JP2007258129A - Fuel cell system and its operation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池の暖機中に燃焼ヒータにも燃料ガスと酸化剤ガスが供給されるような燃料電池システムにおいて燃料電池を稼働させながら暖機する技術に関する。 The present invention relates to a technique for warming up a fuel cell while operating the fuel cell in a fuel cell system in which fuel gas and oxidant gas are also supplied to a combustion heater while the fuel cell is warmed up.
燃料電池は、エネルギ変換効率が高いため損失熱で自らを暖機する能力が小さく、規定温度より低いと発電効率が極端に低くなるという特性を有する。このため、特に車両のような冷温状態にさらされる可能性のあるシステムにおいては、始動直後に十分な発電電力を得るのが困難な場合がある。さらに、セルの電解質膜の一部が凍結するほどの低温下では、発電効率がいっそう低下する。このような低温状態における始動に対処するため、これまで、燃料電池の暖機システムがいろいろ提案されている。例えば、燃料電池を加温または冷却する冷却水循環系に燃焼式ヒータを設け、この燃焼式ヒータに燃料電池と共通の燃料源から燃料を供給する燃料電池の暖機システムがある(特許文献1参照)。
しかし、燃料電池を稼働させながら暖機を行う場合、燃料電池と燃焼ヒータの両方に反応ガス(燃料ガスおよび酸化剤ガス)を供給する必要がある。このとき、両方の運転可能領域に対する要求をすべて満たそうとすると、燃料電池の最高出力時に安定発電を可能とする燃料電池要求エア最大量とヒータ最大発熱時に完全燃焼に必要な空燃比を確保できる燃焼ヒータ要求エア最大量との総量を供給可能なエアポンプが必要となり、システムが巨大化することになる。また、燃料電池の稼働に制限が設けられていないと、燃料電池温度が低く発電性能が低下している場合などに、暖機を促進しようとして燃料電池から高電流を引き出すと、スタックの性能を劣化させてしまう虞もある。 However, when warming up while operating the fuel cell, it is necessary to supply reaction gas (fuel gas and oxidant gas) to both the fuel cell and the combustion heater. At this time, if all the requirements for both operable regions are satisfied, the maximum required fuel cell air amount that enables stable power generation at the maximum output of the fuel cell and the air-fuel ratio required for complete combustion when the heater generates maximum heat can be secured. An air pump capable of supplying a total amount with the maximum required amount of combustion heater air is required, and the system becomes large. Also, if there are no restrictions on the operation of the fuel cell, when the fuel cell temperature is low and the power generation performance is degraded, etc., if a high current is drawn from the fuel cell in order to promote warm-up, the stack performance will be reduced. There is also a risk of deterioration.
そこで、本発明は、燃料電池を暖機する際に、燃料電池を暖機しつつも適切に燃料電池を稼働させることができる燃料電池システム、およびこの燃料電池システムの運転方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention provides a fuel cell system capable of operating a fuel cell appropriately while warming up the fuel cell, and a method for operating the fuel cell system. Objective.
請求項1記載の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池と、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて燃焼させる燃焼ヒータと、前記燃料電池の暖機中に前記燃料電池および前記燃焼ヒータに前記燃料ガスと前記酸化剤ガスを供給する反応ガス供給手段と、前記燃料電池の状態を検知する状態検知手段と、前記燃料電池の状態から、前記燃料電池が所定の状態にあると判定した場合、前記燃焼ヒータを所定程度だけ動作させる暖機手段と、前記暖機手段の動作中、前記燃焼ヒータが前記所定程度だけ動作できるように前記燃料電池の出力を制限する出力制限手段とを備えたことを特徴とする。
この構成の燃料電池システムによれば、燃料電池を暖機しながら適切に燃料電池を稼働させることができる。燃料電池の出力を制限することで、燃料電池での反応ガスの消費量を低減させることができるので、反応ガス供給手段(特に、酸化剤ガス供給手段のコンプレッサ)の大型化をする必要がなくなる。
The invention according to
According to the fuel cell system having this configuration, the fuel cell can be appropriately operated while warming up the fuel cell. By limiting the output of the fuel cell, it is possible to reduce the amount of reaction gas consumed in the fuel cell, so that it is not necessary to increase the size of the reaction gas supply means (particularly the compressor of the oxidant gas supply means). .
請求項2記載の燃料電池システムは、前記暖機手段が、前記燃焼ヒータをその能力のほぼ上限で動作させる上限動作手段を含むことを特徴とする。
この構成の燃料電池システムによれば、前記燃焼ヒータがその能力のほぼ上限で動作するので、暖機効率が向上する。
The fuel cell system according to
According to the fuel cell system having this configuration, since the combustion heater operates at almost the upper limit of its capacity, the warm-up efficiency is improved.
請求項3記載の燃料電池システムは、前記所定の状態が、前記燃料電池の不安定発電状態であることを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。
この構成の燃料電池システムによれば、燃料電池が不安定発電状態のときに、燃料電池を暖機しながら適切に燃料電池を稼働させることができる。
The fuel cell system according to claim 3, wherein the predetermined state is an unstable power generation state of the fuel cell.
According to the fuel cell system having this configuration, when the fuel cell is in an unstable power generation state, the fuel cell can be appropriately operated while warming up the fuel cell.
請求項4記載の燃料電池システムは、前記出力制限手段は、前記燃料電池の発電を停止する発電停止手段を含むことを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載の燃料電池システム。
この構成の燃料電池システムによれば、燃料電池の発電を停止することで、燃料電池の反応ガスの消費量をほぼゼロにすることができて、反応ガス供給手段の能力をすべて燃焼ヒータに向けることができるので、さらなる反応ガス供給手段の小型化および燃料電池の暖機が促進される。
The fuel cell system according to any one of
According to the fuel cell system of this configuration, by stopping the power generation of the fuel cell, the consumption amount of the reaction gas of the fuel cell can be made almost zero, and all the capabilities of the reaction gas supply means are directed to the combustion heater. Therefore, further miniaturization of the reaction gas supply means and warm-up of the fuel cell are promoted.
請求項5記載の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池と、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて燃焼させる燃焼ヒータとを備え、前記燃料電池の暖機中に前記燃焼ヒータにも燃料ガスと酸化剤ガスが供給される燃料電池システムの運転方法であり、前記燃料電池の状態を検知する状態検知ステップと、前記燃料電池の状態から、前記燃料電池が所定の状態にあると判定した場合、前記燃焼ヒータを所定程度だけ動作させる暖機ステップと、前記暖機ステップの実行中、前記燃焼ヒータを前記所定程度だけ動作できるように前記燃料電池の出力を制限する出力制限ステップとを含むことを特徴とする。
請求項5記載の燃料電池システムの運転方法は、請求項1記載の発明と同様の効果を有する。
The invention according to claim 5 includes a fuel cell that generates electric power by a reaction between the fuel gas and the oxidant gas, and a combustion heater that causes the fuel gas and the oxidant gas to react with each other and burn the fuel cell. An operation method of a fuel cell system in which fuel gas and oxidant gas are also supplied to a combustion heater, wherein the fuel cell is in a predetermined state from a state detection step of detecting the state of the fuel cell, and the state of the fuel cell A warm-up step for operating the combustion heater by a predetermined amount, and an output for limiting the output of the fuel cell so that the combustion heater can be operated by the predetermined amount during the warm-up step. And a limiting step.
The operation method of the fuel cell system according to claim 5 has the same effect as that of the invention according to
本発明によれば、燃料電池の暖機時に、燃料電池を暖機しつつも適切に燃料電池を稼働させることができる。 According to the present invention, when the fuel cell is warmed up, the fuel cell can be appropriately operated while warming up the fuel cell.
以下、本発明の実施の形態と添付図面により本発明を詳細に説明する。
なお、複数の図面に同じ要素を示す場合には同一の参照符号を付ける。
<第1の実施形態>
図1は、本発明の第1の実施形態による並列方式の燃料電池システムの構成例を概念的に示す略ブロック図である。燃料電池と燃焼ヒータへの燃料(燃料ガスと酸化剤ガス(空気))の供給方法には、例えば、燃料電池を経由して燃焼ヒータに燃料を供給する直列方式と、燃料電池と燃焼ヒータにそれぞれ並列に供給する並列方式とがある。ここでは、後者を例にとって説明する。以下において、本発明の燃料電池システムは、車両に搭載されているものとして説明するが、必ずしも車載のものである必要はない。
図1において、本実施形態に係る燃料電池システム1は、周知のようにアノード(図示せず)、カソード(図示せず)およびこれら両極に挟まれた電解質膜(図示せず)を備え、供給される燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池10、燃料電池10のアノードに対して水素(燃料ガス)を供給および排出するアノード系(後記)、燃料電池10のカソードに対して酸素を含む空気(酸化剤ガス、反応ガス)を供給および排出するカソード系(後記)、燃料電池10の暖機を行う暖機系(後記)、および燃料電池システム1全体を制御する制御系(後記)を備えている。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments of the present invention and the accompanying drawings.
In addition, when showing the same element in several drawing, the same referential mark is attached | subjected.
<First Embodiment>
FIG. 1 is a schematic block diagram conceptually showing a configuration example of a parallel type fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. Examples of a method for supplying fuel (fuel gas and oxidant gas (air)) to the fuel cell and the combustion heater include a series system that supplies fuel to the combustion heater via the fuel cell, and a fuel cell and a combustion heater. There is a parallel system that supplies each in parallel. Here, the latter will be described as an example. Hereinafter, the fuel cell system of the present invention will be described as being mounted on a vehicle, but it is not necessarily required to be mounted on a vehicle.
In FIG. 1, a
燃料電池(燃料電池スタック)10は、単セルを複数積層することによって構成された固体高分子型燃料電池である。単セルは、電解質膜(固体高分子膜)の両面をアノード(燃料極)およびカソード(空気極)で挟んで構成したMEA(Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体)と、このMEAを挟む一対のセパレータとにより構成されている。各セパレータには、各単セルを構成するMEAの全面に水素または酸素を供給するための溝や、全単セルに水素、酸素を導くための貫通孔等が形成されており、これら溝等がアノード流路11、カソード流路12として機能している。
The fuel cell (fuel cell stack) 10 is a polymer electrolyte fuel cell configured by stacking a plurality of single cells. A single cell is composed of an MEA (Membrane Electrode Assembly) in which both surfaces of an electrolyte membrane (solid polymer membrane) are sandwiched between an anode (fuel electrode) and a cathode (air electrode), and a pair of sandwiching the MEA And a separator. Each separator has a groove for supplying hydrogen or oxygen to the entire surface of the MEA constituting each single cell, a through-hole for introducing hydrogen and oxygen to all the single cells, and the like. It functions as an
そして、アノード流路11を介して各アノードに水素が供給され、カソード流路12を介して各カソードに酸素を含む空気が供給されると、アノードおよびカソードに含まれる触媒(Ptなど)上で電気化学反応が起こり、その結果、各単セルで電位差(いわゆるOCV(Open Circuit Voltage:開回路電圧))が発生する。このように各単セルで電位差が発生した燃料電池10に対して、例えば図示しない走行モータなどの外部負荷41が接続されると、燃料電池10は継続的に発電する。また、前記セパレータには、燃料電池10を加熱するための熱交換流体が流通する熱交換流体流路13が形成されている。
Then, when hydrogen is supplied to each anode via the
アノード系は、水素が貯蔵された水素タンク21と、水素タンク21からの水素ガスの流路を断続または開閉する遮断弁22と、を主に備えている。そして、水素タンク21から下流側に向かって、配管21aと、遮断弁22と、配管22aと、アノード流路11とが順に接続されており、後記の燃料電池(FC)制御部90によって遮断弁22が開かれると、アノード流路11に水素が供給されるようになっている。また、配管22aには減圧弁(図示せず)が設けられており、水素が適宜に減圧されるようになっている。
アノード流路11の下流側には、配管22bが接続され、アノードから排出されたアノードオフガスが、配管22bを介して外部に排出されるようになっている。
The anode system mainly includes a
A
カソード系は、コンプレッサ31(スーパーチャージャ、酸化剤ガス供給源)を主に備えている。コンプレッサ31は、配管31aを介して、カソード流路12に接続され、FC制御部90の指令により動作すると、酸素を含む空気がカソード流路12に供給される。また、配管31aには、加湿器(図示せず)が設けられ、カソードに送られる空気が適宜に加湿されるようになっている。
カソード流路12の下流側には、配管31bが接続され、カソードから排出されたカソードオフガスが、配管31bを介して外部に排出されるようになっている。
The cathode system mainly includes a compressor 31 (supercharger, oxidant gas supply source). The
A
暖機系は、燃料電池10の熱交換流体流路13を流れる熱交換流体を適宜に加熱する系である。暖機系は、コンプレッサ31からの配管31aの分岐路に挿入されたバイパス用遮断弁50、前記の遮断弁22下流の配管22aの分岐路に挿入された遮断弁51、バイパス用遮断弁50からの空気流に遮断弁51からの水素ガスを導入し、空気と水素ガスとを混合して燃焼混合ガスを生成する混合器53、Ptなどの触媒を内蔵し、その触媒下で混合器53からの燃焼混合ガスに燃焼反応を起こさせ、高温の排気ガスを発生する触媒燃焼器54、触媒燃焼器54から送られた高温の排気ガスと熱交換流体との間で熱交換することにより熱交換流体を加熱する熱交換器55、熱交換器55で加熱された熱交換流体を燃料電池10の熱交換流体流路13に通して循環させるポンプ61および熱交換流体循環用の配管61a〜61cを備える。
前記の要素21,21a,22,22a,31,31a,50,53は、請求項で言うところの反応ガス供給手段の主要部を構成する。
The warm-up system is a system that appropriately heats the heat exchange fluid flowing through the heat exchange
The
触媒燃焼器54と熱交換器55は、燃焼ヒータ56として一体化して実現することも可能である。熱交換後の排気ガスは、配管を介して外部に排出される。配管61aには、温度センサ62が取り付けられ、その内部を流れる熱交換流体の温度Tを検出するようになっている。燃料電池10から排出された直後の熱交換流体が配管61aを流れるため(図1参照)、温度センサ62で検出される温度Tは、燃料電池10の温度にほぼ等しいと考えられる。なお、熱交換流体は、いわゆるラジエータ液(不凍液、冷媒)であり、例えば、エチレングリコールなどを主成分とするものである。
請求項で言うところの暖機手段は、前記反応ガス供給手段の他、要素56,61,61a〜61c,13を含む。
The
The warming-up means mentioned in the claims includes
制御系は、制御に必要な情報を得るため、前記の温度センサ62のほか種々のセンサ類を備えている。例えば、本実施形態の燃料電池システム1においては、燃料電池10を構成する単セルごとの起電力を測定できるように、単セルごとに電圧センサが配置されている。燃料電池10からはVCU(電圧制御ユニット)14を介して電力が取り出される。ここで、VCU14は、電流−電圧センサ(I−Vセンサ)15を介して燃料電池10に接続される。さらに、VCU14には、燃料電池10の出力を充電に適した電圧に変換するDC/DCコンバータ44を介してバッテリやキャパシタなどのエネルギーストレージ46が接続され、余剰電力を蓄えるようになっている。コンプレッサ31は、FC制御部90から出力される制御信号C31により制御される。さらに本実施形態による燃料電池システム1の制御系は、車両の電源スイッチの機能を果たすイグニッションスイッチ80を含む。
The control system includes various sensors in addition to the
FC制御部90は、独立した制御装置として実現してもよいし、他のECUに組み込んで実現してもよい。ECUを構成する種々のコントローラ(制御部)と同様、FC制御部90は、周知のように図示しないCPU、不揮発性メモリ、RAM、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成される。
The
本発明の原理によれば、イグニッションONの直後、必要に応じて燃料(水素ガス)と空気を必要な暖機に優先的に使用し、さらに供給可能な燃料と空気を燃料電池10に回す暖機優先運転を行う。そこで、触媒燃焼器54の最大運転に必要な単位時間あたりの水素ガス量Qhreqおよび空気量Qareq、水素タンク21と遮断弁22による単位時間あたりの水素ガス供給能力Qhmaxおよびコンプレッサ31による単位時間あたりの空気供給能力Qamaxが分かっていれば、単位時間あたりQhmax−Qhreqの水素ガスとQamax−Qareqの空気を発電(すなわち、燃料電池10)に回すことが可能であることが分かる。燃料電池10での発電に必要な空燃比(ストイキ)から考えて、Qhmax−Qhreqの水素ガスとQamax−Qareqの空気の少ない方により、最大暖機時の燃料電池10の最大発電量Pfcmaxが決まる。具体的には、例えば、燃料電池10への空気供給量に制限がない場合の単位時間あたりの水素ガス供給量と発電電力との関係を表すデータ、および燃料電池10への水素ガス供給量に制限がない場合の単位時間あたりの空気供給量と発電電力との関係を表すデータを保持し、これらを参照することにより、最大発電量Pfcmaxを求めることができる。
According to the principle of the present invention, immediately after the ignition is turned on, fuel (hydrogen gas) and air are preferentially used for necessary warm-up as needed, and further, the fuel and air that can be supplied are heated to the
以下において詳細に説明するように、FC制御部90は、前記の単セルごとの電圧センサ、I−Vセンサ15、温度センサ61、イグニッションスイッチ80などからの信号に応じて、遮断弁22、コンプレッサ31、遮断弁50および51、ならびにポンプ61をそれぞれ制御する制御信号C22,C31,C50,C51、およびC61を適宜出力することで、燃料電池システム1の制御を行う。
As will be described in detail below, the
図2は、IG80がOFFからONに切り替えられた際に、FC制御部90が実行する本発明の一実施形態による処理の流れを示すフローチャートである。なお、初期状態として、IG80がOFFの場合、すべての遮断弁22、50および51が遮断状態であり、IG80のON直後は、コンプレッサ31やポンプ61などにも電力は供給されないものとする。また、本実施形態によれば、燃料電池10のコンプレッサ31は、燃料電池10が発電開始するまではエネルギーストレージ46の電力を使用するものとする。エネルギーストレージ46IG80がONになると、図2において、FC制御部90は、まずステップS1において、コンプレッサ31と遮断弁22を動作させて、燃料電池10に空気と水素ガスを所定量だけ供給することにより、燃料電池10を起動する。この場合、エネルギーストレージ46コンプレッサ31はエネルギーストレージ46の電力で駆動する。続いて、ステップS3において、燃料電池10の状態確認を行うため、燃料電池10の出力電極を解放した状態で燃料電池10の温度(以下、「システム温度」と称する)T、単セルごとの起電力を測定する。さらに基準となる負荷(例えば、適切な電装補機42)を接続した状態における燃料電池10の出力電圧Vおよび出力電流Iを測定する。ステップS3が状態検知ステップであり、状態検知ステップS3を実行するハードウェアおよびソフトウェアの資源が状態検知手段である。
FIG. 2 is a flowchart showing a flow of processing according to an embodiment of the present invention executed by the
判断ステップS5において、ステップS3で測定したデータを基に、暖機が必要か否かを判断する。この判断方法としては、例えば、(1)システム温度Tが所定の温度T0より低い場合、(2)燃料電池10の所定の状態におけるIV曲線を用いて、出力電圧Vおよび電流IがこのIV曲線の下方にある場合、または(3)燃料電池10を構成する単セルの出力電圧にバラツキがある場合、燃料電池10が不安定発電状態にあると考えられるので、暖機が必要と判断する。判断(3)の具体的方法としては、例えば、(3a)単セルの起電力の分散または標準偏差が所定の基準値より小さい、または(3b)出力が最低の単セルの電圧が所定の閾値より小さい場合に、単セルの出力電圧にバラツキがあると判断する方法の他、種々の方法が考えられる。また、図4は、暖機が必要か否かの判断に用いる燃料電池10のIV特性曲線の一例を示すグラフである。この曲線は、暖機要否の判断基準に使用するため、例えば、暖機を必要としない最低温度または暖機が必要となる温度などのような所定の環境条件の下で実測して得る。燃料電池10の出力電流Iと出力電圧Vで決まる点(動作点(I,V)と称する)が図3の曲線の下側(要暖機領域)にあれば、燃料電池10の起電力が不十分であり、燃料電池本来の性能が発揮されていないので、暖機が必要であると判断し、上側(暖機不要領域)にあれば、暖機は不要であると判断する。したがって、所定の抵抗値を有する負荷(例えば、既知の適切な抵抗値を有する電装補機)を接続した状態における燃料電池10の動作点(I,V)が図4のIV曲線の下側にあれば、暖機が必要であると判断する。
In determination step S5, it is determined whether warm-up is necessary based on the data measured in step S3. As the determination method, for example, (1) when the system temperature T is lower than the predetermined temperature T0, (2) the output voltage V and the current I are set to the IV curve using the IV curve in a predetermined state of the
図2のフローチャートに戻り、判断ステップS5において、暖機不要と判断した場合(Noの場合)、燃料電池10は良好な状態にあるので、通常の要領で燃料電池10の通常運転を行うため、ステップS6において、コンプレッサ31の電源を図示しない切替手段によりエネルギーストレージ46から燃料電池10へと切り替える。そして、通常運転に入る。
Returning to the flowchart of FIG. 2, when it is determined in step S5 that the warm-up is not required (in the case of No), the
車載燃料電池の暖機が必要な場合として、燃料電池の電力をある程度消費しながら暖機できる場合と、セルの電解質膜の一部が凍結するほど低温で可能な限り燃料電池を稼働させずに暖機のみを行う方(暖機オンリーモード)が好ましい場合とがある。そこで、判断ステップS5において、暖機が必要であると判断した場合、さらなる判断ステップS7において、暖機オンリーモードにすべきか否かを判断する。この場合の判断は、例えば、システム温度Tが前記所定の温度T0よりさらに低い温度T1(例えば、氷点)より高いか否かにより行う。 When the vehicle fuel cell needs to be warmed up, the fuel cell can be warmed up while consuming a certain amount of power. There is a case where it is preferable to perform only warm-up (warm-up only mode). Therefore, when it is determined in the determination step S5 that the warm-up is necessary, it is determined in a further determination step S7 whether or not the warm-up only mode should be set. The determination in this case is made, for example, based on whether or not the system temperature T is higher than a temperature T1 (for example, a freezing point) that is lower than the predetermined temperature T0.
判断ステップS7において、暖機オンリーモードで運転すべきであると判断した場合(Yesの場合)、ステップS17に進み、燃料電池10を速やかに昇温し、短期間で燃料電池10の運転ができるようにするため、燃料電池10の運転を極力控え(全く発電を行わせないようにする場合も含む)専ら暖機を行うため、燃焼器54を最大運転する。この暖機方法(暖機オンリーモード)は、本発明の本筋とは異なるので、ここでは詳細な説明は行わない。ただし、暖機オンリーモードでは、燃料電池10の電力を極力消費しないようにするため、コンプレッサ31はエネルギーストレージ46で駆動することが好ましい。暖機しつつ、判断ステップS19において、燃料電池10が発電可能な状態か否かを判断する。発電可能でない場合(Noの場合)、ステップS17に戻り暖機を続ける。発電可能である場合(Yesの場合)、後記のS9に進み、暖機優先運転を行う。
When it is determined in the determination step S7 that the operation should be performed in the warm-up only mode (in the case of Yes), the process proceeds to step S17, where the temperature of the
判断ステップS7において、燃料電池10の運転が可能であり、暖機オンリーモードではなく暖機優先で運転するべきであると判断した場合(Noの場合)、運転を許しながら暖機を行う暖機優先運転を行う。そこで、ステップS9において、本実施形態では、少しでも早く暖機を完了し通常運転ができるように、暖機系を最大運転するために、最大運転時に触媒燃焼器54が必要とする単位時間あたりの水素ガス量Qrhおよび空気量Qraを供給するとともに、ポンプ61に適切な電力を供給する。このとき、種々の状況を考慮し、触媒燃焼器54を最大運転する代わりに、適切な程度の運転を行っても良い。(ステップS9および後記のステップS9aは、暖機ステップであり、暖機ステップS9またはS9aを実行するハードウェアおよびソフトウェアの資源は、暖機手段を構成し、上限動作手段を含む。)そして、判断ステップS11において、暖機が完了するまで待機する。この間、後記の割り込みサブルーチンにより、燃料電池10の出力を前記の最大暖機時の燃料電池10の発電量Pfcmax以下に抑える制御を行う。
<変形例>
In the determination step S7, when it is determined that the
<Modification>
判断ステップS7において、判断基準(1)、(2)、(3a)および(3b)の何れか1つを用いたが、判断基準(1)、(2)および(3)の任意の2つ以上を組み合わせて判断を行ってもよい。
ステップS3に関連して、燃料電池の状態確認の項目を幾つか述べたが、実際には、状態確認ステップS3では、判断ステップS7で必要な項目のみを測定すればよい。
<第2の実施形態>
In the determination step S7, any one of the determination criteria (1), (2), (3a) and (3b) is used, but any two of the determination criteria (1), (2) and (3) are used. You may judge by combining the above.
In connection with step S3, several items for checking the state of the fuel cell have been described. Actually, in the state checking step S3, only the necessary items in the determining step S7 need be measured.
<Second Embodiment>
第1の実施形態においては、燃料電池10のコンプレッサ31は、暖機中はエネルギーストレージ46の電力を使用し、暖機を行わない通常運転においては燃料電池10の発電電力を使用するものとした。第2の実施形態は、燃料電池システム1の起動時および暖機オンリーモードにおいてはコンプレッサ31をバッテリ駆動し、それ以外は基本的に燃料電池10の電力でコンプレッサ31を駆動するものである。図4は、本発明の第2の実施形態による並列方式の燃料電池システムにおいてIG80のONに応じて実行される燃料電池制御プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。第2の実施形態は、図2のフローチャートが図4のフローチャートに置き換わったことを除けば、第1の実施形態と同じであるから、図4のフローチャートのみを説明する。さらに、図4のフローチャートは、コンプレッサ電源切替ステップS6を暖機オンリーモード終了後(すなわち、ステップS15の後)には実行せず判断ステップS5のNo分岐後にのみ実行するようにしたことと、ステップS9がS9aに置き換わったことを除けば、図2のフローチャートと同じである。
In the first embodiment, the
したがって、第1の実施形態と同様にIG80がOFFの場合、コンプレッサ用PDU32の電源は、図示しない切替手段によりエネルギーストレージ46の側に切り替えられていて、ステップS1で燃料電池10を起動する際、コンプレッサ31はエネルギーストレージ46で駆動される。判断ステップS5において暖機不要と判断して(Noの場合)通常運転を行う場合、ステップS6において、エネルギーストレージ46から燃料電池10へとコンプレッサ電源切替を行う。
Therefore, as in the first embodiment, when the
判断ステップS7において、暖機オンリーモードでなく暖機優先運転をすべきであると判断した場合(Noの場合)、ステップS9aにおいて図示しない切替手段によりコンプレッサ31の電源をエネルギーストレージ46から燃料電池10に切り替えて、触媒燃焼器54とポンプ61を含む暖機系を最大運転する。なお、暖機完了後(判断ステップS11においてYesの場合)は、ステップS13およびS15を経て通常運転に移るが、コンプレッサ31は引き続き燃料電池10により駆動するため、コンプレッサ電源切替を行う必要はない。
In the determination step S7, when it is determined that the warm-up priority operation should be performed instead of the warm-up only mode (in the case of No), the power of the
因みに、判断ステップS7において暖機オンリーモードで運転する場合(Yesの場合)、第1の実施形態に関連して述べたように、燃料電池10の電力を極力消費しないようにするため、ステップS1での設定のままコンプレッサ31はエネルギーストレージ46で駆動する。
Incidentally, when operating in the warm-up only mode in the determination step S7 (in the case of Yes), as described in relation to the first embodiment, in order to minimize the power consumption of the
本実施形態も基本的に第1の実施形態と同様の効果をもたらすが、本実施形態の暖機優先運転においては、コンプレッサ31を燃料電池10の発電電力で駆動する。
<第3の実施形態>
Although the present embodiment basically provides the same effect as that of the first embodiment, the
<Third Embodiment>
第1および第2の実施形態においては、並列方式の燃料電池システムを例にとって説明したが、本発明は直列方式の燃料電池システムにも適用可能である。
図5は、本発明の第3の実施形態による直列方式の燃料電池システムの構成例を概念的に示す略ブロック図である。図5の燃料電池システム2は、遮断弁51が燃料電池10のアノード流路11の下流の配管22bに接続され、かつ遮断弁50が燃料電池10のカソード流路12の下流の配管31bに接続されたことにより、燃料電池10と燃焼ヒータ56とが直列に接続されたことを除けば、図1の燃料電池システム1と同じである。
IG80をONにした際に実行される燃料電池制御プログラムも、図1の燃料電池システム1の場合と同じであるから、説明を省略する。また、図5の燃料電池システム2においても、前記の変形例が適用できることは言うまでもない。
<変形例>
In the first and second embodiments, the parallel type fuel cell system has been described as an example, but the present invention is also applicable to a series type fuel cell system.
FIG. 5 is a schematic block diagram conceptually showing an example of the configuration of a series-type fuel cell system according to the third embodiment of the present invention. In the
The fuel cell control program executed when the
<Modification>
以上は、本発明の説明のために実施の形態の例を掲げたに過ぎない。したがって、本発明の技術思想または原理に沿って前記の実施の形態に種々の変更、修正または追加を行うことは、当業者には容易である。
例えば、図1および6に示した実施形態においては、システム温度を、燃料電池10の熱交換流体流路13下流の配管61aで測定しているが、燃料電池10のアノード流路11から排出されるアノードオフガスの温度を測定するようにしてもよい。
図1および図5においては、ECU90がFC制御部90と駆動制御部94とを含み、これらが、先に述べた種々の制御を行うものとして説明した。しかし、当業者には明らかなように、本発明は、先に述べた種々の制御を行う限り、それらの制御を行う要素の名称や構成を問わず、実施可能である。
The above is merely an example of an embodiment for explaining the present invention. Accordingly, it is easy for those skilled in the art to make various changes, modifications, or additions to the above-described embodiments in accordance with the technical idea or principle of the present invention.
For example, in the embodiment shown in FIGS. 1 and 6, the system temperature is measured by the
1 and 5, the
図1および図5においては、本発明の説明に直接関係のない要素を省略したが、好ましい実施形態では、図示した以外に種々の要素が用いられる。例えば、アノード系について、燃料電池10から排出された水素ガスを燃料電池10の水素ガス供給路に戻す循環経路と、循環経路から水素ガスを排出するパージ弁とを設けた構成としてもよい。なお、図5の第3の実施形態では、パージ弁から排出された水素ガスは燃焼ヒータ56に供給する。
Although elements not directly related to the description of the present invention are omitted in FIGS. 1 and 5, various elements other than those illustrated are used in the preferred embodiment. For example, the anode system may be provided with a circulation path for returning the hydrogen gas discharged from the
また、前記の実施形態においては、本発明を車両に適用した例を用いたが、本発明は、燃料電池と燃焼ヒータに共通の燃料源を用いるシステムであれば、車両に限らず船舶でも何でも適用可能である。 In the above embodiment, an example in which the present invention is applied to a vehicle is used. However, the present invention is not limited to a vehicle and can be used for any ship as long as it is a system that uses a common fuel source for a fuel cell and a combustion heater. Applicable.
1、2 本発明の燃料電池システム
10 燃料電池
14 VCU
15 I−Vセンサ
16 電流センサ
21 水素タンク
22、50,51 遮断弁
31 コンプレッサ
44 DC/DCコンバータ
46 エネルギーストレージ
53 混合器
54 触媒燃焼器
55 熱交換器
56 燃焼ヒータ
61 ポンプ
80 イグニッションスイッチ(IG)
90 燃料電池制御部(FC制御部)
1, 2 Fuel cell system of the
15 I-V sensor 16
90 Fuel cell controller (FC controller)
Claims (5)
燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて燃焼させる燃焼ヒータと、
前記燃料電池の暖機中に前記燃料電池および前記燃焼ヒータに前記燃料ガスと前記酸化剤ガスを供給する反応ガス供給手段と、
前記燃料電池の状態を検知する状態検知手段と、
前記燃料電池の状態から、前記燃料電池が所定の状態にあると判定した場合、前記燃焼ヒータを所定程度だけ動作させる暖機手段と、
前記暖機手段の動作中、前記燃焼ヒータが前記所定程度だけ動作できるように前記燃料電池の出力を制限する出力制限手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by a reaction between the fuel gas and the oxidant gas;
A combustion heater for reacting and burning fuel gas and oxidant gas;
Reactive gas supply means for supplying the fuel gas and the oxidant gas to the fuel cell and the combustion heater during warm-up of the fuel cell;
State detecting means for detecting the state of the fuel cell;
When it is determined from the state of the fuel cell that the fuel cell is in a predetermined state, warm-up means for operating the combustion heater by a predetermined amount;
A fuel cell system comprising output limiting means for limiting the output of the fuel cell so that the combustion heater can operate only to the predetermined degree during operation of the warm-up means.
前記燃料電池の状態を検知する状態検知ステップと、
前記燃料電池の状態から、前記燃料電池が所定の状態にあると判定した場合、前記燃焼ヒータを所定程度だけ動作させる暖機ステップと、
前記暖機ステップの実行中、前記燃焼ヒータを前記所定程度だけ動作できるように前記燃料電池の出力を制限する出力制限ステップとを含むことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。 A fuel cell for generating electricity by a reaction between the fuel gas and the oxidant gas; and a combustion heater for causing the fuel gas and the oxidant gas to react with each other and combusting the fuel cell. In the fuel cell system that is supplied with the agent gas and generates power after warm-up,
A state detecting step of detecting the state of the fuel cell;
When it is determined from the state of the fuel cell that the fuel cell is in a predetermined state, a warm-up step for operating the combustion heater by a predetermined amount;
A fuel cell system operating method comprising: an output limiting step of limiting the output of the fuel cell so that the combustion heater can be operated by the predetermined degree during the warm-up step.
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