JP2006324213A - Fuel cell system - Google Patents

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Hitoshi Igarashi
仁 五十嵐
Mitsuhiro Kokubo
光浩 小久保
Kenichi Goto
健一 後藤
Masatoshi Iio
雅俊 飯尾
Hiromasa Sakai
弘正 酒井
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Nissan Motor Co Ltd
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To decrease the concentration of exhausting hydrogen to less than a prescribed value by consuming hydrogen leaked from an anode to a cathode by reaction at the starting of operation, and shorten the time starting power generation by quickening the supply of an oxidant to a fuel cell. <P>SOLUTION: A fuel cell system is equipped with a first bypass passage 33 extending from a compressor 16 to the upstream part of an air pressure control valve 22 and a second bypass passage 34 extending from the compressor 16 to the downstream part of the air pressure control valve 22. At the starting of operation, a first bypass valve 33 is opened, a second bypass valve 34 and the air pressure control valve 22 are closed. Then, the operation of the compressor 16 is started, and air is supplied from the inlet and outlet of a cathode 4. Hydrogen leaked from the anode 3 to the cathode 4 during the stop of operation quickly reacts with oxygen in air supplied from the inlet and outlet of the cathode 4 and is consumed. After the concentration of the hydrogen is decreased, the first bypass valve 35 is closed, and the second bypass valve 34 and the air pressure control valve 22 are opened. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、起動時間を短縮することができる燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system capable of shortening startup time.

燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。   In a fuel cell, a fuel gas such as hydrogen gas and an oxidizing gas containing oxygen are electrochemically reacted through an electrolyte, and electric energy is directly taken out between electrodes provided on both surfaces of the electrolyte. In particular, a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte has attracted attention as a power source for electric vehicles because of its low operating temperature and easy handling.

すなわち、燃料電池車両は、水素貯蔵装置や水素発生装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。   That is, a fuel cell vehicle has a hydrogen storage device and a hydrogen generator mounted on the vehicle, and hydrogen supplied from the vehicle and oxygen-containing air are sent to the fuel cell to react with each other, and electric energy extracted from the fuel cell is used. It drives the motor connected to the drive wheels, and is the ultimate clean vehicle that only emits water.

このような燃料電池車両においても、内燃機関車両と同様なアイドルストップが考えられる。燃料電池の発電効率が低い低負荷領域あるいは無負荷領域では、燃料電池の発電を一時停止させ、2次電池から所要電力を供給する。そして、燃料電池に発電余力があるときに2次電池へ充電することにより、総合的な燃費効率が向上する(例えば、特許文献1)。   In such a fuel cell vehicle, an idle stop similar to that of the internal combustion engine vehicle can be considered. In the low load region or no load region where the power generation efficiency of the fuel cell is low, the power generation of the fuel cell is temporarily stopped and the required power is supplied from the secondary battery. Then, when the fuel cell has power generation capacity, charging the secondary battery improves the overall fuel efficiency (for example, Patent Document 1).

このようなアイドルストップする燃料電池車両において、アイドルストップ中に燃料極から酸化剤極へ電解質膜を透過した水素(クロスリーク水素)は、運転再開時に規定濃度未満で系外へ排出されなければならない。このため、燃料電池起動時の空気供給流量を低減したり、空気供給コンプレッサを間欠運転することにより、酸化剤極排出ガスの量を低減する技術が知られている(例えば、特許文献2)。   In such a fuel cell vehicle that performs idle stop, hydrogen (cross leak hydrogen) that has permeated the electrolyte membrane from the fuel electrode to the oxidizer electrode during idle stop must be discharged out of the system at a concentration lower than the specified concentration when the operation is resumed. . For this reason, a technique for reducing the amount of oxidant electrode exhaust gas by reducing the air supply flow rate at the time of starting the fuel cell or intermittently operating the air supply compressor is known (for example, Patent Document 2).

また、燃料電池システムから排出される水素濃度を規定濃度未満とするために、運転再開時に空気供給ポンプを一旦逆回転させて、酸化剤極出口から酸化剤極へ空気を吸い込み、この空気により、酸化剤極電極触媒にトラップされていた水素を酸化させて消費する技術が知られている(例えば、特許文献3)。
特開2001−307758号公報(第12頁、図5) 特開2004−172027号公報(第8頁、図3) 特開2004−87313公報(第8頁、図3)
In addition, in order to make the hydrogen concentration discharged from the fuel cell system less than the specified concentration, the air supply pump is once reversely rotated when the operation is resumed, and the air is sucked into the oxidant electrode from the oxidant electrode outlet. A technique for oxidizing and consuming hydrogen trapped in an oxidant electrode catalyst is known (for example, Patent Document 3).
Japanese Patent Laying-Open No. 2001-307758 (page 12, FIG. 5) JP 2004-172027 A (page 8, FIG. 3) JP 2004-87313 A (page 8, FIG. 3)

しかしながら特許文献2または3記載の従来技術においては、運転再開時のクロスリーク水素の放出を抑制するために、空気供給量を抑制したり、一時的にコンプレッサを逆回転していたため、アイドルストップ解除後に燃料電池が発電可能となるまでの時間が長くなるという問題点があった。   However, in the prior art described in Patent Document 2 or 3, in order to suppress the release of cross leak hydrogen at the time of restarting operation, the air supply amount is suppressed or the compressor is temporarily reversely rotated. There was a problem that it took a long time until the fuel cell was able to generate power later.

上記問題点を解決するために本発明は、燃料極と酸化剤極との間に電解質膜を挟持した燃料電池と、燃料電池へ酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、酸化剤供給手段と酸化剤極入口とを接続する酸化剤供給路と、酸化剤極出口に接続する酸化剤排出路と、酸化剤排出路から排出する酸化剤の流量を制御する酸化剤圧力制御手段とを備えた燃料電池システムにおいて、前記酸化剤供給路と前記酸化剤排出路の前記酸化剤圧力制御手段の上流部とを接続する第一補助流路と、前記酸化剤供給路と前記酸化剤排出路の前記酸化剤圧力制御手段の下流部とを接続する第二補助流路と、を備えたことを要旨とする。   In order to solve the above problems, the present invention provides a fuel cell having an electrolyte membrane sandwiched between a fuel electrode and an oxidant electrode, an oxidant supply means for supplying an oxidant to the fuel cell, an oxidant supply means, An oxidant supply path that connects the oxidant electrode inlet, an oxidant discharge path that connects to the oxidant electrode outlet, and an oxidant pressure control means that controls the flow rate of the oxidant discharged from the oxidant discharge path. In the fuel cell system, a first auxiliary flow path connecting the oxidant supply path and an upstream portion of the oxidant pressure control means of the oxidant discharge path, the oxidant supply path and the oxidant discharge path of the oxidant supply path The gist of the invention is that it includes a second auxiliary flow path connecting the downstream portion of the oxidant pressure control means.

本発明によれば、燃料電池システムの起動時に、酸化剤供給流路を介して酸化剤極入口に酸化剤を供給するとともに、第一補助流路を介して酸化剤極出口からも酸化剤を供給することができ、供給した酸化剤とクロスリーク水素とを反応消費することにより、排出される水素濃度を既定値未満に低下させることができるとともに、燃料電池への酸化剤供給を早めて発電可能となるまでの時間を短縮することができるという効果がある。   According to the present invention, when the fuel cell system is started, the oxidant is supplied to the oxidant electrode inlet via the oxidant supply channel, and the oxidant is also supplied from the oxidant electrode outlet via the first auxiliary channel. By supplying and reacting the supplied oxidant and cross-leakage hydrogen, the concentration of discharged hydrogen can be reduced below a predetermined value, and the supply of oxidant to the fuel cell can be accelerated to generate electricity. There is an effect that time until it becomes possible can be shortened.

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、以下に説明する各実施例は、特に限定されないが本発明を燃料電池車両に適用した実施例である。   Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, although each Example demonstrated below is not specifically limited, it is an Example which applied this invention to the fuel cell vehicle.

図1は、本発明に係る燃料電池システムの実施例1の全体構成を示する概略図である。燃料電池システム1は、例えばアノード(燃料極、負極)3とカソード(酸化剤極、正極)4との間に固体高分子電解質を挟持した燃料電池2を備える。   FIG. 1 is a schematic diagram showing the overall configuration of a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention. The fuel cell system 1 includes, for example, a fuel cell 2 in which a solid polymer electrolyte is sandwiched between an anode (fuel electrode, negative electrode) 3 and a cathode (oxidant electrode, positive electrode) 4.

水素供給装置5は、燃料改質装置や水素貯蔵装置等により燃料としての水素をアノード3に供給する。水素遮断弁6は、運転停止時や異常発生時に水素供給を遮断する。水素供給弁7は、水素供給装置5が供給する水素圧力を燃料電池2の運転圧力まで低下させ、水素供給配管8を介してアノード3へ供給する。アノード圧力センサ9は、アノード入口の燃料圧力を検出する。水素循環配管10は、アノード3の出口から排出された燃料ガスを水素循環ポンプ11を介してアノード3の入口へ循環させる経路である。   The hydrogen supply device 5 supplies hydrogen as fuel to the anode 3 by a fuel reformer, a hydrogen storage device, or the like. The hydrogen shut-off valve 6 shuts off the hydrogen supply when operation is stopped or when an abnormality occurs. The hydrogen supply valve 7 reduces the hydrogen pressure supplied by the hydrogen supply device 5 to the operating pressure of the fuel cell 2, and supplies it to the anode 3 through the hydrogen supply pipe 8. The anode pressure sensor 9 detects the fuel pressure at the anode inlet. The hydrogen circulation pipe 10 is a path for circulating the fuel gas discharged from the outlet of the anode 3 to the inlet of the anode 3 through the hydrogen circulation pump 11.

アノード3、水素循環配管10及び水素循環ポンプ11で構成される水素循環系内の燃料ガスに不純物が蓄積した場合、パージ弁12を開いて、水素排出配管13から排水素処理装置31へ燃料ガスを排出する。   When impurities accumulate in the fuel gas in the hydrogen circulation system constituted by the anode 3, the hydrogen circulation pipe 10 and the hydrogen circulation pump 11, the purge valve 12 is opened and the fuel gas is supplied from the hydrogen discharge pipe 13 to the exhaust hydrogen treatment device 31. Is discharged.

排水素処理装置31は、別途供給される空気を用いて、燃料ガス中の水素を希釈したり、燃焼触媒を介して水素と空気中の酸素と反応させて、外部へ排出する水素濃度を規定濃度未満とするものである。   The exhaust hydrogen treatment device 31 regulates the concentration of hydrogen discharged to the outside by diluting hydrogen in the fuel gas by using separately supplied air, or reacting hydrogen with oxygen in the air via a combustion catalyst. Less than the concentration.

コンプレッサ(酸化剤供給手段)16は、酸化剤ガスとして空気をカソード4へ供給する。コンプレッサ16が吸入する外気の不純物は、フィルタ14で除去され、空気流量が空気流量計15により計測される。コンプレッサ16で圧縮された空気は、空気供給配管(酸化剤供給路)19を介してカソード4の入口へ供給され、その圧力はカソード圧力センサ20で測定される。   The compressor (oxidant supply means) 16 supplies air as an oxidant gas to the cathode 4. Impurities in the outside air taken in by the compressor 16 are removed by the filter 14, and the air flow rate is measured by the air flow meter 15. The air compressed by the compressor 16 is supplied to the inlet of the cathode 4 via an air supply pipe (oxidant supply path) 19, and the pressure is measured by the cathode pressure sensor 20.

カソード4の出口から排出される余剰の空気は、空気圧力調整弁22により流量が絞られて空気排出配管(酸化剤排出路)21から排水素処理装置31へ排出される。空気圧力調整弁22は、空気排出配管21の流量を制御することにより、カソード4の圧力を調整する酸化剤圧力制御手段である。   Excess air discharged from the outlet of the cathode 4 is reduced in flow rate by the air pressure regulating valve 22 and discharged from the air discharge pipe (oxidant discharge path) 21 to the exhaust hydrogen treatment device 31. The air pressure adjustment valve 22 is an oxidant pressure control means for adjusting the pressure of the cathode 4 by controlling the flow rate of the air discharge pipe 21.

また、燃料電池システム1は、燃料電池2の出力電圧をバッテリ24の電圧に変換するDC/DCコンバータ23、DC/DCコンバータ23から充電されるとともに燃料電池2の出力が不足するとき放電するバッテリ24、バッテリ24の充電状態(SOC)を検出するSOC検出器25、DC/DCコンバータ23及び/又はバッテリ24からの直流を交流に変換するインバータ26、インバータ26の交流で動作する車両駆動用モータ27、を備えている。   In addition, the fuel cell system 1 includes a DC / DC converter 23 that converts the output voltage of the fuel cell 2 into a voltage of the battery 24, a battery that is charged from the DC / DC converter 23 and that discharges when the output of the fuel cell 2 is insufficient. 24, an SOC detector 25 that detects the state of charge (SOC) of the battery 24, a DC / DC converter 23 and / or an inverter 26 that converts direct current from the battery 24 into alternating current, and a vehicle drive motor that operates with the alternating current of the inverter 26 27.

また、燃料電池システム1は、燃料電池2の出力電圧を検出する電圧センサ28、燃料電池2の各セル電圧または所定数のセルが直列接続された各セル群の電圧を検出するセル電圧センサ29、燃料電池システム1全体を制御するコントローラ(ECU)30を備えている。   Further, the fuel cell system 1 includes a voltage sensor 28 that detects the output voltage of the fuel cell 2, and a cell voltage sensor 29 that detects each cell voltage of the fuel cell 2 or each cell group in which a predetermined number of cells are connected in series. A controller (ECU) 30 for controlling the entire fuel cell system 1 is provided.

さらに、燃料電池システム1は、本発明の特徴的な構成要素として、空気供給配管19から分岐して空気圧力調整弁22の上流の空気排出配管21に至る第1バイパス流路(第一補助流路)33と、空気供給配管19から分岐して空気圧力調整弁22の下流に至る第2バイパス流路(第二補助流路)34と、第1バイパス流路33の開閉または流量制御を行う第1バイパス弁(第一補助流路制御手段)35と、第2バイパス流路34の開閉または流量制御を行う第2バイパス弁(第一補助流路制御手段)36とを備えている。   Furthermore, the fuel cell system 1 includes, as a characteristic component of the present invention, a first bypass flow path (first auxiliary flow) that branches from the air supply pipe 19 and reaches the air discharge pipe 21 upstream of the air pressure adjustment valve 22. Path) 33, the second bypass flow path (second auxiliary flow path) 34 that branches from the air supply pipe 19 and reaches the downstream side of the air pressure adjustment valve 22, and opens / closes or controls the flow rate of the first bypass flow path 33. A first bypass valve (first auxiliary flow path control means) 35 and a second bypass valve (first auxiliary flow path control means) 36 that performs opening / closing or flow rate control of the second bypass flow path 34 are provided.

アノード圧力センサ9、空気流量センサ15、カソード圧力センサ20、電圧センサ28、セル電圧センサ29、及び水素濃度センサ32は、それぞれコントローラ30の入力端子に接続され、各検出信号をコントローラ30へ入力する。   The anode pressure sensor 9, the air flow sensor 15, the cathode pressure sensor 20, the voltage sensor 28, the cell voltage sensor 29, and the hydrogen concentration sensor 32 are each connected to the input terminal of the controller 30, and each detection signal is input to the controller 30. .

また、水素遮断弁6、水素供給弁7、水素循環ポンプ11、パージ弁12、コンプレッサ16、空気圧力調整弁22、第1バイパス弁35、第2バイパス弁36は、それぞれコントローラ30の出力端子に接続され、コントローラ30が出力する制御信号により制御される。   Further, the hydrogen shutoff valve 6, the hydrogen supply valve 7, the hydrogen circulation pump 11, the purge valve 12, the compressor 16, the air pressure adjustment valve 22, the first bypass valve 35, and the second bypass valve 36 are respectively connected to the output terminals of the controller 30. It is connected and controlled by a control signal output from the controller 30.

コントローラ30は、入力された各センサの信号から燃料電池2の運転状態を判断し、燃料電池システム1全体の運転を制御するとともに、燃料電池システムの運転・停止を制御する。コントローラ30は、燃料電池システムの起動時に、コンプレッサ16から空気供給配管19を介してカソード4の入口へ空気を供給するとともに、第1バイパス弁35を開いて、カソード4の出口からもカソード4へ空気を供給するように制御する。   The controller 30 determines the operation state of the fuel cell 2 from the input signals of the sensors, controls the operation of the entire fuel cell system 1, and controls the operation / stop of the fuel cell system. When starting the fuel cell system, the controller 30 supplies air from the compressor 16 to the inlet of the cathode 4 via the air supply pipe 19 and opens the first bypass valve 35 so that the outlet of the cathode 4 also goes to the cathode 4. Control to supply air.

さらに、コントローラ30は、特に限定されないが本実施例では、CPUと、制御プログラムおよび制御マップ等の制御パラメータを予め記憶したROMと、作業用RAMと、入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成されている。   Further, the controller 30 is not particularly limited. In the present embodiment, the controller 30 is constituted by a microprocessor having a CPU, a ROM preliminarily storing control parameters such as a control program and a control map, a working RAM, and an input / output interface. Has been.

図2は、燃料電池システム1の起動時及びアイドルストップからの復帰時(以後運転開始時と呼ぶ)に、コントローラ30が行う制御内容を説明するフローチャートである。このフローチャートは、燃料電池システムの運転開始時に呼び出されて実行される。   FIG. 2 is a flowchart for explaining the control contents performed by the controller 30 when the fuel cell system 1 is started and when the fuel cell system 1 is returned from idle stop (hereinafter referred to as operation start). This flowchart is called and executed at the start of operation of the fuel cell system.

まずステップ(以下、ステップをSと略す)10において、第1バイパス弁35を開き、S12で第2バイパス弁36を閉じ、S14で空気圧力調整弁22を閉じる。次いで、コンプレッサ16の運転を開始する。これにより、燃料電池2のカソード4の入口と出口から空気供給が開始される。次いで、S18でコントローラ30が内蔵するタイマの動作を開始し、空気供給開始からの経過時間を計測する。   First, in step (hereinafter, step is abbreviated as S) 10, the first bypass valve 35 is opened, the second bypass valve 36 is closed in S12, and the air pressure adjustment valve 22 is closed in S14. Next, the operation of the compressor 16 is started. Thereby, air supply is started from the inlet and outlet of the cathode 4 of the fuel cell 2. Next, the operation of the timer built in the controller 30 is started in S18, and the elapsed time from the start of air supply is measured.

次いでS20で、水素供給弁7を開いて水素供給を開始し、S22で水素循環ポンプ11の運転を開始する。次いで、燃料電池状態を検出する。この状態検出は、カソード4の圧力を検出するカソード圧力センサ20、燃料電池2の電圧を検出する電圧センサ28、カソード4の水素濃度を検出する水素濃度センサ32、コンプレッサ16が吸い込む空気流量を検出する空気流量センサ15等からそれぞれの検出値をコントローラ30が読み込むこと、及びDC/DCコンバータ23が燃料電池2からの電流取り出しを開始したことである。   Next, in S20, the hydrogen supply valve 7 is opened to start supplying hydrogen, and in S22, the operation of the hydrogen circulation pump 11 is started. Next, the fuel cell state is detected. In this state detection, the cathode pressure sensor 20 for detecting the pressure of the cathode 4, the voltage sensor 28 for detecting the voltage of the fuel cell 2, the hydrogen concentration sensor 32 for detecting the hydrogen concentration of the cathode 4, and the air flow rate sucked by the compressor 16 are detected. That is, the controller 30 reads each detected value from the air flow rate sensor 15 and the like, and the DC / DC converter 23 starts taking out the current from the fuel cell 2.

次いでS26で、経過時間を計測するタイマを更新、及び空気流量センサ15の検出値(単位時間当たりの質量流量)に、S24が実行されるサイクルタイム(繰り返し時間)を乗じた値の積算値を更新して、S16のコンプレッサ運転開始時からの供給空気量を算出する。   Next, in S26, the timer for measuring the elapsed time is updated, and the integrated value obtained by multiplying the detection value (mass flow rate per unit time) of the air flow rate sensor 15 by the cycle time (repetition time) in which S24 is executed is obtained. It updates and calculates the supply air amount from the time of compressor operation start of S16.

次いでS28で、第1バイパス流路からの空気供給終了条件が成立したか否かを判定する。この条件は、以下の(1)から(6)の6条件の何れかが成立したことである。   Next, in S28, it is determined whether or not the condition for ending the air supply from the first bypass channel is satisfied. This condition is that any of the following six conditions (1) to (6) is satisfied.

(1)カソード圧力センサ20が検出したカソード4の圧力が所定値を超えたこと。この圧力の所定値は、例えば、燃料電池2のカソード4とアノード3との耐圧値、またはカソード4と燃料電池2の外部とのシール剤の耐圧値未満に設定された値である。   (1) The pressure of the cathode 4 detected by the cathode pressure sensor 20 exceeds a predetermined value. The predetermined value of the pressure is, for example, a value set to be less than the pressure resistance value of the cathode 4 and the anode 3 of the fuel cell 2 or the pressure resistance value of the sealant between the cathode 4 and the outside of the fuel cell 2.

(2)電圧センサ28が検出した燃料電池2の電圧が所定値を超えたこと。この電圧の所定値は、例えば、カソード4内部の水素濃度が十分低下して、燃料電池2の電圧が立ち上がったと判断できる電圧値であり、実験的に決定される値である。   (2) The voltage of the fuel cell 2 detected by the voltage sensor 28 exceeds a predetermined value. The predetermined value of the voltage is, for example, a voltage value at which it can be determined that the hydrogen concentration in the cathode 4 has sufficiently decreased and the voltage of the fuel cell 2 has risen, and is a value determined experimentally.

(3)水素濃度センサ32が検出したカソード4内の水素濃度が所定値を下回ったこと。この水素濃度の所定値は、以後、カソード4内の水素を含む空気が排水素処理装置31を介して外部へ排出された場合に、規定水素濃度未満となる値であり、コンプレッサ16から排水素処理装置31への空気供給特性や、排水素処理装置のタイプ及び特性に従って決定される。   (3) The hydrogen concentration in the cathode 4 detected by the hydrogen concentration sensor 32 is below a predetermined value. This predetermined value of the hydrogen concentration is a value that becomes less than the prescribed hydrogen concentration when the air containing hydrogen in the cathode 4 is discharged to the outside through the exhaust hydrogen treatment device 31 thereafter. It is determined according to the air supply characteristics to the processing apparatus 31 and the type and characteristics of the exhaust hydrogen processing apparatus.

(4)タイマが計時したコンプレッサ16による空気供給開始後の経過時間が所定時間を超えたこと。この所定時間は、空気供給を開始してからカソード4内の水素を十分に反応消費させて、カソード4内の水素を含む空気が排水素処理装置31を介して外部へ排出された場合に、規定水素濃度未満となる時間であり、実験的に決定される。   (4) The elapsed time after the start of air supply by the compressor 16 timed by the timer has exceeded a predetermined time. This predetermined time is when the hydrogen in the cathode 4 is sufficiently reacted and consumed after the air supply is started, and the air containing hydrogen in the cathode 4 is discharged to the outside through the exhaust hydrogen treatment device 31. This is the time during which the hydrogen concentration is below the specified level, and is determined experimentally.

(5)DC/DCコンバータ23が燃料電池2から電流取り出しを開始したこと。この電流取り出しは、図1では図示しない信号線によりDC/DCコンバータ23からコントローラ30へ通知されるものとする。燃料電池2から電流取り出しを開始すると、以後、カソード4で空気中の酸素が発電のために消費され、酸素濃度が低下するので、カソード4の入口から空気を供給し、余剰の空気をカソード4の出口から排出させて、発電に必要な酸素供給を可能とするため、カソード出口からの空気供給を終了させる。   (5) The DC / DC converter 23 has started taking out current from the fuel cell 2. This current extraction is notified from the DC / DC converter 23 to the controller 30 through a signal line (not shown in FIG. 1). When current extraction is started from the fuel cell 2, oxygen in the air is consumed for power generation at the cathode 4, and the oxygen concentration decreases. Therefore, air is supplied from the inlet of the cathode 4, and excess air is supplied to the cathode 4. The air supply from the cathode outlet is terminated in order to allow the oxygen supply necessary for power generation to be discharged from the outlet of the cathode.

(6)S26において算出した空気流量積算値(空気量)が所定値を超えたこと。この空気量の所定値は、空気供給を開始してからカソード4内の水素を十分に反応消費させて、カソード4内の水素を含む空気が排水素処理装置31を介して外部へ排出された場合に、規定水素濃度未満となる空気量であり、実験的に決定される。   (6) The integrated air flow rate (air amount) calculated in S26 exceeds a predetermined value. The predetermined value of the air amount is such that the hydrogen in the cathode 4 is sufficiently reacted and consumed after the air supply is started, and the air containing the hydrogen in the cathode 4 is discharged to the outside through the exhaust hydrogen treatment device 31. In some cases, the amount of air is less than the specified hydrogen concentration and is determined experimentally.

S28の判定で、条件が不成立であれば、S24へ戻る。S28の判定で、条件が一つでも成立していれば、S30以下の処理により、第1バイパス流路33からカソード出口への空気供給を終了する。S30では、第1バイパス弁35を閉じ、S32では、第2バイパス弁36を適当な開度で開き、コンプレッサ16から第2バイパス流路34を介して排水素処理装置31へ直接空気供給を始める。   If the condition is not satisfied in the determination of S28, the process returns to S24. If even one condition is satisfied in the determination of S28, the air supply from the first bypass flow path 33 to the cathode outlet is terminated by the processing of S30 and subsequent steps. In S30, the first bypass valve 35 is closed, and in S32, the second bypass valve 36 is opened at an appropriate opening, and air supply from the compressor 16 to the exhaust hydrogen treatment device 31 is started via the second bypass flow path 34. .

次いでS34で、空気圧力調整弁22で燃料電池2の出力電流に応じたカソード圧力に制御し、S36で水素供給弁7の開度を制御することにより、燃料電池2の出力電流に応じたアノード圧力に制御し、以後、燃料電池の通常運転の状態となる。   Next, in S34, the air pressure adjusting valve 22 controls the cathode pressure according to the output current of the fuel cell 2, and in S36, the opening of the hydrogen supply valve 7 is controlled, so that the anode according to the output current of the fuel cell 2 is controlled. After that, the fuel cell is in a normal operation state.

図2は、本発明に係る燃料電池システムの実施例2の全体構成を示する概略図である。実施例1との相違は、実施例1の第1バイパス弁35及び第2バイパス弁36に代えて、三方弁37を用いていることである。その他の構成は、実施例1と同様である。   FIG. 2 is a schematic diagram showing the overall configuration of a second embodiment of the fuel cell system according to the present invention. The difference from the first embodiment is that a three-way valve 37 is used instead of the first bypass valve 35 and the second bypass valve 36 of the first embodiment. Other configurations are the same as those of the first embodiment.

三方弁37は、(a)第1バイパス流路33及び第2バイパス流路34をともに閉止した状態、(b)空気供給配管19と第1バイパス流路33とを連通した状態、(c)空気供給配管19と第2バイパス流路34とを連通した状態、の三状態をとることができる弁である。この三方弁37により実施例1と同様の第1バイパス流路33,第2バイパス流路34の制御を行うことができる。   The three-way valve 37 includes (a) a state in which both the first bypass channel 33 and the second bypass channel 34 are closed, (b) a state in which the air supply pipe 19 and the first bypass channel 33 are communicated, and (c). This is a valve that can take three states, that is, a state in which the air supply pipe 19 and the second bypass passage 34 are communicated with each other. The three-way valve 37 can control the first bypass flow path 33 and the second bypass flow path 34 as in the first embodiment.

本発明に係る燃料電池システムの実施例1の構成を説明するシステム構成図である。1 is a system configuration diagram illustrating the configuration of a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention. FIG. 実施例1における燃料電池運転開始時の制御フローチャートである。2 is a control flowchart at the start of fuel cell operation in Embodiment 1. 本発明に係る燃料電池システムの実施例2の構成を説明するシステム構成図である。It is a system block diagram explaining the structure of Example 2 of the fuel cell system which concerns on this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1:燃料電池システム
2:燃料電池
3:アノード(燃料極)
4:カソード(酸化剤極)
5:水素供給装置
6:水素遮断弁
7:水素供給弁
8:水素供給配管
9:アノード圧力センサ
10:水素循環配管
11:水素循環ポンプ
12:パージ弁
13:水素排出配管
14:フィルタ
15:空気流量センサ
16:コンプレッサ(酸化剤供給手段)
19:空気供給配管
20:カソード圧力センサ
21:空気排出配管
22:空気圧力調整弁(酸化剤圧力制御手段)
23:DC/DCコンバータ
24:バッテリ
25:SOC検出器
26:インバータ
27:車両駆動用モータ
28:電圧センサ
29:セル電圧センサ
30:コントローラ
31:排水素処理装置
32:水素濃度センサ
33:第1バイパス流路(第一補助流路)
34:第2バイパス流路(第二補助流路)
35:第1バイパス弁(第一補助流路制御手段)
36:第2バイパス弁(第二補助流路制御手段)
1: Fuel cell system 2: Fuel cell 3: Anode (fuel electrode)
4: Cathode (oxidant electrode)
5: Hydrogen supply device 6: Hydrogen shutoff valve 7: Hydrogen supply valve 8: Hydrogen supply pipe 9: Anode pressure sensor 10: Hydrogen circulation pipe 11: Hydrogen circulation pump 12: Purge valve 13: Hydrogen discharge pipe 14: Filter 15: Air Flow sensor 16: Compressor (oxidant supply means)
19: Air supply pipe 20: Cathode pressure sensor 21: Air discharge pipe 22: Air pressure regulating valve (oxidant pressure control means)
23: DC / DC converter 24: battery 25: SOC detector 26: inverter 27: vehicle drive motor 28: voltage sensor 29: cell voltage sensor 30: controller 31: exhaust hydrogen treatment device 32: hydrogen concentration sensor 33: first Bypass channel (first auxiliary channel)
34: Second bypass channel (second auxiliary channel)
35: First bypass valve (first auxiliary flow path control means)
36: Second bypass valve (second auxiliary flow path control means)

Claims (12)

燃料極と酸化剤極との間に電解質膜を挟持した燃料電池と、
燃料電池へ酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
酸化剤供給手段と酸化剤極入口とを接続する酸化剤供給路と、
酸化剤極出口に接続する酸化剤排出路と、
酸化剤排出路から排出する酸化剤の流量を制御することにより酸化剤極の圧力を制御する酸化剤圧力制御手段とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記酸化剤供給路と前記酸化剤排出路の前記酸化剤圧力制御手段の上流部とを接続する第一補助流路と、
前記酸化剤供給路と前記酸化剤排出路の前記酸化剤圧力制御手段の下流部とを接続する第二補助流路と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell having an electrolyte membrane sandwiched between a fuel electrode and an oxidant electrode;
An oxidant supply means for supplying an oxidant to the fuel cell;
An oxidant supply path connecting the oxidant supply means and the oxidant electrode inlet;
An oxidant discharge path connected to the oxidant electrode outlet;
In a fuel cell system comprising an oxidant pressure control means for controlling the pressure of the oxidant electrode by controlling the flow rate of the oxidant discharged from the oxidant discharge path,
A first auxiliary flow path connecting the oxidant supply path and the upstream portion of the oxidant pressure control means of the oxidant discharge path;
A second auxiliary flow path connecting the oxidant supply path and the downstream portion of the oxidant pressure control means of the oxidant discharge path;
A fuel cell system comprising:
前記第一補助流路の開閉または流量を制御する第一補助流路制御手段を備えたことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, further comprising first auxiliary flow path control means for controlling opening / closing or flow rate of the first auxiliary flow path. 燃料電池への酸化剤供給開始時に、前記酸化剤供給路を介して酸化剤極入口へ酸化剤を供給するとともに、前記第一補助流路制御手段を開いて、酸化剤極出口からも酸化剤を供給することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。   At the start of supplying the oxidant to the fuel cell, the oxidant is supplied to the oxidant electrode inlet via the oxidant supply path, and the first auxiliary flow path control means is opened so that the oxidant is also supplied from the oxidant electrode outlet. The fuel cell system according to claim 2, wherein the fuel cell system is supplied. 前記第二補助流路の開閉または流量を制御する第二補助流路制御手段を備え、
燃料電池への酸化剤供給開始時に、第二補助流路制御手段により前記第二補助流路を閉止することを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。
Comprising second auxiliary flow path control means for controlling the opening and closing or flow rate of the second auxiliary flow path,
4. The fuel cell system according to claim 3, wherein the second auxiliary flow path is closed by the second auxiliary flow path control means at the start of supplying the oxidant to the fuel cell. 5.
燃料電池への酸化剤供給開始時に、前記酸化剤圧力制御手段を閉止することを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the oxidant pressure control means is closed when oxidant supply to the fuel cell is started. 燃料電池への酸化剤供給開始後に、所定条件が成立すれば、前記第一補助流路制御手段を閉止することを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れか1項に記載の燃料電池システム。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the first auxiliary flow path control means is closed if a predetermined condition is satisfied after the supply of the oxidant to the fuel cell is started. system. 前記酸化剤極の圧力を検出する酸化剤極圧力検出手段を備え、
前記所定条件は、前記酸化剤極圧力検出手段が検出した圧力が所定値を超えたことであることを特徴とする請求項6記載の燃料電池システム。
An oxidant electrode pressure detecting means for detecting the pressure of the oxidant electrode;
7. The fuel cell system according to claim 6, wherein the predetermined condition is that the pressure detected by the oxidant electrode pressure detection means exceeds a predetermined value.
燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段を備え、
前記所定条件は、前記電圧検出手段が検出した電圧が所定値を超えたことであることを特徴とする請求項6記載の燃料電池システム。
Voltage detecting means for detecting the voltage of the fuel cell;
7. The fuel cell system according to claim 6, wherein the predetermined condition is that the voltage detected by the voltage detecting means exceeds a predetermined value.
前記酸化剤極内の燃料濃度を検出する燃料濃度検出手段を備え、
前記所定条件は、前記燃料濃度検出手段が検出した燃料濃度が所定値を下回ったことであることを特徴とする請求項6記載の燃料電池システム。
Comprising a fuel concentration detection means for detecting the fuel concentration in the oxidant electrode;
7. The fuel cell system according to claim 6, wherein the predetermined condition is that the fuel concentration detected by the fuel concentration detection means falls below a predetermined value.
前記所定条件は、前記酸化剤極へ酸化剤の供給開始からの経過時間が所定時間を超えたことであることを特徴とする請求項6記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 6, wherein the predetermined condition is that an elapsed time from the start of supply of the oxidant to the oxidant electrode exceeds a predetermined time. 前記所定条件は、燃料電池から電流取り出しを開始したことであることを特徴とする請求項6記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 6, wherein the predetermined condition is that current extraction is started from the fuel cell. 前記酸化剤供給手段から供給した酸化剤量を検出する酸化剤供給量検出手段を備え、
前記所定条件は、前記酸化剤供給量検出手段が検出した酸化剤量が所定値を超えたことであることを特徴とする請求項6記載の燃料電池システム。
An oxidant supply amount detection means for detecting an oxidant amount supplied from the oxidant supply means;
7. The fuel cell system according to claim 6, wherein the predetermined condition is that the amount of oxidant detected by the oxidant supply amount detection means exceeds a predetermined value.
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