JP2009181793A - Fuel cell system - Google Patents

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JP2009181793A JP2008019402A JP2008019402A JP2009181793A JP 2009181793 A JP2009181793 A JP 2009181793A JP 2008019402 A JP2008019402 A JP 2008019402A JP 2008019402 A JP2008019402 A JP 2008019402A JP 2009181793 A JP2009181793 A JP 2009181793A
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Mitsuhiro Kokubo
光浩 小久保
Kazuo Saito
和男 齋藤
Akira Matsunaga
亮 松永
Ryoichi Shimoi
亮一 下井
Takahiro Fujii
隆宏 藤井
Kenji Yonekura
健二 米倉
Takashi Iimori
崇 飯森
Yasuhiro Taniguchi
育宏 谷口
Mitsunori Kumada
光徳 熊田
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Nissan Motor Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To properly estimate the amount of oxygen remaining in an anode during the startup control. <P>SOLUTION: At the time of startup of a fuel cell system, supply of air to a fuel cell stack 1 and discharge of hydrogen gas are stopped to supply the hydrogen gas to the fuel cell stack 1. In the startup control for taking the current out of the fuel cell stack 1, the amount of oxygen remaining in an anode is estimated on the basis of the behavior of hydrogen gas pressure detected by a pressure sensor 9, and the end time for finishing the startup control is set up on the basis of the estimated amount of oxygen. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システムを起動する際に起動制御を行う燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system that performs startup control when starting a fuel cell system.

従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている(特許文献1参照)。燃料電池のアノード内に酸素が混在している状態で燃料電池システムを始動する時には、通常発電状態よりも高い圧力に設定された燃料ガスをアノードに供給し、アノード内に滞留している酸素を速やかに燃料ガスに置換している。このような起動制御を行うことで、アノード内における燃料ガスと酸化剤ガスの偏在を抑制して、反応ガスの偏在による局所電池の形成を抑制し、電極の劣化を防止している。   Conventionally, as this type of technology, for example, those described in the following documents are known (see Patent Document 1). When starting the fuel cell system in a state where oxygen is mixed in the anode of the fuel cell, the fuel gas set to a pressure higher than that in the normal power generation state is supplied to the anode, and the oxygen remaining in the anode is removed. Immediate replacement with fuel gas. By performing such start-up control, the uneven distribution of the fuel gas and the oxidant gas in the anode is suppressed, the formation of local cells due to the uneven distribution of the reaction gas is suppressed, and the deterioration of the electrodes is prevented.

このような起動制御を行うか否かは、アノード内に滞留している酸素量に応じて決定されが、この酸素量は、燃料電池システムの前回の停止時から今回の起動時までの放置時間に依存する。したがって、燃料電池システムにタイマーを設け、このタイマーにより放置時間を算出し、算出された時間に基づいてアノード内に滞留する酸素量を推定し、上記起動制御を行うか否かを決定していた。
特開2004−139984
Whether or not to perform such start-up control is determined according to the amount of oxygen remaining in the anode, and this amount of oxygen is determined by the amount of time left between the last stop of the fuel cell system and the current start-up. Depends on. Therefore, a timer is provided in the fuel cell system, the standing time is calculated by this timer, the amount of oxygen staying in the anode is estimated based on the calculated time, and it is determined whether or not to perform the start-up control. .
JP2004-139984

上記従来の燃料電池システムにおいては、システムに備えられたタイマーで算出された放置時間に基づいて、アノード内に滞留する酸素量を推定していたため、システムのばらつき等によりそれぞれのシステム毎にアノード内に滞留する酸素量を精度よく適切に推定することが困難になっていた。   In the above conventional fuel cell system, the amount of oxygen staying in the anode is estimated based on the standing time calculated by the timer provided in the system. It has been difficult to accurately and appropriately estimate the amount of oxygen remaining in the water.

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、起動時のアノード内に滞留する酸素量を適切に推定することができる燃料電池システムを提供することにある。   Accordingly, the present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide a fuel cell system capable of appropriately estimating the amount of oxygen remaining in the anode at the time of startup. .

上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料ガス供給手段により燃料極に供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給手段により酸化剤極に供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料極における燃料ガスの圧力を検出する圧力検出手段と、前記燃料電池に供給されて未使用の燃料ガスを前記燃料電池の外部に排出する排出手段と、前記燃料電池で得られた電流を前記燃料電池から取り出す電流取出手段と、前記燃料ガス供給手段による燃料ガスの供給、前記酸化剤ガス供給手段による酸化剤ガスの供給、前記排出手段による燃料ガスの排出、ならびに前記電流取出手段による電流の取り出しを制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、システムの起動時に、前記酸化剤供給手段による酸化剤の供給ならびに前記排出手段による燃料ガスの排出を停止した状態で、前記燃料ガス供給手段により燃料ガスを供給し、前記電流取出手段により電流を取り出す起動制御を行うときに、前記圧力検出手段で検出された燃料ガス圧力の挙動に基づいて、前記燃料極内に滞留する酸素量を推定することを特徴とする。   In order to achieve the above object, means for solving the problems of the present invention include a fuel gas supplied to the fuel electrode by the fuel gas supply means, and an oxidant gas supplied to the oxidant electrode by the oxidant gas supply means. In a fuel cell system including a fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction, pressure detecting means for detecting a pressure of fuel gas at the fuel electrode, and unused fuel gas supplied to the fuel cell Discharge means for discharging to the outside, current extraction means for taking out the current obtained from the fuel cell from the fuel cell, supply of fuel gas by the fuel gas supply means, and supply of oxidant gas by the oxidant gas supply means Control means for controlling supply, discharge of fuel gas by the discharge means, and extraction of current by the current extraction means. Sometimes, in a state where the supply of the oxidant by the oxidant supply means and the discharge of the fuel gas by the discharge means are stopped, the fuel gas is supplied by the fuel gas supply means, and the start-up control for taking out the current by the current extraction means is performed. When performing, the amount of oxygen staying in the fuel electrode is estimated based on the behavior of the fuel gas pressure detected by the pressure detecting means.

本発明によれば、燃料電池システムの起動前のアノード内に滞留する酸素量を適切に推定することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to appropriately estimate the amount of oxygen remaining in the anode before the fuel cell system is started.

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

図1は本発明の実施例1に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図1に示す実施例1のシステムは、燃料電池スタック1と、燃料電池スタック1に対して燃料ガスの水素ガスを供給、排出する水素系(アノード系)の構成として、水素タンク2、水素タンク元弁3、減圧弁4、水素供給弁5、水素循環ポンプ6、パージ弁7、希釈装置8、圧力センサ9、温度センサ10を備えている。また、燃料電池スタック1に対して酸化剤ガスの空気を供給、排出する空気系(カソード系)の構成として、コンプレッサ11、空気調圧弁12、圧力センサ13、温度センサ14を備えている。さらに、このシステムは、電圧センサ15、パワーマネージャー16、2次バッテリ17、バッテリコントローラ18、大気圧センサ19ならびにコントローラ20を備えている。   FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. The system of Embodiment 1 shown in FIG. 1 includes a fuel cell stack 1 and a hydrogen system (anode system) configured to supply and discharge hydrogen gas as a fuel gas to the fuel cell stack 1. A main valve 3, a pressure reducing valve 4, a hydrogen supply valve 5, a hydrogen circulation pump 6, a purge valve 7, a dilution device 8, a pressure sensor 9, and a temperature sensor 10 are provided. Further, a compressor 11, an air pressure regulating valve 12, a pressure sensor 13, and a temperature sensor 14 are provided as an air system (cathode system) configuration for supplying and discharging oxidant gas air to and from the fuel cell stack 1. The system further includes a voltage sensor 15, a power manager 16, a secondary battery 17, a battery controller 18, an atmospheric pressure sensor 19, and a controller 20.

燃料電池スタック1は、アノードに燃料ガスとして水素ガスが供給され、カソードに酸化剤ガスとして空気(酸素)が供給され、以下に示す電極反応が進行し、電力が発電される。   In the fuel cell stack 1, hydrogen gas is supplied as fuel gas to the anode, and air (oxygen) is supplied as oxidant gas to the cathode, and the electrode reaction shown below proceeds to generate electric power.

アノード極反応:H→2H+2e
カソード極反応:2H+2e+(1/2)O→H
燃料電池スタック1のアノードへの水素供給は、水素タンク2から水素タンク元弁3、減圧弁4、水素供給弁5を介してなされる。水素タンク2から供給される高圧水素は、減圧弁4で機械的に所定の圧力まで減圧され、水素供給弁5で燃料電池入口での水素圧力が、所望の水素供給量を満たすような所望の水素圧となるように、燃料電池入口側に設けられた圧力センサ9(圧力検出手段)で計測された圧力に基づいて制御される。この圧力センサ9は、水素の供給が停止された際のアノードにおける燃料ガスの圧力を検出する。
Anode electrode reaction: H 2 → 2H + + 2e
Cathode reaction: 2H + + 2e + (1/2) O 2 → H 2 O
Hydrogen is supplied to the anode of the fuel cell stack 1 from the hydrogen tank 2 through the hydrogen tank main valve 3, the pressure reducing valve 4, and the hydrogen supply valve 5. The high-pressure hydrogen supplied from the hydrogen tank 2 is mechanically reduced to a predetermined pressure by the pressure reducing valve 4, and the hydrogen pressure at the fuel cell inlet at the hydrogen supply valve 5 satisfies a desired hydrogen supply amount. The pressure is controlled based on the pressure measured by the pressure sensor 9 (pressure detecting means) provided on the fuel cell inlet side so as to be the hydrogen pressure. The pressure sensor 9 detects the pressure of the fuel gas at the anode when the supply of hydrogen is stopped.

水素供給弁5は、開閉信号に基づいて例えば駆動コイルに生じる電磁力を用いてバルブ開度が調整され、温度によって駆動コイルに流れる電流が変化したり、機械系の摩擦が変化したりすることによって、開閉信号に対応した指令開度に対する実際の開度が変化する特性を有している。このため、温度センサ10で水素供給弁5の代表温度を計測し、計測した温度に基づいて実際の開度に対応して指令開度を設定している。   The hydrogen supply valve 5 has its valve opening adjusted, for example, using electromagnetic force generated in the drive coil based on the open / close signal, and the current flowing through the drive coil changes depending on the temperature, or the friction of the mechanical system changes. Therefore, the actual opening degree with respect to the command opening degree corresponding to the open / close signal changes. For this reason, the representative temperature of the hydrogen supply valve 5 is measured by the temperature sensor 10, and the command opening is set corresponding to the actual opening based on the measured temperature.

すなわち、温度に対する指令開度と実開度との関係を予め実験や机上検討のシミュレーション等で求め、求めた関係をマップとして記憶装置等に記憶させて用意し、このマップを参照して水素供給弁5の開度を調整制御する。なお、温度と開度との基本特性は、温度が上昇するにしたがって指令開度に対する実開度の誤差が小さくなる傾向がある。   In other words, the relationship between the commanded opening and the actual opening with respect to the temperature is obtained in advance through simulations of experiments and desk studies, etc., and the obtained relationship is stored in a storage device or the like as a map, and hydrogen is supplied with reference to this map. The opening degree of the valve 5 is adjusted and controlled. The basic characteristics of temperature and opening tend to reduce the error of the actual opening with respect to the command opening as the temperature rises.

水素循環ポンプ6は、アノードで消費されなかった水素を再循環させるために設置される。カソード側には空気を供給するため、空気に含まれて化学反応しない窒素が、燃料電池スタック1の電解質膜を透過して水素経路内に蓄積する。蓄積した窒素量が多くなりすぎると、水素循環ポンプ6によって水素を循環させることができなくなるため、循環経路内の窒素量を管理する必要がある。したがって、循環経路内の窒素をパージ弁7を介して外部に排出し、水素経路内に存在する窒素量を循環性能が維持できる程度に管理する。   The hydrogen circulation pump 6 is installed to recycle hydrogen that has not been consumed at the anode. Since air is supplied to the cathode side, nitrogen that is contained in the air and does not chemically react passes through the electrolyte membrane of the fuel cell stack 1 and accumulates in the hydrogen path. If the accumulated amount of nitrogen becomes too large, hydrogen cannot be circulated by the hydrogen circulation pump 6, so it is necessary to manage the amount of nitrogen in the circulation path. Therefore, the nitrogen in the circulation path is discharged to the outside through the purge valve 7, and the amount of nitrogen existing in the hydrogen path is managed to such an extent that the circulation performance can be maintained.

希釈装置8は、パージ弁7を介して窒素を排出する際に同時に排出される水素をシステム外へ放出する前に、燃料電池スタック1から排出された未使用の空気を導入し、導入した空気と水素とを撹拌して希釈し、システム外に排気する。水素処理系は、これ以外にも燃焼器を備えたり、希釈装置を持たずに直接排出する方式でもよい。   The diluting device 8 introduces unused air discharged from the fuel cell stack 1 before releasing the hydrogen discharged simultaneously with the purge valve 7 when nitrogen is discharged to the outside of the system. And hydrogen are stirred to dilute and exhausted out of the system. In addition to this, the hydrogen treatment system may include a combustor or a direct discharge method without a dilution device.

燃料電池スタック1のカソードには、コンプレッサ11により加圧された空気が供給され、空気調圧弁12はカソードに供給される空気の圧力を調整し、空気の圧力は燃料電池スタック1近傍に設けられた圧力センサ13で計測された圧力に基づいて調整される。例えば、燃料電池スタック1から取り出す電力を大きくしたい場合には、燃料電池スタック1に供給される空気を加圧することによって、取り出し可能なエネルギー密度へ燃料電池スタック1内の反応効率を上げる。   Air pressurized by the compressor 11 is supplied to the cathode of the fuel cell stack 1, and the air pressure regulating valve 12 adjusts the pressure of the air supplied to the cathode, and the air pressure is provided in the vicinity of the fuel cell stack 1. It is adjusted based on the pressure measured by the pressure sensor 13. For example, when it is desired to increase the electric power extracted from the fuel cell stack 1, the reaction efficiency in the fuel cell stack 1 is increased to an energy density that can be extracted by pressurizing the air supplied to the fuel cell stack 1.

コンプレッサ11は、温度が上昇することによって体積効率が悪化し、回転数に対する流量特性が悪化するといった特性を有している。このため、燃料電池スタック1のカソード入口に設けられた温度センサ14でコンプレッサ11から排出される空気の温度を計測し、計測した空気の温度をコンプレッサ11の代表温度とし、この代表温度に基づいてコンプレッサ11の回転駆動を制御する。すなわち、温度に対する回転数と排出流量との関係を予め実験や机上検討のシミュレーション等で求め、求めた関係をマップとして記憶装置等に記憶させて用意し、このマップを参照してコンプレッサ11の回転駆動を制御する。   The compressor 11 has such characteristics that volumetric efficiency deteriorates due to temperature rise, and flow rate characteristics with respect to the rotational speed deteriorate. For this reason, the temperature of the air discharged from the compressor 11 is measured by the temperature sensor 14 provided at the cathode inlet of the fuel cell stack 1, and the measured temperature of the air is set as the representative temperature of the compressor 11, and based on this representative temperature. The rotational drive of the compressor 11 is controlled. That is, the relationship between the rotational speed with respect to the temperature and the discharge flow rate is obtained in advance through simulations of experiments and desktop examinations, etc., and the obtained relationship is prepared as a map stored in a storage device or the like. Control the drive.

また、コンプレッサ11は、大気圧が低下することによって吸入する空気密度が低下し、回転数に対する流量特性が悪化するといった特性を有している。このため、大気圧センサ19で大気圧を計測し、計測した大気圧に基づいてコンプレッサ11の回転駆動を制御する。すなわち、大気圧に対する回転数と排出流量との関係を予め実験や机上検討のシミュレーション等で求め、求めた関係をマップとして記憶装置等に記憶させて用意し、このマップを参照してコンプレッサ11の回転駆動を制御する。   Further, the compressor 11 has such characteristics that the air density to be sucked in is reduced due to the drop in the atmospheric pressure, and the flow rate characteristic with respect to the rotational speed is deteriorated. For this reason, the atmospheric pressure is measured by the atmospheric pressure sensor 19, and the rotational drive of the compressor 11 is controlled based on the measured atmospheric pressure. That is, the relationship between the rotational speed with respect to the atmospheric pressure and the discharge flow rate is obtained in advance through simulations of experiments and desk studies, and the obtained relationship is stored as a map in a storage device or the like. Controls rotational drive.

電圧センサ15は、燃料電池スタック1に設けられ、燃料電池スタック1を構成する多数のセル毎、または所定のセル枚数のセル群毎のセル電圧を測定する。   The voltage sensor 15 is provided in the fuel cell stack 1 and measures a cell voltage for each of a large number of cells constituting the fuel cell stack 1 or a predetermined number of cells.

パワーマネージャー16(電流取出手段)は、燃料電池スタック1から電力を取り出して、取り出した電力を主に消費する消費体、例えば燃料電池車両等の移動体を駆動させる駆動モータ(図示せず)へ供給する。パワーマネージャー16は、電力取り出し制御のために、燃料電池スタック1から取り出す電流を計測する機能(電流検出手段)を有している。   The power manager 16 (current extraction means) takes out electric power from the fuel cell stack 1, and drives to a consumer that mainly consumes the extracted electric power, for example, a drive motor (not shown) that drives a moving body such as a fuel cell vehicle. Supply. The power manager 16 has a function (current detection means) for measuring a current taken out from the fuel cell stack 1 for power take-out control.

2次バッテリ17は、燃料電池システムで発電を行うために必要な補機類を駆動させるために必要な電力を供給し、燃料電池システムに要求される電力に対して燃料電池スタック1の発電電力が不足する場合に、不足分の電力を供給する。2次バッテリ17は、逆に燃料電池スタック1の発電電力が余剰になったときには余剰電力を蓄電する。また、2次バッテリ17は、燃料電池スタック1で得られた電力を主に消費する消費体が駆動モータである場合には、この駆動モータの回生電力を充電する。   The secondary battery 17 supplies power necessary for driving auxiliary machinery necessary for generating power in the fuel cell system, and the generated power of the fuel cell stack 1 with respect to the power required for the fuel cell system. When there is a shortage of power, supply the power for the shortage. Conversely, the secondary battery 17 stores surplus power when the generated power of the fuel cell stack 1 becomes surplus. Further, when the consumer that mainly consumes the electric power obtained by the fuel cell stack 1 is a drive motor, the secondary battery 17 charges the regenerative power of the drive motor.

バッテリコントローラ18は、上記2次バッテリ17の充電量を計測し、2次バッテリの充放電を制御する。   The battery controller 18 measures the charge amount of the secondary battery 17 and controls charging / discharging of the secondary battery.

コントローラ20(制御手段)は、本システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、CPU、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。コントローラ20は、上記各センサならびにこれらのセンサで得られない他の圧力、温度、濃度、電圧、電流等本システムの運転に必要な情報を収集するセンサ(図示せず)からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック(プログラム)に基づいて、上記各弁のアクチュエータを含む本システムの制御を要する構成要素に指令を送り、以下に説明する滞留酸素量の推定ならびに起動制御終了の判定動作を含む本システムの運転/停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。コントローラ20は、スタートスイッチ(図示せず)から与えられる起動開始指令や発電停止指令に基づいて、起動開始制御や発電停止制御を実行する。本燃料電池システムが燃料電池車両に搭載されている場合には、スタートスイッチは車両のイグニッションキーとなり、またアクセル開度に基づいて発電時の発電量を制御している。   The controller 20 (control means) functions as a control center that controls the operation of the system, and includes resources such as a CPU, a storage device, and an input / output device necessary for a computer that controls various operation processes based on a program. For example, it is realized by a microcomputer or the like. The controller 20 reads signals from the sensors (not shown) that collect information necessary for operation of the system, such as the above-mentioned sensors and other pressures, temperatures, concentrations, voltages, and currents that cannot be obtained by these sensors. Based on the various signals read and control logic (program) stored in advance, commands are sent to the components that require control of the system, including the actuators of the above-mentioned valves. All operations necessary for operation / stop of this system including the control end judgment operation are managed and controlled. The controller 20 executes start start control and power generation stop control based on a start start command and a power generation stop command given from a start switch (not shown). When this fuel cell system is mounted on a fuel cell vehicle, the start switch serves as an ignition key for the vehicle, and controls the amount of power generated during power generation based on the accelerator opening.

図2はコントローラ20に含まれる記憶装置等に記憶される制御ロジック(プログラム)の構成を示す図である。制御ロジックには、アノードに供給される水素ガスの圧力を制御するアノード圧力制御手段21Aを含み、燃料電池システムの起動時における起動制御を司る起動制御手段21と、起動制御とこの起動制御が完了した後に移行される通常発電とを切り替える起動制御/通常発電制御切替手段22と、通常発電を制御する通常発電制御手段23を備えて構成されている。   FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of control logic (program) stored in a storage device or the like included in the controller 20. The control logic includes anode pressure control means 21A for controlling the pressure of the hydrogen gas supplied to the anode. The start control means 21 for controlling the start-up control at the start-up of the fuel cell system, the start control and the start control are completed. After that, it is configured to include a start-up control / normal power generation control switching means 22 for switching between normal power generation and a normal power generation control means 23 for controlling normal power generation.

次に、図3を参照して、実施例1に係る燃料電池システムを例えば車両に搭載した場合を一例としてその動作を説明する。図3はこの実施例1に係る燃料電池システムの起動時の動作を示すフローチャートである。   Next, the operation of the fuel cell system according to the first embodiment will be described as an example with reference to FIG. FIG. 3 is a flowchart showing the operation at the start-up of the fuel cell system according to the first embodiment.

なお、本システムは、システムの停止放置時点においてすべての構成要素が停止状態にあり、水素供給弁5はバルブ閉、水素循環ポンプ6は停止、パージ弁7はバルブ閉としている。   In this system, all the components are in a stopped state when the system is stopped, the hydrogen supply valve 5 is closed, the hydrogen circulation pump 6 is stopped, and the purge valve 7 is closed.

先ず、ドライバーがイグニッションをオンにしてシステムの起動を開始したとき、2次バッテリ17や図示しないガソリン車両で搭載する鉛蓄電池からアクセサリー類やシステム補機部品へ電力の供給が開始され、発電に向けたシステム稼動準備を開始する。各種補機部品とコントローラ20との信号のやり取りによって、コントローラ20の制御ロジック(プログラム)では例えばフラグやタイマ等の信号処理を実行して初期化し、起動制御を実行する準備が完了したか否かを判断し、起動実行許可フラグが立ったところで次のステップS302に移行する(ステップS301)。   First, when the driver turns on the ignition and starts the system, the supply of power from the secondary battery 17 or lead storage battery installed in a gasoline vehicle (not shown) to the accessories and system auxiliary parts is started. Start preparing for system operation. Whether or not the control logic (program) of the controller 20 is initialized by executing signal processing such as a flag and a timer by exchanging signals between various auxiliary components and the controller 20, and is ready for execution control When the activation execution permission flag is set, the process proceeds to the next step S302 (step S301).

続いて、システムの起動制御を開始する(ステップS302)。先ず、起動制御手段21は、カソード(酸化剤極)側への空気の供給は停止し、アノード(燃料極)側のパージ弁7を閉じ、すなわちアノード内のガス排出を停止しつつ、アノード側に水素ガスを供給し、両極を電気的に接続して電流を取り出すことによりカソード側の酸素を消費する操作を開始する。   Subsequently, system activation control is started (step S302). First, the start control means 21 stops the supply of air to the cathode (oxidant electrode) side, closes the purge valve 7 on the anode (fuel electrode) side, that is, stops the gas discharge in the anode, The operation of consuming oxygen on the cathode side is started by supplying hydrogen gas to the two electrodes and electrically connecting the two electrodes to extract current.

次に、アノードに供給される水素ガスの圧力(アノード圧力)を圧力センサ9からコントローラ20に読み込む(ステップS303)。アノード圧力の読み込み方法としては、水素の供給を開始してから所定時間経過後の圧力を読み込むのでもよいし、または水素供給開始直後から圧力を読み取り続けてもよい。   Next, the pressure of the hydrogen gas supplied to the anode (anode pressure) is read from the pressure sensor 9 into the controller 20 (step S303). As a method for reading the anode pressure, the pressure after a lapse of a predetermined time from the start of hydrogen supply may be read, or the pressure may be continuously read immediately after the start of hydrogen supply.

次に、読み込んだアノード圧力に係わる推定パラメータ(X)に基づいて、アノードに滞留する酸素量を推定し、また投入した水素ガスで滞留する酸素量を消費するのに必要な消失時間を推定し、この消失時間を起動制御を継続する時間(起動制御時間)として設定し、設定した起動制御時間を例えばコントローラ20に備えられたタイマーにセットする(ステップS304)。   Next, based on the estimated parameter (X) relating to the read anode pressure, the amount of oxygen staying in the anode is estimated, and the disappearance time required to consume the amount of oxygen staying in the hydrogen gas input is estimated. The disappearance time is set as a time for continuing the start control (start control time), and the set start control time is set in, for example, a timer provided in the controller 20 (step S304).

続いて、タイマーにセットされた起動制御時間をカウントダウンし、カウント値が0になったか否かを判別する(ステップS305)。   Subsequently, the activation control time set in the timer is counted down, and it is determined whether or not the count value has become 0 (step S305).

次に、判別の結果、カウント値が0になると、起動制御は完了したものと判断し、コントローラ20内の起動制御/通常発電制御切替手段22によりシステムを起動制御状態から通常発電制御状態に切り替えて、通常発電制御に移行すべくコンプレッサ11および空気調圧弁12を駆動させ、カソード側に空気供給を開始する(ステップS306)。   Next, if the count value becomes 0 as a result of determination, it is determined that the start control is completed, and the system is switched from the start control state to the normal power generation control state by the start control / normal power generation control switching means 22 in the controller 20. Then, the compressor 11 and the air pressure regulating valve 12 are driven to shift to the normal power generation control, and the air supply to the cathode side is started (step S306).

その後、通常発電制御手段23を用いて通常発電制御を開始する(ステップS307)。   Thereafter, normal power generation control is started using the normal power generation control means 23 (step S307).

ここで、燃料電池システムを起動する際に、起動制御を実行する必要性について説明する。燃料電池システムを長期に放置した後に、上述した起動制御を行わずに通常起動した場合には、アノード側ならびにカソード側ともに空気雰囲気の状態で、アノード側へ水素ガスを供給し、かつカソード側へ空気を供給し、両極を電気的に接続して電流を取り出すため、電圧が立った状態でアノード側で水素/空気の境界面が生成される。このため、以下に示すようなカソード側の触媒を担持しているカーボン単体の腐食反応が進行し、燃料電池スタックの劣化が促進してしまう。   Here, the necessity of executing start control when starting the fuel cell system will be described. When the fuel cell system is normally started without performing the above-described start control after being left for a long period of time, hydrogen gas is supplied to the anode side in the air atmosphere on both the anode side and the cathode side, and to the cathode side. Since air is supplied and both electrodes are electrically connected to take out current, a hydrogen / air interface is generated on the anode side in a state where the voltage is raised. For this reason, the corrosion reaction of the single carbon carrying the cathode side catalyst as shown below proceeds, and the deterioration of the fuel cell stack is promoted.

C+2HO→CO+4H+4e
したがって、起動時に上記腐食反応を抑制するためには、アノード内が水素/酸素混在状態であっても電圧が立たない、すなわちカソード内の酸素を消費するようにすればよい。そこで、電圧が立たないようにするには、起動時に燃料電池スタックに固定抵抗や負荷装置を接続して両極間の電圧が所定の電圧以下となるように電流を取り出すことを実行する。
C + 2H 2 O → CO 2 + 4H + + 4e
Therefore, in order to suppress the above corrosion reaction at the time of start-up, even if the anode is in a mixed hydrogen / oxygen state, no voltage is generated, that is, oxygen in the cathode may be consumed. Therefore, in order to prevent the voltage from standing up, a fixed resistor or a load device is connected to the fuel cell stack at the time of start-up, and the current is taken out so that the voltage between the two electrodes becomes a predetermined voltage or less.

次に、図3に示すフローチャートにおける上記各処理ステップの実施態様例を説明する。   Next, an exemplary embodiment of each of the above processing steps in the flowchart shown in FIG. 3 will be described.

(実施態様例1)
この実施態様例1では、図3のステップS304において、アノード内に滞留する酸素量ならびにその酸素量を消失するのに必要な消失時間を推定する推定パラメータをアノード圧力とし、起動制御開始後の予め設定された所定時間経過後におけるアノード圧力とアノード内酸素量との関係、ならびにアノード圧力とアノード内に滞留する酸素の消失時間との関係を、予め実機を用いて実験を行って求め(事前の実機確認)、得られた関係をテーブル化やマップ化してコントローラ20のROM等の記憶装置に記憶させて用意しておく。
Embodiment Example 1
In this embodiment example 1, in step S304 of FIG. 3, the estimation parameter for estimating the amount of oxygen staying in the anode and the disappearance time necessary for disappearing the oxygen amount is set as the anode pressure. The relationship between the anode pressure and the amount of oxygen in the anode after the set predetermined time and the relationship between the anode pressure and the disappearance time of the oxygen remaining in the anode are obtained by conducting experiments in advance using an actual machine (in advance) (Actual machine confirmation), the obtained relationship is tabulated or mapped and stored in a storage device such as a ROM of the controller 20 for preparation.

なお、消失時間のテーブルやマップを作成する際に、アノード内に酸素が十分に滞留している状態とそうでない状態との2通りの状態で実機確認し、その間を線形補間してマップやテーブルを作成してもよいが、アノード内の酸素量を変えて実機確認するとより好ましい。   When creating a table or map of the disappearance time, the actual machine is checked in two states, a state where oxygen is sufficiently retained in the anode and a state where it is not, and the map or table is interpolated between them. However, it is more preferable to confirm the actual device by changing the amount of oxygen in the anode.

起動制御/通常発電制御切替手段22は、読み込まれたアノード圧力に基づいて上記テーブルもしくはマップを参照し、アノード内酸素量ならびに消失時間を算出する。   The start control / normal power generation control switching means 22 refers to the table or map based on the read anode pressure and calculates the amount of oxygen in the anode and the disappearance time.

このような実施態様例1では、アノードに水素ガスを供給したときに、供給した一部の水素ガスはアノード内に存在する酸素と化学反応によって消失し、その過程でアノード圧力が変動する。したがって、アノード圧力の変動量はアノード内に存在する酸素量と相関がある。この相関関係を利用して、アノード圧力の挙動からアノード内に存在する酸素量を推定することが可能となる。また、アノード内に滞留する酸素量を消失するまでの消失時間も推定することが可能となる。   In Embodiment 1 like this, when hydrogen gas is supplied to the anode, a part of the supplied hydrogen gas disappears due to a chemical reaction with oxygen present in the anode, and the anode pressure fluctuates in the process. Therefore, the fluctuation amount of the anode pressure is correlated with the amount of oxygen existing in the anode. Using this correlation, the amount of oxygen present in the anode can be estimated from the behavior of the anode pressure. It is also possible to estimate the disappearance time until the amount of oxygen staying in the anode disappears.

これにより、適切に起動制御を終了させる時間を判断することができ、アノード側の酸素が消失した状態でシステムを起動制御状態から通常発電状態に移行することが可能となる。したがって、カソードの劣化を防止し、かつ起動後発電開始までの時間を最適化することが可能となる。   Thereby, it is possible to appropriately determine the time for ending the start-up control, and it is possible to shift the system from the start-up control state to the normal power generation state in a state where oxygen on the anode side has disappeared. Therefore, it is possible to prevent the cathode from deteriorating and optimize the time from the start to the start of power generation.

一方、起動終了を判断する従来公知の手法として、燃料電池スタックの電圧に基づいたものがあるが、電圧はアノード電位とカソード電位の差であるために、アノード電位(アノード酸素量)のみに基づいて判断しなければならないところ、カソード電位(カソード酸素量)の影響を受けるため、正しく起動制御の終了を判定することが困難となる。   On the other hand, as a conventionally known method for determining the end of start-up, there is a method based on the voltage of the fuel cell stack. Since the voltage is the difference between the anode potential and the cathode potential, it is based only on the anode potential (anode oxygen amount). However, since it is affected by the cathode potential (cathode oxygen amount), it is difficult to correctly determine the end of the start-up control.

また、燃料電池スタックの総電圧値が所定値以下に達した際に起動制御の終了を判定する場合には、アノード内の酸素の消費速度とカソード内の酸素の消費速度には違いがあり、アノード内の酸素消失時間と総電圧には直接的な相関がないので適切な終了判定が困難となる。そこで、総電圧とアノード内酸素量との関係を実験的に測定し、さらにある程度のマージンを持たせて起動制御の終了時間を設定することになる。   In addition, when determining the end of the start-up control when the total voltage value of the fuel cell stack reaches a predetermined value or less, there is a difference between the oxygen consumption rate in the anode and the oxygen consumption rate in the cathode, Since there is no direct correlation between the oxygen disappearance time in the anode and the total voltage, it is difficult to determine an appropriate end. Therefore, the relationship between the total voltage and the amount of oxygen in the anode is experimentally measured, and the end time of the start-up control is set with a certain margin.

しかし、車両に搭載された燃料電池システムにおいて、アノード内/カソード内の酸素量や電圧との関係にずれが生じた場合には、起動制御が短ければ燃料電池スタックの劣化を抑制できず、逆に起動制御が長ければ起動時間延長によって運転性が悪化することになる。   However, in a fuel cell system mounted on a vehicle, if a deviation occurs in the relationship between the amount of oxygen and the voltage in the anode / cathode, the deterioration of the fuel cell stack cannot be suppressed if the start-up control is short. However, if the start control is long, the drivability is deteriorated by extending the start time.

これに対して、本願発明では、既存のシステム構成要素だけでアノードの滞留酸素量そのものを推定して、推定した酸素量に応じて起動終了を判定することで、システムの複雑化を回避しつつ、好適な劣化抑制制御の実行と、起動時間の最適化を両立することができる。   On the other hand, in the present invention, the amount of oxygen staying in the anode itself is estimated using only the existing system components, and the start end is determined according to the estimated amount of oxygen, thereby avoiding complication of the system. Therefore, it is possible to achieve both execution of suitable deterioration suppression control and optimization of the startup time.

(実施態様例2)
この実施態様例2では、図3のステップS302において、起動制御手段21におけるアノード圧力制御手段21Aによりアノード圧力の指令値(制御目標値)を生成する。
Embodiment Example 2
In this embodiment example 2, in step S302 of FIG. 3, the anode pressure control means 21A in the start-up control means 21 generates an anode pressure command value (control target value).

ステップS303では、圧力センサ9のアノード圧力を読み込んだ後、アノード圧力制御手段21Aの制御の下に、読み込んだアノード圧力とアノード圧力指令値とを比較して、読み込んだ圧力値が指令値に一致するように水素供給弁5へ開閉信号を出力してアノード圧力を制御する。   In step S303, after the anode pressure of the pressure sensor 9 is read, the read anode pressure is compared with the anode pressure command value under the control of the anode pressure control means 21A, and the read pressure value matches the command value. Thus, the anode pressure is controlled by outputting an open / close signal to the hydrogen supply valve 5.

ステップS304では、アノード内に滞留する酸素量ならびにその酸素量を消失するのに必要な消失時間を推定する推定パラメータをアノード圧力とし、起動制御開始後の予め設定された所定時間経過後におけるアノード圧力とアノード内酸素量との関係、ならびにアノード圧力と滞留する酸素の消失時間との関係を、予め実機を用いて実験を行い求め(事前の実機確認)、得られた関係をテーブル化やマップ化してコントローラ20のROM等の記憶装置に記憶させて用意しておく。   In step S304, the anode pressure is an estimated parameter for estimating the amount of oxygen remaining in the anode and the disappearance time necessary to eliminate the oxygen amount, and the anode pressure after a predetermined time has elapsed after start control is started. The relationship between the anode and the amount of oxygen in the anode, and the relationship between the anode pressure and the disappearance time of stagnant oxygen were obtained in advance using an actual machine (preliminary actual machine confirmation), and the obtained relation was tabulated and mapped. And stored in a storage device such as a ROM of the controller 20.

起動制御/通常発電制御切替手段22は、読み込まれたアノード圧力に基づいて上記テーブルもしくはマップを参照し、アノード内酸素量ならびに消失時間を算出する。その後は、先の実施態様例1と同様である。   The start control / normal power generation control switching means 22 refers to the table or map based on the read anode pressure and calculates the amount of oxygen in the anode and the disappearance time. The subsequent steps are the same as those in the first embodiment.

このような実施態様例2では、先の実施態様例1と同様の効果を得ることができる一方、起動制御時のアノード圧力を目標値に制御することで、システムの構成要素のばらつきによる水素ガスの投入量のばらつきを抑制することが可能となり、安定したアノード圧力の挙動が得られる。これにより、アノード内の酸素量ならびに消失時間の推定精度を高めることができる。   In Embodiment 2 as described above, the same effect as in Embodiment 1 above can be obtained. On the other hand, by controlling the anode pressure at the start-up control to the target value, hydrogen gas due to variations in system components can be obtained. Therefore, it is possible to suppress the variation in the input amount of the anode, and a stable behavior of the anode pressure can be obtained. Thereby, the estimation accuracy of the amount of oxygen in the anode and the disappearance time can be increased.

(実施態様例3)
この実施態様例3では、図3のステップS302ならびにステップS303は、先の実施態様例2と同様である。
Embodiment Example 3
In the third embodiment, steps S302 and S303 in FIG. 3 are the same as in the second embodiment.

ステップS304では、アノード内に滞留する酸素量ならびにその酸素量を消失するのに必要な消失時間を推定する推定パラメータを、読み込んだアノード圧力とアノード圧力指令値との差圧とし、起動制御開始後の予め設定された所定時間経過後における上記差圧とアノード内酸素量との関係、ならびにアノード圧力と滞留する酸素の消失時間との関係を、予め実機を用いて実験を行い求め(事前の実機確認)、得られた関係をテーブル化やマップ化してコントローラ20のROM等の記憶装置に記憶させて用意しておく。   In step S304, the estimation parameter for estimating the amount of oxygen staying in the anode and the disappearance time required to eliminate the oxygen amount is set as a differential pressure between the read anode pressure and the anode pressure command value, and after starting control is started. The relationship between the differential pressure and the amount of oxygen in the anode after the elapse of a predetermined time set in advance, and the relationship between the anode pressure and the disappearance time of stagnant oxygen are obtained by conducting experiments in advance using an actual machine. Confirmation), the obtained relationship is tabulated or mapped and stored in a storage device such as a ROM of the controller 20 for preparation.

起動制御/通常発電制御切替手段22は、読み込まれたアノード圧力とアノード圧力指令値との差圧を演算し、その差圧に基づいて上記テーブルもしくはマップを参照し、アノード内酸素量ならびに消失時間を算出する。その後は、先の実施態様例1と同様である。   The start control / normal power generation control switching means 22 calculates the differential pressure between the read anode pressure and the anode pressure command value, refers to the table or map based on the differential pressure, and determines the amount of oxygen in the anode and the disappearance time. Is calculated. The subsequent steps are the same as those in the first embodiment.

このような実施態様例3においても、先の実施態様例2と同様の効果を得ることができる。   In Embodiment 3 like this, the same effect as in Embodiment 2 can be obtained.

(実施態様例4)
この実施態様例4では、図3のステップS302ならびにステップS303は、先の実施態様例2と同様である。
(Embodiment example 4)
In the fourth embodiment, step S302 and step S303 in FIG. 3 are the same as in the second embodiment.

ステップS304では、アノード内に滞留する酸素量ならびにその酸素量を消失するのに必要な消失時間を推定する推定パラメータを、読み込んだアノード圧力とアノード圧力指令値との差圧の積分値し、起動制御開始後の所定の時間範囲内の上記積分値とアノード内酸素量との関係、ならびにアノード圧力と滞留する酸素の消失時間との関係を、予め実機を用いて実験を行い求め(事前の実機確認)、得られた関係をテーブル化やマップ化してコントローラ20のROM等の記憶装置に記憶させて用意しておく。   In step S304, an estimation parameter for estimating the amount of oxygen staying in the anode and the disappearance time required to disappear the oxygen amount is integrated by integrating the differential pressure between the read anode pressure and the anode pressure command value. The relationship between the integrated value within the predetermined time range after the start of control and the amount of oxygen in the anode, and the relationship between the anode pressure and the disappearance time of stagnant oxygen are obtained by conducting experiments using actual devices in advance (preliminary actual devices). Confirmation), the obtained relationship is tabulated or mapped and stored in a storage device such as a ROM of the controller 20 for preparation.

起動制御/通常発電制御切替手段22は、読み込まれたアノード圧力とアノード圧力指令値との差圧の積分値を演算し、その積分値に基づいて上記テーブルもしくはマップを参照し、アノード内酸素量ならびに消失時間を算出する。その後は、先の実施態様例1と同様である。   The start control / normal power generation control switching means 22 calculates an integrated value of the differential pressure between the read anode pressure and the anode pressure command value, refers to the table or map based on the integrated value, and determines the oxygen amount in the anode. As well as the disappearance time. The subsequent steps are the same as those in the first embodiment.

このような実施態様例4においても、先の実施態様例2と同様の効果を得ることができる。   In Embodiment 4 as described above, the same effect as in Embodiment 2 can be obtained.

(実施態様例5)
この実施態様例5では、図3のステップS302ならびにステップS303は、先の実施態様例2と同様である。
(Embodiment example 5)
In this embodiment example 5, step S302 and step S303 in FIG. 3 are the same as in the previous embodiment example 2.

ステップS304では、アノード内に滞留する酸素量ならびにその酸素量を消失するのに必要な消失時間を推定する推定パラメータを、起動制御開始後の所定時間経過後に読み込んだアノード圧力とアノード圧力指令値との差圧の最大値とし、起動制御開始後の所定時間経過後の上記最大値とアノード内酸素量との関係、ならびにアノード圧力と滞留する酸素の消失時間との関係を、予め実機を用いて実験を行い求め(事前の実機確認)、得られた関係をテーブル化やマップ化してコントローラ20のROM等の記憶装置に記憶させて用意しておく。   In step S304, the estimated amount of oxygen staying in the anode and the estimation parameter for estimating the disappearance time necessary for disappearing the oxygen amount are read as the anode pressure and the anode pressure command value read after a lapse of a predetermined time after starting the start control. The relationship between the maximum value after the elapse of a predetermined time after the start of the start-up control and the amount of oxygen in the anode, and the relationship between the anode pressure and the disappearance time of stagnant oxygen were previously determined using an actual machine. An experiment is performed and obtained (preliminary actual machine confirmation), and the obtained relationship is tabulated or mapped and stored in a storage device such as a ROM of the controller 20 for preparation.

起動制御/通常発電制御切替手段22は、読み込まれたアノード圧力とアノード圧力指令値との差圧の最大値を演算し、その最大値に基づいて上記テーブルもしくはマップを参照し、アノード内酸素量ならびに消失時間を算出する。その後は、先の実施態様例1と同様である。   The start control / normal power generation control switching means 22 calculates the maximum value of the differential pressure between the read anode pressure and the anode pressure command value, refers to the above table or map based on the maximum value, and determines the oxygen amount in the anode. As well as the disappearance time. The subsequent steps are the same as those in the first embodiment.

このような実施態様例5においても、先の実施態様例2と同様の効果を得ることができる。   In Embodiment 5 as described above, the same effect as in Embodiment 2 can be obtained.

(実施態様例6)
この実施態様例6では、図3のステップS302ならびにステップS303は、先の実施態様例2と同様である。
(Embodiment example 6)
In this embodiment example 6, step S302 and step S303 in FIG. 3 are the same as in the previous embodiment example 2.

ステップS304では、アノード内に滞留する酸素量ならびにその酸素量を消失するのに必要な消失時間を推定する推定パラメータを、起動制御開始後に読み込んだアノード圧力の最大値とし、この最大値とアノード内酸素量との関係、ならびにアノード圧力と滞留する酸素の消失時間との関係を、予め実機を用いて実験を行い求め(事前の実機確認)、得られた関係をテーブル化やマップ化してコントローラ20のROM等の記憶装置に記憶させて用意しておく。   In step S304, the estimation parameter for estimating the amount of oxygen staying in the anode and the disappearance time necessary for disappearing the oxygen amount is set as the maximum value of the anode pressure read after the start control is started, The relationship between the oxygen amount and the relationship between the anode pressure and the disappearance time of the stagnation oxygen is obtained by conducting an experiment in advance using an actual machine (preliminary actual machine confirmation), and the obtained relationship is tabulated or mapped to the controller 20. And stored in a storage device such as a ROM.

起動制御/通常発電制御切替手段22は、読み込まれたアノード圧力の最大値を演算し、その最大値に基づいて上記テーブルもしくはマップを参照し、アノード内酸素量ならびに消失時間を算出する。その後は、先の実施態様例1と同様である。   The start control / normal power generation control switching means 22 calculates the maximum value of the read anode pressure, and calculates the amount of oxygen in the anode and the disappearance time by referring to the table or map based on the maximum value. The subsequent steps are the same as those in the first embodiment.

このような実施態様例6においても、先の実施態様例2と同様の効果を得ることができる。   In Embodiment 6 like this, the same effect as in Embodiment 2 can be obtained.

(実施態様例7)
この実施態様例7では、図3のステップS302ならびにステップS303は、先の実施態様例2と同様である。
Embodiment Example 7
In this embodiment example 7, step S302 and step S303 in FIG. 3 are the same as in the previous embodiment example 2.

ステップS304では、アノード内に滞留する酸素量ならびにその酸素量を消失するのに必要な消失時間を推定する推定パラメータを、起動制御開始後に読み込んだアノード圧力がアノード圧力指令値に至るまでの到達時間とし、この到達時間とアノード内酸素量との関係、ならびにアノード圧力と滞留する酸素の消失時間との関係を、予め実機を用いて実験を行い求め(事前の実機確認)、得られた関係をテーブル化やマップ化してコントローラ20のROM等の記憶装置に記憶させて用意しておく。   In step S304, an estimated parameter for estimating the amount of oxygen staying in the anode and the disappearance time necessary to eliminate the oxygen amount is the arrival time until the anode pressure read after the start control starts reaches the anode pressure command value. The relationship between the arrival time and the amount of oxygen in the anode, and the relationship between the anode pressure and the disappearance time of the remaining oxygen was determined in advance using an actual machine (preliminary actual machine confirmation). Prepared in a table or map and stored in a storage device such as a ROM of the controller 20.

起動制御/通常発電制御切替手段22は、上記到達時間を演算し、その到達時間に基づいて上記テーブルもしくはマップを参照し、アノード内酸素量ならびに消失時間を算出する。その後は、先の実施態様例1と同様である。   The start control / normal power generation control switching means 22 calculates the arrival time, refers to the table or map based on the arrival time, and calculates the amount of oxygen in the anode and the disappearance time. The subsequent steps are the same as those in the first embodiment.

このような実施態様例5においても、先の実施態様例2と同様の効果を得ることができる。   In Embodiment 5 as described above, the same effect as in Embodiment 2 can be obtained.

(実施態様例8)
この実施態様例8では、図3のステップS302ならびにステップS303は、先の実施態様例2と同様である。
(Embodiment example 8)
In this embodiment example 8, step S302 and step S303 in FIG. 3 are the same as in the previous embodiment example 2.

ステップS304では、アノード内に滞留する酸素量ならびにその酸素量を消失するのに必要な消失時間を推定する推定パラメータを、アノード圧力の昇圧速度とし、この昇圧速度とアノード内酸素量との関係、ならびにアノード圧力と滞留する酸素の消失時間との関係を、予め実機を用いて実験を行い求め(事前の実機確認)、得られた関係をテーブル化やマップ化してコントローラ20のROM等の記憶装置に記憶させて用意しておく。   In step S304, the estimation parameter for estimating the amount of oxygen staying in the anode and the disappearance time necessary to eliminate the oxygen amount is the anode pressure increase rate, and the relationship between this increase rate and the oxygen amount in the anode, In addition, the relationship between the anode pressure and the disappearance time of the remaining oxygen is obtained by conducting an experiment in advance using an actual machine (preliminary actual machine confirmation), and the obtained relationship is tabulated or mapped to a storage device such as a ROM of the controller 20 Make sure to memorize it.

起動制御/通常発電制御切替手段22は、起動開始後にアノード圧力が指令値に至るまでの間で読み込んだアノード圧力を所定の時間蓄積してそれを微分することでアノード圧力の昇圧速度を演算し、この昇圧速度に基づいて上記テーブルもしくはマップを参照し、アノード内酸素量ならびに消失時間を算出する。その後は、先の実施態様例1と同様である。   The start control / normal power generation control switching means 22 calculates the pressure increase rate of the anode pressure by accumulating the anode pressure read until the anode pressure reaches the command value after starting the start for a predetermined time and differentiating it. Based on the pressure increase rate, the above table or map is referred to calculate the amount of oxygen in the anode and the disappearance time. The subsequent steps are the same as those in the first embodiment.

このような実施態様例8においても、先の実施態様例2と同様の効果を得ることができる。   In Embodiment 8 as described above, the same effect as in Embodiment 2 can be obtained.

(実施態様例9)
この実施態様例9では、図3のステップS302ならびにステップS303は、先の実施態様例2と同様である。
(Embodiment example 9)
In this embodiment example 9, step S302 and step S303 in FIG. 3 are the same as in the previous embodiment example 2.

ステップS304では、アノード内に滞留する酸素量ならびにその酸素量を消失するのに必要な消失時間を推定する推定パラメータを、アノード圧力の昇圧速度の平均値もくは昇圧速度のばらつきとし、この平均値またはばらつきとアノード内酸素量との関係、ならびにアノード圧力と滞留する酸素の消失時間との関係を、予め実機を用いて実験を行い求め(事前の実機確認)、得られた関係をテーブル化やマップ化してコントローラ20のROM等の記憶装置に記憶させて用意しておく。   In step S304, the estimation parameter for estimating the amount of oxygen staying in the anode and the disappearance time required to disappear the oxygen amount is the average value of the pressure increase rate of the anode pressure or the variation in the pressure increase rate. The relationship between the value or variation and the amount of oxygen in the anode, and the relationship between the anode pressure and the disappearance time of the remaining oxygen are obtained by conducting experiments using actual devices in advance (preliminary actual device confirmation), and the obtained relationships are tabulated. Or is mapped and stored in a storage device such as a ROM of the controller 20 for preparation.

起動制御/通常発電制御切替手段22は、起動開始後にアノード圧力が指令値に至るまでの間で読み込んだアノード圧力を所定の時間蓄積してそれを微分することでアノード圧力の昇圧速度を演算した後、続いてこの昇圧速度の平均値もしくはばらつきを演算し、この平均値もしくはばらつきに基づいて上記テーブルもしくはマップを参照し、アノード内酸素量ならびに消失時間を算出する。その後は、先の実施態様例1と同様である。   The start control / normal power generation control switching means 22 calculates the pressure increase rate of the anode pressure by accumulating the anode pressure read until the anode pressure reaches the command value after starting the start for a predetermined time and differentiating it. Thereafter, the average value or variation of the pressure increase rate is calculated, and the amount of oxygen in the anode and the disappearance time are calculated by referring to the table or map based on the average value or variation. The subsequent steps are the same as those in the first embodiment.

このような実施態様例9においても、先の実施態様例2と同様の効果を得ることができる。一方、アノードに滞留する酸素が多いほど酸素の消費にムラが生じる場合があり、この場合にはアノード圧力の昇圧挙動が常に一定ではなく不安定となる。このような場合には、アノード圧力の昇圧速度の平均値やばらつきを推定パラメータとすることで、酸素の消費にムラがある場合でも、良好な推定精度を得ることが可能となる。   In Embodiment 9 like this, the same effect as in Embodiment 2 can be obtained. On the other hand, as the amount of oxygen staying at the anode increases, the consumption of oxygen may become uneven, and in this case, the pressure increase behavior of the anode pressure is not always constant and becomes unstable. In such a case, by using the average value and variation of the pressure increase rate of the anode pressure as the estimation parameter, it is possible to obtain a good estimation accuracy even when the oxygen consumption is uneven.

(実施態様例10)
この実施態様例10では、図3のステップS302ならびにステップS303は、先の実施態様例2と同様である。
(Embodiment Example 10)
In the tenth embodiment, step S302 and step S303 in FIG. 3 are the same as in the second embodiment.

ステップS304では、アノード内に滞留する酸素量ならびにその酸素量を消失するのに必要な消失時間を推定する推定パラメータを、読み込んだアノード圧力がアノード圧力指令値に達した後の所定時間経過後に読み込んだアノード圧力とし、このアノード圧力とアノード内酸素量との関係、ならびにアノード圧力と滞留する酸素の消失時間との関係を、予め実機を用いて実験を行い求め(事前の実機確認)、得られた関係をテーブル化やマップ化してコントローラ20のROM等の記憶装置に記憶させて用意しておく。   In step S304, an estimation parameter for estimating the amount of oxygen staying in the anode and the disappearance time necessary to eliminate the oxygen amount is read after a predetermined time has elapsed after the read anode pressure reaches the anode pressure command value. It was determined that the relationship between the anode pressure and the amount of oxygen in the anode as well as the relationship between the anode pressure and the disappearance time of the remaining oxygen was obtained by conducting experiments using actual equipment in advance (confirmation in advance). These relationships are tabulated or mapped and stored in a storage device such as a ROM of the controller 20 for preparation.

起動制御/通常発電制御切替手段22は、上記アノード圧力に基づいて上記テーブルもしくはマップを参照し、アノード内酸素量ならびに消失時間を算出する。その後は、先の実施態様例1と同様である。   The start control / normal power generation control switching means 22 refers to the table or map based on the anode pressure and calculates the amount of oxygen in the anode and the disappearance time. The subsequent steps are the same as those in the first embodiment.

起動制御を開始した後、アノード圧力が指令値に到達した後、アノード圧力は酸素の消費とともに低下するが、これは起動制御開始直後における未反応の酸素が水素と徐々に反応して消費されたためであり、酸素の減少につれてアノード圧力の降下率が小さくなり、この時点でのアノード圧力を推定パラメータに設定することで、良好な推定精度を得ることが可能となる。   After the start control starts, the anode pressure decreases with the consumption of oxygen after the anode pressure reaches the command value. This is because the unreacted oxygen immediately after starting the start control is gradually consumed with hydrogen and consumed. As the oxygen decreases, the rate of decrease in the anode pressure decreases. By setting the anode pressure at this point as an estimation parameter, it is possible to obtain good estimation accuracy.

このような実施態様例10においても、先の実施態様例2と同様の効果を得ることができる。   In Embodiment 10 like this, the same effect as in Embodiment 2 can be obtained.

(実施態様例11)
この実施態様例11では、図3のステップS302は、先の実施態様例2と同様である。
(Embodiment Example 11)
In this embodiment example 11, step S302 in FIG. 3 is the same as in the previous embodiment example 2.

ステップS303では、圧力センサ9のアノード圧力を読み込んだ後、アノード圧力制御手段21Aの制御の下に、読み込んだアノード圧力とアノード圧力指令値とを比較して、読み込んだ圧力値が指令値に一致するように水素供給弁5へ開閉信号を出力して、アノード圧力を制御する。読み込んだアノード圧力が指令値に一致すると、水素供給弁5を閉じてアノードへの水素ガスの供給を停止する。   In step S303, after the anode pressure of the pressure sensor 9 is read, the read anode pressure is compared with the anode pressure command value under the control of the anode pressure control means 21A, and the read pressure value matches the command value. Thus, an open / close signal is output to the hydrogen supply valve 5 to control the anode pressure. When the read anode pressure matches the command value, the hydrogen supply valve 5 is closed and the supply of hydrogen gas to the anode is stopped.

ステップS304では、アノード内に滞留する酸素量ならびにその酸素量を消失するのに必要な消失時間を推定する推定パラメータを、水素ガスの供給停止により水素ガスがアノード内に加圧封入された状態であって、読み込んだアノード圧力がアノード圧力指令値に達した後の所定時間経過後に読み込んだアノード圧力とし、このアノード圧力とアノード内酸素量との関係、ならびにアノード圧力と滞留する酸素の消失時間との関係を、予め実機を用いて実験を行い求め(事前の実機確認)、得られた関係をテーブル化やマップ化してコントローラ20のROM等の記憶装置に記憶させて用意しておく。   In step S304, an estimation parameter for estimating the amount of oxygen staying in the anode and the disappearance time necessary to eliminate the oxygen amount is obtained in a state where hydrogen gas is pressurized and sealed in the anode by stopping the supply of hydrogen gas. The anode pressure read after a lapse of a predetermined time after the read anode pressure reaches the anode pressure command value, and the relationship between the anode pressure and the amount of oxygen in the anode, and the disappearance time of the accumulated oxygen pressure and the anode pressure The relationship is obtained by conducting an experiment using an actual machine in advance (preliminary actual machine confirmation), and the obtained relation is tabulated or mapped and stored in a storage device such as a ROM of the controller 20 in advance.

起動制御/通常発電制御切替手段22は、上記アノード圧力に基づいて上記テーブルもしくはマップを参照し、アノード内酸素量ならびに消失時間を算出する。その後は、先の実施態様例1と同様である。   The start control / normal power generation control switching means 22 refers to the table or map based on the anode pressure and calculates the amount of oxygen in the anode and the disappearance time. The subsequent steps are the same as those in the first embodiment.

アノード内に水素ガスを加圧封入した状態におけるアノード圧力の挙動を推定パラメータとすることで、水素ガスを供給し続ける場合に比べて、アノード酸素量の推定精度を高めることができる。一方、アノード圧力が指令値に到達した時点で水素ガスの投入を停止するので、アノード内の残留酸素量によっては投入した水素ガスで酸素を消費できないおそれがある。   By using the behavior of the anode pressure in a state in which hydrogen gas is pressurized and sealed in the anode as an estimation parameter, the estimation accuracy of the anode oxygen amount can be increased as compared with the case where hydrogen gas is continuously supplied. On the other hand, since the supply of hydrogen gas is stopped when the anode pressure reaches the command value, there is a possibility that oxygen cannot be consumed by the supplied hydrogen gas depending on the amount of residual oxygen in the anode.

したがって、先の実施態様例10ならびにこの実施態様例11において、起動制御開始後のアノード圧力が指令値に到達する前に実施態様例2を実施して、滞留する酸素量を推定し、その後、推定した酸素量がアノード圧力が指令値到達時までに投入される水素量で消費できるか否かを判別し、消費できない場合には水素ガスを投入し続ける先の実施態様例10を採用する一方、消費できる場合にはこの実施態様例11を採用するようにすればよい。   Therefore, in the previous embodiment example 10 and this embodiment example 11, the embodiment example 2 is performed before the anode pressure after starting the start control reaches the command value to estimate the amount of remaining oxygen, and then It is determined whether or not the estimated oxygen amount can be consumed by the amount of hydrogen input until the anode pressure reaches the command value. If the oxygen amount cannot be consumed, the previous embodiment example 10 in which hydrogen gas is continuously input is adopted. If it can be consumed, this Embodiment 11 may be adopted.

(実施態様例12)
この実施態様例12では、図3に示すフローチャートに代えて図4に示すフローチャートにしたがって起動制御を実行する。図4に示すフローチャートは、図3に示すフローチャートに対して図3のステップS304、S305に代えてステップS401、S402を実行し、他のステップS301〜S303、S306〜S307は図3と同様である。
(Embodiment example 12)
In this twelfth embodiment, activation control is executed according to the flowchart shown in FIG. 4 instead of the flowchart shown in FIG. The flowchart shown in FIG. 4 executes steps S401 and S402 instead of steps S304 and S305 in FIG. 3 with respect to the flowchart shown in FIG. 3, and the other steps S301 to S303 and S306 to S307 are the same as those in FIG. .

図4のステップS302は、先の実施態様例2と同様であり、ステップS303は先の実施態様例11と同様である。   Step S302 of FIG. 4 is the same as that of the previous embodiment example 2, and step S303 is the same as the previous embodiment example 11.

ステップS401では、先の実施態様例11と同様にしてアノード内に滞留する酸素量を演算する。   In step S401, the amount of oxygen remaining in the anode is calculated in the same manner as in the eleventh embodiment.

その後、ステップS402では、アノード内の酸素が消費されたか否かを判別する。この手法としては、水素ガスがアノード内に加圧封入された状態であって、読み込んだアノード圧力がアノード圧力指令値に達した後にアノード内の酸素が消費される際の単位時間当たりのアノード圧力の変動(降下率)とアノード内酸素量との関係を、予め実機を用いて実験を行い求め(事前の実機確認)、得られた関係をテーブル化やマップ化してコントローラ20のROM等の記憶装置に記憶させて用意しておく。   Thereafter, in step S402, it is determined whether or not oxygen in the anode has been consumed. In this method, hydrogen gas is pressurized and sealed in the anode, and the anode pressure per unit time when oxygen in the anode is consumed after the read anode pressure reaches the anode pressure command value. The relationship between the fluctuation (decrease rate) of the anode and the amount of oxygen in the anode is obtained by conducting an experiment in advance using an actual machine (preliminary actual machine confirmation), and the obtained relation is tabulated or mapped and stored in the ROM of the controller 20 or the like. Prepare it by storing it in the device.

起動制御/通常発電制御切替手段22は、読み込んだアノード圧力がアノード圧力指令値に達した後の単位時間当たりのアノード圧力の降下率を演算し、この降下率に基づいて上記テーブルもしくはマップを参照し、アノード内の酸素が消失されたか否かを判別する。   The start control / normal power generation control switching means 22 calculates the rate of decrease in anode pressure per unit time after the read anode pressure reaches the anode pressure command value, and refers to the table or map based on this rate of decrease. Then, it is determined whether or not oxygen in the anode has been lost.

判別の結果、アノード圧力の変動が所定の値以下に低下して、アノード圧力の降下率の変化がほとんど見られず投入水素ガスに応じた酸素が消費されたものと推定された場合には、ステップS306に移行する。 As a result of the determination, when it is estimated that the fluctuation of the anode pressure falls below a predetermined value and the change in the rate of decrease in the anode pressure is hardly seen and oxygen corresponding to the input hydrogen gas is consumed, The process proceeds to step S306.

このような実施態様例12においては、先の実施態様例11と同様の効果を得ることができる。   In Embodiment 12 like this, the same effect as in Embodiment 11 above can be obtained.

図5は発電状態の燃料電池システムを停止した後直ちに再起動したときの各諸量の応答(時間変化)を示す図であり、同図(a)はカソードガス濃度、同図(b)はアノードガス濃度、同図(c)は電極電位ならびに電極間電位差、同図(d)はアノードガス濃度を示している。   FIG. 5 is a diagram showing responses (time changes) of various quantities when the fuel cell system in the power generation state is stopped and restarted immediately. FIG. 5 (a) shows the cathode gas concentration and FIG. 5 (b) shows the cathode gas concentration. The anode gas concentration, FIG. 10C shows the electrode potential and the potential difference between the electrodes, and FIG. 11D shows the anode gas concentration.

図5において、起動開始前にはアノードは水素雰囲気、カソードは窒素雰囲気である。したがって、アノード、カソードの両電極ともに水素電位近傍にあり、電圧は低い状態にある。このような状態において、起動を開始すると、アノード内、カソード内にも酸素は存在しないので、発電によるカソード内酸素の電流消費も、化学反応によるアノード内酸素の電流消費もない。これにより、投入水素量の全量がアノード圧力の昇圧に使用されるため、アノード圧力の昇圧率が大きくなる。   In FIG. 5, before starting, the anode is in a hydrogen atmosphere and the cathode is in a nitrogen atmosphere. Therefore, both the anode and cathode electrodes are near the hydrogen potential, and the voltage is low. In this state, when the start-up is started, oxygen does not exist in the anode and the cathode, so there is no current consumption of oxygen in the cathode due to power generation and no current consumption of oxygen in the anode due to chemical reaction. As a result, the total amount of hydrogen input is used for increasing the anode pressure, so that the anode pressure increasing rate is increased.

図6は発電状態の燃料電池システムを停止した後放置されてカソードならびにアノードが十分に空気雰囲気の状態から起動したときの各諸量の応答(時間変化)を示す図であり、同図(a)はカソードガス濃度、同図(b)はアノードガス濃度、同図(c)は電極電位、電極間電位差、同図(d)はアノードガス濃度を示している。   FIG. 6 is a diagram showing responses (time changes) of various amounts when the fuel cell system in a power generation state is stopped and left standing and the cathode and the anode are sufficiently started from an air atmosphere state. (B) shows the anode gas concentration, (c) shows the electrode potential, the potential difference between the electrodes, and (d) shows the anode gas concentration.

図6において、アノードもカソードも空気電位にあるため、電極間電位差は0である。ここで、本発明の起動制御を採用せずに水素ガスならびに空気を同時に供給して起動した場合には、水素供給開始、空気供給開始によってカソードは空気電位を維持する一方、アノードは空気電位から水素電位へ徐々に移行する。このため、電位差が生じかつこの電位差が続き、アノード側で水素/空気ガスの境界面が生成され、燃料電池スタック1の劣化が促進されてしまう。   In FIG. 6, since both the anode and the cathode are at the air potential, the potential difference between the electrodes is zero. Here, when the hydrogen gas and air are simultaneously supplied and started without adopting the start control of the present invention, the cathode maintains the air potential by the start of hydrogen supply and the start of air supply, while the anode Gradually shift to hydrogen potential. For this reason, a potential difference is generated and this potential difference continues, a hydrogen / air gas interface is generated on the anode side, and deterioration of the fuel cell stack 1 is promoted.

これに対して、水素供給開始からアノード内の酸素が完全に消失するのを待って、アノード圧力に基づいてアノード内の酸素消失を判定してもよいが、水素供給開始後のアノード圧力の立ち上がり挙動からアノード内の酸素が完全に消失するまでの時間を推定することで起動制御の時間を短縮して最適化するが可能となる。この場合に、アノード圧力を引き続きモニターして酸素消失の判定を行うことで判定精度の向上が見込まれる。   On the other hand, the oxygen disappearance in the anode may be determined based on the anode pressure after waiting for the oxygen in the anode to completely disappear from the start of the hydrogen supply. By estimating the time until the oxygen in the anode completely disappears from the behavior, it is possible to reduce the time for start-up control and optimize it. In this case, the determination accuracy can be improved by continuously monitoring the anode pressure to determine the disappearance of oxygen.

図5ならびに図6に示す各諸量の挙動を実機にて実験的に確認し、その際に収集されたデータに基づいて、上記各実施態様例ならびに以下に説明する実施例で使用するテーブルやマップは作成される。   The behavior of each quantity shown in FIG. 5 and FIG. 6 is experimentally confirmed with an actual machine, and based on the data collected at that time, the table used in each of the above embodiments and the examples described below A map is created.

図7は図5(d)ならびに図6(d)の詳細な変化を示す図である。図7において、符号Aは図5(d)の詳細を示し、符号Bは図6(d)の詳細を示している。   FIG. 7 is a diagram showing a detailed change in FIG. 5 (d) and FIG. 6 (d). In FIG. 7, reference A indicates details of FIG. 5D, and reference B indicates details of FIG. 6D.

停止直後の起動時には、アノード、カソード内ともに酸素がないので、投入する水素全量がアノード圧の上昇に使用されるので圧力の立ち上がりが急峻である。一方、停止した後放置後の起動時では、アノード、カソード内に酸素が多量に存在するので、投入する水素の多くが酸素との化学反応に関与するため、アノード内での圧力上昇に使用される水素量が比較的少ないので、停止直後の起動に比べて圧力の立ち上がりに遅れが生じて緩やかとなる。   At the time of starting immediately after the stop, since there is no oxygen in the anode and the cathode, the total amount of hydrogen used is used for increasing the anode pressure, so that the pressure rises sharply. On the other hand, at the time of start-up after standing down, since a large amount of oxygen is present in the anode and cathode, most of the hydrogen to be charged is involved in the chemical reaction with oxygen, so it is used to increase the pressure in the anode. Since the amount of hydrogen generated is relatively small, the rise in pressure is delayed compared to the start immediately after the stop, and becomes gentle.

図7において、アノード圧力の指令値(制御目標値)に対するアノードの実圧力の応答とアノード内の酸素量には相関があり、この相関関係を利用したのが先の実施態様例1,2である。   In FIG. 7, there is a correlation between the response of the actual pressure of the anode to the command value (control target value) of the anode pressure and the amount of oxygen in the anode, and the first and second embodiments 1 and 2 use this correlation. is there.

また、アノード圧力を制御する際に、アノード圧力が指令値に一致したときに水素供給弁5の弁開度を絞り、水素ガスの供給量を減少させるが、応答遅れによりアノード圧力はオーバーシュートして指令値を越える。そこで、アノード圧力が最大値となるまでの時間や指令値に到達するまでの時間でも酸素量を推定することが可能となり、この関係を利用したのが先の実施態様例6,7である。   Further, when controlling the anode pressure, when the anode pressure matches the command value, the valve opening of the hydrogen supply valve 5 is reduced to reduce the supply amount of hydrogen gas, but the anode pressure overshoots due to a response delay. Exceeds the command value. Therefore, it is possible to estimate the amount of oxygen even when the anode pressure reaches the maximum value or when the anode pressure reaches the command value, and the above-described Embodiments 6 and 7 use this relationship.

また、アノード圧力の昇圧過程においても酸素量に応じて昇圧の立ち上がり速度に差があるので、この昇圧速度に基づいて酸素量を推定することも可能となり、この関係を利用したのが先の実施態様例8,9である。   In addition, since there is a difference in the rising speed of the pressure increase in accordance with the amount of oxygen in the pressure increase process of the anode pressure, it is possible to estimate the amount of oxygen based on this pressure increase rate. Aspect examples 8 and 9.

アノード圧力の昇圧後もアノード内の酸素全量が完全に消費されるわけでなく、水素/酸素混合ガスは酸素濃度を徐々に減少させながらアノード循環経路内を循環するので、アノード圧力が指令値に到達した後のアノード圧力の減少率(降下率)に基づいて、滞留酸素量を推定することも可能となり、この関係を利用したのが先の実施態様例10,11,12である。   Even after the anode pressure is increased, the total amount of oxygen in the anode is not completely consumed, and the hydrogen / oxygen mixed gas circulates in the anode circulation path while gradually decreasing the oxygen concentration. Based on the decreasing rate (decreasing rate) of the anode pressure after reaching it, it becomes possible to estimate the amount of staying oxygen, and this example is used in the above-mentioned Embodiment Examples 10, 11, and 12.

図8は計測されたアノード圧力と指令値との圧力差(ΔP)の応答(時間変化)を示す図である。図8に示す圧力差、圧力差における所定時間の積分値、もしくは圧力差の最大値を推定パラメータに採用することで、推定精度を高めることが可能となり、この関係を利用したのが先の実施態様例3,4,5である。   FIG. 8 is a diagram showing the response (time change) of the pressure difference (ΔP) between the measured anode pressure and the command value. By adopting the pressure difference, the integrated value of the pressure difference for a predetermined time shown in FIG. 8 or the maximum value of the pressure difference as the estimation parameter, it is possible to improve the estimation accuracy. Embodiment examples 3, 4 and 5.

以上説明したように、上記実施態様例1〜12の実施例1においては、電流を取り出す起動制御を行うときに、燃料ガス圧力の挙動に基づいて、アノード内に滞留する酸素量を推定することで、滞留する酸素量を適切に推定することができる。   As described above, in Example 1 of Embodiments 1 to 12 above, when starting control for taking out current is performed, the amount of oxygen staying in the anode is estimated based on the behavior of the fuel gas pressure. Thus, the amount of oxygen that remains can be estimated appropriately.

適切に推定された酸素量に基づいて、起動制御を終了する終了時間を設定することで、アノード内の残留酸素量が消失するまでの制御実行時間を設定することができる。   By setting the end time for ending the start-up control based on the appropriately estimated oxygen amount, the control execution time until the residual oxygen amount in the anode disappears can be set.

起動制御時に燃料電池に供給される燃料ガスの圧力を目標値に昇圧制御した際に、酸素量の推定ならびに終了時間の設定を行うことで、部品ばらつきによる水素投入量のばらつきによらず、安定したアノード圧挙動からアノード内に存在する酸素量を適切に推定することができ、適切に推定された酸素量に基づいてアノード内の残留酸素量が消失するまでの制御実行時間を設定することができる。   When the pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell is controlled to the target value during start-up control, the oxygen amount is estimated and the end time is set, so that stable operation is possible regardless of variations in hydrogen input due to component variations. It is possible to appropriately estimate the amount of oxygen present in the anode from the measured anode pressure behavior, and to set the control execution time until the residual oxygen amount in the anode disappears based on the appropriately estimated amount of oxygen. it can.

圧力の目標値と検出された検出値(実圧)との差圧に基づいて、酸素量の推定ならびに終了時間の設定を行うことで、目標圧と実圧の差の程度からアノード内に存在する酸素量を適切に推定することができる、適切に推定された酸素量に基づいてアノード内の残留酸素量が消失するまでの制御実行時間を設定することができる。   Based on the pressure difference between the target pressure value and the detected value (actual pressure), the oxygen amount is estimated and the end time is set so that it exists in the anode based on the difference between the target pressure and the actual pressure. The control execution time until the residual oxygen amount in the anode disappears can be set based on the appropriately estimated oxygen amount.

圧力の目標値と検出された検出値(実圧)との差圧の積分値に基づいて、酸素量の推定ならびに終了時間の設定を行うことで、目標圧と実圧の差の積分結果からアノード内に存在する酸素量を適切に推定することができる、適切に推定された酸素量に基づいてアノード内の残留酸素量が消失するまでの制御実行時間を設定することができる。   Based on the integrated value of the differential pressure between the target value of the pressure and the detected value (actual pressure), the oxygen amount is estimated and the end time is set. The control execution time until the residual oxygen amount in the anode disappears can be set based on the appropriately estimated oxygen amount, which can appropriately estimate the oxygen amount existing in the anode.

圧力の目標値と検出された検出値(実圧)との差圧の最大値に基づいて、酸素量の推定ならびに終了時間の設定を行うことで、目標圧と実圧の差の最大値からアノード内に存在する酸素量を適切に推定することができ、適切に推定された酸素量に基づいてアノード内の残留酸素量が消失するまでの制御実行時間を設定することができる。   Based on the maximum value of the differential pressure between the target pressure value and the detected value (actual pressure), the oxygen amount is estimated and the end time is set. The amount of oxygen present in the anode can be appropriately estimated, and the control execution time until the amount of residual oxygen in the anode disappears can be set based on the appropriately estimated amount of oxygen.

圧力の目標値と検出された検出値(実圧)との差圧の最大値に至るまでの時間に基づいて、酸素量の推定ならびに終了時間の設定を行うことで、目標圧と実圧の差の最大値に至るまでの時間からアノード内に存在する酸素量を適切に推定することができ、適切に推定された酸素量に基づいてアノード内の残留酸素量が消失するまでの制御実行時間を設定することができる。   Based on the time to reach the maximum value of the differential pressure between the target pressure value and the detected value (actual pressure), the oxygen amount is estimated and the end time is set. The amount of oxygen present in the anode can be appropriately estimated from the time until reaching the maximum difference, and the control execution time until the residual oxygen amount in the anode disappears based on the appropriately estimated amount of oxygen Can be set.

起動制御を開始した後、燃料ガス圧力の検出値(実圧)が目標値に至るまでの時間に基づいて、酸素量の推定ならびに終了時間の設定を行うことで、燃料ガスの供給開始から燃料ガスの実圧が目標圧に到達するまでの時間からアノード内に存在する酸素量を適切に推定することができ、適切に推定された酸素量に基づいてアノード内の残留酸素量が消失するまでの制御実行時間を設定することができる。   After starting the start control, the fuel gas pressure is estimated and the end time is set based on the time until the detected value (actual pressure) of the fuel gas pressure reaches the target value. The amount of oxygen present in the anode can be appropriately estimated from the time until the actual pressure of the gas reaches the target pressure, and the residual oxygen amount in the anode disappears based on the amount of oxygen estimated appropriately. The control execution time can be set.

起動制御を開始した後、燃料ガス圧力の検出値(実圧)が目標値に至るまでの燃料ガスの昇圧速度に基づいて、酸素量の推定ならびに終了時間の設定を行うことで、燃料ガスの供給開始から燃料ガスの実圧が目標圧に到達するまでの燃料ガスの昇圧速度からアノード内に存在する酸素量を適切に推定することができ、適切に推定された酸素量に基づいてアノード内の残留酸素量が消失するまでの制御実行時間を設定することができる。   After starting the start-up control, the oxygen gas amount is estimated and the end time is set based on the fuel gas pressure increase rate until the detected value (actual pressure) of the fuel gas reaches the target value. The amount of oxygen present in the anode can be appropriately estimated from the pressure increase rate of the fuel gas from the start of supply until the actual pressure of the fuel gas reaches the target pressure. Based on the amount of oxygen estimated appropriately, The control execution time until the residual oxygen amount disappears can be set.

起動制御を開始した後、燃料ガス圧力の検出値(実圧)が目標値に至るまでの燃料ガスの昇圧速度の平均値もしくはばらつきに基づいて、酸素量の推定ならびに終了時間の設定を行うことで、酸素消費量のムラ(酸素量が多いほどその傾向は大きくなる)により燃料ガスの圧力上昇が一定でない場合であっても、アノード内に存在する酸素量を適切に推定することができ、適切に推定された酸素量に基づいてアノード内の残留酸素量が消失するまでの制御実行時間を設定することができる。   Estimate the oxygen amount and set the end time based on the average value or variation of the fuel gas pressure increase rate until the detected value (actual pressure) of the fuel gas reaches the target value after starting the start control Thus, even when the pressure increase of the fuel gas is not constant due to uneven oxygen consumption (the more oxygen the more), the amount of oxygen present in the anode can be estimated appropriately, The control execution time until the residual oxygen amount in the anode disappears can be set based on the appropriately estimated oxygen amount.

起動制御を開始した後、燃料ガス圧力の検出値が目標値に至った後アノード内の燃料ガス圧力が低下するのは、起動直後時点で未反応の酸素が徐々に反応していったためであり、酸素の減少につれて圧力の降下傾向が減少するので、起動制御を開始した後、燃料ガス圧力の検出値が目標値に至った後の燃料ガス圧力の挙動に基づいて、酸素量の推定ならびに終了時間の設定を行うことができ、アノード内に存在する酸素量を適切に推定することができ、適切に推定された酸素量に基づいてアノード内の残留酸素量が消失するまでの制御実行時間を設定することができる。   The reason why the fuel gas pressure in the anode decreases after the detection value of the fuel gas pressure reaches the target value after the start control is started is that unreacted oxygen has gradually reacted immediately after the start control. Since the pressure decreasing tendency decreases as oxygen decreases, after starting control, the estimation and termination of the oxygen amount based on the behavior of the fuel gas pressure after the detected value of the fuel gas pressure reaches the target value The time can be set, the amount of oxygen present in the anode can be estimated appropriately, and the control execution time until the amount of residual oxygen in the anode disappears based on the amount of oxygen estimated appropriately Can be set.

起動制御を開始した後、燃料ガス圧力の検出値が目標値に至った後アノード内の燃料ガス圧力が低下するのは、起動直後時点で未反応の酸素が徐々に反応していったためであり、酸素の減少につれて圧力の降下傾向が減少するので、起動制御を開始した後、燃料ガス圧力の検出値が目標値に至った後燃料ガスの供給を停止し、その後の燃料ガス圧力の挙動に基づいて、酸素量の推定ならびに終了時間の設定を行うことができ、アノード内に存在する酸素量を適切に推定することができ、適切に推定された酸素量に基づいてアノード内の残留酸素量が消失するまでの制御実行時間を設定することができる。   The reason why the fuel gas pressure in the anode decreases after the detection value of the fuel gas pressure reaches the target value after the start control is started is that unreacted oxygen has gradually reacted immediately after the start control. As the oxygen decreases, the tendency of the pressure to decrease decreases, so after starting the start-up control, the fuel gas supply is stopped after the detected value of the fuel gas pressure reaches the target value, and the behavior of the fuel gas pressure thereafter Based on this, the amount of oxygen can be estimated and the end time can be set, the amount of oxygen present in the anode can be estimated appropriately, and the amount of residual oxygen in the anode based on the amount of oxygen estimated appropriately The control execution time until disappearance can be set.

燃料ガスの圧力を所定の圧力に昇圧制御を開始してから、圧力が目標値到達した後でアノード内の燃料ガスの圧力が下がるのは、起動直後時点で未反応の酸素が徐々に反応していったためであり、酸素の減少につれて圧力の降下傾向が減少するので、アノード内の残留酸素量が消失するころには、アノード内圧力の変動がほとんど発生しない。したがって、燃料ガスの供給停止後、圧力の変動が所定の値以下に低下したときに、アノード内に滞留している酸素が消失したものと推定して起動制御を終了することができ、アノード内に存在する酸素量を適切に推定することができ、適切に推定された酸素量に基づいてアノード内の残留酸素量が消失するまでの制御実行時間を設定することができる。   The pressure of the fuel gas in the anode decreases after the pressure reaches the target value after the fuel gas pressure is increased to the specified pressure. The unreacted oxygen gradually reacts immediately after startup. This is because the tendency of the pressure drop to decrease as oxygen decreases, so that the fluctuation of the pressure in the anode hardly occurs when the amount of residual oxygen in the anode disappears. Therefore, after the fuel gas supply is stopped, when the pressure fluctuation falls below a predetermined value, it is estimated that the oxygen remaining in the anode has disappeared, and the start-up control can be terminated. The amount of oxygen present in the anode can be appropriately estimated, and the control execution time until the residual oxygen amount in the anode disappears can be set based on the appropriately estimated amount of oxygen.

図9は本発明の実施例2に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図9に示す実施例2のシステムにおける構成上の特徴は、図1に示す実施例1の構成に比べて、水素ガスの供給経路の減圧弁4と水素供給弁5の間に、水素ガスの流量を計測する流量センサ24(流量検出手段)を設けたことにあり、他は図1と同様であるので、その説明は省略する。   FIG. 9 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention. The structural features of the system of the second embodiment shown in FIG. 9 are different from those of the first embodiment shown in FIG. 1 in that the hydrogen gas flows between the pressure reducing valve 4 and the hydrogen supply valve 5 in the hydrogen gas supply path. Since the flow rate sensor 24 (flow rate detection means) for measuring the flow rate is provided and the others are the same as those in FIG. 1, the description thereof is omitted.

また、制御ロジックの構成は、先の図2に示す実施例1と同様である。   The configuration of the control logic is the same as that of the first embodiment shown in FIG.

次に、図10を参照して、実施例2に係る燃料電池システムを例えば車両に搭載した場合を一例としてその動作を説明する。図10はこの実施例2に係る燃料電池システムの起動時の動作を示すフローチャートである。図10に示すこの実施例2の動作の特徴とするところは、先の図3に示すフローチャートにおけるステップS303に代えて、ステップS303で実行する処理に加えて水素流量をコントローラ20に読み込む処理を行うステップS501を実行し、ステップS304、S305に代えて、アノード内酸素量を演算するステップS502と、起動制御から通常発電制御に切り替えるか否かを判別する処理を行うステップS503を実行し、他は先の図3と同様である。   Next, the operation of the fuel cell system according to the second embodiment will be described as an example with reference to FIG. FIG. 10 is a flowchart showing the operation at the start-up of the fuel cell system according to the second embodiment. The feature of the operation of the second embodiment shown in FIG. 10 is that, in place of step S303 in the flowchart shown in FIG. 3, the process of reading the hydrogen flow rate into the controller 20 is performed in addition to the process executed in step S303. Step S501 is executed, instead of Steps S304 and S305, Step S502 for calculating the amount of oxygen in the anode and Step S503 for determining whether to switch from the start control to the normal power generation control are executed. This is the same as FIG.

この実施例2では、アノード圧力を実施例1と同様の指令値(目標圧力)に調圧制御している際に、アノードに滞留している酸素が消費されてアノード圧力の昇圧が終了すれば、水素ガスの供給流量は絞られるので、流量が所定値以下になったか否か、もしくは所定値以下になるまでの時間を判別することでアノード内の酸素量を推定し、また酸素の消費終了を判定することが可能となる。   In the second embodiment, when the anode pressure is controlled to a command value (target pressure) similar to that in the first embodiment, if the oxygen staying in the anode is consumed and the increase in the anode pressure is completed. Since the supply flow rate of hydrogen gas is reduced, the amount of oxygen in the anode is estimated by determining whether the flow rate has become a predetermined value or less, or the time until the flow rate has become a predetermined value or less, and the consumption of oxygen has ended. Can be determined.

また、水素投入量を水素流量の時間積分で求め、アノード内の酸素量と酸素が消費されるまでに費やれる水素量との関係に基づいて、アノード内の酸素量ならびに酸素の消費終了を判定することもできる。さらに、水素ガスの供給量を減少させる際に、水素供給弁5の弁開度を絞る操作を実行するので、弁開度や水素供給弁5がPWM制御方式で開閉制御されている場合には開閉を制御する開閉信号のデューティ比を用いて、流量に代えて上記と同様に演算することができる。   In addition, the amount of hydrogen input is obtained by time integration of the hydrogen flow rate, and the amount of oxygen in the anode and the end of oxygen consumption are determined based on the relationship between the amount of oxygen in the anode and the amount of hydrogen consumed before oxygen is consumed. You can also Furthermore, when the supply amount of hydrogen gas is decreased, an operation of reducing the valve opening degree of the hydrogen supply valve 5 is executed. Therefore, when the valve opening degree or the hydrogen supply valve 5 is controlled to be opened and closed by the PWM control method. By using the duty ratio of the open / close signal for controlling the open / close, it can be calculated in the same manner as described above instead of the flow rate.

次に、図10に示すフローチャートにおけるステップS501〜S503の実施態様例を説明する。   Next, an exemplary embodiment of steps S501 to S503 in the flowchart shown in FIG. 10 will be described.

(実施態様例1)
この実施態様例1では、ステップS501は、圧力センサ9のアノード圧力信号ならびに流量センサ24で計測された流量信号を読み込んだ後、アノード圧力制御手段21Aの制御の下に、読み込んだアノード圧力とアノード圧力指令値と比較して、読み込んだ圧力値が指令値に一致するように水素供給弁5へ開閉信号を出力する。
Embodiment Example 1
In this embodiment example 1, step S501 reads the anode pressure signal of the pressure sensor 9 and the flow rate signal measured by the flow rate sensor 24, and then reads the read anode pressure and anode under the control of the anode pressure control means 21A. As compared with the pressure command value, an open / close signal is output to the hydrogen supply valve 5 so that the read pressure value matches the command value.

ステップS502において、アノード内に滞留する酸素量ならびにその酸素量の消失を推定する推定パラメータを、起動後に流量センサ24で計測された水素流量とし、水素流量とアノード内酸素量との関係、ならびに水素流量と滞留する酸素を消失するまでの時間との関係を、予め実機を用いて実験を行い求め(事前の実機確認)、得られた関係をテーブル化やマップ化してコントローラ20のROM等の記憶装置に記憶させて用意しておく。   In step S502, the amount of oxygen remaining in the anode and the estimated parameter for estimating the disappearance of the oxygen amount are the hydrogen flow rate measured by the flow sensor 24 after startup, the relationship between the hydrogen flow rate and the oxygen amount in the anode, and hydrogen The relationship between the flow rate and the time until the stagnant oxygen disappears is obtained by conducting an experiment in advance using an actual machine (preliminary actual machine confirmation), and the obtained relation is tabulated or mapped and stored in the ROM of the controller 20 or the like. Prepare it by storing it in the device.

起動制御/通常発電制御切替手段22は、読み込まれた水素流量に基づいて上記テーブルもしくはマップを参照し、アノード内酸素量を算出する。   The start control / normal power generation control switching means 22 refers to the table or map based on the read hydrogen flow rate and calculates the oxygen amount in the anode.

ステップS503では、酸素の消費とともにアノードに供給される水素流量が減少し、水素流量が予め設定された判定値(実機確認で酸素が消費されたものと推定される値)を下回ったときに、アノード内の酸素が消費されたものと推定する。もしくは、上記テーブルもしくはマップを参照し、水素流量に基づいて上記判定値に至るまでの時間(酸素が消失するまでの時間)を推定し、推定した時間が経過した後に起動制御から通常発電制御に切り替えることができるものと判別する。その後は、先の実施例1と同様である。   In step S503, the flow rate of hydrogen supplied to the anode decreases with the consumption of oxygen, and when the hydrogen flow rate falls below a preset determination value (a value that is estimated to have consumed oxygen in actual machine confirmation) It is estimated that oxygen in the anode has been consumed. Alternatively, referring to the table or map, the time to reach the determination value (the time until oxygen disappears) is estimated based on the hydrogen flow rate, and after the estimated time has elapsed, the start control is changed to the normal power generation control. It is determined that it can be switched. The subsequent steps are the same as in the first embodiment.

このように実施例2における実施態様例1においては、水素流量に基づいて、アノード内のアノードの滞留酸素量を推定することが可能となり、また推定した酸素量に応じて起動制御の終了を判定することで、システムの複雑化を回避しつつ、好適な劣化抑制制御の実行と、起動制御時間の短縮化を両立することができる。   As described above, in embodiment example 1 in embodiment 2, it is possible to estimate the amount of retained oxygen in the anode in the anode based on the hydrogen flow rate, and determine the end of start-up control according to the estimated amount of oxygen. By doing so, it is possible to achieve both the execution of suitable deterioration suppression control and the shortening of the startup control time while avoiding complication of the system.

(実施態様例2)
この実施態様例2では、ステップS501は、圧力センサ9のアノード圧力信号ならびに流量センサ24で計測された流量信号を読み込んだ後、アノード圧力制御手段21Aの制御の下に、読み込んだアノード圧力とアノード圧力指令値と比較して、読み込んだ圧力値が指令値に一致するように水素供給弁5へ開閉信号を出力する。
Embodiment Example 2
In this embodiment example 2, after reading the anode pressure signal of the pressure sensor 9 and the flow rate signal measured by the flow rate sensor 24, step S501 reads the read anode pressure and anode under the control of the anode pressure control means 21A. As compared with the pressure command value, an open / close signal is output to the hydrogen supply valve 5 so that the read pressure value matches the command value.

ステップS502において、アノード内に滞留する酸素量ならびにその酸素量の消失を推定する推定パラメータを、アノード内に供給される水素流量に対応した起動後の水素供給弁5の開閉信号とし、この開閉信号とアノード内酸素量との関係、ならびに水素流量と滞留する酸素の消失するまでの時間との関係を、予め実機を用いて実験を行い求め(事前の実機確認)、得られた関係をテーブル化やマップ化してコントローラ20のROM等の記憶装置に記憶させて用意しておく。   In step S502, the oxygen amount staying in the anode and the estimation parameter for estimating the disappearance of the oxygen amount are used as the opening / closing signal of the hydrogen supply valve 5 after startup corresponding to the hydrogen flow rate supplied into the anode. The relationship between the amount of oxygen in the anode and the hydrogen flow rate and the time until the remaining oxygen disappears are experimentally determined in advance using actual equipment (preliminary actual equipment confirmation), and the relationship obtained is tabulated. Or is mapped and stored in a storage device such as a ROM of the controller 20 for preparation.

起動制御/通常発電制御切替手段22は、読み込まれた開閉信号に基づいて上記テーブルもしくはマップを参照し、アノード内酸素量を算出する。   The start control / normal power generation control switching means 22 refers to the table or map based on the read opening / closing signal and calculates the oxygen amount in the anode.

ステップS503では、酸素の消費とともにアノードに供給される水素流量が減少し、水素流量が予め設定された判定値(実機確認で酸素が消費されたものと推定される値)を下回ったときに、アノード内の酸素が消費されたものと推定する。もしくは、上記テーブルもしくはマップを参照し、開閉信号に基づいて上記判定値に至るまでの時間(酸素が消失するまでの時間)を推定し、推定した時間が経過した後に起動制御から通常発電制御に切り替えることができるものと判別する。その後は、先の実施例1と同様である。   In step S503, the flow rate of hydrogen supplied to the anode decreases with the consumption of oxygen, and when the hydrogen flow rate falls below a preset determination value (a value that is estimated to have consumed oxygen in actual machine confirmation) It is estimated that oxygen in the anode has been consumed. Alternatively, referring to the table or map, the time (time until oxygen disappears) until reaching the determination value is estimated based on the open / close signal, and after the estimated time has elapsed, the start control is changed to the normal power generation control. It is determined that it can be switched. The subsequent steps are the same as in the first embodiment.

このように実施例2における実施態様例2においては、水素供給弁5の開閉信号に基づいて、先の実施例2における実施態様例1と同様の効果を得ることができる。   As described above, in Embodiment 2 of Embodiment 2, the same effect as Embodiment 1 of Embodiment 2 can be obtained based on the open / close signal of the hydrogen supply valve 5.

図11(a)は上記実施態様例1における水素流量の応答(時間変化)を示す図であり、同図(b)は上記実施態様例2における水素供給弁5の弁開度の応答(時間変化)を示す図である。両図ともに、アノードが水素雰囲気、カソードが窒素雰囲気における起動後の様子を符号Aで示し、アノード、カソードともに空気雰囲気における起動後の様子を符号Bで示している。   FIG. 11A is a diagram showing a response (time change) of the hydrogen flow rate in the first embodiment example, and FIG. 11B is a response (time) of the valve opening of the hydrogen supply valve 5 in the second embodiment example. FIG. In both figures, the state after activation in the hydrogen atmosphere and the cathode in the nitrogen atmosphere is indicated by symbol A, and the state after activation in the air atmosphere is indicated by symbol B for both the anode and cathode.

図11において、アノード内の酸素と供給された水素とが反応して酸素が徐々に消費されていくと、供給される水素ガスの流量が減少し、水素供給弁5の弁開度が絞り込まれるので、これらが判定値を下回ったことを判別することでアノード内の酸素が消費されたものと推定することが可能となる。   In FIG. 11, when oxygen in the anode reacts with the supplied hydrogen and oxygen is gradually consumed, the flow rate of the supplied hydrogen gas decreases and the valve opening of the hydrogen supply valve 5 is narrowed. Therefore, it is possible to estimate that the oxygen in the anode has been consumed by determining that these are below the determination value.

(実施態様例3)
この実施態様例3では、ステップS501は、圧力センサ9のアノード圧力信号ならびに流量センサ24で計測された流量信号を読み込んだ後、アノード圧力制御手段21Aの制御の下に、読み込んだアノード圧力とアノード圧力指令値と比較して、読み込んだ圧力値が指令値に一致するように水素供給弁5へ開閉信号を出力する。
Embodiment Example 3
In this embodiment example 3, after reading the anode pressure signal of the pressure sensor 9 and the flow rate signal measured by the flow rate sensor 24, step S501 reads the read anode pressure and anode under the control of the anode pressure control means 21A. As compared with the pressure command value, an open / close signal is output to the hydrogen supply valve 5 so that the read pressure value matches the command value.

ステップS502において、アノード内に滞留する酸素量ならびにその酸素量の消失を推定する推定パラメータを、アノード内に供給される水素流量に対応した起動後の水素供給弁5の開閉信号の積分値(弁開度の積分値)とし、この開閉信号の積分値とアノード内酸素量との関係、ならびに水素流量と滞留する酸素が消失するまでの時間との関係を、予め実機を用いて実験を行い求め(事前の実機確認)、得られた関係をテーブル化やマップ化してコントローラ20のROM等の記憶装置に記憶させて用意しておく。   In step S502, the amount of oxygen staying in the anode and the estimation parameter for estimating the disappearance of the oxygen amount are set as an integral value (valve of the opening / closing signal of the hydrogen supply valve 5 after startup corresponding to the flow rate of hydrogen supplied into the anode. The relationship between the integrated value of the opening / closing signal and the amount of oxygen in the anode, and the relationship between the hydrogen flow rate and the time until the stagnant oxygen disappears are determined in advance using an actual machine. (Preliminary actual machine confirmation) The obtained relationships are tabulated or mapped and stored in a storage device such as a ROM of the controller 20 for preparation.

起動制御/通常発電制御切替手段22は、読み込まれた開閉信号に基づいて上記積分値を算出し、算出した積分値に基づいて上記テーブルもしくはマップを参照し、アノード内酸素量を算出する。   The start control / normal power generation control switching means 22 calculates the integral value based on the read opening / closing signal, and refers to the table or map based on the calculated integral value to calculate the oxygen amount in the anode.

ステップS503では、酸素の消費とともにアノードに供給される水素流量が減少し、水素流量が予め設定された判定値(実機確認で酸素が消費されたものと推定される値)を下回ったときに、アノード内の酸素が消費されたものと推定する。もしくは、上記テーブルもしくはマップを参照し、上記積分値に基づいて上記判定値に至るまでの時間(酸素が消失するまでの時間)を推定し、推定した時間が経過した後に起動制御から通常発電制御に切り替えることができるものと判別する。その後は、先の実施例1と同様である。   In step S503, the flow rate of hydrogen supplied to the anode decreases with the consumption of oxygen, and when the hydrogen flow rate falls below a preset determination value (a value that is estimated to have consumed oxygen in actual machine confirmation) It is estimated that oxygen in the anode has been consumed. Alternatively, referring to the table or map, the time to reach the determination value (time until oxygen disappears) is estimated based on the integral value, and the normal power generation control is started from the start control after the estimated time has elapsed. It is determined that it can be switched to. The subsequent steps are the same as in the first embodiment.

このように実施例2における実施態様例3においては、水素供給弁5の開閉信号の積分値、すなわち弁開度の積分値から供給水素流量が推定できるので、先の実施例2における実施態様例1と同様の効果を得ることができる。   As described above, in the third embodiment example in the second embodiment, the supply hydrogen flow rate can be estimated from the integral value of the open / close signal of the hydrogen supply valve 5, that is, the integral value of the valve opening degree. 1 can be obtained.

以上説明したように、上記実施態様例1〜3の実施例2においては、電流を取り出す起動制御を行うときに、燃料ガス圧力の挙動に基づいて、アノード内に滞留する酸素量を推定することで、滞留する酸素量を適切に推定することができる。   As described above, in the second embodiment of the first to third embodiments, the amount of oxygen staying in the anode is estimated based on the behavior of the fuel gas pressure when the start-up control for taking out the current is performed. Thus, the amount of oxygen that remains can be estimated appropriately.

適切に推定された酸素量に基づいて、起動制御を終了する終了時間を設定することで、アノード内の残留酸素量が消失するまでの制御実行時間を設定することができる。   By setting the end time for ending the start-up control based on the appropriately estimated oxygen amount, the control execution time until the residual oxygen amount in the anode disappears can be set.

燃料ガスの供給開始後の燃料ガスの流量の挙動に基づいて、酸素量の推定ならびに終了時間の設定を行うことで、アノード内に存在する酸素量を適切に推定することができ、適切に推定された酸素量に基づいてアノード内の残留酸素量が消失するまでの制御実行時間を設定することができる。   By estimating the amount of oxygen and setting the end time based on the behavior of the flow rate of fuel gas after the start of fuel gas supply, the amount of oxygen present in the anode can be estimated appropriately and estimated appropriately. A control execution time until the residual oxygen amount in the anode disappears can be set on the basis of the oxygen amount.

燃料ガスの流量が所定の流量以下に低下するまでの時間に基づいて、アノード内に滞留する酸素量を推定することが可能となり、アノード内に存在する酸素量を適切に推定することができ、適切に推定された酸素量に基づいてアノード内の残留酸素量が消失するまでの制御実行時間を設定することができる。   Based on the time until the flow rate of the fuel gas falls below a predetermined flow rate, it is possible to estimate the amount of oxygen staying in the anode, it is possible to appropriately estimate the amount of oxygen present in the anode, The control execution time until the residual oxygen amount in the anode disappears can be set based on the appropriately estimated oxygen amount.

調圧弁の弁開度が所定の弁開度に絞り込まれるまでの時間に基づいて、アノード内に滞留する酸素量を推定することで、調圧弁の弁開度減少から燃料ガスの供給が絞られていることが認識でき、アノード内に存在する酸素量を適切に推定することができ、適切に推定された酸素量に基づいてアノード内の残留酸素量が消失するまでの制御実行時間を設定することができる。   By estimating the amount of oxygen remaining in the anode based on the time until the valve opening of the pressure regulating valve is reduced to the predetermined valve opening, the supply of fuel gas is reduced from the decrease in the valve opening of the pressure regulating valve. The amount of oxygen present in the anode can be properly estimated, and the control execution time until the residual oxygen amount in the anode disappears is set based on the appropriately estimated oxygen amount. be able to.

調圧弁の弁開度が所定の弁開度に絞り込まれるまでの時間の積分値に基づいて、アノード内に滞留する酸素量を推定することで、調圧弁の弁開口面積から燃料ガスの通過流量がわかり、弁開度の積分値により通過燃料ガス量が求められるので、アノード内に存在する酸素量を適切に推定することができる。適切に推定された酸素量に基づいて起動制御を終了する終了時間を設定することで、アノード内の残留酸素量が消失するまでの制御実行時間を設定することができる。   Based on the integral value of the time until the valve opening of the pressure regulating valve is reduced to the predetermined valve opening, the amount of oxygen staying in the anode is estimated, so that the flow rate of fuel gas from the valve opening area of the pressure regulating valve Since the amount of fuel gas passing through is obtained from the integral value of the valve opening, the amount of oxygen present in the anode can be estimated appropriately. By setting the end time for ending the startup control based on the appropriately estimated oxygen amount, the control execution time until the residual oxygen amount in the anode disappears can be set.

図12は本発明の実施例3における、コントローラ20の記憶装置等に記憶される制御ロジック(プログラム)の構成を示す図である。この実施例3の制御ロジックの特徴とするところは、図2に示す先の実施例1の制御ロジックに比べて、アノード圧力制御手段21Aに代えて、アノードに供給される水素ガスの流量を制御するアノード流量制御手段21Bを含んで起動制御手段21を構成したことにあり、他は図2と同様であるので、その説明は省略する。また、システムの構成は先の図9に示す実施例2と同様であるので、その説明は省略する。   FIG. 12 is a diagram showing the configuration of the control logic (program) stored in the storage device or the like of the controller 20 in Embodiment 3 of the present invention. The control logic of the third embodiment is characterized in that the flow rate of hydrogen gas supplied to the anode is controlled instead of the anode pressure control means 21A as compared with the control logic of the first embodiment shown in FIG. The activation control means 21 is configured to include the anode flow rate control means 21B, and the others are the same as those in FIG. The system configuration is the same as that of the second embodiment shown in FIG.

この実施例3では、先の実施例1、2のようにアノード圧力を制御した状態でアノード内の酸素量を推定するのとは異なり、アノードに供給される水素の供給量を制御した状態でアノード内の酸素量を推定する。このような制御にあっては、アノード内の酸素量に応じてアノード圧力の昇圧挙動が異なるので、この昇圧挙動に基づいて酸素量、ならびに滞留酸素量が消費されるまでの時間を推定するようにしている。   In this third embodiment, unlike the case of estimating the oxygen amount in the anode while the anode pressure is controlled as in the first and second embodiments, the supply amount of hydrogen supplied to the anode is controlled. Estimate the amount of oxygen in the anode. In such control, since the pressure increase behavior of the anode pressure varies depending on the amount of oxygen in the anode, the time until the oxygen amount and the staying oxygen amount are consumed is estimated based on the pressure increase behavior. I have to.

次に、図13を参照して、実施例3に係る燃料電池システムを例えば車両に搭載した場合を一例としてその動作を説明する。図13はこの実施例3に係る燃料電池システムの起動時の動作を示すフローチャートである。図13に示すこの実施例3の動作の特徴とするところは、先の図10に示すフローチャートにおけるステップS302に代えて、アノード圧力の指令値に代えて水素流量の指令値を生成し他はステップS302と同様の処理を行うステップS601を実行し、ステップS501に代えて、水素流量を読み込んでアノード流量を制御する処理を行うステップS602を実行し、ステップS502に代えて、アノード内の酸素量を演算するステップS603を実行し、ステップS503に代えて水素流量を制御している状態において起動制御から通常発電制御に切り替えるか否かを判定する処理を行うステップS604を実行し、他は先の図10と同様であるので、その説明は省略する。   Next, the operation of the fuel cell system according to the third embodiment will be described as an example with reference to FIG. FIG. 13 is a flowchart showing the operation at the start-up of the fuel cell system according to the third embodiment. The feature of the operation of the third embodiment shown in FIG. 13 is that a hydrogen flow rate command value is generated instead of the anode pressure command value in place of step S302 in the flowchart shown in FIG. Step S601 for performing the same process as S302 is executed, and instead of Step S501, Step S602 for performing a process of reading the hydrogen flow rate and controlling the anode flow rate is executed, and instead of Step S502, the oxygen amount in the anode is set. Step S603 is calculated, and step S604 is executed to determine whether to switch from start-up control to normal power generation control in the state where the hydrogen flow rate is controlled instead of step S503. The description is omitted because it is the same as FIG.

次に、図13に示すフローチャートにおけるステップS601〜S604の実施態様例を説明する。   Next, an exemplary embodiment of steps S601 to S604 in the flowchart shown in FIG. 13 will be described.

(実施態様例1)
この実施態様例1において、ステップS601では、起動制御手段21は、カソードへの空気ガスの供給を停止し、アノードのパージ弁7を閉じ、すなわちアノード内のガス排出を停止しつつ、アノードに水素ガスを供給し、両極を電気的に接続して電流を取り出すことによりカソードの酸素を消費する操作を開始する。また、起動制御手段21におけるアノード流量制御手段21Bによりアノードに供給される水素ガスの流量(アノード流量)の指令値(制御目標値)を生成する。
Embodiment Example 1
In this embodiment example 1, in step S601, the activation control means 21 stops the supply of air gas to the cathode, closes the purge valve 7 of the anode, that is, stops the gas discharge in the anode, The operation of consuming oxygen at the cathode is started by supplying gas and electrically connecting both electrodes to extract current. Further, a command value (control target value) of the flow rate (anode flow rate) of the hydrogen gas supplied to the anode is generated by the anode flow rate control unit 21B in the activation control unit 21.

ステップS602では、流量センサ24で検出されたアノード流量を読み込んだ後、アノード流量制御手段21Bの制御の下に、読み込んだアノード流量とアノード流量指令値と比較して、読み込んだ流量が指令値に一致するように水素供給弁5へ開閉信号を出力する。また、アノード流量が指令値となるように制御されている際に、圧力センサ9で検出されたアノード圧力をコントローラ20に読み込む。   In step S602, after the anode flow rate detected by the flow rate sensor 24 is read, the read flow rate is converted into a command value by comparison with the read anode flow rate and the anode flow rate command value under the control of the anode flow rate control means 21B. An open / close signal is output to the hydrogen supply valve 5 so as to match. Further, the anode pressure detected by the pressure sensor 9 is read into the controller 20 when the anode flow rate is controlled to become the command value.

ステップS603では、アノード内に滞留する酸素量ならびにその酸素量を消失するのに必要な消失時間を推定する推定パラメータをアノード圧力とし、起動制御開始後の予め設定された所定時間経過後におけるアノード圧力とアノード内酸素量との関係、ならびにアノード圧力と滞留する酸素の消失時間との関係を、予め実機を用いて実験を行い求め(事前の実機確認)、得られた関係をテーブル化やマップ化してコントローラ20のROM等の記憶装置に記憶させて用意しておく。   In step S603, the anode pressure is an estimation parameter for estimating the amount of oxygen remaining in the anode and the disappearance time required to eliminate the oxygen amount, and the anode pressure after a predetermined time has elapsed after start control is started. The relationship between the anode and the amount of oxygen in the anode, and the relationship between the anode pressure and the disappearance time of stagnant oxygen were obtained in advance using an actual machine (preliminary actual machine confirmation), and the obtained relation was tabulated and mapped. And stored in a storage device such as a ROM of the controller 20.

起動制御/通常発電制御切替手段22は、読み込まれたアノード圧力に基づいて上記テーブルもしくはマップを参照し、アノード内酸素量を算出する。   The start control / normal power generation control switching means 22 calculates the oxygen amount in the anode by referring to the table or map based on the read anode pressure.

ステップS604では、起動制御/通常発電制御切替手段22は、読み込まれたアノード圧力に基づいて上記テーブルもしくはマップを参照し、アノード内酸素量の消失時間を算出する。その後、この消失時間を起動制御を継続する時間(起動制御時間)として設定し、設定した起動制御時間を例えばコントローラ20に備えられたタイマーにセットする。続いて、タイマーにセットされた起動制御時間をカウントダウンし、カウント値が0になったか否かを判別し、カウント値が0になると、起動制御は完了したものと判断し、起動制御から通常発電制御に切り替えことが可能であると判別する。   In step S604, the startup control / normal power generation control switching means 22 refers to the table or map based on the read anode pressure, and calculates the disappearance time of the oxygen amount in the anode. Thereafter, this disappearance time is set as a time (startup control time) for continuing the start control, and the set start control time is set, for example, in a timer provided in the controller 20. Subsequently, the activation control time set in the timer is counted down to determine whether or not the count value has become 0. When the count value becomes 0, it is determined that the activation control has been completed, and normal power generation is performed from the activation control. It is determined that the control can be switched.

このように、上記実施例3の実施態様例1においては、アノードに供給される水素流量を制御している制御下におけるアノード圧力に基づいて、アノードに滞留する酸素量、ならびにその消失時間を判別することが可能となり、先の実施例1、2と同様の効果を得ることができる。   Thus, in Embodiment Example 1 of Example 3 above, the amount of oxygen staying at the anode and its disappearance time are determined based on the anode pressure under the control of controlling the flow rate of hydrogen supplied to the anode. Thus, the same effects as those of the first and second embodiments can be obtained.

(実施態様例2)
この実施態様例2において、ステップS601は、先の実施例3の実施態様例1と同様である。
Embodiment Example 2
In the second embodiment, step S601 is the same as the first embodiment in the third embodiment.

ステップS602では、流量センサ24で検出されたアノード流量を読み込んだ後、アノード流量制御手段21Bの制御の下に、読み込んだアノード流量とアノード流量指令値と比較して、読み込んだ流量値が指令値に一致するように水素供給弁5へ開閉信号を出力する。   In step S602, after the anode flow rate detected by the flow rate sensor 24 is read, under the control of the anode flow rate control means 21B, the read anode flow rate is compared with the anode flow rate command value. An open / close signal is output to the hydrogen supply valve 5 so as to match the above.

ステップS603では、アノード内に滞留する酸素量ならびにその酸素量を消失するのに必要な消失時間を推定する推定パラメータを、起動制御開始後の流量センサ24で計測された流量の積分値(総供給量)とし、この流量の積分値とアノード内の酸素が消失するまでの時間との関係を予め実機を用いて実験を行い求め(事前の実機確認)、得られた関係をテーブル化やマップ化してコントローラ20のROM等の記憶装置に記憶させて用意しておく。   In step S603, the estimation parameter for estimating the amount of oxygen staying in the anode and the disappearance time necessary for disappearing the oxygen amount is obtained by integrating the integral value of the flow rate measured by the flow rate sensor 24 after the start control is started (total supply). ), And the relationship between the integrated value of this flow rate and the time until the oxygen in the anode disappears is obtained in advance using an actual machine (preliminary actual machine confirmation), and the obtained relation is tabulated or mapped. And stored in a storage device such as a ROM of the controller 20.

起動制御/通常発電制御切替手段22は、起動制御開始後の流量センサ24で計測された流量の積分値を算出し、この流量の積分値に基づいて上記テーブルもしくはマップを参照してアノード内の酸素量を算出する。   The start control / normal power generation control switching means 22 calculates an integral value of the flow rate measured by the flow rate sensor 24 after the start control is started, and refers to the above table or map based on the integral value of the flow rate so that Calculate the amount of oxygen.

ステップS604では、上記テーブルもしくはマップを参照し、上記流量の積分値が予め設定された判定値に達したか否かを判別し、達した場合には酸素を消費するに足る水素が投入されて酸素は消費されたものと推定し、起動制御が終了して起動制御から通常発電制御に切り替えることが可能であると判別する。ここで、上記判定値は、アノード内の酸素を消費させたと推定される水素量として予め実機確認して設定される。   In step S604, referring to the table or map, it is determined whether or not the integrated value of the flow rate has reached a predetermined determination value. If it has been reached, hydrogen sufficient to consume oxygen is supplied. It is estimated that oxygen has been consumed, and it is determined that the start control is completed and the start control can be switched to the normal power generation control. Here, the determination value is set in advance by checking the actual machine as the hydrogen amount estimated to have consumed oxygen in the anode.

このような実施態様例2においても、先の実施例3の実施態様例1と同様の効果を得ることができる。   In Embodiment 2 like this, the same effect as in Embodiment 1 of Embodiment 3 can be obtained.

図14はアノードに供給される水素の流量の指令値(目標値)をステップ状で与えたときの水素流量の応答とアノード圧力の応答を示した図であり、同図(a)は水素供給流量の応答を示し、同図(b)は停止直後(符号Aで示す)と停止放置後(符号Bで示す)のアノード圧力の応答を示している。   FIG. 14 is a diagram showing the response of the hydrogen flow rate and the response of the anode pressure when the command value (target value) of the flow rate of hydrogen supplied to the anode is given in steps, and FIG. FIG. 4B shows the response of the anode pressure immediately after the stop (indicated by symbol A) and after leaving the stop (indicated by reference symbol B).

停止後即起動時では、アノード−カソードのガス状態が水素−窒素雰囲気からの起動であるため、アノード、カソード内ともに酸素がないので、投入する水素全量がアノードガス圧の昇圧に使用され、アノード圧力の立ち上がりが停止後放置の場合に比べて急峻となる。一方、停止後放置の再起動時では、アノード、カソード内に酸素が多量に存在するので、投入される水素ガスの多くが酸素との化学反応に関与するため、アノード内の圧力上昇に使用される水素量が停止直後の起動に比べて少なく、圧力の立ち上がりが停止直後の起動に比べて緩やかとなる。   When starting immediately after shutdown, since the anode-cathode gas state is startup from a hydrogen-nitrogen atmosphere, there is no oxygen in the anode and cathode, so the total amount of hydrogen to be input is used to increase the anode gas pressure. The rise in pressure is steeper compared to the case where the pressure rises after stopping. On the other hand, at the time of restart after standing down, since a large amount of oxygen is present in the anode and cathode, most of the hydrogen gas that is input is involved in the chemical reaction with oxygen, so it is used to increase the pressure in the anode. The amount of hydrogen generated is small compared to the start immediately after the stop, and the rise in pressure becomes gentle compared to the start immediately after the stop.

また、水素の供給を起動制御途中で止めれば、供給停止と同時に水素圧の上昇は停止するので、アノード内の酸素量の過多で到達水素圧力が異なる。   Further, if the supply of hydrogen is stopped in the middle of the start-up control, the increase in the hydrogen pressure is stopped simultaneously with the supply stop, so that the reached hydrogen pressure differs due to the excessive amount of oxygen in the anode.

以上説明したように、上記実施態様例1〜2の実施例3においては、電流を取り出す起動制御を行うときに、燃料ガス圧力の挙動に基づいて、アノード内に滞留する酸素量を推定することで、滞留する酸素量を適切に推定することができる。   As described above, in the third embodiment of the first and second embodiments, the amount of oxygen staying in the anode is estimated based on the behavior of the fuel gas pressure when starting control for extracting current is performed. Thus, the amount of oxygen that remains can be estimated appropriately.

適切に推定された酸素量に基づいて、起動制御を終了する終了時間を設定することで、アノード内の残留酸素量が消失するまでの制御実行時間を設定することができる。   By setting the end time for ending the start-up control based on the appropriately estimated oxygen amount, the control execution time until the residual oxygen amount in the anode disappears can be set.

流量制御手段により燃料ガスの流量を目標値に制御する際の燃料ガスの圧力の挙動に基づいて、アノード内に滞留する酸素量を推定することが可能となり、燃料ガスの流量を制御しつつ、その際の燃料ガス圧力応答を監視することができるので、アノード内に存在する酸素量を適切に推定することができる。また、適切に推定された酸素量に基づいて起動制御を終了する終了時間を設定することで、アノード内の残留酸素量が消失するまでの制御実行時間を設定することができる。   Based on the behavior of the pressure of the fuel gas when the flow rate of the fuel gas is controlled to the target value by the flow rate control means, it becomes possible to estimate the amount of oxygen staying in the anode, and while controlling the flow rate of the fuel gas, Since the fuel gas pressure response at that time can be monitored, the amount of oxygen present in the anode can be estimated appropriately. Further, by setting the end time for ending the start-up control based on the appropriately estimated oxygen amount, the control execution time until the residual oxygen amount in the anode disappears can be set.

燃料ガスの流量の積分値が所定値に到達したときに、アノード内に滞留している酸素が消失したものと推定することで、燃料ガスの流量と供給時間から投入水素量を求めることができ、投入水素量から酸素量を適切に推定することができる。このように適切に推定された酸素量に基づいて起動制御を終了する終了時間を設定することで、アノード内の残留酸素量が消失するまでの制御実行時間を設定することができる。   When the integral value of the flow rate of the fuel gas reaches a predetermined value, it is possible to determine the amount of hydrogen input from the flow rate and supply time of the fuel gas by estimating that the oxygen remaining in the anode has disappeared. The amount of oxygen can be appropriately estimated from the amount of hydrogen input. By setting the end time for ending the start-up control based on the oxygen amount appropriately estimated in this way, the control execution time until the residual oxygen amount in the anode disappears can be set.

次に、本発明の実施例4について説明する。この実施例4の特徴とするところは、先の実施例1〜3と組み合わせて実施し、発電電流に基づいて発電で消費された水素量を演算し、消費された水素量からアノード内に滞留する酸素量を推定し、推定した酸素量を加味して先の実施例1〜3で推定された酸素量を補正したことにある。   Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. The feature of the fourth embodiment is that it is implemented in combination with the first to third embodiments, calculates the amount of hydrogen consumed by power generation based on the generated current, and stays in the anode from the consumed hydrogen amount. The amount of oxygen to be estimated is estimated, and the amount of oxygen estimated in the first to third embodiments is corrected in consideration of the estimated amount of oxygen.

先ず、図3、図4、図10のステップS302、図13のステップS601において、各ステップS302、S601で行われる処理に加えて、起動制御手段21は、燃料電池スタック1で発電する発電電流の指令値を生成してパワーマネージャー16に与え、パワーマネージャー16は指令値に基づいて燃料電池スタック1から電流を取り出す。   First, in step S302 of FIG. 3, FIG. 4, FIG. 10, and step S601 of FIG. 13, in addition to the processing performed in each of steps S302 and S601, the activation control means 21 determines the generated current generated by the fuel cell stack 1. A command value is generated and applied to the power manager 16, and the power manager 16 extracts a current from the fuel cell stack 1 based on the command value.

図3、図4のステップS303、図10のステップS501、図13のステップS602では、コントローラ20にパワーマネージャー16で計測された電流値を読み込む。起動制御/通常発電制御切替手段22は、読み込んだ電流値に基づいて、以下に示す換算式を用いて発電で消費した水素量(QH2,c)を演算する。   3, FIG. 4, step S <b> 501 in FIG. 10, and step S <b> 602 in FIG. 13, the controller 20 reads the current value measured by the power manager 16. The start control / normal power generation control switching means 22 calculates the amount of hydrogen consumed by power generation (QH2, c) using the following conversion formula based on the read current value.

(数1)
QH2,c= Q×Vm×CN/(2×F)
ここで、Vmはモル容積の22.414[NL/mol]であり、CNは燃料電池スタック1を構成するセルの枚数[枚]であり、Fはファラデー定数の96485[C/mol]であり、Qは電荷量[C]であり、Q=I×t(Iは電流[A]、tは時間[s])として表される。
(Equation 1)
QH2, c = Q × Vm × CN / (2 × F)
Here, Vm is the molar volume of 22.414 [NL / mol], CN is the number of cells constituting the fuel cell stack 1 [sheets], and F is the Faraday constant of 96485 [C / mol]. , Q is the charge amount [C], and is expressed as Q = I × t (I is current [A], t is time [s]).

その後、予め実機確認して用意されて記憶された、消費水素量と酸素量との関係を示すマップもしくはテーブルを参照して、消費水素量に対応したアノード内の酸素量を演算する。このようにして推定された酸素量と、既存の適当な補正手法を用いて先の実施例1〜3で推定された酸素量を補正する。   Thereafter, an oxygen amount in the anode corresponding to the consumed hydrogen amount is calculated with reference to a map or table showing the relationship between the consumed hydrogen amount and the oxygen amount prepared and stored in advance by checking the actual machine. The oxygen amount estimated in the first to third embodiments is corrected using the oxygen amount estimated in this way and an existing appropriate correction method.

以上説明したように、上記実施例4では、電流を取り出す起動制御を行うときに、燃料ガス圧力の挙動に基づいて、アノード内に滞留する酸素量を推定することで、滞留する酸素量を適切に推定することができる。   As described above, in Example 4 described above, when starting control for extracting current is performed, the amount of oxygen that remains in the anode is estimated by estimating the amount of oxygen that remains in the anode based on the behavior of the fuel gas pressure. Can be estimated.

適切に推定された酸素量に基づいて、起動制御を終了する終了時間を設定することで、アノード内の残留酸素量が消失するまでの制御実行時間を設定することができる。   By setting the end time for ending the start-up control based on the appropriately estimated oxygen amount, the control execution time until the residual oxygen amount in the anode disappears can be set.

電流検出手段で検出された電流値に基づいて、起動性時における電流の取り出しにより消費された燃料ガスの消費量を演算し、得られた燃料ガスの消費量に基づいて推定された酸素量を補正することが可能となり、酸素量の推定精度を高めることができる。   Based on the current value detected by the current detection means, the consumption amount of the fuel gas consumed by taking out the current at the time of startability is calculated, and the oxygen amount estimated based on the obtained consumption amount of the fuel gas is calculated. It becomes possible to correct | amend and can improve the estimation precision of oxygen amount.

本発明の実施例1に係る燃料電池システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell system which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例1に係るコントローラに含まれる制御ロジックの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the control logic contained in the controller which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例1に係る動作手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation | movement procedure which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例1に係るの他の動作手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the other operation | movement procedure which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例1に係る各諸量の挙動を示す図である。It is a figure which shows the behavior of each quantity which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例1に係る各諸量の挙動を示す図である。It is a figure which shows the behavior of each quantity which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例1に係るアノード圧力の詳細な挙動を示す図であるIt is a figure which shows the detailed behavior of the anode pressure which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例1に係るアノード圧力と目標値との差の挙動を示す図であるIt is a figure which shows the behavior of the difference of the anode pressure which concerns on Example 1 of this invention, and a target value. 本発明の実施例2に係る燃料電池システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell system which concerns on Example 2 of this invention. 本発明の実施例2に係る動作手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation | movement procedure which concerns on Example 2 of this invention. 本発明の実施例2に係る水素流量と弁開度の挙動を示す図である。It is a figure which shows the behavior of the hydrogen flow volume and valve opening degree which concern on Example 2 of this invention. 本発明の実施例2に係るコントローラに含まれる制御ロジックの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the control logic contained in the controller which concerns on Example 2 of this invention. 本発明の実施例3に係る動作手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation | movement procedure which concerns on Example 3 of this invention. 本発明の実施例3に係る水素流量とアノード圧の挙動を示す図である。It is a figure which shows the behavior of the hydrogen flow volume and anode pressure which concern on Example 3 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…燃料電池スタック
2…水素タンク
3…水素タンク元弁
4…減圧弁
5…水素供給弁
6…水素循環ポンプ
7…パージ弁
8…希釈装置
9,13…圧力センサ
10…温度センサ
11…コンプレッサ
12…空気調圧弁
14…温度センサ
15…電圧センサ
16…パワーマネージャー
17…2次バッテリ
18…バッテリコントローラ
19…大気圧センサ
20…コントローラ
21…起動制御手段
21A…アノード圧力制御手段
21B…アノード流量制御手段
22…起動制御/通常発電制御切替手段
23…通常発電制御手段
24…流量センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell stack 2 ... Hydrogen tank 3 ... Hydrogen tank main valve 4 ... Pressure-reducing valve 5 ... Hydrogen supply valve 6 ... Hydrogen circulation pump 7 ... Purge valve 8 ... Dilution device 9, 13 ... Pressure sensor 10 ... Temperature sensor 11 ... Compressor DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 ... Air pressure regulating valve 14 ... Temperature sensor 15 ... Voltage sensor 16 ... Power manager 17 ... Secondary battery 18 ... Battery controller 19 ... Atmospheric pressure sensor 20 ... Controller 21 ... Start-up control means 21A ... Anode pressure control means 21B ... Anode flow control Means 22 ... Startup control / normal power generation control switching means 23 ... Normal power generation control means 24 ... Flow rate sensor

Claims (22)

燃料ガス供給手段により燃料極に供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給手段により酸化剤極に供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料極における燃料ガスの圧力を検出する圧力検出手段と、
前記燃料電池に供給されて未使用の燃料ガスを前記燃料電池の外部に排出する排出手段と、
前記燃料電池で得られた電流を前記燃料電池から取り出す電流取出手段と、
前記燃料ガス供給手段による燃料ガスの供給、前記酸化剤ガス供給手段による酸化剤ガスの供給、前記排出手段による燃料ガスの排出、ならびに前記電流取出手段による電流の取り出しを制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、システムの起動時に、前記酸化剤供給手段による酸化剤の供給ならびに前記排出手段による燃料ガスの排出を停止した状態で、前記燃料ガス供給手段により燃料ガスを供給し、前記電流取出手段により電流を取り出す起動制御を行うときに、前記圧力検出手段で検出された燃料ガス圧力の挙動に基づいて、前記燃料極内に滞留する酸素量を推定する
ことを特徴とする燃料電池システム。
In a fuel cell system including a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas supplied to the fuel electrode by the fuel gas supply means and an oxidant gas supplied to the oxidant electrode by the oxidant gas supply means,
Pressure detecting means for detecting the pressure of the fuel gas at the fuel electrode;
Discharging means for discharging unused fuel gas supplied to the fuel cell to the outside of the fuel cell;
Current extraction means for extracting the current obtained by the fuel cell from the fuel cell;
Control means for controlling supply of fuel gas by the fuel gas supply means, supply of oxidant gas by the oxidant gas supply means, discharge of fuel gas by the discharge means, and extraction of current by the current extraction means ,
The control means supplies the fuel gas by the fuel gas supply means in a state where the supply of the oxidant by the oxidant supply means and the discharge of the fuel gas by the discharge means are stopped when the system is started, and the current extraction A fuel cell system that estimates the amount of oxygen staying in the fuel electrode based on the behavior of the fuel gas pressure detected by the pressure detection means when performing start-up control for extracting current by the means.
前記制御手段は、推定された酸素量に基づいて、前記起動制御を終了する終了時間を設定する
ことを特徴とする燃料電池システム。
The control means sets an end time for ending the start control based on the estimated oxygen amount.
A fuel cell system.
前記制御手段は、前記燃料電池に供給される燃料ガスの圧力を制御する圧力制御手段をを備え、前記起動制御時に前記圧力制御手段により前記燃料電池に供給される燃料ガスの圧力を目標値に昇圧制御した際に、前記酸素量の推定または前記終了時間の設定を行う
ことを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池システム。
The control means includes pressure control means for controlling the pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell, and the pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell by the pressure control means during the start-up control is set to a target value. 3. The fuel cell system according to claim 1, wherein when the pressure increase control is performed, the oxygen amount is estimated or the end time is set. 4.
前記目標値と前記圧力検出手段で検出された検出値との差圧に基づいて、前記酸素量の推定または前記終了時間の設定を行う
ことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。
4. The fuel cell system according to claim 3, wherein the oxygen amount is estimated or the end time is set based on a differential pressure between the target value and a detected value detected by the pressure detecting means.
前記目標値と前記圧力検出手段で検出された検出値との差圧の積分値に基づいて、前記酸素量の推定または前記終了時間の設定を行う
ことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。
4. The fuel according to claim 3, wherein the oxygen amount is estimated or the end time is set based on an integral value of a differential pressure between the target value and a detected value detected by the pressure detecting means. Battery system.
前記目標値と前記圧力検出手段で検出された検出値との差圧の最大値に基づいて、前記酸素量の推定または前記終了時間の設定を行う
ことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。
4. The fuel according to claim 3, wherein the oxygen amount is estimated or the end time is set based on a maximum value of a differential pressure between the target value and a detected value detected by the pressure detecting means. Battery system.
前記起動制御を開始した後、前記目標値と前記圧力検出手段で検出された検出値との差圧の最大値に至るまでの時間に基づいて、前記酸素量の推定または前記終了時間の設定を行う
ことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。
After the start control is started, the oxygen amount is estimated or the end time is set based on the time until the maximum value of the differential pressure between the target value and the detected value detected by the pressure detecting means is reached. The fuel cell system according to claim 3, wherein the fuel cell system is performed.
前記起動制御を開始した後、前記圧力検出手段で検出された検出値が前記目標値に至るまでの時間に基づいて、前記酸素量の推定または前記終了時間の設定を行う
ことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。
The oxygen amount is estimated or the end time is set based on a time until the detection value detected by the pressure detection means reaches the target value after starting the activation control. Item 4. The fuel cell system according to Item 3.
前記圧力検出手段で検出された検出値が前記目標値に至るまでの燃料ガスの昇圧速度に基づいて、前記酸素量の推定または前記終了時間の設定を行う
ことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。
The oxygen amount is estimated or the end time is set based on the pressure increase rate of the fuel gas until the detection value detected by the pressure detection means reaches the target value. Fuel cell system.
前記圧力検出手段で検出された検出値が前記目標値に至るまでの燃料ガスの昇圧速度の平均値もしくはばらつきに基づいて、前記酸素量の推定または前記終了時間の設定を行う
ことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。
The oxygen amount is estimated or the end time is set based on an average value or variation in the pressure increase rate of the fuel gas until the detection value detected by the pressure detection means reaches the target value. The fuel cell system according to claim 3.
前記起動制御を開始した後、前記圧力検出手段で検出された検出値が前記目標値に至った後の燃料ガス圧力の挙動に基づいて、前記酸素量の推定または前記終了時間の設定を行う
ことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。
After the start control is started, the oxygen amount is estimated or the end time is set based on the behavior of the fuel gas pressure after the detection value detected by the pressure detection means reaches the target value. The fuel cell system according to claim 3.
前記起動制御を開始した後、前記圧力検出手段で検出された検出値が前記目標値に至った後燃料ガスの供給を停止し、その後の燃料ガス圧力の挙動に基づいて、前記酸素量の推定または前記終了時間の設定を行う
ことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。
After the start control is started, the supply of fuel gas is stopped after the detection value detected by the pressure detection means reaches the target value, and the oxygen amount is estimated based on the behavior of the fuel gas pressure thereafter. The fuel cell system according to claim 3, wherein the end time is set.
燃料ガスの供給停止後、前記圧力検出手段で検出された圧力の変動が所定の値以下に低下したときに、燃料極に滞留している酸素が消失したものと推定して起動制御を終了する
ことを特徴とする請求項12に記載の燃料電池システム。
After the supply of fuel gas is stopped, when the fluctuation in pressure detected by the pressure detection means falls below a predetermined value, it is estimated that the oxygen remaining in the fuel electrode has disappeared and the start-up control is terminated. The fuel cell system according to claim 12.
燃料ガス供給手段により燃料極に供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給手段により酸化剤極に供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料極における燃料ガスの圧力を検出する圧力検出手段と、
前記燃料電池に供給されて未使用の燃料ガスを前記燃料電池の外部に排出する排出手段と、
前記燃料電池で得られた電流を前記燃料電池から取り出す電流取出手段と、
前記燃料電池に供給される燃料ガスの流量を検出する流量検出手段と、
前記燃料ガス供給手段による燃料ガスの供給、前記酸化剤ガス供給手段による酸化剤ガスの供給、前記排出手段による燃料ガスの排出、ならびに前記電流取出手段による電流の取り出しを制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記燃料電池に供給される燃料ガスの圧力を制御する圧力制御手段をを備え、システムの起動時に、前記酸化剤供給手段による酸化剤の供給ならびに前記排出手段による燃料ガスの排出を停止した状態で、前記燃料ガス供給手段により燃料ガスを供給して燃料ガスの圧力を目標値に昇圧制御し、前記電流取出手段により電流を取り出す起動制御を行うときに、前記流量検出手段で検出された流量の挙動に基づいて、前記燃料極内に滞留する酸素量を推定する
ことを特徴とする燃料電池システム。
In a fuel cell system including a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas supplied to the fuel electrode by the fuel gas supply means and an oxidant gas supplied to the oxidant electrode by the oxidant gas supply means,
Pressure detecting means for detecting the pressure of the fuel gas at the fuel electrode;
Discharging means for discharging unused fuel gas supplied to the fuel cell to the outside of the fuel cell;
Current extraction means for extracting the current obtained by the fuel cell from the fuel cell;
Flow rate detecting means for detecting the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel cell;
Control means for controlling supply of fuel gas by the fuel gas supply means, supply of oxidant gas by the oxidant gas supply means, discharge of fuel gas by the discharge means, and extraction of current by the current extraction means ,
The control means includes pressure control means for controlling the pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell. When the system is started, supply of the oxidant by the oxidant supply means and discharge of the fuel gas by the discharge means When the fuel gas is supplied by the fuel gas supply means, the pressure of the fuel gas is increased to a target value, and the flow control means performs the start-up control for taking out the current by the current extraction means. A fuel cell system, wherein the amount of oxygen staying in the fuel electrode is estimated based on the behavior of the detected flow rate.
前記流量検出手段で検出された検出値が所定の流量以下に低下するまでの時間に基づいて、前記燃料極内に滞留する酸素量を推定する
ことを特徴とする請求項14に記載の燃料電池システム。
15. The fuel cell according to claim 14, wherein the amount of oxygen staying in the fuel electrode is estimated based on a time until the detected value detected by the flow rate detecting means falls below a predetermined flow rate. system.
前記燃料ガス供給手段は、燃料ガスの圧力を調整する調圧弁を備え、
起動制御の開始後、前記調圧弁の弁開度が所定の弁開度に絞り込まれるまでの時間に基づいて、前記燃料極内に滞留する酸素量を推定する
ことを特徴とする請求項14に記載の燃料電池システム。
The fuel gas supply means includes a pressure regulating valve that adjusts the pressure of the fuel gas,
15. The amount of oxygen staying in the fuel electrode is estimated based on a time until the valve opening of the pressure regulating valve is reduced to a predetermined valve opening after the start control is started. The fuel cell system described.
前記燃料ガス供給手段は、燃料ガスの圧力を調整する調圧弁を備え、
起動制御の開始後、前記調圧弁の弁開度が所定の弁開度に絞り込まれるまでの時間の積分値に基づいて、前記燃料極内に滞留する酸素量を推定する
ことを特徴とする請求項16に記載の燃料電池システム。
The fuel gas supply means includes a pressure regulating valve that adjusts the pressure of the fuel gas,
The amount of oxygen staying in the fuel electrode is estimated based on an integrated value of time until the valve opening of the pressure regulating valve is reduced to a predetermined valve opening after the start control is started. Item 17. The fuel cell system according to Item 16.
前記制御手段は、推定された酸素量に基づいて、前記起動制御を終了する終了時間を設定する
ことを特徴とする請求項14〜17のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The control means sets an end time for ending the start control based on the estimated oxygen amount.
The fuel cell system according to any one of claims 14 to 17, wherein
燃料ガス供給手段により燃料極に供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給手段により酸化剤極に供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料極における燃料ガスの圧力を検出する圧力検出手段と、
前記燃料電池に供給される燃料ガスの流量を検出する流量検出手段と、
前記燃料電池に供給されて未使用の燃料ガスを前記燃料電池の外部に排出する排出手段と、
前記燃料電池で得られた電流を前記燃料電池から取り出す電流取出手段と、
前記燃料ガス供給手段による燃料ガスの供給、前記酸化剤ガス供給手段による酸化剤ガスの供給、前記排出手段による燃料ガスの排出、ならびに前記電流取出手段による電流の取り出しを制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記燃料電池に供給される燃料ガスの流量を制御する流量制御手段をを備え、システムの起動時に、前記酸化剤供給手段による酸化剤の供給ならびに前記排出手段による燃料ガスの排出を停止した状態で、前記燃料ガス供給手段により燃料ガスを供給して前記流量制御手段で燃料ガスの流量を目標値に制御し、前記電流取出手段により電流を取り出す起動制御を行うときに、前記圧力検出手段で検出された圧力の挙動に基づいて、前記燃料極内に滞留する酸素量を推定する
ことを特徴とする燃料電池システム。
In a fuel cell system including a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas supplied to the fuel electrode by the fuel gas supply means and an oxidant gas supplied to the oxidant electrode by the oxidant gas supply means,
Pressure detecting means for detecting the pressure of the fuel gas at the fuel electrode;
Flow rate detecting means for detecting the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel cell;
Discharging means for discharging unused fuel gas supplied to the fuel cell to the outside of the fuel cell;
Current extraction means for extracting the current obtained by the fuel cell from the fuel cell;
Control means for controlling supply of fuel gas by the fuel gas supply means, supply of oxidant gas by the oxidant gas supply means, discharge of fuel gas by the discharge means, and extraction of current by the current extraction means ,
The control means includes flow rate control means for controlling the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel cell, and supply of the oxidant by the oxidant supply means and discharge of the fuel gas by the discharge means when the system is started up. In the state where the fuel gas is supplied by the fuel gas supply means, the flow rate of the fuel gas is controlled to a target value by the flow rate control means, and the start control for taking out the current by the current extraction means is performed, A fuel cell system, wherein the amount of oxygen staying in the fuel electrode is estimated based on the behavior of pressure detected by a pressure detection means.
前記制御手段は、推定された酸素量に基づいて、前記起動制御を終了する終了時間を設定する
ことを特徴とする請求項19に記載の燃料電池システム。
The control means sets an end time for ending the start control based on the estimated oxygen amount.
The fuel cell system according to claim 19.
前記制御手段は、前記流量検出手段で検出された流量の積分値が所定値に到達したときに、燃料極に滞留している酸素が消失したものと推定して起動制御を終了する
ことを特徴とする請求項19または20に記載の燃料電池システム。
When the integral value of the flow rate detected by the flow rate detection unit reaches a predetermined value, the control unit estimates that oxygen remaining in the fuel electrode has disappeared and ends the start-up control. The fuel cell system according to claim 19 or 20.
前記電流取出手段により取り出された電流を検出する電流検出手段を備え、
前記制御手段は、前記電流検出手段で検出された電流値に基づいて、起動性時における電流の取り出しにより消費された燃料ガスの消費量を演算し、得られた燃料ガスの消費量に基づいて推定された酸素量を補正する
ことを特徴とする請求項1〜21のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
Current detection means for detecting the current extracted by the current extraction means;
The control means calculates the consumption amount of the fuel gas consumed by taking out the current at the time of start-up based on the current value detected by the current detection means, and based on the obtained consumption amount of the fuel gas The fuel cell system according to any one of claims 1 to 21, wherein the estimated amount of oxygen is corrected.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2014011090A (en) * 2012-07-02 2014-01-20 Honda Motor Co Ltd Fuel cell system
JP2015065791A (en) * 2013-09-26 2015-04-09 ダイハツ工業株式会社 Power generation control device
US11108062B2 (en) 2018-03-12 2021-08-31 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system and method of controlling the same

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