JP2009277502A - Fuel cell system - Google Patents

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善仁 菅野
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system suitable for conducting a warming-up operation, capable of adjusting promptly an oxygen amount contributing to a power generation reaction by a cathode by compensating a low flow-volume controllability of a turbo compressor. <P>SOLUTION: The fuel cell system includes a fuel cell stack 10, a turbo air compressor 22, a purge piping 54, and an exhaust/drainage valve 52. When warming-up of the fuel cell stack is necessary, the exhaust/drainage valve 52 is opened and hydrogen is supplied to a side of an inhaling port of the air compressor 22. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

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

従来、例えば、下記の特許文献に開示されているように、アノードに水素の供給を受けカソードに酸素の供給を受けることにより発電する各種の燃料電池システムが知られている。   Conventionally, for example, as disclosed in the following patent documents, various fuel cell systems that generate power by supplying hydrogen to an anode and oxygen to a cathode are known.

燃料電池の発電中、カソードの酸素は、電気化学的な発電反応により消費されている。発電反応に寄与する酸素の量が十分に足りていれば、燃料電池は良好な電流−電圧特性を示す。燃料電池の通常発電中には、カソードに対して空気などの酸素含有ガスを十分に多く供給し、良好な電流−電圧特性を実現することが好ましい。   During power generation of a fuel cell, oxygen at the cathode is consumed by an electrochemical power generation reaction. If the amount of oxygen contributing to the power generation reaction is sufficient, the fuel cell exhibits good current-voltage characteristics. During normal power generation of the fuel cell, it is preferable to supply a sufficient amount of oxygen-containing gas such as air to the cathode to achieve good current-voltage characteristics.

特開2002−313388号公報JP 2002-313388 A 特開平09−035735号公報JP 09-035735 A 特開2006−040604号公報JP 2006-040604 A 特開2002−056871号公報JP 2002-056871 A

ところで、電流−電圧特性を通常の特性よりも悪化させた状態で発電を行うと、発電効率が低下して発電に伴う燃料電池の発熱量が多くなる。そこで、必要に応じて意図的に電流−電圧特性を悪化させて発電を行うことにより、燃料電池を暖機することができる。本願発明者は、鋭意研究を重ねた結果、このような暖機運転を行う上で好適な燃料電池システムを見出した。   By the way, if power generation is performed in a state where the current-voltage characteristics are deteriorated from the normal characteristics, the power generation efficiency is lowered and the amount of heat generated by the fuel cell accompanying the power generation is increased. Therefore, the fuel cell can be warmed up by generating power by intentionally degrading the current-voltage characteristics as necessary. As a result of intensive studies, the inventor of the present application has found a fuel cell system suitable for performing such warm-up operation.

また、電流−電圧特性を悪化させるための方法として、カソードで発電反応に寄与する酸素の量を低減する方法がある。カソードに酸素供給を行う燃料電池システムでは、一般的に、コンプレッサを用いて、空気などの酸素含有ガスをある程度高圧な状態でカソードに供給している。そして、コンプレッサの回転数を変更することにより、カソードへの酸素流入量を調節している。しかしながら、コンプレッサのなかでもターボ式のコンプレッサは、吐出圧に応じて流量が大きく変化するという特性を持つ。これに起因して、ターボ式コンプレッサには、流量が変化した時、その後流量が一定の値に収束するまでに、比較的長い時間がかかるという欠点がある。   As a method for deteriorating current-voltage characteristics, there is a method of reducing the amount of oxygen that contributes to the power generation reaction at the cathode. In a fuel cell system that supplies oxygen to the cathode, an oxygen-containing gas such as air is generally supplied to the cathode at a certain level of pressure using a compressor. The amount of oxygen flowing into the cathode is adjusted by changing the rotation speed of the compressor. However, among the compressors, the turbo type compressor has a characteristic that the flow rate varies greatly according to the discharge pressure. Due to this, the turbo compressor has a disadvantage that it takes a relatively long time until the flow rate converges to a constant value when the flow rate changes.

この発明は、上述のような経緯に基づいてなされたもので、暖機運転を行う上で好適な燃料電池システムを提供することを目的とする。   The present invention has been made based on the above-described circumstances, and an object thereof is to provide a fuel cell system suitable for performing warm-up operation.

また、この発明の他の目的は、ターボ式コンプレッサの流量制御性の低さを補って、カソードで発電反応に寄与する酸素の量を速やかに調節することができる燃料電池システムを提供することである。   Another object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of quickly adjusting the amount of oxygen contributing to the power generation reaction at the cathode, compensating for the low flow controllability of the turbo compressor. is there.

第1の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
アノードに水素の供給を受けカソードに酸素の供給を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池の発電中に、前記カソードへと酸素含有ガスを供給するカソードガス供給機構と、
前記カソードに水素を供給することができる水素供給機構と、
前記燃料電池の暖機運転が必要か否かを判定する判定手段と、
前記判定手段が前記燃料電池の暖機運転が必要と判定した場合に、前記カソードガス供給機構による酸素含有ガスの供給に加え、前記水素供給機構による水素の供給を行いながら、前記燃料電池の発電を行う制御手段と、
を備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a first invention is a fuel cell system,
A fuel cell that generates hydrogen by supplying hydrogen to the anode and oxygen to the cathode;
A cathode gas supply mechanism for supplying an oxygen-containing gas to the cathode during power generation of the fuel cell;
A hydrogen supply mechanism capable of supplying hydrogen to the cathode;
Determination means for determining whether the fuel cell needs to be warmed up;
When the determination unit determines that the fuel cell needs to be warmed up, the fuel cell power generation is performed while supplying the oxygen-containing gas by the cathode gas supply mechanism and supplying the hydrogen by the hydrogen supply mechanism. Control means for performing
It is characterized by providing.

第2の発明は、上記の他の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
アノードに水素の供給を受けカソードに酸素の供給を受けて発電する燃料電池と、
前記カソードへと酸素含有ガスを流入させるターボ式コンプレッサと、
前記カソードに水素を供給することができ、該カソードに対する水素の供給量が可変な水素供給機構と、
を備えることを特徴とする。
A second invention is a fuel cell system for achieving the above-mentioned other object,
A fuel cell that generates hydrogen by supplying hydrogen to the anode and oxygen to the cathode;
A turbo compressor for flowing an oxygen-containing gas into the cathode;
A hydrogen supply mechanism capable of supplying hydrogen to the cathode, wherein a hydrogen supply amount to the cathode is variable;
It is characterized by providing.

また、第3の発明は、第2の発明において、
前記水素供給機構が、前記ターボ式コンプレッサが吸入するガスに対して水素を添加することにより、前記カソードに水素を供給することを特徴とする。
The third invention is the second invention, wherein
The hydrogen supply mechanism supplies hydrogen to the cathode by adding hydrogen to a gas sucked by the turbo compressor.

また、第4の発明は、第2または第3の発明において、
前記燃料電池の暖機運転が必要か否かを判定する判定手段と、
前記判定手段が前記燃料電池の暖機運転が必要と判定した場合に、前記ターボ式コンプレッサの回転数を固定しかつ前記水素供給機構による水素の供給を行いながら、前記燃料電池の発電を行う制御手段と、
をさらに備えることを特徴とする。
Moreover, 4th invention is 2nd or 3rd invention,
Determination means for determining whether the fuel cell needs to be warmed up;
Control for generating power of the fuel cell while fixing the number of revolutions of the turbo compressor and supplying hydrogen by the hydrogen supply mechanism when the determination means determines that the fuel cell needs to be warmed up Means,
Is further provided.

また、第5の発明は、第4の発明において、
前記燃料電池の電圧を検知する電圧検知手段と、
所定の低効率で前記燃料電池を発電させる際に該燃料電池が示すべき電圧値である、目標電圧値を記憶する記憶手段と、
をさらに備え、
前記制御手段が、前記燃料電池が前記目標電圧値を示すように、前記電圧検知手段が検知した電圧の値を、前記水素供給機構の水素の供給量にフィードバックするフィードバック制御手段を含むことを特徴とする。
The fifth invention is the fourth invention, wherein
Voltage detecting means for detecting the voltage of the fuel cell;
Storage means for storing a target voltage value, which is a voltage value to be displayed by the fuel cell when generating the fuel cell at a predetermined low efficiency;
Further comprising
The control means includes feedback control means for feeding back the voltage value detected by the voltage detection means to the hydrogen supply amount of the hydrogen supply mechanism so that the fuel cell exhibits the target voltage value. And

第6の発明は、上記の他の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
アノードに水素の供給を受けカソードに酸素の供給を受けて発電する燃料電池と、
前記カソードへと酸素含有ガスを吐出するターボ式コンプレッサと、
前記ターボ式コンプレッサが前記カソード側に吐出したガスのうち、一部のガスを、該カソードを迂回させて流すことができ、かつ、該カソードを迂回させて流す該一部のガスの量を調節可能なバイパス機構と、
を備えることを特徴とする。
A sixth invention is a fuel cell system for achieving the other object described above,
A fuel cell that generates hydrogen by supplying hydrogen to the anode and oxygen to the cathode;
A turbo compressor that discharges oxygen-containing gas to the cathode;
Of the gas discharged to the cathode side by the turbo compressor, a part of the gas can flow around the cathode, and the amount of the part gas flowing around the cathode is adjusted. Possible bypass mechanism,
It is characterized by providing.

第7の発明は、第6の発明において、
前記燃料電池の暖機運転が必要か否かを判定する判定手段と、
前記判定手段が前記燃料電池の暖機運転が必要と判定した場合に、前記ターボ式コンプレッサの回転数を固定しかつ前記バイパス機構によって前記一部のガスを前記カソードを迂回させて流しながら、前記燃料電池の発電を行う制御手段と、
をさらに備えることを特徴とする。
A seventh invention is the sixth invention, wherein
Determination means for determining whether the fuel cell needs to be warmed up;
When the determination means determines that the fuel cell needs to be warmed up, the rotational speed of the turbo-type compressor is fixed and the part of the gas is caused to flow around the cathode by the bypass mechanism. Control means for generating electricity in the fuel cell;
Is further provided.

第8の発明は、第4、5または第7の発明において、
前記制御手段が、通常発電時における前記ターボ式コンプレッサの回転数に比して低く設定された所定の低回転数に、前記ターボ式コンプレッサの回転数を固定することを特徴とする。
The eighth invention is the fourth, fifth or seventh invention,
The control means fixes the rotational speed of the turbo compressor to a predetermined low rotational speed that is set lower than the rotational speed of the turbo compressor during normal power generation.

第1の発明によれば、水素供給機構がカソードに水素を供給することにより、カソードにおいて、酸素含有ガス中の一部の酸素を水素と反応させることができる。これにより、電流−電圧特性を悪化させ発熱量を多くして燃料電池の発電を行うことができる。また、これと同時に、カソードにおける水素と酸素の反応熱によって、燃料電池を加熱することができる。このように、第1の発明によれば、高発熱量での発電を行いつつ、水素と酸素の反応熱による昇温効果をも同時に享受することができる。従って、暖機運転に好適な燃料電池システムを得ることができる。   According to the first invention, the hydrogen supply mechanism supplies hydrogen to the cathode, whereby a part of oxygen in the oxygen-containing gas can be reacted with hydrogen at the cathode. As a result, the current-voltage characteristics are deteriorated and the amount of generated heat is increased, so that the fuel cell can generate power. At the same time, the fuel cell can be heated by the reaction heat of hydrogen and oxygen at the cathode. Thus, according to the first aspect of the invention, it is possible to simultaneously enjoy the temperature increase effect due to the reaction heat of hydrogen and oxygen while generating power with a high calorific value. Therefore, a fuel cell system suitable for warm-up operation can be obtained.

第2の発明によれば、水素供給機構を用いることによりカソード内で水素と酸素を反応させて、ターボ式コンプレッサの制御とは別に、発電反応に寄与する酸素量を低減することができる。これによりターボ式コンプレッサの流量制御性の低さを補って、カソードで発電反応に寄与する酸素量を、所望の量に速やかに調節することができる。   According to the second invention, hydrogen and oxygen are reacted in the cathode by using the hydrogen supply mechanism, and the amount of oxygen contributing to the power generation reaction can be reduced separately from the control of the turbo compressor. This compensates for the low flow rate controllability of the turbo compressor, and the amount of oxygen contributing to the power generation reaction at the cathode can be quickly adjusted to a desired amount.

第3の発明によれば、ターボ式コンプレッサの吐出圧の変化を抑えつつ、発電反応に寄与する酸素量を低減することができる。   According to the third invention, it is possible to reduce the amount of oxygen that contributes to the power generation reaction while suppressing a change in the discharge pressure of the turbo compressor.

第4の発明によれば、燃料電池の暖機が必要なとき、カソードで水素と酸素を反応させて発電反応に寄与する酸素量を低減することにより、発電反応に寄与する酸素量を通常発電時に比して少なくした状態(以下「低酸素量状態」とも称す)で、燃料電池を発電させることができる。低酸素量状態によれば、燃料電池の電流−電圧特性を悪化させて燃料電池の発熱量を増加し、燃料電池を暖機することができる。しかも、第4の発明によれば、水素と酸素の反応によって燃料電池を発熱させることができる。よって、暖機運転のために低酸素量状態を実現する際に、水素と酸素の反応熱による昇温効果をも同時に享受することができる。
さらに、第4の発明によれば、ターボ式コンプレッサの回転数を固定して、水素供給機構によって、カソードで発電反応に消費される酸素量を低減している。これにより、ターボ式コンプレッサの回転数制御に頼って低酸素量状態を実現しようとする場合に比して、制御上の不具合を少なく抑えつつ、カソードで発電反応に消費される酸素量を低減することができる。
According to the fourth invention, when the fuel cell needs to be warmed up, the amount of oxygen contributing to the power generation reaction is reduced by reacting hydrogen and oxygen at the cathode to reduce the amount of oxygen contributing to the power generation reaction. The fuel cell can generate electric power in a state that is less than that sometimes (hereinafter also referred to as “low oxygen amount state”). According to the low oxygen amount state, the current-voltage characteristic of the fuel cell is deteriorated, the amount of heat generated by the fuel cell is increased, and the fuel cell can be warmed up. Moreover, according to the fourth aspect of the invention, the fuel cell can generate heat by the reaction between hydrogen and oxygen. Therefore, when realizing a low oxygen amount state for warm-up operation, it is possible to simultaneously enjoy the temperature rise effect due to the reaction heat of hydrogen and oxygen.
Furthermore, according to the fourth invention, the rotational speed of the turbo compressor is fixed, and the amount of oxygen consumed in the power generation reaction at the cathode is reduced by the hydrogen supply mechanism. This reduces the amount of oxygen consumed in the power generation reaction at the cathode while reducing control problems compared to the case where a low oxygen amount state is to be achieved by relying on the rotational speed control of the turbo compressor. be able to.

第5の発明によれば、ターボ式コンプレッサの回転数を固定した状態で、フィードバック制御によって、水素供給機構による水素の添加量を調節することができる。これにより、ターボ式コンプレッサの流量制御性の低さによる悪影響を避けつつ、燃料電池の動作点を目標動作点に一致させるためのフィードバック制御を実行することができる。   According to the fifth aspect of the invention, the amount of hydrogen added by the hydrogen supply mechanism can be adjusted by feedback control while the rotational speed of the turbo compressor is fixed. Accordingly, it is possible to execute feedback control for making the operating point of the fuel cell coincide with the target operating point while avoiding the adverse effect due to the low flow controllability of the turbo compressor.

第6の発明によれば、ターボ式コンプレッサの吐出口の下流のガスのうち一部のガスをカソードを迂回させて流すことにより、ターボ式コンプレッサの制御とは別に、発電反応に寄与する酸素量を低減することができる。これによりターボ式コンプレッサが有する流量制御性の低さを補って、カソードで発電反応に寄与する酸素量を、所望の量に速やかに調節することができる。   According to the sixth aspect of the invention, by flowing a part of the gas downstream of the discharge port of the turbo compressor while bypassing the cathode, the amount of oxygen contributing to the power generation reaction separately from the control of the turbo compressor Can be reduced. Thus, the low flow rate controllability of the turbo compressor can be compensated, and the amount of oxygen contributing to the power generation reaction at the cathode can be quickly adjusted to a desired amount.

第7の発明によれば、燃料電池の暖機が必要なとき、ターボ式コンプレッサの吐出口の下流のガスのうち一部のガスをカソードを迂回させて流すことにより、燃料電池を低酸素量状態で発電させることができる。低酸素量状態によれば、燃料電池の電流−電圧特性を悪化させて燃料電池の発熱量を増加し、燃料電池を暖機することができる。
さらに、第7の発明によれば、ターボ式コンプレッサの回転数を固定して、バイパス機構によって、カソードで発電反応に消費される酸素量を低減している。これにより、ターボ式コンプレッサの回転数制御に頼って低酸素量状態を実現しようとする場合に比して、制御上の不具合を少なく抑えることができる。
According to the seventh invention, when the fuel cell needs to be warmed up, a part of the gas downstream of the discharge port of the turbo compressor is caused to flow around the cathode, thereby reducing the amount of oxygen in the fuel cell. Power can be generated in the state. According to the low oxygen amount state, the current-voltage characteristic of the fuel cell is deteriorated, the amount of heat generated by the fuel cell is increased, and the fuel cell can be warmed up.
Furthermore, according to the seventh invention, the rotational speed of the turbo compressor is fixed, and the amount of oxygen consumed in the power generation reaction at the cathode is reduced by the bypass mechanism. As a result, it is possible to reduce the control problems as compared with the case where the low oxygen amount state is to be realized by relying on the rotational speed control of the turbo compressor.

第8の発明によれば、暖機運転が必要な場合に、ターボ式コンプレッサを低回転数に固定することができる。これにより先ずカソードへの流入酸素量を少なめにし、その上で他の機構(水素供給機構やバイパス機構)を用いて酸素量の低減を行うことができる。   According to the eighth aspect, when the warm-up operation is necessary, the turbo compressor can be fixed at a low rotational speed. As a result, the amount of oxygen flowing into the cathode can be reduced first, and then the oxygen amount can be reduced using another mechanism (hydrogen supply mechanism or bypass mechanism).

実施の形態1.
[実施の形態1のシステム構成]
図1は、本発明にかかる実施の形態1の燃料電池システムの構成図である。実施の形態1の燃料電池システムは、燃料電池スタック10を備えている。燃料電池スタック10は、複数の単位セルが重ねられて構成されている。個々の単位セルは、その内部に、膜電極接合体を有している。膜電極接合体は、プロトン伝導性の固体高分子電解質膜の両面に電極触媒層が設けられたものである。
Embodiment 1 FIG.
[System Configuration of Embodiment 1]
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. The fuel cell system according to Embodiment 1 includes a fuel cell stack 10. The fuel cell stack 10 is configured by stacking a plurality of unit cells. Each unit cell has a membrane electrode assembly therein. The membrane / electrode assembly is one in which electrode catalyst layers are provided on both sides of a proton conductive solid polymer electrolyte membrane.

膜電極接合体の各面には、さらに、カーボンシート等で作られたガス拡散層、および、発泡金属やエキスパンドメタル等で形成された多孔質体層が、一体化されている。これらのガス拡散層、多孔質体層が、個々の単位セル内におけるアノードやカソードのガス流路として機能する。なお、個々の膜電極接合体を仕切るセパレータに溝を設けて、この溝をガス流路として使用する単位セルで、燃料電池スタック10を構成してもよい。膜電極接合体の一方の面の電極触媒層がカソードとして、他方の面の電極触媒層がアノードとして、それぞれ機能する。個々の単位セルは、アノードに燃料ガスとしての水素の供給を受け、カソードに酸素の供給を受けて、電気化学的反応により発電する。   On each surface of the membrane electrode assembly, a gas diffusion layer made of a carbon sheet or the like and a porous body layer made of a foam metal, an expanded metal or the like are further integrated. These gas diffusion layer and porous body layer function as gas flow paths for the anode and cathode in each unit cell. Note that the fuel cell stack 10 may be configured by a unit cell in which a groove is provided in a separator that partitions individual membrane electrode assemblies and the groove is used as a gas flow path. The electrode catalyst layer on one surface of the membrane electrode assembly functions as a cathode, and the electrode catalyst layer on the other surface functions as an anode. Each unit cell receives the supply of hydrogen as a fuel gas at the anode and the supply of oxygen at the cathode, and generates electricity through an electrochemical reaction.

燃料電池スタック10には、カソードガス供給管20、カソードガス排気管30および水素供給管40がそれぞれ接続されている。カソードガス供給管20およびカソードガス排気管30は、燃料電池スタック10内の個々の単位セルのカソードに(具体的にはカソードのガス流路に)連通する。カソードガス供給管20の一端は大気に開放されている。また、水素供給管40は、燃料電池スタック10内の個々の単位セルのアノードに(具体的にはアノードのガス流路に)連通する。   A cathode gas supply pipe 20, a cathode gas exhaust pipe 30, and a hydrogen supply pipe 40 are connected to the fuel cell stack 10. The cathode gas supply pipe 20 and the cathode gas exhaust pipe 30 communicate with the cathode of each unit cell in the fuel cell stack 10 (specifically, the cathode gas flow path). One end of the cathode gas supply pipe 20 is open to the atmosphere. The hydrogen supply pipe 40 communicates with the anode of each unit cell in the fuel cell stack 10 (specifically, the anode gas flow path).

カソードガス供給管20は、ターボ式のエアコンプレッサ22を備えている。また、カソードガス供給管20のエアコンプレッサ22下流位置には、圧力センサ24が接続されている。カソードガス排気管30には、圧力センサ32、調圧弁34、マフラー36が設けられている。エアコンプレッサ22を駆動しつつ調圧弁34の開度を調節することにより、燃料電池スタック10のカソードへと所望の圧力で空気を供給することができる。   The cathode gas supply pipe 20 includes a turbo type air compressor 22. A pressure sensor 24 is connected to the cathode gas supply pipe 20 downstream of the air compressor 22. The cathode gas exhaust pipe 30 is provided with a pressure sensor 32, a pressure regulating valve 34, and a muffler 36. By adjusting the opening of the pressure regulating valve 34 while driving the air compressor 22, air can be supplied to the cathode of the fuel cell stack 10 at a desired pressure.

水素供給管40は、図示しない水素タンクと、燃料電池スタック10のアノードとを接続する。水素供給管40は、インジェクタ42と圧力センサ44とを備えている。インジェクタ42によって、所望の流量で、燃料電池スタック10のアノードへと水素を供給することができる。   The hydrogen supply pipe 40 connects a hydrogen tank (not shown) and the anode of the fuel cell stack 10. The hydrogen supply pipe 40 includes an injector 42 and a pressure sensor 44. The injector 42 can supply hydrogen to the anode of the fuel cell stack 10 at a desired flow rate.

実施の形態1の燃料電池システムは、水素循環管路46を備えている。水素循環管路46の一端は、燃料電池スタック10のアノードの下流と接続し、水素循環管路46の他端は、水素供給管40と接続する。水素循環管路46は、気液分離器48および水素循環ポンプ50を備えている。水素循環ポンプ50を駆動することで、燃料電池スタック10のアノードを経由させながら水素を循環させることができる。   The fuel cell system of Embodiment 1 includes a hydrogen circulation conduit 46. One end of the hydrogen circulation pipe 46 is connected to the downstream side of the anode of the fuel cell stack 10, and the other end of the hydrogen circulation pipe 46 is connected to the hydrogen supply pipe 40. The hydrogen circulation line 46 includes a gas-liquid separator 48 and a hydrogen circulation pump 50. By driving the hydrogen circulation pump 50, hydrogen can be circulated through the anode of the fuel cell stack 10.

実施の形態1の燃料電池システムは、パージ用管路54を備えている。パージ用管路54は、気液分離器48と、カソードガス供給管20におけるエアコンプレッサ22の吸入口側部分とを接続する管路である。パージ用管路54の気液分離器48近傍には、排気排水弁52が設けられている。この排気排水弁52は、流量を可変に設定できる機構とする。排気排水弁52を制御することにより、適宜、水素循環管路46を流れる水素を、所望の量だけ、エアコンプレッサ22の吸入口側へと供給できる。また、排気排水弁52を開くことは、水素循環管路46側のパージを行うことにもなる。以下、水素循環管路46を介してエアコンプレッサ22吸入口位置に供給される水素の量を、「水素添加量」とも称す。   The fuel cell system according to Embodiment 1 includes a purge conduit 54. The purge line 54 is a line that connects the gas-liquid separator 48 and the inlet side portion of the air compressor 22 in the cathode gas supply pipe 20. An exhaust / drain valve 52 is provided in the vicinity of the gas-liquid separator 48 of the purge line 54. The exhaust drain valve 52 is a mechanism that can variably set the flow rate. By controlling the exhaust / drain valve 52, a desired amount of hydrogen flowing through the hydrogen circulation pipe 46 can be appropriately supplied to the suction port side of the air compressor 22. In addition, opening the exhaust / drain valve 52 also purges the hydrogen circulation line 46 side. Hereinafter, the amount of hydrogen supplied to the air compressor 22 inlet position via the hydrogen circulation conduit 46 is also referred to as “hydrogen addition amount”.

実施の形態1の燃料電池システムは、温度計14、電圧計16、および、ECU(Electronic Control Unit)60を備えている。ECU60は、温度計14、電圧計16、圧力センサ24、32、44の出力を受け、燃料電池スタック10の温度、電圧、各管路内の圧力を検知することができる。また、ECU60は、エアコンプレッサ22に対して、回転数制御のための制御信号を、排気排水弁52に対して、開閉の切替や開度を制御するための制御信号を、それぞれ与えることができる。   The fuel cell system of Embodiment 1 includes a thermometer 14, a voltmeter 16, and an ECU (Electronic Control Unit) 60. The ECU 60 receives the outputs of the thermometer 14, the voltmeter 16, and the pressure sensors 24, 32, and 44, and can detect the temperature, voltage, and pressure in each pipeline of the fuel cell stack 10. Further, the ECU 60 can provide a control signal for controlling the rotational speed to the air compressor 22 and a control signal for controlling switching of opening and closing and an opening degree to the exhaust / drain valve 52, respectively. .

[実施の形態1の動作]
以下、実施の形態1の燃料電池システムの動作について説明する。
[Operation of Embodiment 1]
Hereinafter, the operation of the fuel cell system of Embodiment 1 will be described.

(低効率発電)
電流−電圧特性が悪化すると発電効率が低下し、発電中における燃料電池の発熱量が高まる。実施の形態1の燃料電池システムは、このように、発熱量を増加させて低効率で発電を行う運転状態を実現することができる。以下、電流−電圧特性を悪化させた環境下での発電を、「低効率発電」とも称す。
(Low efficiency power generation)
When the current-voltage characteristics deteriorate, the power generation efficiency decreases, and the amount of heat generated by the fuel cell during power generation increases. As described above, the fuel cell system of Embodiment 1 can realize an operation state in which the amount of heat generation is increased and power is generated with low efficiency. Hereinafter, power generation in an environment in which current-voltage characteristics are deteriorated is also referred to as “low efficiency power generation”.

図2は、燃料電池スタック10の電流−電圧特性を模式的に示している。図2に、通常発電中における電流−電圧特性(以下、「通常I−V特性」とも称す)と、低効率発電中における電流−電圧特性(以下、「低効率I−V特性」とも称す)とを、それぞれ模式的に図示する。   FIG. 2 schematically shows the current-voltage characteristics of the fuel cell stack 10. FIG. 2 shows current-voltage characteristics during normal power generation (hereinafter also referred to as “normal IV characteristics”) and current-voltage characteristics during low-efficiency power generation (hereinafter also referred to as “low-efficiency IV characteristics”). Are schematically illustrated.

実施の形態1では、低効率発電時における燃料電池スタック10の目標動作点(図2の黒丸位置の動作点)を、次のようにして予め決定しておく。燃料電池スタック10の発熱量をできるだけ高める観点から、低効率発電時の燃料電池スタック10の電圧は可能な限り低くしたい。しかしながら、その一方で、燃料電池システムの補機が動作可能な程度には、燃料電池スタック10の電圧は確保しておきたい。これらの要求のバランスから、目標動作点の電圧Vを決定することができる。また、電圧Vが決まれば、ここから、燃料電池システムを動作させるために必要な電流値Iが導き出される。これらの電圧Vと電流Iを、実施の形態1における低効率発電中の目標動作点とする。 In the first embodiment, the target operating point of the fuel cell stack 10 during low-efficiency power generation (the operating point at the black circle position in FIG. 2) is determined in advance as follows. From the viewpoint of increasing the calorific value of the fuel cell stack 10 as much as possible, the voltage of the fuel cell stack 10 during low-efficiency power generation is desired to be as low as possible. However, on the other hand, it is desirable to ensure the voltage of the fuel cell stack 10 to the extent that the auxiliary equipment of the fuel cell system can operate. From the balance of these requirements, the voltage VA at the target operating point can be determined. When the voltage VA is determined, the current value IA necessary for operating the fuel cell system is derived from the voltage VA . These voltages V A and the current I A, a target operating point in the low-efficiency power generation in the first embodiment.

低効率発電を実現すべく電流−電圧特性を悪化させるための方法として、カソードで発電反応に寄与する酸素の量を低減する方法がある。以下、カソードで発電反応に寄与する酸素の量を低効率発電が実現される程度まで低減した状態を、「低酸素量状態」とも称す。   As a method for deteriorating the current-voltage characteristics in order to realize low-efficiency power generation, there is a method of reducing the amount of oxygen that contributes to the power generation reaction at the cathode. Hereinafter, a state in which the amount of oxygen contributing to the power generation reaction at the cathode is reduced to such an extent that low-efficiency power generation is realized is also referred to as a “low oxygen amount state”.

(水素添加)
実施の形態1では、前述したように、排気排水弁52を開くことで、水素循環管路46を介して循環している水素の一部を、エアコンプレッサ22の吸入口のガスに添加することができる。このような場合、エアコンプレッサ22は、水素が添加された空気を燃料電池スタック10側へと吐出する。
(Hydrogenation)
In the first embodiment, as described above, a part of the hydrogen circulated through the hydrogen circulation pipe 46 is added to the gas at the suction port of the air compressor 22 by opening the exhaust / drain valve 52. Can do. In such a case, the air compressor 22 discharges the hydrogen-added air to the fuel cell stack 10 side.

水素と空気の混合ガスが燃料電池スタック10内のアノードの触媒層に到達すると、水素と、空気中の酸素の一部とが、このアノードの触媒層で反応する。カソードに導入された水素がカソードの触媒上で直接酸素と反応することにより、実ストイキ比が低下する。つまり、カソード内で実際に発電反応に寄与することができる酸素の量が、少なくなる。このような作用の結果、燃料電池の電流−電圧特性が悪化する。   When the mixed gas of hydrogen and air reaches the anode catalyst layer in the fuel cell stack 10, hydrogen and a part of oxygen in the air react with each other in the anode catalyst layer. The hydrogen introduced into the cathode directly reacts with oxygen on the cathode catalyst, so that the actual stoichiometric ratio is lowered. That is, the amount of oxygen that can actually contribute to the power generation reaction in the cathode is reduced. As a result of this action, the current-voltage characteristics of the fuel cell are deteriorated.

水素添加量を多くすればするほど、上記の作用によって、より電流−電圧特性を悪化させることができる。水素添加量を適宜に調節することにより、電流−電圧特性を所望の程度まで意図的に悪化させることができる。このように、実施の形態1によれば、水素添加量を調節して前述した低効率I−V特性を実現し、発熱量を高めた状態で燃料電池スタック10の発電を行うことができる。   As the amount of hydrogen added is increased, the current-voltage characteristics can be further deteriorated by the above-described action. By appropriately adjusting the amount of hydrogen addition, the current-voltage characteristics can be intentionally deteriorated to a desired degree. As described above, according to the first embodiment, the low-efficiency IV characteristic described above can be realized by adjusting the amount of hydrogen addition, and the fuel cell stack 10 can be generated with the heat generation amount increased.

また、水素と酸素の反応は、発熱反応である。このため、実施の形態1によれば、カソードの触媒上の水素と酸素の反応熱によって、燃料電池スタック10をさらに暖機することができる。このように、実施の形態1によれば、高発熱量での発電を行いつつ、水素と酸素の反応熱による昇温効果をも同時に享受することができる。その結果、燃料電池スタック10を速やかに暖機することができる。   The reaction between hydrogen and oxygen is an exothermic reaction. Therefore, according to the first embodiment, the fuel cell stack 10 can be further warmed up by the reaction heat of hydrogen and oxygen on the cathode catalyst. As described above, according to the first embodiment, it is possible to simultaneously enjoy the temperature increase effect due to the reaction heat of hydrogen and oxygen while generating power with a high calorific value. As a result, the fuel cell stack 10 can be quickly warmed up.

また、実施の形態1では、ターボ式のエアコンプレッサ22を用いて、燃料電池スタック10に空気を供給している。ターボ式コンプレッサは、容積型のコンプレッサ(例えばスクロールコンプレッサなど)に比べて、漏れ量が多いという難点がある。漏れ量が多いことから、ターボ式コンプレッサは、吐出圧に応じて流量が比較的大きく変化してしまうという特性を持っている。これに起因して、ターボ式コンプレッサには、流量が変化した時、その後流量が一定値に収束するまでに時間がかかるという欠点がある。   In the first embodiment, air is supplied to the fuel cell stack 10 using a turbo-type air compressor 22. The turbo compressor has a drawback that the amount of leakage is larger than that of a positive displacement compressor (for example, a scroll compressor). Since the amount of leakage is large, the turbo compressor has a characteristic that the flow rate changes relatively greatly according to the discharge pressure. Due to this, the turbo compressor has a drawback that when the flow rate changes, it takes time until the flow rate thereafter converges to a constant value.

この点、実施の形態1では、水素添加量を調節することにより、電流−電圧特性を悪化させることができる。つまり、実施の形態1によれば、水素添加量を増減することにより、ターボ式のエアコンプレッサ22の流量制御性の低さを補って、カソードで発電反応に寄与する酸素量を低効率発電を実現させるための低酸素量になるように速やかに調節することができる。   In this regard, in the first embodiment, the current-voltage characteristics can be deteriorated by adjusting the hydrogen addition amount. That is, according to the first embodiment, by increasing or decreasing the hydrogen addition amount, the low flow rate controllability of the turbo type air compressor 22 is compensated, and the oxygen amount contributing to the power generation reaction at the cathode is reduced by low-efficiency power generation. It can be quickly adjusted to achieve a low oxygen amount for realization.

(実施の形態1の制御の内容)
続いて、図2および図3を用いて、実施の形態1においてECU60が実行する制御の内容を説明する。実施の形態1では、燃料電池スタック10の暖機が必要である場合に、図2の低効率I−V特性において、燃料電池スタック10を発電させる。この制御は、具体的には、エアコンプレッサ22の回転数を固定しその上で水素添加によってカソードで発電反応に寄与する酸素の量の低減を行うことにより、前述した低酸素量状態を実現するというものである。
(Contents of control in Embodiment 1)
Subsequently, the contents of the control executed by the ECU 60 in the first embodiment will be described with reference to FIGS. 2 and 3. In the first embodiment, when the fuel cell stack 10 needs to be warmed up, the fuel cell stack 10 is caused to generate power at the low efficiency IV characteristic of FIG. Specifically, this control realizes the above-described low oxygen amount state by fixing the rotation speed of the air compressor 22 and reducing the amount of oxygen contributing to the power generation reaction at the cathode by hydrogen addition. That's it.

図3は、実施の形態1の燃料電池システムにおいてECU60が実行するルーチンのフローチャートである。実施の形態1では、図3の制御を、システムの始動時に実行する。図3のルーチンでは、先ず、今回の始動が低温始動であるか否かを判定する(ステップS100)。具体的には、燃料電池スタック10の温度や、外気温が所定温度以下(例えば氷点下)かどうかを判定する。これにより、燃料電池スタック10の暖機運転が必要か否かを判定できる。今回の始動が低温始動でないと判定された場合には、暖機運転が不要と判断される。その結果、今回のルーチンが終了し、システムが通常運転へと移行する。   FIG. 3 is a flowchart of a routine executed by the ECU 60 in the fuel cell system according to the first embodiment. In the first embodiment, the control in FIG. 3 is executed when the system is started. In the routine of FIG. 3, first, it is determined whether or not the current start is a low temperature start (step S100). Specifically, it is determined whether the temperature of the fuel cell stack 10 and the outside air temperature are below a predetermined temperature (for example, below freezing point). Thereby, it can be determined whether the warm-up operation of the fuel cell stack 10 is necessary. If it is determined that the current start is not a low temperature start, it is determined that the warm-up operation is unnecessary. As a result, the current routine ends and the system shifts to normal operation.

ステップS100で今回の始動が低温始動と判定された場合には、システムを低効率発電モードにすべく、回転数を所定の低回転数にした状態で、エアコンプレッサ22の駆動を開始する処理が実行される(ステップS102)。この低回転数は、通常発電中に必要なエアストイキ比相当の流量に比して少ない流量で空気が流れるように、通常発電時におけるエアコンプレッサ22の回転数に比して低く設定された回転数である。   If it is determined in step S100 that the current start is a low temperature start, a process of starting driving the air compressor 22 with the rotation speed set to a predetermined low rotation speed is set in order to set the system to the low efficiency power generation mode. It is executed (step S102). This low rotation speed is set to be lower than the rotation speed of the air compressor 22 during normal power generation so that air flows at a lower flow rate than the flow rate corresponding to the air stoichiometric ratio required during normal power generation. It is.

なお、実施の形態1では、ECU60の処理がステップS102以降の一連の処理へと進んだ場合には、燃料電池システムの運転状態が、本格的な発電を行う前のモード(いわば待機モード)に置かれる。例えば、実施の形態1の燃料電池システムが車両に搭載された場合には、この時点では、システムの運転は開始されているものの、車両はドライブモードには移行せずに運転待機状態に置かれる。   In the first embodiment, when the process of the ECU 60 proceeds to a series of processes after step S102, the operation state of the fuel cell system is changed to a mode before full-scale power generation (so-called standby mode). Placed. For example, when the fuel cell system according to the first embodiment is mounted on a vehicle, at this time, the system is started to operate, but the vehicle is not in the drive mode and is placed in a standby state. .

ステップS102に続き、カソードへの水素添加の開始、および、カソードへの水素添加量の制御が行われる(ステップS104)。ここでは、燃料電池スタック10の電圧が目標電圧(つまり、前述した目標動作点の電圧V)になるように、電圧計16の出力に基づいて、水素添加量のフィードバック制御が行われる。このとき、エアコンプレッサ22の回転数は、前述した所定低回転数に固定されたままである。 Subsequent to step S102, the start of hydrogen addition to the cathode and the control of the amount of hydrogen added to the cathode are performed (step S104). Here, feedback control of the hydrogen addition amount is performed based on the output of the voltmeter 16 so that the voltage of the fuel cell stack 10 becomes the target voltage (that is, the voltage V A at the target operating point described above). At this time, the rotation speed of the air compressor 22 remains fixed at the predetermined low rotation speed described above.

ここで、図2を用いて、ステップS102およびS104の処理内容を説明する。実施の形態1では、暖機運転が必要なとき、先ず、エアコンプレッサ22の回転数を、前述の所定低回転数に固定する。このようにすることで、燃料電池スタック10の電流−電圧特性を、図2に矢印80で模式的に示すように、通常I−V特性よりも悪い特性にすることができる。これに加えて、実施の形態1では、カソードへの水素の供給によって、矢印82に示すように、燃料電池スタック10の電流−電圧特性を最終的に低効率I−V特性へと低下させる。その結果、燃料電池スタック10を、低効率発電を実現するための目標動作点で発電させることができる。   Here, the processing content of step S102 and S104 is demonstrated using FIG. In the first embodiment, when the warm-up operation is necessary, first, the rotational speed of the air compressor 22 is fixed to the predetermined low rotational speed. By doing so, the current-voltage characteristic of the fuel cell stack 10 can be made worse than the normal IV characteristic, as schematically shown by the arrow 80 in FIG. In addition, in the first embodiment, by supplying hydrogen to the cathode, the current-voltage characteristic of the fuel cell stack 10 is finally lowered to the low-efficiency IV characteristic as indicated by an arrow 82. As a result, the fuel cell stack 10 can be generated at a target operating point for realizing low-efficiency power generation.

ステップS104に続き、燃料電池スタック10の暖機が完了したか否かが判定される(ステップS106)。ここでは、例えば燃料電池スタック10の温度を所定値と比較するなどの処理により、適宜、暖気完了の判定を行う。暖機が完了していない場合には、ステップS102からの処理が繰り返し実行される。暖機が完了した場合には、今回のルーチンが終了し、エアコンプレッサ22の回転数固定が解除されるとともにシステムが通常発電モードへと移行する。   Following step S104, it is determined whether or not the warm-up of the fuel cell stack 10 has been completed (step S106). Here, for example, the completion of warm-up is appropriately determined by processing such as comparing the temperature of the fuel cell stack 10 with a predetermined value. If the warm-up has not been completed, the processing from step S102 is repeatedly executed. When the warm-up is completed, the current routine ends, the rotation speed of the air compressor 22 is released, and the system shifts to the normal power generation mode.

以上説明した処理によれば、燃料電池システムの始動時に、安定的かつ速やかに低効率発電を実現し、燃料電池スタック10を早期に暖機することが可能となる。   According to the processing described above, when the fuel cell system is started, low-efficiency power generation can be realized stably and quickly, and the fuel cell stack 10 can be warmed up early.

(比較例)
ここで、上述した実施の形態1の制御の効果について、比較例を用いながら説明する。
(Comparative example)
Here, the effect of the control of the first embodiment will be described using a comparative example.

図6(a)は、実施の形態1に対する第1比較例である。図6(a)は、スクロールコンプレッサ等の容積型コンプレッサの回転数制御に頼って低効率発電を実現しようとする場合の、動作点制御のイメージを示している。容積型コンプレッサは、回転数と流量の関係が比較的安定しており、流量変化の過渡的な状況(言い換えれば、流量が定常的に安定していない状況)においても良好な流量制御性を発揮する。このため、低効率発電のために低めの回転数で容積型コンプレッサを駆動した場合、図6(a)に示すように、燃料電池の電流値は安定的な値をとると予想される。   FIG. 6A is a first comparative example with respect to the first embodiment. FIG. 6A shows an image of operating point control in a case where low-efficiency power generation is achieved by relying on the rotational speed control of a positive displacement compressor such as a scroll compressor. The positive displacement compressor has a relatively stable relationship between the rotational speed and the flow rate, and exhibits good flow controllability even in a transient state of the flow rate change (in other words, a state where the flow rate is not constantly stable). To do. For this reason, when the positive displacement compressor is driven at a lower rotational speed for low-efficiency power generation, the current value of the fuel cell is expected to take a stable value as shown in FIG.

一方、図6(b)は、ターボ式コンプレッサの回転数制御に頼って低効率発電を実現しようとする場合の、動作点制御のイメージを示している。以下、これを第2比較例とする。この第2比較例では、燃料電池の電圧値が目標電圧である電圧Vに一致するように、燃料電池の電圧の計測値をターボ式コンプレッサの回転数にフィードバックする制御が、実行されているものとする。 On the other hand, FIG. 6B shows an image of operating point control in the case where low-efficiency power generation is achieved by relying on the rotational speed control of the turbo compressor. Hereinafter, this is referred to as a second comparative example. In the second comparative example, control is performed in which the measured value of the fuel cell voltage is fed back to the rotational speed of the turbo compressor so that the voltage value of the fuel cell matches the target voltage VA . Shall.

既述したように、ターボ式コンプレッサは、漏れ量が多く、吐出圧の変化に応じて流量が大きく変化するという特性を有している。これに起因して、ターボ式コンプレッサでは、流量変化があった時に、その後一定流量に収束するまでに比較的長い時間がかかってしまう。これに起因して、次のような不具合の発生が懸念される。   As described above, the turbo compressor has a characteristic that the amount of leakage is large and the flow rate greatly changes in accordance with the change of the discharge pressure. Due to this, in the turbo compressor, when there is a change in flow rate, it takes a relatively long time to converge to a constant flow rate thereafter. Due to this, the following problems may occur.

燃料電池システムの始動時にカソードガス供給管内が低い圧力であるとすると、ターボ式コンプレッサの駆動を開始した後、時間の経過と共に、ターボ式コンプレッサの吐出口側の圧力が初期状態から増加していく。このような状況下で流量を適切に調節すべくターボ式コンプレッサの回転数を制御しようとしても、回転数を増加させすぎたり、或いは、回転数を低下させすぎたりして、燃料電池への空気流量が狙いの流量に中々安定しないという事態を招いてしまう。   Assuming that the pressure in the cathode gas supply pipe is low at the start of the fuel cell system, the pressure on the discharge port side of the turbo compressor increases from the initial state as time passes after the turbo compressor starts to drive. . Even if it is attempted to control the rotational speed of the turbo compressor so as to appropriately adjust the flow rate under such circumstances, the rotational speed is excessively increased or the rotational speed is decreased excessively, and the air to the fuel cell is This will cause a situation where the flow rate is not stable to the target flow rate.

空気流量が不安定になると、図6(b)の矢印300のような電流−電圧特性の振れが生じ、結果的に、矢印302のように燃料電池の電流値が大きく振れてしまう。低効率発電中の燃料電池スタック10の出力は、主に、エアコンプレッサ22の補機損や、バッテリ搭載型システムではこのバッテリの吸収可能電力量などとバランスするように決めている。上述したように電流値の振れ幅が大きいと、燃料電池スタック10の出力と、補機損およびバッテリ吸収可能電力量との間のバランスが崩れ、制御の安定性が低下してしまう。また、動作点が不安定であることから、狙いの流量に安定させるまでに長い時間がかかってしまったり、或いは制御が発散してしまったりするおそれがある。   When the air flow rate becomes unstable, the current-voltage characteristics fluctuate as shown by the arrow 300 in FIG. 6B, and as a result, the current value of the fuel cell fluctuates greatly as shown by the arrow 302. The output of the fuel cell stack 10 during low-efficiency power generation is determined so as to balance mainly with the auxiliary machine loss of the air compressor 22 and the amount of power that can be absorbed by the battery in a battery-mounted system. As described above, when the fluctuation range of the current value is large, the balance between the output of the fuel cell stack 10, the auxiliary machine loss, and the amount of power that can be absorbed by the battery is lost, and the stability of the control is lowered. In addition, since the operating point is unstable, it may take a long time to stabilize the target flow rate, or the control may diverge.

そこで、実施の形態1では、低効率発電を、エアコンプレッサ22の回転数を固定した上で水素添加量を調節するという手法を用いて、実現している。このようにすることで、低効率発電を実現するような低流量での酸素供給を、第2比較例を用いて述べたような制御上の不具合を回避しつつ速やかに実現することができる。   Therefore, in the first embodiment, low-efficiency power generation is realized by using a method of adjusting the hydrogen addition amount while fixing the rotation speed of the air compressor 22. By doing in this way, oxygen supply at a low flow rate that realizes low-efficiency power generation can be realized promptly while avoiding the control problems described using the second comparative example.

特に、実施の形態1では、エアコンプレッサ22の吸入口側にパージ用管路54が接続している。このような構成によれば、水素が添加されたことに起因してエアコンプレッサ22の吐出圧が変化する事態を、回避することができる。   In particular, in the first embodiment, a purge conduit 54 is connected to the suction port side of the air compressor 22. According to such a configuration, a situation in which the discharge pressure of the air compressor 22 changes due to the addition of hydrogen can be avoided.

尚、上述した実施の形態1では、燃料電池スタック10が前記第1の発明における「燃料電池」に、エアコンプレッサ22およびカソードガス供給管20が前記第1の発明における「カソードガス供給機構」に、パージ用管路54、排気排水弁52、エアコンプレッサ22およびカソードガス供給管20が前記第1の発明における「水素供給機構」に、それぞれ相当している。また、実施の形態1では、図3のフローチャートのステップS100が実行されることにより前記第1の発明における「判定手段」が、図3のフローチャートのステップS102、S104が実行されることにより前記第1の発明における「制御手段」が、それぞれ実現されている。   In the first embodiment described above, the fuel cell stack 10 is the “fuel cell” in the first invention, and the air compressor 22 and the cathode gas supply pipe 20 are the “cathode gas supply mechanism” in the first invention. The purge pipe 54, the exhaust / drain valve 52, the air compressor 22 and the cathode gas supply pipe 20 correspond to the “hydrogen supply mechanism” in the first aspect of the invention. In the first embodiment, the “determination means” in the first invention is executed by executing step S100 of the flowchart of FIG. 3, and the steps S102 and S104 of the flowchart of FIG. The “control means” in the first invention is realized.

また、上述した実施の形態1では、燃料電池スタック10が前記第2の発明における「燃料電池」に、エアコンプレッサ22が前記第2の発明における「ターボ式コンプレッサ」に、パージ用管路54、排気排水弁52、エアコンプレッサ22およびカソードガス供給管20が前記第2の発明における「水素供給機構」に、それぞれ相当している。   In the first embodiment described above, the fuel cell stack 10 is the “fuel cell” in the second invention, the air compressor 22 is the “turbo compressor” in the second invention, the purge line 54, The exhaust / drain valve 52, the air compressor 22, and the cathode gas supply pipe 20 correspond to the “hydrogen supply mechanism” in the second aspect of the present invention.

[実施の形態1の変形例]
(第1変形例)
実施の形態1では、図3のフローチャートで説明したように、燃料電池スタック10の暖機を行う際に、エアコンプレッサ22の回転数を固定している。実施の形態1では、この固定用の回転数を、通常発電時の回転数に比して低めに設定された所定の低回転数とした。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。例えば、通常発電時と同等の回転数にエアコンプレッサ22の回転数を固定してもよい。この場合にも、水素の添加を多めに行うことにより、実施の形態1と同等の程度まで電流−電圧特性を悪化させることができる。
[Modification of Embodiment 1]
(First modification)
In the first embodiment, as described with reference to the flowchart of FIG. 3, the rotation speed of the air compressor 22 is fixed when the fuel cell stack 10 is warmed up. In the first embodiment, the fixing rotational speed is set to a predetermined low rotational speed that is set lower than the rotational speed during normal power generation. However, the present invention is not limited to this. For example, the rotation speed of the air compressor 22 may be fixed at a rotation speed equivalent to that during normal power generation. Also in this case, the current-voltage characteristics can be deteriorated to the same extent as in the first embodiment by adding more hydrogen.

(第2変形例)
実施の形態1では、エアコンプレッサ22の吸入口側に、水素を添加した。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。例えば、図1における、カソードガス供給管20の圧力センサ24下流位置にパージ用管路54の一端を接続して、エアコンプレッサ22の吐出口側に水素を添加してもよい。
(Second modification)
In the first embodiment, hydrogen is added to the suction port side of the air compressor 22. However, the present invention is not limited to this. For example, one end of the purge conduit 54 may be connected to the position downstream of the pressure sensor 24 of the cathode gas supply pipe 20 in FIG. 1 and hydrogen may be added to the discharge port side of the air compressor 22.

(第3変形例)
実施の形態1では、燃料電池スタック10の暖機が完了するまで、フィードバック制御による水素添加量の調節を継続している。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。暖機運転中のある時点で、フィードフォワード制御によって水素添加量を確定してもよい。
(Third Modification)
In the first embodiment, the adjustment of the hydrogen addition amount by feedback control is continued until the warm-up of the fuel cell stack 10 is completed. However, the present invention is not limited to this. The hydrogen addition amount may be determined by feedforward control at a certain point during the warm-up operation.

(第4変形例)
実施の形態1では、水素循環管路46を通って循環する水素の一部を、燃料電池スタック10のカソードへと供給している。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、他の方法によりカソードへと水素を供給してもよい。例えば、水素供給管40の任意の位置から適宜に管路を伸ばして、この管路を弁を介してカソードガス供給管20に接続することができる。
(Fourth modification)
In the first embodiment, a part of the hydrogen circulated through the hydrogen circulation pipe 46 is supplied to the cathode of the fuel cell stack 10. However, the present invention is not limited to this, and hydrogen may be supplied to the cathode by other methods. For example, a pipe line can be appropriately extended from an arbitrary position of the hydrogen supply pipe 40, and this pipe line can be connected to the cathode gas supply pipe 20 via a valve.

なお、実施の形態1は、燃料電池スタック10のアノードを含む循環系を構築し、この循環系内で水素を循環させるタイプの燃料電池システム(いわゆる循環型システム)である。しかしながら、水素の循環を行わない、いわゆる循環レスシステムに対しても、本発明を適用することができる。   The first embodiment is a type of fuel cell system (so-called circulation type system) in which a circulation system including the anode of the fuel cell stack 10 is constructed and hydrogen is circulated in the circulation system. However, the present invention can also be applied to a so-called circulation-less system that does not circulate hydrogen.

循環レスシステムとしては、燃料電池のアノードのガス流路下流に供えられた排気機構を閉じながら(または、その開度を絞りながら)、発電を行う燃料電池システムが代表的である。このような燃料電池システムによれば、燃料ガス流路の下流を閉塞して運転を行ったり(所謂、デッドエンド運転)、燃料ガス流路の下流から排出されるガスの排出量を微小量にして運転を行ったり(所謂、少量排気運転)することが可能である。   A typical circulation-less system is a fuel cell system that generates power while closing an exhaust mechanism provided downstream of the gas flow path of the anode of the fuel cell (or narrowing its opening). According to such a fuel cell system, operation is performed with the downstream of the fuel gas passage closed (so-called dead-end operation), or the amount of gas discharged from the downstream of the fuel gas passage is made minute. Operation (so-called small amount exhaust operation).

循環レスシステムの場合にも、燃料電池のアノードのガス流路から排出されるガス(アノードオフガス)を、適宜、実施の形態1と同様に燃料電池のカソードへと供給すればよい。また、燃料電池のアノードのガス流路の下流が完全に閉塞されているタイプの燃料電池システムの場合にも、水素タンク側から適宜管路を伸ばしておき、カソードへと水素を供給できるようにしておけばよい。   Also in the case of a circulation-less system, the gas (anode off gas) discharged from the gas flow path of the anode of the fuel cell may be appropriately supplied to the cathode of the fuel cell as in the first embodiment. Also, in the case of a fuel cell system of the type in which the downstream of the gas flow path of the anode of the fuel cell is completely closed, a pipe line is appropriately extended from the hydrogen tank side so that hydrogen can be supplied to the cathode. Just keep it.

なお、実施の形態1には、「暖機運転時の低効率発電実現のための電流−電圧特性の悪化を行うために、カソード内に水素を供給する」という1つめの思想と、「ターボ式コンプレッサの低回転域での流量制御性の悪さを補うために、ターボ式コンプレッサを有するシステムにおいてカソードへと水素を添加する機構を用いる」という2つめの思想の、少なくとも2つの思想が含まれている。これら2つの思想のうち1つめの思想を、容積型コンプレッサをエアコンプレッサとして用いる燃料電池システムに適用しても良い。   The first embodiment includes a first idea that “hydrogen is supplied into the cathode in order to deteriorate current-voltage characteristics for realizing low-efficiency power generation during warm-up operation”, and “turbo In order to compensate for the poor flow rate controllability in the low rotation range of the compressor, at least two ideas of the second idea of “using a mechanism for adding hydrogen to the cathode in a system having a turbo compressor” are included. ing. The first of these two ideas may be applied to a fuel cell system using a positive displacement compressor as an air compressor.

実施の形態2.
図4は、本発明にかかる実施の形態2の燃料電池システムの構成図である。実施の形態2の燃料電池システムは、パージ用管路54などの水素添加用の構成を備えず、その代わりに、三方弁152およびバイパス管路154を備えている。この点を除き、実施の形態2の燃料電池システムは、実施の形態1の燃料電池システムと同じ構成を備える。以下、実施の形態1、2において同じ構成は、同一の符号を付して説明を省略する。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 4 is a configuration diagram of the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention. The fuel cell system according to the second embodiment does not include a hydrogen addition configuration such as the purge conduit 54, but includes a three-way valve 152 and a bypass conduit 154 instead. Except for this point, the fuel cell system of Embodiment 2 has the same configuration as the fuel cell system of Embodiment 1. Hereinafter, the same configurations in Embodiments 1 and 2 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

三方弁152によれば、燃料電池スタック10のカソード側への流量と、バイパス管路154側への流量とを、適宜に調節可能である。三方弁152を制御することにより、エアコンプレッサ22が吐出した空気の一部を、所望の量だけ、バイパス管路154側へと逃がすことができる。   According to the three-way valve 152, the flow rate to the cathode side of the fuel cell stack 10 and the flow rate to the bypass conduit 154 side can be appropriately adjusted. By controlling the three-way valve 152, a part of the air discharged by the air compressor 22 can be released to the bypass line 154 side by a desired amount.

発電中にカソードにおいて発電反応に消費される酸素量が少なくなると、これに応じて電流−電圧特性が悪化する。前述したように、電流−電圧特性を意図的に悪化させて発電を行うことにより、燃料電池の発熱量を高めることができる。   If the amount of oxygen consumed in the power generation reaction at the cathode is reduced during power generation, the current-voltage characteristics will be deteriorated accordingly. As described above, the amount of heat generated by the fuel cell can be increased by intentionally degrading the current-voltage characteristics and performing power generation.

上記のような電流−電圧特性の悪化は、カソードに流入する空気量そのものを低減することによっても、実現できる。しかしながら、ターボ式コンプレッサの流量制御性の低さが原因となって、実施の形態1で述べたような種々の不具合が生じるおそれがある。そこで、実施の形態2では、バイパス管路154側に一部の空気を逃がすことによって、カソードに流入する空気量を、低効率発電が実現できる程度の量まで低減する。このように、実施の形態2によれば、ターボ式のコンプレッサであるエアコンプレッサ22の制御とは別に、カソードに流入する空気量を精度良く調節することができる。   The deterioration of the current-voltage characteristics as described above can also be realized by reducing the amount of air itself flowing into the cathode. However, due to the low flow rate controllability of the turbo compressor, various problems as described in the first embodiment may occur. Therefore, in Embodiment 2, the amount of air flowing into the cathode is reduced to an amount that can realize low-efficiency power generation by letting some air escape to the bypass conduit 154 side. As described above, according to the second embodiment, the amount of air flowing into the cathode can be accurately adjusted separately from the control of the air compressor 22 which is a turbo compressor.

図5は、実施の形態2の燃料電池システムが実行するルーチンのフローチャートである。図5のフローチャートでは、先ず、実施の形態1の図3のフローチャートと同様に、ステップS100、S102の処理を実行する。   FIG. 5 is a flowchart of a routine executed by the fuel cell system of the second embodiment. In the flowchart of FIG. 5, first, similarly to the flowchart of FIG. 3 of the first embodiment, the processes of steps S100 and S102 are executed.

その後、三方弁152の開度の調整(つまり、バイパス管路154から逃がす空気の量の調整)が行われる(ステップS204)。このステップでは、燃料電池スタック10の電圧が目標電圧値に一致するように、三方弁152の開度を対象としてフィードバック制御が実行される。その後、実施の形態1と同様に、ステップS106の判定条件が成立するまで(つまり、暖機運転が完了するまで)、上記フィードバック制御が継続される。   Thereafter, the opening degree of the three-way valve 152 is adjusted (that is, the amount of air released from the bypass conduit 154) (step S204). In this step, feedback control is executed with respect to the opening of the three-way valve 152 so that the voltage of the fuel cell stack 10 matches the target voltage value. Thereafter, as in the first embodiment, the feedback control is continued until the determination condition in step S106 is satisfied (that is, until the warm-up operation is completed).

以上説明したように、実施の形態2によれば、ターボ式コンプレッサの流量制御の不安定さを補って、カソード内に流入する酸素量を、低効率発電を実現するための低酸素量に、速やかに調節することができる。   As described above, according to the second embodiment, the amount of oxygen flowing into the cathode is compensated for instability of the flow control of the turbo compressor, and the amount of oxygen for realizing low-efficiency power generation is reduced. It can be adjusted quickly.

本発明の実施の形態1の燃料電池システムの構成図である。1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 実施の形態1の燃料電池システムの動作を説明するための、電流−電圧特性図である。FIG. 4 is a current-voltage characteristic diagram for explaining the operation of the fuel cell system according to the first embodiment. 実施の形態1においてECUが実行するルーチンのフローチャートである。3 is a flowchart of a routine that is executed by an ECU in the first embodiment. 本発明の実施の形態2の燃料電池システムの構成図である。It is a block diagram of the fuel cell system of Embodiment 2 of this invention. 実施の形態2においてECUが実行するルーチンのフローチャートである。4 is a flowchart of a routine that is executed by an ECU in a second embodiment. 実施の形態1に対する比較例を模式的に示す図である。6 is a diagram schematically showing a comparative example with respect to Embodiment 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10 燃料電池スタック
14 温度計
16 電圧計
20 カソードガス供給管
22 エアコンプレッサ
24 圧力センサ
30 カソードガス排気管
32 圧力センサ
34 調圧弁
36 マフラー
40 水素供給管
42 インジェクタ
44 圧力センサ
46 水素循環管路
48 気液分離器
50 水素循環ポンプ
52 排気排水弁
54 パージ用管路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell stack 14 Thermometer 16 Voltmeter 20 Cathode gas supply pipe 22 Air compressor 24 Pressure sensor 30 Cathode gas exhaust pipe 32 Pressure sensor 34 Pressure regulating valve 36 Muffler 40 Hydrogen supply pipe 42 Injector 44 Pressure sensor 46 Hydrogen circulation line 48 Air Liquid separator 50 Hydrogen circulation pump 52 Exhaust drain valve 54 Purge line

Claims (8)

アノードに水素の供給を受けカソードに酸素の供給を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池の発電中に、前記カソードへと酸素含有ガスを供給するカソードガス供給機構と、
前記カソードに水素を供給することができる水素供給機構と、
前記燃料電池の暖機運転が必要か否かを判定する判定手段と、
前記判定手段が前記燃料電池の暖機運転が必要と判定した場合に、前記カソードガス供給機構による酸素含有ガスの供給に加え、前記水素供給機構による水素の供給を行いながら、前記燃料電池の発電を行う制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell that generates hydrogen by supplying hydrogen to the anode and oxygen to the cathode;
A cathode gas supply mechanism for supplying an oxygen-containing gas to the cathode during power generation of the fuel cell;
A hydrogen supply mechanism capable of supplying hydrogen to the cathode;
Determination means for determining whether the fuel cell needs to be warmed up;
When the determination unit determines that the fuel cell needs to be warmed up, the fuel cell power generation is performed while supplying the oxygen-containing gas by the cathode gas supply mechanism and supplying the hydrogen by the hydrogen supply mechanism. Control means for performing
A fuel cell system comprising:
アノードに水素の供給を受けカソードに酸素の供給を受けて発電する燃料電池と、
前記カソードへと酸素含有ガスを流入させるターボ式コンプレッサと、
前記カソードに水素を供給することができ、該カソードに対する水素の供給量が可変な水素供給機構と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell that generates hydrogen by supplying hydrogen to the anode and oxygen to the cathode;
A turbo compressor for flowing an oxygen-containing gas into the cathode;
A hydrogen supply mechanism capable of supplying hydrogen to the cathode, wherein a hydrogen supply amount to the cathode is variable;
A fuel cell system comprising:
前記水素供給機構が、前記ターボ式コンプレッサが吸入するガスに対して水素を添加することにより、前記カソードに水素を供給することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 2, wherein the hydrogen supply mechanism supplies hydrogen to the cathode by adding hydrogen to the gas sucked by the turbo compressor. 請求項2または3に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の暖機運転が必要か否かを判定する判定手段と、
前記判定手段が前記燃料電池の暖機運転が必要と判定した場合に、前記ターボ式コンプレッサの回転数を固定しかつ前記水素供給機構による水素の供給を行いながら、前記燃料電池の発電を行う制御手段と、
をさらに備えることを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 2 or 3,
Determination means for determining whether the fuel cell needs to be warmed up;
Control for generating power of the fuel cell while fixing the number of revolutions of the turbo compressor and supplying hydrogen by the hydrogen supply mechanism when the determination means determines that the fuel cell needs to be warmed up Means,
A fuel cell system, further comprising:
前記燃料電池の電圧を検知する電圧検知手段と、
所定の低効率で前記燃料電池を発電させる際に該燃料電池が示すべき電圧値である、目標電圧値を記憶する記憶手段と、
をさらに備え、
前記制御手段が、前記燃料電池が前記目標電圧値を示すように、前記電圧検知手段が検知した電圧の値を、前記水素供給機構の水素の供給量にフィードバックするフィードバック制御手段を含むことを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システム。
Voltage detecting means for detecting the voltage of the fuel cell;
Storage means for storing a target voltage value, which is a voltage value to be displayed by the fuel cell when generating the fuel cell at a predetermined low efficiency;
Further comprising
The control means includes feedback control means for feeding back the voltage value detected by the voltage detection means to the hydrogen supply amount of the hydrogen supply mechanism so that the fuel cell exhibits the target voltage value. The fuel cell system according to claim 4.
アノードに水素の供給を受けカソードに酸素の供給を受けて発電する燃料電池と、
前記カソードへと酸素含有ガスを吐出するターボ式コンプレッサと、
前記ターボ式コンプレッサが前記カソード側に吐出したガスのうち、一部のガスを、該カソードを迂回させて流すことができ、かつ、該カソードを迂回させて流す該一部のガスの量を調節可能なバイパス機構と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell that generates hydrogen by supplying hydrogen to the anode and oxygen to the cathode;
A turbo compressor that discharges oxygen-containing gas to the cathode;
Of the gas discharged to the cathode side by the turbo compressor, a part of the gas can flow around the cathode, and the amount of the part gas flowing around the cathode is adjusted. Possible bypass mechanism,
A fuel cell system comprising:
請求項6に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の暖機運転が必要か否かを判定する判定手段と、
前記判定手段が前記燃料電池の暖機運転が必要と判定した場合に、前記ターボ式コンプレッサの回転数を固定しかつ前記バイパス機構によって前記一部のガスを前記カソードを迂回させて流しながら、前記燃料電池の発電を行う制御手段と、
をさらに備えることを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 6, wherein
Determination means for determining whether the fuel cell needs to be warmed up;
When the determination means determines that the fuel cell needs to be warmed up, the rotational speed of the turbo-type compressor is fixed and the part of the gas is caused to flow around the cathode by the bypass mechanism. Control means for generating electricity in the fuel cell;
A fuel cell system, further comprising:
請求項4、5または7に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御手段が、通常発電時における前記ターボ式コンプレッサの回転数に比して低く設定された所定の低回転数に、前記ターボ式コンプレッサの回転数を固定することを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 4, 5 or 7,
The fuel cell system, wherein the control means fixes the rotational speed of the turbo compressor to a predetermined low rotational speed that is set lower than the rotational speed of the turbo compressor during normal power generation.
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