JP2007165082A - Fuel cell system - Google Patents

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勝 岡本
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To appropriately judge whether the starting of a system is continued or not, and prevent unnecessary stop of the system. <P>SOLUTION: Whether starting of a fuel cell stack of a fuel cell system is capable of continuing or not is diagnosed, based on the judgement whether the voltage of a fuel cell stack 4 reaches a prescribed voltage threshold value (VTh) or not within a prescribed time threshold value (Tth) from immediately after hydrogen and air are supplied to the fuel cell stack 4 to the temperature of the fuel cell stack 4 immediately after the fuel cell system is started and hydrogen and air are supplied to the fuel cell stack 4. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、システム起動後の電圧立ち上がりの応答性に基づいて起動可否を診断する燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system for diagnosing whether or not activation is possible based on responsiveness of voltage rise after system activation.

従来、燃料電池システムの運転状態を診断する技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている(特許文献1、2参照)。特許文献1に記載された技術は、燃料電池システムの多数のセルを複数のセルグループに分け、セルグループ毎の出力電圧を計測し、出力電圧の平均電圧、出力電圧の電圧ばらつき、および出力電圧に基づいて、水分の過剰、電解質膜の乾燥、ならびに燃料ガスの供給量不足を推定している。これにより、燃料電池内の温度分布にかかわらず、燃料電池の上記運転状態を正確に推定することを可能にしている。   Conventionally, as a technique for diagnosing the operating state of a fuel cell system, for example, those described in the following documents are known (see Patent Documents 1 and 2). The technology described in Patent Document 1 divides a large number of cells of a fuel cell system into a plurality of cell groups, measures an output voltage for each cell group, averages output voltages, voltage variations in output voltages, and output voltages. Based on the above, excess water, drying of the electrolyte membrane, and insufficient supply of fuel gas are estimated. This makes it possible to accurately estimate the operating state of the fuel cell regardless of the temperature distribution in the fuel cell.

また、特許文献2に記載された技術には、燃料電池の劣化抑制の観点から、凍結が生じる可能性がある低温時には、燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスを供給した後に電流を取り出し、電圧が立ち上がる際の応答性に基づいて、その後に燃料電池から取り出す電流の最適値を決定している。
特開2004−127915 特開2005−071626
Further, in the technique described in Patent Document 2, from the viewpoint of suppressing deterioration of the fuel cell, at a low temperature where freezing may occur, the current is taken out after supplying the fuel gas and the oxidant gas to the fuel cell, and the voltage The optimum value of the current to be taken out from the fuel cell thereafter is determined based on the responsiveness at the time of starting up.
JP2004-127915 JP2005-071626

上記特許文献1に記載の技術においては、燃料電池システムを起動後出力電圧が立ち上がる際の応答性を観測していなかった。このため、システムの低温起動時に燃料ガスと酸化剤ガスの反応ガスを燃料電池スタックに供給したときに、燃料電池スタック内部で低温部分が生じていることによる出力電圧の立ち上がり遅れを検知できなかった。これにより、出力電圧の立ち上がり遅れをシステムの異常として誤判定するおそれがあった。誤判定が生じると、システムの起動継続が不可能であると判断されて、システムに異常が発生していないにもかかわらずシステムが停止されるといった不具合を招くおそれがあった。   In the technique described in Patent Document 1, the response when the output voltage rises after starting the fuel cell system has not been observed. For this reason, when the reaction gas of fuel gas and oxidant gas was supplied to the fuel cell stack at the time of low temperature startup of the system, it was not possible to detect the output voltage rise delay due to the low temperature part inside the fuel cell stack. . As a result, the rise delay of the output voltage may be erroneously determined as a system abnormality. If an erroneous determination occurs, it is determined that the system cannot be continuously started, and there is a possibility that the system is stopped even though no abnormality has occurred in the system.

また、特許文献2に記載の技術においては、出力電圧が立ち上がる際の応答性を観測しているものの、これによって起動継続の可否を判断する手法を開示するものではなく、また、電圧の立ち上がり特性によって起動継続の可否を判断する場合には、電圧の立ち上がり特性を適切に判断しなければ、誤判断に繋がる可能性がある。   In addition, in the technique described in Patent Document 2, although the responsiveness when the output voltage rises is observed, this does not disclose a method for determining whether or not the start-up can be continued, and the rise characteristic of the voltage is not disclosed. In the case of determining whether or not the start-up can be continued, it may lead to an erroneous determination unless the voltage rising characteristics are properly determined.

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、システムの起動継続の可否を的確に判断し、不要なシステム停止を防止した燃料電池システムを提供することにある。   Accordingly, the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system that accurately determines whether or not the system can continue to be activated and prevents unnecessary system stoppage. is there.

上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給手段により供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の温度を計測または推定する温度計測手段と、前記燃料電池の電圧を計測する電圧計測手段と、前記燃料電池システムが起動されて前記燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスが供給された直後に、前記温度計測手段で計測または推定された前記燃料電池の温度と、前記電圧計測手段で計測された燃料電池の電圧の立ち上がり特性に基づいて、前記燃料電池システムの起動を継続することが可能か否かを診断する制御手段とを有し、前記制御手段は、前記燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスが供給された直後から所定の時間しきい値以内に燃料電池の電圧が所定の第1の電圧しきい値以上に到達したか否で表される電圧の立ち上がり特性に基づいて診断し、前記時間しきい値と前記電圧しきい値とを可変に設定することを特徴とする。   In order to achieve the above object, a means for solving the problems of the present invention is to generate power by an electrochemical reaction between a fuel gas supplied by a fuel gas supply means and an oxidant gas supplied by an oxidant gas supply means. In a fuel cell system including a fuel cell to perform, a temperature measuring unit for measuring or estimating the temperature of the fuel cell, a voltage measuring unit for measuring a voltage of the fuel cell, and the fuel cell system is activated to start the fuel cell Immediately after the fuel gas and oxidant gas are supplied, the temperature of the fuel cell measured or estimated by the temperature measuring means and the rising characteristics of the voltage of the fuel cell measured by the voltage measuring means, Control means for diagnosing whether or not the start of the fuel cell system can be continued, and the control means supplies fuel gas and oxidant gas to the fuel cell. A diagnosis is made based on the rising characteristics of the voltage expressed by whether or not the voltage of the fuel cell has reached a predetermined first voltage threshold value within a predetermined time threshold immediately after The value and the voltage threshold value are variably set.

本発明によれば、システムの低温起動時に、燃料電池の電圧の立ち上がりが遅くなった場合であっても、システムが異常であるものと誤判定することを防止することができる。この結果、誤判定による不要なシステムの停止を回避することができる。   According to the present invention, it is possible to prevent erroneous determination that the system is abnormal even when the rise of the voltage of the fuel cell is delayed at the time of low temperature startup of the system. As a result, unnecessary system stoppage due to erroneous determination can be avoided.

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

図1は本発明の実施例1に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図1に示す実施例1のシステムは、空気供給装置1から供給される酸化剤ガスの空気(酸素)と水素タンク2から水素圧力レギュレータ3を介して供給される燃料ガスの水素との電気化学反応により発電を行って電力を得る燃料電池スタック4を備えており、発電で得られた電力は電力変換装置12を介して負荷装置9に与えられて消費される。   FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. The system of the first embodiment shown in FIG. 1 is an electrochemical reaction between oxidant gas air (oxygen) supplied from an air supply device 1 and fuel gas hydrogen supplied from a hydrogen tank 2 via a hydrogen pressure regulator 3. A fuel cell stack 4 is provided that generates power by generating power through reaction, and the power obtained by power generation is supplied to the load device 9 via the power converter 12 and consumed.

空気供給装置1は例えばコンプレッサで構成され、このコンプレッサで燃料電池スタック4に供給される空気の圧力は、燃料電池スタック4の空気極の出口側に設けられた空気調圧弁10で調整制御される。コンプレッサの吸気空気の温度は温度センサ22で計測され、排出空気の温度は温度センサ28で計測される。燃料電池スタック4の空気極入口の空気の圧力、温度は、入口近傍に設けられた圧力センサ18、温度センサ19でそれぞれ計測される。   The air supply device 1 is composed of, for example, a compressor, and the pressure of air supplied to the fuel cell stack 4 by this compressor is adjusted and controlled by an air pressure regulating valve 10 provided on the outlet side of the air electrode of the fuel cell stack 4. . The temperature of the intake air of the compressor is measured by the temperature sensor 22, and the temperature of the exhaust air is measured by the temperature sensor 28. The pressure and temperature of air at the air electrode inlet of the fuel cell stack 4 are measured by a pressure sensor 18 and a temperature sensor 19 provided near the inlet, respectively.

空気供給装置1のコンプレッサには、冷却液ポンプ25により冷却液が循環供給され、この冷却液でコンプレッサを構成するモータが冷却されている。この循環供給される冷却液は、燃料電池車両等の場合にはラジエタやラジエタファン等で構成される熱交換器(HE)26に与えられて冷却され、冷却液の温度は温度センサ27で計測される。   Cooling liquid is circulated and supplied to the compressor of the air supply device 1 by the cooling liquid pump 25, and the motor constituting the compressor is cooled by this cooling liquid. In the case of a fuel cell vehicle or the like, the circulatingly supplied coolant is supplied to a heat exchanger (HE) 26 composed of a radiator, a radiator fan or the like and cooled, and the temperature of the coolant is measured by a temperature sensor 27. Is done.

燃料電池スタック4は水素循環経路を備え、水素循環ポンプ5により燃料電池スタック4から排出された未使用の水素オフガスが燃料電池スタック4の水素極入口に循環水素として戻されて再利用される。すなわち、燃料電池スタック4の水素極入口には、水素タンク2から供給される水素と戻された循環水素との混合水素が供給される。循環水素は水蒸気を多く含んでおり、水素タンク2から供給される乾燥した水素と混合されて、燃料電池スタック4に供給される水素を加湿し、加湿された水素が燃料電池スタック4に供給されて電解質膜が十分に加湿される。水素循環系に蓄積された窒素は、適宜開放制御されるパージ弁11を介してシステム外に放出される。燃料電池スタック4の水素極入口の水素の圧力、温度は、入口近傍に設けられた圧力センサ16、温度センサ17でそれぞれ計測される。   The fuel cell stack 4 has a hydrogen circulation path, and unused hydrogen off-gas discharged from the fuel cell stack 4 by the hydrogen circulation pump 5 is returned to the hydrogen electrode inlet of the fuel cell stack 4 as circulating hydrogen and reused. That is, the hydrogen electrode inlet of the fuel cell stack 4 is supplied with a mixed hydrogen of hydrogen supplied from the hydrogen tank 2 and returned circulating hydrogen. The circulating hydrogen contains a lot of water vapor and is mixed with dry hydrogen supplied from the hydrogen tank 2 to humidify the hydrogen supplied to the fuel cell stack 4. The humidified hydrogen is supplied to the fuel cell stack 4. As a result, the electrolyte membrane is sufficiently humidified. Nitrogen accumulated in the hydrogen circulation system is discharged out of the system through a purge valve 11 that is appropriately controlled to be opened. The pressure and temperature of hydrogen at the hydrogen electrode inlet of the fuel cell stack 4 are measured by a pressure sensor 16 and a temperature sensor 17 provided near the inlet, respectively.

燃料電池スタック4の出力電圧は電圧センサ6で計測され、燃料電池スタック4から電力変換装置12に流れる電流は電流センサ7で計測される。燃料電池スタック4には、セル電圧センサ8が設けられ、このセル電圧センサ8で燃料電池スタック4のセル電圧が計測される。セル電圧センサ8は、燃料電池スタック4のすべてのセル、あるいは所定のセル毎例えば数セル毎に設けられている。所定のセル毎に設けられている場合には、セル電圧センサ8が設けられていないセルのセル電圧は、セル電圧センサ8で計測されたセル電圧に基づいて推定され、最低セル電圧等が推定される。   The output voltage of the fuel cell stack 4 is measured by the voltage sensor 6, and the current flowing from the fuel cell stack 4 to the power converter 12 is measured by the current sensor 7. A cell voltage sensor 8 is provided in the fuel cell stack 4, and the cell voltage of the fuel cell stack 4 is measured by the cell voltage sensor 8. The cell voltage sensor 8 is provided for every cell of the fuel cell stack 4 or every predetermined cell, for example, every several cells. When the cell voltage sensor 8 is provided for each predetermined cell, the cell voltage of the cell not provided with the cell voltage sensor 8 is estimated based on the cell voltage measured by the cell voltage sensor 8, and the minimum cell voltage or the like is estimated. Is done.

燃料電池スタック4には温度センサ29が設けられ、この温度センサ29で計測された温度に基づいて燃料電池スタック4の温度を推定する。燃料電池スタック4には、冷却液ポンプ21により冷却液が循環供給され、この冷却液で燃料電池スタック4の発電で発生した熱が除去される。この冷却液は、図示しないが燃料電池車両等の場合にはラジエタやラジエタファン等で構成される熱交換器に与えられて冷却される。燃料電池スタック4に導入される冷却液の温度は温度センサ23で計測され、排出される冷却液の温度は温度センサ20で計測される。   A temperature sensor 29 is provided in the fuel cell stack 4, and the temperature of the fuel cell stack 4 is estimated based on the temperature measured by the temperature sensor 29. A coolant is circulated and supplied to the fuel cell stack 4 by the coolant pump 21, and heat generated by power generation of the fuel cell stack 4 is removed by this coolant. Although not shown, in the case of a fuel cell vehicle or the like, this coolant is supplied to a heat exchanger composed of a radiator, a radiator fan, and the like to be cooled. The temperature of the coolant introduced into the fuel cell stack 4 is measured by the temperature sensor 23, and the temperature of the discharged coolant is measured by the temperature sensor 20.

燃料電池スタック4には、電力変換装置12を介して負荷装置9が接続され、この負荷装置9では発電量が設定されて燃料電池スタック4から負荷電流が取り出される。負荷装置9は、例えば駆動モータで構成され、発電で得られた電力は電力変換装置12のインバータでエネルギー変換されて駆動モータへ供給されて消費される。燃料電池システムを例えば燃料電池車両に適用した場合には、駆動モータは車両走行の動力として用いられる。   A load device 9 is connected to the fuel cell stack 4 via the power conversion device 12, and the load device 9 sets a power generation amount and takes out a load current from the fuel cell stack 4. The load device 9 is composed of, for example, a drive motor, and the electric power obtained by power generation is converted into energy by the inverter of the power conversion device 12, supplied to the drive motor, and consumed. When the fuel cell system is applied to, for example, a fuel cell vehicle, the drive motor is used as power for driving the vehicle.

燃料電池スタック4には、電力変換装置12を介してバッテリ13が接続され、このバッテリ13は、発電で得られた電力が蓄積される一方、蓄積された電力は例えばシステム起動時に電力変換装置12を介して補機類となる空気供給装置1等に供給され、コンプレッサを駆動する電力の一部を担う。バッテリ13を入出力する電圧、電流は、電圧センサ14、電流センサ15でそれぞれ計測される。   A battery 13 is connected to the fuel cell stack 4 via a power conversion device 12, and the battery 13 stores power obtained by power generation, while the stored power is, for example, when the system is started up. And is supplied to the air supply device 1 and the like as auxiliary equipment, and bears a part of electric power for driving the compressor. The voltage and current input / output to / from the battery 13 are measured by the voltage sensor 14 and the current sensor 15, respectively.

燃料電池システムは、図示しないがコントロールユニットを備えている。このコントロールユニットは、本システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、CPU、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。コントロールユニットは、上記各センサならびにこれらのセンサで得られない他の圧力、温度、濃度、電圧、電流等、本システムの運転に必要な情報を収集するセンサ(図示せず)からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック(プログラム)に基づいて、各弁を含む本システムの制御を要する構成要素に指令を送り、以下に説明するシステム起動時における発電電圧の応答性の判断処理を含む本システムの運転/停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。また、コントロールユニットは、発電電圧の応答性の判断処理を実行するために、後述するシステム停止から次回の起動までの時間や、時間しきい値の経過時間を計測する計測機能を備えている。   Although not shown, the fuel cell system includes a control unit. The control unit functions as a control center for controlling the operation of the system, and is provided with resources such as a CPU, a storage device, and an input / output device necessary for a computer that controls various operation processes based on a program, for example, a microcomputer Etc. The control unit reads signals from the sensors (not shown) that collect information necessary for operation of the system, such as the above-mentioned sensors and other pressures, temperatures, concentrations, voltages, currents, etc. that cannot be obtained by these sensors. Based on the various signals read and control logic (program) stored in advance, commands are sent to the components that require control of this system, including each valve, and the responsiveness of the generated voltage at system startup described below All operations necessary for the operation / stop of this system including the determination process are managed and controlled. In addition, the control unit has a measurement function for measuring a time from a system stop to the next start to be described later and an elapsed time of a time threshold value in order to execute a determination process of the responsiveness of the generated voltage.

次に、図2のフローチャートを参照して、システムの起動継続の判断処理の手順を説明する。ここで、以下に示す処理では、温度センサ29で計測された温度に基づいて推定された燃料電池スタック4の温度を参照した上で、燃料電池スタック4の内部に低温(概ね5℃程度以下)部分が生じる可能性があるような低温時に実行される。なお、この処理を実行する温度は、システムの仕様や動作環境によって適宜変更することは勿論である。   Next, with reference to the flowchart of FIG. 2, a procedure for determining whether to continue the activation of the system will be described. Here, in the process shown below, the temperature of the fuel cell stack 4 estimated based on the temperature measured by the temperature sensor 29 is referred to, and then the temperature inside the fuel cell stack 4 is low (approximately 5 ° C. or less). Run at low temperatures where parts can occur. Needless to say, the temperature at which this processing is executed is appropriately changed according to the system specifications and the operating environment.

図2において、先ず燃料電池システムの起動を開始して、燃料電池スタック4に空気ならびに水素の供給を開始する(ステップS20)。なお、本実施例1では水素系には水素循環ポンプ5を設けるようにして水素ストイキ比を高く維持するようにしているので、水素循環ポンプ5もこの時点で駆動を開始する。パージ弁11は閉じた状態で起動するが、起動後パージ弁11を定期的に開閉制御することで、燃料電池スタック4の水素極に溜まった窒素を定期的に排出する。   In FIG. 2, the start of the fuel cell system is first started, and the supply of air and hydrogen to the fuel cell stack 4 is started (step S20). In the first embodiment, the hydrogen circulation pump 5 is provided in the hydrogen system so as to maintain a high hydrogen stoichiometric ratio. Therefore, the hydrogen circulation pump 5 also starts to be driven at this time. The purge valve 11 is started in a closed state, but the nitrogen accumulated in the hydrogen electrode of the fuel cell stack 4 is periodically discharged by periodically opening and closing the purge valve 11 after starting.

燃料電池スタック4に供給される水素は水素圧力レギュレータ3で目標圧力に維持され、燃料電池スタック4に供給される空気は空気供給装置1を構成するコンプレッサの回転数と空気調圧弁10の弁開度を調整制御して目標流量、目標圧力に維持する。   The hydrogen supplied to the fuel cell stack 4 is maintained at a target pressure by the hydrogen pressure regulator 3, and the air supplied to the fuel cell stack 4 is the rotational speed of the compressor constituting the air supply device 1 and the valve opening of the air pressure regulating valve 10. Adjust the degree to maintain the target flow rate and target pressure.

また、冷却液ポンプ25の駆動を開始して、コンプレッサモータを冷却する冷却液の循環を開始し、コンプレッサモータの出口冷却液温度が目標温度になるように制御する。低温起動時には、燃料電池スタック4を循環する冷却液の循環はまだここでは行わない。   Further, driving of the coolant pump 25 is started to start circulation of coolant for cooling the compressor motor, and control is performed so that the outlet coolant temperature of the compressor motor becomes the target temperature. At the time of low temperature startup, the circulation of the coolant that circulates through the fuel cell stack 4 is not yet performed here.

このようにしてシステムが起動された後、燃料電池スタック4に電圧が生じるか否かを観測する。システムに異常がない場合には、発電により正常時に設定された電圧が生じるが、その電圧が生じない場合にはシステムに何らかの異常があり起動継続が不可能であると判断して起動を停止(シャットダウン)する。   After the system is started in this way, it is observed whether or not a voltage is generated in the fuel cell stack 4. When there is no abnormality in the system, the voltage set during normal operation is generated by power generation, but when that voltage does not occur, it is determined that there is some abnormality in the system and it is impossible to continue the startup (stopping the startup ( Shut down).

このような判定において、反応ガスが燃料電池スタック4に供給された後、電圧が所定の値に到達する電圧の立ち上がり応答は、燃料電池スタック4の状態に依存する。すなわち、燃料電池スタック4の温度が低い低温起動時などは、燃料電池スタック4での電気化学反応が鈍いため電圧の立ち上がりが遅くなる。そこで、本実施例では、燃料電池スタック4に反応ガスを供給後の電圧の立ち上がり応答において、立ち上がる電圧(電圧しきい値、Vth)とこの電圧しきい値に立ち上がるまでの時間(時間しきい値、Tth)(判定条件)を、予め設定した要件に応じて選択的に設定し(ステップS21)、電圧の立ち上がり応答によるシステムの異常を判定するようにしている。判定条件の設定は、図3ならびに図4に示すフローチャートに基づいて行われる。   In such a determination, the rising response of the voltage at which the voltage reaches a predetermined value after the reaction gas is supplied to the fuel cell stack 4 depends on the state of the fuel cell stack 4. That is, when the temperature of the fuel cell stack 4 is low, for example, when the fuel cell stack 4 is started at a low temperature, the electrochemical reaction in the fuel cell stack 4 is slow, so that the voltage rise is delayed. Therefore, in this embodiment, in the rising response of the voltage after supplying the reaction gas to the fuel cell stack 4, the rising voltage (voltage threshold, Vth) and the time until rising to this voltage threshold (time threshold) , Tth) (determination condition) is selectively set according to preset requirements (step S21), and the system abnormality due to the rising response of the voltage is determined. The determination conditions are set based on the flowcharts shown in FIGS.

図3は上記電圧しきい値を設定する手段を示す図である。図3において、先ず燃料電池スタック4の温度と電圧しきい値(Vth1>0)との関係を示すマップ31を参照して、燃料電池スタック4の温度に基づいて電圧しきい値(Vth1)を設定する。マップ31は、予め実験や机上検討により用意してコントロールユニットの記憶装置に記憶させておく。このマップ31では、燃料電池スタック4の温度が低くなる程電圧しきい値(Vth1)が小さくなり、正の所定の温度以上では電圧しきい値は一定値となる特性を有している。   FIG. 3 shows a means for setting the voltage threshold. In FIG. 3, first, referring to a map 31 showing the relationship between the temperature of the fuel cell stack 4 and the voltage threshold value (Vth1> 0), the voltage threshold value (Vth1) is set based on the temperature of the fuel cell stack 4. Set. The map 31 is prepared in advance by experiments or desktop examinations and stored in the storage device of the control unit. The map 31 has a characteristic that the voltage threshold (Vth1) decreases as the temperature of the fuel cell stack 4 decreases, and the voltage threshold becomes a constant value above a predetermined positive temperature.

また、前回システムが停止してから今回起動するまでの時間と上記電圧しきい値(Vth1)を補正する補正係数k1(0<k1<1)との関係を示すマップ32を参照して、前回停止後からの時間に基づいて補正係数k1を設定する。マップ32は、予め実験や机上検討により用意してコントロールユニットの記憶装置に記憶させておく。このマップ32では、前回停止後からの時間が長くなる程補正係数が小さくなり、所定の時間以上では補正係数k1は一定値となる特性を有している。補正係数k1が設定されると、コントロールユニットの演算手段34で先の電圧しきい値(Vth1)と補正係数k1との積(Vth1×k1)として設定される電圧しきい値(Vth2)が演算される。   Further, referring to the map 32 showing the relationship between the time from when the system was last stopped until this time it is started and the correction coefficient k1 (0 <k1 <1) for correcting the voltage threshold (Vth1), The correction coefficient k1 is set based on the time after the stop. The map 32 is prepared in advance by experiments or desktop examinations and stored in the storage device of the control unit. In this map 32, the correction coefficient becomes smaller as the time after the previous stop becomes longer, and the correction coefficient k1 has a constant value over a predetermined time. When the correction coefficient k1 is set, the voltage threshold (Vth2) set as the product (Vth1 × k1) of the previous voltage threshold (Vth1) and the correction coefficient k1 is calculated by the calculation means 34 of the control unit. Is done.

さらに、反応ガスの供給直後の無負荷電圧(OCV)と電圧しきい値(Vth3)との関係を示すマップ33を参照して、無負荷電圧(OCV)に基づいて電圧しきい値(Vth3)を設定する。マップ33は、予め実験や机上検討により用意してコントロールユニットの記憶装置に記憶させておく。このマップ33では、無負荷電圧(OCV)が低くなる程電圧しきい値(Vth3)が小さくなり、正の所定の発電電圧以上では電圧しきい値は一定値となる特性を有している。   Further, with reference to a map 33 showing the relationship between the no-load voltage (OCV) immediately after the reaction gas is supplied and the voltage threshold (Vth3), the voltage threshold (Vth3) based on the no-load voltage (OCV) Set. The map 33 is prepared in advance by experiments or desktop examinations and stored in the storage device of the control unit. The map 33 has a characteristic that the voltage threshold (Vth3) decreases as the no-load voltage (OCV) decreases, and the voltage threshold becomes a constant value above a predetermined positive power generation voltage.

このようにして、それぞれの要件に応じた3つの電圧しきい値(Vth1,Vth2,Vth3)が得られると、これらの電圧しきい値の内で最も低い値の電圧しきい値が選択手段35で選択される。選択された電圧しきい値は下限リミッタ36に与えられて、選択された電圧しきい値が適切であるか否かを判定する。すなわち、選択された電圧しきい値が下限リミット値よりも大きい場合には適切であると判定し、選択された電圧しきい値を電圧立ち上がり応答を判定する電圧しきい値(Vth)に使用する。一方、小さな場合には上記演算において得られた電圧しきい値が不適切であると判定し、下限リミット値を電圧立ち上がり応答を判定する電圧しきい値(Vth)に使用する。   When three voltage threshold values (Vth1, Vth2, Vth3) corresponding to the respective requirements are obtained in this way, the voltage threshold value having the lowest value among these voltage threshold values is selected by the selection means 35. Selected. The selected voltage threshold is provided to the lower limiter 36 to determine whether the selected voltage threshold is appropriate. That is, when the selected voltage threshold value is larger than the lower limit value, it is determined to be appropriate, and the selected voltage threshold value is used as the voltage threshold value (Vth) for determining the voltage rising response. . On the other hand, if it is small, it is determined that the voltage threshold value obtained in the above calculation is inappropriate, and the lower limit value is used as the voltage threshold value (Vth) for determining the voltage rising response.

ここで、下限リミッタ値は、実験等により予め決められるパラメータで、ある値以下の電圧ではなんらかの異常があると判定できる値に設定され、例えばセル電圧として300mV程度を採用してもよい。このように、下限リミット値を設けることで、上記電圧しきい値の演算で不適切な電圧しきい値が算出された場合であっても、電圧の立ち上がり応答を判定することが可能となる。   Here, the lower limiter value is a parameter determined in advance by experiment or the like, and is set to a value that can be determined that there is some abnormality at a voltage equal to or lower than a certain value. For example, about 300 mV may be adopted as the cell voltage. Thus, by providing the lower limit value, it is possible to determine the rising response of the voltage even when an inappropriate voltage threshold value is calculated by the calculation of the voltage threshold value.

図4は上記時間しきい値を設定する手段を示す図である。図4において、先ず燃料電池スタック4の温度と時間しきい値(Tth1)との関係を示すマップ41を参照して、燃料電池スタック4の温度に基づいて時間しきい値(Tth1)を設定する。マップ41は、予め実験や机上検討により用意してコントロールユニットの記憶装置に記憶させておく。このマップ41では、燃料電池スタック4の温度が低くなる程時間しきい値(Tth1)が長くなり、正の所定の温度以上では時間しきい値は一定値となる特性を有している。   FIG. 4 shows the means for setting the time threshold. In FIG. 4, first, a time threshold value (Tth1) is set based on the temperature of the fuel cell stack 4 with reference to a map 41 showing the relationship between the temperature of the fuel cell stack 4 and the time threshold value (Tth1). . The map 41 is prepared in advance by an experiment or a desktop study and is stored in the storage device of the control unit. This map 41 has a characteristic that the time threshold (Tth1) becomes longer as the temperature of the fuel cell stack 4 becomes lower, and the time threshold becomes a constant value above a predetermined positive temperature.

次に、前回システムが停止してから今回起動するまでの時間と上記時間しきい値(Tth1)を補正する補正係数m1(0<m1<1)との関係を示すマップ42を参照して、前回停止後からの時間に基づいて補正係数m1を設定する。マップ42は、予め実験や机上検討により用意してコントロールユニットの記憶装置に記憶させておく。このマップ42では、前回停止後からの時間が長くなる程補正係数m1が大きくなり、所定の時間以上では補正係数m1は一定値となる特性を有している。補正係数m1が設定されると、コントロールユニットの演算手段46で先の時間しきい値(Tth1)と補正係数m1との積(Tth1×m1)として設定される時間しきい値(Tth2)が演算される。   Next, with reference to a map 42 showing the relationship between the time from the previous system shutdown to the current startup and the correction coefficient m1 (0 <m1 <1) for correcting the time threshold (Tth1), The correction coefficient m1 is set based on the time since the previous stop. The map 42 is prepared in advance by experiments or desktop examinations and stored in the storage device of the control unit. In this map 42, the correction coefficient m1 increases as the time after the previous stop increases, and the correction coefficient m1 has a constant value over a predetermined time. When the correction coefficient m1 is set, the time threshold value (Tth2) set as the product (Tth1 × m1) of the previous time threshold value (Tth1) and the correction coefficient m1 is calculated by the calculation means 46 of the control unit. Is done.

次に、反応ガスの供給直後に燃料電池スタック4から所定の電流を取り出し、最低セル電圧が、時間しきい値(Tth3)を設定するために使用される電圧しきい値(ここでは例えば0Vに設定)に到達するまでの時間と時間しきい値(Tth3)との関係を示すマップ43を参照して、最低セル電圧が0Vに達する時間に基づいて時間しきい値(Tth3)を設定する。マップ43は、予め実験や机上検討により用意してコントロールユニットの記憶装置に記憶させておく。このマップ43では、最低セル電圧が0Vに達する時間が長くなる程時間しきい値(Tth3)が長くなる特性を有している。   Next, immediately after the reaction gas is supplied, a predetermined current is taken out from the fuel cell stack 4, and the lowest cell voltage is set to a voltage threshold (here, for example, 0 V) used to set a time threshold (Tth3). The time threshold value (Tth3) is set based on the time when the minimum cell voltage reaches 0V with reference to the map 43 showing the relationship between the time until reaching the setting) and the time threshold value (Tth3). The map 43 is prepared in advance by experiments or desktop examinations and stored in the storage device of the control unit. This map 43 has a characteristic that the time threshold value (Tth3) becomes longer as the time for the lowest cell voltage to reach 0V is longer.

なお、本実施例1では、最低セル電圧が0V以上となる時間が長くなる程、時間しきい値(Tth3)を長く設定しているが、これ以外にも、燃料電池スタック4の電圧が所定の電圧しきい値以上となるまでの時間が長くなる程、時間しきい値(Tth3)を長く設定するようにしてもよい。ここで、燃料電池スタック4の電圧と比較される電圧しきい値は、図3に示す処理で設定される電圧しきい値(Vth)よりも小さな値に設定することが好ましい。   In the first embodiment, the time threshold (Tth3) is set longer as the time during which the minimum cell voltage is 0 V or more is longer. In addition, the voltage of the fuel cell stack 4 is set to a predetermined value. The time threshold (Tth3) may be set longer as the time until the voltage threshold is exceeded is longer. Here, the voltage threshold value to be compared with the voltage of the fuel cell stack 4 is preferably set to a value smaller than the voltage threshold value (Vth) set in the process shown in FIG.

次に、反応ガスの供給直後に燃料電池スタック4から所定の電流を取り出した際に最低セル電圧の絶対値と時間しきい値(Tth4)との関係を示すマップ44を参照して、最低セル電圧の絶対値に基づいて時間しきい値(Tth4)を設定する。マップ44は、予め実験や机上検討により用意してコントロールユニットの記憶装置に記憶させておく。このマップ44では、最低セル電圧の絶対値が大きくなる程時間しきい値(Tth4)が長くなる特性を有している。   Next, referring to a map 44 showing the relationship between the absolute value of the minimum cell voltage and the time threshold (Tth4) when a predetermined current is taken out from the fuel cell stack 4 immediately after the reaction gas is supplied, the minimum cell A time threshold value (Tth4) is set based on the absolute value of the voltage. The map 44 is prepared in advance by an experiment or a desktop study and is stored in the storage device of the control unit. This map 44 has a characteristic that the time threshold value (Tth4) becomes longer as the absolute value of the lowest cell voltage increases.

次に、反応ガスの供給直後に燃料電池スタック4の無負荷電圧(OCV)と時間しきい値(Tth5)との関係を示すマップ45を参照して、無負荷電圧(OCV)に基づいて時間しきい値(Tth5)を設定する。マップ45は、予め実験や机上検討により用意してコントロールユニットの記憶装置に記憶させておく。このマップ45では、無負荷電圧(OCV)が低い程時間しきい値(Tth5)が長くなる特性を有している。   Next, with reference to the map 45 showing the relationship between the no-load voltage (OCV) of the fuel cell stack 4 and the time threshold value (Tth5) immediately after the reaction gas is supplied, the time is determined based on the no-load voltage (OCV). A threshold value (Tth5) is set. The map 45 is prepared in advance by experiment or desktop examination and stored in the storage device of the control unit. This map 45 has a characteristic that the time threshold value (Tth5) becomes longer as the no-load voltage (OCV) is lower.

なお、上記時間しきい値(Tth3)と時間しきい値(Tth4)を設定する際に燃料電池スタック4から取り出す電流は極小さい値でよく、数アンペア程度でよい。本実施例1では例えば1アンペア程度としている。大きな電流にすれば、それだけセル電圧が0Vに到達するのが遅いセル、もしくは最低セル電圧になるセルが強調される。しかし、各セルへの反応ガスの分配にはばらつきがあるので、水素供給直後は一部のセルでは水素不足のおそれがあり、このような状態で多くの電流を取り出すと燃料電池スタック4の劣化を促進するおそれがある。そのため、取り出す電流は極力小さい電流としている。   Note that the current taken from the fuel cell stack 4 when setting the time threshold value (Tth3) and the time threshold value (Tth4) may be a very small value, and may be about several amperes. In the first embodiment, for example, it is about 1 ampere. If a large current is used, a cell whose cell voltage is slow to reach 0V or a cell having the lowest cell voltage is emphasized. However, since there is a variation in the distribution of the reaction gas to each cell, there is a risk of shortage of hydrogen in some cells immediately after hydrogen supply. If a large amount of current is taken out in such a state, the fuel cell stack 4 will deteriorate. May be promoted. For this reason, the current to be extracted is set as small as possible.

このようにして、それぞれの要件に応じた5つの時間しきい値(Tth1〜Tth5)が得られると、これらの時間しきい値の内で最も長い時間しきい値が選択手段47で選択される。選択された時間しきい値は上限リミッタ48に与えられて、選択された時間しきい値が適切であるか否かを判定する。すなわち、選択された時間しきい値が上限リミット値よりも短い場合には適切であると判定し、選択された時間しきい値を電圧立ち上がり応答を判定する時間しきい値(Tth)に使用する。一方、長い場合には上記演算において得られた時間しきい値が不適切であると判定し、上限リミット値を電圧立ち上がり応答を判定する時間しきい値(Tth)に使用する。   Thus, when five time threshold values (Tth1 to Tth5) corresponding to the respective requirements are obtained, the longest time threshold value among these time threshold values is selected by the selection means 47. . The selected time threshold is provided to the upper limiter 48 to determine whether the selected time threshold is appropriate. That is, when the selected time threshold value is shorter than the upper limit value, it is determined to be appropriate, and the selected time threshold value is used as the time threshold value (Tth) for determining the voltage rising response. . On the other hand, if it is long, it is determined that the time threshold value obtained in the above calculation is inappropriate, and the upper limit value is used as the time threshold value (Tth) for determining the voltage rising response.

ここで、上限リミット値は、実験等により予め決められるパラメータで、ある値以上の時間ではなんらかの異常があると判定できる値に設定され、例えば30s程度を採用してもよい。このように、上限リミット値を設けることで、上記時間しきい値の演算で不適切な時間しきい値が算出された場合であっても、電圧の立ち上がり応答を判定することが可能となる。   Here, the upper limit value is a parameter determined in advance by experiment or the like, and is set to a value that can be determined that there is some abnormality in a time longer than a certain value. For example, about 30 seconds may be adopted. In this manner, by providing the upper limit value, it is possible to determine the rising response of the voltage even when an inappropriate time threshold value is calculated by the time threshold value calculation.

次に、図2に戻って、このようにして電圧しきい値(VTh)と時間しきい値(Tth)が設定されると、燃料電池スタック4に反応ガスが供給された後、発電電圧の最低セル電圧の絶対値が小さな場合(符号aで示す)と大きな場合(符号bで示す)との発電電圧の変化を表した図5のタイミングチャートに示すように、上記設定した時間しきい値(Tth)の時間内に、上記設定した電圧しきい値(Vth)以上の電圧に発電電圧が到達したか否かを判定する(ステップS22)。判定の結果、上記判定要件を満足した場合には、それまでの起動動作を継続して暖機発電を開始する(ステップS23)。   Next, returning to FIG. 2, when the voltage threshold value (VTh) and the time threshold value (Tth) are set in this way, after the reactive gas is supplied to the fuel cell stack 4, the generated voltage As shown in the timing chart of FIG. 5 showing the change in the generated voltage when the absolute value of the minimum cell voltage is small (indicated by symbol a) and large (indicated by symbol b), the above-mentioned time threshold value is set. It is determined whether or not the generated voltage has reached a voltage equal to or higher than the set voltage threshold (Vth) within the time (Tth) (step S22). As a result of the determination, if the above determination requirements are satisfied, the startup operation so far is continued and warm-up power generation is started (step S23).

暖機発電を開始した後、冷却液ポンプ21を駆動して燃料電池スタック4に冷却液を循環させる。なお本実施例1では、所定発電以上を所定時間継続した後冷却液の循環を開始するようにしている。すなわち、冷却液の循環で燃料電池スタック4の内部が冷えて発電による生成水が凍結しないように、予め発電で燃料電池スタック4の内部が暖まった状態で冷却液を循環するようにしている。冷却液の循環後、燃料電池スタック4の出口冷却液温度が所定温度、例えば20℃程度に達したならば暖機発電を終了して起動処理を終了する(ステップS24)。   After the warm-up power generation is started, the coolant pump 21 is driven to circulate the coolant in the fuel cell stack 4. In the first embodiment, the circulation of the coolant is started after the predetermined power generation is continued for a predetermined time. That is, the coolant is circulated in advance in a state where the inside of the fuel cell stack 4 is warmed by power generation so that the inside of the fuel cell stack 4 is not cooled by circulation of the coolant and the generated water generated by power generation is not frozen. After the coolant is circulated, if the outlet coolant temperature of the fuel cell stack 4 reaches a predetermined temperature, for example, about 20 ° C., the warm-up power generation is terminated and the startup process is terminated (step S24).

一方、上記判定の結果、上記判定要件を満足しない場合には、起動は不可能であると判断して起動を停止(シャットダウン)する処理を開始し(ステップS25)、処理が終了することでシステムの起動が停止する(ステップS26)。   On the other hand, if the determination result does not satisfy the determination requirement, it is determined that the activation is impossible, and a process for stopping the activation (shutdown) is started (step S25). Is stopped (step S26).

なお、先のステップS22において、時間しきい値の時間内に電圧しきい値の電圧以上に至った後、その状態が所定の診断時間継続したか否かを判定要件に加えるようにしてもよい。ここで、燃料電池スタック4の空気極、水素極へそれぞれ反応ガスを供給した直後、燃料電池スタック4から所定の電流を取り出したときの最低セル電圧の絶対値が大きい程、燃料電池スタック4の電圧(本実施例1では、最低セル電圧)が前述した時間しきい値設定用の電圧しきい値(本実施例1では0V)を越えるまでの時間が長い程、ならびに燃料電池スタック4の空気極、水素極へそれぞれ反応ガスを供給した直後の無負荷電圧(OCV)が低い程、上記継続を判定する所定診断時間が長くなるように設定するようにしてもよい。   In step S22, after reaching the voltage threshold voltage within the time threshold time, whether or not the state has continued for a predetermined diagnosis time may be added to the determination requirement. . Here, immediately after the reaction gas is supplied to the air electrode and the hydrogen electrode of the fuel cell stack 4, respectively, the larger the absolute value of the minimum cell voltage when a predetermined current is taken out from the fuel cell stack 4, the higher the value of the fuel cell stack 4 becomes. The longer it takes for the voltage (minimum cell voltage in the first embodiment) to exceed the voltage threshold for setting the time threshold (0 V in the first embodiment), and the air in the fuel cell stack 4 The predetermined diagnosis time for determining the continuation may be set longer as the no-load voltage (OCV) immediately after supplying the reaction gas to the electrode and the hydrogen electrode is lower.

以上説明したように、上記実施例においては、燃料電池スタック4の温度とセル電圧の立ち上がり応答特性に基づいて燃料電池スタック4のスタック内部で低温部分が生じているか否かを診断している。ここで、燃料電池スタック4に反応ガスを供給開始した直後から所定の時間しきい値以内に、発電電圧が所定の電圧しきい値以上に到達するか否かを診断しており、この時間しきい値と電圧しきい値とを可変に設定しているので、電圧の立ち上がり応答特性を適切に判定することが可能となる。これにより、例えば、低温時に電気化学反応が鈍くなり電圧の立ち上がりが遅くなった場合であっても、システムが異常であるものと誤判定することを防止することができる。   As described above, in the above embodiment, it is diagnosed whether or not a low temperature portion is generated inside the stack of the fuel cell stack 4 based on the temperature response of the fuel cell stack 4 and the rising response characteristics of the cell voltage. Here, it is diagnosed whether or not the generated voltage reaches or exceeds the predetermined voltage threshold within a predetermined time threshold immediately after the supply of the reaction gas to the fuel cell stack 4 is started. Since the threshold value and the voltage threshold value are variably set, it is possible to appropriately determine the rising response characteristic of the voltage. Thereby, for example, even when the electrochemical reaction becomes dull at a low temperature and the voltage rises slowly, it is possible to prevent erroneous determination that the system is abnormal.

発電電圧が所定の電圧しきい値以上に到達するか否かを判定するまでの時間を長くすることで、低温時に電気化学反応が鈍くなり電圧の立ち上がりが遅く電圧が低い場合などを異常と誤判定しないようにすることが可能となる。   By prolonging the time until it is determined whether the generated voltage reaches or exceeds the predetermined voltage threshold, the electrochemical reaction becomes dull at low temperatures, the voltage rises slowly, and the voltage is low. It becomes possible not to judge.

発電電圧が所定の電圧しきい値以上になるまでの時間によって低温時の電圧の立ち上がり特性を検知するようにしたので、起動終了して発電を開始する前に前もって低温時に反応が鈍くなり電圧の立ち上がりが鈍いかどうかを検知することができる。   Since the rising characteristic of the voltage at low temperature is detected by the time until the power generation voltage exceeds the predetermined voltage threshold, the response becomes dull at low temperatures before starting the power generation after starting up. Whether the rise is slow can be detected.

発電電圧の最低セル電圧の絶対値が大きいほどその後正の電圧へ向かって電圧が立ち上がって或る電圧閾値まで到達する時間が長くなる特性を推定することで、前もって低温時に反応が鈍くなり電圧の立ち上がりが鈍いか否かを検知することができる。   By estimating the characteristics that the voltage rises toward the positive voltage and then reaches a certain voltage threshold as the absolute value of the lowest cell voltage of the generated voltage increases, the response becomes dull at a low temperature in advance. It is possible to detect whether the rise is slow.

燃料電池スタック4から所定の電流を取り出して電圧の立ち上がり特性を判定するようにしたので、電圧の立ち上がりが遅い燃料電池セルを的確に区別することができる。   Since a predetermined current is taken out from the fuel cell stack 4 to determine the voltage rising characteristic, it is possible to accurately distinguish the fuel cell having a slow voltage rising.

燃料電池温度が低くなる程システムの運転状態が正常か否かを判定する電圧しきい値を低く設定することで、低温時に発電反応が鈍く発電電圧が低くなるような場合であっても、システムの異常と誤判定しないようにすることができる。   Even if the power generation reaction becomes dull and the power generation voltage becomes low by setting the voltage threshold value for determining whether or not the operation state of the system is normal as the fuel cell temperature becomes low, the power generation reaction becomes slow at low temperatures. It is possible to prevent erroneous determination as abnormal.

無負荷電圧が低くなる程システムの運転状態が正常か否かを判定する電圧しきい値を低く設定することで、低温時に発電反応が鈍く無負荷電圧が低くなるような場合であっても、システムの異常と誤判定しないようにすることができる。   Even if the no-load voltage is low and the no-load voltage is low by setting the voltage threshold to determine whether the system operating state is normal as the no-load voltage is low, It is possible to prevent erroneous determination as a system abnormality.

システムの停止から起動までの時間が長くなる程システムの運転状態が正常か否かを判定する電圧しきい値を低く設定することで、システムの前回の停止から今回の起動までの期間が長く、水素極を満たしていた空気が水素と完全に入れ替わっていないような場合であっても、電圧の立ち上がりが遅く電圧が低い場合などをシステムの異常と誤判定しないようにすることができる。   The longer the time from system shutdown to startup, the lower the voltage threshold that determines whether or not the system is operating normally, so the period from the previous system shutdown to the current startup is longer. Even when the air that has filled the hydrogen electrode is not completely replaced with hydrogen, it is possible to prevent erroneous determination as a system abnormality when the voltage rises slowly and the voltage is low.

無負荷電圧が低くなる程システムの運転状態が正常か否かを判定する電圧しきい値を低く設定することで、低温時に発電反応が鈍く電圧の立ち上がりが遅く無負荷電圧が低くなるような場合であっても、システムの異常と誤判定しないようにすることができる。   When the no-load voltage is lowered, the voltage threshold that determines whether the system operating state is normal is set low so that the power generation reaction is slow at low temperatures, the voltage rises slowly, and the no-load voltage decreases. Even so, it is possible to prevent erroneous determination as a system abnormality.

システムの前回の停止から今回の起動までの期間が長くなる程発電電圧が所定の電圧しきい値以上に到達するか否かを判定するまでの時間を長くすることで、システムの前回の停止から今回の起動までの期間が長く、水素極を満たしていた空気が水素と完全に入れ替わっていない場合であっても、電圧の立ち上がりが遅く電圧が低い場合などをシステムの異常と誤判定しないようにすることができる。   The longer the period from the previous stop of the system to the current start, the longer the time it takes to determine whether the generated voltage reaches or exceeds the predetermined voltage threshold. Even if the time to start this time is long and the air that has filled the hydrogen electrode is not completely replaced with hydrogen, it will not be mistaken as a system error when the voltage rises slowly and the voltage is low. can do.

発電電圧が所定の電圧しきい値以上を所定期間継続して維持できたか否かを判定する時間(診断時間)を長くすることで、燃料電池スタック4の内部に低温の部分が存在して部分的な凍結が起きやすい状態である場合であっても、再凍結して電圧が低下するような場合を検出することができる。   By extending the time (diagnosis time) for determining whether or not the generated voltage has been continuously maintained at a predetermined voltage threshold value or higher for a predetermined period, there is a low-temperature portion in the fuel cell stack 4. Even in a case where a general freezing is likely to occur, it is possible to detect a case where the voltage is lowered due to refreezing.

本発明の実施例1に係る燃料電池システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell system which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例1に係る動作の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of the operation | movement which concerns on Example 1 of this invention. 電圧しきい値の設定手順を示す図である。It is a figure which shows the setting procedure of a voltage threshold value. 時間しきい値の設定手順を示す図である。It is a figure which shows the setting procedure of a time threshold value. 本発明の実施例1に係る動作のタイミングチャートである。It is a timing chart of operation concerning Example 1 of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…空気供給装置
2…水素タンク
3…水素圧力レギュレータ
4…燃料電池スタック
5…水素循環ポンプ
6,14…電圧センサ
7,15…電流センサ
8…セル電圧センサ
9…負荷装置
10…空気調圧弁
11…パージ弁
12…電力変換装置
13…バッテリ
16,18…圧力センサ
17,19,20,22,23,27,28,29…温度センサ
21,25…冷却液ポンプ
34,46…演算手段
35,47…選択手段
36,48…下限リミッタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Air supply device 2 ... Hydrogen tank 3 ... Hydrogen pressure regulator 4 ... Fuel cell stack 5 ... Hydrogen circulation pump 6, 14 ... Voltage sensor 7, 15 ... Current sensor 8 ... Cell voltage sensor 9 ... Load device 10 ... Air pressure regulation valve DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Purge valve 12 ... Power converter 13 ... Battery 16, 18 ... Pressure sensor 17, 19, 20, 22, 23, 27, 28, 29 ... Temperature sensor 21, 25 ... Coolant pump 34, 46 ... Calculation means 35 , 47 ... selection means 36, 48 ... lower limit limiter

Claims (14)

燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給手段により供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の温度を計測または推定する温度計測手段と、
前記燃料電池の電圧を計測する電圧計測手段と、
前記燃料電池システムが起動されて前記燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスが供給された直後に、前記温度計測手段で計測または推定された前記燃料電池の温度と、前記電圧計測手段で計測された燃料電池の電圧の立ち上がり特性に基づいて、前記燃料電池システムの起動を継続することが可能か否かを診断する制御手段とを有し、
前記制御手段は、前記燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスが供給された直後から所定の時間しきい値以内に燃料電池の電圧が所定の第1の電圧しきい値以上に到達したか否で表される電圧の立ち上がり特性に基づいて診断し、前記時間しきい値と前記電圧しきい値とを可変に設定する
ことを特徴とする燃料電池システム。
In a fuel cell system including a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas supplied by a fuel gas supply unit and an oxidant gas supplied by an oxidant gas supply unit,
Temperature measuring means for measuring or estimating the temperature of the fuel cell;
Voltage measuring means for measuring the voltage of the fuel cell;
Immediately after the fuel cell system was started and fuel gas and oxidant gas were supplied to the fuel cell, the temperature of the fuel cell measured or estimated by the temperature measuring means and the voltage measuring means were measured. Control means for diagnosing whether or not it is possible to continue the start of the fuel cell system based on the rising characteristics of the voltage of the fuel cell,
The control means determines whether or not the voltage of the fuel cell has reached a predetermined first voltage threshold value within a predetermined time threshold immediately after the fuel gas and oxidant gas are supplied to the fuel cell. A fuel cell system characterized in that a diagnosis is made based on a rising characteristic of a voltage expressed and the time threshold value and the voltage threshold value are variably set.
前記燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスが供給された直後の前記燃料電池の温度が低くなる程、前記時間しきい値を長く設定する
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 time threshold is set longer as the temperature of the fuel cell immediately after the fuel gas and the oxidant gas are supplied to the fuel cell.
前記燃料電池の電圧が、前記第1の電圧しきい値よりも小さい所定の第2の電圧しきい値以上になるまでの時間が長くなる程、前記時間しきい値を長く設定する
ことを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池システム。
The time threshold is set longer as the time until the voltage of the fuel cell becomes equal to or higher than a predetermined second voltage threshold smaller than the first voltage threshold is increased. The fuel cell system according to claim 1 or 2.
前記燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスが供給された直後、前記燃料電池から所定の電流を取り出したときの前記燃料電池の最低セル電圧の絶対値が大きい程、前記時間しきい値を長く設定する
ことを特徴とする請求項2または3に記載の燃料電池システム。
Immediately after fuel gas and oxidant gas are supplied to the fuel cell, the time threshold is set longer as the absolute value of the minimum cell voltage of the fuel cell when a predetermined current is taken out from the fuel cell is larger. The fuel cell system according to claim 2 or 3, characterized in that:
前記燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスが供給された直後、前記燃料電池から所定の電流を取り出したときに、前記燃料電池の電圧が、前記第1の電圧しきい値よりも小さい所定の第2の電圧しきい値以上になるまでの時間が長くなる程、前記時間しきい値を長く設定する
ことを特徴とする請求項2〜4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
Immediately after the fuel gas and oxidant gas are supplied to the fuel cell, when a predetermined current is taken out from the fuel cell, the voltage of the fuel cell is lower than the first voltage threshold value. 5. The fuel cell system according to claim 2, wherein the time threshold value is set to be longer as the time until the voltage threshold value of 2 or more is increased.
前記燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスが供給された直後の前記燃料電池の温度が低くなる程、前記第1の電圧しきい値を低く設定する
ことを特徴とする請求項2〜5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
6. The first voltage threshold value is set lower as the temperature of the fuel cell immediately after the fuel gas and the oxidant gas are supplied to the fuel cell is lower. The fuel cell system according to claim 1.
前記燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスが供給された直後の前記燃料電池の無負荷電圧が低くなる程、前記第1の電圧しきい値を低く設定する
ことを特徴とする請求項2〜5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
6. The first voltage threshold value is set lower as the no-load voltage of the fuel cell immediately after the fuel gas and oxidant gas are supplied to the fuel cell is lowered. The fuel cell system according to any one of the above.
前記燃料電池システムの前回の運転停止から次回の起動までの時間が長くなる程、かつ前記燃料電池の温度が低くなる程、前記第1の電圧しきい値を低く設定する
ことを特徴とする請求項2〜5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The first voltage threshold value is set to be lower as the time from the previous stop of the fuel cell system to the next startup becomes longer and the temperature of the fuel cell becomes lower. Item 6. The fuel cell system according to any one of Items 2 to 5.
前記燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスが供給された直後の前記燃料電池の無負荷電圧が低くなる程、前記時間しきい値を長く設定する
ことを特徴とする請求項2〜5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
6. The time threshold value is set longer as the no-load voltage of the fuel cell immediately after the fuel gas and the oxidant gas are supplied to the fuel cell is reduced. 2. The fuel cell system according to item 1.
前記燃料電池システムの前回の運転停止から次回の起動までの時間が長くなる程、かつ前記燃料電池の温度が低くなる程、前記時間しきい値を長く設定する
ことを特徴とする請求項2〜5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The time threshold is set longer as the time from the previous stop of the fuel cell system to the next startup becomes longer and the temperature of the fuel cell becomes lower. The fuel cell system according to any one of 5.
前記制御手段は、前記燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスが供給された直後から所定の時間しきい値以内に燃料電池の電圧が所定の第1の電圧しきい値以上に到達し、その状態が所定の診断時間継続したか否かで表される電圧の立ち上がり特性に基づいて診断する
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
The control means is configured so that the voltage of the fuel cell reaches or exceeds a predetermined first voltage threshold value within a predetermined time threshold immediately after the fuel gas and the oxidant gas are supplied to the fuel cell. 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell system is diagnosed based on a voltage rising characteristic expressed by whether or not a predetermined diagnosis time has continued.
前記燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスが供給された直後、前記燃料電池から所定の電流を取り出したときの前記燃料電池の最低セル電圧の絶対値が大きいほど、前記燃料電池の電圧が前記第1の電圧しきい値よりも小さい所定の第2の電圧しきい値以上になるまでの時間が長くなる程、ならびに前記燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスが供給された直後の前記燃料電池の無負荷電圧が低くなる程、前記所定の診断時間を長く設定する
ことを特徴とする請求項11に記載の燃料電池システム。
Immediately after the fuel gas and oxidant gas are supplied to the fuel cell, the larger the absolute value of the minimum cell voltage of the fuel cell when a predetermined current is taken out from the fuel cell, the higher the voltage of the fuel cell becomes. The fuel cell immediately after the fuel gas and the oxidant gas are supplied to the fuel cell as the time until it becomes a predetermined second voltage threshold value that is smaller than the voltage threshold value of 1 becomes longer. The fuel cell system according to claim 11, wherein the predetermined diagnosis time is set longer as the no-load voltage becomes lower.
前記第1の電圧しきい値は、前記燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスが供給された直後の前記燃料電池の温度に基づいて設定された値、前記燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスが供給された直後の前記燃料電池の無負荷電圧に基づいて設定された値、ならびに前記燃料電池システムの前回の運転停止から次回の起動までの時間に基づいて設定された値の内、最も小さい値が選択される
ことを特徴とする請求項2〜12のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The first voltage threshold is a value set based on the temperature of the fuel cell immediately after the fuel gas and oxidant gas are supplied to the fuel cell, and the fuel gas and oxidant gas are in the fuel cell. The smallest value among the values set based on the no-load voltage of the fuel cell immediately after being supplied, and the values set based on the time from the previous shutdown of the fuel cell system to the next startup. The fuel cell system according to any one of claims 2 to 12, wherein is selected.
前記時間しきい値は、前記燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスが供給された直後の前記燃料電池の温度に基づいて設定された値、前記燃料電池システムの前回の運転停止から次回の起動までの時間に基づいて設定された値、前記燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスが供給された直後、前記燃料電池から所定の電流を取り出したときに、前記燃料電池の電圧が前記第1の電圧しきい値よりも小さい所定の第2の電圧しきい値以上になるまでの時間に基づいて設定された値、前記燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスが供給された直後、前記燃料電池から所定の電流を取り出したときの前記燃料電池の最低セル電圧の絶対値に基づいて設定された値、前記燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスが供給された直後の前記燃料電池の無負荷電圧に基づいて設定された値の内、最も大きな値が選択される
ことを特徴とする請求項2〜13のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The time threshold is a value set based on the temperature of the fuel cell immediately after the fuel gas and oxidant gas are supplied to the fuel cell, from the previous shutdown of the fuel cell system to the next startup. When the predetermined current is taken out from the fuel cell immediately after the fuel gas and the oxidant gas are supplied to the fuel cell, the voltage of the fuel cell is the first voltage. A value set based on a time until a predetermined second voltage threshold value that is smaller than the threshold value is reached, and immediately after the fuel gas and oxidant gas are supplied to the fuel cell, Based on the value set based on the absolute value of the minimum cell voltage of the fuel cell when the current is taken out, based on the no-load voltage of the fuel cell immediately after the fuel gas and the oxidant gas are supplied to the fuel cell Set The fuel cell system according to any one of claims 2 to 13 in which of the values, characterized in that the highest value is selected.
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