JP2008176940A - Control method of fuel cell system - Google Patents

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Hideyuki Kumei
秀之 久米井
Manabu Kato
加藤　　学
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system enhancing the output efficiency of a fuel cell system in staring of a fuel cell. <P>SOLUTION: In start of the fuel cell, when temperature of the fuel cell is lower than a prescribed threshold value, a voltage of 1.0 V is applied to the fuel cell with a secondary battery (S30) before reaction gas is supplied to the fuel cell. Charges are stored in the electrodes of the fuel cell like a capacitor. After that, when applied voltage is made to lower, discharge current (discharge power) is generated in the fuel cell even in the state that the reaction gas is not supplied (S40). The discharge power is larger than power which is used for applying voltage to the fuel cell. The discharge power is utilized in prescribed treatment for starting the fuel cell, such as impedance measurement of the fuel cell (S50). <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

この発明は、燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system.

燃料電池は一般に、低温（例えば氷点下）の環境下では起動が困難となる。この問題を解決するために、燃料電池の起動の際に燃料電池システム内の補助電源の電力などを利用する種々の技術が提案されてきた（特許文献１等）。   In general, a fuel cell is difficult to start in an environment of low temperature (for example, below freezing point). In order to solve this problem, various techniques for utilizing the power of an auxiliary power source in the fuel cell system at the time of starting the fuel cell have been proposed (Patent Document 1, etc.).

特開２００４−１７２１０５JP 2004-172105 A 特開２００３−１９７２４０JP 2003-197240 A 特開２００３−１９７２４１JP 2003-197241 A

ところで、燃料電池の膜抵抗は、燃料電池の温度が低いときほど高い値を示す傾向にあることが知られている。従って、燃料電池は、温度が低いときほど発電効率が低下する。また、燃料電池の発電効率が低下した状態にあっても、燃料電池システム内の補機損失は燃料電池が通常温度（例えば８０°Ｃ程度）で運転している時と同様に発生する。従って、低温時には燃料電池の起動時の燃料電池システム全体の出力効率は著しく低下してしまう。しかし、これまでこのような問題に対して十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。   By the way, it is known that the membrane resistance of a fuel cell tends to be higher as the temperature of the fuel cell is lower. Therefore, the power generation efficiency of the fuel cell decreases as the temperature decreases. Even when the power generation efficiency of the fuel cell is lowered, the auxiliary machine loss in the fuel cell system occurs in the same manner as when the fuel cell is operated at a normal temperature (for example, about 80 ° C.). Therefore, the output efficiency of the entire fuel cell system at the time of starting the fuel cell is significantly reduced at low temperatures. However, the reality is that until now such a problem has not been fully devised.

本発明は、燃料電池の起動時における燃料電池システム全体の出力効率を向上する技術を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a technique for improving the output efficiency of the entire fuel cell system when the fuel cell is started.

上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池の起動時に行う燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）燃料ガス及び酸化ガスを供給することなく前記燃料電池を放電させる工程と、
（ｂ）前記放電による放電電流を前記燃料電池の起動の際に行われる所定の処理に用いる工程と、
を備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention provides a control method for a fuel cell system that is performed when the fuel cell is started.
(A) discharging the fuel cell without supplying fuel gas and oxidizing gas;
(B) a step of using a discharge current due to the discharge for a predetermined process performed when starting the fuel cell;
It is characterized by providing.

この方法によれば、燃料電池が通常の発電を開始していない状態であっても燃料電池の放電により電力を得ることができ、この電力を燃料電池を起動する際に行う所定の処理に用いてシステムの補機損失を低減できる。従って、燃料電池の起動時における燃料電池システム全体の出力効率を向上することができる。   According to this method, even when the fuel cell does not start normal power generation, power can be obtained by discharging the fuel cell, and this power is used for a predetermined process performed when starting the fuel cell. System loss of auxiliary equipment. Accordingly, it is possible to improve the output efficiency of the entire fuel cell system when the fuel cell is started.

前記工程（ａ）は、外部電源によって前記燃料電池に電圧を印加する工程と、前記電圧印加の後に、前記燃料電池を放電させる工程と、を含むものとしても良い。   The step (a) may include a step of applying a voltage to the fuel cell by an external power source and a step of discharging the fuel cell after the voltage application.

この方法によれば、燃料電池を一種のコンデンサのように機能させつつ、燃料電池に電圧を印加するのに用いた電力以上の電力を燃料電池の放電電流によって得ることができる。   According to this method, while the fuel cell functions as a kind of capacitor, it is possible to obtain electric power that is equal to or higher than the electric power used to apply a voltage to the fuel cell by the discharge current of the fuel cell.

前記電圧は、０．９〜１．１Ｖであるものとしても良い。   The voltage may be 0.9 to 1.1V.

燃料電池に印可する電圧は、過度に低いと燃料電池への充電量が不十分となり、一方、過度に高いと、燃料電池を劣化させる可能性がある。従って、印加電圧を０．９〜１．１Ｖの値とすれば、十分な充電量を確保しつつ、燃料電池の劣化を予防できる。   If the voltage applied to the fuel cell is too low, the amount of charge to the fuel cell will be insufficient. On the other hand, if the voltage is too high, the fuel cell may be deteriorated. Therefore, when the applied voltage is set to a value of 0.9 to 1.1 V, deterioration of the fuel cell can be prevented while securing a sufficient charge amount.

前記燃料電池の温度を測定するとともに、前記温度が所定の温度より低い場合に、前記工程（ａ）及び前記工程（ｂ）を行うものとしても良い。   While measuring the temperature of the fuel cell, the step (a) and the step (b) may be performed when the temperature is lower than a predetermined temperature.

この方法によれば、燃料電池の起動性が悪化するような低温時において燃料電池システムの出力効率の低下を低減できる。   According to this method, it is possible to reduce a decrease in output efficiency of the fuel cell system at a low temperature at which the startability of the fuel cell deteriorates.

前記所定の処理は、前記燃料電池のインピーダンスを計測する処理を含むものとしても良い。   The predetermined process may include a process of measuring the impedance of the fuel cell.

この方法によれば、インピーダンスの計測値に基づいて燃料電池に対して過負荷がかからないように燃料電池システムの制御を行うことができる。従って、燃料電池システムの出力効率を向上できるとともに、燃料電池の劣化を抑制できる。   According to this method, the fuel cell system can be controlled based on the measured impedance value so that the fuel cell is not overloaded. Therefore, the output efficiency of the fuel cell system can be improved and the deterioration of the fuel cell can be suppressed.

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池を備えた燃料電池システムの制御方法、その制御方法を実行する燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。   The present invention can be realized in various forms, for example, in the form of a control method for a fuel cell system including a fuel cell, a vehicle equipped with a fuel cell system that executes the control method, and the like. can do.

Ａ．第１実施例：
図１は本発明の一実施例として燃料電池システムの電気的構成を示すブロック図である。この燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、二次電池２０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０と、ＤＣ／ＡＣインバータ４０と、インピーダンス計測部５０とを備えている。この燃料電池システム１００は、制御部６０によって制御され、接続する外部負荷１１０の要求に応じて出力をするシステムである。 A. First embodiment:
FIG. 1 is a block diagram showing an electrical configuration of a fuel cell system as an embodiment of the present invention. The fuel cell system 100 includes a fuel cell 10, a secondary battery 20, a DC / DC converter 30, a DC / AC inverter 40, and an impedance measuring unit 50. The fuel cell system 100 is a system that is controlled by the control unit 60 and outputs in response to a request from an external load 110 to be connected.

燃料電池１０は、直流電源ラインＤＣＬを介してＤＣ／ＡＣインバータ４０に接続されており、ＤＣ／ＡＣインバータ４０は外部負荷１１０に接続されている。二次電池２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０を介して直流電源ラインＤＣＬに接続されている。   The fuel cell 10 is connected to a DC / AC inverter 40 via a DC power supply line DCL, and the DC / AC inverter 40 is connected to an external load 110. The secondary battery 20 is connected to the DC power supply line DCL via the DC / DC converter 30.

インピーダンス計測部５０は、インピーダンスを計測する計測メータ５１と電源部５２とを備えている。電源部５２は、直流電源ラインＤＣＬと接続している。即ち、このインピーダンス計測部５０は、抵抗値の計測に必要な電力を燃料電池１０から得ることができる。   The impedance measurement unit 50 includes a measurement meter 51 and a power supply unit 52 that measure impedance. The power supply unit 52 is connected to the DC power supply line DCL. That is, the impedance measuring unit 50 can obtain power necessary for measuring the resistance value from the fuel cell 10.

直流電源ラインＤＣＬには、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０とＤＣ／ＡＣインバータ４０との間に第１のスイッチＳＷ１が設けられている。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０と燃料電池１０との間には、第２のスイッチＳＷ２が設けられており、燃料電池１０とインピーダンス計測部５０の電源部５２との間には第３のスイッチＳＷ３が設けられている。制御部６０は、これらのスイッチＳＷ１〜ＳＷ３の開閉動作を制御することによって、後述する３種類の燃料電池システム１００の電気的接続態様を実現する。   In the DC power supply line DCL, a first switch SW1 is provided between the DC / DC converter 30 and the DC / AC inverter 40. In addition, a second switch SW2 is provided between the DC / DC converter 30 and the fuel cell 10, and a third switch SW3 is provided between the fuel cell 10 and the power source unit 52 of the impedance measuring unit 50. Is provided. The control unit 60 realizes an electrical connection mode of three types of fuel cell systems 100 to be described later by controlling the opening and closing operations of these switches SW1 to SW3.

燃料電池１０は、燃料ガス（水素）と酸化ガス（空気）の供給を受けて、その電気化学反応（燃料電池反応）によって発電する複数の発電モジュール（単セル）を備えた固体高分子型燃料電池である。なお、燃料電池１０としては、複数の単セルを備えた固体高分子型燃料電池でなくとも良く、任意の種々のタイプの燃料電池に本発明を適用することが可能である。なお、燃料電池１０には、燃料電池１０の温度を計測するための温度計測部１５が設けられている。   The fuel cell 10 is a solid polymer fuel provided with a plurality of power generation modules (single cells) that are supplied with fuel gas (hydrogen) and oxidizing gas (air) and generate electric power by the electrochemical reaction (fuel cell reaction). It is a battery. The fuel cell 10 need not be a polymer electrolyte fuel cell having a plurality of single cells, and the present invention can be applied to any of various types of fuel cells. The fuel cell 10 is provided with a temperature measuring unit 15 for measuring the temperature of the fuel cell 10.

二次電池２０は、燃料電池１０の補助電源として機能し、例えば充・放電可能なリチウムイオン電池で構成することができる。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、二次電池２０の充・放電を制御する充放電制御部としての機能を有しており、制御部６０の指示によって直流電源ラインＤＣＬの電圧レベルを可変に調整する。燃料電池１０の出力が要求出力に満たない場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、その不足分を補償するように二次電池２０に放電させる。   The secondary battery 20 functions as an auxiliary power source of the fuel cell 10 and can be constituted by, for example, a chargeable / dischargeable lithium ion battery. The DC / DC converter 30 has a function as a charge / discharge control unit that controls charging / discharging of the secondary battery 20, and variably adjusts the voltage level of the DC power supply line DCL according to an instruction from the control unit 60. When the output of the fuel cell 10 is less than the required output, the DC / DC converter 30 causes the secondary battery 20 to discharge so as to compensate for the shortage.

ＤＣ／ＡＣインバータ４０は、燃料電池１０及び二次電池２０から得られた直流電力を交流電力へと変換して外部負荷１１０へ供給する。その際の交流電力の周波数は、制御部６０の指示によって制御される。なお、外部負荷１１０によって回生電力（交流電力）が発生する場合には、回生電力は、ＤＣ／ＡＣインバータ４０によって直流電力に変換されるとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０を介して二次電池２０に充電される。   The DC / AC inverter 40 converts DC power obtained from the fuel cell 10 and the secondary battery 20 into AC power and supplies the AC power to the external load 110. The frequency of the AC power at that time is controlled by an instruction from the control unit 60. When regenerative power (AC power) is generated by the external load 110, the regenerative power is converted to DC power by the DC / AC inverter 40 and also supplied to the secondary battery 20 via the DC / DC converter 30. Charged.

インピーダンス計測部５０の計測メータ５１は、燃料電池１０の抵抗値を計測するように接続されている。ところで、燃料電池の抵抗値には膜抵抗と反応抵抗とがあることが知られいる。膜抵抗とは、触媒を含む電極層とセパレータと電解質膜などの構成部材の電気的抵抗の合計であり、反応抵抗とは、燃料電池反応の活性化のために消費されるエネルギー損失による抵抗である。本実施例では、これらの抵抗のうち膜抵抗の値を計測する。   The measurement meter 51 of the impedance measurement unit 50 is connected to measure the resistance value of the fuel cell 10. By the way, it is known that the resistance value of the fuel cell includes a membrane resistance and a reaction resistance. Membrane resistance is the total electrical resistance of the electrode layer including the catalyst, separator, and electrolyte membrane, and the reaction resistance is the resistance due to energy loss consumed for the activation of the fuel cell reaction. is there. In this embodiment, the value of the membrane resistance among these resistors is measured.

図２（Ａ）〜（Ｃ）は、燃料電池システム１００の電気的接続態様を説明するための説明図である。図２（Ａ）〜（Ｃ）の燃料電池システム１００は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３の開閉状態が異なる点以外は、図１とほぼ同じである。なお、温度計測部１５と制御部６０の図示は省略されている。また、直流電源ラインＤＣＬのうち、電気的接続が切断されている部位を便宜的に破線で示してある。   2A to 2C are explanatory diagrams for explaining an electrical connection mode of the fuel cell system 100. FIG. The fuel cell system 100 of FIGS. 2A to 2C is substantially the same as FIG. 1 except that the open / close states of the switches SW1 to SW3 are different. In addition, illustration of the temperature measurement part 15 and the control part 60 is abbreviate | omitted. Further, a portion of the DC power supply line DCL where the electrical connection is cut is indicated by a broken line for convenience.

図２（Ａ）は、第１及び第２のスイッチＳＷ１、ＳＷ２が閉じられ、第３のスイッチＳＷ３が開かれた状態となる第１接続態様を示している。この第１接続態様では、燃料電池１０と二次電池２０とからＤＣ／ＡＣインバータ４０を介して外部負荷１１０に出力電力が供給される。燃料電池システム１００は、通常はこの第１接続態様によって外部負荷１１０に対して電力を供給する。なお、第３のスイッチＳＷ３は閉じられていても良い。   FIG. 2A shows a first connection mode in which the first and second switches SW1 and SW2 are closed and the third switch SW3 is opened. In this first connection mode, output power is supplied from the fuel cell 10 and the secondary battery 20 to the external load 110 via the DC / AC inverter 40. The fuel cell system 100 normally supplies power to the external load 110 by this first connection mode. Note that the third switch SW3 may be closed.

図２（Ｂ）は、第２のスイッチＳＷ２が閉じられ、第１及び第３のスイッチＳＷ１、ＳＷ３が開かれた状態となる第２接続態様を示している。この第２接続態様では、燃料電池１０と二次電池２０とがＤＣ／ＤＣコンバータ３０を介して電気的に接続しているのみである。従って、この状態であれば、後述するように発電していない燃料電池１０に対して二次電池２０が電圧を印加することが可能である。   FIG. 2B shows a second connection mode in which the second switch SW2 is closed and the first and third switches SW1 and SW3 are opened. In the second connection mode, the fuel cell 10 and the secondary battery 20 are only electrically connected via the DC / DC converter 30. Therefore, in this state, as will be described later, the secondary battery 20 can apply a voltage to the fuel cell 10 that is not generating power.

図２（Ｃ）は、第１及び第３のスイッチＳＷ１、ＳＷ３が閉じられ、第２のスイッチＳＷ２が開かれた状態となる第３接続態様を示している。この第３接続態様では、燃料電池１０とインピーダンス計測部５０とが電気的に接続され、二次電池２０と外部負荷１１０とがＤＣ／ＤＣコンバータ３０及びＤＣ／ＡＣインバータ４０を介して電気的に接続している。即ち、この第３接続態様では、インピーダンス計測部５０は、燃料電池１０の電力を利用して燃料電池１０の抵抗値を計測することが可能である。一方、外部負荷１１０は、必要な電力を二次電池２０から得ることができる。   FIG. 2C shows a third connection mode in which the first and third switches SW1 and SW3 are closed and the second switch SW2 is opened. In the third connection mode, the fuel cell 10 and the impedance measuring unit 50 are electrically connected, and the secondary battery 20 and the external load 110 are electrically connected via the DC / DC converter 30 and the DC / AC inverter 40. Connected. That is, in the third connection mode, the impedance measuring unit 50 can measure the resistance value of the fuel cell 10 using the power of the fuel cell 10. On the other hand, the external load 110 can obtain necessary power from the secondary battery 20.

図３は、本発明の一実施例として燃料電池システム１００の制御部６０が行う起動時の制御手順を示すフローチャートである。制御部６０は、燃料電池システム１００に対して起動要求がなされると、ステップＳ１０において、燃料電池１０に設けられた温度計測部１５（図１）によって燃料電池１０の温度を計測する。なお、このときの燃料電池システム１００の接続態様は、第１〜第３の接続態様のいずれの態様でも良く、あるいは、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３が全て開放された状態でも良い。   FIG. 3 is a flowchart showing a control procedure at the start-up performed by the control unit 60 of the fuel cell system 100 as an embodiment of the present invention. When an activation request is made to the fuel cell system 100, the control unit 60 measures the temperature of the fuel cell 10 by the temperature measurement unit 15 (FIG. 1) provided in the fuel cell 10 in step S10. The connection mode of the fuel cell system 100 at this time may be any one of the first to third connection modes, or may be a state in which all the switches SW1 to SW3 are opened.

ステップＳ２０において、燃料電池１０の計測温度が所定の温度Ｔｉ以下の場合には、後述するステップＳ３０〜Ｓ５０の処理が実行される。一方、計測温度が所定の温度Ｔｉより高い場合には、ステップＳ６０に移行し、通常どおり燃料電池１０に反応ガスの供給をして発電を開始させる。ここで、所定の温度Ｔｉとしては、一般に燃料電池の起動が困難になると考えられる温度であれば良く、例えば氷点下であるとしても良い。また、所定の温度Ｔｉは、実験等によって得られた燃料電池の起動性が悪化する温度域をもとに設定されているものとしても良い。   In step S20, when the measured temperature of the fuel cell 10 is equal to or lower than the predetermined temperature Ti, the processes of steps S30 to S50 described later are executed. On the other hand, when the measured temperature is higher than the predetermined temperature Ti, the process proceeds to step S60, and the reaction gas is supplied to the fuel cell 10 as usual to start power generation. Here, the predetermined temperature Ti may be a temperature at which it is generally considered difficult to start the fuel cell, and may be, for example, below freezing point. Further, the predetermined temperature Ti may be set based on a temperature range in which the startability of the fuel cell obtained by experiments or the like deteriorates.

ステップＳ３０において制御部６０は、燃料電池システム１００の接続態様を第２接続態様（図２（Ｂ））へと切り換える。この状態で制御部６０は、二次電池２０によって燃料電池１０に対してその単セルごとに所定の電圧（例えば１．０Ｖ）が印加されるように制御する。このときの印加電圧は、０．９〜１．１Ｖの値とすることが好ましく、１．０Ｖとすることがさらに好ましい。印加電圧が過度に低いと十分な充電量が得られず、一方、印加電圧が過度に高いと燃料電池を劣化させる可能性がある。従って、印加電圧を０．９Ｖ〜１．１Ｖの値にすれば、十分な充電量を確保しつつ、燃料電池１０の劣化を防止することができる。各単セルに１．０Ｖの電圧を印加する場合には、制御部６０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０によって直流電源ラインＤＣＬの電圧レベルを（１．０×燃料電池１０の単セル数）Ｖに維持させる。なお、このとき、燃料電池１０に対しては水素及び酸素などの反応ガスの供給はなされていない。   In step S30, the control unit 60 switches the connection mode of the fuel cell system 100 to the second connection mode (FIG. 2B). In this state, the control unit 60 controls the secondary battery 20 so that a predetermined voltage (for example, 1.0 V) is applied to the fuel cell 10 for each single cell. The applied voltage at this time is preferably 0.9 to 1.1 V, and more preferably 1.0 V. If the applied voltage is excessively low, a sufficient amount of charge cannot be obtained. On the other hand, if the applied voltage is excessively high, the fuel cell may be deteriorated. Therefore, when the applied voltage is set to a value of 0.9 V to 1.1 V, it is possible to prevent the fuel cell 10 from deteriorating while securing a sufficient charge amount. When a voltage of 1.0 V is applied to each single cell, the control unit 60 sets the voltage level of the DC power supply line DCL to (1.0 × number of single cells of the fuel cell 10) V by the DC / DC converter 30. Let it be maintained. At this time, the reaction gas such as hydrogen and oxygen is not supplied to the fuel cell 10.

二次電池２０から燃料電池１０に対して電圧が印加された状態を所定の印加時間（後述）だけ維持した後、制御部６０は、燃料電池システム１００の接続態様を第３接続態様（図２（Ｃ））へと切り換える。すると、燃料電池１０から直流電源ラインＤＣＬを介して放電電流がインピーダンス計測部５０の電源部５２へと流れる（ステップＳ４０）。   After maintaining the state in which the voltage is applied from the secondary battery 20 to the fuel cell 10 for a predetermined application time (described later), the control unit 60 changes the connection mode of the fuel cell system 100 to the third connection mode (FIG. 2). (C)). Then, a discharge current flows from the fuel cell 10 to the power supply unit 52 of the impedance measurement unit 50 via the DC power supply line DCL (step S40).

図４（Ａ）、（Ｂ）は、単セルに対して１．０Ｖの電圧（「事前印加電圧」と呼ぶ）を印加した後に単セルを放電させた実験の結果を示すグラフである。この実験で使用した単セルは、アノード電極側を水素雰囲気とし、カソード電極側を酸素の不足した窒素雰囲気とした。通常、この状態であれば酸素が不足しているため、単セルからは発電による電流は発生しない。しかし、図４（Ａ）、（Ｂ）のグラフに示すように、ガスの供給が無い状態でも単セルからは電流を発生させることが可能である。   4A and 4B are graphs showing the results of an experiment in which a single cell was discharged after a voltage of 1.0 V (referred to as “pre-applied voltage”) was applied to the single cell. The single cell used in this experiment had a hydrogen atmosphere on the anode electrode side and a nitrogen atmosphere lacking oxygen on the cathode electrode side. Usually, in this state, since oxygen is insufficient, no electric current is generated from the single cell. However, as shown in the graphs of FIGS. 4A and 4B, a current can be generated from a single cell even in the absence of gas supply.

図４（Ａ）は、単セルに発生した放電電流とその電圧の関係（ＩＶ特性）を示すグラフである。このグラフでは、単セルに１．０Ｖの事前印加電圧をかけた状態を継続した時間（印加時間）ごとに線種を変えたグラフを示してある。具体的には、印加時間が０秒、１０秒、１００秒、４００秒、９００秒のときのグラフが示してある。特に、印加時間が０秒のときのグラフをグラフＧ０で示し、印加時間が９００秒のときのグラフをグラフＧ９００で示している。これらのグラフから、印加時間が増すと単セルから得られる電力も大きくなることが理解できる（図４（Ａ）の矢印Ｉ）。また、グラフＧ０は、放電の前に電圧を印加しない場合にも燃料電池からある程度の電流が放電されることを示している。従って、燃料電池からの放電量は、事前印加電圧による充電量よりも大きくなることが理解できる。   FIG. 4A is a graph showing the relationship (IV characteristics) between the discharge current generated in a single cell and its voltage. This graph shows a graph in which the line type is changed for each time (application time) in which a state in which a pre-applied voltage of 1.0 V is applied to a single cell is continued. Specifically, graphs when the application time is 0 second, 10 seconds, 100 seconds, 400 seconds, and 900 seconds are shown. In particular, a graph when the application time is 0 second is indicated by a graph G0, and a graph when the application time is 900 seconds is indicated by a graph G900. From these graphs, it can be understood that the power obtained from a single cell increases as the application time increases (arrow I in FIG. 4A). Graph G0 shows that a certain amount of current is discharged from the fuel cell even when no voltage is applied before discharging. Therefore, it can be understood that the amount of discharge from the fuel cell is larger than the amount of charge by the pre-applied voltage.

図４（Ａ）のグラフに示されている放電現象、即ち、反応ガスが供給されていない状態の燃料電池に対して外部電源によって電圧を印加した後、当該印加電圧を降下させると、燃料電池から電流（放電電流）が流れる現象は、本発明の発明者が見出したものである。この放電現象は、以下の原理によるものと推定される。燃料電池に電圧を印加すると、燃料電池の電極層に設けられた触媒層に吸着する吸着種（水や酸素など）の吸着量が増加する。これによって燃料電池は一種のコンデンサのように電極に電荷が蓄えられた状態となる。この状態で印加電圧を低下させると、電極に蓄えられた電荷に加えて、電極層の吸着種の還元反応により生じた電荷が電極間を移動し、これが放電電流となる。この放電電流によって得られる出力電力は、燃料電池に電圧を印加するのに要する電力より大きく、他の電力デバイスの作動に利用することが可能である。   The discharge phenomenon shown in the graph of FIG. 4A, that is, when a voltage is applied to the fuel cell in a state where no reaction gas is supplied by an external power source and then the applied voltage is lowered, the fuel cell The phenomenon in which a current (discharge current) flows from is found by the inventors of the present invention. This discharge phenomenon is presumed to be due to the following principle. When a voltage is applied to the fuel cell, the amount of adsorbed species (water, oxygen, etc.) adsorbed on the catalyst layer provided on the electrode layer of the fuel cell increases. As a result, the fuel cell is in a state where electric charges are stored in the electrode like a kind of capacitor. When the applied voltage is lowered in this state, in addition to the charge stored in the electrode, the charge generated by the reduction reaction of the adsorbed species in the electrode layer moves between the electrodes, and this becomes a discharge current. The output power obtained by this discharge current is larger than the power required to apply a voltage to the fuel cell and can be used for the operation of other power devices.

図４（Ｂ）は、単セルに対して１．０Ｖの電圧を印加した印加時間と、放電時の電圧が１．０Ｖから０．４Ｖまで低下する間に電極間を移動した電荷の積算量との関係を示すグラフである。このグラフが示すように、電荷の積算量は、印加時間１００秒までは急激に増加し、その後は比較的緩やかな勾配で増加していくことが解る。これら図４（Ａ）、（Ｂ）のグラフに基づいて、ステップＳ３０（図３）における電圧の印加時間を、後述するステップＳ５０において必要とする電力に応じて設定することができる。   FIG. 4 (B) shows the application time during which a voltage of 1.0 V is applied to a single cell and the integrated amount of charge that has moved between the electrodes while the voltage during discharge drops from 1.0 V to 0.4 V. It is a graph which shows the relationship. As shown in this graph, it can be seen that the accumulated amount of charges increases rapidly until the application time of 100 seconds and thereafter increases with a relatively gentle gradient. Based on the graphs of FIGS. 4A and 4B, the voltage application time in step S30 (FIG. 3) can be set according to the power required in step S50 described later.

ステップＳ４０で燃料電池１０から得た放電電流（放電電力）を利用して、インピーダンス計測部５０が燃料電池１０の膜抵抗を計測する（ステップＳ５０）。ここで、膜抵抗は一般に温度依存性が高く、燃料電池の温度が低いほど高い値を示す。また、その他、膜の湿潤状態などの諸条件によっても変化する。一方、燃料電池は、その膜抵抗の値に応じて発電効率が変化し、過負荷とならず出力可能な発電量（出力可能発電量）も変化する。そこで本実施例では、制御部６０がステップＳ５０で得られた膜抵抗値を基に燃料電池１０の出力可能発電量を算出する。なお、制御部６０は、膜抵抗値に応じた出力可能発電量のマップを予めメモリ内に格納しているものとしても良い。   The impedance measuring unit 50 measures the membrane resistance of the fuel cell 10 using the discharge current (discharge power) obtained from the fuel cell 10 in step S40 (step S50). Here, the membrane resistance generally has high temperature dependence, and shows a higher value as the temperature of the fuel cell is lower. In addition, it varies depending on other conditions such as the wet state of the film. On the other hand, the power generation efficiency of the fuel cell changes according to the value of the membrane resistance, and the amount of power that can be output without being overloaded (the amount of power that can be output) also changes. Therefore, in this embodiment, the control unit 60 calculates the output power generation amount of the fuel cell 10 based on the membrane resistance value obtained in step S50. The control unit 60 may store a map of the power generation amount that can be output according to the membrane resistance value in the memory in advance.

ステップＳ６０において制御部６０は、燃料電池システム１００の接続態様を第１接続態様（図２（Ａ））に切り換える。制御部６０は、燃料電池１０に対して反応ガスの供給を開始する指示を出し、燃料電池１０に発電を開始させる。このとき制御部６０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０によって、燃料電池１０の出力がステップＳ５０において算出した出力可能量を超えないように制御する。また、制御部６０は、燃料電池１０の出力可能量に応じて燃料電池１０用の補機（ポンプ等）の制御も行う。出力可能量が小さいときには、補機の出力も小さく制限されるので、いわゆる補機損失を低減することができる。   In step S60, the control unit 60 switches the connection mode of the fuel cell system 100 to the first connection mode (FIG. 2A). The control unit 60 instructs the fuel cell 10 to start supplying the reaction gas, and causes the fuel cell 10 to start power generation. At this time, the controller 60 controls the DC / DC converter 30 so that the output of the fuel cell 10 does not exceed the possible output amount calculated in step S50. In addition, the control unit 60 also controls auxiliary devices (pumps and the like) for the fuel cell 10 according to the output possible amount of the fuel cell 10. When the output possible amount is small, the output of the auxiliary machine is also limited to be small, so that so-called auxiliary machine loss can be reduced.

上述しように、燃料電池は膜抵抗の値に応じて発電効率が変化し、一般にその温度が低いほど発電効率は低下する。すると、低温時の燃料電池ほど過負荷がかかりやすい状況にあると言える。従って、上記のように制御することによって、過負荷によって燃料電池１０が劣化することを抑制できる。一方、外部負荷１１０の要求出力に対して不足する出力は、二次電池２０に補償させるように制御する。   As described above, the power generation efficiency of the fuel cell changes according to the value of the membrane resistance. Generally, the power generation efficiency decreases as the temperature decreases. Then, it can be said that the fuel cell at a low temperature is more likely to be overloaded. Therefore, by controlling as described above, deterioration of the fuel cell 10 due to overload can be suppressed. On the other hand, the output that is insufficient with respect to the required output of the external load 110 is controlled to be compensated by the secondary battery 20.

なお、制御部６０は、燃料電池１０が運転を継続することによってその温度が所定の温度Ｔｉより高くなったときには、出力可能発電量の制限を解除して出力制御するものとしても良い。あるいは、所定の時間経過後に燃料電池１０に出力可能発電量の制限を解除して出力制御するものとしても良い。   Note that the control unit 60 may perform output control by canceling the limit of the power generation amount that can be output when the temperature of the fuel cell 10 becomes higher than the predetermined temperature Ti by continuing the operation of the fuel cell 10. Alternatively, the output control may be performed by releasing the limit of the power generation amount that can be output to the fuel cell 10 after a predetermined time has elapsed.

このように、本実施例では、燃料電池１０のインピーダンス計測に必要な電力として燃料電池１０の放電現象による放電電流を利用することによって、燃料電池システム１００の補機損失を低減している。従って、本実施例の構成によれば、燃料電池１０の起動時における燃料電池システム１００全体の出力効率が向上する。   As described above, in this embodiment, the auxiliary device loss of the fuel cell system 100 is reduced by using the discharge current due to the discharge phenomenon of the fuel cell 10 as the power necessary for measuring the impedance of the fuel cell 10. Therefore, according to the configuration of the present embodiment, the output efficiency of the entire fuel cell system 100 when the fuel cell 10 is started is improved.

Ｂ．第２実施例：
図５は、本発明の第２実施例として、燃料電池システム１００の制御部６０が行う起動時の制御手順を示すフローチャートである。図５は、図３のステップＳ１０、Ｓ２０が省略されている点以外は図３のフローチャートと同じである。なお、本実施例の燃料電池システム１００の構成は、第１実施例で説明したものと同じである（図２、図３）。但し、温度計測部１５は省略しても良い。 B. Second embodiment:
FIG. 5 is a flowchart showing a control procedure at the time of start-up performed by the control unit 60 of the fuel cell system 100 as the second embodiment of the present invention. FIG. 5 is the same as the flowchart of FIG. 3 except that steps S10 and S20 of FIG. 3 are omitted. The configuration of the fuel cell system 100 of the present embodiment is the same as that described in the first embodiment (FIGS. 2 and 3). However, the temperature measurement unit 15 may be omitted.

本実施例では、制御部６０は、燃料電池１０の温度に関わらず、燃料電池１０の起動時に常に燃料電池１０に１．０Ｖの電圧を印加した後に放電電流を発生させ、燃料電池１０を起動する際のインピーダンス計測に利用する。即ち、このような処理手順としても、第１実施例と同様な効果を得ることができる。   In this embodiment, regardless of the temperature of the fuel cell 10, the controller 60 always applies a voltage of 1.0 V to the fuel cell 10 when starting the fuel cell 10, generates a discharge current, and starts the fuel cell 10. This is used for impedance measurement. That is, even with such a processing procedure, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.

Ｃ．第３実施例：
図６は、本発明の第３実施例として、燃料電池システム１００の制御部６０が行う起動時の制御手順を示すフローチャートである。図６は、図５からさらにステップＳ３０を省略したものである。なお、本実施例の燃料電池システム１００の構成は、第２実施例と同じである。 C. Third embodiment:
FIG. 6 is a flowchart showing a control procedure at the time of start-up performed by the control unit 60 of the fuel cell system 100 as the third embodiment of the present invention. FIG. 6 is obtained by further omitting step S30 from FIG. The configuration of the fuel cell system 100 of the present embodiment is the same as that of the second embodiment.

図４（Ａ）のグラフＧ０が示すように、単セルに事前印加電圧を印加しなくとも、単セルからある程度の放電電流が発生する。これは、電圧が印加されなくとも単セルの電極層に設けられた触媒層には常に吸着種が吸着するためであると推定される。   As shown by the graph G0 in FIG. 4A, a certain amount of discharge current is generated from the single cell without applying a pre-applied voltage to the single cell. This is presumed to be because adsorbed species are always adsorbed to the catalyst layer provided in the electrode layer of the single cell even when no voltage is applied.

第３実施例では、制御部６０は、燃料電池１０の起動時に、二次電池２０から燃料電池１０に電圧を印加することなく放電電流を発生させて、燃料電池１０を起動する際のインピーダンス計測に利用する。即ち、本実施例の構成であっても、第１実施例と同様な効果を得ることができる。ただし、燃料電池１０に事前印加電圧を印加した場合の方が、燃料電池１０から大きな放電電力を得ることができる。   In the third embodiment, the control unit 60 measures the impedance when starting the fuel cell 10 by generating a discharge current without applying a voltage from the secondary battery 20 to the fuel cell 10 when starting the fuel cell 10. To use. That is, even with the configuration of the present embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. However, a larger discharge power can be obtained from the fuel cell 10 when the pre-applied voltage is applied to the fuel cell 10.

Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。 D. Variation:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.

Ｄ１．変形例１：
上記実施例では、ステップＳ５０において燃料電池１０の放電電力を利用して燃料電池１０の膜抵抗値を計測していたが、この放電電力を他の燃料電池１０を起動する際に行われる所定の処理に利用することができる。ここで、「燃料電池を起動する際に行われる所定の処理」としては、発電を開始していない燃料電池に発電を開始させるまでの燃料電池システムが行う各種の処理を適用することができる。 D1. Modification 1:
In the above-described embodiment, the membrane resistance value of the fuel cell 10 is measured using the discharge power of the fuel cell 10 in step S50, but this discharge power is a predetermined value that is used when starting another fuel cell 10. Can be used for processing. Here, as the “predetermined processing performed when starting the fuel cell”, various types of processing performed by the fuel cell system until the fuel cell that has not started power generation starts power generation can be applied.

例えば、当該放電電流を燃料電池起動前のシステム内の補機損失の補填に利用するものとしても良い。より具体的には、反応ガスを燃料電池に供給するためのポンプを作動させるために利用するものとしても良い。インピーダンス計測部５０に替えて燃料電池１０を加熱するための加熱器が設けられた燃料電池システムにおいては、ステップＳ５０において放電電流を利用して加熱器を作動させ燃料電池１０の温度を上昇させるものとしても良い。   For example, the discharge current may be used to compensate for auxiliary machine loss in the system before starting the fuel cell. More specifically, it may be used for operating a pump for supplying the reaction gas to the fuel cell. In the fuel cell system provided with a heater for heating the fuel cell 10 instead of the impedance measuring unit 50, the heater is operated using the discharge current in step S50 to increase the temperature of the fuel cell 10. It is also good.

このように、燃料電池の放電電流を燃料電池を起動する際に行われる所定の処理に利用することにより、燃料電池の起動時における燃料電池システム全体の出力効率の低下を抑制できる。また、燃料電池１０の発電開始前における二次電池２０の負荷の低減にもつながり、二次電池２０の劣化を抑制することもできる。   In this way, by using the discharge current of the fuel cell for a predetermined process performed when starting the fuel cell, it is possible to suppress a decrease in output efficiency of the entire fuel cell system at the time of starting the fuel cell. Further, the load of the secondary battery 20 before the start of power generation of the fuel cell 10 is also reduced, and the deterioration of the secondary battery 20 can be suppressed.

なお、この放電電流は燃料電池の発電が困難になるような極低温状態（例えば−２０°Ｃ以下）においても発生させることができる。このような温度においては一般に、二次電池は電圧を印加することができても、大きな電流を発生させることが困難である。従って、このような極低温状態において本実施例の構成は、より大きな効果を得ることができる。   This discharge current can be generated even in an extremely low temperature state (for example, −20 ° C. or less) where the power generation of the fuel cell becomes difficult. At such a temperature, it is generally difficult for a secondary battery to generate a large current even if a voltage can be applied. Therefore, the configuration of the present embodiment can obtain a greater effect in such an extremely low temperature state.

Ｄ２．変形例２：
上記第１実施例においては、燃料電池１０の温度によりステップＳ３０〜Ｓ５０の処理を行うか否かの判断を行っていたが、他の判断を行うものとしても良い。例えば、外部負荷１１０から燃料電池システム１００に要求されている出力が放電電流によって得られる出力より小さい場合に、燃料電池１０に放電電流を発生させて外部負荷１１０に供給するものとしても良い。 D2. Modification 2:
In the first embodiment, the determination as to whether or not the processing of steps S30 to S50 is to be performed is made based on the temperature of the fuel cell 10, but other determinations may be made. For example, when the output requested from the external load 110 to the fuel cell system 100 is smaller than the output obtained by the discharge current, the discharge current may be generated in the fuel cell 10 and supplied to the external load 110.

燃料電池システムの電気的構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the electric constitution of a fuel cell system. 燃料電池システムの電気的接続の態様を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the aspect of the electrical connection of a fuel cell system. 第１実施例における制御部の制御手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control procedure of the control part in 1st Example. 単セルの放電電流を説明するためのグラフである。It is a graph for demonstrating the discharge current of a single cell. 第２実施例における制御部の制御手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control procedure of the control part in 2nd Example. 第３実施例における制御部の制御手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control procedure of the control part in 3rd Example.

符号の説明Explanation of symbols

１０…燃料電池
１５…温度計測部
２０…二次電池
３０…ＤＣ／ＤＣコンバータ
４０…ＤＣ／ＡＣインバータ
５０…インピーダンス計測部
５１…計測メータ
５２…電源部
６０…制御部
１００…燃料電池システム
１１０…外部負荷
ＤＣＬ…直流電源ライン
Ｇ０、Ｇ９００…グラフ
Ｉ…矢印
ＳＷ１〜ＳＷ３…スイッチ DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell 15 ... Temperature measurement part 20 ... Secondary battery 30 ... DC / DC converter 40 ... DC / AC inverter 50 ... Impedance measurement part 51 ... Measurement meter 52 ... Power supply part 60 ... Control part 100 ... Fuel cell system 110 ... External load DCL ... DC power supply line G0, G900 ... Graph I ... Arrow SW1-SW3 ... Switch

Claims (5)

燃料電池の起動時に行う燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）燃料ガス及び酸化ガスを供給することなく前記燃料電池を放電させる工程と、
（ｂ）前記放電による放電電流を前記燃料電池の起動の際に行われる所定の処理に用いる工程と、を備える、制御方法。 A method for controlling a fuel cell system that is performed when a fuel cell is started,
(A) discharging the fuel cell without supplying fuel gas and oxidizing gas;
(B) a step of using a discharge current generated by the discharge for a predetermined process performed at the time of starting the fuel cell. 請求項１記載の制御方法であって、
前記工程（ａ）は、
外部電源によって前記燃料電池に電圧を印加する工程と、前記電圧印加の後に、前記燃料電池を放電させる工程と、を含む制御方法。 The control method according to claim 1, comprising:
The step (a)
A control method, comprising: applying a voltage to the fuel cell by an external power source; and discharging the fuel cell after the voltage application. 請求項２に記載の制御方法であって、
前記電圧は、０．９〜１．１Ｖである、制御方法。 A control method according to claim 2, comprising:
The control method, wherein the voltage is 0.9 to 1.1V. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の制御方法であって、
前記燃料電池の温度を測定するとともに、前記温度が所定の温度より低い場合に、前記工程（ａ）及び前記工程（ｂ）を行う、制御方法。 A control method according to any one of claims 1 to 3,
A control method of measuring the temperature of the fuel cell and performing the step (a) and the step (b) when the temperature is lower than a predetermined temperature. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の制御方法であって、
前記所定の処理は、前記燃料電池のインピーダンスを計測する処理を含む、制御方法。 A control method according to any one of claims 1 to 4,
The predetermined process includes a process of measuring an impedance of the fuel cell.
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