JP2007179947A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent deterioration by suppressing fuel cell voltage rise due to hydrogen remaining in a fuel circulation passage when gas circulation between a fuel electrode and the fuel circulation passage is started in starting a fuel cell. <P>SOLUTION: A controller 30 first causes the gas circulation between an anode 4 and the fuel circulation passage 11 to be executed by starting a circulation pump 12 with a purge valve 20, an air pressure regulation valve 24 and a hydrogen supply valve 9 closed in starting this fuel cell system, and extracts a current from the fuel cell 2 to prevent a voltage value of the fuel cell 2 detected by a power manager 15 from exceeding a predetermined value. Then, the controller starts hydrogen supply from the hydrogen supply valve 9 to the anode. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に起動停止を繰り返す移動体駆動用電源に好適な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 suitable for a moving body driving power source that repeatedly starts and stops.

燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。   In a fuel cell, a fuel gas such as hydrogen gas and an oxidizing gas containing oxygen are electrochemically reacted through an electrolyte, and electric energy is directly taken out between electrodes provided on both surfaces of the electrolyte. In particular, solid polymer fuel cells using solid polymer electrolytes are attracting attention as power sources for electric vehicles because of their low operating temperature and easy handling. That is, a fuel cell vehicle is equipped with a hydrogen storage device such as a high-pressure hydrogen tank, a liquid hydrogen tank, or a hydrogen storage alloy tank in the vehicle, and reacts by supplying hydrogen supplied therefrom and oxygen-containing air to the fuel cell. This is the ultimate clean vehicle that drives the motor connected to the drive wheels with the electric energy extracted from the fuel cell, and that the only exhaust material is water.

ところで、燃料電池の出力が小さい運転領域では、発電効率が低いために発電を一時停止して、二次電池やコンデンサ等の蓄電装置から負荷装置へ電力供給するシステムがある。このようなアイドルストップを行う燃料電池システムでは、燃料電池の発電効率の高い運転領域では、燃料電池から負荷装置へ電力供給するとともに蓄電装置へ充電し、燃料電池の発電効率が低い運転領域を回避し、燃料電池システムの燃費性能を向上させることができる。   By the way, in an operation region where the output of the fuel cell is small, there is a system in which power generation is temporarily stopped and power is supplied from a power storage device such as a secondary battery or a capacitor to a load device because power generation efficiency is low. In such a fuel cell system that performs idle stop, in an operation region where the power generation efficiency of the fuel cell is high, power is supplied from the fuel cell to the load device and charged to the power storage device, and an operation region where the power generation efficiency of the fuel cell is low is avoided. In addition, the fuel efficiency of the fuel cell system can be improved.

しかしながら、燃料電池システムの起動、停止を繰り返すと、連続運転状態に比べて、燃料電池の劣化が促進されることが知られている。例えば、燃料電池システムの起動時にアノードへ水素供給を開始する場合、停止中にアノードへ入り込んだ空気と新規に供給される水素との界面(水素フロント)が形成される。そして水素フロントより後方の水素が供給されている第1領域のアノード電極では水素が電離され、水素イオンが電解質膜を介してカソードに到達する。このとき、未接続の外部回路からはカソードに電子が供給されず、水素フロントより前の第2領域のカソード触媒を担持している炭素と水との反応により二酸化炭素と水素イオンと電子が生成される。この電子は、カソード電極内を第2領域から第1領域側へ移動して水の生成に寄与する。第2領域で電離した水素イオンは、電解質膜を介して対向するアノード領域へ移動する。このような反応により、水素フロントより前のカソード領域の触媒担持体の炭素が二酸化炭素へとガス化して失われてしまい、触媒微粒子が凝集して触媒性能が低下するという問題があった。   However, it is known that when the fuel cell system is repeatedly started and stopped, the deterioration of the fuel cell is promoted as compared to the continuous operation state. For example, when the supply of hydrogen to the anode is started when the fuel cell system is started, an interface (hydrogen front) between the air that has entered the anode during the stop and the hydrogen that is newly supplied is formed. Then, hydrogen is ionized at the anode electrode in the first region to which hydrogen behind the hydrogen front is supplied, and hydrogen ions reach the cathode through the electrolyte membrane. At this time, electrons are not supplied to the cathode from an unconnected external circuit, and carbon dioxide, hydrogen ions, and electrons are generated by the reaction of carbon and water carrying the cathode catalyst in the second region before the hydrogen front. Is done. The electrons move from the second region to the first region in the cathode electrode and contribute to the generation of water. Hydrogen ions ionized in the second region move to the opposing anode region through the electrolyte membrane. Due to such a reaction, the carbon in the catalyst carrier in the cathode region before the hydrogen front is lost by gasification to carbon dioxide, and there is a problem that catalyst fine particles aggregate and the catalyst performance deteriorates.

この問題を解決するために、特許文献1記載の発明では、燃料電池の起動時に、カソードへの空気流入を遮断した状態で、かつ水素循環装置の循環機能を停止した状態で、アノードへ水素供給を開始し、燃料電池からの電流取り出しによりカソードに残存する酸素を消費させる。そしてカソードの酸素が消費された後に、水素循環装置による燃料ガス循環を開始させている。
特開2005−158553号公報(第8頁、図6)
In order to solve this problem, in the invention described in Patent Document 1, hydrogen is supplied to the anode in the state where the air inflow to the cathode is shut off and the circulation function of the hydrogen circulation device is stopped when the fuel cell is started. The oxygen remaining in the cathode is consumed by taking out the current from the fuel cell. Then, after the cathode oxygen is consumed, the fuel gas circulation by the hydrogen circulation device is started.
Japanese Patent Laying-Open No. 2005-158553 (page 8, FIG. 6)

しかしながら上記従来例にあっては、起動時に水素循環装置を駆動せずに水素を供給していたため、燃料電池スタックを構成する各セルに均等に水素が供給されず、燃料電池電圧を抑制するための電圧制限制御(VLC:Voltage Limit Control)のための電流取り出しを行ったときに、水素不足のセルが転極を起こし、スタックが劣化する虞があるという問題があった。   However, in the above conventional example, hydrogen is supplied without driving the hydrogen circulation device at the start-up, so that hydrogen is not supplied uniformly to each cell constituting the fuel cell stack, and the fuel cell voltage is suppressed. When current extraction for voltage limit control (VLC) is performed, a cell deficient in hydrogen causes a reversal and the stack may be deteriorated.

この問題を回避するために、水素供給開始前に、水素循環装置を作動させて、燃料極と燃料循環路との間に予め十分なガス流を形成させてから、水素供給を開始して各セルに均等に水素が供給される状態でVLC制御を行うことが考えられる。しかしながら、燃料循環路内に水素が残留している状態からの起動の場合、水素循環装置を起動すると、この残留水素が燃料極に流入し、燃料電池電圧が上昇し燃料電池が劣化する虞があるという問題が生じる。   In order to avoid this problem, before the hydrogen supply is started, the hydrogen circulation device is operated to form a sufficient gas flow between the fuel electrode and the fuel circulation path in advance, and then the hydrogen supply is started. It is conceivable to perform VLC control in a state where hydrogen is supplied evenly to the cells. However, in the case of starting from a state in which hydrogen remains in the fuel circulation path, when the hydrogen circulation device is started, the residual hydrogen may flow into the fuel electrode, the fuel cell voltage may rise, and the fuel cell may deteriorate. The problem that there is.

図8は、この問題を説明する起動時のタイムチャートであり、(a)アノードの水素圧力、(b)水素循環装置である循環ポンプの回転速度、(c)スタック電流、(d)スタック電圧をそれぞれ示す。図8において、時刻ta に水素供給前の循環ポンプ起動を行い、時刻tb で循環ポンプの回転速度が定常に達し、時刻tc において、圧力P1 まで水素を供給し、時刻td において、空気供給を開始するとともに通常発電を開始したとする。ところが、この循環ポンプの動作開始により、燃料循環路内に残存していた水素がアノードへ水素が供給され、燃料電池から電流を取り出さないと、スタック電圧が上昇し、燃料電池が劣化する虞があるという問題点があった。   FIG. 8 is a time chart at start-up for explaining this problem. (A) Hydrogen pressure at the anode, (b) Rotational speed of a circulation pump as a hydrogen circulation device, (c) Stack current, (d) Stack voltage Respectively. In FIG. 8, the circulation pump before hydrogen supply is started at time ta, the rotation speed of the circulation pump reaches a steady state at time tb, hydrogen is supplied up to pressure P1 at time tc, and air supply is started at time td. Suppose that normal power generation is started. However, when the operation of the circulation pump is started, if the hydrogen remaining in the fuel circulation path is supplied to the anode and current is not taken out from the fuel cell, the stack voltage will rise and the fuel cell may be deteriorated. There was a problem that there was.

上記問題点を解決するために、本発明は、燃料極と酸化剤極との間に電解質膜を挟持させてなるセルを複数積層した燃料電池スタックと、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、前記燃料極から排出された燃料ガスを再度燃料極へ循環させる燃料循環経路と、燃料循環経路内のガスを圧送する燃料循環手段と、前記燃料循環経路から不純物を含む燃料ガスを系外へ排出する排出手段と、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給手段と、前記燃料電池スタックから電流を取り出す電流取出手段と、前記燃料電池スタックの電圧を検出する電圧検出手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの起動時に、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する前に、前記燃料電池スタックの電圧を制限しながら前記燃料極へ燃料ガスを供給して燃料極内の酸素を消費させる際に、前記燃料供給手段から前記燃料極へ燃料ガスの供給を開始する前に、前記排出手段を閉止した状態で前記燃料循環手段を起動して、前記燃料極と燃料循環経路との間のガス循環を行いながら、前記電圧検出手段が検出した電圧値が所定電圧を超えないように燃料電池スタックから電流取り出しを行うことを要旨とする。   In order to solve the above problems, the present invention provides a fuel cell stack in which a plurality of cells each having an electrolyte membrane sandwiched between a fuel electrode and an oxidant electrode, and a fuel that supplies fuel gas to the fuel electrode. A supply means, a fuel circulation path for circulating the fuel gas discharged from the fuel electrode to the fuel electrode again, a fuel circulation means for pumping the gas in the fuel circulation path, and a fuel gas containing impurities from the fuel circulation path. Discharge means for discharging out of the system, oxidant supply means for supplying oxidant gas to the oxidant electrode, current extraction means for extracting current from the fuel cell stack, and voltage detection for detecting the voltage of the fuel cell stack A fuel cell system comprising: means for limiting the voltage of the fuel cell stack before supplying an oxidant gas to the oxidant electrode when starting the fuel cell system. When the fuel gas is supplied and oxygen in the fuel electrode is consumed, the fuel circulation means is activated with the discharge means closed before the fuel gas supply from the fuel supply means to the fuel electrode is started. Then, the current extraction is performed from the fuel cell stack so that the voltage value detected by the voltage detection means does not exceed a predetermined voltage while performing gas circulation between the fuel electrode and the fuel circulation path. .

また、本発明は、燃料極と酸化剤極との間に電解質膜を挟持させてなるセルを複数積層した燃料電池スタックと、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、前記燃料極から排出された燃料ガスを再度燃料極へ循環させる燃料循環経路と、燃料循環経路内のガスを圧送する燃料循環手段と、前記燃料循環経路から不純物を含む燃料ガスを系外へ排出する排出手段と、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給手段と、前記燃料電池スタックから電流を取り出す電流取出手段と、前記燃料電池スタックの電圧を検出する電圧検出手段と、前記燃料供給手段及び前記酸化剤供給手段によるガス供給、前記燃料循環手段による燃料循環、前記排出手段によるガス排出、並びに前記電流取出手段による電流取出を制御する制御手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、燃料電池システムの起動時に、まず前記排出手段を閉止した状態で前記燃料循環手段を起動して、前記燃料極と燃料循環経路との間のガス循環を行いながら、前記電圧検出手段が検出した電圧値が所定電圧を超えないように前記電流取出手段により前記燃料電池スタックから電流を取り出し、次いで、前記燃料極へ燃料ガスを供給して燃料極内の酸素を消費させ、その後、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給することを要旨とする。   The present invention also provides a fuel cell stack in which a plurality of cells each having an electrolyte membrane sandwiched between a fuel electrode and an oxidant electrode, fuel supply means for supplying fuel gas to the fuel electrode, and the fuel electrode A fuel circulation path for circulating the fuel gas discharged from the fuel electrode again, a fuel circulation means for pumping the gas in the fuel circulation path, and a discharge means for discharging the fuel gas containing impurities from the fuel circulation path to the outside of the system Oxidant supply means for supplying an oxidant gas to the oxidant electrode, current extraction means for extracting current from the fuel cell stack, voltage detection means for detecting the voltage of the fuel cell stack, and the fuel supply means And control means for controlling gas supply by the oxidant supply means, fuel circulation by the fuel circulation means, gas discharge by the discharge means, and current extraction by the current extraction means, In the obtained fuel cell system, when the fuel cell system is activated, the control means first activates the fuel circulation means with the discharge means closed, and performs gas circulation between the fuel electrode and the fuel circulation path. The current extraction means extracts current from the fuel cell stack so that the voltage value detected by the voltage detection means does not exceed a predetermined voltage, and then supplies fuel gas to the fuel electrode to The gist is to consume oxygen and then supply an oxidant gas to the oxidant electrode.

本発明によれば、水素循環装置を起動して燃料循環路と燃料極との間に十分なガス流を形成する際に、燃料電池スタックの電圧を検出して検出した電圧が所定電圧を超えないように制御しているので、燃料循環路に水素が残留している状態から起動しても燃料電池電圧が所定値を超えず、燃料電池の劣化を防止することができるという効果がある。   According to the present invention, when the hydrogen circulation device is started and a sufficient gas flow is formed between the fuel circulation path and the fuel electrode, the voltage detected by detecting the voltage of the fuel cell stack exceeds the predetermined voltage. Therefore, even if the fuel circulation path is started from a state where hydrogen remains, the fuel cell voltage does not exceed a predetermined value, and it is possible to prevent deterioration of the fuel cell.

次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、特に限定されないが以下の各実施例は、燃料電池車両用の電源として、好適な燃料電池システムである。   Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Although not particularly limited, each of the following embodiments is a fuel cell system suitable as a power source for a fuel cell vehicle.

図1は、本発明に係る燃料電池システム1の実施例1の概略構成を説明するシステム構成図である。同図において、燃料電池システム1は、例えば固体高分子型の燃料電池スタック(以下、単に燃料電池とも呼ぶ)2を備えている。燃料電池2は、電解質膜3をアノード(燃料極)4とカソード(酸化剤極)5で挟持した単電池(セル)が複数積層された構造を有するが単電池のみ模式的に図示している。アノード4には燃料として水素ガス、カソード5には酸化剤ガスとして空気が供給され、以下に示す電極反応が進行され、電力が発電される。   FIG. 1 is a system configuration diagram illustrating a schematic configuration of a first embodiment of a fuel cell system 1 according to the present invention. In FIG. 1, a fuel cell system 1 includes, for example, a polymer electrolyte fuel cell stack (hereinafter also simply referred to as a fuel cell) 2. The fuel cell 2 has a structure in which a plurality of unit cells (cells) in which an electrolyte membrane 3 is sandwiched between an anode (fuel electrode) 4 and a cathode (oxidant electrode) 5 are stacked, but only a unit cell is schematically illustrated. . Hydrogen gas is supplied as fuel to the anode 4 and air is supplied as oxidant gas to the cathode 5, and the electrode reaction shown below proceeds to generate electric power.

アノード(燃料極) :H2 → 2H+ +2e- …(1)
カソード(酸化剤極):2H+ +2e- +(1/2)O2 → H2O …(2)
このときカソード5で生成された水の一部は水蒸気となって、電解質膜3を透過してアノード4へ侵入する。燃料ガスとしての水素は、水素タンク6から水素タンク元弁7、減圧弁8、水素供給弁9を通じてアノード4へ供給される。水素タンク6から供給される高圧水素は、減圧弁8で機械的に所定の圧力まで減圧され、さらに水素供給弁9でアノード4の入口の水素圧力が所望の圧力となるように減圧される。アノード入口の水素圧力は、アノード入口圧力センサ10aにより検出され、コントローラ30に入力される。
Anode (fuel electrode): H 2 → 2H + + 2e (1)
Cathode (oxidant electrode): 2H + + 2e + (1/2) O 2 → H 2 O (2)
At this time, a part of the water generated at the cathode 5 becomes water vapor and permeates the electrolyte membrane 3 and enters the anode 4. Hydrogen as a fuel gas is supplied from the hydrogen tank 6 to the anode 4 through the hydrogen tank main valve 7, the pressure reducing valve 8, and the hydrogen supply valve 9. The high-pressure hydrogen supplied from the hydrogen tank 6 is mechanically reduced to a predetermined pressure by the pressure reducing valve 8 and further reduced by the hydrogen supply valve 9 so that the hydrogen pressure at the inlet of the anode 4 becomes a desired pressure. The hydrogen pressure at the anode inlet is detected by the anode inlet pressure sensor 10 a and input to the controller 30.

アノード4の出口からアノード4の入口へアノードで消費されなかった燃料ガスを循環させる燃料循環路11が備えられる。循環ポンプ12は、燃料循環路11内の燃料ガスを昇圧させて循環させる燃料循環手段である。循環ポンプ12は図示しない電動機によって回転駆動され、その回転速度は、回転センサ13によって検出される。カソード5への空気は酸化剤供給手段であるコンプレッサ14により供給される。カソード出口には、空気圧調整弁24が設けられ、カソード圧力が制御される。   A fuel circulation path 11 is provided for circulating the fuel gas that has not been consumed at the anode from the outlet of the anode 4 to the inlet of the anode 4. The circulation pump 12 is fuel circulation means for increasing the pressure of the fuel gas in the fuel circulation path 11 and circulating it. The circulation pump 12 is driven to rotate by an electric motor (not shown), and the rotation speed is detected by a rotation sensor 13. Air to the cathode 5 is supplied by a compressor 14 which is an oxidant supply means. An air pressure adjusting valve 24 is provided at the cathode outlet to control the cathode pressure.

パワーマネージャ15は、燃料電池2から電流を取り出して、負荷装置16もしくはバッテリ17へ電力を供給する電流取出手段である。尚、パワーマネージャー15は、燃料電池2の電圧(総電圧、或いはスタック電圧)を検出する電圧検出手段でもあり、またコントローラ30からの指示により、起動時に燃料電池2から電流を取り出して、燃料電池2の電圧を所定電圧以下に制限する機能を有する。   The power manager 15 is a current extraction unit that extracts current from the fuel cell 2 and supplies power to the load device 16 or the battery 17. The power manager 15 is also a voltage detection means for detecting the voltage (total voltage or stack voltage) of the fuel cell 2, and in response to an instruction from the controller 30, the current is extracted from the fuel cell 2 at the time of start-up. 2 has a function of limiting the voltage of 2 to a predetermined voltage or less.

バッテリコントローラ18は、バッテリ17の充放電電流をモニタしてバッテリの蓄電状態(SOC)を算出し、SOCをコントローラ30へ送信する。セル電圧センサ19は、燃料電池2の単電池(セル)毎、もしくは単電池が複数直列接続された単電池群(セル群)毎の電圧、及びこれらの電圧の合計値であるスタック電圧を検出して、コントローラ30へ出力する。   The battery controller 18 monitors the charging / discharging current of the battery 17 to calculate the state of charge (SOC) of the battery, and transmits the SOC to the controller 30. The cell voltage sensor 19 detects the voltage of each unit cell (cell) of the fuel cell 2 or each unit cell group (cell group) in which a plurality of unit cells are connected in series, and the stack voltage that is the sum of these voltages. And output to the controller 30.

カソード5には、酸化剤として空気を供給するため、化学反応しない窒素が、電解質膜3を透過して、アノード4、燃料循環路11及び循環ポンプ12を含む水素循環系に蓄積する。水素循環系に蓄積した窒素量が多くなりすぎると、水素循環系の気体の質量密度が増加し、循環ポンプ12によるガス循環量を維持できなくなるため、水素循環系内の窒素量を管理する必要がある。したがって、水素循環系内の窒素を含んだガスをパージ弁20により外部に排出し、水素循環系内に存在する窒素量を循環性能が維持できるようにする。アノード入口圧力センサ10bはアノード入口の圧力を測定するセンサであり、その検出値は、コントローラ30へ入力される。また、ユーザが燃料電池システム1の運転停止を指示するためのキースイッチ23に信号がコントローラ30へ入力されている。   In order to supply air as an oxidant to the cathode 5, non-chemically reacting nitrogen permeates the electrolyte membrane 3 and accumulates in a hydrogen circulation system including the anode 4, the fuel circulation path 11 and the circulation pump 12. If the amount of nitrogen accumulated in the hydrogen circulation system increases too much, the mass density of the gas in the hydrogen circulation system increases and the gas circulation amount by the circulation pump 12 cannot be maintained, so the amount of nitrogen in the hydrogen circulation system must be managed. There is. Therefore, the gas containing nitrogen in the hydrogen circulation system is discharged to the outside by the purge valve 20 so that the circulation performance can be maintained for the amount of nitrogen present in the hydrogen circulation system. The anode inlet pressure sensor 10 b is a sensor that measures the pressure at the anode inlet, and the detected value is input to the controller 30. Further, a signal is input to the controller 30 to the key switch 23 for the user to instruct to stop the operation of the fuel cell system 1.

コントローラ30は、燃料電池システムの起動、停止、発電時に、各センサ信号を用いてシステム内の各アクチュエータをコントロールして、酸化剤ガス及び燃料ガスのガス供給、燃料循環路のガス循環、不純物を含んだガスの排出、及び燃料電池2からの電流取り出しを制御する制御手段である。   The controller 30 controls each actuator in the system using each sensor signal at the time of starting, stopping, and generating power of the fuel cell system to supply the gas of the oxidant gas and the fuel gas, the gas circulation of the fuel circulation path, and impurities. It is a control means for controlling discharge of the contained gas and current extraction from the fuel cell 2.

尚、本実施例においては、コントローラ30は、CPUと、制御プログラム及び制御パラメータを記憶したROMと、作業用RAMと、入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成され、その制御機能は、制御プログラムの実行により達成される。   In this embodiment, the controller 30 is composed of a microprocessor having a CPU, a ROM storing a control program and control parameters, a working RAM, and an input / output interface. This is achieved by executing the program.

次に、図2のフローチャート、及び図5のタイムチャートを参照して、コントローラ30による燃料電池システムの起動時の動作を説明する。図1のキースイッチ23がオフからオンの状態へ切り換えられたり、燃料電池システムの低負荷時のアイドルストップ状態から復帰する場合、図2の起動制御が開始される。   Next, with reference to the flowchart of FIG. 2 and the time chart of FIG. 5, the operation at the time of starting the fuel cell system by the controller 30 will be described. When the key switch 23 in FIG. 1 is switched from the off state to the on state or when the fuel cell system returns from the idle stop state at the time of low load, the start control in FIG. 2 is started.

起動制御が開始されると、まずステップ(以下、ステップをSと略す)102において、コントローラ30は、制御用のフラグを0クリアする。このフラグは、燃料電池の起動VLC制御時に、燃料電池2からの取出電流がピークを超えたときに1にセットされ、それ以外は、0の値をとるものである。次いでS104で、コントローラ30は、空気圧調整弁24を閉じ、S106でパージ弁20を閉じる。尚、燃料電池システムの停止状態の仕様によっては、停止中に、空気圧調整弁24及びパージ弁20の閉じた状態を保持するものがあり、その場合には、S104及びS106は省略可能である。   When the activation control is started, first, in step (hereinafter, step is abbreviated as S) 102, the controller 30 clears the control flag to zero. This flag is set to 1 when the extraction current from the fuel cell 2 exceeds the peak during start-up VLC control of the fuel cell, and takes a value of 0 otherwise. Next, in S104, the controller 30 closes the air pressure adjusting valve 24, and closes the purge valve 20 in S106. Note that, depending on the specifications of the stop state of the fuel cell system, there are those that hold the closed state of the air pressure adjusting valve 24 and the purge valve 20 during the stop, and in this case, S104 and S106 can be omitted.

次いでS108で、コントローラ30からパワーマネージャー15へ燃料電池2からの電流取り出しの準備を指示する。パワーマネージャー15は、電流取り出しの準備が指示されると、以後、燃料電池2の総電圧を監視しながら、この総電圧が所定電圧Vlmを超えないように、燃料電池2から電流取出を行うように構成されている。この所定電圧Vlmは、例えば、実験的に求めた燃料電池の触媒担体である炭素を腐食しないセル電圧に、燃料電池スタックのセル数を乗じて算出される。このとき取り出された電流は、パワーマネージャー15によって、バッテリ17に充電されてもよいし、パワーマネージャー15の内部或いは負荷装置16で消費されてもよい。   Next, in S108, the controller 30 instructs the power manager 15 to prepare for taking out the current from the fuel cell 2. When the power manager 15 is instructed to prepare for current extraction, the power manager 15 thereafter monitors the total voltage of the fuel cell 2 and performs current extraction from the fuel cell 2 so that the total voltage does not exceed the predetermined voltage Vlm. It is configured. The predetermined voltage Vlm is calculated, for example, by multiplying a cell voltage that does not corrode carbon that is an experimentally determined fuel cell catalyst carrier by the number of cells in the fuel cell stack. The current extracted at this time may be charged in the battery 17 by the power manager 15 or may be consumed in the power manager 15 or in the load device 16.

次いで、S110で循環ポンプ12を目標回転速度r2で回転駆動開始して、アノード4及び燃料循環路11内のガスの循環を開始させる。これは、図5の時刻ta に対応する。この目標回転速度r2は、アノード4に供給される循環ガスが燃料電池2を構成する各セルに均一にガスが分配される目標回転速度であり、実機による実験、或いは循環ポンプ12と燃料電池2と燃料循環路11との流体力学的数値シミュレーションにより求めることができる。   Next, in S110, the circulation pump 12 is started to rotate at the target rotation speed r2, and the circulation of the gas in the anode 4 and the fuel circulation path 11 is started. This corresponds to time ta in FIG. This target rotational speed r2 is a target rotational speed at which the circulating gas supplied to the anode 4 is uniformly distributed to each cell constituting the fuel cell 2, and experiments with actual machines or the circulating pump 12 and the fuel cell 2 are performed. And a fluid dynamic numerical simulation of the fuel circulation path 11.

次いでS112で、パワーマネージャー15が燃料電池2の電圧を検出して、S114検出した燃料電池電圧に応じた電流取り出しを行って、燃料電池電圧をVlmに制限するVLC制御を行う。S110で循環ポンプ12を起動すると、前回燃料電池の運転停止時からの経過時間が余り長くない場合、燃料循環路11内部に燃料ガスとしての水素が残留していることがあり、その水素が循環ポンプ12に起動とともに、燃料循環路11から燃料電池2のアノード4へ流入する。本実施例では、循環ポンプ12の起動前からVLC制御を準備し、燃料電池2の電圧が上昇するのと同時に、この電圧に基づいて燃料電池2から電流取出を行うことができるため、燃料電池2の電圧を図5(d)の実線で示すようにVlmに制限することができ、図5(d)の破線で示す従来技術ような電圧の上昇を招くことがない。   Next, in S112, the power manager 15 detects the voltage of the fuel cell 2, performs current extraction according to the fuel cell voltage detected in S114, and performs VLC control to limit the fuel cell voltage to Vlm. When the circulation pump 12 is started in S110, if the elapsed time from the previous stop of the fuel cell is not so long, hydrogen as fuel gas may remain in the fuel circulation path 11, and the hydrogen circulates. The pump 12 starts and flows from the fuel circulation path 11 to the anode 4 of the fuel cell 2. In this embodiment, since VLC control is prepared before the circulation pump 12 is started and the voltage of the fuel cell 2 rises, current can be extracted from the fuel cell 2 based on this voltage. The voltage of 2 can be limited to Vlm as shown by the solid line in FIG. 5 (d), and there is no increase in voltage as in the prior art shown by the broken line in FIG. 5 (d).

次いでS116で、コントローラ30は、フラグの値が1か否かを判定する。フラグが1であれば、S122へ進む。フラグが1でなければ(フラグが0)、S118へ進み、取出電流がピークを超えたか否かを判定する。これは、制御サイクル毎にパワーマネージャー15から送られてくる取出電流モニタ値を参照して、前回の取出電流より今回の取出電流の方が小さければ、ピークを超えたと、コントローラ30自体が判定してもよいし、パワーマネージャー15により取出電流がピークを超えたか否かを判定し、その結果をコントローラ30に伝達してもよい。   Next, in S116, the controller 30 determines whether or not the value of the flag is 1. If the flag is 1, the process proceeds to S122. If the flag is not 1 (flag is 0), the process proceeds to S118, and it is determined whether or not the extraction current exceeds the peak. This is because the controller 30 itself determines that the peak has been exceeded if the current extraction current is smaller than the previous current extraction with reference to the current extraction monitor value sent from the power manager 15 every control cycle. Alternatively, the power manager 15 may determine whether or not the extraction current exceeds the peak, and transmit the result to the controller 30.

S118の判定で取出電流がピークを超えていなければ、S112へ戻り、燃料電池電圧を監視しながら燃料電池2からの電流取出による燃料電池電圧制限を継続する。S118の判定で取出電流がピークを超えていれば、S120へ進み、フラグに1をセットし、次いで、S122で水素供給を開始するか否かを判定する。この水素供給開始判断は、取出電流が所定値以下となった場合、或いは、取出電流がピークを超えてから所定時間以上経過した場合に、水素供給を開始すると判断する。S122で水素供給開始と判断しなかった場合は、S112へ戻る。   If the extraction current does not exceed the peak in the determination of S118, the process returns to S112, and the fuel cell voltage limitation by the current extraction from the fuel cell 2 is continued while monitoring the fuel cell voltage. If the extraction current exceeds the peak in the determination in S118, the process proceeds to S120, the flag is set to 1, and then it is determined whether or not the hydrogen supply is started in S122. This hydrogen supply start determination is determined to start hydrogen supply when the extraction current becomes a predetermined value or less, or when a predetermined time or more has elapsed after the extraction current exceeds the peak. If it is not determined in S122 that hydrogen supply has started, the process returns to S112.

S122で水素供給開始と判断した場合には、S124へ進み、コントローラ30は、水素供給弁9を開いて、アノード圧力をP1まで上昇させる。これが図5の時刻tc に相当する。こうして供給開始された水素が燃料電池2のアノード4に到達するとき、既に循環ポンプ12は、循環ガスが各セルに均等に分配される回転速度で循環を継続しているので、供給された水素は、各セルに均等に分配され、各セルの電圧が均等に上昇し始める。しかしながら、パワーマネージャー15による燃料電池2の電圧監視及び電圧に応じた電流の取り出しが継続しているので、燃料電池電圧は抑制され、カソード5に残存している空気中の酸素が消費されるまで、電流取り出しが継続する。このカソード残存酸素が消費尽くされると、取出電流は0まで低下するが、実際には、回転停止しているコンプレッサ14の漏洩空気や、閉じている空気圧調整弁24の漏洩空気により僅かではあるが酸素が供給され、完全に0とならない場合がある。   When it is determined in S122 that hydrogen supply is started, the process proceeds to S124, where the controller 30 opens the hydrogen supply valve 9 and increases the anode pressure to P1. This corresponds to time tc in FIG. When the hydrogen thus started to reach the anode 4 of the fuel cell 2, the circulation pump 12 has already continued to circulate at a rotational speed at which the circulation gas is evenly distributed to each cell. Are evenly distributed to each cell and the voltage of each cell begins to rise evenly. However, since the voltage monitoring of the fuel cell 2 by the power manager 15 and the extraction of the current corresponding to the voltage are continued, the fuel cell voltage is suppressed and the oxygen in the air remaining at the cathode 5 is consumed. The current extraction continues. When the cathode residual oxygen is exhausted, the extraction current decreases to 0, but in reality, it is slightly due to the leakage air of the compressor 14 that has stopped rotating and the leakage air of the closed air pressure adjusting valve 24. Oxygen is supplied and may not be completely zero.

次いでS126で、コントローラ30は、VLC制御を終了するか否かを判定する。この判定は、例えば、パワーマネージャー15による燃料電池2からの取出電流値が実質的に0となったと見なせる所定値以下となったこと、或いはS122の水素供給開始から、カソード5の残存酸素が消費されつくすのに要する所定時間を経過したこと等、VLC終了条件が成立したか否かにより判定する。S126で、VLC制御を終了すると判定しなかった場合、VLC終了条件が成立するまで、S126を繰り返す。   Next, in S126, the controller 30 determines whether or not to end the VLC control. This determination is made, for example, when the current taken out from the fuel cell 2 by the power manager 15 is less than or equal to a predetermined value that can be regarded as substantially zero, or the remaining oxygen of the cathode 5 is consumed after the start of hydrogen supply in S122. Judgment is made based on whether or not a VLC termination condition has been established, such as the passage of a predetermined time required for reluctance. If it is not determined in S126 that the VLC control is to be terminated, S126 is repeated until the VLC termination condition is satisfied.

S126で、取出電流が実質的に0と見なせる所定電流値は、コンプレッサ14の回転停止時の気密性能等を考慮して、実験的に決定することとなるが、例えば、数十[mA]とすることができる。   In S126, the predetermined current value at which the extraction current can be regarded as substantially zero is experimentally determined in consideration of the airtightness performance when the compressor 14 stops rotating, for example, several tens [mA]. can do.

S126で、VLC制御を終了すると判定した場合、S128へ進み、コントローラ30は、コンプレッサ14を起動して、カソード5へ空気供給を開始し、次いで、S130で、水素供給弁9に制御信号を送り、アノード4の水素圧力を運転圧力であるP2まで上昇させ(図5の時刻td )、起動制御を完了し、以後通常発電状態へ移る。   If it is determined in S126 that VLC control is to be terminated, the process proceeds to S128, where the controller 30 starts the compressor 14 and starts supplying air to the cathode 5, and then in S130, sends a control signal to the hydrogen supply valve 9. Then, the hydrogen pressure of the anode 4 is increased to P2 which is the operating pressure (time td in FIG. 5), the start-up control is completed, and the normal power generation state is thereafter performed.

以上説明した本実施例によれば、水素循環装置を起動して燃料循環路と燃料極との間に十分なガス流を形成する際に、燃料電池スタックの電圧を検出して検出した電圧が所定電圧を超えないように制御しているので、燃料循環路に水素が残留している状態から起動しても燃料電池電圧が所定値を超えず、燃料電池の劣化を防止することができるという効果がある。   According to the present embodiment described above, when the hydrogen circulation device is started and a sufficient gas flow is formed between the fuel circulation path and the fuel electrode, the detected voltage is detected by detecting the voltage of the fuel cell stack. Since control is performed so as not to exceed a predetermined voltage, the fuel cell voltage does not exceed a predetermined value even when starting from a state in which hydrogen remains in the fuel circulation path, and deterioration of the fuel cell can be prevented. effective.

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例2を説明する。実施例2の概略構成は、図1に示した実施例1の概略構成と同様である。本実施例2は、燃料電池システムの起動時に、燃料循環装置である循環ポンプ12を最初に比較的低い回転速度である第1の回転速度で駆動し、燃料循環路内に残存する水素が燃料電池のアノードに流入する速度を抑制し、電流取出装置が応答よく燃料電池の電圧制御をおこなうことができ、その後、第1の回転速度より高い第2の回転速度で循環ポンプを駆動して、アノードへの水素供給を開始する点に特徴がある。   Next, a second embodiment of the fuel cell system according to the present invention will be described. The schematic configuration of the second embodiment is the same as the schematic configuration of the first embodiment shown in FIG. In the second embodiment, when the fuel cell system is started, the circulation pump 12 that is a fuel circulation device is first driven at a first rotational speed that is a relatively low rotational speed, and hydrogen remaining in the fuel circulation path is used as fuel. Suppressing the rate of flow into the anode of the battery, the current extraction device can control the voltage of the fuel cell in a responsive manner, and then driving the circulation pump at a second rotational speed higher than the first rotational speed, It is characterized in that the supply of hydrogen to the anode is started.

次に、図3のフローチャート、及び図6のタイムチャートを参照して、コントローラ30による燃料電池システムの起動時の動作を説明する。図1のキースイッチ23がオフからオンの状態へ切り換えられたり、燃料電池システムの低負荷時のアイドルストップ状態から復帰する場合、図3の起動制御が開始される。   Next, referring to the flowchart of FIG. 3 and the time chart of FIG. 6, the operation at the time of starting the fuel cell system by the controller 30 will be described. When the key switch 23 in FIG. 1 is switched from the off state to the on state, or when the fuel cell system returns from the idle stop state at the time of low load, the start control in FIG. 3 is started.

起動制御が開始されると、まずS202において、コントローラ30は、制御用のフラグを0クリアする。このフラグは、燃料電池の起動VLC制御時に、燃料電池2からの取出電流がピークを超えたときに1にセットされ、それ以外は、0の値をとるものである。次いでS204で、コントローラ30は、空気圧調整弁24を閉じ、S206でパージ弁20を閉じる。尚、燃料電池システムの停止状態の仕様によっては、停止中に、空気圧調整弁24及びパージ弁20の閉じた状態を保持するものがあり、その場合には、S204及びS206は省略可能である。   When the activation control is started, first, in S202, the controller 30 clears the control flag to zero. This flag is set to 1 when the extraction current from the fuel cell 2 exceeds the peak during start-up VLC control of the fuel cell, and takes a value of 0 otherwise. Next, in S204, the controller 30 closes the air pressure adjusting valve 24, and closes the purge valve 20 in S206. Note that, depending on the specifications of the stop state of the fuel cell system, there are those that hold the closed state of the air pressure adjusting valve 24 and the purge valve 20 during the stop. In this case, S204 and S206 can be omitted.

次いでS208で、コントローラ30からパワーマネージャー15へ燃料電池2からの電流取り出しの準備を指示する。パワーマネージャー15は、電流取り出しの準備が指示されると、以後、燃料電池2の総電圧を監視しながら、この総電圧が所定電圧Vlmを超えないように、燃料電池2から電流取出を行うように構成されている。この所定電圧Vlmは、例えば、実験的に求めた燃料電池触媒担体を腐食しないセル電圧に、燃料電池スタックのセル数を乗じて算出される。このとき取り出された電流は、パワーマネージャー15によって、バッテリ17に充電されてもよいし、パワーマネージャー15の内部或いは負荷装置16で消費されてもよい。   Next, in S208, the controller 30 instructs the power manager 15 to prepare for taking out the current from the fuel cell 2. When the power manager 15 is instructed to prepare for current extraction, the power manager 15 thereafter monitors the total voltage of the fuel cell 2 and performs current extraction from the fuel cell 2 so that the total voltage does not exceed the predetermined voltage Vlm. It is configured. The predetermined voltage Vlm is calculated, for example, by multiplying the cell voltage that does not corrode the fuel cell catalyst carrier obtained experimentally by the number of cells of the fuel cell stack. The current extracted at this time may be charged in the battery 17 by the power manager 15 or may be consumed in the power manager 15 or in the load device 16.

次いでS210で、前回燃料電池運転を停止したときからの経過時間である停止時間を算出する。この停止時間は、コントローラ30に現在時刻を示す時計を内蔵しておき、前回燃料電池の運転を停止したときにその時刻を記憶し、現在の時刻から前回運転停止時の時刻を減算することにより得られる。次いでS212で、停止時間が所定時間T1以下であるか否かを判定する。ここで、所定時間T1は、アノード4内にも燃料循環路11内にも水素が残留しない停止時間であり、燃料電池のガス流路の形状、容積、触媒性能等によって異なる値である。実際には、実機による実験や、燃料電池2及び燃料循環路11のガス流動及び触媒反応の数値シミュレーションにより求めることができる。   Next, in S210, a stop time that is an elapsed time from when the previous fuel cell operation was stopped is calculated. This stop time is obtained by incorporating a clock indicating the current time in the controller 30, storing the time when the previous fuel cell operation was stopped, and subtracting the time at the previous operation stop from the current time. can get. Next, in S212, it is determined whether or not the stop time is equal to or shorter than a predetermined time T1. Here, the predetermined time T1 is a stop time in which hydrogen does not remain in the anode 4 or the fuel circulation path 11, and varies depending on the shape, volume, catalyst performance, etc. of the gas flow path of the fuel cell. Actually, it can be obtained by an experiment with an actual machine or a numerical simulation of gas flow and catalytic reaction of the fuel cell 2 and the fuel circulation path 11.

S212の判定で、停止時間が所定時間T1以下であれば、少なくとも燃料循環路11内に水素ガスが残留している可能性があるとして、2段階の回転速度による循環ポンプ12の起動を行うために、S214へ進む。S212の判定で、停止時間が所定時間T1を超えていれば、2段階の回転速度による循環ポンプ12の起動を省略して、最初から第2の目標回転速度で起動するために、S228へ進む。   If it is determined in S212 that the stop time is equal to or shorter than the predetermined time T1, the circulation pump 12 is started at the two-stage rotation speed on the assumption that hydrogen gas may remain at least in the fuel circulation path 11. Then, the process proceeds to S214. If the stop time exceeds the predetermined time T1 in the determination of S212, the activation of the circulation pump 12 at the two-stage rotation speed is omitted, and the process proceeds to S228 to start at the second target rotation speed from the beginning. .

S214では、循環ポンプ12を比較的遅い第1の目標回転速度r1で回転駆動開始して、アノード4及び燃料循環路11内のガスの循環を開始させる。これは、図6の時刻ta に対応する。この第1の目標回転速度r1は、循環ポンプ12の回転速度r1により、燃料循環路11内に残留した水素がアノード4に供給されて、燃料電池2の電圧が立ち上がる速度よりも、パワーマネージャー15が燃料電池2の電圧変化を検出して、この電圧変化に応じた取出電流を燃料電池2から取り出して、燃料電池2の電圧を所定電圧Vlm以下に制御する応答速度の方が速い回転速度である。   In S214, the circulation pump 12 is started to rotate at the first target rotational speed r1 which is relatively slow, and the circulation of the gas in the anode 4 and the fuel circulation path 11 is started. This corresponds to time ta in FIG. This first target rotational speed r1 is higher than the speed at which the hydrogen remaining in the fuel circulation path 11 is supplied to the anode 4 by the rotational speed r1 of the circulation pump 12 and the voltage of the fuel cell 2 rises. Detects a voltage change of the fuel cell 2, takes out a take-out current corresponding to this voltage change from the fuel cell 2, and controls the voltage of the fuel cell 2 to be equal to or lower than the predetermined voltage Vlm at a higher rotational speed. is there.

次いでS216で、パワーマネージャー15が燃料電池2の電圧を検出して、S218検出した燃料電池電圧に応じた電流取り出しを行って、燃料電池電圧をVlmに制限するVLC制御を行う。S214で循環ポンプ12を起動すると、前回燃料電池の運転停止時からの経過時間が余り長くない場合、燃料循環路11内部に燃料ガスとしての水素が残留していることがあり、その水素が循環ポンプ12に起動とともに、燃料循環路11から燃料電池2のアノード4へ流入する。本実施例では、循環ポンプ12の起動前からVLC制御を準備し、燃料電池2の電圧が上昇するのと同時に、この電圧に基づいて燃料電池2から電流取出を行うことができるため、燃料電池2の電圧を図6(d)の実線で示すようにVlmに制限することができ、図6(d)の破線で示す従来技術ような電圧の上昇を招くことがない。   Next, in S216, the power manager 15 detects the voltage of the fuel cell 2, performs current extraction according to the fuel cell voltage detected in S218, and performs VLC control to limit the fuel cell voltage to Vlm. When the circulation pump 12 is activated in S214, hydrogen as fuel gas may remain in the fuel circulation path 11 if the elapsed time since the last stop of the fuel cell operation is not so long. The pump 12 starts and flows from the fuel circulation path 11 to the anode 4 of the fuel cell 2. In this embodiment, since VLC control is prepared before the circulation pump 12 is started and the voltage of the fuel cell 2 rises, current can be extracted from the fuel cell 2 based on this voltage. The voltage of 2 can be limited to Vlm as shown by the solid line in FIG. 6 (d), and there is no increase in voltage as in the prior art shown by the broken line in FIG. 6 (d).

次いでS220で、コントローラ30は、フラグの値が1か否かを判定する。フラグが1であれば、S226へ進む。フラグが1でなければ(フラグが0)、S222へ進み、取出電流がピークを超えたか否かを判定する。これは、制御サイクル毎にパワーマネージャー15から送られてくる取出電流モニタ値を参照して、前回の取出電流より今回の取出電流の方が小さければ、ピークを超えたと、コントローラ30自体が判定してもよいし、パワーマネージャー15により取出電流がピークを超えたか否かを判定し、その結果をコントローラ30に伝達してもよい。   Next, in S220, the controller 30 determines whether or not the value of the flag is 1. If the flag is 1, the process proceeds to S226. If the flag is not 1 (flag is 0), the process proceeds to S222, and it is determined whether or not the extraction current exceeds the peak. This is because the controller 30 itself determines that the peak has been exceeded if the current extraction current is smaller than the previous current extraction with reference to the current extraction monitor value sent from the power manager 15 every control cycle. Alternatively, the power manager 15 may determine whether or not the extraction current exceeds the peak, and transmit the result to the controller 30.

S222の判定で取出電流がピークを超えていなければ、S216へ戻り、燃料電池電圧を監視しながら燃料電池2からの電流取出による燃料電池電圧制限を継続する。S222の判定で取出電流がピークを超えていれば、S224へ進み、フラグに1をセットする。次いでS226で、燃料電池2からの取出電流が所定電流値I1 以下となったか否かを判定する。取出電流が所定電流値I1 以下となっていなければ、S216に戻り、燃料電池電圧に応じた電流取出を継続する。S226の判定で、取出電流が所定電流値I1 以下となっていれば、S228へ進み、循環ポンプ12の回転速度を第2の目標回転速度r2(r1<r2)まで上昇させる(図6の時刻te )。この第2の目標回転速度r2は、アノード4に供給される循環ガスが燃料電池2を構成する各セルに均一にガスが分配される目標回転速度であり、実機による実験、或いは循環ポンプ12と燃料電池2と燃料循環路11との流体力学的数値シミュレーションにより求めることができる。   If the extraction current does not exceed the peak in the determination of S222, the process returns to S216, and the fuel cell voltage limitation by the current extraction from the fuel cell 2 is continued while monitoring the fuel cell voltage. If the extraction current exceeds the peak in the determination in S222, the process proceeds to S224, and 1 is set in the flag. Next, in S226, it is determined whether or not the extraction current from the fuel cell 2 has become equal to or less than a predetermined current value I1. If the extraction current is not less than or equal to the predetermined current value I1, the process returns to S216 and current extraction according to the fuel cell voltage is continued. If it is determined in S226 that the extraction current is equal to or less than the predetermined current value I1, the process proceeds to S228, and the rotational speed of the circulation pump 12 is increased to the second target rotational speed r2 (r1 <r2) (time in FIG. 6). te). The second target rotational speed r2 is a target rotational speed at which the circulating gas supplied to the anode 4 is uniformly distributed to each cell constituting the fuel cell 2, and is used for experiments with actual machines or the circulation pump 12 and It can be obtained by a hydrodynamic numerical simulation of the fuel cell 2 and the fuel circulation path 11.

次いで、S230で水素供給を開始するか否かを判定する。この水素供給開始判断は、取出電流が所定値以下となった場合、或いは、取出電流がピークを超えてから所定時間以上経過した場合に、水素供給を開始すると判断する。   Next, in S230, it is determined whether or not to start hydrogen supply. This hydrogen supply start determination is determined to start hydrogen supply when the extraction current becomes a predetermined value or less, or when a predetermined time or more has elapsed after the extraction current exceeds the peak.

S230で水素供給開始と判断した場合には、S232へ進み、コントローラ30は、水素供給弁9を開いて、アノード圧力をP1まで上昇させる。これが図6の時刻tc に相当する。こうして供給開始された水素が燃料電池2のアノード4に到達するとき、既に循環ポンプ12は、循環ガスが各セルに均等に分配される回転速度で循環を継続しているので、供給された水素は、各セルに均等に分配され、各セルの電圧が均等に上昇し始める。しかしながら、パワーマネージャー15による燃料電池2の電圧監視及び電圧に応じた電流の取り出しが継続しているので、燃料電池電圧は抑制され、カソード5に残存している空気中の酸素が消費されるまで、電流取り出しが継続する。このカソード残存酸素が消費尽くされると、取出電流は0まで低下するが、実際には、回転停止しているコンプレッサ14の漏洩空気や、閉じている空気圧調整弁24の漏洩空気により僅かではあるが酸素が供給され、完全に0とならない場合がある。   When it is determined in S230 that hydrogen supply is started, the process proceeds to S232, and the controller 30 opens the hydrogen supply valve 9 and increases the anode pressure to P1. This corresponds to time tc in FIG. When the hydrogen thus started to reach the anode 4 of the fuel cell 2, the circulation pump 12 has already continued to circulate at a rotational speed at which the circulation gas is evenly distributed to each cell. Are evenly distributed to each cell and the voltage of each cell begins to rise evenly. However, since the voltage monitoring of the fuel cell 2 by the power manager 15 and the extraction of the current corresponding to the voltage are continued, the fuel cell voltage is suppressed and the oxygen in the air remaining at the cathode 5 is consumed. The current extraction continues. When the cathode residual oxygen is exhausted, the extraction current decreases to 0, but in reality, it is slightly due to the leakage air of the compressor 14 that has stopped rotating and the leakage air of the closed air pressure adjusting valve 24. Oxygen is supplied and may not be completely zero.

次いでS234で、コントローラ30は、VLC制御を終了するか否かを判定する。この判定は、例えば、パワーマネージャー15による燃料電池2からの取出電流値が実質的に0となったと見なせる所定値以下となったこと、或いはS232の水素供給開始から、カソード5の残存酸素が消費されつくすのに要する所定時間を経過したこと等、VLC終了条件が成立したか否かにより判定する。S234で、VLC制御を終了すると判定しなかった場合、VLC終了条件が成立するまで、S234を繰り返す。   Next, in S234, the controller 30 determines whether or not to end the VLC control. This determination is made, for example, when the current value taken out from the fuel cell 2 by the power manager 15 is equal to or less than a predetermined value that can be regarded as substantially zero, or the residual oxygen of the cathode 5 is consumed after the start of hydrogen supply in S232. Judgment is made based on whether or not a VLC termination condition has been established, such as the passage of a predetermined time required for reluctance. If it is not determined in S234 that VLC control is to be terminated, S234 is repeated until the VLC termination condition is satisfied.

S234で、取出電流が実質的に0と見なせる所定電流値は、コンプレッサ14の回転停止時の気密性能等を考慮して、実験的に決定することとなるが、例えば、数十[mA]とすることができる。   In S234, the predetermined current value at which the extraction current can be regarded as substantially zero is experimentally determined in consideration of the airtightness performance when the compressor 14 stops rotating, for example, several tens [mA]. can do.

S234で、VLC制御を終了すると判定した場合、S236へ進み、コントローラ30は、コンプレッサ14を起動して、カソード5へ空気供給を開始し、次いで、S238で、水素供給弁9に制御信号を送り、アノード4の水素圧力を運転圧力であるP2まで上昇させ(図6の時刻td )、起動制御を完了し、以後通常発電状態へ移る。   If it is determined in S234 that the VLC control is to be terminated, the process proceeds to S236, where the controller 30 starts the compressor 14 and starts supplying air to the cathode 5, and then in S238, sends a control signal to the hydrogen supply valve 9. Then, the hydrogen pressure of the anode 4 is increased to P2 which is the operating pressure (time td in FIG. 6), the start-up control is completed, and the normal power generation state is thereafter performed.

以上説明した本実施例によれば、燃料電池システムの起動時に、燃料循環装置である循環ポンプ12を最初に比較的低い回転速度である第1の回転速度で駆動し、燃料循環路内に残存する水素が燃料電池のアノードに流入する速度を抑制し、電流取出装置が応答よく燃料電池の電圧制御を行うことができという効果がある。   According to the present embodiment described above, when the fuel cell system is started, the circulation pump 12 as the fuel circulation device is first driven at the first rotational speed that is a relatively low rotational speed, and remains in the fuel circulation path. This suppresses the rate at which hydrogen that flows into the anode of the fuel cell is suppressed, and the current extraction device can control the voltage of the fuel cell with good response.

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例3を説明する。実施例3の概略構成は、図1に示した実施例1の概略構成と同様である。本実施例3は、燃料電池システムの起動時に、燃料循環装置である循環ポンプ12の回転速度を、最初に第1の回転加速度で上昇させ、次いで、第1の回転加速度より大きい第2の回転加速度で上昇させる点に特徴がある。   Next, a third embodiment of the fuel cell system according to the present invention will be described. The schematic configuration of the third embodiment is the same as the schematic configuration of the first embodiment shown in FIG. In the third embodiment, when the fuel cell system is started, the rotational speed of the circulation pump 12 that is the fuel circulation device is first increased at the first rotational acceleration, and then the second rotation larger than the first rotational acceleration. It is characterized in that it is raised by acceleration.

次に、図4のフローチャート、及び図7のタイムチャートを参照して、コントローラ30による燃料電池システムの起動時の動作を説明する。図1のキースイッチ23がオフからオンの状態へ切り換えられたり、燃料電池システムの低負荷時のアイドルストップ状態から復帰する場合、図4の起動制御が開始される。   Next, referring to the flowchart of FIG. 4 and the time chart of FIG. 7, the operation at the time of starting the fuel cell system by the controller 30 will be described. When the key switch 23 in FIG. 1 is switched from the OFF state to the ON state or when the fuel cell system returns from the idle stop state at the time of low load, the start control in FIG. 4 is started.

起動制御が開始されると、まずS302において、コントローラ30は、制御用のフラグを0クリアする。このフラグは、燃料電池の起動VLC制御時に、燃料電池2からの取出電流がピークを超えたときに1にセットされ、それ以外は、0の値をとるものである。次いでS304で、コントローラ30は、空気圧調整弁24を閉じ、S306でパージ弁20を閉じる。尚、燃料電池システムの停止状態の仕様によっては、停止中に、空気圧調整弁24及びパージ弁20の閉じた状態を保持するものがあり、その場合には、S304及びS306は省略可能である。   When the start control is started, first, in S302, the controller 30 clears the control flag to zero. This flag is set to 1 when the extraction current from the fuel cell 2 exceeds the peak during start-up VLC control of the fuel cell, and takes a value of 0 otherwise. Next, in S304, the controller 30 closes the air pressure adjusting valve 24, and closes the purge valve 20 in S306. Note that, depending on the specifications of the stop state of the fuel cell system, there are those that hold the closed state of the air pressure adjusting valve 24 and the purge valve 20 during the stop, in which case S304 and S306 can be omitted.

次いでS308で、コントローラ30からパワーマネージャー15へ燃料電池2からの電流取り出しの準備を指示する。パワーマネージャー15は、電流取り出しの準備が指示されると、以後、燃料電池2の総電圧を監視しながら、この総電圧が所定電圧Vlmを超えないように、燃料電池2から電流取出を行うように構成されている。この所定電圧Vlmは、例えば、実験的に求めた燃料電池触媒担体を腐食しないセル電圧に、燃料電池スタックのセル数を乗じて算出される。このとき取り出された電流は、パワーマネージャー15によって、バッテリ17に充電されてもよいし、パワーマネージャー15の内部或いは負荷装置16で消費されてもよい。   Next, in step S308, the controller 30 instructs the power manager 15 to prepare for current extraction from the fuel cell 2. When the power manager 15 is instructed to prepare for current extraction, the power manager 15 thereafter monitors the total voltage of the fuel cell 2 and performs current extraction from the fuel cell 2 so that the total voltage does not exceed the predetermined voltage Vlm. It is configured. The predetermined voltage Vlm is calculated, for example, by multiplying the cell voltage that does not corrode the fuel cell catalyst carrier obtained experimentally by the number of cells of the fuel cell stack. The current extracted at this time may be charged in the battery 17 by the power manager 15 or may be consumed in the power manager 15 or in the load device 16.

次いでS310で、前回燃料電池運転を停止したときからの経過時間である停止時間を算出する。この停止時間は、コントローラ30に現在時刻を示す時計を内蔵しておき、前回燃料電池の運転を停止したときにその時刻を記憶し、現在の時刻から前回運転停止時の時刻を減算することにより得られる。次いでS312で、停止時間が所定時間T1以下であるか否かを判定する。ここで、所定時間T1は、アノード4内にも燃料循環路11内にも水素が残留しない停止時間であり、燃料電池のガス流路の形状、容積、触媒性能等によって異なる値である。実際には、実機による実験や、燃料電池2及び燃料循環路11のガス流動及び触媒反応の数値シミュレーションにより求めることができる。   Next, in S310, a stop time that is an elapsed time since the previous stop of the fuel cell operation is calculated. This stop time is obtained by incorporating a clock indicating the current time in the controller 30, storing the time when the previous fuel cell operation was stopped, and subtracting the time at the previous operation stop from the current time. can get. Next, in S312, it is determined whether or not the stop time is equal to or shorter than a predetermined time T1. Here, the predetermined time T1 is a stop time in which hydrogen does not remain in the anode 4 or the fuel circulation path 11, and varies depending on the shape, volume, catalyst performance, etc. of the gas flow path of the fuel cell. Actually, it can be obtained by an experiment with an actual machine or a numerical simulation of gas flow and catalytic reaction of the fuel cell 2 and the fuel circulation path 11.

S312の判定で、停止時間が所定時間T1以下であれば、少なくとも燃料循環路11内に水素ガスが残留している可能性があるとして、2段階の回転加速度による循環ポンプ12の回転速度上昇を行うために、S314へ進む。S312の判定で、停止時間が所定時間T1を超えていれば、2段階の回転加速度による循環ポンプ12の加速を省略して、最初から第2の目標回転加速度で起動するために、S328へ進む。   If it is determined in S312 that the stop time is equal to or shorter than the predetermined time T1, hydrogen gas may remain at least in the fuel circulation path 11, and the rotational speed of the circulation pump 12 is increased by two-stage rotational acceleration. To do so, go to S314. If it is determined in S312 that the stop time exceeds the predetermined time T1, the acceleration of the circulating pump 12 by the two-stage rotational acceleration is omitted, and the process proceeds to S328 to start from the beginning with the second target rotational acceleration. .

S314では、循環ポンプ12を比較的遅い第1の目標回転加速度α1で回転駆動開始して、アノード4及び燃料循環路11内のガスの循環を開始させる。これは、図7の時刻ta に対応する。この第1の目標回転加速度α1は、循環ポンプ12の回転速度上昇率により、燃料循環路11内に残留した水素がアノード4に供給されて、燃料電池2の電圧が立ち上がる速度よりも、パワーマネージャー15が燃料電池2の電圧変化を検出して、この電圧変化に応じた取出電流を燃料電池2から取り出して、燃料電池2の電圧を所定電圧Vlm以下に制御する応答速度の方が速い回転速度である。   In S314, the circulation pump 12 is started to rotate at a relatively slow first target rotational acceleration α1, and the circulation of gas in the anode 4 and the fuel circulation path 11 is started. This corresponds to time ta in FIG. The first target rotational acceleration α1 is higher than the speed at which the hydrogen remaining in the fuel circulation path 11 is supplied to the anode 4 due to the rotational speed increase rate of the circulation pump 12 and the voltage of the fuel cell 2 rises. 15 detects the voltage change of the fuel cell 2, takes out a take-out current corresponding to the voltage change from the fuel cell 2, and controls the voltage of the fuel cell 2 to be equal to or lower than the predetermined voltage Vlm. It is.

次いでS316で、パワーマネージャー15が燃料電池2の電圧を検出して、S318検出した燃料電池電圧に応じた電流取り出しを行って、燃料電池電圧をVlmに制限するVLC制御を行う。S314で循環ポンプ12を起動すると、前回燃料電池の運転停止時からの経過時間が余り長くない場合、燃料循環路11内部に燃料ガスとしての水素が残留していることがあり、その水素が循環ポンプ12に起動とともに、燃料循環路11から燃料電池2のアノード4へ流入する。本実施例では、循環ポンプ12の起動前からVLC制御を準備し、燃料電池2の電圧が上昇するのと同時に、この電圧に基づいて燃料電池2から電流取出を行うことができるため、燃料電池2の電圧を図7(d)の実線で示すようにVlmに制限することができ、図7(d)の破線で示す従来技術ような電圧の上昇を招くことがない。   Next, in S316, the power manager 15 detects the voltage of the fuel cell 2, performs current extraction according to the detected fuel cell voltage in S318, and performs VLC control to limit the fuel cell voltage to Vlm. When the circulation pump 12 is activated in S314, if the elapsed time from the previous stop of the fuel cell is not so long, hydrogen as fuel gas may remain in the fuel circulation path 11, and the hydrogen circulates. The pump 12 starts and flows from the fuel circulation path 11 to the anode 4 of the fuel cell 2. In this embodiment, since VLC control is prepared before the circulation pump 12 is started and the voltage of the fuel cell 2 rises, current can be extracted from the fuel cell 2 based on this voltage. The voltage of 2 can be limited to Vlm as shown by the solid line in FIG. 7 (d), and there is no increase in voltage as in the prior art shown by the broken line in FIG. 7 (d).

次いでS320で、コントローラ30は、フラグの値が1か否かを判定する。フラグが1であれば、S326へ進む。フラグが1でなければ(フラグが0)、S322へ進み、取出電流がピークを超えたか否かを判定する。これは、制御サイクル毎にパワーマネージャー15から送られてくる取出電流モニタ値を参照して、前回の取出電流より今回の取出電流の方が小さければ、ピークを超えたと、コントローラ30自体が判定してもよいし、パワーマネージャー15により取出電流がピークを超えたか否かを判定し、その結果をコントローラ30に伝達してもよい。   Next, in S320, the controller 30 determines whether or not the value of the flag is 1. If the flag is 1, the process proceeds to S326. If the flag is not 1 (flag is 0), the process proceeds to S322, and it is determined whether or not the extraction current exceeds the peak. This is because the controller 30 itself determines that the peak has been exceeded if the current extraction current is smaller than the previous current extraction with reference to the current extraction monitor value sent from the power manager 15 every control cycle. Alternatively, the power manager 15 may determine whether or not the extraction current exceeds the peak, and transmit the result to the controller 30.

S322の判定で取出電流がピークを超えていなければ、S316へ戻り、燃料電池電圧を監視しながら燃料電池2からの電流取出による燃料電池電圧制限を継続する。S322の判定で取出電流がピークを超えていれば、S324へ進み、フラグに1をセットする。次いでS326で、燃料電池2からの取出電流が所定電流値I1 以下となったか否かを判定する。取出電流が所定電流値I1 以下となっていなければ、S316に戻り、燃料電池電圧に応じた電流取出を継続する。S326の判定で、取出電流が所定電流値I1 以下となっていれば、S328へ進み、循環ポンプ12の回転速度の上昇率を第2の回転加速度α2(α1<α2)とし(図7の時刻tf )、この第2の回転加速度α2で循環ポンプ12の回転速度を目標回転速度r2まで上昇させる(図7の時刻tg )。この目標回転速度r2は、アノード4に供給される循環ガスが燃料電池2を構成する各セルに均一にガスが分配される目標回転速度であり、実機による実験、或いは循環ポンプ12と燃料電池2と燃料循環路11との流体力学的数値シミュレーションにより求めることができる。   If the extraction current does not exceed the peak in the determination of S322, the process returns to S316, and the fuel cell voltage limitation by the current extraction from the fuel cell 2 is continued while monitoring the fuel cell voltage. If the extraction current exceeds the peak in the determination of S322, the process proceeds to S324 and 1 is set in the flag. Next, in S326, it is determined whether or not the extraction current from the fuel cell 2 has become equal to or less than a predetermined current value I1. If the extraction current is not less than or equal to the predetermined current value I1, the process returns to S316 and the current extraction according to the fuel cell voltage is continued. If it is determined in S326 that the extraction current is less than or equal to the predetermined current value I1, the process proceeds to S328, and the rate of increase in the rotational speed of the circulation pump 12 is set to the second rotational acceleration α2 (α1 <α2) (time in FIG. 7). tf), the rotational speed of the circulating pump 12 is increased to the target rotational speed r2 by the second rotational acceleration α2 (time tg in FIG. 7). This target rotational speed r2 is a target rotational speed at which the circulating gas supplied to the anode 4 is uniformly distributed to each cell constituting the fuel cell 2, and experiments with actual machines or the circulating pump 12 and the fuel cell 2 are performed. And a fluid dynamic numerical simulation of the fuel circulation path 11.

次いで、S330で水素供給を開始するか否かを判定する。この水素供給開始判断は、取出電流が所定値以下となった場合、或いは、取出電流がピークを超えてから所定時間以上経過した場合に、水素供給を開始すると判断する。   Next, in S330, it is determined whether or not to start hydrogen supply. This hydrogen supply start determination is determined to start hydrogen supply when the extraction current becomes a predetermined value or less, or when a predetermined time or more has elapsed after the extraction current exceeds the peak.

S330で水素供給開始と判断した場合には、S332へ進み、コントローラ30は、水素供給弁9を開いて、アノード圧力をP1まで上昇させる。これが図7の時刻tc に相当する。こうして供給開始された水素が燃料電池2のアノード4に到達するとき、既に循環ポンプ12は、循環ガスが各セルに均等に分配される回転速度で循環を継続しているので、供給された水素は、各セルに均等に分配され、各セルの電圧が均等に上昇し始める。しかしながら、パワーマネージャー15による燃料電池2の電圧監視及び電圧に応じた電流の取り出しが継続しているので、燃料電池電圧は抑制され、カソード5に残存している空気中の酸素が消費されるまで、電流取り出しが継続する。このカソード残存酸素が消費尽くされると、取出電流は0まで低下するが、実際には、回転停止しているコンプレッサ14の漏洩空気や、閉じている空気圧調整弁24の漏洩空気により僅かではあるが酸素が供給され、完全に0とならない場合がある。   When it is determined in S330 that the hydrogen supply is started, the process proceeds to S332, where the controller 30 opens the hydrogen supply valve 9 and increases the anode pressure to P1. This corresponds to time tc in FIG. When the hydrogen thus started to reach the anode 4 of the fuel cell 2, the circulation pump 12 has already continued to circulate at a rotational speed at which the circulation gas is evenly distributed to each cell. Are evenly distributed to each cell and the voltage of each cell begins to rise evenly. However, since the voltage monitoring of the fuel cell 2 by the power manager 15 and the extraction of the current corresponding to the voltage are continued, the fuel cell voltage is suppressed and the oxygen in the air remaining at the cathode 5 is consumed. The current extraction continues. When the cathode residual oxygen is exhausted, the extraction current decreases to 0, but in reality, it is slightly due to the leakage air of the compressor 14 that has stopped rotating and the leakage air of the closed air pressure adjusting valve 24. Oxygen is supplied and may not be completely zero.

次いでS334で、コントローラ30は、VLC制御を終了するか否かを判定する。この判定は、例えば、パワーマネージャー15による燃料電池2からの取出電流値が実質的に0となったと見なせる所定値以下となったこと、或いはS332の水素供給開始から、カソード5の残存酸素が消費されつくすのに要する所定時間を経過したこと等、VLC終了条件が成立したか否かにより判定する。S334で、VLC制御を終了すると判定しなかった場合、VLC終了条件が成立するまで、S334を繰り返す。   Next, in S334, the controller 30 determines whether or not to end the VLC control. This determination is made, for example, when the current value taken out from the fuel cell 2 by the power manager 15 is equal to or less than a predetermined value that can be regarded as substantially zero, or the remaining oxygen of the cathode 5 is consumed after the start of hydrogen supply in S332. Judgment is made based on whether or not a VLC termination condition has been established, such as the passage of a predetermined time required for reluctance. If it is not determined in step S334 that the VLC control is to be ended, step S334 is repeated until the VLC end condition is satisfied.

S334で、取出電流が実質的に0と見なせる所定電流値は、コンプレッサ14の回転停止時の気密性能等を考慮して、実験的に決定することとなるが、例えば、数十[mA]とすることができる。   In S334, the predetermined current value at which the extraction current can be regarded as substantially zero is determined experimentally in consideration of the airtightness performance when the compressor 14 stops rotating, for example, several tens [mA]. can do.

S334で、VLC制御を終了すると判定した場合、S336へ進み、コントローラ30は、コンプレッサ14を起動して、カソード5へ空気供給を開始し、次いで、S338で、水素供給弁9に制御信号を送り、アノード4の水素圧力を運転圧力であるP2まで上昇させ(図7の時刻td )、起動制御を完了し、以後通常発電状態へ移る。   If it is determined in S334 that VLC control is to be terminated, the process proceeds to S336, where the controller 30 starts the compressor 14 and starts supplying air to the cathode 5, and then in S338, sends a control signal to the hydrogen supply valve 9. Then, the hydrogen pressure of the anode 4 is increased to P2 that is the operating pressure (time td in FIG. 7), the start-up control is completed, and the normal power generation state is thereafter performed.

以上説明した本実施例によれば、燃料電池システムの起動時に、燃料循環装置である循環ポンプ12の回転速度を、最初に第1の回転加速度で上昇させ、次いで、第1の回転加速度より大きい第2の回転加速度で上昇させることにより、燃料循環路内に残留水素がある場合には、パワーマネージャーが燃料電池の電圧に応じた取出電流により燃料電池の電圧を制御するVLC制御の応答速度より遅い速度で残留水素が燃料電池に供給されるために、パワーマネージャーの応答速度が遅い場合でも確実に残留水素による燃料電池電圧のVLC制御を行うことができるという効果がある。   According to the present embodiment described above, when the fuel cell system is started, the rotational speed of the circulation pump 12 that is the fuel circulation device is first increased by the first rotational acceleration, and then larger than the first rotational acceleration. When there is residual hydrogen in the fuel circulation path by increasing at the second rotational acceleration, the response speed of the VLC control in which the power manager controls the voltage of the fuel cell with the extraction current according to the voltage of the fuel cell. Since the residual hydrogen is supplied to the fuel cell at a low speed, there is an effect that the VLC control of the fuel cell voltage by the residual hydrogen can be surely performed even when the response speed of the power manager is low.

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例4を説明する。実施例4の概略構成は、図1に示した実施例1の概略構成と同様である。本実施例4は、実施例2と実施例3とを組み合わせた実施例であり、燃料電池システムの起動時に、燃料循環装置である循環ポンプ12の回転速度を、最初に第1の回転加速度で第1の回転速度まで上昇させ、次いで、第1の回転加速度より大きい第2の回転加速度で第2の回転速度まで上昇させる点に特徴がある。   Next, a fourth embodiment of the fuel cell system according to the present invention will be described. The schematic configuration of the fourth embodiment is the same as the schematic configuration of the first embodiment shown in FIG. The fourth embodiment is a combination of the second embodiment and the third embodiment. When the fuel cell system is started, the rotational speed of the circulation pump 12 that is the fuel circulation device is first set to the first rotational acceleration. It is characterized in that it is increased to the first rotational speed and then increased to the second rotational speed at a second rotational acceleration that is greater than the first rotational acceleration.

尚、本実施例のフローチャートは、実施例2の図3と実施例3の図4とを組み合わせれば容易に実現できるので図示を省略する。本実施例によれば、実施例2の効果と実施例3の効果とを同時に得ることができる。   The flowchart of the present embodiment can be easily realized by combining FIG. 3 of the second embodiment and FIG. According to the present embodiment, the effects of the second embodiment and the third embodiment can be obtained simultaneously.

本発明に係る燃料電池システムの基本構成を示すシステム構成図である。1 is a system configuration diagram showing a basic configuration of a fuel cell system according to the present invention. 実施例1における燃料電池システム起動時のフローチャートである。2 is a flowchart at the time of starting the fuel cell system in Example 1. 実施例2における燃料電池システム起動時のフローチャートである。6 is a flowchart when starting a fuel cell system according to a second embodiment. 実施例3における燃料電池システム起動時のフローチャートである。6 is a flowchart at the time of starting a fuel cell system in Example 3. 実施例1の動作、作用、効果を説明するタイムチャートであり、(a)アノード水素圧力、(b)循環ポンプ回転速度、(c)スタック電流、(d)スタック電圧をそれぞれ示す図である。It is a time chart explaining operation | movement, an effect | action, and an effect of Example 1, and is a figure which respectively shows (a) anode hydrogen pressure, (b) circulating pump rotational speed, (c) stack current, and (d) stack voltage. 実施例2の動作、作用、効果を説明するタイムチャートであり、(a)アノード水素圧力、(b)循環ポンプ回転速度、(c)スタック電流、(d)スタック電圧をそれぞれ示す図である。It is a time chart explaining the operation | movement of the Example 2, an effect | action, and an effect, (a) Anode hydrogen pressure, (b) Circulation pump rotational speed, (c) Stack current, (d) It is a figure which respectively shows a stack voltage. 実施例3の動作、作用、効果を説明するタイムチャートであり、(a)アノード水素圧力、(b)循環ポンプ回転速度、(c)スタック電流、(d)スタック電圧をそれぞれ示す図である。It is a time chart explaining the operation | movement of the Example 3, an effect | action, and an effect, (a) Anode hydrogen pressure, (b) Circulation pump rotational speed, (c) Stack current, (d) It is a figure which respectively shows a stack voltage. 従来技術の問題点を説明するタイムチャートであり、(a)アノード水素圧力、(b)循環ポンプ回転速度、(c)スタック電流、(d)スタック電圧をそれぞれ示す図である。It is a time chart explaining the problem of a prior art, and is a figure which respectively shows (a) anode hydrogen pressure, (b) circulating pump rotational speed, (c) stack current, and (d) stack voltage.

符号の説明Explanation of symbols

1:燃料電池システム
2:燃料電池
3:電解質膜
4:アノード
5:カソード
6:水素タンク
7:水素タンク元弁
8:減圧弁
9:水素供給弁
10a、10b:圧力センサ
11:燃料循環路
12:循環ポンプ
13:回転センサ
14:コンプレッサ
15:パワーマネージャー
16:負荷装置
17:バッテリ
18:バッテリコントローラ
19:セル電圧センサ
20:パージ弁
23:キースイッチ
30:コントローラ
1: Fuel cell system 2: Fuel cell 3: Electrolyte membrane 4: Anode 5: Cathode 6: Hydrogen tank 7: Hydrogen tank original valve 8: Pressure reducing valve 9: Hydrogen supply valve 10a, 10b: Pressure sensor 11: Fuel circuit 12 : Circulation pump 13: Rotation sensor 14: Compressor 15: Power manager 16: Load device 17: Battery 18: Battery controller 19: Cell voltage sensor 20: Purge valve 23: Key switch 30: Controller

Claims (9)

燃料極と酸化剤極との間に電解質膜を挟持させてなるセルを複数積層した燃料電池スタックと、
前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、
前記燃料極から排出された燃料ガスを再度燃料極へ循環させる燃料循環経路と、
燃料循環経路内のガスを圧送する燃料循環手段と、
前記燃料循環経路から不純物を含む燃料ガスを系外へ排出する排出手段と、
前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給手段と、
前記燃料電池スタックから電流を取り出す電流取出手段と、
前記燃料電池スタックの電圧を検出する電圧検出手段と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
燃料電池システムの起動時に、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する前に、前記燃料電池スタックの電圧を制限しながら前記燃料極へ燃料ガスを供給して燃料極内の酸素を消費させる際に、
前記燃料供給手段から前記燃料極へ燃料ガスの供給を開始する前に、前記排出手段を閉止した状態で前記燃料循環手段を起動して、前記燃料極と燃料循環経路との間のガス循環を行いながら、前記電圧検出手段が検出した電圧値が所定電圧を超えないように燃料電池スタックから電流取り出しを行うことを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell stack in which a plurality of cells each having an electrolyte membrane sandwiched between a fuel electrode and an oxidant electrode are stacked;
Fuel supply means for supplying fuel gas to the fuel electrode;
A fuel circulation path for recirculating the fuel gas discharged from the fuel electrode to the fuel electrode;
A fuel circulation means for pumping the gas in the fuel circulation path;
Discharging means for discharging fuel gas containing impurities from the fuel circulation path out of the system;
An oxidant supply means for supplying an oxidant gas to the oxidant electrode;
Current extraction means for extracting current from the fuel cell stack;
Voltage detection means for detecting the voltage of the fuel cell stack;
In a fuel cell system comprising:
When starting the fuel cell system, before supplying the oxidant gas to the oxidant electrode, supplying the fuel gas to the fuel electrode while limiting the voltage of the fuel cell stack to consume oxygen in the fuel electrode In addition,
Before starting the supply of fuel gas from the fuel supply means to the fuel electrode, the fuel circulation means is started with the discharge means closed, and the gas circulation between the fuel electrode and the fuel circulation path is started. A fuel cell system wherein current is taken out from the fuel cell stack so that the voltage value detected by the voltage detection means does not exceed a predetermined voltage.
燃料極と酸化剤極との間に電解質膜を挟持させてなるセルを複数積層した燃料電池スタックと、
前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、
前記燃料極から排出された燃料ガスを再度燃料極へ循環させる燃料循環経路と、
燃料循環経路内のガスを圧送する燃料循環手段と、
前記燃料循環経路から不純物を含む燃料ガスを系外へ排出する排出手段と、
前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給手段と、
前記燃料電池スタックから電流を取り出す電流取出手段と、
前記燃料電池スタックの電圧を検出する電圧検出手段と、
前記燃料供給手段及び前記酸化剤供給手段によるガス供給、前記燃料循環手段による燃料循環、前記排出手段によるガス排出、並びに前記電流取出手段による電流取出を制御する制御手段と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記制御手段は、燃料電池システムの起動時に、まず前記排出手段を閉止した状態で前記燃料循環手段を起動して、前記燃料極と燃料循環経路との間のガス循環を行いながら、前記電圧検出手段が検出した電圧値が所定電圧を超えないように前記電流取出手段により前記燃料電池スタックから電流を取り出し、次いで、前記燃料極へ燃料ガスを供給して燃料極内の酸素を消費させ、その後、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給することを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell stack in which a plurality of cells each having an electrolyte membrane sandwiched between a fuel electrode and an oxidant electrode are stacked;
Fuel supply means for supplying fuel gas to the fuel electrode;
A fuel circulation path for recirculating the fuel gas discharged from the fuel electrode to the fuel electrode;
A fuel circulation means for pumping the gas in the fuel circulation path;
Discharging means for discharging fuel gas containing impurities from the fuel circulation path out of the system;
An oxidant supply means for supplying an oxidant gas to the oxidant electrode;
Current extraction means for extracting current from the fuel cell stack;
Voltage detection means for detecting the voltage of the fuel cell stack;
Control means for controlling gas supply by the fuel supply means and the oxidant supply means, fuel circulation by the fuel circulation means, gas discharge by the discharge means, and current extraction by the current extraction means;
In a fuel cell system comprising:
When the fuel cell system is started, the control means starts the fuel circulation means with the discharge means closed, and performs the gas detection between the fuel electrode and the fuel circulation path, while detecting the voltage. The current extraction means extracts current from the fuel cell stack so that the voltage value detected by the means does not exceed a predetermined voltage, then supplies fuel gas to the fuel electrode to consume oxygen in the fuel electrode, and then An oxidant gas is supplied to the oxidant electrode.
前記所定電圧は、燃料電池セルの水素流前面における触媒担持体の炭素の腐食が生じない電位であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の燃料電池システム。   3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the predetermined voltage is a potential at which corrosion of carbon of the catalyst carrier on the hydrogen flow front surface of the fuel cell does not occur. 前記燃料循環手段を駆動する際に、最初に第1の回転速度で駆動し、その後、第1の回転速度より高い第2の回転速度で駆動し、第2の回転速度で駆動中に、前記燃料供給手段から燃料ガスの供給を開始することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。   When driving the fuel circulation means, it is first driven at a first rotational speed, then driven at a second rotational speed higher than the first rotational speed, and during driving at a second rotational speed, 3. The fuel cell system according to claim 2, wherein supply of fuel gas from the fuel supply means is started. 前記燃料循環手段を第1の回転速度で駆動中に、燃料電池からの取り出し電流値が所定電流値以下となったときに、前記燃料循環手段の回転速度を第2の回転速度へ上昇させることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システム。   While the fuel circulating means is driven at the first rotational speed, the rotational speed of the fuel circulating means is increased to the second rotational speed when the current value taken out from the fuel cell becomes a predetermined current value or less. The fuel cell system according to claim 4. 燃料電池システムの停止時間がアノード内の残留水素がほぼ全て空気に置換されたと見なせる所定時間を超えない場合の再起動時には、前記燃料循環手段を駆動する際に、最初に第1の回転速度で駆動し、その後、第1の回転速度より高い第2の回転速度で駆動し、第2の回転速度で駆動中に、前記燃料供給手段から燃料ガスの供給を開始し、
燃料電池システムの停止時間が所定時間を超えた後の再起動時には、前記段階的な回転速度の上昇を行わずに、最初から第2の回転速度で前記燃料循環手段を駆動することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。
When restarting the fuel cell system when the fuel circulation system is restarted when the stop time of the fuel cell system does not exceed a predetermined time in which almost all the residual hydrogen in the anode is considered to be replaced with air, the fuel circulation system is first driven at the first rotational speed. Drive, and then drive at a second rotational speed higher than the first rotational speed, and during the driving at the second rotational speed, start supplying fuel gas from the fuel supply means,
At the time of restart after the stop time of the fuel cell system exceeds a predetermined time, the fuel circulation means is driven at the second rotation speed from the beginning without increasing the stepwise rotation speed. The fuel cell system according to claim 2.
前記燃料循環手段の回転速度の上昇は、最初に、燃料電池スタックから電流を取り出す電流取り出し機能の応答速度以下の第1の回転加速度で行い、次いで、第1の回転加速度より速い第2の回転加速度で行うことを特徴とする請求項4乃至請求項6の何れか1項に記載の燃料電池システム。   The increase in the rotation speed of the fuel circulation means is first performed at a first rotation acceleration equal to or lower than the response speed of the current extraction function for extracting current from the fuel cell stack, and then the second rotation faster than the first rotation acceleration. The fuel cell system according to any one of claims 4 to 6, wherein the fuel cell system is performed at an acceleration. 前記第1の回転加速度から第2の回転加速度への切り換えは、燃料電池スタックからの取り出し電流値が所定電流値以下になったときであることを特徴とする請求項7に記載の燃料電池システム。   8. The fuel cell system according to claim 7, wherein the switching from the first rotational acceleration to the second rotational acceleration is performed when a current value taken out from the fuel cell stack becomes a predetermined current value or less. . 燃料電池システムの停止時間がアノード内の残留水素がほぼ全て空気に置換されたと見なせる所定時間を超えない場合の再起動時には、前記燃料循環手段の回転速度の上昇は、最初に、燃料電池スタックから電流を取り出す電流取り出し機能の応答速度以下の第1の回転加速度で行い、次いで、第1の回転加速度より大きい第2の回転加速度で行い、
燃料電池システムの停止時間が前記所定時間を超えた後の再起動時には、前記回転加速度の切替を行わずに、最初から第2の回転加速度で前記燃料循環手段の回転速度を上昇させることを特徴とする請求項4乃至請求項6の何れか1項に記載の燃料電池システム。
When the fuel cell system is not restarted for a predetermined time in which almost all of the residual hydrogen in the anode has been replaced with air, the increase in the rotational speed of the fuel circulation means is first from the fuel cell stack. Performing at a first rotational acceleration equal to or lower than the response speed of the current extraction function for extracting current, and then performing at a second rotational acceleration greater than the first rotational acceleration;
When restarting after the stop time of the fuel cell system exceeds the predetermined time, the rotational speed of the fuel circulation means is increased at the second rotational acceleration from the beginning without switching the rotational acceleration. The fuel cell system according to any one of claims 4 to 6.
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