JP2009026529A - Fuel cell device, and control method of fuel cell device - Google Patents

Fuel cell device, and control method of fuel cell device Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell device and a control method thereof, which can start a fuel cell device while avoiding an abnormal drop of a voltage of the stack at low temperature. <P>SOLUTION: The fuel cell device 100 is provided with a temperature sensor 12 for detecting the temperature of a fuel cell stack 10 and an output controller 30 for controlling power outputted by the stack. The output controller 30 carries out a voltage control to maintain the voltage outputted by the stack 10 to a target voltage when the temperature detected by the temperature sensor 12 is lower than a threshold, and carries out a current control to maintain the current outputted by the stack 10 to a target current when the detected temperature is higher than the threshold. The stack 10 is maintained to a target voltage when the temperature is low. While carrying out voltage control, the temperature of the stack 10 is increased by its own heat generation. The fuel cell device 100 can be started while avoiding an abnormal drop of the voltage of the stack, even when the temperature of the stack 10 is low. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、低温時にスタックの電圧の異常低下を回避しながら起動することのできる燃料電池装置とその制御方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell device that can be activated while avoiding an abnormal drop in stack voltage at low temperatures, and a control method therefor.

燃料電池装置は、少なくともひとつの燃料電池セルを有する燃料電池スタックを備えている。燃料電池スタックが複数の燃料電池セルを有する場合には、燃料電池スタック内の複数の燃料電池セルは電気的に直列に接続されており、燃料電池スタック全体でひとつの電池単位を構成する。本明細書では、「燃料電池セル」と「燃料電池スタック」を同義のものとして扱う。また本明細書では、「燃料電池スタック」を単に「スタック」と称する場合がある。
スタック(即ち燃料電池セル)は、燃料(典型的には水素であるが、一酸化炭素など、水素以外の物質が燃料となる場合もある)と酸素を反応させて電流を出力する。供給する燃料の量(特に水素の量)を変化させるとスタックが出力する電流が変化する。従って、燃料電池装置を使用する場合(典型的には燃料電池装置を電源として使用する場合)には、スタックは電流制御されることが多い。本明細書にいう「電流制御」とは、スタックが出力する電流を目標電流に一致させる制御をいう。「電流制御」を実行している間、スタックの電圧はスタックの状態に応じて変化する。通常は、電流レギュレータによってスタックから燃料の量に応じた一定の電流で電力を引き出し、複数のスタックから引き出した電力をインバータ回路などで定電圧に変換して燃料電池装置から出力する。
The fuel cell device includes a fuel cell stack having at least one fuel cell. When the fuel cell stack has a plurality of fuel cells, the plurality of fuel cells in the fuel cell stack are electrically connected in series, and the entire fuel cell stack constitutes one battery unit. In the present specification, “fuel cell” and “fuel cell stack” are treated as synonymous. In the present specification, the “fuel cell stack” may be simply referred to as “stack”.
The stack (that is, the fuel cell) outputs a current by causing oxygen to react with fuel (typically hydrogen, but a substance other than hydrogen, such as carbon monoxide, may be used as fuel). When the amount of fuel to be supplied (especially the amount of hydrogen) is changed, the current output from the stack changes. Therefore, when a fuel cell device is used (typically when the fuel cell device is used as a power source), the stack is often current-controlled. The “current control” in the present specification refers to control for matching the current output from the stack with the target current. While performing “current control”, the voltage of the stack varies depending on the state of the stack. Usually, power is drawn from the stack with a constant current corresponding to the amount of fuel by a current regulator, and the power drawn from the plurality of stacks is converted to a constant voltage by an inverter circuit or the like and output from the fuel cell device.

所定量の燃料を供給している状態でスタックから引き出す電流値を徐々に上げていくと、ある電流値を超えたところで燃料の量に対して反応ができずに電圧が急激に低下する。従って、スタックを電流制御するときの目標電流が大きすぎるとスタックの電圧が異常に低下した状態となる。そのような状態で燃料電池装置を使用し続けるとスタックが劣化することが知られている。
特許文献1には、スタックの電圧の異常な低下を回避するための技術が開示されている。特許文献1に開示された技術は、スタックの電圧を監視し、その電圧が所定の電圧まで低下したら電流制御の目標電流を下げるものである。
When the current value drawn from the stack is gradually increased in a state where a predetermined amount of fuel is being supplied, the voltage drops rapidly without being able to react to the amount of fuel when a certain current value is exceeded. Therefore, if the target current for controlling the current of the stack is too large, the voltage of the stack is abnormally lowered. It is known that the stack deteriorates when the fuel cell device is continuously used in such a state.
Patent Document 1 discloses a technique for avoiding an abnormal drop in stack voltage. The technique disclosed in Patent Document 1 monitors a stack voltage, and lowers a target current for current control when the voltage drops to a predetermined voltage.

特開平11−144749号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-144749

スタックが出力する電流と電圧の関係はI−V特性(電流−電圧特性)と呼ばれる。I−V特性は温度依存性が高いことが知られている。スタックの温度が低いほど、電圧が急激に低下するときの電流値が低くなる。従って、一定の目標電流で電流制御を行っている場合、スタックの温度が低いと上述した電圧の異常低下が生じやすくなる。
また、スタックの温度が低い状態で燃料電池装置を起動する場合、スタックの温度が低温から所定の温度(定常動作に適する温度範囲の下限温度)まで上昇する間にスタックのI−V特性が急激に変化する。スタックは自己の反応熱によってその温度が急激に変化するため、スタック内の温度にばらつきが生じ、同じ大きさの電流を引き出す場合でも電圧のばらつきが大きくなる。従って、スタックの温度が低い状態で燃料電池装置を起動する場合には、電圧の異常低下を回避する目標電流の設定は困難である。低温環境下では、自己の反応熱は利用できず、ヒータ等でスタックを所定の温度(定常動作に適する温度範囲の下限温度)まで昇温してから燃料電池装置を起動する必要があった。なお、定常動作に適した温度範囲の下限温度を「動作下限温度」と称する。
低温時にスタックの電圧の異常低下を回避しながら起動することができる燃料電池装置が必要とされている。
The relationship between the current and voltage output by the stack is called the IV characteristic (current-voltage characteristic). It is known that the IV characteristic is highly temperature dependent. The lower the stack temperature, the lower the current value when the voltage drops rapidly. Therefore, when current control is performed with a constant target current, the above-described abnormal voltage drop tends to occur when the stack temperature is low.
In addition, when the fuel cell device is started in a state where the stack temperature is low, the IV characteristic of the stack rapidly increases while the stack temperature rises from a low temperature to a predetermined temperature (the lower limit temperature of the temperature range suitable for steady operation). To change. Since the temperature of the stack changes abruptly due to its own reaction heat, the temperature in the stack varies, and even when a current of the same magnitude is drawn, the voltage varies greatly. Therefore, when starting the fuel cell device in a state where the temperature of the stack is low, it is difficult to set a target current that avoids an abnormal drop in voltage. In a low temperature environment, the reaction heat of the self cannot be used, and it has been necessary to start the fuel cell device after raising the stack to a predetermined temperature (lower limit temperature range suitable for steady operation) with a heater or the like. The lower limit temperature in the temperature range suitable for steady operation is referred to as “operation lower limit temperature”.
There is a need for a fuel cell device that can be activated while avoiding an abnormal drop in stack voltage at low temperatures.

前述したように、燃料電池装置を定常動作する場合にはスタックは電流制御される。しかし本発明は、スタックの温度が動作下限温度に上昇するまではスタックをあえて電圧制御する。本明細書にいう電圧制御とは、スタックの電圧を目標電圧に一致させる制御をいう。「電圧制御」を実行している間は、スタックから出力される電流はスタックの温度や燃料の量に応じて変化する。そうすることで、スタックの温度が低いときに電圧が異常に低下してしまう現象を回避することができる。他方、スタックの温度が低温であってもスタックを動作させることで、スタックは自己の反応熱により昇温する。低温時にスタックの電圧の異常低下を回避しながら起動できる燃料電池装置を実現できる。   As described above, when the fuel cell device operates in a steady state, the stack is current-controlled. However, the present invention dares to control the voltage of the stack until the temperature of the stack rises to the operation lower limit temperature. The voltage control referred to in this specification refers to control for matching the stack voltage with a target voltage. While “voltage control” is being executed, the current output from the stack varies depending on the stack temperature and the amount of fuel. By doing so, it is possible to avoid the phenomenon that the voltage drops abnormally when the temperature of the stack is low. On the other hand, even when the stack temperature is low, the stack is heated by its own reaction heat by operating the stack. A fuel cell device that can be started up while avoiding an abnormal drop in stack voltage at low temperatures can be realized.

本発明は、燃料電池装置に具現化できる。この燃料電池装置は、少なくともひとつの燃料電池セルを有するスタックと、スタックの温度を検出する温度センサと、スタックが出力する電力を制御する出力制御器を備える。出力制御器は、温度センサが検出した温度が閾値より低い場合にスタックが出力する電圧を目標電圧に維持する電圧制御を実行し、検出した温度が閾値より高い場合にスタックが出力する電流を目標電流に維持する電流制御を実行する。なお、「閾値」は、前述した動作下限温度に相当する。「目標電圧」は、スタックの特性から予め定められる値であり、スタックの劣化が急激に進行しないレベル以上の値に設定される。「目標電流」は、スタックのI−V特性から定められる値であり、スタックの電圧が少なくともゼロにならない値に設定される。「閾値」、「目標電流」、及び「目標電圧」は、予め設定されており、出力制御器に記憶されている。
出力制御器は、電流制御と電圧制御を切替え可能なひとつの装置であってよい。或いは、出力制御器は、電流制御器と電圧制御器と、スタックに対して2つの制御器を切替えて動作させる切換器を含むシステムであってもよい。電流制御を実行する回路、及び電圧制御を実行する回路は、典型的には夫々電流レギュレータと電圧レギュレータでよい。
The present invention can be embodied in a fuel cell device. This fuel cell device includes a stack having at least one fuel cell, a temperature sensor that detects the temperature of the stack, and an output controller that controls the power output by the stack. The output controller performs voltage control that maintains the voltage output by the stack at the target voltage when the temperature detected by the temperature sensor is lower than the threshold, and targets the current output by the stack when the detected temperature is higher than the threshold. Execute current control to maintain current. The “threshold value” corresponds to the above-described operating lower limit temperature. The “target voltage” is a value determined in advance from the characteristics of the stack, and is set to a value equal to or higher than a level at which the deterioration of the stack does not proceed rapidly. The “target current” is a value determined from the IV characteristics of the stack, and is set to a value at which the stack voltage is not at least zero. The “threshold value”, “target current”, and “target voltage” are set in advance and stored in the output controller.
The output controller may be one device capable of switching between current control and voltage control. Alternatively, the output controller may be a system including a current controller, a voltage controller, and a switching device that switches and operates two controllers with respect to the stack. The circuit that performs current control and the circuit that performs voltage control may typically be a current regulator and a voltage regulator, respectively.

この燃料電池装置は、固体酸化物型や高分子電解質型など様々なタイプの燃料電池装置であってよい。本明細書における「低温」とは、燃料電池装置の動作下限温度と比較して温度が低いという意味である。従って本発明は、特に固体酸化物型や溶融炭酸塩型などの動作下限温度の高い燃料電池装置(いわゆる高温作動型燃料電池装置)に適する。   The fuel cell device may be various types of fuel cell devices such as a solid oxide type and a polymer electrolyte type. The term “low temperature” in the present specification means that the temperature is lower than the lower limit operating temperature of the fuel cell device. Therefore, the present invention is particularly suitable for a fuel cell device (so-called high temperature operation type fuel cell device) having a high operating minimum temperature such as a solid oxide type or a molten carbonate type.

上記の燃料電池装置によれば、スタックの温度が閾値より低い場合には、スタックの電圧を目標電圧に維持する電圧制御が行われる。電圧制御でスタックを動作させるため、スタックは自己の発熱により昇温する。スタックは自己の発熱によりその内部から加熱されるので、自己の発熱をスタックの温度上昇に利用でき、また、スタックの温度をヒータ等で外部から加熱するよりも素早く上昇させることができる。スタックの温度が低い場合に、スタックの電圧が異常に低下してしまうことを回避しながらスタックの温度を素早く上げることができる。
スタックの温度が閾値より高い場合には、スタックが出力する電流を目標電流に維持する電流制御に切り換える。燃料電池装置を通常に使用できる状態(典型的には電源として使用できる状態)にすることができる。
According to the fuel cell device described above, when the stack temperature is lower than the threshold value, voltage control is performed to maintain the stack voltage at the target voltage. Since the stack is operated by voltage control, the stack is heated by its own heat generation. Since the stack is heated from the inside by its own heat generation, the heat generation of the stack can be used for raising the temperature of the stack, and the temperature of the stack can be raised more quickly than by heating from the outside with a heater or the like. When the temperature of the stack is low, the stack temperature can be quickly raised while avoiding the abnormal drop in the stack voltage.
When the temperature of the stack is higher than the threshold value, the control is switched to the current control that maintains the current output from the stack at the target current. The fuel cell device can be brought into a state where it can be normally used (typically, a state where it can be used as a power source).

上記の燃料電池装置の出力制御器は、電圧制御を実行している間(即ち、スタックの温度が閾値より低い場合)、燃料電池スタックの温度上昇にともなって目標電圧を増加させることが好ましい。
燃料電池スタックのI−V特性は、同じ大きさの電流を出力する場合は温度が高いほど電圧が高くなる特性を有している。従って、燃料電池スタックを電圧制御する場合、スタックの温度上昇にともなって電圧制御の目標電圧を増加させることによって、スタックが出力する電流を所定範囲内にすることができる。即ち、スタックは実際には電圧制御されているものの、温度上昇にともなって目標電圧を増加させることで擬似的な電流制御を実現できる。さらに、目標電圧を増加させるとスタックが出力する電流が増加する。電流の増加はスタック内の化学反応を促進するため、スタックの温度が早く上昇する。
The output controller of the fuel cell device preferably increases the target voltage as the temperature of the fuel cell stack increases while the voltage control is being performed (that is, when the temperature of the stack is lower than the threshold value).
The IV characteristic of the fuel cell stack has a characteristic that when the current of the same magnitude is output, the voltage increases as the temperature increases. Therefore, when voltage-controlling the fuel cell stack, the current output from the stack can be within a predetermined range by increasing the target voltage for voltage control as the stack temperature rises. That is, although the stack is actually voltage controlled, pseudo current control can be realized by increasing the target voltage as the temperature rises. Furthermore, when the target voltage is increased, the current output from the stack increases. The increase in current promotes chemical reactions in the stack, so the temperature of the stack rises quickly.

燃料電池装置は複数のスタックを備えている場合がある。そのような燃料電池装置の場合には、夫々のスタックに温度センサを備え、出力制御器は、夫々のスタックに対して電圧制御と電流制御を独立に実行可能であり、全てのスタックの温度が閾値より大きくなるまでは、温度が閾値を超えたスタックの目標電流をゼロに維持することが好ましい。
燃料電池装置が複数のスタックを備える場合には、夫々のスタックで温度がばらつく場合がある。全てのスタックの温度が閾値より大きくなるまでは温度が早く閾値を超えてしまったスタックの目標電流をゼロに維持する。全てのスタックを同じ状態(目標電流ゼロの電流制御状態)にしてから通常の使用(電源としての燃料電池装置の使用)を開始できる。
The fuel cell device may include a plurality of stacks. In the case of such a fuel cell device, each stack is provided with a temperature sensor, and the output controller can independently execute voltage control and current control for each stack, and the temperature of all the stacks can be controlled. Until the threshold is exceeded, it is preferable to maintain the target current of the stack whose temperature exceeds the threshold at zero.
When the fuel cell device includes a plurality of stacks, the temperature may vary among the stacks. Until the temperature of all the stacks becomes higher than the threshold value, the target current of the stack whose temperature has quickly exceeded the threshold value is maintained at zero. After all the stacks are in the same state (current control state with a target current of zero), normal use (use of the fuel cell device as a power source) can be started.

本発明は、燃料電池装置の制御方法に具現化することもできる。この方法は、少なくともひとつの燃料電池セルを有するスタックの温度が閾値より低い場合は該スタックが出力する電圧を目標電圧に維持する電圧制御を行い、該スタックの温度が閾値より高い場合は該スタックが出力する電流を目標電流に維持する電流制御を行う制御方法である。より単純には、この方法は、少なくともひとつの燃料電池セルを有するスタックの温度が閾値より低い場合は該スタックを電圧制御し、該スタックの温度が閾値より高い場合は該スタックを電流制御する制御方法と表現することができる。
この制御方法によっても、低温時にスタックの電圧の異常低下を回避しながら燃料電池装置を起動することができる。
なお、上記の燃料電池装置或いはその制御方法において、スタックの温度が閾値に等しい場合には、スタックを電流制御と電圧制御のいずれか一方で制御すればよい。
The present invention can also be embodied in a control method for a fuel cell device. This method performs voltage control to maintain a voltage output from the stack at a target voltage when the temperature of the stack having at least one fuel cell is lower than a threshold, and when the temperature of the stack is higher than the threshold, the stack Is a control method for performing current control for maintaining the current output from the target current. More simply, this method controls the voltage of the stack when the temperature of the stack having at least one fuel cell is lower than a threshold, and controls the current of the stack when the temperature of the stack is higher than the threshold. It can be expressed as a method.
This control method can also start the fuel cell device while avoiding an abnormal drop in the stack voltage at low temperatures.
In the fuel cell device or the control method thereof, when the stack temperature is equal to the threshold value, the stack may be controlled by either current control or voltage control.

本発明によれば、スタックの温度が低いときにスタックの電圧の異常低下を回避しながら起動することができる燃料電池装置、及びその制御方法を提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, when the temperature of a stack is low, the fuel cell apparatus which can be started while avoiding the abnormal fall of the voltage of a stack, and its control method can be provided.

実施例の主要な特徴を列記する。
(第1の特徴)出力制御器は、スタックの電圧を目標電圧に維持する電圧制御を行っている場合に、燃料電池スタックの温度上昇にともなって目標電圧を段階的に増加させる。
The main features of the examples are listed.
(First Feature) The output controller increases the target voltage stepwise as the temperature of the fuel cell stack increases when voltage control is performed to maintain the stack voltage at the target voltage.

(第1実施例)本発明の第1実施例に係る燃料電池装置について、図面を参照して説明する。
図1に、本実施例の燃料電池装置100のブロック図を示す。なお、図1は、本発明を説明するために必要な部品のみを示しており、一般的な燃料電池装置が備える部品(改質器等)については図示を省略している。
(First Embodiment) A fuel cell apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a block diagram of a fuel cell device 100 of the present embodiment. FIG. 1 shows only parts necessary for explaining the present invention, and illustration of parts (reformer and the like) included in a general fuel cell device is omitted.

本実施例の燃料電池装置100は、複数のスタック10a、10bと、電圧・電流制御器14a、14bと、統括制御器20と、電力制御器16を備える。電圧・電流制御器14a、14bと統括制御器20を合わせて出力制御器20と称する場合がある。
夫々のスタック10a、10bには、複数の燃料電池セル(不図示)が積層されて収容されている。夫々のスタック内において複数の燃料電池セルは直列に連結されている。従って、ひとつのスタックは一対の電極を備える。
スタック10aは、電圧・電流制御器14aに接続されている。スタック10bは、電圧・電流制御器14bに接続されている。電圧・電流制御器14aと14bは、電力制御器16に接続されている。電圧・電流制御器14aは内部にトランス(不図示)を有しおり、スタック10aが出力する電力をそのトランスを介して電力制御器16へ出力する。電圧・電流制御器14bも同様に内部にトランス(不図示)を有しおり、スタック10bが出力する電力をそのトランスを介して電力制御器16へ出力する。電力制御器16は、スタック10a、10bが出力する電力を合計し、合計した電力を所定の電圧に保持して燃料電池装置100の出力端40へ交流出力する。燃料電池装置100は、出力端40を介して所定の電圧の電力を外部に供給することができる。なお、燃料電池装置100に対して所定の大きさの電流の供給が要求される場合には、電力制御器16は要求される大きさの電流を外部に供給する回路を有していてもよい。
The fuel cell device 100 according to this embodiment includes a plurality of stacks 10 a and 10 b, voltage / current controllers 14 a and 14 b, a general controller 20, and a power controller 16. The voltage / current controllers 14a and 14b and the overall controller 20 may be collectively referred to as an output controller 20.
A plurality of fuel cells (not shown) are stacked and accommodated in each of the stacks 10a and 10b. In each stack, the plurality of fuel cells are connected in series. Therefore, one stack includes a pair of electrodes.
The stack 10a is connected to a voltage / current controller 14a. The stack 10b is connected to the voltage / current controller 14b. The voltage / current controllers 14 a and 14 b are connected to the power controller 16. The voltage / current controller 14a has a transformer (not shown) inside, and outputs the power output from the stack 10a to the power controller 16 through the transformer. Similarly, the voltage / current controller 14b has a transformer (not shown), and outputs the power output from the stack 10b to the power controller 16 through the transformer. The power controller 16 sums the power output from the stacks 10 a and 10 b, holds the summed power at a predetermined voltage, and outputs it to the output terminal 40 of the fuel cell device 100. The fuel cell device 100 can supply power of a predetermined voltage to the outside via the output terminal 40. When the fuel cell device 100 is required to supply a predetermined amount of current, the power controller 16 may include a circuit that supplies the required amount of current to the outside. .

電圧・電流制御器14aは、スタック10aの電圧を目標電圧に維持する電圧制御機能と、スタック10aから出力される電流を目標電流に維持する電流制御機能を選択的に実行可能な装置である。なお、以下では「電圧制御機能」を単に「電圧制御」と称し、「電流制御機能」を単に「電流制御」と称する。
電圧・電流制御器14aは、電圧制御を実行するときにはいわゆる電圧レギュレータとして機能し、電流制御を実行するときにはいわゆる電流レギュレータとして機能する。電圧・電流制御器14aがいずれの制御を実行するかは、統括制御器20からの指令で決定される。また、電圧・電流制御器14aの制御目標値(電圧制御のときは目標電圧であり電流制御のときは目標電流である)も統括制御器20から指令される。電圧・電流制御器14aは、具体的には、電圧を目標電圧に維持する制御と電流を目標電流に維持する制御を選択的に実行可能なDC/DCコンバータであってよい。
電圧・電流制御器14bは、スタック10bの電圧を目標電圧に維持する電圧制御と、スタック10bから出力される電流を目標電流に維持する電流制御を選択的に実行可能な装置である。電圧・電流制御器14bの機能は電圧・電流制御器14aの機能と同じであるので説明を省略する。
後述するように、電圧・電流制御器14a、14bと統括制御器20が連携して出力制御器30として機能し、スタック10a、10bの出力は、出力制御器30によって制御される。目標電圧と目標電流は統括制御器20に予め記憶されている。
The voltage / current controller 14a is a device capable of selectively executing a voltage control function for maintaining the voltage of the stack 10a at a target voltage and a current control function for maintaining a current output from the stack 10a at a target current. Hereinafter, the “voltage control function” is simply referred to as “voltage control”, and the “current control function” is simply referred to as “current control”.
The voltage / current controller 14a functions as a so-called voltage regulator when executing voltage control, and functions as a so-called current regulator when executing current control. Which control the voltage / current controller 14 a executes is determined by a command from the overall controller 20. Also, the control target value of the voltage / current controller 14a (the target voltage for the voltage control and the target current for the current control) is also commanded from the overall controller 20. Specifically, the voltage / current controller 14a may be a DC / DC converter capable of selectively executing control for maintaining the voltage at the target voltage and control for maintaining the current at the target current.
The voltage / current controller 14b is a device that can selectively execute voltage control for maintaining the voltage of the stack 10b at the target voltage and current control for maintaining the current output from the stack 10b at the target current. Since the function of the voltage / current controller 14b is the same as that of the voltage / current controller 14a, the description thereof is omitted.
As will be described later, the voltage / current controllers 14 a and 14 b and the overall controller 20 work together as an output controller 30, and the outputs of the stacks 10 a and 10 b are controlled by the output controller 30. The target voltage and the target current are stored in advance in the overall controller 20.

電圧・電流制御器14aは、スタック10aの出力電圧を検出する電圧センサ18aを備えている。電圧・電流制御器14aは、スタック10aの出力電流を検出する電流センサ19aを備えている。
電圧・電流制御器14bは、スタック10bの出力電圧を検出する電圧センサ18bを備えている。電圧・電流制御器14bは、スタック10bの出力電流を検出する電流センサ19bを備えている。
The voltage / current controller 14a includes a voltage sensor 18a that detects the output voltage of the stack 10a. The voltage / current controller 14a includes a current sensor 19a that detects an output current of the stack 10a.
The voltage / current controller 14b includes a voltage sensor 18b that detects an output voltage of the stack 10b. The voltage / current controller 14b includes a current sensor 19b that detects an output current of the stack 10b.

スタック10a、10bには、夫々温度センサ12a、12bが設置されている。温度センサ12a、12bは、夫々スタック10a、10bの温度を検出する。   Temperature sensors 12a and 12b are installed in the stacks 10a and 10b, respectively. The temperature sensors 12a and 12b detect the temperatures of the stacks 10a and 10b, respectively.

温度センサ12a、12b、電圧・電流制御器14a、14b、は、信号線50を介して統括制御器20に電気的に接続されている。統括制御器20には夫々のセンサ(電圧センサ18a、18b、電流センサ19a、19b、及び温度センサ12a、12b、)の検出結果が入力される。統括制御器20は、入力された検出結果に基づいて、電圧・電流制御器14a、14bに対して電流制御又は電圧制御のいずれか実行させる指令と、制御の目標値(電流制御の場合は目標電流であり、電圧制御の場合は目標電圧)を指令する。
電圧・電流制御器14aは、電圧センサ18aが検出した電圧に基づいて、スタック10aの電圧を目標電圧に維持する電圧制御を実行することができる。また、電圧・電流制御器14aは、電流センサ19aが検出した電流に基づいて、スタック10aの出力電流を目標電流に維持する電流制御を実行することができる。
同様に電圧・電流制御器14bは、スタック10bの電圧を目標電圧に維持する電圧制御とスタック10bの出力電流を目標電流に維持する電流制御を行うことができる。
The temperature sensors 12 a and 12 b and the voltage / current controllers 14 a and 14 b are electrically connected to the overall controller 20 via the signal line 50. The overall controller 20 receives detection results of the respective sensors (voltage sensors 18a and 18b, current sensors 19a and 19b, and temperature sensors 12a and 12b). Based on the input detection result, the overall controller 20 instructs the voltage / current controllers 14a and 14b to execute either current control or voltage control, and a target value for control (target in the case of current control). Current, and in the case of voltage control, command the target voltage).
The voltage / current controller 14a can execute voltage control for maintaining the voltage of the stack 10a at the target voltage based on the voltage detected by the voltage sensor 18a. Further, the voltage / current controller 14a can execute current control for maintaining the output current of the stack 10a at the target current based on the current detected by the current sensor 19a.
Similarly, the voltage / current controller 14b can perform voltage control for maintaining the voltage of the stack 10b at the target voltage and current control for maintaining the output current of the stack 10b at the target current.

次に、燃料電池装置100の動作の概要について説明する。なお以下では、スタック10a、10bを総称する場合には「スタック10」と称し、電圧・電流制御器14a、14bを総称する場合には「電圧・電流制御器14」と称する。
スタック10に燃料(水素と酸素)を供給すると、化学反応により電流が発生する。この化学反応を安定して行わせるためには、スタック10を適切な温度範囲に維持する必要がある。適切な温度範囲の下限値を動作下限温度と称する。燃料電池装置100は、夫々のスタック10a、10bを動作下限温度以上に昇温してから定常動作(即ち、一定の電力を外部に供給する動作)を開始する。
なお、スタック10が過熱しないように燃料電池装置100にはスタック10を冷却するクーラ(不図示)も備えられている。
Next, an outline of the operation of the fuel cell device 100 will be described. Hereinafter, the stacks 10a and 10b are collectively referred to as “stack 10”, and the voltage / current controllers 14a and 14b are collectively referred to as “voltage / current controller 14”.
When fuel (hydrogen and oxygen) is supplied to the stack 10, a current is generated by a chemical reaction. In order to perform this chemical reaction stably, it is necessary to maintain the stack 10 in an appropriate temperature range. The lower limit of the appropriate temperature range is referred to as the operating lower limit temperature. The fuel cell device 100 starts a steady operation (that is, an operation of supplying constant electric power to the outside) after raising the temperature of each of the stacks 10a and 10b to the operation lower limit temperature or higher.
The fuel cell device 100 is also provided with a cooler (not shown) that cools the stack 10 so that the stack 10 does not overheat.

上述したように、燃料電池装置100は、スタック10の温度が動作下限温度以上に上昇してから通常の動作を行う。ここでいう通常の動作とは、外部の装置から要求される電力を外部へ出力する動作をいう。従って燃料電池装置100の起動時は、スタック10を動作下限温度以上に昇温する必要がある。燃料電池装置100は、スタック10を動作下限温度以上に昇温してから燃料を供給するのではなく、動作下限温度まで昇温する間にも燃料を供給して電気を生成する化学反応を起こさせる。スタック10は化学反応の発熱によってその内部から加熱されるため、ヒータ等によって外部から加熱するよりも素早く昇温する。
スタック10の温度が動作下限温度以下の場合には、スタック10の出力(化学反応によって生じる電力)を適切に制御する(スタック10の電圧が異常に低下しないように制御する)必要がある。燃料電池装置100の起動時において、スタック10の温度が動作下限温度以上となるまでのスタック10の出力の制御を起動制御と称する。
As described above, the fuel cell device 100 performs a normal operation after the temperature of the stack 10 rises to the operation lower limit temperature or higher. Here, the normal operation refers to an operation of outputting power required from an external device to the outside. Therefore, when the fuel cell device 100 is started, it is necessary to raise the temperature of the stack 10 to the operation lower limit temperature or higher. The fuel cell device 100 does not supply the fuel after the stack 10 has been heated to the operation lower limit temperature or higher, but causes a chemical reaction to generate electricity by supplying fuel even during the temperature increase to the operation lower limit temperature. Let Since the stack 10 is heated from the inside due to the heat generated by the chemical reaction, the temperature rises faster than the outside is heated by a heater or the like.
When the temperature of the stack 10 is equal to or lower than the operation lower limit temperature, it is necessary to appropriately control the output of the stack 10 (power generated by a chemical reaction) (control so that the voltage of the stack 10 does not drop abnormally). When the fuel cell device 100 is activated, control of the output of the stack 10 until the temperature of the stack 10 becomes equal to or higher than the operation lower limit temperature is referred to as activation control.

次に、燃料電池装置100の起動制御について説明する。図2は、統括制御器20が実行する起動制御のフローチャート図である。なお、燃料電池装置100が起動されると、スタック10への燃料供給が開始される。図2は、スタック10の電力の制御についてのフローチャート図であるため、燃料を供給する処理については図示していない。
電圧・電流制御器14a、14bは、統括制御器20によって、同じ制御状態(スタック10a、10bが出力する電流を目標電流に維持する電流制御の状態、又は、スタック10a、10bの夫々の電圧を目標電圧に維持する電圧制御の状態)に制御される。
以下の説明に表れる第1温度T0、第2温度T1、動作下限温度Tokの大小関係は、T0<T1<Tokである。以下の説明に表れる第1電圧V1、第2電圧V2、最大電圧Vmaxの大小関係は、V1<V2<Vmaxである。
Next, activation control of the fuel cell device 100 will be described. FIG. 2 is a flowchart of start control executed by the overall controller 20. When the fuel cell device 100 is activated, fuel supply to the stack 10 is started. FIG. 2 is a flowchart for controlling the electric power of the stack 10, and therefore, the process of supplying fuel is not shown.
The voltage / current controllers 14a and 14b are controlled by the general controller 20 in the same control state (current control state in which the current output from the stacks 10a and 10b is maintained at the target current, or the respective voltages of the stacks 10a and 10b. The voltage control state is maintained at the target voltage.
The magnitude relationship among the first temperature T0, the second temperature T1, and the operation lower limit temperature Tok that appears in the following description is T0 <T1 <Tok. The magnitude relationship among the first voltage V1, the second voltage V2, and the maximum voltage Vmax that appears in the following description is V1 <V2 <Vmax.

燃料電池装置100が起動されると、統括制御器20はまず、夫々の電圧・電流制御器14に対して電圧制御を動作させる指令を出力する(ステップS100)。このとき、スタック10の目標電圧Vsetは、最大電圧Vmaxに設定される。最大電圧Vmaxは、スタック10が発生できる最大の電圧値である。燃料電池装置100の起動時にまず目標電圧Vsetを最大電圧Vmaxに設定する理由は後述する。
なお、燃料電池装置100の起動前は、当然に電圧・電流制御器14は停止状態であるので、ステップS100の処理が実行される時点では電圧制御と電流制御はともに停止している。にもかかわらず図2のステップS100には「電流制御 OFF」と示してある。これは、統括制御器20が電圧・電流制御器14に対して電圧制御と電流制御のいずれかを選択的に実行させることを明示するためである。
When the fuel cell device 100 is activated, the overall controller 20 first outputs a command for operating the voltage control to each voltage / current controller 14 (step S100). At this time, the target voltage Vset of the stack 10 is set to the maximum voltage Vmax. The maximum voltage Vmax is the maximum voltage value that can be generated by the stack 10. The reason for setting the target voltage Vset to the maximum voltage Vmax at the start of the fuel cell device 100 will be described later.
Since the voltage / current controller 14 is naturally in a stopped state before the fuel cell device 100 is started, both the voltage control and the current control are stopped when the process of step S100 is executed. Nevertheless, “current control OFF” is shown in step S100 of FIG. This is to clearly indicate that the overall controller 20 selectively causes the voltage / current controller 14 to execute either voltage control or current control.

スタック10の温度は、化学反応の熱によって上昇する。統括制御器20は、スタック10の温度が第1温度T0を超えるまで、目標電圧VsetをVmaxに設定した状態で電圧・電流制御器14に電圧制御を維持させる(ステップS102:NO)。なお、図2における記号Tx_minは、スタック10aの温度とスタック10bの温度の低い方の温度を意味する。従って図2のステップS102は、スタック10aの温度とスタック10bの温度がともに第1温度T0を超える場合にステップS104に移行することを意味している。
スタック10a、10bの温度がともに第1温度T0を超える場合(ステップS102:YES)、統括制御器20は、スタック10a、10bの温度がともに動作下限温度Tokを超えているか否かを判断する(ステップS104)。ここで、スタック10a、10bの温度がともに動作下限温度Tokを超えている場合とは、スタック10a、10bがともに定常動作が可能な温度に達していることを意味する。この場合(ステップS104:YES)には、起動制御を終了することができるのでステップS114へ処理を移行する。ステップS114の処理については後述する。
ステップS104がNOの場合、即ち、スタック10a、10bの少なくとも一方の温度が動作下限温度Tokに達していない場合には、電圧・電流制御器14における電圧制御の目標電圧Vsetを第1電圧V1に変更する(ステップS106)。なお、ステップS102の処理とステップS104の処理を合わせて数式で表現すると、T0<T_min<Tokの場合にステップS106を実行すると表現できる。
The temperature of the stack 10 increases due to the heat of chemical reaction. The overall controller 20 causes the voltage / current controller 14 to maintain voltage control with the target voltage Vset set to Vmax until the temperature of the stack 10 exceeds the first temperature T0 (step S102: NO). The symbol Tx_min in FIG. 2 means the lower temperature of the stack 10a and the stack 10b. Therefore, step S102 in FIG. 2 means that the process proceeds to step S104 when both the temperature of the stack 10a and the temperature of the stack 10b exceed the first temperature T0.
When the temperatures of the stacks 10a and 10b both exceed the first temperature T0 (step S102: YES), the overall controller 20 determines whether or not the temperatures of the stacks 10a and 10b both exceed the operation lower limit temperature Tok ( Step S104). Here, the case where the temperatures of the stacks 10a and 10b both exceed the operation lower limit temperature Tok means that both the stacks 10a and 10b have reached a temperature at which steady operation is possible. In this case (step S104: YES), the activation control can be terminated, and the process proceeds to step S114. The process of step S114 will be described later.
When step S104 is NO, that is, when the temperature of at least one of the stacks 10a and 10b has not reached the operation lower limit temperature Tok, the voltage control target voltage Vset in the voltage / current controller 14 is set to the first voltage V1. Change (step S106). If the process of step S102 and the process of step S104 are combined and expressed by a mathematical expression, it can be expressed that step S106 is executed when T0 <T_min <Tok.

次に統括制御器20は、スタック10a、10bの温度がともに第2温度T1を超えるまで、目標電圧Vsetを第1電圧V1に設定したまま、電圧・電流制御器14に電圧制御を維持させる(ステップS108:NO)。
スタック10a、10bの温度がともに第2温度T1を超えた場合(ステップS108:YES)、統括制御器20は、電圧・電流制御器14における電圧制御の目標電圧Vsetを第2電圧V2に変更する(ステップS110)。
統括制御器20は、スタック10a、10bの温度がともに動作下限温度Tokを超えるまで、目標電圧Vsetを第2電圧V2に設定したまま、電圧・電流制御器14に電圧制御を維持させる(ステップS112:NO)。
スタック10a、10bの温度がともに動作下限温度Tokを超えた場合(ステップS112:YES)、統括制御器20は、電圧・電流制御器14に対して次の指令を出力する。即ち、電圧・電流制御器14に対して、電圧制御を停止し、目標電流Isetをゼロに設定して電流制御を開始させる指令を出力する(ステップS114)。これにより、スタック10(スタック10a及びスタック10b)は、その出力電流が目標電流Iset=ゼロに維持される。
Next, the overall controller 20 causes the voltage / current controller 14 to maintain the voltage control while keeping the target voltage Vset at the first voltage V1 until the temperatures of the stacks 10a and 10b both exceed the second temperature T1 ( Step S108: NO).
When the temperatures of the stacks 10a and 10b both exceed the second temperature T1 (step S108: YES), the overall controller 20 changes the voltage control target voltage Vset in the voltage / current controller 14 to the second voltage V2. (Step S110).
The overall controller 20 causes the voltage / current controller 14 to maintain voltage control while setting the target voltage Vset to the second voltage V2 until the temperatures of the stacks 10a and 10b both exceed the operation lower limit temperature Tok (step S112). : NO).
When the temperatures of the stacks 10a and 10b both exceed the operation lower limit temperature Tok (step S112: YES), the overall controller 20 outputs the following command to the voltage / current controller 14. That is, a command to stop the voltage control, set the target current Iset to zero, and start the current control is output to the voltage / current controller 14 (step S114). As a result, the output current of the stack 10 (stack 10a and stack 10b) is maintained at the target current Iset = zero.

ステップS114が実行された段階でスタック10a、10bの温度はともに動作下限温度Tokを超えているので、統括制御器20は起動制御を終了する。なお、起動制御が終了した後は、統括制御器20は、燃料電池装置100に対して外部から要求されている電圧を出力端40から出力するために次の処理を実行する。
統括制御器20は、起動制御が終了すると、燃料電池装置100に要求される出力電圧に応じて目標電流Isetを所定の値に設定する。電圧・電流制御器14は、スタック10が出力する電流をIsetに維持する電流制御を行う。
Since the temperatures of the stacks 10a and 10b both exceed the operation lower limit temperature Tok at the stage when step S114 is executed, the overall controller 20 ends the start control. Note that after the start-up control is completed, the overall controller 20 executes the following process in order to output from the output terminal 40 the voltage requested from the outside to the fuel cell device 100.
When the start control is completed, the overall controller 20 sets the target current Iset to a predetermined value according to the output voltage required for the fuel cell device 100. The voltage / current controller 14 performs current control for maintaining the current output from the stack 10 at Iset.

統括制御器20による起動制御の意味を、図3を参照しながら説明する。図3は、スタック10のI−V特性(電流−電圧特性)のグラフである。図3のグラフの縦軸はスタック10の電圧であり、横軸はスタック10が出力する電流である。図3には、スタック10の温度が第1温度T0、第2温度T1、及び動作下限温度TokのときのI−V特性が実線で示してある。また図3には、スタックの温度が(T1−ΔT)のときのI−V特性が破線で示してある。   The meaning of the start control by the overall controller 20 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a graph of the IV characteristics (current-voltage characteristics) of the stack 10. The vertical axis of the graph of FIG. 3 is the voltage of the stack 10, and the horizontal axis is the current output by the stack 10. In FIG. 3, the IV characteristics when the temperature of the stack 10 is the first temperature T0, the second temperature T1, and the operation lower limit temperature Tok are indicated by solid lines. In FIG. 3, the IV characteristic when the stack temperature is (T1−ΔT) is indicated by a broken line.

スタック10が出力する電流と電圧の関係は、図3に示す通り、出力する電流(スタック10から引き出す電流)が大きくなるほどスタックの電圧が低下する関係となる。スタック10が出力する電流の大きい領域では、スタック10の出力電流が大きくなるにつれてスタック10の電圧が急激に低下する。
また、スタック10のI−V特性は、スタック10の温度に対する依存性が強い。即ち、同じ電流を出力する場合であっても、温度が低いほどスタックの電圧は低くなり、かつ、電圧のばらつきが大きくなる。
スタック10は、供給する燃料のうちの水素がイオン化するときに発生する電子を電流として出力する。従って、定常状態ではスタックは電流制御される。ここで、目標電流IsetをI1に設定してスタックを電流制御する場合を想定する。図3より、スタックの出力電流がI1のときに、スタックの温度が第2温度T1であればスタック電圧は第1電圧V1となり、スタックの温度が(T1−ΔT)であればスタックの電圧はVeとなる。温度変化に対する電圧の変化率ΔV/ΔTは、目標電流I1及びスタック温度T1の付近で大きい。従って、目標電流IsetをI1に設定してスタックを電流制御すると、スタックの温度が第2温度T1まで上昇する間にスタックの電圧が急激に変化する。このとき、目標電流I1に対してスタックの能力が予定外に低いと、スタックの電圧が異常に低下してしまう(スタックの電圧が所定の電圧より低下してしまう)。スタックの能力が予定外となり得ることが、スタックの電圧がばらつく要因である。燃料電池のスタックは、電圧が異常に低い状態で電流を出力させ続けると劣化することが知られている。スタックの温度が低い状態で燃料電池装置を起動するときにスタックを電流制御する場合は、スタックの温度上昇にともなってI−V特性が変化するため、電圧の異常低下を回避するための目標電流を定めることは困難である。
また、ひとつのスタックの内部でも温度分布が存在する。例えば、スタックの内部で温度がT1の領域と温度が(T1−ΔT)の領域が存在すると、温度が(T1−ΔT)の領域で局所的に電圧がVeまで低下する。スタックの内部にΔTの温度分布がある場合、スタック内部の電気的状態の分布(この場合は電圧の分布)が不均一となる。スタック内部の電気的状態の不均一は、スタックを劣化させる一因となる。
As shown in FIG. 3, the relationship between the current and voltage output by the stack 10 is such that the stack voltage decreases as the output current (current drawn from the stack 10) increases. In a region where the current output from the stack 10 is large, the voltage of the stack 10 rapidly decreases as the output current of the stack 10 increases.
Further, the IV characteristics of the stack 10 are strongly dependent on the temperature of the stack 10. That is, even when the same current is output, the lower the temperature, the lower the stack voltage and the greater the voltage variation.
The stack 10 outputs electrons generated when hydrogen in the supplied fuel is ionized as a current. Therefore, in a steady state, the stack is current controlled. Here, it is assumed that the stack is current-controlled by setting the target current Iset to I1. From FIG. 3, when the stack output current is I1, the stack voltage is the first voltage V1 if the stack temperature is the second temperature T1, and the stack voltage is (T1−ΔT) if the stack temperature is (T1−ΔT). Ve. The voltage change rate ΔV / ΔT with respect to the temperature change is large in the vicinity of the target current I1 and the stack temperature T1. Therefore, when the stack current is controlled by setting the target current Iset to I1, the stack voltage changes rapidly while the stack temperature rises to the second temperature T1. At this time, if the stack capacity is unexpectedly low with respect to the target current I1, the stack voltage is abnormally decreased (the stack voltage is decreased below a predetermined voltage). The ability of the stack to become unplanned is a factor in the stack voltage variation. It is known that a stack of fuel cells deteriorates when a current is continuously output with an abnormally low voltage. When current control of the stack is performed when the fuel cell device is started in a state where the temperature of the stack is low, the IV characteristic changes as the temperature of the stack rises, so that the target current for avoiding abnormal voltage drop It is difficult to determine.
There is also a temperature distribution inside one stack. For example, if there is a region where the temperature is T1 and a region where the temperature is (T1-ΔT) inside the stack, the voltage locally decreases to Ve in the region where the temperature is (T1-ΔT). When there is a temperature distribution of ΔT inside the stack, the electrical state distribution inside the stack (in this case, the voltage distribution) becomes non-uniform. The uneven electrical state inside the stack contributes to the deterioration of the stack.

本実施例の燃料電池装置100では、スタックの温度が動作下限温度Tokより低い場合には、スタックを電圧制御する。具体的には、スタック10の温度が第2温度T1より低い場合(かつスタック10の温度が第1温度T0よりも高い場合)には、目標電圧Vsetを第1電圧V1に設定してスタック10を電圧制御する(図2のステップS106)。第1電圧V1(目標電圧)は、スタックの特性から予め定められる値であり、スタックの劣化が急激に進行しないレベル以上の値に設定される。スタック10はその電圧が第1電圧V1に一致するように出力電流が調整されるため、スタック10の電圧は第1電圧V1より低くなることはない(但し、電圧制御とはいえ多少の電圧変動は起こり得る)。燃料電池装置100の起動時にスタックの温度が低いためにスタックの電圧が急激に低下することを防止できる。スタックの劣化を低減することができる。
さらに、スタック10の電圧が目標電圧Vset=V1となるように電圧制御すると、図3に示すように、スタック10の温度が第2温度T1まで上昇していればスタック10が出力する電流はI1となる。スタック10の温度が(T1−ΔT)の場合にはスタック10が出力する電流はIeとなる。I1とIeの電流差ΔIは小さい。従って、スタック10の内部でΔTの温度分布がある場合でも、スタックの内部で電気的状態の分布(ここでは電流の分布)の不均一さは小さくなる。スタック10を電圧制御すると、スタックの内部の温度分布による電気状態の不均一さを電流制御時の不均一さよりも小さくすることができる。スタック10を電圧制御すると、スタックの内部の温度分布による劣化を低減することができる。
In the fuel cell device 100 of the present embodiment, when the temperature of the stack is lower than the operation lower limit temperature Tok, the voltage of the stack is controlled. Specifically, when the temperature of the stack 10 is lower than the second temperature T1 (and when the temperature of the stack 10 is higher than the first temperature T0), the target voltage Vset is set to the first voltage V1 and the stack 10 is set. Is voltage controlled (step S106 in FIG. 2). The first voltage V1 (target voltage) is a value determined in advance from the characteristics of the stack, and is set to a value equal to or higher than a level at which deterioration of the stack does not proceed rapidly. Since the output current of the stack 10 is adjusted so that the voltage thereof matches the first voltage V1, the voltage of the stack 10 does not become lower than the first voltage V1 (however, although the voltage control is performed, some voltage fluctuations) Can happen). Since the temperature of the stack is low when the fuel cell device 100 is activated, it is possible to prevent the stack voltage from rapidly decreasing. Deterioration of the stack can be reduced.
Further, when voltage control is performed so that the voltage of the stack 10 becomes the target voltage Vset = V1, as shown in FIG. 3, if the temperature of the stack 10 rises to the second temperature T1, the current output by the stack 10 is I1. It becomes. When the temperature of the stack 10 is (T1−ΔT), the current output from the stack 10 is Ie. The current difference ΔI between I1 and Ie is small. Therefore, even when there is a temperature distribution of ΔT inside the stack 10, the non-uniformity of the distribution of electrical states (here, the current distribution) is reduced inside the stack. When the voltage of the stack 10 is controlled, the non-uniformity of the electrical state due to the temperature distribution inside the stack can be made smaller than the non-uniformity at the time of current control. When the voltage of the stack 10 is controlled, deterioration due to the temperature distribution inside the stack can be reduced.

スタックの温度が動作下限温度Tokより低い場合にスタックを電圧制御することによって次の効果も得ることができる。
図3に示す通り、スタックを電流制御する場合でも、目標電流を小さく設定すればスタックの電圧が極端に低下することはない。しかしながら、スタックからは所定の電流を引き出す(出力させる)方がよい。これは次の理由による。前述した通り、燃料電池装置のスタックは、燃料がイオン化する際に放出する電子を電流として出力する。スタックから出力される電流を小さくすると、イオン化されない燃料がスタック内で局所的に燃焼するため、温度分布の不均一や局所的な劣化が生じる虞がある。そのような事象を生じさせないためにスタックからは所定の電流を引き出す方がよい。さらに、スタックから所定の電流を引き出すことで、化学反応による発熱を増加させることができる。スタック内での発熱を増加させることで、スタックを素早く昇温することができる。燃料電池装置では、スタックの異常な電圧低下を回避しながら所定の電流を出力させることが望まれている。
本実施例の燃料電池装置100は、温度が動作下限温度Tok以下の場合にスタック10をあえて電圧制御する。燃料電池装置100は、スタック10の温度が動作下限温度Tokまで上昇するまでの過渡期において、スタック10の目標電圧を適切に選定すれば電圧制御であっても所定の電流をスタック10から引き出すことができる。これによってスタック10の異常な電圧低下を回避しながら所定の電流をスタック10から引き出すことができる。
When the stack temperature is lower than the operation lower limit temperature Tok, the following effects can be obtained by controlling the voltage of the stack.
As shown in FIG. 3, even when the stack is current-controlled, if the target current is set small, the voltage of the stack will not be extremely reduced. However, it is better to draw (output) a predetermined current from the stack. This is due to the following reason. As described above, the stack of the fuel cell device outputs electrons emitted when the fuel is ionized as a current. When the current output from the stack is reduced, non-ionized fuel burns locally in the stack, which may cause uneven temperature distribution and local degradation. In order not to cause such an event, it is better to draw a predetermined current from the stack. Furthermore, heat generated by a chemical reaction can be increased by drawing a predetermined current from the stack. By increasing the heat generation in the stack, the stack can be quickly heated. In a fuel cell device, it is desired to output a predetermined current while avoiding an abnormal voltage drop in the stack.
The fuel cell device 100 according to the present embodiment performs voltage control on the stack 10 when the temperature is equal to or lower than the operation lower limit temperature Tok. In the transition period until the temperature of the stack 10 rises to the operation lower limit temperature Tok, the fuel cell device 100 draws a predetermined current from the stack 10 even in voltage control if the target voltage of the stack 10 is appropriately selected. Can do. As a result, a predetermined current can be drawn from the stack 10 while avoiding an abnormal voltage drop of the stack 10.

実施例の燃料電池装置100では、スタック10の温度上昇にともなって目標電圧を段階的に増加させる。スタック10aの温度とスタック10bの温度の低い方の温度Tx_minがT0<Tx_min≦T1の場合は、目標電圧Vsetは第1電圧V1に設定される(ステップS106)。T1<Tx_min≦Tokの場合は、目標電圧Vsetは第2電圧V2に設定される。
スタック10の温度が動作下限温度Tokに上昇するまでにスタック10のI−V曲線上の動作点は次の通り変化する。なお、ここではひとつのスタックのみを考える。即ち、図2では複数のスタック10a、10bの温度のうち低い温度をTx_minで表したが、ここではひとつのスタックの温度Txのみを考える。
スタック10の温度Txが第1温度T0に達すると、目標電圧Vsetが第1電圧V1に設定される(ステップS106)。このときスタック10の動作点は図3の点P1である。スタック10の温度が第1温度T0から第2温度T1まで上昇するにつれて、スタック10の動作点は点P1から点P2へ移動する。スタック10の温度が第2温度T1を超えると目標電圧Vsetが第1電圧V1から第2電圧V2に変更される(ステップS108:YES、及びステップS110)。このときスタック10の動作点は点P2から点P3へ移動する。スタック10の温度が第2温度T1から動作下限温度Tokまで上昇するにつれて、スタック10の動作点は点P3から点P4へ移動する。
起動制御中に電圧制御されているスタック10が出力する電流は、図3のIminからImaxの範囲となる。スタック10の温度上昇にともなって段階的に増加させる目標電圧の値(上記の例では第1電圧V1と第2電圧V2)を適宜調整することによって、起動制御中にスタック10が出力する電流を所定の範囲内とすることができる。このことは即ち、擬似的な電流制御を実現できることを意味する。しかもスタックは実際には電圧制御されているので、スタックの電圧が目標電圧より低くなることはない(但し、電圧制御とはいえ多少の電圧変動は起こり得る)。スタック10の温度上昇にともなって電圧制御の目標電圧を段階的に増加させることによって、スタック10の電圧が異常に低くなることを回避しながら(即ち、スタックの劣化を抑制しながら)、擬似的な電流制御を行うことができる。
上記の「所定の範囲」は、スタック10に供給する燃料(水素)の量に見合った電流の範囲に設定されることが好ましい。電圧制御であっても、スタック10の出力電流をスタック10に供給される燃料に見合った範囲内とすることができる。これによって、イオン化されない燃料がスタック内で局所的に燃焼する現象を抑制することができる
In the fuel cell device 100 of the embodiment, the target voltage is increased stepwise as the temperature of the stack 10 rises. When the temperature Tx_min, which is the lower temperature of the stack 10a and the temperature of the stack 10b, satisfies T0 <Tx_min ≦ T1, the target voltage Vset is set to the first voltage V1 (step S106). When T1 <Tx_min ≦ Tok, the target voltage Vset is set to the second voltage V2.
The operating point on the IV curve of the stack 10 changes as follows until the temperature of the stack 10 rises to the operation lower limit temperature Tok. Note that only one stack is considered here. That is, in FIG. 2, the lower temperature of the plurality of stacks 10a and 10b is represented by Tx_min, but only the temperature Tx of one stack is considered here.
When the temperature Tx of the stack 10 reaches the first temperature T0, the target voltage Vset is set to the first voltage V1 (step S106). At this time, the operating point of the stack 10 is a point P1 in FIG. As the temperature of the stack 10 rises from the first temperature T0 to the second temperature T1, the operating point of the stack 10 moves from the point P1 to the point P2. When the temperature of the stack 10 exceeds the second temperature T1, the target voltage Vset is changed from the first voltage V1 to the second voltage V2 (step S108: YES and step S110). At this time, the operating point of the stack 10 moves from the point P2 to the point P3. As the temperature of the stack 10 rises from the second temperature T1 to the operation lower limit temperature Tok, the operating point of the stack 10 moves from the point P3 to the point P4.
The current output from the voltage-controlled stack 10 during start-up control is in the range from Imin to Imax in FIG. By appropriately adjusting the target voltage values (first voltage V1 and second voltage V2 in the above example) to be increased stepwise as the temperature of stack 10 rises, the current output by stack 10 during start-up control is adjusted. It can be within a predetermined range. This means that pseudo current control can be realized. In addition, since the stack is actually voltage-controlled, the voltage of the stack does not become lower than the target voltage (however, although the voltage is controlled, some voltage fluctuation may occur). While increasing the target voltage of the voltage control stepwise as the temperature of the stack 10 increases, the voltage of the stack 10 is prevented from becoming abnormally low (that is, while suppressing deterioration of the stack), and is simulated. Current control can be performed.
The “predetermined range” is preferably set to a current range corresponding to the amount of fuel (hydrogen) supplied to the stack 10. Even in the voltage control, the output current of the stack 10 can be within a range commensurate with the fuel supplied to the stack 10. This can suppress the phenomenon of non-ionized fuel burning locally in the stack.

実施例の燃料電池装置100は、複数のスタック(スタック10a、10b)を備えており、全てのスタックの温度が動作下限温度Tokを超えるまでは全てのスタックが電圧制御される。そして、全てのスタックの温度が動作下限温度Tokを超えた時点で、目標電流をゼロに設定した電流制御に切換える(ステップS114)。全てのスタックが定常動作可能となって時点で、全てのスタックを同じ状態(出力電流ゼロ)から一斉に定常動作へ移行することができる。また、夫々のスタックの温度が異なっていても、最も低い温度Tx_minに応じて目標電圧Vsetを段階的に増加する(ステップS108)。即ち、複数のスタックを同一の目標電圧で電圧制御する。これにより、制御指示形態を簡略化できるとともに、複数のスタックの温度が異なっていても最も温度の低いスタックにおける電圧の異常低下を回避することができる。   The fuel cell device 100 according to the embodiment includes a plurality of stacks (stacks 10a and 10b), and all the stacks are voltage-controlled until the temperature of all the stacks exceeds the operation lower limit temperature Tok. Then, when the temperature of all the stacks exceeds the operation lower limit temperature Tok, the control is switched to the current control in which the target current is set to zero (step S114). When all the stacks are capable of steady operation, all the stacks can be shifted from the same state (no output current) to the steady operation at the same time. Further, even if the temperature of each stack is different, the target voltage Vset is increased stepwise in accordance with the lowest temperature Tx_min (step S108). That is, voltage control is performed on the plurality of stacks with the same target voltage. As a result, the control instruction form can be simplified, and an abnormal drop in voltage in the stack having the lowest temperature can be avoided even if the temperatures of the plurality of stacks are different.

なお、スタック10の温度が第1温度T0以下の場合に目標電流Vset=Vmaxとして電圧制御するのは次の理由による。図3からわかる通り、Vmaxはスタック10が出力できる最大電圧であり、スタック10の電圧が最大電圧Vmaxの場合には電流は流れない。目標電圧Vset=Vmaxとして電圧制御することは、事実上、スタック10から電流を引き出さないことを意味する。スタック10の温度が極端に低い場合(スタックの温度が第1温度T0以下の場合)とは、スタック内での化学反応の開始直後を意味する。化学反応の開始直後はスタックの内部の温度分布が大きい。そのような状態でスタックから電流を引き出すとスタック内部の電気状態がひどく不均一となり、スタックが劣化し易いからである。   Note that, when the temperature of the stack 10 is equal to or lower than the first temperature T0, the voltage is controlled as the target current Vset = Vmax for the following reason. As can be seen from FIG. 3, Vmax is the maximum voltage that the stack 10 can output, and no current flows when the voltage of the stack 10 is the maximum voltage Vmax. Voltage control with the target voltage Vset = Vmax effectively means that no current is drawn from the stack 10. The case where the temperature of the stack 10 is extremely low (when the temperature of the stack is equal to or lower than the first temperature T0) means immediately after the start of the chemical reaction in the stack. Immediately after the start of the chemical reaction, the temperature distribution inside the stack is large. This is because when the current is drawn from the stack in such a state, the electrical state inside the stack becomes extremely uneven and the stack is likely to deteriorate.

(第2実施例)次に、本発明の第2実施例の燃料電池装置について説明する。第2実施例の燃料電電池装置は、図1に示した燃料電池100と基本的に同じ構成を有している。従って、第2実施例の燃料電池装置の構成については説明を省略する。 (Second Embodiment) Next, a fuel cell apparatus according to a second embodiment of the present invention will be described. The fuel cell apparatus of the second embodiment has basically the same configuration as the fuel cell 100 shown in FIG. Therefore, the description of the configuration of the fuel cell device of the second embodiment is omitted.

第2実施例の燃料電池装置は、複数のスタック10a、10bの夫々に対応する電圧・電流制御器14a、14bを個別に制御する。第2実施例の統括制御器20は、スタックと電圧・電流制御器の夫々の組(スタック10aと電圧・電流制御器14aの組、及びスタック10bと電圧・電流制御器14bの組)に対して、個別に図2に示す処理を実行する。統括制御器20は、スタック10aと電圧・電流制御器14aの組に対しては、図2のフローチャートにおいてTx_minをスタック10aの温度に置き換えた処理を実行する。スタック10bと電圧・電流制御器14bの組に対しては、図2のフローチャートにおいてTx_minをスタック10bの温度に置き換えた処理を実行する。
さらに統括制御器20は、スタック10a、10bの温度がともに動作下限温度Tokを超えるまでは、先に温度が動作下限温度Tokを超えたスタックに対して目標電流Isetをゼロに維持する。
第2実施例の燃料電池装置によれば、スタックごとに温度がばらついていても、夫々のスタックの温度に対して適切な目標電圧に維持することができる。さらに、複数のスタックのうち、温度が早く動作下限温度を超えたスタックは、全てのスタックが動作下限温度を超えるまで目標電流Isetをゼロとした状態で維持される。これによって、全てのスタックを同じ状態(即ち、目標電流Isetをゼロに設定した電流制御状態)にしてから通常の動作(電源としての燃料電池装置の使用)を開始できる。
なお、第2実施例の燃料電池装置においても、電圧・電流制御器14a、14bと統括制御器20が連携して、スタック10a、10bの出力を制御する出力制御器30として機能する。
The fuel cell device of the second embodiment individually controls the voltage / current controllers 14a and 14b corresponding to the plurality of stacks 10a and 10b, respectively. The overall controller 20 of the second embodiment is for each of the stack and the voltage / current controller (the stack 10a and the voltage / current controller 14a, and the stack 10b and the voltage / current controller 14b). Then, the processing shown in FIG. 2 is executed individually. The overall controller 20 executes a process of replacing Tx_min with the temperature of the stack 10a in the flowchart of FIG. 2 for the set of the stack 10a and the voltage / current controller 14a. For the set of the stack 10b and the voltage / current controller 14b, a process in which Tx_min is replaced with the temperature of the stack 10b in the flowchart of FIG. 2 is executed.
Further, the overall controller 20 maintains the target current Iset at zero with respect to the stack whose temperature has previously exceeded the operation lower limit temperature Tok until both the temperatures of the stacks 10a and 10b exceed the operation lower limit temperature Tok.
According to the fuel cell device of the second embodiment, even if the temperature varies from stack to stack, it is possible to maintain the target voltage appropriate for the temperature of each stack. Further, among the plurality of stacks, the stack whose temperature has quickly exceeded the operation lower limit temperature is maintained in a state where the target current Iset is zero until all the stacks exceed the operation lower limit temperature. Accordingly, normal operation (use of the fuel cell device as a power source) can be started after all the stacks are in the same state (that is, a current control state in which the target current Iset is set to zero).
In the fuel cell device of the second embodiment, the voltage / current controllers 14a and 14b and the overall controller 20 also function as an output controller 30 that controls the outputs of the stacks 10a and 10b.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、燃料電池装置は、電圧制御と電流制御を切り換える電圧・電流制御器14の代わりに、電圧制御器と電流制御器を個別に備えていても良い。
また、上記の実施例では、図2を参照して燃料電池装置の起動制御を説明した。図2の処理は起動時だけでなく、燃料電池装置の動作中に何らかの原因でスタックの温度が動作下限温度より低くなった場合に実行されることも好適である。即ち、本発明は、起動時だけでなく、スタックの温度が動作下限温度以下となった場合にも有効である。
また、上記の実施例では、起動制御中の目標電圧を2段階に変更した(第1電圧V1と第2電圧V2)。スタックの温度上昇にともなって目標電圧を段階的に増加させる場合、3段階以上に細かく増加させてもよい。或いはスタックの温度上昇にともなって目標電圧を連続的に増加させてもよい。
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
For example, the fuel cell device may include a voltage controller and a current controller separately instead of the voltage / current controller 14 that switches between voltage control and current control.
In the above embodiment, the start control of the fuel cell device has been described with reference to FIG. The process of FIG. 2 is preferably executed not only at the time of start-up, but also when the temperature of the stack becomes lower than the operation lower limit temperature for some reason during the operation of the fuel cell device. That is, the present invention is effective not only at the time of start-up but also when the temperature of the stack becomes equal to or lower than the operation lower limit temperature.
In the above embodiment, the target voltage during the start-up control is changed in two stages (first voltage V1 and second voltage V2). When the target voltage is increased stepwise as the stack temperature rises, it may be increased more than three steps. Alternatively, the target voltage may be continuously increased as the stack temperature rises.

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。   The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.

図1は、第1実施例の燃料電池装置のブロック図である。FIG. 1 is a block diagram of the fuel cell device of the first embodiment. 図2は、燃料電池装置の起動制御のフローチャート図である。FIG. 2 is a flowchart of start control of the fuel cell device. 図3は、燃料電池スタックのI−V特性を示す模式的グラフの図である。FIG. 3 is a schematic graph showing IV characteristics of the fuel cell stack.

符号の説明Explanation of symbols

10a、10b:燃料電池スタック
12a、12b:温度センサ
14a、14b:電圧・電流制御器
16:電力制御器
18a、18b:電圧センサ
20:統括制御器
30:出力制御器
40:出力端
100:燃料電池装置
10a, 10b: Fuel cell stacks 12a, 12b: Temperature sensors 14a, 14b: Voltage / current controller 16: Power controller 18a, 18b: Voltage sensor 20: General controller 30: Output controller 40: Output terminal 100: Fuel Battery device

Claims (4)

少なくともひとつの燃料電池セルを有するスタックと、
スタックの温度を検出する温度センサと、
温度センサが検出した温度が閾値より低い場合に該スタックが出力する電圧を目標電圧に維持する電圧制御を実行し、検出した温度が閾値より高い場合に該スタックが出力する電流を目標電流に維持する電流制御を実行する出力制御器と、
を備えることを特徴とする燃料電池装置。
A stack having at least one fuel cell;
A temperature sensor that detects the temperature of the stack;
When the temperature detected by the temperature sensor is lower than the threshold, voltage control is performed to maintain the voltage output from the stack at the target voltage, and when the detected temperature is higher than the threshold, the current output from the stack is maintained at the target current. An output controller for performing current control,
A fuel cell device comprising:
出力制御器は、電圧制御を実行している間、スタックの温度上昇にともなって目標電圧を増加させることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池装置。   2. The fuel cell device according to claim 1, wherein the output controller increases the target voltage as the temperature of the stack increases while executing the voltage control. 複数のスタックを備えているとともに夫々のスタックに温度センサが備えられており、
出力制御器は、夫々のスタックに対して電圧制御と電流制御を独立に実行可能であり、全てのスタックの温度が閾値より大きくなるまでは、温度が閾値を超えたスタックの目標電流をゼロに維持することを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池装置。
It has multiple stacks and each stack has a temperature sensor,
The output controller can execute voltage control and current control independently for each stack, and until the temperature of all stacks exceeds the threshold value, the target current of the stack whose temperature exceeds the threshold value is reduced to zero. The fuel cell device according to claim 1, wherein the fuel cell device is maintained.
少なくともひとつの燃料電池セルを有するスタックの温度が閾値より低い場合は該スタックが出力する電圧を目標電圧に維持する電圧制御を行い、該スタックの温度が閾値より高い場合は該スタックが出力する電流を目標電流に維持する電流制御を行うことを特徴とする燃料電池装置の制御方法。   When the temperature of the stack having at least one fuel cell is lower than a threshold, voltage control is performed to maintain the voltage output from the stack at a target voltage, and when the temperature of the stack is higher than the threshold, the current output from the stack A control method for a fuel cell device, wherein current control is performed to maintain the current at a target current.
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