressure has a low oxidant gas pressure. The withstand voltage of the
また、本実施例の燃料電池システムおよび燃料電池システムの起動方法では、温度検出手段により燃料電池本体1の内部温度を検出(冷却水系の冷却水温度計34を用いて該温度検出結果から燃料電池本体1内の温度を推定)して、酸化剤ガス圧力設定手段において、酸化剤極上限圧力値を該温度検出結果に応じて変化させている。つまり、燃料電池内部の温度が高い方が燃料電池の電池電圧は高くなるので、燃料電池本体1内の温度が高いほど、酸化剤極下限圧力値をより高い値に設定する。これにより、温度に依存した燃料電池電圧に対応することができ、温度が変化したとしても燃料電池電圧が所定値を超えることがない。
In the fuel cell system and the fuel cell system start-up method of this embodiment, the internal temperature of the fuel cell main body 1 is detected by the temperature detection means (the fuel cell is detected from the temperature detection result using the cooling
さらに、本実施例の燃料電池システムおよび燃料電池システムの起動方法では、温度検出手段により燃料電池本体1の内部温度を検出(冷却水系の冷却水温度計34を用いて該温度検出結果から燃料電池本体1内の温度を推定)して、酸化剤ガス圧力設定手段において、酸化剤極下限圧力値を該温度検出結果に応じて変化させている。つまり、燃料電池内部の温度が高い方が膜間許容差圧は小さくなるので、燃料電池本体1内の温度が高いほど、酸化剤極下限圧力値をより低い値に設定する。これにより、温度に依存した膜間許容差圧に対応することでき、温度が変化したとしても膜間差圧を許容値以内に抑えることができる。
Further, in the fuel cell system and the fuel cell system start-up method of the present embodiment, the temperature detection means detects the internal temperature of the fuel cell main body 1 (the fuel cell is detected from the temperature detection result using the cooling
次に、本発明の実施例2に係る燃料電池システムおよび燃料電池システムの起動方法について説明する。実施例2の燃料電池システムの構成は、実施例1の構成(図1)と同等であり、各構成要素の具体的説明を省略する。 Next, a fuel cell system and a fuel cell system activation method according to Embodiment 2 of the present invention will be described. The configuration of the fuel cell system of Example 2 is the same as that of Example 1 (FIG. 1), and a specific description of each component is omitted.
ただし、燃料電池本体1の出力電圧を検出する出力電圧検出手段としては電圧計41が該当し、コントローラ43内の酸化剤ガス圧力設定手段において、酸化剤極1aにおける酸化剤ガス圧力の目標値を燃料電池本体1の出力電圧が所定値以下となる酸化剤極上限圧力値に設定すると共に、電圧計41による燃料電池本体1の出力電圧の検出結果に応じて該酸化剤ガス圧力の目標値を補正する点が実施例1とは異なる。
However, the
次に、本実施例の燃料電池システムにおける起動方法並びに起動時の酸化剤極1aと燃料極1bの圧力設定方法について、図5および図6を参照しながら説明する。ここで、図5は、本実施例の燃料電池システムの起動方法により設定される燃料極ガス圧力および酸化剤極ガス圧力の時間的推移を説明する説明図であり、図6は、燃料電池本体1の出力電圧の時間的推移を説明する説明図である。 Next, a starting method in the fuel cell system of this embodiment and a method for setting the pressure of the oxidant electrode 1a and the fuel electrode 1b at the time of starting will be described with reference to FIGS. Here, FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining the temporal transition of the fuel electrode gas pressure and the oxidant electrode gas pressure set by the method for starting the fuel cell system of this embodiment, and FIG. It is explanatory drawing explaining the time transition of 1 output voltage.
燃料極1b側における圧力設定は実施例1と同等であるので、説明を省略する。 Since the pressure setting on the fuel electrode 1b side is equivalent to that in the first embodiment, the description thereof is omitted.
次に、酸化剤極1a側における圧力設定は次にように行われる。空気コンプレッサ11から空気を供給し、コントローラ43の酸化剤ガス圧力設定手段によって、酸化剤極1aにおける酸化剤ガス圧力の目標値を、燃料電池本体1の出力電圧が所定値以下となる酸化剤極上限圧力値(本実施例では、燃料電池本体1の出力電圧が負荷装置40の耐電圧を超えることのない酸化剤極上限圧力値であり、図5の破線で示す電圧による上限)に設定され、例えば空気圧力計34で測定される実圧力を空気調圧弁15によって調整する。
Next, the pressure setting on the oxidant electrode 1a side is performed as follows. Air is supplied from the
さらに、電圧計41で検出された燃料電池本体1の出力電圧が負荷装置40の耐電圧(図6の破線で示す上限電圧)を超えそうになった場合、フィードバック制御を実施し、酸化剤極1aにおける酸化剤圧力の目標値を下げて(実圧力を下げて)、燃料電池本体1の出力電圧を低下させる。燃料電池電圧が低下した場合、再度酸化剤極1aの圧力の目標値を上昇させる。
Further, when the output voltage of the fuel cell main body 1 detected by the
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムおよび燃料電池システムの起動方法では、コントローラ43内の酸化剤ガス圧力設定手段は、酸化剤極1aにおける酸化剤ガス圧力の目標値を燃料電池本体1の出力電圧が所定値以下となる酸化剤極上限圧力値に設定すると共に、電圧計41による燃料電池本体1の出力電圧の検出結果に応じて該酸化剤ガス圧力の目標値を補正する
このように、酸化剤極1aにおける酸化剤ガス圧力を膜間差圧が小さくなる酸化剤極上限圧力に設定し、且つ出力電圧に応じて酸化剤極1aにおける酸化剤ガス圧力の目標値をフィードバック制御で調整する起動を行うので、図6に示すように、燃料電池本体1の出力電圧が上限値(負荷装置40の耐電圧)を超えることがなくなる。また、図5に示すように、酸化剤極1aと燃料極1bとの膜間差圧から決まる下限圧力に対して十分余裕があり、燃料電池本体1(電解質膜など)の耐久性を向上させることができる。
As described above, in the fuel cell system and the fuel cell system activation method of this embodiment, the oxidant gas pressure setting means in the
できる。 it can.
次に、本発明の実施例3に係る燃料電池システムおよび燃料電池システムの起動方法について説明する。実施例3の燃料電池システムの構成は、実施例1の構成(図1)と同等であり、各構成要素の具体的説明を省略する。 Next, a fuel cell system and a fuel cell system activation method according to Embodiment 3 of the present invention will be described. The configuration of the fuel cell system of Example 3 is the same as that of Example 1 (FIG. 1), and a specific description of each component is omitted.
ただし、図7の負荷装置40周辺の部分構成図に示すように、負荷装置40(例えばインバータ装置)には、燃料電池から余剰電力を蓄えるバッテリ44と、バッテリ44の残電力を検出するバッテリ電圧計(バッテリ残電力検出手段)45が付加された構成となっており、コントローラ43内の酸化剤ガス圧力設定手段において、実施例1と同様に、酸化剤極1aにおける酸化剤ガス圧力の目標値を酸化剤極下限圧力値から酸化剤極上限圧力値までの所定圧力範囲内に設定するが、バッテリ電圧計45によって検出されたバッテリ残電力に応じて、酸化剤ガス圧力の目標値を補正する点が実施例1とは異なる。
However, as shown in the partial configuration diagram around the
次に、本実施例の燃料電池システムにおける起動方法並びに起動時の酸化剤極1aと燃料極1bの圧力設定方法について、図8を参照しながら説明する。ここで、図8は、本実施例の燃料電池システムの起動方法により設定される燃料極ガス圧力および酸化剤極ガス圧力の時間的推移を説明する説明図である。 Next, a starting method in the fuel cell system of the present embodiment and a method for setting the pressure of the oxidant electrode 1a and the fuel electrode 1b at the time of starting will be described with reference to FIG. Here, FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining the temporal transition of the fuel electrode gas pressure and the oxidant electrode gas pressure set by the method for starting the fuel cell system of the present embodiment.
燃料極1b側における圧力設定は実施例1と同等であるので、説明を省略する。 Since the pressure setting on the fuel electrode 1b side is equivalent to that in the first embodiment, the description thereof is omitted.
次に、酸化剤極1a側における圧力設定は次にように行われる。空気コンプレッサ11から空気を供給し、コントローラ43の酸化剤ガス圧力設定手段によって、酸化剤極1aにおける酸化剤ガス圧力の目標値を実施例1と同様に設定し、空気圧力計34で測定される圧力が該所定圧力範囲内となるように空気調圧弁15を調整する。
Next, the pressure setting on the oxidant electrode 1a side is performed as follows. Air is supplied from the
このとき、バッテリ電圧計45によって検出されるバッテリ電圧からバッテリ残電力量を推定する(あらかじめ実験的に取得)が、該バッテリ残電力量が起動するに十分でないと判断された場合には、該バッテリ残電力量に応じて、酸化剤極1aにおける酸化剤ガス圧力の目標値を、電解質膜102の耐差圧を超えて電解質膜102が破損することがない酸化剤極下限圧力値以上の範囲で低く設定する。なお、バッテリ残電力量、酸化剤極1aにおける酸化剤ガス圧力として設定可能な圧力、並びにバッテリ残電力量に基づく起動可否の判断については、あらかじめ実験的に求めておくことができる。
At this time, if the remaining battery power is estimated (preliminarily obtained experimentally) from the battery voltage detected by the
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムおよび燃料電池システムの起動方法では、負荷装置40に、燃料電池から余剰電力を蓄えるバッテリ44と、バッテリ44の残電力を検出するバッテリ電圧計45を付加して構成し、コントローラ43内の酸化剤ガス圧力設定手段において、バッテリ電圧計45によって検出されたバッテリ残電力に応じて、酸化剤極1aにおける酸化剤ガス圧力の目標値を補正する。
As described above, in the fuel cell system and the fuel cell system activation method according to the present embodiment, the
このように、バッテリ残電力に応じて酸化剤極1aにおける酸化剤ガス圧力の目標値に補正を実施する機能を備えて、バッテリ残電力に応じて起動時の酸化剤極圧力に補正を加えることができるので、酸化剤ガス供給手段(空気コンプレッサ11やブロア等)の消費電力を抑えることができ、またバッテリ残電力が少なかったとしても起動可能となる。
As described above, the function of correcting the target value of the oxidant gas pressure in the oxidant electrode 1a according to the remaining battery power is provided, and the correction to the oxidant electrode pressure at the start-up is performed according to the remaining battery power. Therefore, the power consumption of the oxidant gas supply means (such as the
例えば、起動時の消費電力をまかなうバッテリの残電力量が、起動するに不十分の場合、酸化剤極1aにおける酸化剤ガス圧力の目標値を低く設定する起動では、消費電力を抑えることができるので、起動ができなくなるということを避けることができる。また、通常は、実施例2のように、酸化剤極1aにおける酸化剤ガス圧力の目標値は、負荷装置40の耐電圧から決まる酸化剤極上限圧力値近辺で制御し、バッテリ残電力量が少ないという非正常時にのみ、酸化剤ガス圧力の目標値を低く設定するので、燃料電池本体1(電解質膜など)の耐久性に与える影響を小さくすることができる。
For example, when the remaining power amount of the battery that covers the power consumption at the time of startup is insufficient to start up, the power consumption can be suppressed in the startup in which the target value of the oxidant gas pressure at the oxidant electrode 1a is set low. Therefore, it is possible to avoid the fact that it cannot be started. Normally, as in the second embodiment, the target value of the oxidant gas pressure at the oxidant electrode 1a is controlled near the oxidant electrode upper limit pressure value determined from the withstand voltage of the
次に、本発明の実施例4に係る燃料電池システムおよび燃料電池システムの起動方法について説明する。実施例4の燃料電池システムの構成は、実施例1の構成(図1)と同等であり、各構成要素の具体的説明を省略する。 Next, a fuel cell system and a fuel cell system activation method according to Embodiment 4 of the present invention will be described. The configuration of the fuel cell system of Example 4 is the same as that of Example 1 (FIG. 1), and a specific description of each component is omitted.
ただし、図9の実施例4の燃料電池システムが適用される車両の構成図に示すように、図1の燃料電池システム60が燃料電池車両50に搭載された構成であり、冷却水系に、冷却水ポンプ31および熱交換器33からの放熱を促進するためのラジエータファン51およびエアコン52を備えた構成となっている。また、コントローラ43内の酸化剤ガス圧力設定手段において、実施例1と同様に、酸化剤極1aにおける酸化剤ガス圧力の目標値を酸化剤極下限圧力値から酸化剤極上限圧力値までの所定圧力範囲内に設定するが、酸化剤ガス供給手段以外の補機類(冷却水ポンプ31、ラジエータファン51およびエアコン52等)の動作/非動作または動作状況に応じて酸化剤ガス圧力の目標値を補正する点が実施例1とは異なる。
However, as shown in the configuration diagram of the vehicle to which the fuel cell system of Example 4 in FIG. 9 is applied, the
次に、本実施例の燃料電池システムにおける起動方法並びに起動時の酸化剤極1aと燃料極1bの圧力設定方法について、図10を参照しながら説明する。ここで、図10は、本実施例の燃料電池システムの起動方法により設定される燃料極ガス圧力および酸化剤極ガス圧力の時間的推移を説明する説明図である。 Next, a starting method in the fuel cell system of the present embodiment and a method for setting the pressure of the oxidant electrode 1a and the fuel electrode 1b at the time of starting will be described with reference to FIG. Here, FIG. 10 is an explanatory diagram for explaining the temporal transition of the fuel electrode gas pressure and the oxidant electrode gas pressure set by the method for starting the fuel cell system of the present embodiment.
燃料極1b側における圧力設定は実施例1と同等であるので、説明を省略する。 Since the pressure setting on the fuel electrode 1b side is equivalent to that in the first embodiment, the description thereof is omitted.
次に、酸化剤極1a側における圧力設定は次にように行われる。空気コンプレッサ11から空気を供給し、コントローラ43の酸化剤ガス圧力設定手段によって、酸化剤極1aにおける酸化剤ガス圧力の目標値を実施例1と同様に設定し、空気圧力計34で測定される圧力が該所定圧力範囲内となるように空気調圧弁15を調整する。
Next, the pressure setting on the oxidant electrode 1a side is performed as follows. Air is supplied from the
このとき、酸化剤ガス供給手段(空気コンプレッサ11やブロア等)以外の補機類、ここでは冷却水ポンプ31、ラジエータファン51およびエアコン52が動作している場合には、その動作している補機類の数や動作している補機類の負荷(例えば回転数)に応じて、酸化剤極1aにおける酸化剤ガス圧力の目標値を、電解質膜102の耐差圧を超えて電解質膜102が破損することがない酸化剤極下限圧力値以上の範囲で低く設定する。なお、酸化剤極1aにおける酸化剤ガス圧力の目標値の設定可能圧力は、補機類の音振レベルと空気コンプレッサ11の音振レベルのトータルが同じになるように、あらかじめ実験的に求めておくことができる。
At this time, if the auxiliaries other than the oxidant gas supply means (such as the
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムおよび燃料電池システムの起動方法では、コントローラ43内の酸化剤ガス圧力設定手段において、酸化剤ガス供給手段(空気コンプレッサ11やブロア等)以外の補機類(冷却水ポンプ31、ラジエータファン51およびエアコン52等)の動作/非動作または動作状況に応じて酸化剤極1aにおける酸化剤ガス圧力の目標値を補正する。
As described above, in the fuel cell system and the fuel cell system activation method according to the present embodiment, the oxidant gas pressure setting means in the
例えば、補機類(冷却水ポンプ31、ラジエータファン51およびエアコン52等)が動作している場合には、音や振動を抑制するために、酸化剤極1aにおける酸化剤ガス圧力の目標値を低く設定して、酸化剤ガス供給手段(空気コンプレッサ11やブロア等)の音や振動を抑えることができ、燃料電池システム60および該燃料電池システムが適用される装置(燃料電池車両50)全体の音や振動を抑えることができる。また、燃料電池車両50全体の音振レベルを、起動毎に常に略一定に保つことができるので、運転者に違和感を与えることがない。さらに、空気コンプレッサ11以外の補機類が非動作である場合や、補機類が動作中であっても低負荷で動作している場合などでは、実施例2のように酸化剤極1aにおける酸化剤ガス圧力の目標値を負荷装置40の耐電圧から決まる酸化剤極上限圧力値近辺で制御できるので、燃料電池本体1(電解質膜など)の耐久性が向上する。
For example, when the auxiliary machinery (cooling
なお、上記説明では、酸化剤ガス供給手段(空気コンプレッサ11やブロア等)以外の補機類として、冷却水ポンプ31、ラジエータファン51およびエアコン52を示したが、これら以外のものもあることは言うまでもない。
In the above description, the cooling
次に、本発明の実施例5に係る燃料電池システムおよび燃料電池システムの起動方法について説明する。実施例4の燃料電池システムの構成は、実施例1の構成(図1)と同等であり、各構成要素の具体的説明を省略する。 Next, a fuel cell system and a startup method of the fuel cell system according to Embodiment 5 of the present invention will be described. The configuration of the fuel cell system of Example 4 is the same as that of Example 1 (FIG. 1), and a specific description of each component is omitted.
ただし、コントローラ43において、燃料ガス圧力設定手段の設定に基づき燃料極1bにおける燃料ガス圧力を昇圧させる燃料ガス昇圧手段と、酸化剤ガス圧力設定手段の設定に基づき酸化剤極1aにおける酸化剤ガス圧力を昇圧させる酸化剤ガス昇圧手段と、をさらに備え、酸化剤ガス昇圧手段は、燃料ガス昇圧手段によって燃料極1bの燃料ガス圧力が膜間許容差圧から決まる所定値になったときに昇圧を開始する点が実施例1と異なる。
However, in the
次に、本実施例の燃料電池システムにおける起動方法並びに起動時昇圧方法について、図11および図12を参照しながら説明する。ここで、図11は、本実施例の燃料電池システムの起動方法により設定される燃料極ガス圧力および酸化剤極ガス圧力の時間的推移を説明する説明図であり、図12は、本実施例の燃料電池システムの起動時昇圧方法について説明するフローチャートである。 Next, a startup method and a startup boosting method in the fuel cell system of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 11 and 12. Here, FIG. 11 is an explanatory diagram for explaining the temporal transition of the fuel electrode gas pressure and the oxidant electrode gas pressure set by the method for starting the fuel cell system of this embodiment, and FIG. 12 shows this embodiment. 6 is a flowchart for explaining a method for boosting the fuel cell system during startup.
まず、燃料ガスである水素の供給を開始すると共に、燃料極1bの燃料ガスの偏在をなくすために、燃料ガス昇圧手段により燃料極1bにおける燃料ガス圧力の昇圧を開始する(ステップS11)。 First, supply of hydrogen as a fuel gas is started, and in order to eliminate the uneven distribution of the fuel gas in the fuel electrode 1b, the fuel gas pressure increase means starts to increase the fuel gas pressure in the fuel electrode 1b (step S11).
次に、燃料極1bの燃料ガス圧力が所定値PS1以上か否かを判定する(ステップS12)。この判定で、燃料極1bの燃料ガス圧力が所定値PS1以上(Yes)の場合にはステップS13へ進み、燃料極1bの燃料ガス圧力が所定値PS1未満(No)の場合にはステップS11へ戻る。ここで、所定値PS1は、酸化剤極1aと燃料極1bとの差圧が膜間許容差圧となる燃料極1bの圧力である。 Next, it is determined whether or not the fuel gas pressure of the fuel electrode 1b is equal to or higher than a predetermined value PS1 (step S12). In this determination, if the fuel gas pressure of the fuel electrode 1b is equal to or higher than the predetermined value PS1 (Yes), the process proceeds to step S13. If the fuel gas pressure of the fuel electrode 1b is less than the predetermined value PS1 (No), the process proceeds to step S11. Return. Here, the predetermined value PS1 is the pressure of the fuel electrode 1b at which the differential pressure between the oxidant electrode 1a and the fuel electrode 1b becomes the allowable transmembrane pressure.
次に、燃料極1bの燃料ガス圧力が所定値PS1に達した(時間T13)とステップS12において判断されると、膜間差圧をつけないために、空気の供給を開始し、酸化剤ガス昇圧手段により酸化剤極1aの酸化剤ガス圧力を上昇させる(ステップS13)。上昇過程においても、酸化剤極1aと燃料極1bの差圧は、膜間許容差圧以内となるようする。 Next, when it is determined in step S12 that the fuel gas pressure of the fuel electrode 1b has reached the predetermined value PS1 (time T13), in order not to apply the transmembrane pressure difference, the supply of air is started, and the oxidant gas The oxidant gas pressure of the oxidant electrode 1a is increased by the pressure raising means (step S13). Even in the rising process, the differential pressure between the oxidant electrode 1a and the fuel electrode 1b is set to be within the allowable transmembrane pressure.
次に、燃料極1bの燃料ガス圧力が、燃料極1bのガス偏在を抑制できる圧力(所定値PS2)まで上昇したか否かを判定する(ステップS14)。燃料極1bの燃料ガス圧力が所定値PS2まで上昇した(Yes:時間T14)場合はステップS16へ進み、燃料極1bの燃料ガス圧力が所定値PS2まで上昇していない(No)の場合はステップS13で引き続き昇圧を続ける。 Next, it is determined whether or not the fuel gas pressure of the fuel electrode 1b has increased to a pressure (predetermined value PS2) that can suppress the uneven distribution of gas in the fuel electrode 1b (step S14). When the fuel gas pressure of the fuel electrode 1b has increased to the predetermined value PS2 (Yes: time T14), the process proceeds to step S16, and when the fuel gas pressure of the fuel electrode 1b has not increased to the predetermined value PS2 (No), the process proceeds to step S16. In S13, the pressure is continuously increased.
次に、酸化剤極1aの酸化剤ガス圧力が所定値PS3まで昇圧したか否かを判定する(ステップS15)。酸化剤極1aの酸化剤ガス圧力が所定値PS3まで昇圧した(Yes:時間T15)場合はステップS17へ進み、酸化剤極1aの酸化剤ガス圧力が所定値PS3まで昇圧していない(No)場合はステップS13で引き続き昇圧を続ける。ここで、所定値PS3は実施例1から実施例4の何れかで設定した値である。 Next, it is determined whether or not the oxidant gas pressure of the oxidant electrode 1a has been increased to a predetermined value PS3 (step S15). When the oxidant gas pressure of the oxidant electrode 1a is increased to the predetermined value PS3 (Yes: time T15), the process proceeds to step S17, and the oxidant gas pressure of the oxidant electrode 1a is not increased to the predetermined value PS3 (No). In this case, the boosting is continued in step S13. Here, the predetermined value PS3 is a value set in any one of the first to fourth embodiments.
次にステップS16では、燃料極1bの燃料ガス圧力が、燃料極1bのガス偏在を抑制できる圧力(所定値PS2)まで昇圧したため、燃料極1bの昇圧を終了する。またステップS17でも、酸化剤極1aの酸化剤圧力が、所定値PS3まで昇圧したため、酸化剤極1bの昇圧を終了する。 Next, in step S16, since the fuel gas pressure of the fuel electrode 1b has been increased to a pressure (predetermined value PS2) that can suppress the uneven distribution of gas in the fuel electrode 1b, the boosting of the fuel electrode 1b is terminated. Also in step S17, since the oxidant pressure of the oxidant electrode 1a is increased to the predetermined value PS3, the increase of the oxidant electrode 1b is finished.
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムおよび燃料電池システムの起動方法では、コントローラ43において、燃料ガス圧力設定手段の設定に基づき燃料極1bにおける燃料ガス圧力を昇圧させる燃料ガス昇圧手段(燃料ガス昇圧ステップ)と、酸化剤ガス圧力設定手段の設定に基づき酸化剤極1aにおける酸化剤ガス圧力を昇圧させる酸化剤ガス昇圧手段(酸化剤ガス昇圧ステップ)と、をさらに備え、酸化剤ガス昇圧手段(酸化剤ガス昇圧ステップ)は、燃料ガス昇圧手段(燃料ガス昇圧ステップ)によって燃料極1bの燃料ガス圧力が膜間許容差圧から決まる所定値になったときに昇圧を開始する。
As described above, in the fuel cell system and the fuel cell system activation method according to the present embodiment, the
このように、酸化剤極1aの酸化剤ガス圧力の昇圧を燃料極1b側に対して遅らせ、また膜間許容差圧から決まる所定値になった場合に、酸化剤極1aの酸化剤ガス圧力の昇圧を開始するので、燃料電池本体1の出力電圧の上昇速度を小さくでき、制御による対応がしやすくなるという効果が得られる。例えば、実施例2のように燃料電池本体1の出力電圧に応じてフィードバック制御を実施する場合には、制御の応答がしやすくなるメリットがある。また、膜間許容差圧を守るように昇圧できるので、燃料電池本体1(電解質膜など)の耐久性が向上する。膜間差圧を守ることができる。 As described above, when the pressure increase of the oxidant gas pressure of the oxidant electrode 1a is delayed with respect to the fuel electrode 1b side and reaches a predetermined value determined from the transmembrane allowable pressure difference, the oxidant gas pressure of the oxidant electrode 1a Therefore, the rate of increase in the output voltage of the fuel cell main body 1 can be reduced, and the effect of facilitating the response by the control can be obtained. For example, when the feedback control is performed according to the output voltage of the fuel cell main body 1 as in the second embodiment, there is an advantage that the control response is easy. Further, since the pressure can be increased so as to maintain the allowable pressure difference between the membranes, the durability of the fuel cell main body 1 (electrolyte membrane or the like) is improved. It can protect the transmembrane pressure difference.
次に、本発明の実施例6に係る燃料電池システムおよび燃料電池システムの起動方法について説明する。実施例6の燃料電池システムの構成は、実施例1の構成(図1)と同等であり、各構成要素の具体的説明を省略する。 Next, a fuel cell system and a method for starting the fuel cell system according to Embodiment 6 of the present invention will be described. The configuration of the fuel cell system of Example 6 is the same as that of Example 1 (FIG. 1), and a specific description of each component is omitted.
ただし、コントローラ43において、燃料極1bにおける燃料ガス圧力を降圧させる燃料ガス降圧手段と、酸化剤極1aにおける酸化剤ガス圧力を降圧させる酸化剤ガス降圧手段と、をさらに備え、酸化剤ガス降圧手段は、燃料ガス降圧手段によって燃料極1bの燃料ガス圧力が所定値以下になったときに、降圧を開始する点が実施例1と異なる。
However, the
次に、本実施例の燃料電池システムにおける起動方法並びに起動時の高圧状態から通常運転に遷移するときの降圧方法について、図13および図14を参照しながら説明する。ここで、図13は、本実施例の燃料電池システムの起動方法により設定される燃料極ガス圧力および酸化剤極ガス圧力の時間的推移を説明する説明図であり、図14は、本実施例の燃料電池システムの降圧方法について説明するフローチャートである。 Next, a start-up method in the fuel cell system of this embodiment and a step-down method when transitioning from the high-pressure state at the start-up to the normal operation will be described with reference to FIGS. 13 and 14. Here, FIG. 13 is an explanatory view for explaining the temporal transition of the fuel electrode gas pressure and the oxidant electrode gas pressure set by the method for starting the fuel cell system of this embodiment, and FIG. 5 is a flowchart for explaining a method for stepping down the fuel cell system in FIG.
まず、燃料ガス降圧手段によって燃料極1b側の燃料ガス圧力の降圧を開始する(ステップS21)。降圧を開始するタイミングT21は、燃料極の燃料ガスの偏在がなくなるタイミングであり、例えば燃料ガス供給からの時間等で設定される。 First, the fuel gas pressure reducing means starts to decrease the fuel gas pressure on the fuel electrode 1b side (step S21). The timing T21 at which the step-down is started is a timing at which the uneven distribution of the fuel gas at the fuel electrode is eliminated, and is set by, for example, the time from the fuel gas supply.
次に、燃料極1bの燃料ガス圧力が所定値PS3以下か否かを判定する(ステップS22)。燃料極1bの燃料ガス圧力が所定値PS3以下(Yes)の場合にはステップS23へ進み、燃料極1bの燃料ガス圧力が所定値PS3を超える(No)の場合には、ステップS21へ戻って降圧を続ける。ここで、所定値PS3は、実施例1から実施例4までの何れかで設定した値であるが、通常運転中に酸化剤極1aと燃料極1bに定常的に付ける差圧となったときでもかまわない。 Next, it is determined whether or not the fuel gas pressure of the fuel electrode 1b is equal to or less than a predetermined value PS3 (step S22). If the fuel gas pressure of the fuel electrode 1b is equal to or lower than the predetermined value PS3 (Yes), the process proceeds to step S23. If the fuel gas pressure of the fuel electrode 1b exceeds the predetermined value PS3 (No), the process returns to step S21. Continue to step down. Here, the predetermined value PS3 is a value set in any one of the first to fourth embodiments, but when the differential pressure is constantly applied to the oxidizer electrode 1a and the fuel electrode 1b during normal operation. But it doesn't matter.
次に、ステップS22で燃料極1bの燃料ガス圧力が所定値PS3以下であると判断された場合、酸化剤ガス降圧手段によって酸化剤極1a側の酸化剤ガスの降圧を開始する(ステップS23)。 Next, when it is determined in step S22 that the fuel gas pressure of the fuel electrode 1b is equal to or less than the predetermined value PS3, the oxidant gas pressure reducing means starts to decrease the oxidant gas on the oxidant electrode 1a side (step S23). .
次に、酸化剤極1aおよび燃料極1bの圧力が所定値PS4以下か否かの判定を実施する(ステップS24)。酸化剤極1aおよび燃料極1bの圧力が所定値PS4以下(Yes)の場合にはステップS25へ進み、酸化剤極1aおよび燃料極1bの圧力が所定値PS4以下でない(No)の場合には、ステップS23で降圧を続ける。ここで、所定値PS4は通常運転中の酸化剤極1aと燃料極1bの圧力のことである。 Next, it is determined whether or not the pressure of the oxidant electrode 1a and the fuel electrode 1b is equal to or lower than a predetermined value PS4 (step S24). When the pressures of the oxidant electrode 1a and the fuel electrode 1b are equal to or lower than the predetermined value PS4 (Yes), the process proceeds to step S25, and when the pressures of the oxidant electrode 1a and the fuel electrode 1b are not equal to or lower than the predetermined value PS4 (No). In step S23, the step-down is continued. Here, the predetermined value PS4 is the pressure of the oxidant electrode 1a and the fuel electrode 1b during normal operation.
さらに、酸化剤極1aと燃料極1bの圧力が所定値PS4(通常運転の圧力)となった場合、それぞれの降圧を終了する(ステップS25)。 Further, when the pressures of the oxidant electrode 1a and the fuel electrode 1b reach a predetermined value PS4 (pressure for normal operation), the respective pressure reductions are finished (step S25).
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムおよび燃料電池システムの起動方法では、コントローラ43において、燃料極1bにおける燃料ガス圧力を降圧させる燃料ガス降圧手段(燃料ガス降圧ステップ)と、酸化剤極1aにおける酸化剤ガス圧力を降圧させる酸化剤ガス降圧手段(酸化剤ガス降圧ステップ)と、をさらに備え、酸化剤ガス降圧手段(酸化剤ガス降圧ステップ)は、燃料ガス降圧手段(燃料ガス降圧ステップ)によって燃料極1bの燃料ガス圧力が所定値以下になったときに、降圧を開始する。
As described above, in the fuel cell system and the fuel cell system start-up method according to the present embodiment, the
このように、起動時高圧状態から通常運転への降圧過程にて、酸化剤極1aの酸化剤ガス圧力の降圧を燃料極1b側に対して遅らせ、また燃料極1bの燃料ガス圧力が膜間許容差圧から決まる所定値以下になった場合に、酸化剤極1aの酸化剤ガス圧力の降圧を開始するので、燃料電池本体1の出力電圧が上昇することはなく、また、膜間差圧を付ける時間が短くて済むので燃料電池本体1(電解質膜)の耐久性が向上する。 In this way, in the process of stepping down from the high pressure state at the time of startup to the normal operation, the pressure reduction of the oxidant gas pressure of the oxidant electrode 1a is delayed with respect to the fuel electrode 1b side, and the fuel gas pressure of the fuel electrode 1b is increased between the membranes. Since the pressure reduction of the oxidant gas pressure of the oxidant electrode 1a is started when the pressure becomes less than a predetermined value determined from the allowable differential pressure, the output voltage of the fuel cell body 1 does not increase, and the transmembrane pressure difference Since the time for attaching is short, the durability of the fuel cell main body 1 (electrolyte membrane) is improved.
つまり、酸化剤極1a側の降圧を燃料極1bに対して遅らせる場合、膜間差圧をつける時間が短くて済む。例えば、酸化剤極1a側の降圧を燃料極1bの降圧に対して同時に実施した場合、図13に示す二点鎖線のように、ステップS21(時間T21)からステップS25(時間T25)の間で差圧を余分に付けることとなる。また、燃料電池本体1の出力電圧自体も、燃料極1b側の燃料ガス圧力を降圧させるので、ステップS21の時点で酸化剤極1a側の酸化剤ガス圧力を降圧させずとも問題ない。以上より、膜間に差圧が付いている時間を短くでき、燃料電池(電解質膜など)の耐久性が向上する。 That is, when the pressure drop on the oxidant electrode 1a side is delayed with respect to the fuel electrode 1b, the time for applying the transmembrane pressure difference can be shortened. For example, when the pressure reduction on the oxidizer electrode 1a side is performed simultaneously with the pressure reduction on the fuel electrode 1b, as shown by the two-dot chain line shown in FIG. 13, between step S21 (time T21) and step S25 (time T25). Extra pressure will be applied. Further, the output voltage itself of the fuel cell main body 1 also reduces the fuel gas pressure on the fuel electrode 1b side, so there is no problem even if the oxidant gas pressure on the oxidant electrode 1a side is not reduced at the time of step S21. From the above, the time during which the differential pressure is applied between the membranes can be shortened, and the durability of the fuel cell (electrolyte membrane etc.) is improved.
1 燃焼電池本体
1a 酸化剤極
1b 燃料極
11 空気コンプレッサ
12 空気供給経路
13 空気系加湿装置
14 空気排気経路
15 空気調圧弁
16 空気圧力計
21 高圧水素タンク
22 水素供給経路
23 水素調圧弁
24 水素循環装置
25 水素系加湿装置
26 水素循環経路
27 水素排気経路
28 水素排出弁
29 水素圧力計
31 冷却水ポンプ
32 冷却水循環経路
33 熱交換器
34 冷却水温度計
40 負荷装置
41 電圧計
42 電流計
43 コントローラ
44 バッテリ
45 バッテリ電圧計
50 燃料電池車両
51 ラジエータファン
52 エアコン
100 燃料電池単セル
101 MEA
102 電解質膜
103 燃料極触媒層
104 酸化剤極触媒層
105 燃料極ガス拡散層
106 酸化剤極ガス拡散層
107,108 セパレータ
109 燃料ガス流路
110 酸化剤ガス流路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Combustion battery body 1a Oxidant electrode
DESCRIPTION OF
Claims (16)
前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
起動時に、前記燃料極における燃料ガス圧力の目標値を通常時よりも高い圧力に設定する燃料ガス圧力設定手段と、
前記酸化剤極における酸化剤ガス圧力の目標値を、前記電解質膜の膜間許容差圧から決まる酸化剤極下限圧力値以上で、且つ、前記燃料電池の出力電圧が所定値以下となる酸化剤極上限圧力値以下になるように設定する酸化剤ガス圧力設定手段と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell comprising a fuel electrode and an oxidant electrode arranged with an electrolyte membrane interposed therebetween, and generating power by an electrochemical reaction of a fuel gas and an oxidant gas respectively supplied to the fuel electrode and the oxidant electrode;
Fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel electrode;
An oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the oxidant electrode;
Fuel gas pressure setting means for setting a target value of the fuel gas pressure at the fuel electrode to a pressure higher than normal at the time of startup;
The target value of the oxidant gas pressure at the oxidant electrode is not less than the oxidant electrode lower limit pressure value determined from the allowable pressure difference between the electrolyte membranes, and the output voltage of the fuel cell is not more than a predetermined value. Oxidant gas pressure setting means for setting so as to be equal to or lower than the maximum pressure limit;
A fuel cell system comprising:
前記酸化剤ガス圧力設定手段は、前記酸化剤極上限圧力値を前記温度検出手段の検出結果に応じて変化させることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 Temperature detecting means for detecting the internal temperature of the fuel cell;
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the oxidant gas pressure setting unit changes the oxidant electrode upper limit pressure value according to a detection result of the temperature detection unit. 3.
前記酸化剤ガス圧力設定手段は、前記酸化剤極下限圧力値を前記温度検出手段の検出結果に応じて変化させることを特徴とする請求項1または請求項2の何れか1項に記載の燃料電池システム。 Temperature detecting means for detecting the internal temperature of the fuel cell;
3. The fuel according to claim 1, wherein the oxidant gas pressure setting unit changes the oxidant minimum lower limit pressure value according to a detection result of the temperature detection unit. 4. Battery system.
前記酸化剤ガス圧力設定手段は、前記酸化剤極における酸化剤ガス圧力の目標値を前記燃料電池の出力電圧が所定値以下となる酸化剤極上限圧力値に設定すると共に、前記出力電圧検出手段の検出結果に応じて該酸化剤ガス圧力の目標値を補正することを特徴とする請求項1〜請求項3の何れか1項に記載の燃料電池システム。 Output voltage detecting means for detecting the output voltage of the fuel cell;
The oxidant gas pressure setting means sets the target value of the oxidant gas pressure at the oxidant electrode to an oxidant electrode upper limit pressure value at which the output voltage of the fuel cell is a predetermined value or less, and the output voltage detection means The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein a target value of the oxidant gas pressure is corrected in accordance with the detection result.
前記バッテリの残電力を検出するバッテリ残電力検出手段と、を有し、
前記酸化剤ガス圧力設定手段は、前記バッテリ残電力検出手段の検出結果に応じて、前記酸化剤極における酸化剤ガス圧力の目標値を補正することを特徴とする請求項1〜請求項4の何れか1項に記載の燃料電池システム。 A battery for storing surplus power from the fuel cell;
Battery remaining power detection means for detecting the remaining power of the battery,
The oxidant gas pressure setting unit corrects a target value of the oxidant gas pressure at the oxidant electrode according to a detection result of the battery remaining power detection unit. The fuel cell system according to any one of claims.
酸化剤ガス圧力設定手段の設定に基づき、前記酸化剤極における酸化剤ガス圧力を昇圧させる酸化剤ガス昇圧手段と、を有し、
前記酸化剤ガス昇圧手段は、前記燃料ガス昇圧手段によって前記燃料極の燃料ガス圧力が膜間許容差圧から決まる所定値になったときに、昇圧を開始することを特徴とする請求項1〜請求項6の何れか1項に記載の燃料電池システム。 Fuel gas boosting means for boosting the fuel gas pressure at the fuel electrode based on the setting of the fuel gas pressure setting means;
An oxidant gas pressure raising means for raising the oxidant gas pressure at the oxidant electrode based on the setting of the oxidant gas pressure setting means,
2. The oxidant gas pressurizing unit starts boosting when the fuel gas pressure of the fuel electrode reaches a predetermined value determined from a transmembrane allowable pressure by the fuel gas pressurizing unit. The fuel cell system according to claim 6.
前記酸化剤極における酸化剤ガス圧力を降圧させる酸化剤ガス降圧手段と、を有し、
前記酸化剤ガス降圧手段は、前記燃料ガス降圧手段によって前記燃料極の燃料ガス圧力が所定値以下になったときに、降圧を開始することを特徴とする請求項1〜請求項7の何れか1項に記載の燃料電池システム。 Fuel gas pressure reducing means for reducing the fuel gas pressure in the fuel electrode;
An oxidant gas pressure reducing means for reducing the oxidant gas pressure at the oxidant electrode,
8. The oxidant gas pressure reducing means starts pressure reduction when the fuel gas pressure at the fuel electrode becomes a predetermined value or less by the fuel gas pressure reducing means. 2. The fuel cell system according to item 1.
前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
を備え、起動時の前記燃料極における燃料ガス圧力を通常時よりも高い圧力に設定する燃料電池システムの起動方法であって、
前記酸化剤極における酸化剤ガス圧力の目標値を、前記電解質膜の膜間許容差圧から決まる酸化剤極下限圧力値以上で、且つ、前記燃料電池の出力電圧が所定値以下となる酸化剤極上限圧力値以下になるように設定することを特徴とする燃料電池システムの起動方法。 A fuel cell comprising a fuel electrode and an oxidant electrode arranged with an electrolyte membrane interposed therebetween, and generating power by an electrochemical reaction of a fuel gas and an oxidant gas respectively supplied to the fuel electrode and the oxidant electrode;
Fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel electrode;
An oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the oxidant electrode;
A fuel cell system start-up method in which the fuel gas pressure at the fuel electrode at start-up is set to a pressure higher than normal,
The target value of the oxidant gas pressure at the oxidant electrode is not less than the oxidant electrode lower limit pressure value determined from the allowable pressure difference between the electrolyte membranes, and the output voltage of the fuel cell is not more than a predetermined value. A starting method for a fuel cell system, characterized in that the fuel cell system is set to be equal to or lower than an extreme upper limit pressure value.
前記酸化剤極上限圧力値を前記温度検出手段の検出結果に応じて変化させることを特徴とする請求項9に記載の燃料電池システムの起動方法。 The fuel cell system has temperature detection means for detecting an internal temperature of the fuel cell,
The method for starting a fuel cell system according to claim 9, wherein the oxidant electrode upper limit pressure value is changed in accordance with a detection result of the temperature detection means.
前記酸化剤極下限圧力値を前記温度検出手段の検出結果に応じて変化させることを特徴とする請求項9または請求項10の何れか1項に記載の燃料電池システムの起動方法。 The fuel cell system has temperature detection means for detecting an internal temperature of the fuel cell,
11. The method for starting a fuel cell system according to claim 9, wherein the oxidant minimum lower limit pressure value is changed in accordance with a detection result of the temperature detection means. 11.
前記酸化剤極における酸化剤ガス圧力の目標値を前記燃料電池の出力電圧が所定値以下となる酸化剤極上限圧力値に設定すると共に、前記出力電圧検出手段の検出結果に応じて該酸化剤ガス圧力の目標値を補正することを特徴とする請求項9〜請求項11の何れか1項に記載の燃料電池システムの起動方法。 The fuel cell system has output voltage detection means for detecting an output voltage of the fuel cell,
The target value of the oxidant gas pressure at the oxidant electrode is set to the oxidant electrode upper limit pressure value at which the output voltage of the fuel cell is less than or equal to a predetermined value, and the oxidant according to the detection result of the output voltage detection means The method for starting a fuel cell system according to any one of claims 9 to 11, wherein a target value of the gas pressure is corrected.
前記燃料電池から余剰電力を蓄えるバッテリと、
前記バッテリの残電力を検出するバッテリ残電力検出手段と、を有し、
前記バッテリ残電力検出手段の検出結果に応じて、前記酸化剤極における酸化剤ガス圧力の目標値を補正することを特徴とする請求項9〜請求項12の何れか1項に記載の燃料電池システムの起動方法。 The fuel cell system includes:
A battery for storing surplus power from the fuel cell;
Battery remaining power detection means for detecting the remaining power of the battery,
The fuel cell according to any one of claims 9 to 12, wherein a target value of an oxidant gas pressure at the oxidant electrode is corrected according to a detection result of the battery remaining power detection unit. How to start the system.
酸化剤ガス圧力設定手段の設定に基づき、前記酸化剤極における酸化剤ガス圧力を昇圧させる酸化剤ガス昇圧ステップと、を有し、
前記酸化剤ガス昇圧ステップは、前記燃料ガス昇圧ステップによって前記燃料極の燃料ガス圧力が膜間許容差圧から決まる所定値になったときに、昇圧を開始することを特徴とする請求項9〜請求項14の何れか1項に記載の燃料電池システムの起動方法。 A fuel gas boosting step for boosting the fuel gas pressure at the fuel electrode based on the setting of the fuel gas pressure setting means;
An oxidant gas pressure increasing step for increasing the oxidant gas pressure at the oxidant electrode based on the setting of the oxidant gas pressure setting means,
The oxidant gas pressurization step starts pressure increase when the fuel gas pressure of the fuel electrode reaches a predetermined value determined from the transmembrane allowable pressure by the fuel gas pressurization step. The method for starting a fuel cell system according to claim 14.
前記酸化剤極における酸化剤ガス圧力を降圧させる酸化剤ガス降圧ステップと、を有し、
前記酸化剤ガス降圧ステップは、前記燃料ガス降圧ステップによって前記燃料極の燃料ガス圧力が所定値以下になったときに、降圧を開始することを特徴とする請求項9〜請求項15の何れか1項に記載の燃料電池システムの起動方法。 A fuel gas pressure reducing step for reducing the fuel gas pressure at the fuel electrode;
An oxidant gas pressure reducing step for reducing the oxidant gas pressure at the oxidant electrode,
16. The oxidant gas pressure reduction step starts pressure reduction when the fuel gas pressure of the fuel electrode becomes a predetermined value or less by the fuel gas pressure reduction step. 2. A method for starting a fuel cell system according to item 1.
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