JP2007026891A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of suppressing deterioration of a fuel cell by suppressing differential pressure between membranes of the fuel cell at starting and suppressing over-voltage of the fuel cell at the starting. <P>SOLUTION: The fuel cell system comprises a fuel cell 1, a hydrogen supply system to supply hydrogen, an air supply system to supply air, a gas supply control part which establishes the supply pressure of hydrogen and air at the starting time at a pressure higher than at a normal power generation time, a voltage sensor 21 which detects voltage parameter of the fuel cell (voltage parameter detecting means), and an output control means (output extraction device 20, and output control part of a controller 30) which starts extraction of output of the fuel cell 1 and controls so that the voltage parameter may not exceed the prescribed upper limit voltage during a period from starting till the normal power generation start, when the voltage parameter of the fuel cell 1 detected by the voltage sensor 21 reaches a prescribed threshold voltage lower than a prescribed upper limit voltage. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は燃料電池システムに係り、特に、起動時に燃料電池の膜間差圧を抑制すると共に、起動時の燃料電池の過電圧を抑制して燃料電池の劣化を抑制し得る燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a fuel cell system capable of suppressing a transmembrane differential pressure of a fuel cell at the time of startup, and suppressing deterioration of the fuel cell by suppressing an overvoltage of the fuel cell at the time of startup.

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。   In such a fuel cell system, when the fuel gas is supplied at the same gas pressure as that of the fuel gas supplied during normal operation of the fuel cell at startup, the fuel gas is instantaneously generated in the fuel chamber. There is a problem that uneven distribution of the gas and the replacement gas occurs, and an electrochemical reaction occurs due to the uneven distribution and the electrode deteriorates.

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、起動時に、供給する水素圧力を通常の発電時における供給圧より高く設定し、水素ポンプの駆動とともに、水素供給弁を開放し、アノードに残留している酸素を短時間で排出して水素ガスに置換することにより、燃料電池の劣化を抑制している。
特開2004−139984号公報
In order to cope with such a problem, in the “fuel cell system” disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-139984, the hydrogen pressure to be supplied is set higher than the supply pressure at the time of normal power generation at the time of startup, and the hydrogen pump is driven. At the same time, the hydrogen supply valve is opened, and oxygen remaining in the anode is discharged in a short time and replaced with hydrogen gas, thereby suppressing deterioration of the fuel cell.
JP 2004-139984 A

しかしながら、上述した特許文献1に開示された技術においては、燃料電池の膜間差圧を抑制するために空気も同時に供給しなければならず、水素と空気を同時に高圧で供給すると過渡的に燃料電池の電圧が上昇し、この電圧上昇が燃料電池の劣化を促進させる方向に働いてしまうといった問題点があるため、過電圧とならないような対策が必要である。   However, in the technique disclosed in Patent Document 1 described above, air must be supplied at the same time in order to suppress the transmembrane differential pressure of the fuel cell. Since there is a problem that the voltage of the battery rises and this voltage rise works in the direction of promoting the deterioration of the fuel cell, it is necessary to take measures to prevent overvoltage.

ここで、高圧起動を行った場合、低圧起動の場合と比較して電圧の上昇速度が高く、燃料電池の電気化学的反応の遅れや出力取り出し装置(あるいは抵抗接続のためのリレー)の応答遅れに伴う電圧のオーバーシュートが大きくなるため、従来の低圧起動のように、ガス組成などの違いによらず上限電圧付近の所定の電圧となったら所定の出力を取り出す、というような制御では起動時の過電圧を抑制しきれないという事情があった。   Here, when the high voltage start is performed, the voltage rise rate is higher than that of the low voltage start, the delay of the electrochemical reaction of the fuel cell and the delay of the response of the output extraction device (or relay for resistance connection) Because the voltage overshoot associated with increases, a control that takes out a predetermined output when a predetermined voltage near the upper limit voltage is reached, regardless of differences in gas composition, as in conventional low-voltage startup, is There was a situation that it was not possible to suppress the overvoltage.

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、起動時に燃料電池の膜間差圧を抑制すると共に、起動時の燃料電池の過電圧を抑制して燃料電池の劣化を抑制し得る燃料電池システム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 suppresses the transmembrane pressure difference of the fuel cell at the time of startup, and suppresses the deterioration of the fuel cell by suppressing the overvoltage of the fuel cell at the time of startup. The object is to provide a fuel cell system.

上記目的を解決するため、本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池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、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの供給圧力を通常発電時よりも高い圧力に設定するガス供給制御手段と、前記燃料電池の電圧パラメータを検出する電圧パラメータ検出手段と、前記電圧パラメータ検出手段で検出した前記燃料電池の電圧パラメータが所定の上限電圧よりも低い所定のしきい値電圧に到達したときに、前記燃料電池の出力の取り出しを開始して、起動から通常発電開始までの期間は前記電圧パラメータが所定の上限電圧を超えないように制御する出力制御手段と、を備えることを特徴とする。   In order to solve the above-mentioned object, the present invention provides a fuel cell that generates power by supplying fuel gas and oxidant gas, fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel cell, and oxidant gas for the fuel cell. Supplying oxidant gas supply means, gas supply control means for setting the supply pressure of the fuel gas and the oxidant gas to a pressure higher than that during normal power generation at startup, and voltage for detecting a voltage parameter of the fuel cell When the fuel cell voltage parameter detected by the parameter detection means and the voltage parameter detection means reaches a predetermined threshold voltage lower than a predetermined upper limit voltage, the output of the fuel cell is started. Output control means for controlling the voltage parameter so as not to exceed a predetermined upper limit voltage during a period from start to normal power generation. .

本発明に係る燃料電池システムでは、起動時に、燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの供給圧力を通常発電時よりも高い圧力に設定する共に、検出した電圧パラメータが上限電圧よりも低い所定のしきい値電圧に到達したら出力を取り出す制御を開始することによって、起動から通常発電開始までの期間は電圧パラメータが所定の上限電圧を超えないように制御するので、高圧起動を行なう場合に、燃料電池の電気化学的な反応の遅れや出力取出し装置の応答遅れなどが電圧のオーバーシュートに与える影響が無視できないとしても、燃料電池の総電圧が過大となって劣化することを防止することができ、また、出力取出し装置の入力電圧が過大となることを防止できる。   In the fuel cell system according to the present invention, at startup, the supply pressure of the fuel gas and the oxidant gas is set to a pressure higher than that during normal power generation, and the detected voltage parameter is a predetermined threshold value lower than the upper limit voltage. By starting the control to extract the output when it reaches the voltage, the voltage parameter is controlled so that it does not exceed a predetermined upper limit voltage from the start to the start of normal power generation. Even if the influence of the chemical reaction delay or the response delay of the output take-out device on the voltage overshoot cannot be ignored, the total voltage of the fuel cell can be prevented from being excessively deteriorated. It is possible to prevent the input voltage of the output extraction device from becoming excessive.

以下、本発明の燃料電池システムの実施例について、〔実施例1〕、〔実施例2〕の順に図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the fuel cell system of the present invention will be described in detail in the order of [Embodiment 1] and [Embodiment 2] 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り、図2はコントローラ30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り、図1に示すように、水素および空気の供給により発電を行う燃料電池1を備える。   FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 is a configuration diagram of a controller 30. The fuel cell system of this embodiment is used as a driving power source of a fuel cell vehicle, for example, and includes a fuel cell 1 that generates power by supplying hydrogen and air as shown in FIG.

また、水素供給系(燃料ガス供給手段)として、水素タンク2、水素タンク元弁3、減圧弁4、水素供給弁5、圧力センサ6a、水素循環装置7、パージ弁8および排水素処理装置9を備え、空気供給系(酸化剤ガス供給手段)として、コンプレッサ10、加湿装置11、圧力センサ6bおよび空気調圧弁12を備え、冷却機構として、冷却水ポンプ13、三方弁16、ラジエタ17、ラジエタファン18および温度センサ14,15を備えている。   As a hydrogen supply system (fuel gas supply means), a hydrogen tank 2, a hydrogen tank main valve 3, a pressure reducing valve 4, a hydrogen supply valve 5, a pressure sensor 6a, a hydrogen circulation device 7, a purge valve 8, and a waste hydrogen treatment device 9 are used. As an air supply system (oxidant gas supply means), a compressor 10, a humidifier 11, a pressure sensor 6b, and an air pressure regulating valve 12. The cooling mechanism includes a cooling water pump 13, a three-way valve 16, a radiator 17, and a radiator. A fan 18 and temperature sensors 14 and 15 are provided.

また、負荷系として、出力取出し装置(出力制御手段)20および電圧センサ(電圧パラメータ検出手段)21を備え、さらに制御系として、水素供給系、空気供給系、冷却機構および負荷系の各種センサや他の各種計器からの検知信号に基づき水素供給系、空気供給系、冷却機構および負荷系の各構成要素の制御を行うコントローラ30を備えた構成である。   Further, the load system includes an output take-out device (output control means) 20 and a voltage sensor (voltage parameter detection means) 21, and the control system includes a hydrogen supply system, an air supply system, a cooling mechanism, various sensors for the load system, This configuration includes a controller 30 that controls each component of the hydrogen supply system, the air supply system, the cooling mechanism, and the load system based on detection signals from other various instruments.

燃料電池1は、燃料ガスである水素が供給される燃料極(アノード)と酸化剤ガスである空気が供給される酸化剤極(カソード)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、複数の発電セルが多段積層されたスタック構造を有しており、水素と空気中の酸素とを基にした電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。アノードに水素ガスが、カソードに空気が供給され、以下に示す電極反応が進行され、電力が発電される。   The fuel cell 1 includes a fuel electrode (anode) supplied with hydrogen as a fuel gas and an oxidant electrode (cathode) supplied with air as an oxidant gas with an electrolyte interposed therebetween to form a power generation cell. In addition, it has a stack structure in which a plurality of power generation cells are stacked in multiple stages, and converts chemical energy into electrical energy by an electrochemical reaction based on hydrogen and oxygen in the air. Hydrogen gas is supplied to the anode and air is supplied to the cathode, and the electrode reaction shown below proceeds to generate electric power.

(数1)
アノード:H2→2H++2e- (1)
(数2)
カソード:2H++2e-+(1/2)O2→H2O (2)
つまり、燃料電池1の各発電セルでは、アノードに供給された水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、カソードにそれぞれ移動する。カソードでは、供給された空気中の酸素と電解質を通って移動した水素イオンおよび電子が反応して水が生成され、外部に排出される。
(Equation 1)
Anode: H 2 → 2H + + 2e (1)
(Equation 2)
Cathode: 2H + + 2e + (1/2) O 2 → H 2 O (2)
That is, in each power generation cell of the fuel cell 1, a reaction occurs in which hydrogen supplied to the anode is separated into hydrogen ions and electrons, the hydrogen ions pass through the electrolyte, and the electrons pass through an external circuit to generate power, Each moves to the cathode. At the cathode, oxygen in the supplied air reacts with hydrogen ions and electrons that have moved through the electrolyte to produce water, which is discharged to the outside.

燃料電池1の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン(プロトン)伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。   As the electrolyte of the fuel cell 1, for example, a solid polymer electrolyte membrane is used in consideration of high energy density, low cost, light weight, and the like. The solid polymer electrolyte membrane is made of an ion (proton) conductive polymer membrane such as a fluororesin ion exchange membrane, and functions as an ion conductive electrolyte when saturated with water.

燃料電池スタック3で発電を行うには、燃料ガスである水素や酸化剤ガスである空気を各発電セルの燃料極(アノード)や酸化剤極(カソード)に供給する必要があり、燃料電池システムでは、そのための機構として水素供給系および空気供給系が設けられている。   In order to generate power in the fuel cell stack 3, it is necessary to supply hydrogen as fuel gas or air as oxidant gas to the fuel electrode (anode) or oxidant electrode (cathode) of each power generation cell. Then, a hydrogen supply system and an air supply system are provided as a mechanism for that purpose.

水素供給系において、アノードへの水素供給は、水素タンク2から水素タンク元弁3、減圧弁4および水素供給弁5を通じてなされる。水素タンク2から供給される高圧水素は、減圧弁4で機械的に所定の圧力まで減圧され、水素供給弁5で燃料電池1での水素圧力が所望の水素圧に制御される。   In the hydrogen supply system, hydrogen is supplied to the anode from the hydrogen tank 2 through the hydrogen tank main valve 3, the pressure reducing valve 4, and the hydrogen supply valve 5. The high-pressure hydrogen supplied from the hydrogen tank 2 is mechanically reduced to a predetermined pressure by the pressure reducing valve 4, and the hydrogen pressure in the fuel cell 1 is controlled to a desired hydrogen pressure by the hydrogen supply valve 5.

また水素循環装置(ポンプ等)7は、アノードで消費されなかった水素を再循環させるために設置されている。アノードの水素圧は、コントローラ30が圧力センサ6aで検出した水素圧力をフィードバックして水素供給弁5を駆動することによって制御される。水素圧を所望の目標圧力に制御することによって、燃料電池が消費した分だけの水素が自動的に補われる。   A hydrogen circulation device (pump or the like) 7 is installed to recycle hydrogen that has not been consumed at the anode. The hydrogen pressure of the anode is controlled by driving the hydrogen supply valve 5 by feeding back the hydrogen pressure detected by the controller 30 with the pressure sensor 6a. By controlling the hydrogen pressure to a desired target pressure, the hydrogen consumed by the fuel cell is automatically compensated.

また、パージ弁8は次のような役割を果たす。第1に、水素循環機能を確保するために、水素供給系内に蓄積した窒素を排出する。水素を循環させて使用する場合、水素の循環に伴って系内に窒素やCO等の不純物質が蓄積される場合があり、不純物質が過度に蓄積されると水素分圧が降下して燃料電池スタック3の効率低下に繋がると供に、循環ガスの平均質量が増加するため、エゼクタ1での水素循環流量が低下するので、このような場合には、水素パージ弁4を開放して水素をパージすることで、不純物質を水素と共に水素排気流路から系外に排出するのである。また第2に、燃料電池1のセル電圧を回復させるために、ガス流路に詰まった水詰まりを吹き飛ばす。さらに第3に、起動時に水素系を水素で置換するために、水素系内のガスを排出する。   The purge valve 8 plays the following role. First, in order to ensure the hydrogen circulation function, nitrogen accumulated in the hydrogen supply system is discharged. When hydrogen is circulated and used, impurities such as nitrogen and CO may accumulate in the system as the hydrogen circulates. If the impurities accumulate excessively, the hydrogen partial pressure will drop and the fuel will decrease. In addition to reducing the efficiency of the battery stack 3, the average mass of the circulating gas is increased, so that the hydrogen circulation flow rate in the ejector 1 is decreased. Is purged out of the system from the hydrogen exhaust passage together with hydrogen. Second, in order to recover the cell voltage of the fuel cell 1, water clogging in the gas flow path is blown away. Thirdly, in order to replace the hydrogen system with hydrogen at the time of start-up, the gas in the hydrogen system is discharged.

また、排水素処理装置9は、パージ弁8から排出される水素を可燃濃度未満の水素濃度になるように空気で希釈して車外へ排出するか、或いは、水素と空気を反応させて燃焼させることで排出水素濃度を下げる。   Further, the exhaust hydrogen treatment device 9 dilutes the hydrogen discharged from the purge valve 8 with air so that the hydrogen concentration is lower than the flammable concentration, and discharges it outside the vehicle, or causes hydrogen and air to react to burn. This reduces the exhaust hydrogen concentration.

一方、空気供給系においては、カソードへの空気はコンプレッサ10により供給される。加湿装置11は供給する空気を加湿する。カソードの空気圧は、コントローラ30が圧力センサ6bで検出した空気圧力をフィードバックして空気調圧弁12を駆動することによって制御される。   On the other hand, in the air supply system, air to the cathode is supplied by the compressor 10. The humidifier 11 humidifies the supplied air. The air pressure of the cathode is controlled by driving the air pressure regulating valve 12 by feeding back the air pressure detected by the controller 30 with the pressure sensor 6b.

また、本実施例の燃料電池システムでは、燃料電池1を冷却する冷却機構が設けられている。冷却機構は、冷媒を循環させる冷却水循環流路および冷却水ポンプ13を有し、例えば水にエチレングリコール等の凍結防止剤を混入した冷却水を循環させて燃料電池1を冷却し、これを最適な温度に維持する。   In the fuel cell system of this embodiment, a cooling mechanism for cooling the fuel cell 1 is provided. The cooling mechanism has a cooling water circulation channel and a cooling water pump 13 for circulating the refrigerant, and cools the fuel cell 1 by circulating cooling water in which, for example, an anti-freezing agent such as ethylene glycol is mixed in the water. Maintain a suitable temperature.

冷却機構の冷却水循環流路中には、ラジエタ17および該ラジエタ17へ風を通過させて冷却水を冷やすラジエタファン18が設けられている。冷却水循環流路の冷却水温度は、温度センサ14によって燃料電池1入口の温度が、また温度センサ15によって燃料電池1出口の温度がそれぞれ検出されており、これらの検出結果に基づいてコントローラ13によるラジエタファン18の駆動制御により、冷却水温度が所望の温度になるように温度調整される。また、ラジエタ17と並列にラジエタバイパス流路が設けられると共に、分岐部分に三方弁16が設けられており、冷却水の温度に応じてこの三方弁16が動作することで冷却液の流路が切り替えられる。   In the cooling water circulation flow path of the cooling mechanism, there are provided a radiator 17 and a radiator fan 18 that cools the cooling water by passing air through the radiator 17. The temperature of the cooling water in the cooling water circulation channel is detected by the temperature sensor 14 and the temperature of the fuel cell 1 outlet is detected by the temperature sensor 15. The temperature of the fuel cell 1 outlet is detected by the controller 13 based on the detection results. By the drive control of the radiator fan 18, the temperature is adjusted so that the coolant temperature becomes a desired temperature. In addition, a radiator bypass flow path is provided in parallel with the radiator 17, and a three-way valve 16 is provided at a branching portion. The three-way valve 16 operates in accordance with the temperature of the cooling water, so that the flow path of the coolant is changed. Can be switched.

また、負荷系において、出力取出し装置20は、燃料電池1から出力(電流或いは電力)を取り出して車両を駆動するモータ(図示せず)へ供給する。ここで、出力取出し装置20は、可変出力を取り出し可能な構成としても良いし、固定抵抗の接続/非接続により取り出す出力を制御する構成としても良い。   In the load system, the output take-out device 20 takes the output (current or power) from the fuel cell 1 and supplies it to a motor (not shown) that drives the vehicle. Here, the output extraction device 20 may be configured to be able to extract a variable output, or may be configured to control the output to be extracted by connecting / disconnecting a fixed resistor.

さらに、コントローラ30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、水素供給系、空気供給系、冷却機構および負荷系の各種センサや他の各種計器からの検知信号に基づき水素供給系、空気供給系、冷却機構および負荷系の各構成要素の制御を行って(各種アクチュエータを駆動して)、燃料電池システムの発電制御を行う。   Further, the controller 30 is configured as a microcomputer having, for example, a CPU, a ROM, a RAM, a peripheral interface, and the like, and is detected from various sensors of a hydrogen supply system, an air supply system, a cooling mechanism, a load system, and other various instruments. Based on the signal, each component of the hydrogen supply system, air supply system, cooling mechanism, and load system is controlled (by driving various actuators) to control power generation of the fuel cell system.

図2において、コントローラ30は、本発明の特徴的な構成要素として、起動開始トリガ演算部101、ガス供給制御部(ガス供給制御手段)102および出力制御部(出力制御手段)104を備えているが、これらはCPU上で実行されるプログラムの機能的なまとまりを表したものであり、起動開始トリガ演算部101は、イグニッションキー(IGNキー)の操作に基づき当該燃料電池システムの起動開始トリガを演算し、ガス供給制御部102は、起動開始トリガ演算部101の出力に基づいて、起動時に、燃料ガス(水素)および酸化剤ガス(空気)の供給圧力を通常発電時よりも高い圧力に設定してガス供給制御を行ない、出力制御部104は、起動開始トリガ演算部101の出力、並びに、燃料電池1の電圧パラメータを検出する電圧パラメータ検出手段103(図1における電圧センサ21)の出力に基づいて、燃料電池1から取り出す出力を制御する。   In FIG. 2, the controller 30 includes a start start trigger calculation unit 101, a gas supply control unit (gas supply control unit) 102, and an output control unit (output control unit) 104 as characteristic components of the present invention. However, these represent a functional group of programs executed on the CPU, and the activation start trigger calculation unit 101 generates an activation start trigger of the fuel cell system based on the operation of the ignition key (IGN key). Based on the output of the start start trigger calculation unit 101, the gas supply control unit 102 sets the supply pressures of the fuel gas (hydrogen) and the oxidant gas (air) to a pressure higher than that during normal power generation based on the output. Then, the gas supply control is performed, and the output control unit 104 detects the output of the start start trigger calculation unit 101 and the voltage parameter of the fuel cell 1. That on the basis of the output of the voltage parameter detector 103 (voltage sensor 21 in FIG. 1), to control the output extracted from the fuel cell 1.

ここで、電圧パラメータ検出手段103(電圧センサ21)は、燃料電池1を構成する複数のセル群の電圧値について読み取りが可能であり、電圧パラメータとして、燃料電池1の総電圧、燃料電池1を構成する複数のスタック電圧の最大値、或いは、燃料電池1の最大セル電圧を使用する。   Here, the voltage parameter detection means 103 (voltage sensor 21) can read the voltage values of a plurality of cell groups constituting the fuel cell 1, and the total voltage of the fuel cell 1 and the fuel cell 1 are used as voltage parameters. The maximum value of the plurality of stack voltages to be configured or the maximum cell voltage of the fuel cell 1 is used.

また、特許請求の範囲にいう出力制御手段は、出力取出し装置20およびコントローラ30の出力制御部104で実現されており、電圧パラメータ検出手段103で検出した燃料電池1の電圧パラメータが所定の上限電圧よりも低い所定のしきい値電圧に到達したときに、出力取出し装置20による燃料電池1の出力の取り出しを開始して、起動から通常発電開始までの期間は電圧パラメータが所定の上限電圧を超えないように制御する。   The output control means in the claims is realized by the output take-out device 20 and the output control unit 104 of the controller 30, and the voltage parameter of the fuel cell 1 detected by the voltage parameter detection means 103 is a predetermined upper limit voltage. When a predetermined threshold voltage lower than that is reached, the output extraction device 20 starts to extract the output of the fuel cell 1, and the voltage parameter exceeds the predetermined upper limit voltage during the period from the start to the normal power generation Control to not.

次に、以上のように構成される本実施例の燃料電池システムの起動時の運転制御について、図3〜図5のフローチャートおよび図6〜図12の説明図を参照しながら説明する。ここで、図3は燃料電池システムの起動時において通常発電を開始するまでの運転制御を説明するフローチャートであり、図4は電圧パラメータ判定のサブルーチンを説明するフローチャートであり、図5は出力制御のサブルーチンを説明するフローチャートである。   Next, the operation control at the time of starting of the fuel cell system of the present embodiment configured as described above will be described with reference to the flowcharts of FIGS. 3 to 5 and the explanatory diagrams of FIGS. Here, FIG. 3 is a flowchart for explaining operation control until normal power generation is started when the fuel cell system is started, FIG. 4 is a flowchart for explaining a subroutine for voltage parameter determination, and FIG. 5 is a flowchart for output control. It is a flowchart explaining a subroutine.

まず、水素(燃料ガス)供給系の制御を開始し(図3のステップS101)、ガス組成を推定し(ステップS102)、水素および空気のガス圧力・流量制御を開始する(ステップS103)。   First, the control of the hydrogen (fuel gas) supply system is started (step S101 in FIG. 3), the gas composition is estimated (step S102), and the gas pressure / flow rate control of hydrogen and air is started (step S103).

つまり、ガス供給制御部102は、起動開始トリガ演算部101の出力に基づいて、起動時に、燃料ガス(水素)および酸化剤ガス(空気)の供給圧力を通常発電時よりも高い圧力に設定してガス供給制御を行なうが、ここで、ガス組成推定(ステップS102)は、図6に示す「起動時における燃料極の水素濃度と停止時間との関係」や、図7に示す「起動時における燃料極の水素濃度と停止時の燃料電池1の温度との関係」や、或いは、図8に示す「起動時における燃料極の水素濃度以外の成分濃度と水素供給系のトルクまたは電流との関係」を参照して、起動時の燃料電池1の温度に基づき起動時の水素濃度を推定することによってガス組成を推定することができる。   That is, the gas supply control unit 102 sets the supply pressure of the fuel gas (hydrogen) and the oxidant gas (air) to a pressure higher than that during normal power generation at the time of startup based on the output of the startup start trigger calculation unit 101. Here, the gas composition estimation (step S102) is performed in the “relation between the hydrogen concentration of the fuel electrode at the time of start-up and the stop time” shown in FIG. “Relationship between hydrogen concentration in fuel electrode and temperature of fuel cell 1 at stop” or “Relationship between component concentration other than fuel electrode hydrogen concentration at startup and torque or current of hydrogen supply system” shown in FIG. The gas composition can be estimated by estimating the hydrogen concentration at startup based on the temperature of the fuel cell 1 at startup.

次に、電圧パラメータの判定を行う(ステップS104)。本実施例の電圧パラメータ判定は図4に示すサブルーチンに従って処理される。すなわち、検出した燃料電池1の電圧パラメータV1が所定の上限電圧よりも低い所定のしきい値電圧V0maxに到達したか否かを判定するものである。まず、電圧パラメータ検出手段103により燃料電池1の電圧パラメータV1を検出する(図4のステップS201)。次に、電圧パラメータV1がしきい値電圧V0maxを超えたか否かを判断する(ステップS202)。ステップS202の判断で、電圧パラメータV1がしきい値電圧V0maxを超えた場合は判定フラグを1とし(ステップS203)、電圧パラメータV1がしきい値電圧V0max以下である場合は判定フラグ=0として(ステップS204)終了する。   Next, the voltage parameter is determined (step S104). The voltage parameter determination of this embodiment is processed according to the subroutine shown in FIG. That is, it is determined whether or not the detected voltage parameter V1 of the fuel cell 1 has reached a predetermined threshold voltage V0max lower than a predetermined upper limit voltage. First, the voltage parameter detecting means 103 detects the voltage parameter V1 of the fuel cell 1 (step S201 in FIG. 4). Next, it is determined whether or not the voltage parameter V1 exceeds the threshold voltage V0max (step S202). If it is determined in step S202 that the voltage parameter V1 exceeds the threshold voltage V0max, the determination flag is set to 1 (step S203). If the voltage parameter V1 is equal to or lower than the threshold voltage V0max, the determination flag is set to 0 ( Step S204) The process ends.

ここで、電圧パラメータV1は、燃料電池1全体での総電圧でも良いし、燃料電池1が複数のサブスタックから構成されている場合は各サブスタック電圧の最大値でも良い。また、すべてのセル電圧或いはセル群電圧の最大値であっても良い。   Here, the voltage parameter V1 may be the total voltage of the entire fuel cell 1, or may be the maximum value of each sub-stack voltage when the fuel cell 1 is composed of a plurality of sub-stacks. Further, it may be the maximum value of all cell voltages or cell group voltages.

また、しきい値電圧V0maxは、図3のガス組成推定(ステップS102)で推定した起動時の水素濃度に基づいて、図9に示すようなしきい値電圧V0maxと水素濃度との関係を参照して演算することにより求められる。つまり、しきい値電圧V0maxは、起動時の燃料電池1の燃料極における水素濃度が高い場合は低く、該水素濃度が低い場合は高く設定されることとなる。これにより、起動時の水素濃度に対して最適なしきい値電圧V0maxを設定することが可能となり、電圧パラメータV1が所定の上限電圧を超えないようにすることが可能となる。なお、図9のしきい値電圧V0maxと水素濃度との関係は、事前に実験などを行なうことによって設定することができる。   Further, the threshold voltage V0max is referred to the relationship between the threshold voltage V0max and the hydrogen concentration as shown in FIG. 9 based on the hydrogen concentration at the time of startup estimated in the gas composition estimation (step S102) in FIG. It is calculated by calculating. That is, the threshold voltage V0max is set low when the hydrogen concentration at the fuel electrode 1 of the fuel cell 1 at the time of startup is high, and is set high when the hydrogen concentration is low. As a result, it is possible to set the optimum threshold voltage V0max with respect to the hydrogen concentration at the start-up, and it is possible to prevent the voltage parameter V1 from exceeding the predetermined upper limit voltage. The relationship between the threshold voltage V0max and the hydrogen concentration in FIG. 9 can be set by conducting an experiment or the like in advance.

次に、再び図3に戻って、電圧パラメータ判定(ステップS104)の結果である判定フラグが1であるかどうかを判断する(ステップS105)。判定フラグが1である場合は、電圧パラメータV1がしきい値電圧V0maxに到達しており、出力取出し装置20による燃料電池1の出力の取り出しを開始するべく、出力制御(ステップS106)に進むが、判定フラグが0の場合はステップS104に戻って、電圧パラメータV1がしきい値電圧V0maxに達するまで電圧パラメータ判定を繰り返す。   Next, returning to FIG. 3 again, it is determined whether or not the determination flag as a result of the voltage parameter determination (step S104) is 1 (step S105). When the determination flag is 1, the voltage parameter V1 has reached the threshold voltage V0max, and the process proceeds to output control (step S106) in order to start the output extraction of the output of the fuel cell 1 by the output extraction device 20. If the determination flag is 0, the process returns to step S104, and the voltage parameter determination is repeated until the voltage parameter V1 reaches the threshold voltage V0max.

次に、出力取り出しの制御を行う(ステップS106)。出力制御は図5に示すサブルーチンに従って処理される。まず、電圧パラメータ検出手段103により燃料電池1の電圧パラメータV1を検出し(図5のステップS301)、次に目標電圧Vtargを演算し(ステップS302)、さらに出力指令値TPowerを演算して(ステップS303)、出力信号指令を出力する(ステップS304)。   Next, output extraction control is performed (step S106). The output control is processed according to a subroutine shown in FIG. First, the voltage parameter detection means 103 detects the voltage parameter V1 of the fuel cell 1 (step S301 in FIG. 5), then calculates the target voltage Vtarg (step S302), and further calculates the output command value TPower (step S302). In step S303, an output signal command is output (step S304).

ここで、出力指令値TPowerの演算(ステップS303)は、PI制御等によるフィードバック制御を用いて目標電圧Vtargと電圧パラメータV1とから出力指令値TPowerを演算しても良いし、或いは、電圧パラメータV1などに基づいてフィードフォワード的に出力指令値TPowerを演算しても良い。   Here, the calculation of the output command value TPower (step S303) may be performed by calculating the output command value TPower from the target voltage Vtarg and the voltage parameter V1 using feedback control such as PI control, or the voltage parameter V1. The output command value TPower may be calculated in a feed forward manner based on the above.

また、出力指令値TPowerの初期値は、図3のガス組成推定(ステップS102)で推定した起動時の水素濃度に基づき、図10に示す出力初期値Pcと水素濃度との関係を参照して演算することにより求められる。つまり、出力指令値TPowerの初期値は、起動時の燃料電池1の燃料極における水素濃度が高い場合は大きく、該水素濃度が低い場合は小さく設定されることとなる。これにより、起動時の水素濃度に対して最適な出力指令値TPowerを設定することが可能となり、電圧パラメータV1が所定の上限電圧を超えないようにすることが可能となる。なお、出力指令値TPowerは電力であっても電流であっても構わない。   The initial value of the output command value TPower is based on the hydrogen concentration at the time of startup estimated in the gas composition estimation (step S102) in FIG. 3, and refers to the relationship between the output initial value Pc and the hydrogen concentration shown in FIG. It is obtained by calculating. That is, the initial value of the output command value TPower is set large when the hydrogen concentration in the fuel electrode 1 of the fuel cell 1 at the time of startup is high, and is set small when the hydrogen concentration is low. As a result, it is possible to set an optimum output command value TPower for the hydrogen concentration at the time of start-up, and it is possible to prevent the voltage parameter V1 from exceeding a predetermined upper limit voltage. The output command value TPower may be electric power or current.

また、出力信号指令(ステップS304)は、通常、出力取出し装置20に対して出力され、指令に応じた出力を取り出すよう制御されるが、出力取出し装置20として固定抵抗を接続する場合は、出力信号として該固定抵抗をON/OFFする信号を出力する構成としても良い。   The output signal command (step S304) is normally output to the output take-out device 20 and controlled to take out an output corresponding to the command. However, when a fixed resistor is connected as the output take-out device 20, the output signal command (step S304) is output. It may be configured to output a signal for turning on / off the fixed resistor as a signal.

次に、通常発電が可能であるか否かを判断する(ステップS305)。通常発電が可能である場合は通常発電条件フラグを1とし(ステップS306)、通常発電が可能でない場合は通常発電条件フラグを0として(ステップS307)終了する。   Next, it is determined whether or not normal power generation is possible (step S305). If normal power generation is possible, the normal power generation condition flag is set to 1 (step S306). If normal power generation is not possible, the normal power generation condition flag is set to 0 (step S307), and the process ends.

ここで、通常発電が可能であるか否の判断(ステップS305)は、図6に示す起動時における燃料極の水素濃度と停止時間との特性、或いは、図7に示す起動時における燃料極の水素濃度と停止時の燃料電池1の温度との特性とガス供給開始からの時間で判断する。また、図8に示す起動時における燃料極の水素濃度以外の成分濃度と水素供給系のトルクまたは電流との特性を参照して、燃料極のガス組成を時々刻々推定して、その結果から判断するようにしても良い。   Here, whether or not normal power generation is possible (step S305) is determined by the characteristics of the hydrogen concentration and the stop time of the fuel electrode at the time of startup shown in FIG. 6, or the characteristics of the fuel electrode at the time of startup shown in FIG. The determination is based on the characteristics of the hydrogen concentration and the temperature of the fuel cell 1 at the time of stoppage, and the time from the start of gas supply. Further, referring to the characteristics of the component concentration other than the hydrogen concentration of the fuel electrode at the time of start-up shown in FIG. 8 and the torque or current of the hydrogen supply system, the gas composition of the fuel electrode is estimated momentarily and judged from the result. You may make it do.

次に、再び図3に戻って、出力制御(ステップS106)において設定した通常発電条件フラグが1であるかどうかを判断する(ステップS107)。通常発電条件フラグが1である場合は、通常発電が可能であると判断されており、通常発電(ステップS108)に移行するが、通常発電条件フラグが0の場合はステップS106に戻って、通常発電が可能であると判断されるまで出力制御を繰り返す。   Next, returning to FIG. 3 again, it is determined whether or not the normal power generation condition flag set in the output control (step S106) is 1 (step S107). If the normal power generation condition flag is 1, it is determined that normal power generation is possible, and the process proceeds to normal power generation (step S108). If the normal power generation condition flag is 0, the process returns to step S106, Output control is repeated until it is determined that power generation is possible.

最後に、通常の発電制御を開始し(ステップS108)、起動を完了する。   Finally, normal power generation control is started (step S108), and the activation is completed.

図11には、以上説明した本実施例の燃料電池システムにおける起動時の動作制御を用いた場合の(a)ガス制御系の空気圧力および水素圧力並びに水素循環ポンプ回転数、(b)アノード系(燃料極)水素濃度、(c)燃料電池1の電圧、(d)燃料電池1の電流それぞれの時間変化を示す。また、本実施例と対比するために従来の技術による同様の説明図を図12に示す。   FIG. 11 shows (a) the air pressure and hydrogen pressure of the gas control system and the rotation speed of the hydrogen circulation pump, and (b) the anode system when the operation control at the start-up in the fuel cell system of the present embodiment described above is used. (Fuel electrode) Hydrogen concentration, (c) Fuel cell 1 voltage, (d) Fuel cell 1 current change over time. For comparison with the present embodiment, a similar explanatory diagram according to the prior art is shown in FIG.

従来の技術(図12)においては、起動時に水素循環装置を回した後に水素圧力を上げ、アノード系(燃料極)内の水素濃度を一気に上昇させると同時に、空気圧力も上げることで膜間差圧を守るように運転している。しかしながら、水素と空気を同時に供給していることから、通常発電前の状態であっても燃料電池に開放端電圧が立つとともに、加圧による電圧のオーバーシュートが生じて、図中の時間T11〜T12のように燃料電池電圧が上限値を超え、燃料電池の劣化を促進してしまう可能性がある。   In the prior art (FIG. 12), the hydrogen pressure is increased after turning the hydrogen circulation device at start-up, the hydrogen concentration in the anode system (fuel electrode) is increased at once, and at the same time, the air pressure is increased to increase the transmembrane pressure difference. Driving to protect. However, since hydrogen and air are supplied at the same time, an open-ended voltage is generated in the fuel cell even in a state before normal power generation, and an overshoot of the voltage due to pressurization occurs. As in T12, the fuel cell voltage may exceed the upper limit value, which may promote deterioration of the fuel cell.

これに対して、本実施例(図11)においては、水素と空気を供給して圧力を上げた後に、燃料電池1の電圧が所定のしきい値に到達した時点で、燃料電池1から所定の電流を取り出すことで、燃料電池1の電圧が上昇して上限電圧を超えることを防止する。これにより、燃料電池内を水素フロントが通過している際に、同時に電圧過大が生じて燃料電池1が劣化することを抑制することができる。   On the other hand, in this embodiment (FIG. 11), after hydrogen and air are supplied and the pressure is increased, when the voltage of the fuel cell 1 reaches a predetermined threshold value, the fuel cell 1 receives a predetermined value. By taking out this current, the voltage of the fuel cell 1 is prevented from rising and exceeding the upper limit voltage. Thereby, when the hydrogen front is passing through the fuel cell, it is possible to prevent the fuel cell 1 from being deteriorated due to an excessive voltage at the same time.

以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、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1と、燃料電池1に水素を供給する水素供給系と、燃料電池1に空気を供給する空気供給系と、起動時に、水素および空気の供給圧力を通常発電時よりも高い圧力に設定するガス供給制御部102と、燃料電池1の電圧パラメータを検出する電圧パラメータ検出手段103(電圧センサ21)と、電圧パラメータ検出手段103で検出した燃料電池1の電圧パラメータV1が所定の上限電圧よりも低い所定のしきい値電圧V0maxに到達したときに、燃料電池1の出力の取り出しを開始して、起動から通常発電開始までの期間は電圧パラメータV1が所定の上限電圧を超えないように制御する出力制御手段(出力取出し装置20およびコントローラ30の出力制御部104)と、を備えて構成する。   As described above, in the fuel cell system of this embodiment, the fuel cell 1 that generates power by supplying fuel gas (hydrogen) and oxidant gas (air), and the hydrogen supply system that supplies hydrogen to the fuel cell 1 An air supply system for supplying air to the fuel cell 1, a gas supply control unit 102 for setting the supply pressure of hydrogen and air to a pressure higher than that during normal power generation at startup, and a voltage parameter of the fuel cell 1 are detected When the voltage parameter detection means 103 (voltage sensor 21) and the voltage parameter V1 of the fuel cell 1 detected by the voltage parameter detection means 103 reach a predetermined threshold voltage V0max lower than a predetermined upper limit voltage, the fuel cell Output control means for controlling the voltage parameter V1 so as not to exceed a predetermined upper limit voltage during the period from the start of the output of 1 to the start of normal power generation And out the output control unit 104 of the device 20 and controller 30) are configured with a.

このように、起動開始トリガに基づいてガス供給を制御する際にガス圧力を高い圧力に制御して起動を行なうと共に、検出した電圧パラメータV1が上限電圧よりも低い所定のしきい値電圧V0maxに到達したら出力を取り出す制御を開始することによって、起動から通常発電開始までの期間は電圧パラメータV1が所定の上限電圧を超えないように制御する構成であるため、高圧起動を行なう場合に、燃料電池1の電気化学的な反応の遅れや出力取出し装置20の応答遅れなどが電圧のオーバーシュートに与える影響が無視できないとしても、燃料電池1の総電圧が過大となって劣化することを防止することができ、また、出力取出し装置20の入力電圧が過大となることを防止できる。結果として、起動時に燃料電池の膜間差圧を抑制すると共に、起動時の燃料電池の過電圧を抑制して燃料電池の劣化を抑制し得る燃料電池システムを実現することができる。   As described above, when the gas supply is controlled based on the start trigger, the start is performed by controlling the gas pressure to a high pressure, and the detected voltage parameter V1 is set to a predetermined threshold voltage V0max lower than the upper limit voltage. Since the control is performed so that the voltage parameter V1 does not exceed a predetermined upper limit voltage during the period from the start to the start of normal power generation by starting the control for taking out the output when it reaches the fuel cell. 1. Even if the influence of the electrochemical reaction delay of 1 or the response delay of the output take-out device 20 on the voltage overshoot cannot be ignored, it is prevented that the total voltage of the fuel cell 1 is excessively deteriorated. In addition, the input voltage of the output extraction device 20 can be prevented from becoming excessive. As a result, it is possible to realize a fuel cell system that can suppress the transmembrane pressure difference of the fuel cell at the start-up and suppress the overvoltage of the fuel cell at the start-up to suppress the deterioration of the fuel cell.

また、本実施例の燃料電池システムでは、出力制御手段において、燃料電池1の電圧パラメータV1が上限電圧以下の所定の目標電圧となるように、フィードバック制御により燃料電池1から取り出す出力を制御するので、確実に上限電圧を超えないように制御することが可能となる。   In the fuel cell system of this embodiment, the output control means controls the output taken out from the fuel cell 1 by feedback control so that the voltage parameter V1 of the fuel cell 1 becomes a predetermined target voltage equal to or lower than the upper limit voltage. Thus, it is possible to control so as not to exceed the upper limit voltage.

また、本実施例の燃料電池システムでは、出力制御手段において、フィードフォワード制御により燃料電池1から取り出す出力を制御することとし、通常発電を開始するまではフィードフォワード的に出力を決定するため、より簡単な構成で上限電圧を超えないように制御することが可能となる。   In the fuel cell system of the present embodiment, the output control means controls the output taken out from the fuel cell 1 by feedforward control, and determines the output in a feedforward manner until normal power generation is started. It is possible to control so as not to exceed the upper limit voltage with a simple configuration.

また、本実施例の燃料電池システムでは、出力制御手段において、燃料電池1から取り出す出力を、起動時の燃料電池1の燃料極における燃料ガス(水素)濃度が高い場合は大きく、該燃料ガス(水素)濃度が低い場合は小さく設定するので、起動時の燃料極のガス組成によって電圧上昇速度が異なり、そのため燃料電池1の電気化学的な反応の遅れや出力取出し装置20の応答遅れなどが電圧のオーバーシュートに与える影響が無視できないとしても、確実に上限電圧を超えないように制御することが可能となる。   In the fuel cell system of the present embodiment, the output extracted from the fuel cell 1 by the output control means is large when the fuel gas (hydrogen) concentration at the fuel electrode of the fuel cell 1 at the time of startup is high, and the fuel gas ( When the concentration of hydrogen is low, it is set to a small value, so that the rate of voltage increase differs depending on the gas composition of the fuel electrode at the time of startup. Therefore, the electrochemical reaction delay of the fuel cell 1 and the response delay of the output extraction device 20 Even if the influence on the overshoot cannot be ignored, it is possible to control so as not to exceed the upper limit voltage.

また、本実施例の燃料電池システムでは、出力制御手段に可変出力を取り出し可能な出力取出し装置20を備えているので、フィードバックによる取り出し制御や、一定の出力を燃料ガス濃度に応じて変更するなど、自由な設定が可能となる。また、取り出した出力を発電システムのバッテリに蓄えることができるため、エネルギを効率的に用いることができる。また、固定抵抗の接続/非接続により取り出す出力を制御する出力取出し装置20とした場合には、より単純な構成により実現することが可能となる。   Further, in the fuel cell system of the present embodiment, the output control means includes the output take-out device 20 that can take out the variable output, so that take-out control by feedback, a constant output is changed according to the fuel gas concentration, etc. Free setting is possible. Moreover, since the extracted output can be stored in the battery of the power generation system, energy can be used efficiently. Further, in the case of the output extraction device 20 that controls the output extracted by connecting / disconnecting the fixed resistor, it can be realized with a simpler configuration.

また、本実施例の燃料電池システムでは、出力制御手段において、しきい値電圧V0maxを、起動時の燃料電池1の燃料極における燃料ガス(水素)濃度が高い場合は低く、該燃料ガス(水素)濃度が低い場合は高く設定するので、起動時の燃料極のガス組成によって電圧上昇速度が異なり、そのため燃料電池1の電気化学的な反応の遅れや出力取り出し装置の応答遅れなどが電圧のオーバーシュートに与える影響が無視できないとしても、確実に上限電圧を超えないように制御することが可能となる。   Further, in the fuel cell system of the present embodiment, in the output control means, the threshold voltage V0max is low when the fuel gas (hydrogen) concentration in the fuel electrode of the fuel cell 1 at the time of startup is high, and the fuel gas (hydrogen) ) Since the voltage rise speed differs depending on the gas composition of the fuel electrode at the start-up because the concentration is low, the voltage rise rate varies depending on the electrochemical reaction delay of the fuel cell 1 and the response delay of the output extraction device. Even if the influence on the chute cannot be ignored, it is possible to control so as not to exceed the upper limit voltage.

また、本実施例の燃料電池システムでは、燃料電池1の燃料極における燃料ガス(水素)濃度を、少なくとも当該燃料電池システムの停止していた時間、前回停止時の燃料電池1の温度、起動時の燃料ガス循環装置(水素循環系)の駆動トルク、或いは、起動時の燃料ガス循環装置(水素循環系)の消費電流から推定して求めるので、簡単な演算で精度良く燃料ガス(水素)濃度を推定することが可能となる。   In the fuel cell system of the present embodiment, the fuel gas (hydrogen) concentration at the fuel electrode of the fuel cell 1 is set to at least the time during which the fuel cell system is stopped, the temperature of the fuel cell 1 at the previous stop, The fuel gas (hydrogen) concentration can be accurately calculated by simple calculation because it is estimated from the drive torque of the fuel gas circulation device (hydrogen circulation system) or the current consumption of the fuel gas circulation device (hydrogen circulation system) at startup. Can be estimated.

また、本実施例の燃料電池システムでは、電圧パラメータV1として燃料電池1の総電圧を用いた場合には、容易な演算で確実に、電圧過大による燃料電池の劣化を抑制することができる。また、電圧パラメータV1として燃料電池1を構成する複数のスタック電圧の最大値或いは燃料電池1の最大セル電圧を用いた場合にも、容易な演算で確実に、電圧過大による燃料電池の劣化を抑制することができる。   Further, in the fuel cell system of the present embodiment, when the total voltage of the fuel cell 1 is used as the voltage parameter V1, the deterioration of the fuel cell due to excessive voltage can be surely suppressed with an easy calculation. In addition, even when the maximum value of a plurality of stack voltages constituting the fuel cell 1 or the maximum cell voltage of the fuel cell 1 is used as the voltage parameter V1, the deterioration of the fuel cell due to the excessive voltage is surely suppressed by simple calculation. can do.

次に、本発明の実施例2に係る燃料電池システムについて説明する。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および図2)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 according to Example 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 (FIGS. 1 and 2), and a specific description of each component is omitted.

ただし、実施例1では、起動シーケンス中に電圧パラメータV1がしきい値電圧V0maxに到達したら出力を取り出す制御を開始したのに対し、本実施例では、起動シーケンス中に第1の電圧パラメータが所定値に到達し、かつ第2の電圧パラメータが所定の最低値を満たしたら出力を取り出す制御を開始する。   However, in the first embodiment, the control for extracting the output is started when the voltage parameter V1 reaches the threshold voltage V0max during the startup sequence, whereas in the present embodiment, the first voltage parameter is set to a predetermined value during the startup sequence. When the value is reached and the second voltage parameter satisfies a predetermined minimum value, control for extracting the output is started.

つまり、電圧パラメータ検出手段103(電圧センサ21)が検出する第1の電圧パラメータを、燃料電池1の総電圧、燃料電池1を構成する複数のスタック電圧の最大値、或いは、燃料電池1の最大セル電圧とし、第2の電圧パラメータを、燃料電池1を構成する複数のスタック電圧の最小値、或いは、燃料電池1の最小セル電圧)とし、出力制御手段(出力取出し装置20およびコントローラ30の出力制御部104)において、第1の電圧パラメータが第1しきい値電圧に達し、かつ第2の電圧パラメータが所定の下限電圧(第2しきい値電圧)を上回ったときに燃料電池1の出力の取り出しを開始する点が実施例1とは異なる。   That is, the first voltage parameter detected by the voltage parameter detecting means 103 (voltage sensor 21) is the total voltage of the fuel cell 1, the maximum value of a plurality of stack voltages constituting the fuel cell 1, or the maximum value of the fuel cell 1. The cell voltage is set, and the second voltage parameter is set to the minimum value of a plurality of stack voltages constituting the fuel cell 1 or the minimum cell voltage of the fuel cell 1, and output control means (outputs of the output extraction device 20 and the controller 30). In the control unit 104), the output of the fuel cell 1 when the first voltage parameter reaches the first threshold voltage and the second voltage parameter exceeds a predetermined lower limit voltage (second threshold voltage). This is different from the first embodiment in that the take-out operation is started.

次に、本実施例の燃料電池システムの起動時の運転制御について、図3、図13および図5のフローチャートを参照しながら説明する。ここで、図13は実施例2における電圧パラメータ判定のサブルーチンを説明するフローチャートである。   Next, the operation control at the time of starting the fuel cell system of the present embodiment will be described with reference to the flowcharts of FIGS. 3, 13, and 5. FIG. 13 is a flowchart for explaining a voltage parameter determination subroutine according to the second embodiment.

本実施例では、図3のフローチャートにおけるステップS104の電圧パラメータ判定を、図13に示すサブルーチンに従って処理することとなる。   In this embodiment, the voltage parameter determination in step S104 in the flowchart of FIG. 3 is processed according to the subroutine shown in FIG.

実施例1と同様に、まず、水素(燃料ガス)供給系の制御を開始し(図3のステップS101)、ガス組成を推定し(ステップS102)、水素および空気のガス圧力・流量制御を開始する(ステップS103)。   As in the first embodiment, first, the control of the hydrogen (fuel gas) supply system is started (step S101 in FIG. 3), the gas composition is estimated (step S102), and the gas pressure / flow rate control of hydrogen and air is started. (Step S103).

次に、電圧パラメータの判定を行う(ステップS104)。図13において、まず、電圧パラメータ検出手段103により燃料電池1の第1および第2の電圧パラメータV1およびV2を検出する(ステップS401)。次に、第1の電圧パラメータV1が第1しきい値電圧V0maxを超えたか否かを判断する(ステップS402)。ステップS402の判断で、第1の電圧パラメータV1が第1しきい値電圧V0maxを超えた場合はステップS403に進んで、第2の電圧パラメータV2が第2しきい値電圧V0minを超えたか否かを判断する(ステップS403)。   Next, the voltage parameter is determined (step S104). In FIG. 13, first, the voltage parameter detection means 103 detects the first and second voltage parameters V1 and V2 of the fuel cell 1 (step S401). Next, it is determined whether or not the first voltage parameter V1 exceeds the first threshold voltage V0max (step S402). If it is determined in step S402 that the first voltage parameter V1 exceeds the first threshold voltage V0max, the process proceeds to step S403, and whether or not the second voltage parameter V2 exceeds the second threshold voltage V0min. Is determined (step S403).

ステップS403の判断で、第2の電圧パラメータV2が第2しきい値電圧V0minを超えた場合、即ち、第1の電圧パラメータV1が第1しきい値電圧V0maxを超え、且つ第2の電圧パラメータV2が第2しきい値電圧V0minを超えた場合には、判定フラグを1とし(ステップS404)、ステップS402の判断で電圧パラメータV1がしきい値電圧V0max以下である場合、または第2の電圧パラメータV2が第2しきい値電圧V0min以下である場合には、判定フラグ=0として(ステップS405)終了する。   If it is determined in step S403 that the second voltage parameter V2 exceeds the second threshold voltage V0min, that is, the first voltage parameter V1 exceeds the first threshold voltage V0max, and the second voltage parameter If V2 exceeds the second threshold voltage V0min, the determination flag is set to 1 (step S404). If the voltage parameter V1 is equal to or lower than the threshold voltage V0max in the determination in step S402, or the second voltage If the parameter V2 is less than or equal to the second threshold voltage V0min, the determination flag = 0 is set (step S405) and the process ends.

ここで、第1の電圧パラメータV1は、燃料電池1全体での総電圧でも良いし、燃料電池1が複数のサブスタックから構成されている場合は各サブスタック電圧の最大値でも良い。また、すべてのセル電圧或いはセル群電圧の最大値であっても良い。また、第2の電圧パラメータV2は、燃料電池1が複数のサブスタックから構成されている場合は各サブスタック電圧の最小値でも良いし、すべてのセル電圧あるいはセル群電圧の最小値であっても良い。   Here, the first voltage parameter V1 may be the total voltage of the entire fuel cell 1, or may be the maximum value of each substack voltage when the fuel cell 1 is composed of a plurality of substacks. Further, it may be the maximum value of all cell voltages or cell group voltages. The second voltage parameter V2 may be the minimum value of each substack voltage when the fuel cell 1 is composed of a plurality of substacks, or the minimum value of all cell voltages or cell group voltages. Also good.

また、第1しきい値電圧V0maxは、第1実施例のしきい値電圧V0maxと同様に、図3のガス組成推定(ステップS102)で推定した起動時の水素濃度に基づいて、図9に示すようなしきい値電圧V0maxと水素濃度との関係を参照して演算することにより求められる。これにより、起動時の水素濃度に対して最適なしきい値電圧V0maxを設定することが可能となり、電圧パラメータV1が所定の上限電圧を超えないようにすることが可能となる。なお、図9のしきい値電圧V0maxと水素濃度との関係は、事前に実験などを行なうことによって設定することができる。   Further, the first threshold voltage V0max is similar to the threshold voltage V0max of the first embodiment, based on the hydrogen concentration at startup estimated in the gas composition estimation (step S102) in FIG. It is obtained by calculating with reference to the relationship between the threshold voltage V0max and the hydrogen concentration as shown. As a result, it is possible to set the optimum threshold voltage V0max with respect to the hydrogen concentration at the start-up, and it is possible to prevent the voltage parameter V1 from exceeding the predetermined upper limit voltage. The relationship between the threshold voltage V0max and the hydrogen concentration in FIG. 9 can be set by conducting an experiment or the like in advance.

また、第2しきい値電圧V0minは、サブスタックの最小電圧や、セル或いはセル群の最小電圧がこの値を下回ったまま出力を取り出すと燃料電池が劣化する、という電圧値に基づいて決定すればよい。この値も、事前に実験などを行なうことによって設定することができる。   The second threshold voltage V0min is determined based on a voltage value that the fuel cell deteriorates when the output is taken out while the minimum voltage of the sub stack or the minimum voltage of the cell or the cell group is lower than this value. That's fine. This value can also be set by conducting an experiment or the like in advance.

次に、再び図3に戻って、電圧パラメータ判定(ステップS104)の結果である判定フラグが1であるかどうかを判断する(ステップS105)。判定フラグが1である場合は、出力取出し装置20による燃料電池1の出力の取り出しを開始するべく、出力制御(ステップS106)に進むが、判定フラグが0の場合はステップS104に戻って、電圧パラメータV1がしきい値電圧V0maxに達するまで電圧パラメータ判定を繰り返す。   Next, returning to FIG. 3 again, it is determined whether or not the determination flag as a result of the voltage parameter determination (step S104) is 1 (step S105). When the determination flag is 1, the output extraction device 20 proceeds to output control (step S106) to start extraction of the output of the fuel cell 1, but when the determination flag is 0, the process returns to step S104 to The voltage parameter determination is repeated until the parameter V1 reaches the threshold voltage V0max.

次に、出力取り出しの制御を行う(ステップS106)。出力制御は、実施例1と同様に図5に示すサブルーチンに従って処理される。   Next, output extraction control is performed (step S106). The output control is processed according to the subroutine shown in FIG.

次に、出力制御(ステップS106)において設定した通常発電条件フラグが1であるかどうかを判断する(ステップS107)。通常発電条件フラグが1である場合は、通常発電が可能であると判断されており、通常発電(ステップS108)に移行するが、通常発電条件フラグが0の場合はステップS106に戻って、通常発電が可能であると判断されるまで出力制御を繰り返す。   Next, it is determined whether or not the normal power generation condition flag set in the output control (step S106) is 1 (step S107). If the normal power generation condition flag is 1, it is determined that normal power generation is possible, and the process proceeds to normal power generation (step S108). If the normal power generation condition flag is 0, the process returns to step S106, Output control is repeated until it is determined that power generation is possible.

最後に、通常の発電制御を開始し(ステップS108)、起動を完了する。   Finally, normal power generation control is started (step S108), and the activation is completed.

以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、電圧パラメータとして、燃料電池1を構成する複数のスタック電圧の最大値および最小値を用い、出力制御手段において、最大値が第1しきい値電圧V0maxに達し、かつ最小値が所定の下限電圧(第2しきい値電圧V0min)を上回ったときに燃料電池1の出力の取り出しを開始するので、電圧過大による燃料電池1の劣化と、セルの転極に伴う燃料電池1の劣化の両方を同時に抑制することができる。   As described above, in the fuel cell system of the present embodiment, the maximum value and the minimum value of the plurality of stack voltages constituting the fuel cell 1 are used as the voltage parameters, and the maximum value is set to the first threshold value in the output control means. Since the output of the fuel cell 1 is started when the value voltage V0max is reached and the minimum value exceeds a predetermined lower limit voltage (second threshold voltage V0min), the deterioration of the fuel cell 1 due to excessive voltage, Both deterioration of the fuel cell 1 accompanying cell reversal can be suppressed simultaneously.

また、本実施例の燃料電池システムでは、電圧パラメータとして、燃料電池1の最大セル電圧および最小セル電圧を用い、出力制御手段において、最大セル電圧が第1しきい値電圧V0maxに達し、かつ最小セル電圧が所定の下限電圧(第2しきい値電圧V0min)を上回ったときに燃料電池1の出力の取り出しを開始するので、電圧過大による燃料電池の劣化と、セルの転極に伴う燃料電池の劣化の両方を同時に抑制することができる。   Further, in the fuel cell system of the present embodiment, the maximum cell voltage and the minimum cell voltage of the fuel cell 1 are used as voltage parameters, and the maximum cell voltage reaches the first threshold voltage V0max and is minimum in the output control means. Since the output of the fuel cell 1 is started when the cell voltage exceeds a predetermined lower limit voltage (second threshold voltage V0min), the fuel cell is deteriorated due to excessive voltage, and the fuel cell accompanying cell reversal. It is possible to simultaneously suppress both of the deteriorations.

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。1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. コントローラ30の構成図である。2 is a configuration diagram of a controller 30. FIG. 燃料電池システムの起動時において通常発電を開始するまでの運転制御を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the operation control until normal power generation is started at the time of starting of the fuel cell system. 電圧パラメータ判定のサブルーチンを説明するフローチャート(実施例1)である。6 is a flowchart for explaining a voltage parameter determination subroutine (Example 1); 出力制御のサブルーチンを説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the subroutine of output control. 起動時における燃料極の水素濃度と停止時間との関係を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the relationship between the hydrogen concentration of the fuel electrode at the time of starting, and stop time. 起動時における燃料極の水素濃度と停止時の燃料電池1の温度との関係を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the relationship between the hydrogen concentration of the fuel electrode at the time of starting, and the temperature of the fuel cell 1 at the time of a stop. 起動時における燃料極の水素濃度以外の成分濃度と水素供給系のトルクまたは電流との関係を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the relationship between component concentration other than the hydrogen concentration of a fuel electrode at the time of starting, and the torque or electric current of a hydrogen supply system. しきい値電圧V0maxと水素濃度との関係を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the relationship between threshold voltage V0max and hydrogen concentration. 出力初期値Pcと水素濃度との関係を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the relationship between the output initial value Pc and hydrogen concentration. 実施例の燃料電池システムにおける起動時の動作制御を用いた場合の(a)ガス制御系の空気圧力および水素圧力並びに水素循環ポンプ回転数、(b)アノード系(燃料極)水素濃度、(c)燃料電池1の電圧、(d)燃料電池1の電流それぞれの時間変化を説明する説明図である。(A) The air pressure and hydrogen pressure of the gas control system and the rotation speed of the hydrogen circulation pump, (b) the anode system (fuel electrode) hydrogen concentration, (c) It is explanatory drawing explaining the time change of the voltage of the fuel cell 1, and (d) each current of the fuel cell 1. FIG. 従来の技術による起動時の動作制御を用いた場合の説明図である。It is explanatory drawing at the time of using the operation control at the time of starting by the prior art. 電圧パラメータ判定のサブルーチンを説明するフローチャート(実施例2)である。10 is a flowchart for explaining a subroutine for voltage parameter determination (second embodiment).

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池
2 水素タンク
3 水素タンク元弁
4 減圧弁
5 水素供給弁
6a,6b 圧力センサ
7 水素循環装置
8 パージ弁
9 排水素処理装置
10 コンプレッサ
11 加湿装置
12 空気調圧弁
13 冷却水ポンプ
14,15 温度センサ
16 三方弁
17 ラジエタ
18 ラジエタファン
20 出力取出し装置(出力制御手段)
21 電圧センサ(電圧パラメータ検出手段)
30 コントローラ
101 起動開始トリガ演算部
102 ガス供給制御部(ガス供給制御手段)
103 電圧パラメータ検出手段
104 出力制御部(出力制御手段)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell 2 Hydrogen tank 3 Hydrogen tank main valve 4 Pressure reducing valve 5 Hydrogen supply valve 6a, 6b Pressure sensor 7 Hydrogen circulation device 8 Purge valve 9 Exhaust hydrogen treatment device 10 Compressor 11 Humidifier 12 Air pressure adjustment valve 13 Cooling water pump 14 15 Temperature sensor 16 Three-way valve 17 Radiator 18 Radiator fan 20 Output extraction device (output control means)
21 Voltage sensor (voltage parameter detection means)
30 controller 101 start start trigger calculation unit 102 gas supply control unit (gas supply control means)
103 Voltage parameter detection means 104 Output control unit (output control means)

Claims (13)

燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池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、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの供給圧力を通常発電時よりも高い圧力に設定するガス供給制御手段と、
前記燃料電池の電圧パラメータを検出する電圧パラメータ検出手段と、
前記電圧パラメータ検出手段で検出した前記燃料電池の電圧パラメータが所定の上限電圧よりも低い所定のしきい値電圧に到達したときに、前記燃料電池の出力の取り出しを開始して、起動から通常発電開始までの期間は前記電圧パラメータが所定の上限電圧を超えないように制御する出力制御手段と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell that generates power by supplying fuel gas and oxidant gas;
Fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel cell;
An oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the fuel cell;
Gas supply control means for setting the supply pressure of the fuel gas and the oxidant gas to a pressure higher than that during normal power generation at startup;
Voltage parameter detecting means for detecting a voltage parameter of the fuel cell;
When the voltage parameter of the fuel cell detected by the voltage parameter detection means reaches a predetermined threshold voltage lower than a predetermined upper limit voltage, the output of the fuel cell is started and normal power generation is started from the start. Output control means for controlling the voltage parameter so as not to exceed a predetermined upper limit voltage during a period until the start;
A fuel cell system comprising:
前記出力制御手段は、前記燃料電池の電圧パラメータが前記上限電圧以下の所定の目標電圧となるように、フィードバック制御により前記燃料電池から取り出す出力を制御する ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。   2. The output control unit controls output output from the fuel cell by feedback control so that a voltage parameter of the fuel cell becomes a predetermined target voltage equal to or lower than the upper limit voltage. 3. Fuel cell system. 前記出力制御手段は、フィードフォワード制御により前記燃料電池から取り出す出力を制御することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the output control unit controls an output to be extracted from the fuel cell by feedforward control. 前記出力制御手段は、前記燃料電池から取り出す出力を、起動時の前記燃料電池の燃料極における燃料ガス濃度が高い場合は大きく、該燃料ガス濃度が低い場合は小さく設定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。   The output control means sets the output taken out from the fuel cell to be large when the fuel gas concentration at the fuel electrode of the fuel cell at the time of start-up is high, and to be small when the fuel gas concentration is low. Item 4. The fuel cell system according to Item 3. 前記出力制御手段は、可変出力を取り出し可能な出力取出し装置を備え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。   The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the output control means includes an output extraction device capable of extracting a variable output. 前記出力制御手段は、固定抵抗の接続/非接続により取り出す出力を制御する出力取出し装置を備えることを特徴とする請求項1、請求項3または請求項4の何れか1項に記載の燃料電池システム。   5. The fuel cell according to claim 1, wherein the output control means includes an output extraction device that controls an output to be extracted by connecting / disconnecting a fixed resistor. system. 前記出力制御手段は、前記しきい値電圧を、起動時の前記燃料電池の燃料極における燃料ガス濃度が高い場合は低く、該燃料ガス濃度が低い場合は高く設定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。   The output control means sets the threshold voltage to be low when the fuel gas concentration at the fuel electrode of the fuel cell at startup is high, and to be high when the fuel gas concentration is low. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6. 前記燃料電池の燃料極における燃料ガス濃度は、少なくとも当該燃料電池システムの停止していた時間、前回停止時の前記燃料電池の温度、起動時の前記燃料ガス循環装置の駆動トルク、或いは、起動時の前記燃料ガス循環装置の消費電流から推定して求め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。   The fuel gas concentration at the fuel electrode of the fuel cell is at least the time during which the fuel cell system has been stopped, the temperature of the fuel cell at the previous stop, the drive torque of the fuel gas circulation device at the start, or the start The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7, wherein the fuel cell system is obtained by estimating the current consumption of the fuel gas circulation device. 前記電圧パラメータは、前記燃料電池の総電圧であることを特徴とする請求項1〜請求項8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 8, wherein the voltage parameter is a total voltage of the fuel cell. 前記電圧パラメータは、前記燃料電池を構成する複数のスタック電圧の最大値であることを特徴とする請求項1〜請求項8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 8, wherein the voltage parameter is a maximum value of a plurality of stack voltages constituting the fuel cell. 前記電圧パラメータは、前記燃料電池の最大セル電圧であることを特徴とする請求項1〜請求項8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 8, wherein the voltage parameter is a maximum cell voltage of the fuel cell. 前記電圧パラメータは、前記燃料電池を構成する複数のスタック電圧の最大値および最小値であり、
前記出力制御手段は、前記最大値が前記しきい値電圧に達し、かつ前記最小値が所定の下限電圧を上回ったときに前記燃料電池の出力の取り出しを開始することを特徴とする請求項1〜請求項8の何れか1項に記載の燃料電池システム。
The voltage parameter is a maximum value and a minimum value of a plurality of stack voltages constituting the fuel cell,
The output control means starts taking out an output of the fuel cell when the maximum value reaches the threshold voltage and the minimum value exceeds a predetermined lower limit voltage. The fuel cell system according to any one of claims 8 to 9.
前記電圧パラメータは、前記燃料電池の最大セル電圧および最小セル電圧であり、
前記出力制御手段は、前記最大セル電圧が前記しきい値電圧に達し、かつ前記最小セル電圧が所定の下限電圧を上回ったときに前記燃料電池の出力の取り出しを開始することを特徴とする請求項1〜請求項8の何れか1項に記載の燃料電池システム。
The voltage parameter is a maximum cell voltage and a minimum cell voltage of the fuel cell;
The output control means starts taking out the output of the fuel cell when the maximum cell voltage reaches the threshold voltage and the minimum cell voltage exceeds a predetermined lower limit voltage. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 8.
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