JP2010129276A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To avoid freezing and closure of gas passages in a fuel cell at the time of starting below zero. <P>SOLUTION: The fuel cell system is provided with a fuel cell 5 which generates electric power by an electrochemical reaction of a hydrogen gas as a fuel gas and air as an oxidant gas. When the fuel cell system is started below zero in the condition of (the fuel cell temperature)<0°C<(an auxiliary equipment temperature), by estimating the moisture content at the time of starting below zero existing in the auxiliary equipment and the piping of the fuel cell which is necessary for operation of the fuel cell, the more the flow rate of the supply gas to be supplied to the fuel cell at the time of starting is restricted, the more the moisture content exists in the auxiliary equipment and the piping. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、零下起動時の起動性能を改善した燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system having improved start-up performance at start-up below zero.

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)。この文献には、燃料電池の起動時、燃料電池の温度が氷点以下の場合には、ポンプを通常の回転速度より高い回転速度で稼動させて、燃料電池に通常圧力より多い流量、通常圧力より高い圧力で空気(低温用反応ガス)を供給し、燃料電池を高発電させ、発電生成水の燃料電池内凍結を防止する技術が記載されている。
特開2006−134674
Conventionally, as this type of technology, for example, those described in the following documents are known (see Patent Document 1). In this document, when starting the fuel cell, if the temperature of the fuel cell is below the freezing point, the pump is operated at a higher rotational speed than the normal rotational speed, and the fuel cell is operated at a flow rate higher than the normal pressure, higher than the normal pressure. A technology is described in which air (low-temperature reaction gas) is supplied at a high pressure to generate high power in the fuel cell and prevent freezing of generated power in the fuel cell.
JP 2006-134673 A

上記従来の燃料電池システムにおいては、補機が凍結していない、或いは解凍されている一方、燃料電池の温度が氷点下となっている状態で起動した場合には、補機および配管内の凝縮水や残留水が燃料電池に流入し、燃料電池内で凍結により、ガス流路が閉塞するといった不具合を招くおそれがあった。   In the above conventional fuel cell system, if the auxiliary machine is not frozen or thawed, and the fuel cell is started with the temperature below the freezing point, the auxiliary machine and the condensed water in the pipe are In addition, there is a risk that the residual water flows into the fuel cell and the gas flow path is blocked due to freezing in the fuel cell.

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、零下起動時における燃料電池内での凍結によるガス流路の閉塞を回避した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 of the present invention is to provide a fuel cell system that avoids blockage of the gas flow path due to freezing in the fuel cell at the time of starting below zero. is there.

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、燃料電池の温度が氷点下であって、反応ガス供給流路に水が存在した状態で、反応ガス供給手段によって供給ガスの供給を開始する場合、水量推定手段で推定された水分量が多い程、燃料電池に供給される供給ガスの流量を制限することを特徴とする。   In order to achieve the above object, the means for solving the problems of the present invention is to supply the supply gas by the reaction gas supply means in a state where the temperature of the fuel cell is below freezing and water is present in the reaction gas supply flow path. Is started, the flow rate of the supply gas supplied to the fuel cell is limited as the amount of water estimated by the water amount estimation means increases.

本発明によれば、燃料電池に流入する水が多いと推定されるほど供給ガス流量を少なくしたので、燃料電池内に流入する水が少なくなるので、凍結によりガス流路を塞ぐ可能性を低減できる。一方、供給ガスが供給されることにより発電ができ、自己発熱等により燃料電池内の解凍が促進できる。従って、ガス流路の閉塞を回避しつつ燃料電池システムを起動することができる。   According to the present invention, the amount of water supplied into the fuel cell is reduced as the amount of water flowing into the fuel cell is estimated to be less, so the amount of water flowing into the fuel cell is reduced, thereby reducing the possibility of blocking the gas flow path due to freezing. it can. On the other hand, power can be generated by supplying the supply gas, and thawing in the fuel cell can be promoted by self-heating or the like. Therefore, the fuel cell system can be activated while avoiding the blockage of the gas flow path.

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において、本実施例1の燃料電池システムは、燃料ガス(供給ガス)と酸化ガス(供給ガス)とが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池5と、燃料電池5の電圧および取り出し電流測定系15と、燃料電池5の電圧および取り出し電流を制御する電力制御装置14とを備えている。   FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 1, the fuel cell system of the first embodiment includes a fuel cell 5 that is supplied with a fuel gas (supply gas) and an oxidant gas (supply gas) and generates electric power through an electrochemical reaction, and a voltage and an output of the fuel cell 5. A current measuring system 15 and a power control device 14 for controlling the voltage and the extraction current of the fuel cell 5 are provided.

また、燃料電池システムは、燃料ガスである水素を貯蔵する水素タンク13(反応ガス供給手段)と、水素タンク13から供給される水素の圧力を減圧する減圧弁1と、減圧弁1より供給される水素の圧力を調整し、燃料電池5のアノード入口水素圧力を制御する水素圧力制御弁2と、燃料電池5のアノード入口における水素温度を検出するアノード入口水素温度センサ3と、燃料電池5のアノード入口における水素圧力を検出するアノード入口水素圧力センサ4を備えている。なお、水素タンク13からアノード入口までに設置された水素タンク13、減圧弁1、水素圧力制御弁2の補機やバルブ等や流路を総称して反応ガス供給流路とする。   The fuel cell system is supplied from a hydrogen tank 13 (reactive gas supply means) for storing hydrogen as a fuel gas, a pressure reducing valve 1 for reducing the pressure of hydrogen supplied from the hydrogen tank 13, and a pressure reducing valve 1. The hydrogen pressure control valve 2 for adjusting the hydrogen pressure of the fuel cell 5 to control the anode inlet hydrogen pressure of the fuel cell 5, the anode inlet hydrogen temperature sensor 3 for detecting the hydrogen temperature at the anode inlet of the fuel cell 5, and the fuel cell 5 An anode inlet hydrogen pressure sensor 4 for detecting the hydrogen pressure at the anode inlet is provided. In addition, the hydrogen tank 13, the decompression valve 1 and the auxiliary devices and valves of the hydrogen pressure control valve 2 installed from the hydrogen tank 13 to the anode inlet are collectively referred to as a reaction gas supply channel.

また、燃料電池システムは、燃料電池5のアノード出口より排出される発電生成水と水素を分離するセパレータタンク6と、セパレータタンク6の温度を検出するセパレータタンク温度センサ7と、セパレータタンク6に溜まった発電生成水を燃料電池システム外に排水する排水弁8を備えている。   In addition, the fuel cell system is stored in the separator tank 6 that separates the power generation water and hydrogen discharged from the anode outlet of the fuel cell 5, the separator tank temperature sensor 7 that detects the temperature of the separator tank 6, and the separator tank 6. A drain valve 8 for draining the generated power generation water outside the fuel cell system is provided.

また、燃料電池システムは、燃料電池5のアノード出口より排出される水素をアノード入口に循環させる水素循環ポンプ9と、水素循環ポンプ9の温度を検出する水素循環ポンプ温度センサ10と、燃料電池5のアノード触媒層において反応に使われないガスを排出する水素パージ弁11と、燃料電池5のアノード出口より排出される未使用水素をアノード入口に循環させる配管の温度を検出する水素循環系配管温度センサ12を備えている。   The fuel cell system also includes a hydrogen circulation pump 9 that circulates hydrogen discharged from the anode outlet of the fuel cell 5 to the anode inlet, a hydrogen circulation pump temperature sensor 10 that detects the temperature of the hydrogen circulation pump 9, and the fuel cell 5. The hydrogen purge valve 11 for discharging the gas not used in the reaction in the anode catalyst layer of the hydrogen circulation system piping temperature for detecting the temperature of the piping for circulating unused hydrogen discharged from the anode outlet of the fuel cell 5 to the anode inlet A sensor 12 is provided.

また、燃料電池システムは、酸化剤ガスである空気を加圧して燃料電池5のカソード触媒層に供給するコンプレッサ16(反応ガス供給手段)と、コンプレッサ16より供給される空気を加湿する空気加湿器17と、空気加湿器17の温度を検出する空気加湿器温度センサ18と、燃料電池5のカソード入口における空気温度を検出するカソード入口空気温度センサ19と、燃料電池5のカソード入口における空気圧力を検出するカソード入口空気圧力センサ20と、燃料電池5のカソード出口より排出された空気の圧力を調整し、燃料電池5のカソード入口空気圧力を制御する空気圧力制御弁21を備えている。なお、コンプレッサ16の空気取り込み部からカソード入口までに設置されたコンプレッサ16、空気加湿器17、空気圧力制御弁21の補機やバルブ等や流路を総称して反応ガス供給流路とする。   The fuel cell system also includes a compressor 16 (reactive gas supply means) that pressurizes air, which is an oxidant gas, and supplies it to the cathode catalyst layer of the fuel cell 5, and an air humidifier that humidifies the air supplied from the compressor 16. 17, an air humidifier temperature sensor 18 that detects the temperature of the air humidifier 17, a cathode inlet air temperature sensor 19 that detects the air temperature at the cathode inlet of the fuel cell 5, and the air pressure at the cathode inlet of the fuel cell 5. A cathode inlet air pressure sensor 20 to be detected and an air pressure control valve 21 for adjusting the pressure of air discharged from the cathode outlet of the fuel cell 5 and controlling the cathode inlet air pressure of the fuel cell 5 are provided. Note that the compressor 16, the air humidifier 17, and the auxiliary machines and valves of the air pressure control valve 21 and the flow path installed between the air intake portion of the compressor 16 and the cathode inlet are collectively referred to as a reaction gas supply flow path.

また、燃料電池システムは、燃料電池5を冷却するための冷却水を循環させる冷却水循環ポンプ22と、燃料電池5の入口における冷却水温度を検出する燃料電池入口冷却水温度センサ23と、燃料電池5の出口における冷却水温度を検出する燃料電池出口冷却水温度センサ24と、燃料電池5の出口より入口に循環する冷却水を放熱させて冷却する熱交換器25、ならびにコントロールユニット(図示せず)を備えている。   The fuel cell system includes a cooling water circulation pump 22 that circulates cooling water for cooling the fuel cell 5, a fuel cell inlet cooling water temperature sensor 23 that detects a cooling water temperature at the inlet of the fuel cell 5, and a fuel cell. 5, a fuel cell outlet cooling water temperature sensor 24 that detects the cooling water temperature at the outlet 5, a heat exchanger 25 that radiates and cools the cooling water circulating from the outlet of the fuel cell 5 to the inlet, and a control unit (not shown). ).

コントロールユニットは、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。コントロールユニットは、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、本システムの制御を要する構成要素に指令を送り、以下に説明する零下起動制御の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運転制御手段ならびに水分量推定手段(液水量推定手段)として機能する。なお、水分量推定手段は、少なくても液水量を推定できればよく、氷を含む水分量を推定してもよい。   The control unit functions as a control center for controlling the operation of the system, and is provided with 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, such as a microcomputer It is realized by. The control unit 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 components that require control of the system, and this system is operated / stopped including subzero start-up control operations described below. It functions as an operation control means for controlling and controlling all necessary operations in a unified manner and a water amount estimation means (liquid water amount estimation means). In addition, the water content estimation means is only required to be able to estimate the liquid water amount, and may estimate the water content including ice.

このような構成要件を備えた燃料電池システムが定常運転した場合の動作を説明する。   An operation when the fuel cell system having such a configuration requirement is in steady operation will be described.

先ず、燃料電池5のアノード触媒層に燃料ガスである水素がカソード触媒層に酸化ガスである空気が供給され、以下に示す電気化学反応によって発電が行われている。
(化1)
アノード(水素)極反応:H→2H+2e
カソード(酸素)極反応:2H+2e+(1/2)O→H
First, hydrogen, which is a fuel gas, is supplied to the anode catalyst layer of the fuel cell 5 and air, which is an oxidizing gas, is supplied to the cathode catalyst layer, and electric power is generated by the electrochemical reaction shown below.
(Chemical formula 1)
Anode (hydrogen) electrode reaction: H 2 → 2H + + 2e
Cathode (oxygen) electrode reaction: 2H + + 2e + (1/2) O 2 → H 2 O

燃料電池5のアノード触媒層に水素を供給する水素供給系では、水素タンク13に水素が貯蔵されており、水素タンク13より供給された高圧水素は減圧弁1によって減圧され、水素圧力制御弁2に供給される。水素圧力制御弁2より供給される水素は水素循環ポンプ9より循環された水素と混合され、燃料電池5のアノード触媒層に供給される。   In the hydrogen supply system that supplies hydrogen to the anode catalyst layer of the fuel cell 5, hydrogen is stored in the hydrogen tank 13, and the high-pressure hydrogen supplied from the hydrogen tank 13 is depressurized by the pressure reducing valve 1, and the hydrogen pressure control valve 2 To be supplied. Hydrogen supplied from the hydrogen pressure control valve 2 is mixed with hydrogen circulated from the hydrogen circulation pump 9 and supplied to the anode catalyst layer of the fuel cell 5.

ここで、燃料電池5のアノード入口における水素温度および圧力は、それぞれアノード入口水素温度センサ3およびアノード入口水素圧力センサ4によって検出される。   Here, the hydrogen temperature and pressure at the anode inlet of the fuel cell 5 are detected by the anode inlet hydrogen temperature sensor 3 and the anode inlet hydrogen pressure sensor 4, respectively.

水素圧力制御弁2はアノード入口水素圧力センサ4で検出された圧力に基づき、アノード入口水素圧力を制御する。所定の温度および圧力の水素は燃料電池5のアノード入口に供給され、燃料電池5の発電に使われる。発電で使われなかった未反応の水素は燃料電池5のアノード出口より排出された後、水素循環ポンプ9より再び燃料電池5に供給される。   The hydrogen pressure control valve 2 controls the anode inlet hydrogen pressure based on the pressure detected by the anode inlet hydrogen pressure sensor 4. Hydrogen having a predetermined temperature and pressure is supplied to the anode inlet of the fuel cell 5 and used for power generation of the fuel cell 5. Unreacted hydrogen that has not been used for power generation is discharged from the anode outlet of the fuel cell 5 and then supplied again to the fuel cell 5 from the hydrogen circulation pump 9.

燃料電池5のアノード出口より排出される発電生成水はセパレータタンク6により回収される。セパレータタンク6の発電生成水回収量が所定量を超えた場合には、排水弁8を開けることにより発電生成水を燃料電池システム外に排水する。   The power generation water discharged from the anode outlet of the fuel cell 5 is collected by the separator tank 6. When the power generation generated water recovery amount in the separator tank 6 exceeds a predetermined amount, the power generation generated water is drained out of the fuel cell system by opening the drain valve 8.

燃料電池5のカソードより透過してきた窒素はアノード触媒層における水素濃度を低下させ、スタベーションによる触媒層劣化を引き起こすため、定期的に水素パージ弁11を開けることにより窒素を燃料電池システム外に排出する。ここで、セパレータタンク6、水素循環ポンプ9および水素循環系配管の温度は、それぞれセパレータタンク温度センサ7、水素循環ポンプ温度センサ10および水素循環系配管温度センサ12によって検出される。   Nitrogen that has permeated from the cathode of the fuel cell 5 lowers the hydrogen concentration in the anode catalyst layer and causes deterioration of the catalyst layer due to starvation. Therefore, by periodically opening the hydrogen purge valve 11, nitrogen is discharged out of the fuel cell system. To do. Here, the temperatures of the separator tank 6, the hydrogen circulation pump 9, and the hydrogen circulation system pipe are detected by the separator tank temperature sensor 7, the hydrogen circulation pump temperature sensor 10, and the hydrogen circulation system pipe temperature sensor 12, respectively.

一方、燃料電池5のカソード触媒層に空気を供給する空気供給系では、コンプレッサ16が外気から空気を吸入し、吸入した空気を加圧して送出する。送出された空気は空気加湿器17により加湿され、燃料電池5のカソード触媒層に供給される。ここで、燃料電池5のカソード入口における空気温度および圧力は、それぞれカソード入口空気温度センサ19およびカソード入口空気圧力センサ20によって検出される。また、空気加湿器17の温度は、空気加湿器温度センサ18によって検出される。   On the other hand, in the air supply system that supplies air to the cathode catalyst layer of the fuel cell 5, the compressor 16 sucks air from outside air, pressurizes the sucked air, and sends it out. The sent air is humidified by the air humidifier 17 and supplied to the cathode catalyst layer of the fuel cell 5. Here, the air temperature and pressure at the cathode inlet of the fuel cell 5 are detected by a cathode inlet air temperature sensor 19 and a cathode inlet air pressure sensor 20, respectively. The temperature of the air humidifier 17 is detected by the air humidifier temperature sensor 18.

発電で使われなかった未反応の空気および発電生成水は、燃料電池5のカソード出口より排出された後、再び空気加湿器17を通過する。この時、空気加湿器17を通過した発電生成水の一部(水蒸気)はコンプレッサ16より吸入された空気の加湿に使われる。空気加湿器17を通過したカソード出口排出空気は、空気圧力制御弁21を通過する。空気圧力制御弁21は、カソード入口空気圧力センサ20で検出された圧力に基づき、カソード入口空気圧力を制御する。ここで、燃料電池5のガス圧力、すなわちアノード入口水素圧力およびカソード入口空気圧力は可変圧である。   Unreacted air and power generation product water that have not been used for power generation are discharged from the cathode outlet of the fuel cell 5 and then pass through the air humidifier 17 again. At this time, part of the power generation water (water vapor) that has passed through the air humidifier 17 is used to humidify the air sucked from the compressor 16. The cathode outlet exhaust air that has passed through the air humidifier 17 passes through the air pressure control valve 21. The air pressure control valve 21 controls the cathode inlet air pressure based on the pressure detected by the cathode inlet air pressure sensor 20. Here, the gas pressure of the fuel cell 5, that is, the anode inlet hydrogen pressure and the cathode inlet air pressure are variable pressures.

燃料電池5の電力制御装置14は、取り出し出力(電流)および燃料電池5の温度によって燃料電池5が安定的に発電できるよう適切なガス圧力を設定する。   The power control device 14 of the fuel cell 5 sets an appropriate gas pressure so that the fuel cell 5 can stably generate power depending on the output (current) taken out and the temperature of the fuel cell 5.

燃料電池5の温度が高くなりすぎると、アノード触媒層が乾燥し、電圧が急激に低下したり、燃料電池5に使われている高分子膜が急激に軟化し、破断したりすることがある。このため、燃料電池5を冷却するための冷却水が使われている。燃料電池5の反応熱を吸収した冷却水は、熱交換器25で放熱し、冷却水循環ポンプ22によって再び燃料電池5に送出される。ここで、燃料電池5の入口および出口における冷却水温度は、それぞれ燃料電池入口冷却水温度センサ23および燃料電池出口冷却水温度センサ24によって検出される。熱交換器25における放熱量は、燃料電池入口冷却水温度センサ23および燃料電池出口冷却水温度センサ24で検出された温度に基づき制御される。   If the temperature of the fuel cell 5 becomes too high, the anode catalyst layer may be dried, and the voltage may drop rapidly, or the polymer membrane used in the fuel cell 5 may suddenly soften and break. . For this reason, cooling water for cooling the fuel cell 5 is used. The cooling water that has absorbed the reaction heat of the fuel cell 5 dissipates heat in the heat exchanger 25 and is sent to the fuel cell 5 again by the cooling water circulation pump 22. Here, the coolant temperature at the inlet and outlet of the fuel cell 5 is detected by the fuel cell inlet coolant temperature sensor 23 and the fuel cell outlet coolant temperature sensor 24, respectively. The amount of heat release in the heat exchanger 25 is controlled based on the temperatures detected by the fuel cell inlet cooling water temperature sensor 23 and the fuel cell outlet cooling water temperature sensor 24.

本願発明の技術思想を採用していない従来の燃料電池システムにおいて、パージして運転を停止した後、零下起動した場合の電圧挙動を図2に示す。ただし、零下起動時の燃料電池出口冷却水温度は0℃以下、アノード入口水素温度、カソード入口空気温度、セパレータタンク温度、水素循環ポンプ温度、水素循環系配管温度および空気加湿器温度は0℃以上とする。   FIG. 2 shows the voltage behavior when the conventional fuel cell system which does not employ the technical idea of the present invention is started below zero after purging and stopping the operation. However, the cooling water temperature at the fuel cell outlet when starting below zero is 0 ° C or lower, the anode inlet hydrogen temperature, cathode inlet air temperature, separator tank temperature, hydrogen circulation pump temperature, hydrogen circulation system piping temperature, and air humidifier temperature are 0 ° C or higher. And

図2において、従来の燃料電池システムでは、上記温度条件で零下起動した場合には、起動とともに(図2の時間T2後)燃料電池5の電圧が低下し、低下したままの状態で保持される。電圧の低下は、水素循環ポンプ9および空気加湿器17等の補機および配管における凝縮水が燃料電池5に流入し、燃料電池5内で凍結し、ガス流路が閉塞したことにより水素および空気が阻害されたことによるものである。電圧が低下した場合には、電圧が回復するまで燃料電池出力を取り出すことができないため、零下起動時間が長くなる。   In FIG. 2, in the conventional fuel cell system, when starting below zero under the above temperature condition, the voltage of the fuel cell 5 decreases with the start (after time T2 in FIG. 2), and is maintained in the state of being decreased. . The decrease in voltage is caused by the fact that condensed water in auxiliary equipment and piping such as the hydrogen circulation pump 9 and the air humidifier 17 flows into the fuel cell 5, freezes in the fuel cell 5, and the gas flow path is blocked, so that hydrogen and air Is due to the inhibition. When the voltage drops, the fuel cell output cannot be taken out until the voltage recovers, so the subzero startup time becomes longer.

一方、本願を適用した場合の零下起動時の電圧挙動を図3に示す。図3において、本願を適用した場合には、補機および配管内の凝縮水が燃料電池5に流入しないよう起動時供給ガス流量を制限することにより、起動時の電圧低下を抑制しつつ燃料電池出力を取り出す(図3の時間T3後)ことができるため、零下起動時間を短縮することができる。   On the other hand, FIG. 3 shows the voltage behavior at the time of starting below zero when the present application is applied. In FIG. 3, when the present application is applied, by restricting the supply gas flow rate at the start-up so that the condensed water in the auxiliary machine and the piping does not flow into the fuel cell 5, the fuel cell is suppressed while suppressing the voltage drop at the start-up. Since the output can be taken out (after time T3 in FIG. 3), the start-up time below zero can be shortened.

次に、図3で示した電圧挙動を実現するための起動時制御の制御手順について、図4に示す制御フローを参照して説明する。   Next, the control procedure of the startup control for realizing the voltage behavior shown in FIG. 3 will be described with reference to the control flow shown in FIG.

図4において、先ず、パージして運転を停止した後(ステップS401)、燃料電池5、補機、配管および燃料電池入口ガス温度を検出する(ステップS402)。ここで、燃料電池温度は燃料電池出口冷却水温度、補機温度はセパレータタンク温度および水素循環ポンプ温度、配管温度は水素循環系配管温度、燃料電池入口温度はアノード入口水素温度およびカソード入口空気温度とする。   In FIG. 4, first, after purging and stopping the operation (step S401), the fuel cell 5, auxiliary equipment, piping, and fuel cell inlet gas temperature are detected (step S402). Here, fuel cell temperature is fuel cell outlet cooling water temperature, auxiliary equipment temperature is separator tank temperature and hydrogen circulation pump temperature, piping temperature is hydrogen circulation system piping temperature, fuel cell inlet temperature is anode inlet hydrogen temperature and cathode inlet air temperature. And

各温度の検出の結果、燃料電池温度<0℃<補機、配管および燃料電池入口ガス温度の要件が成立したか否かを判別する(ステップS403)。判別の結果、上記要件が成立していない場合には、起動時の供給ガス流量を制限しない(ステップS404)。なお、起動後に燃料電池5の温度が0℃以上になった場合には制限を解除する(以下の実施例2〜4でも同様である)。なお、本実施例では、流量制限を実施する条件として、燃料電池の温度を0℃より小さい値としたが、液水が凍結する温度(氷点下)であればよい。また、補機等の温度を0℃より大きい値としたが、液水が存在する温度であればよい。更に、流量制限を解除する条件として、燃料電池の温度を0℃以上としたが、液水が凍結しない温度(解凍温度)としてもよい。   As a result of the detection of each temperature, it is determined whether or not the requirements of fuel cell temperature <0 ° C. <auxiliary equipment, piping, and fuel cell inlet gas temperature are satisfied (step S403). As a result of the determination, if the above requirement is not satisfied, the supply gas flow rate at the start is not limited (step S404). When the temperature of the fuel cell 5 becomes 0 ° C. or higher after startup, the restriction is released (the same applies to the following Examples 2 to 4). In the present embodiment, the temperature of the fuel cell is set to a value lower than 0 ° C. as a condition for restricting the flow rate, but may be any temperature at which the liquid water is frozen (below freezing point). Moreover, although the temperature of auxiliary machines etc. was made into the value larger than 0 degreeC, what is necessary is just the temperature in which liquid water exists. Furthermore, as a condition for releasing the flow restriction, the temperature of the fuel cell is set to 0 ° C. or higher, but may be a temperature at which liquid water does not freeze (thawing temperature).

一方、上記要件が成立した場合には、続いて、供給ガス流量を制限するが、零下起動時の供給ガス流量は補機および配管内の凝縮水量に基づき設定されるため、補機および配管内の凝縮水量を推定する(ステップS405)。凝縮水量は次に示す式(1)および(2)より算出して推定する。
(数1)
飽和水蒸気体積(l)
=系の体積(l)×{飽和水蒸気圧(kPa_abs)/101.3(kPa_abs)} …(1)
凝縮水量(g)
=18(g/mol)
×{(停止パージ時標準状態飽和水蒸気体積(l))
−(零下起動時標準飽和水蒸気体積(l))}/22.4(g/mol) …(2)
ここで、式(1)における系の体積はアノードもしくはカソードガス供給系の体積とする。また、飽和水蒸気圧は反応ガス温度のみの関数とし、反応ガス温度は燃料電池入口ガス温度を用いる。
On the other hand, when the above requirement is satisfied, the supply gas flow rate is subsequently limited. However, since the supply gas flow rate at the time of starting below zero is set based on the amount of condensed water in the auxiliary device and piping, The amount of condensed water is estimated (step S405). The amount of condensed water is estimated by calculating from the following equations (1) and (2).
(Equation 1)
Saturated water vapor volume (l)
= System volume (l) x {saturated water vapor pressure (kPa_abs) /101.3 (kPa_abs)} (1)
Condensate volume (g)
= 18 (g / mol)
× {(standard state saturated water vapor volume during stop purge (l))
-(Standard saturated water vapor volume at start-up below zero (l))} / 22.4 (g / mol) (2)
Here, the volume of the system in formula (1) is the volume of the anode or cathode gas supply system. The saturated water vapor pressure is a function of only the reaction gas temperature, and the reaction gas temperature is the fuel cell inlet gas temperature.

例えば、補機温度、配管温度および燃料電池入口ガス温度にばらつきがあった場合には、停止パージ時の飽和水蒸気圧を表す反応ガス温度はそれら温度の最大値を用い、零下起動時の飽和水蒸気圧を表す反応ガス温度はそれら温度の最小値を用いることとする。   For example, if there are variations in auxiliary equipment temperature, piping temperature, and fuel cell inlet gas temperature, the reaction gas temperature representing the saturated water vapor pressure during stop purge uses the maximum value of those temperatures, and saturated water vapor during subzero start-up As the reaction gas temperature representing the pressure, the minimum value of these temperatures is used.

次に、起動時供給ガス流量の制限値をマップを参照して推定し(ステップS406)、推定した制限値にしたがってシステムを起動する。   Next, the limit value of the supply gas flow rate at startup is estimated with reference to the map (step S406), and the system is started according to the estimated limit value.

起動時供給ガス流量の制限値−凝縮水量との関係を表す上記推定の際に使用するマップを図5(a)および同図(b)に示す。図5(a)に示すように、起動時供給ガス流量の制限値は補機および配管内の凝縮水量が多くなる程低下する。補機および配管構成によっては、図5(b)に示すように補機および配管内の凝縮水量によらず、起動時供給ガス流量が一定になる領域が存在してもよい。これは、燃料電池の構成上、例えばガス配管がくねくねして蛇行しているような配管で凝縮水が飛びにくい(排出されにくい)場合には、ある程度凝縮水が残留していても凝縮水が飛ばないため、ガス流量制限を必要としないガス流量域が想定されるからである。   FIGS. 5A and 5B show maps used for the above estimation showing the relationship between the starting supply gas flow rate limit value and the amount of condensed water. As shown in FIG. 5A, the limit value of the starting supply gas flow rate decreases as the amount of condensed water in the auxiliary machine and the pipe increases. Depending on the auxiliary equipment and the piping configuration, there may be a region where the supply gas flow rate at startup is constant regardless of the amount of condensed water in the auxiliary equipment and the piping, as shown in FIG. This is because, for example, when the condensed water is difficult to fly (difficult to be discharged) in a pipe in which the gas pipes meander and meander due to the configuration of the fuel cell, the condensed water remains even if some condensed water remains. This is because a gas flow rate region that does not require a gas flow rate restriction is assumed because it does not fly.

起動時供給ガス流量の制限値、つまり凝縮水が燃料電池内に流入しないガス流量は、凝縮水量以外のパラメータの影響も受ける。例えば、上記式(1)および(2)で推定された凝縮水量が少なくても、補機および配管内において凝縮水の溜まりやすい箇所が構造上存在した場合には、部分的に凝縮水量が飛びやすく(排出しやすく)なる箇所があることを考慮して起動時供給ガス流量を選択する必要がある。また、配管等の断面積が小さい箇所では部分的にガス流速が速くなるため、凝縮水が飛びやすくなる。   The limit value of the supply gas flow rate at start-up, that is, the gas flow rate at which condensed water does not flow into the fuel cell is also affected by parameters other than the condensed water amount. For example, even if the amount of condensed water estimated by the above formulas (1) and (2) is small, if there is a structure where condensate tends to accumulate in the auxiliary equipment and piping, the amount of condensed water partially jumps. It is necessary to select the supply gas flow rate at start-up in consideration of the fact that there is a place where it becomes easy (easy to discharge). In addition, since the gas flow velocity is partially increased at locations where the cross-sectional area of the pipe or the like is small, the condensed water is likely to fly.

また、停止パージ後放置した場合には、放置時間の経過とともにアノードガス供給系に空気が混入し、ガス密度が増大する。ガス密度が増大した場合には、ガス流速が速くなるため、凝縮水が飛びやすくなる。   Further, when left after the stop purge, air is mixed into the anode gas supply system with the passage of the standing time, and the gas density increases. When the gas density is increased, the gas flow rate is increased, so that the condensed water is likely to fly.

このように、起動時供給ガス流量の制限値は、補機および配管構成、ガス密度によって影響を受けるため、予め実験等を実施して実験的に求め、その結果をマップ等として作成して予め用意し、コントロールユニットの記憶装置に記憶させて必要に応じて参照する。   Thus, since the limit value of the supply gas flow rate at the start is affected by the auxiliary equipment, the piping configuration, and the gas density, it is experimentally determined in advance through experiments and the result is created as a map or the like in advance. Prepare it, store it in the storage device of the control unit, and refer to it as needed.

このように、この実施例1では、燃料電池温度<0℃<補機温度の温度状態で零下起動する場合には、補機および配管内の凝縮水量が多い程、起動時の供給ガス流量を制限することにより、補機および配管内の凝縮水が燃料電池5に流入することを抑制し、燃料電池5内で水分が凍結したり、凍結した水分でガス流路が閉塞することを防ぐことができる。   Thus, in this Example 1, when starting below zero in a temperature state where the fuel cell temperature <0 ° C. <auxiliary temperature, the larger the amount of condensed water in the auxiliary equipment and the piping, the more the supply gas flow rate at the time of starting. By limiting, the condensate in the auxiliary equipment and the piping is prevented from flowing into the fuel cell 5 to prevent water from being frozen in the fuel cell 5 and the gas flow path from being blocked by the frozen water. Can do.

前回システム停止時の供給ガス温度と零下起動時の供給ガス温度との差に基づいて、補機および配管内の凝縮水量を推定することで、凝縮水量を容易かつ簡便に推定することができる。   The amount of condensed water can be estimated easily and simply by estimating the amount of condensed water in the auxiliary equipment and the piping based on the difference between the supply gas temperature at the previous system stop and the supply gas temperature at the time of starting below zero.

補機および配管内のガス温度に温度分布がある場合でも、前回システム停止時の供給ガス温度を補機および配管温度の最大値とし、今回零下起動時の供給ガス温度を補機および配管温度の最小値とすることで、凝縮水量の最大値を推定することが可能となり、適切に供給ガスの流量を制限することができる。   Even if there is a temperature distribution in the gas temperature in the auxiliary equipment and piping, the supply gas temperature at the time of the previous system shutdown is set to the maximum value of the auxiliary equipment and piping temperature, and the supply gas temperature at the time of starting below zero is set to the auxiliary equipment and piping temperature. By setting it as the minimum value, it becomes possible to estimate the maximum value of the amount of condensed water, and it is possible to appropriately limit the flow rate of the supply gas.

燃料電池の温度を、起動前に燃料電池5に冷却水を循環させた際の燃料電池出口の冷却水温度に代表させることで、燃料電池内に温度分布がある場合でも平均的な燃料電池温度を推定することが可能となり、適切に供給ガスの流量を制限することができる。   By representing the temperature of the fuel cell as the cooling water temperature at the outlet of the fuel cell when the cooling water is circulated through the fuel cell 5 before starting, the average fuel cell temperature even when there is a temperature distribution in the fuel cell Can be estimated, and the flow rate of the supply gas can be appropriately limited.

燃料電池温度が確実に0℃以上になった後、供給ガス流量の制限を解除することで、確実に燃料電池内で凍結、ガス流路の閉塞を回避して、安定運転を行うことができる。   After the fuel cell temperature has surely reached 0 ° C. or higher, the restriction on the supply gas flow rate is released, so that it is possible to reliably avoid freezing in the fuel cell and blockage of the gas flow path, thereby performing stable operation. .

次に、この発明の実施例2について説明する。先の実施例1では、停止パージした後に零下起動するようにしているが、この実施例2では、パージせずに運転停止した後、零下起動する制御手法を採用しており、先の実施例1との相違点は、補機および配管内の凝縮水量のみでなく、残留水量も考慮する点である。なお、燃料電池システムの構成は先の図1と同様であるので説明は省略し、図6に示すフローチャートを参照して制御手順を説明する。   Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the first embodiment, the sub-zero start is performed after the stop purge. However, in the second embodiment, a control method in which the sub-start is performed after the operation is stopped without purging is adopted. The difference from 1 is that not only the amount of condensed water in the auxiliary equipment and piping but also the amount of residual water is taken into consideration. The configuration of the fuel cell system is the same as that of FIG. 1 described above, so that the description thereof will be omitted, and the control procedure will be described with reference to the flowchart shown in FIG.

図6において、先ず燃料電池、補機、配管および燃料電池入口ガス温度を検出する(ステップS601)。ここで、燃料電池温度は燃料電池出口冷却水温度、補機温度はセパレータタンク温度および水素循環ポンプ温度、配管温度は水素循環系配管温度、燃料電池入口温度はアノード入口水素温度およびカソード入口空気温度とする。   In FIG. 6, first, the fuel cell, auxiliary equipment, piping, and fuel cell inlet gas temperature are detected (step S601). Here, fuel cell temperature is fuel cell outlet cooling water temperature, auxiliary equipment temperature is separator tank temperature and hydrogen circulation pump temperature, piping temperature is hydrogen circulation system piping temperature, fuel cell inlet temperature is anode inlet hydrogen temperature and cathode inlet air temperature. And

各温度の検出の結果、燃料電池温度<0℃<補機、配管および燃料電池入口ガス温度の要件が成立しているか否かを判別する(ステップS602)。判別の結果、上記要件が成立していない場合には、起動時に供給ガス流量を制限しない(ステップS603)。   As a result of the detection of each temperature, it is determined whether or not the requirements of fuel cell temperature <0 ° C. <auxiliary equipment, piping, and fuel cell inlet gas temperature are satisfied (step S602). As a result of the determination, if the above requirement is not satisfied, the supply gas flow rate is not limited at the time of startup (step S603).

一方、上記要件が成立した場合には、続いて、供給ガス流量を制限するが、零下起動時の供給ガス流量は補機および配管内の凝縮水量に基づき設定されるため、補機および配管内の凝縮水量を推定する(ステップS604)。凝縮水量は、先の実施例1と同様にして推定する。引き続いて、補機および配管内の残留水量を、図7に示すようなマップを参照して推定する(ステップS605)。   On the other hand, when the above requirement is satisfied, the supply gas flow rate is subsequently limited. However, since the supply gas flow rate at the time of starting below zero is set based on the amount of condensed water in the auxiliary device and piping, The amount of condensed water is estimated (step S604). The amount of condensed water is estimated in the same manner as in the first embodiment. Subsequently, the amount of residual water in the auxiliary machine and the pipe is estimated with reference to a map as shown in FIG. 7 (step S605).

燃料電池5の取り出し出力(電流)が増大するとともに発電生成水量が増大し、発電生成水量がセパレータタンク6の回収量を上回った場合には、セパレータタンク6で回収できなかった発電生成水が残留水としてアノードガス供給系に残留する。このような補機および配管内の残留水量と運転停止時の燃料電池取り出し出力(電流)との関係は例えば図7に示すようになる。   When the output (current) of the fuel cell 5 increases and the amount of power generation generated water increases, and the amount of power generation generated water exceeds the amount recovered by the separator tank 6, power generation generated water that could not be recovered by the separator tank 6 remains. It remains in the anode gas supply system as water. The relationship between the amount of residual water in such auxiliary equipment and piping and the fuel cell output (current) when the operation is stopped is as shown in FIG. 7, for example.

次に、図6に戻って、起動時供給ガス流量の制限値を推定し(ステップS606)、推定した制限値にしたがってシステムを起動する。   Next, returning to FIG. 6, a limit value of the supply gas flow rate at startup is estimated (step S606), and the system is started according to the estimated limit value.

起動時供給ガス流量の制限値は、図8(a)に示すように、(凝縮水量+残留水量)が多くなる程低下する。なお、補機および配管の構成によっては、図8(b)に示すように、補機および配管内の(凝縮水量+残留水量)によらず、起動時供給ガス流量が一定になる領域が存在してもよい。   As shown in FIG. 8A, the limit value of the supply gas flow rate at startup decreases as (condensed water amount + residual water amount) increases. Depending on the configuration of the auxiliary equipment and piping, as shown in Fig. 8 (b), there is a region where the supply gas flow rate at startup is constant regardless of (condensed water amount + residual water amount) in the auxiliary equipment and piping. May be.

起動時供給ガス流量の制限値、つまり凝縮水ならびに残留水が燃料電池内に流入しないガス流量は、凝縮水量および残留水量以外のパラメータの影響も受ける。例えば先の実施例1で触れた式(1)および(2)で推定された凝縮水量、ならびに図7に示すような関係を有する残留水量が、少なくても補機および配管内において溜まりやすい箇所が存在した場合には、部分的に凝縮水量および残留水が飛びやすくなる箇所があることを考慮して起動時供給ガス流量を選択する必要がある。   The limit value of the supply gas flow rate at start-up, that is, the gas flow rate at which condensed water and residual water do not flow into the fuel cell are also affected by parameters other than the condensed water amount and residual water amount. For example, the amount of condensed water estimated in the equations (1) and (2) mentioned in the previous embodiment 1 and the amount of residual water having the relationship shown in FIG. In the case where there is, it is necessary to select the starting supply gas flow rate in consideration of the fact that there is a part where the amount of condensed water and residual water are likely to fly.

また、配管等の断面積が小さい箇所では部分的にガス流速が速くなるため、凝縮水および残留水が飛びやすくなる。さらに、停止後放置した場合は、放置時間の経過とともにアノードガス供給系に空気が混入してガス密度が増大する。ガス密度が増大すると、ガス流速が速くなるため、凝縮水および残留水が飛びやすくなる。このように、起動時供給ガス流量の制限値は補機および配管構成、ガス密度によって影響を受けるため、予め実験等を実施して実験的に求め、その結果をマップ等として作成して予め用意し、コントロールユニットの記憶装置に記憶させて必要に応じて参照する。   In addition, since the gas flow velocity is partially increased at locations where the cross-sectional area of the pipe or the like is small, the condensed water and residual water are likely to fly. Furthermore, when left unattended after stopping, air is mixed into the anode gas supply system with the elapse of the standing time, and the gas density increases. When the gas density is increased, the gas flow rate is increased, so that condensed water and residual water are likely to fly. As described above, since the limit value of the supply gas flow rate at startup is affected by the auxiliary equipment, piping configuration, and gas density, it is experimentally obtained by conducting experiments in advance, and the result is prepared as a map etc. Then, it is stored in the storage device of the control unit and referred to when necessary.

このように、この実施例2においては、上記実施例1で得られる効果に加えて、前回システム停止前の燃料電池取り出し電流に基づいて補機および配管内の残留水量を推定することが可能となる。これにより、凝縮水量と残留水量の総和となる補機ならびに配管に存在する水分量を推定することができ、システム停止時にパージ処理を行わない場合であっても、適切に供給ガス流量を制限することが可能となる。   Thus, in the second embodiment, in addition to the effects obtained in the first embodiment, it is possible to estimate the residual water amount in the auxiliary equipment and the piping based on the fuel cell take-out current before the previous system stop. Become. This makes it possible to estimate the amount of water present in the auxiliary equipment and piping, which is the sum of the amount of condensed water and the amount of residual water, and appropriately restrict the supply gas flow rate even when the purge process is not performed when the system is stopped. It becomes possible.

次に、この発明の実施例3について説明する。前述した実施例1,2では、零下起動時に凝縮水および残留水が燃料電池内に流入しないようにするために、供給ガスの流量を制限する制御手法を採用しているが、この実施例3では、実施例2で採用した流量の制限に加えて供給ガスの圧力上昇速度を制限する制御手法を採用している。   Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the first and second embodiments described above, a control method for limiting the flow rate of the supply gas is employed in order to prevent condensed water and residual water from flowing into the fuel cell at the time of starting below zero. Therefore, in addition to the flow rate restriction employed in the second embodiment, a control method for restricting the pressure increase rate of the supply gas is employed.

燃料電池システムの構成は、実施例1で示した図1と同様なので省略し、図9に示すフローチャートを参照して制御手順を説明する。   Since the configuration of the fuel cell system is the same as that of FIG. 1 shown in the first embodiment, a description thereof will be omitted, and the control procedure will be described with reference to the flowchart shown in FIG.

図9において、先ず先の図4に示す実施例1の制御手順(ステップS401〜ステップS406)と同様な制御手順(ステップS901〜ステップS906)を実行する。   9, first, the same control procedure (step S901 to step S906) as the control procedure (step S401 to step S406) of the first embodiment shown in FIG. 4 is executed.

その後、上記実行の結果得られた、起動時供給ガス流量制限値に基づいて、起動時ガス圧力上昇速度制限値を推定し(ステップS907)、推定された制限値にしたがってシステムを起動する。   Thereafter, the startup gas pressure increase rate limit value is estimated based on the startup supply gas flow rate limit value obtained as a result of the above execution (step S907), and the system is started according to the estimated limit value.

システムを起動した初期では、水素分圧が低いため、アノード入口水素圧力を速やかに上げて、アノード触媒層における水素濃度を高めることにより、スタベーションによる触媒層劣化を防止する必要がある。この時、水素パージ弁11を開けることにより、カソード側からアノード側に透過してきた窒素を燃料電池システム外に排出する。アノード入口水素圧力のみ上昇させた場合には、アノード側からカソード側に透過してきた水素により、カソード触媒層における酸素濃度が低下するとともに、アノードとカソードにおける膜・電極接合体間の差圧が大きくなり、膜・電極接合体が破損するおそれがある。このため、アノード入口水素圧力と同様の圧力上昇速度でカソード入口空気圧力を上昇させる必要がある。   Since the hydrogen partial pressure is low at the initial stage of starting the system, it is necessary to prevent deterioration of the catalyst layer due to starvation by quickly increasing the anode inlet hydrogen pressure and increasing the hydrogen concentration in the anode catalyst layer. At this time, by opening the hydrogen purge valve 11, nitrogen that has permeated from the cathode side to the anode side is discharged out of the fuel cell system. When only the anode inlet hydrogen pressure is increased, the hydrogen permeated from the anode side to the cathode side reduces the oxygen concentration in the cathode catalyst layer and increases the differential pressure between the membrane and electrode assembly at the anode and cathode. The membrane / electrode assembly may be damaged. For this reason, it is necessary to increase the cathode inlet air pressure at a pressure increase rate similar to the anode inlet hydrogen pressure.

一方、零下起動時間を短縮するため、上述したようにアノード入口水素圧力およびカソード入口空気圧力を速やかに上げたいが、起動時ガス圧力上昇速度を速くするには、起動時供給ガス流量を増大させる必要がある。しかし、先の実施例1および2において説明したように、起動時供給ガス流量に制限があるため、起動時ガス圧力上昇速度についても制限が生じる。   On the other hand, in order to shorten the start-up time below zero, it is desired to quickly increase the anode inlet hydrogen pressure and the cathode inlet air pressure as described above. To increase the startup gas pressure increase rate, increase the startup supply gas flow rate. There is a need. However, as described in the first and second embodiments, since the start-up supply gas flow rate is limited, the start-up gas pressure increase rate is also limited.

このため、起動時ガス圧力上昇速度は、図10示すような、零下起動時ガス圧力上昇速度−零下起動時供給ガス流量の関係を示す制限値マップに基づいて設定される。図10に示すように、起動時ガス圧力上昇速度は、起動時供給ガス流量の制限値が増大するとともに速くなる。なお、図10に示すマップは、実験等を実施した結果をマップとして作成して予め用意し、コントロールユニットの記憶装置に記憶させて必要に応じて参照する。   For this reason, the startup gas pressure increase rate is set based on a limit value map showing the relationship between the startup pressure below zero gas pressure and the supply gas flow rate at startup below zero, as shown in FIG. As shown in FIG. 10, the startup gas pressure increase rate increases as the startup supply gas flow rate limit value increases. The map shown in FIG. 10 is prepared in advance as a map of the results of experiments and the like, stored in the storage device of the control unit, and referenced as necessary.

このように、この実施例3では、先の実施例2で得られる効果に加えて、起動時の供給ガス流量に基づいて起動時のガス圧力上昇速度を制限することで、燃料電池5のアノード内の窒素濃度を低減した状態で発電を開始することが可能となり、燃料電池5の解凍を促進することができる。   As described above, in the third embodiment, in addition to the effect obtained in the second embodiment, the gas pressure increase rate at the start-up is limited based on the supply gas flow rate at the start-up. Power generation can be started in a state where the nitrogen concentration in the inside is reduced, and thawing of the fuel cell 5 can be promoted.

次に、この発明の実施例4について説明する。この実施例4では、先の実施例1、2で採用した供給ガスの流量や圧力上昇速度を制限する制御手法に加えて、起動時における燃料電池から取り出す発電出力(電流)を制限する制御手法を採用している。   Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. In the fourth embodiment, in addition to the control method for limiting the flow rate and pressure increase rate of the supply gas employed in the first and second embodiments, a control method for limiting the power generation output (current) taken out from the fuel cell at the time of startup. Is adopted.

燃料電池システムの構成は、実施例1で示した図1と同様なので省略し、図11に示すフローチャートを参照して制御手順を説明する。   Since the configuration of the fuel cell system is the same as that of FIG. 1 shown in the first embodiment, a description thereof will be omitted, and the control procedure will be described with reference to the flowchart shown in FIG.

図11において、先ず先の図4に示す実施例3の制御手順(ステップS901〜ステップS907)と同様な制御手順(ステップS1101〜ステップS1107を実行する。   11, first, the same control procedure (step S1101 to step S1107) as the control procedure (step S901 to step S907) of the third embodiment shown in FIG. 4 is executed.

その後、上記実行の結果得られた、起動時供給ガス流量制限値、ならびにガス圧力と燃料電池温度に基づいて、燃料電池取り出し出力制限値を推定する(ステップS1108)。   Thereafter, the fuel cell take-out output limit value is estimated based on the start-up supply gas flow rate limit value, the gas pressure, and the fuel cell temperature obtained as a result of the above execution (step S1108).

システムを起動した初期は、燃料電池温度が低く、電解質の膜抵抗が高いため、燃料電池取り出し出力を増大させることができない。このため、図12〜14のマップに示すようなガス流量の制限値、ガス圧力ならびに燃料電池温度に対して燃料電池取り出し出力の制限を設け、このマップを参照して図12〜図14に示す関係をすべて満足させる出力の最大値を選択することで出力の制限値を推定し(ステップS1109)、推定した出力制限値で出力を制限して運転する。   In the initial stage of starting the system, the output of the fuel cell cannot be increased because the temperature of the fuel cell is low and the membrane resistance of the electrolyte is high. For this reason, as shown in the maps of FIGS. 12 to 14, the fuel cell takeout output is limited with respect to the gas flow rate limit value, the gas pressure, and the fuel cell temperature, and the map is shown in FIGS. By selecting the maximum output value that satisfies all the relationships, the output limit value is estimated (step S1109), and the operation is performed with the output limited by the estimated output limit value.

燃料電池取り出し出力は、図12〜図14に示すように、起動時供給ガス流量、ガス圧力および燃料電池温度が増加するとともに増大させる。なお、図12〜図14に示すマップは、前述したマップと同様に実験的に求めて作成する。ここで、燃料電池温度とは燃料電池入口冷却水温度および燃料電池出口冷却水温度のことを指している。   As shown in FIGS. 12 to 14, the fuel cell takeout output increases as the startup supply gas flow rate, gas pressure, and fuel cell temperature increase. The maps shown in FIGS. 12 to 14 are experimentally obtained and created in the same manner as the maps described above. Here, the fuel cell temperature refers to the fuel cell inlet cooling water temperature and the fuel cell outlet cooling water temperature.

次に、燃料電池温度が0℃以上になったか否かを判別する(ステップS1109)。判別の結果、燃料電池温度が0℃以上になった場合には、ガス流量の制限を解除して、予め本燃料電池システムの仕様に応じて設定された通常時の発電制御を実施する(ステップS1110)。   Next, it is determined whether or not the fuel cell temperature has become 0 ° C. or higher (step S1109). As a result of the determination, when the fuel cell temperature becomes 0 ° C. or higher, the restriction on the gas flow rate is released, and the normal power generation control preset according to the specifications of the fuel cell system is performed (step) S1110).

このような制御手順を実行して零下起動した場合と、実行せずに零下起動を実施した場合との供給ガス流量、ガス圧力、燃料電池温度、補機温度および燃料電池取り出し出力の各諸量の起動時間変化について図15に示し、同図(a1)〜(a4)は実行した場合を示し、同図(b1)〜(b4)は実行しなかった場合を示す。   Various amounts of supply gas flow rate, gas pressure, fuel cell temperature, auxiliary machine temperature, and fuel cell takeout output when starting below zero by executing such a control procedure and when starting below zero without executing FIG. 15 shows a case where the activation time is changed. FIGS. 15A to 15A show the case where they are executed, and FIGS. 15B-B4 show the case where they are not executed.

この実施例4で採用した制御手順を実行した場合には、起動時供給ガス流量が制限されるため、通常零下起動した場合(この実施例4の制御手順を実行しなかった場合)のような大流量のガスを流すことができない。起動時供給ガス流量が制限された場合には、ガス圧力上昇速度および目標ガス圧力も制限されるため、ガス圧力上昇速度および目標ガス圧力は通常零下起動した場合よりも低くなる。また、供給ガス流量およびガス圧力制限を実施した場合には、燃料電池取り出し出力も制限されるため、燃料電池取り出し出力は通常起動した場合よりも低くなる。   When the control procedure employed in the fourth embodiment is executed, the supply gas flow rate at the time of startup is limited. Therefore, when the control procedure is normally started below zero (when the control procedure of the fourth embodiment is not executed), A large flow of gas cannot flow. When the start-up supply gas flow rate is limited, the gas pressure increase rate and the target gas pressure are also limited, so that the gas pressure increase rate and the target gas pressure are usually lower than when starting below zero. Further, when the supply gas flow rate and the gas pressure restriction are performed, the fuel cell takeout output is also restricted, so that the fuel cell takeout output is lower than that in the normal activation.

このように、供給ガス流量、ガス圧力および燃料電池取り出し出力制限を実施して起動すると、通常零下起動した場合に比べて燃料電池温度が0℃以上になるためにかかる時間が長くなる(図15(a3)に示すT15a>同図(b3)に示すT15b)。ただし、通常零下起動する場合の燃料電池温度、補機、配管および燃料電池入口ガス温度は全て0℃以下とする。   As described above, when the supply gas flow rate, the gas pressure, and the fuel cell take-out output restriction are executed, the time required for the fuel cell temperature to become 0 ° C. or higher is longer than that in the case of starting under normal zero (FIG. 15). T15a shown in (a3)> T15b shown in FIG. However, the fuel cell temperature, auxiliary equipment, piping, and fuel cell inlet gas temperature for starting up below zero are all 0 ° C. or lower.

一方、本願を適用する場合は、燃料電池温度<0℃<補機、配管および燃料電池入口ガス温度である。このような温度条件下において、上記制御手順を実行せずに実施例1で説明した電圧低下状態で起動する場合には、スタベーションによりアノード触媒層が劣化するため、燃料電池より出力を取り出すことができず、起動できない。また、電圧低下が回復した後起動するために要する時間は、上記制御手順を実行して起動した場合に要する時間よりもはるかに長くなる。したがって、結果的には、上述したこの実施例4で採用した制御手順を実行して起動することで、零下起動時間を短縮することができる。   On the other hand, when the present application is applied, fuel cell temperature <0 ° C. <auxiliary equipment, piping, and fuel cell inlet gas temperature. In such a temperature condition, when starting in the voltage drop state described in the first embodiment without executing the above control procedure, the anode catalyst layer deteriorates due to the starvation, so that the output is taken out from the fuel cell. Cannot be started. In addition, the time required for starting after the voltage drop is recovered is much longer than the time required for starting after executing the control procedure. Therefore, as a result, the sub-zero start-up time can be shortened by starting by executing the control procedure employed in the above-described fourth embodiment.

このように、この実施例4においては、先の実施例3で得られる効果に加えて、起動時の供給ガス流量、供給ガス圧力ならびに燃料電池温度に基づいて、起動時の燃料電池取り出し電流を制限することで、スタベーションおよび燃料電池触媒層の拡散性能の低下による発電効率の低下を防ぎつつ、燃料電池の解凍を促進することができる。   As described above, in the fourth embodiment, in addition to the effects obtained in the third embodiment, the fuel cell take-out current at the start is calculated based on the supply gas flow rate at the start, the supply gas pressure, and the fuel cell temperature. By limiting, defrosting of the fuel cell can be promoted while preventing a decrease in power generation efficiency due to a reduction in starvation and the diffusion performance of the fuel cell catalyst layer.

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。1 is a diagram illustrating a configuration of a fuel cell system according to Example 1. FIG. 燃料電池ガス流路が閉塞した場合の零下起動時における電圧挙動を示す図である。It is a figure which shows the voltage behavior at the time of subzero starting when a fuel cell gas flow path is obstruct | occluded. 実施例1における零下起動時の電圧挙動を示す図である。It is a figure which shows the voltage behavior at the time of subzero starting in Example 1. FIG. 実施例1に係る制御手順を示すフローチャートである。3 is a flowchart illustrating a control procedure according to the first embodiment. 実施例1における零下起動時の供給ガス流量制限値−凝縮水量のマップを示す図である。It is a figure which shows the map of the supply gas flow volume limiting value at the time of sub-zero starting in Example 1-amount of condensed water. 実施例2に係る制御手順を示すフローチャートである。10 is a flowchart illustrating a control procedure according to the second embodiment. 実施例2における補機および配管内残留水量と燃料電池取り出し出力との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the auxiliary machine in Example 2, the amount of residual water in piping, and a fuel cell taking-out output. 実施例2における零下起動時の供給ガス流量制限値−凝縮水量+残留水量のマップを示す図である。It is a figure which shows the map of the supply gas flow volume limiting value at the time of the sub-zero starting in Example-condensate water amount + residual water amount. 実施例3に係る制御手順を示すフローチャートである。10 is a flowchart illustrating a control procedure according to a third embodiment. 実施例3における零下起動時のガス圧力上昇速度−零下起動時供給ガス流量制限値のマップを示す図である。It is a figure which shows the map of the gas pressure rise rate at the time of sub-zero start-up in Example 3-the supply gas flow rate restriction value at the time of sub-zero start-up. 実施例4に係る制御手順を示すフローチャートである。10 is a flowchart illustrating a control procedure according to a fourth embodiment. 実施例4における零下起動時の燃料電池取り出し出力−供給ガス流量制限値のマップを示す図である。It is a figure which shows the map of the fuel cell taking-out output at the time of sub-zero starting in Example 4-supply gas flow rate limiting value. 実施例4における零下起動時の燃料電池取り出し出力−ガス圧力のマップを示す図である。It is a figure which shows the map of the fuel cell taking-out output-gas pressure at the time of the subzero starting in Example 4. 実施例4における零下起動時の燃料電池取り出し出力−燃料電池温度のマップを示す図である。It is a figure which shows the fuel cell takeout output at the time of sub-zero starting in Example 4-fuel cell temperature map. 零下起動時における諸パラメータの起動時間の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the starting time of various parameters at the time of subzero starting.

符号の説明Explanation of symbols

1…減圧弁
2…水素圧力制御弁
3…アノード入口水素温度センサ
4…アノード入口水素圧力センサ
5…燃料電池
6…セパレータタンク
7…セパレータタンク温度センサ
8…排水弁
9…水素循環ポンプ
10…水素循環ポンプ温度センサ
11…水素パージ弁
12…水素循環系配管温度センサ
13…水素タンク
14…電力制御装置
15…電流測定系
16…コンプレッサ
17…空気加湿器
18…空気加湿器温度センサ
19…カソード入口空気温度センサ
20…カソード入口空気圧力センサ
21…空気圧力制御弁
22…冷却水循環ポンプ
23…燃料電池入口冷却水温度センサ
24…燃料電池出口冷却水温度センサ
25…熱交換器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Pressure reducing valve 2 ... Hydrogen pressure control valve 3 ... Anode inlet hydrogen temperature sensor 4 ... Anode inlet hydrogen pressure sensor 5 ... Fuel cell 6 ... Separator tank 7 ... Separator tank temperature sensor 8 ... Drain valve 9 ... Hydrogen circulation pump 10 ... Hydrogen Circulation pump temperature sensor 11 ... Hydrogen purge valve 12 ... Hydrogen circulation system piping temperature sensor 13 ... Hydrogen tank 14 ... Power control device 15 ... Current measurement system 16 ... Compressor 17 ... Air humidifier 18 ... Air humidifier temperature sensor 19 ... Cathode inlet Air temperature sensor 20 ... Cathode inlet air pressure sensor 21 ... Air pressure control valve 22 ... Cooling water circulation pump 23 ... Fuel cell inlet cooling water temperature sensor 24 ... Fuel cell outlet cooling water temperature sensor 25 ... Heat exchanger

Claims (9)

反応ガス供給手段により供給される供給ガスによって電気化学反応で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、
前記燃料電池への反応ガス供給流路に存在する起動時における水量を推定する液水量推定手段と、
前記燃料電池の温度が氷点下であって、前記反応ガス供給流路に水が存在した状態で、前記反応ガス供給手段によって供給ガスの供給を開始する場合、前記液水量推定手段で推定された水分量が多い程、前記燃料電池に供給される供給ガスの流量を制限する運転制御手段と
を有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 electricity by an electrochemical reaction using a supply gas supplied by a reaction gas supply means,
Liquid water amount estimating means for estimating the amount of water at the time of startup existing in the reaction gas supply flow path to the fuel cell;
When the supply of the supply gas is started by the reaction gas supply means when the temperature of the fuel cell is below freezing and water is present in the reaction gas supply flow path, the water estimated by the liquid water amount estimation means The fuel cell system further comprises operation control means for restricting the flow rate of the supply gas supplied to the fuel cell as the amount increases.
前記液水量推定手段は、前回停止時の供給ガス温度と今回起動時の供給ガス温度との差が大きいほど、水量が多いと推定する
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the liquid water amount estimation unit estimates that the amount of water increases as the difference between the supply gas temperature at the previous stop and the supply gas temperature at the current start-up increases.
前回停止時の供給ガス温度は、前記反応ガス供給流路における最大温度とし、今回起動時の供給ガス温度は、前記反応ガス供給流路における最小値温度とする
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 supply gas temperature at the previous stop is the maximum temperature in the reaction gas supply flow path, and the supply gas temperature at the current start is the minimum temperature in the reaction gas supply flow path. The fuel cell system described.
前記液水量推定手段は、前回停止時の前記燃料電池から取り出した取り出し電流が大きいほど水量が多いと推定する
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the liquid water amount estimation means estimates that the amount of water increases as the extraction current extracted from the fuel cell at the previous stop increases.
前記水量は、凝縮水量と残留水量との総和である
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the amount of water is a sum of an amount of condensed water and an amount of residual water.
前記運転制御手段は、起動時供給ガス流量が制限されているほど起動時における供給ガスの圧力上昇速度を制限する
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
6. The fuel cell system according to claim 1, wherein the operation control unit limits the pressure increase rate of the supply gas at the start-up as the start-up supply gas flow rate is limited. .
前記運転制御手段は、起動時供給ガス流量、供給ガス圧力ならびに燃料電池温度に基づいて、起動時における前記燃料電池から取り出される取り出し電流を制限する
ことを特徴とする請求項6に記載の燃料電池システム。
7. The fuel cell according to claim 6, wherein the operation control means limits the extraction current extracted from the fuel cell at startup based on the supply gas flow rate at startup, supply gas pressure, and fuel cell temperature. system.
前記燃料電池温度は、前記燃料電池の出口冷却水温度に代表させる
ことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7, wherein the fuel cell temperature is represented by an outlet cooling water temperature of the fuel cell.
前記燃料電池の温度が解凍温度になった場合には、供給ガス流量の制限を解除する
ことを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 8, wherein when the temperature of the fuel cell reaches a thawing temperature, the restriction on the supply gas flow rate is released.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013085563A1 (en) * 2011-12-09 2013-06-13 Utc Power Corporation Fuel cell assembly and method of control
JP2017195021A (en) * 2016-04-18 2017-10-26 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system
CN114361512A (en) * 2021-12-30 2022-04-15 重庆长安新能源汽车科技有限公司 Fuel cell drainage and impurity removal control system and control method

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001250576A (en) * 2000-03-08 2001-09-14 Nissan Motor Co Ltd Manifold system
JP2002313388A (en) * 2001-04-10 2002-10-25 Honda Motor Co Ltd Control method for fuel cell and fuel cell electric vehicle
JP2003178791A (en) * 2001-12-12 2003-06-27 Nissan Motor Co Ltd Fuel cell system
JP2003197237A (en) * 2001-12-26 2003-07-11 Nissan Motor Co Ltd Humidifier of fuel cell
JP2003203665A (en) * 2002-01-08 2003-07-18 Nissan Motor Co Ltd Fuel cell system

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001250576A (en) * 2000-03-08 2001-09-14 Nissan Motor Co Ltd Manifold system
JP2002313388A (en) * 2001-04-10 2002-10-25 Honda Motor Co Ltd Control method for fuel cell and fuel cell electric vehicle
JP2003178791A (en) * 2001-12-12 2003-06-27 Nissan Motor Co Ltd Fuel cell system
JP2003197237A (en) * 2001-12-26 2003-07-11 Nissan Motor Co Ltd Humidifier of fuel cell
JP2003203665A (en) * 2002-01-08 2003-07-18 Nissan Motor Co Ltd Fuel cell system

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013085563A1 (en) * 2011-12-09 2013-06-13 Utc Power Corporation Fuel cell assembly and method of control
JP2017195021A (en) * 2016-04-18 2017-10-26 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system
CN114361512A (en) * 2021-12-30 2022-04-15 重庆长安新能源汽车科技有限公司 Fuel cell drainage and impurity removal control system and control method
CN114361512B (en) * 2021-12-30 2023-07-18 深蓝汽车科技有限公司 Fuel cell drainage and impurity removal control system and control method

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