JP3873803B2

JP3873803B2 - Fuel cell control system

Info

Publication number: JP3873803B2
Application number: JP2002117086A
Authority: JP
Inventors: 浩昭橋ヶ谷
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-04-19
Filing date: 2002-04-19
Publication date: 2007-01-31
Anticipated expiration: 2022-04-19
Also published as: JP2003317765A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池制御システムとしては、特開２０００−２７７１３６号公報に記載のものがある。これは、燃料電池スタックのうち、１つまたは隣り合う２つのセルごとに暖機用負荷を接続し、各セル毎に発電を行い、暖機を行うものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、暖機用負荷を１つまたは２つのセルごとに接続して徐々に全体を暖機する構成になっているので、下記のような問題点があった。
１）全セルの暖機が終了するまでは外部に電力を取り出すことができない。
２）暖機中のセル以外では発熱が無いため放熱等により暖機終了と判定されたセルも温度が低下する。
３）セルごとに暖機するため、全セルの暖機終了と判断した直後は燃料電池スタック内での温度分布が生じる。
【０００４】
本発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決する燃料電池制御システムを提供することにある。
【０００５】
第１の発明は、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて、電力を生成する燃料電池と燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出手段と、前記運転状態検出手段の検出値に基づき前記燃料電池の暖機が終了したか否かを判定し、暖機が終了していない場合に供給する前記燃料ガスと酸化ガスの少なくとも一方のガス流量と、目標取り出し電力に必要なそのガスの目標流量との比率を変化させ、運転効率を低下させるように制御するコントローラを備え、前記運転状態検出手段は、前記燃料電池の出力電圧、出力電流、出力電力のうち少なくとも２つを検出する手段であって、第１パラメータは、一方の検出手段によって検出された出力値であり、第２パラメータは、他方の検出手段によって検出された出力値であり、前記コントローラは、この第１パラメータに基づき第２パラメータに対する基準値を演算し、この基準値と第２パラメータとの比較に基づき燃料電池の暖機状態を判定する。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明において、前記コントローラは、前記燃料ガスと酸化ガスの少なくとも一方の圧力を制御することで前記燃料電池の運転効率を制御する。
【００１１】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記コントローラは、前記燃料電池の運転を通常状態に復帰させる際に、所定の遅れを持って運転効率を復帰させる。
【００１２】
第４の発明は、第１の発明において、前記コントローラは、前記燃料電池の運転を通常状態に復帰させる際に、前記第２パラメータと基準値の差に基づいて運転を通常状態に復帰させる。
【００１３】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、燃料ガスまたは酸化ガスの少なくとも一方のガス流量を制御し、燃料電池の運転効率を低下させて運転することで燃料電池の発熱量を大きくし、電力を負荷に供給しながらかつ外部に特殊な熱源やデバイスを追加装備することなく燃料電池本体の暖機を促進できる。また、燃料電池の運転状態として、出力電流、出力電圧、出力電流のいずれか２つとしたことで、特殊な装置を用いることなく安価に燃料電池が暖機終了前であることを検出することが出来る。
【００１５】
請求項２の発明によれば、燃料電池の運転効率を低下させるために、燃料ガスまたは酸化ガスの少なくとも一方の圧力を制御するようにしたので、特殊なデバイスを追加装備することなく実現できる。また例えば燃料ガス経路をエゼクタのような受動的デバイスを用いて循環系を構成しているように流量の制御を行うことが困難な場合でも実現できる。
【００１８】
請求項３の発明によれば、燃料電池の暖機終了後、徐々に運転状態を復帰させることで、運転状態が急変し燃料電池の出力が不安定になることを防止できる。
【００１９】
請求項４の発明によれば、燃料電池の暖機状態に基づいて、徐々に運転状態を復帰させることで、暖機が完全に終了した時点では燃料電池は定格運転が可能になる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１実施形態の構成を例示する概略構成図である。本実施形態は、請求項１、３に係る発明の構成に対応するものである。
【００２１】
燃料ガスタンク１から流路３を通じて燃料ガスが圧力制御弁２の作用により所定圧力で燃料電池４のアノード極４ａに供給される。一方、カソード極４ｂにはコンプレッサ６からの空気が流路５を通じて供給される。カソード極４ｂに供給される空気は、空気流量計７により検出され、その流量はコンプレッサ６の回転数によって制御される。
【００２２】
燃料電池４にて発電に用いられた燃料ガスは、燃料電池４から排出され、再び流路３に循環される。排出された燃料ガスが循環する流路と流路３の合流部にはエゼクタ３ａが設置される。一方、発電後に燃料電池４から排出される空気は排気管１１から大気に放出される。
【００２３】
燃料電池４には、その出力を制御する出力制御器１０が接続され、出力制御器１０に設置された電流計８および電圧計９によって燃料電池４の出力電流と出力電圧が検出される。
【００２４】
検出された出力電流値と出力電圧値は、燃料電池システムの運転制御を行うコントローラ１２に送られる。コントローラ１２には更に、空気流量計７より検出された空気流量と図示しない要求出力演算部から燃料電池の目標発電電力が入力される。
【００２５】
コントローラ１２は、目標電力に応じて目標カソードストイキレシオ（以下、ストイキレシオをＳＲと示す。）と目標燃料ガス圧力と目標空気圧力と燃料電池４の出力電力を演算し、これを実現するようにコンプレッサ６と圧力制御弁２と出力制御器１０と圧力制御弁１３を制御する。出力制御器１０には図示しない駆動モータなどの負荷が接続されている。なお、図１に示す構成では燃料ガス系はエゼクタ３ａを用いた循環系を構成しているので、燃料ガスの流量を積極的に制御することは出来ない。
【００２６】
図２にコントローラ１２のブロック構成を示す。目標電力演算部１２ａには目標電力と補機消費電力とが入力され、補機消費電力分を加味して目標電力が補正される。この補正された目標電力に基づき、目標取り出し電力、目標燃料ガス圧力と目標空気圧力、目標ＳＲがそれぞれの演算部１２ｂ、１２ｃ、１２ｄで演算される。
【００２７】
演算された目標電力は、パワーモジュール（以下、ＰＭ）制御部１２ｅに送られ、ＰＭ制御部１２ｅは目標電力に基づき出力制御器１０を制御する。目標燃料ガス圧力と目標空気圧力はそれぞれ、アノード圧力弁制御部１２ｆとカソード制御弁制御部１２ｇに送信され、各制御部１２ｆと１２ｇは制御弁２と１３の開度を制御する。
【００２８】
目標ＳＲは、暖機判断、暖機中処理演算部１２ｈに送られる。処理演算部１２ｈは燃料電池４の出力電流と空気流量が入力されて実ＳＲを演算する実ＳＲ演算部１２ｉと、演算された実ＳＲと出力電流から基準電圧を演算する基準電圧演算部１２ｊと、この基準電圧と燃料電池４の出力電圧から暖機状態を判断する暖機判断部１２ｋと、目標ＳＲを暖気状態に基づき補正する目標ＳＲ補正部１２ｐとからなり、前述のように燃料電池４の出力電流及び出力電圧、空気流量に基づき、目標ＳＲを補正する。この補正された目標ＳＲに基づき、空気流量制御部１２ｍがコンプレッサ６の回転数を制御する。
【００２９】
暖機終了判断時のコントローラ１２の制御内容を図３に示すフローチャートで説明する。
【００３０】
ステップ１００で暖機終了判断と暖機運転を開始する。
【００３１】
ステップ１１０で出力電流計８の検出値（第１パラメータ）を読み込む。
【００３２】
ステップ１２０で空気流量計７の検出値を読み込む。
【００３３】
ステップ１３０で実カソードＳＲを下式を用いて算出する。
【００３４】
【数１．１】

【００３５】
【数１．２】

ここで、ＳＲ_Cathodeは実カソードＳＲ、Ｑ_AIRは空気流量計７で測定された空気流量［ＮＬ／ｍｉｎ］、Ｉは出力電流計８で検出された電流［Ａ］、Ｆはファラデー定数である。
【００３６】
ステップ１４０で電圧基準値を演算する。これは図４に示すようなあらかじめ測定しておいた燃料電池４の特性を用いて実カソードＳＲと電流から算出する。図４に示すように実ＳＲは電圧が同一であれば電流が大きいほど、電流が同一であれば電圧が大きいほど大きくなる傾向を有する。なお、本実施の形態では、電流と電圧を用いて、燃料電池４の暖機状態を判定したが、電力を用いることもできる。つまり、電力、電流、電圧のうち２つを選択して燃料電池の運転状態として検出し、暖機状態を判定することができる。
【００３７】
ステップ１５０で燃料電池の出力電圧計９の検出値（第２パラメータ）を読み込む。
【００３８】
ステップ１６０で燃料電池４の暖機が終了したかを判断する。電圧計９の検出電圧値と所定値との合計が基準値より大きいか否かで暖機の状態を判断するが、ここで判断の基準になる所定値は使用する燃料電池４の特性によって任意に設定できるが、例えば４００セルを積層した燃料電池であれば２８０Ｖ程度を設定する。
【００３９】
ここで、暖機終了前と判断した場合、すなわち基準値が所定値と検出値の合計より大きい場合には、ステップ１７０へ処理を移行する。
【００４０】
なお、電圧、電流、電力のいづれか２つを用い、前述の関係から燃料電池４の暖機状態を判定できるが、基準値との大小関係は後述する第２の実施形態の場合のみ逆転する必要がある。つまり、第１パラメータとして電力値、第２パラメータとして電流値を用いた場合には、電流値が基準値より所定値以上大きいときに暖機終了前と判定する。
【００４１】
ステップ１７０では予め目標電力に応じて設定された目標のカソードＳＲを下式を用いて補正する。
【００４２】
【数１．３】

ここで、
ＳＲ_t1：目標電力に応じて設定された目標のカソードＳＲ
ＳＲ_t2：補正された目標のカソードＳＲ
ｔＶ：電圧基準値
Ｖ_R：検出された燃料電池出力電圧
κ：１以下の任意の定数。ただし電圧基準値と検出された燃料電池出力電圧の差などに応じて可変させても良い。
【００４３】
式（１．３）で補正目標カソードＳＲ_t2は、補正前の目標カソードＳＲ_t1より小さくなる。これは、図４に示すように出力電圧が小さくなることを意味し、その結果、燃料電池４の発電効率が低下し、燃料電池４の発熱量が大きくなる。この増加した熱量によって燃料電池４が速やかに暖機を終了することができる。
【００４４】
ステップ１６０で暖機終了と判断された時（すなわち、所定値が検出値以下の場合）、またはステップ１７０の処理終了後、ステップ１８０へ処理を移行し、暖機判断および暖機中処理を終了する。
【００４５】
また、燃料電池４の暖機状態に応じて、燃料電池の運転状態を徐々に復帰させ、暖機終了時に燃料電池４の運転状態が定格運転となるように制御することも可能である。
【００４６】
ステップ１７０では（１．３）式を用いて目標カソードＳＲの補正を行ったが、任意のテーブルをあらかじめ設定しておきそれに従って補正しても良い。
【００４７】
なお、本実施形態では空気（カソードガス）流量でのみ燃料電池の効率制御を行ったが、アノードガス流量が制御可能であれば、燃料ガスでも同様に出来る。
【００４８】
したがって、燃料電池４の運転効率を低下させて運転することにより、電力を負荷に供給しながらかつ燃料電池の発熱量が増加し、外部に特殊な熱源を設けなくても燃料電池本体の暖機を促進できる。
【００４９】
燃料電池の運転効率を低下させる方法として、燃料（アノード）ガスまたは酸化（カソード）ガスの少なくとも一方の流量を制御するとしたことで、特殊なデバイスを追加装備する必要がなく、コスト、重量の増加を抑制できる。
【００５０】
また、燃料電池の運転状態として、燃料電池の出力電力、出力電圧、出力電流のいずれか２つとしたことで、特殊な装置を用いることなく安価に燃料電池が暖機終了前であることを検出することが出来る。
【００５１】
同様に燃料電池の運転状態として、出力電流、出力電圧、出力電流のいずれか２つから検出することとしたことで、特殊な装置を用いることなく安価に燃料電池が暖機終了後であることを検出することが出来る。
【００５２】
更に燃料電池の暖機状態に応じて、徐々に運転状態を復帰させることで、暖機が完全に終了した時点では燃料電池は定格運転が可能になる。
【００５３】
図５は本発明の第２実施形態の構成を例示する概略構成図である。本実施形態は、請求項１、２に係る発明の構成を示すものである。
【００５４】
図１に示した第１の実施形態の構成との違いは、流路３にアノード４ａに供給される燃料ガス流量を制御する流量制御弁１５が備えられるとともに、アノード４ａから排出される燃料ガスが排気管から大気に放出され、その排気管に圧力制御弁２が設置される。またカソード４ｂから排出される空気は排気管１１から大気に放出され、その排気管１１に圧力制御弁１３が設置され、カソード４ｂから排出される空気の圧力を制御する。これら制御弁２、１３、１５はコントローラ１２によって制御される。更に電圧計９が燃料電池４の出力電力を検出する電力計１４に変更される。
【００５５】
またコントローラ１２の構成を示すブロック図を示す図６と第１の実施形態の図２との相違点は、第１の実施形態では目標ＳＲを補正したが、第２の実施形態のコントローラ１２の構成では、目標圧力を暖機状態に応じて補正するようにした点が異なる。
【００５６】
第２の実施形態の暖機終了判断時のコントローラ１２の制御内容を図７に示すフローチャートで説明する。
【００５７】
ステップ２００で暖機終了判断と暖機運転を開始する。
【００５８】
ステップ２１０で燃料電池の出力電流計８の検出値を読み込む。
【００５９】
ステップ２２０で空気流量計７の検出値を読み込む。
【００６０】
ステップ２３０で実カソードＳＲを下式を用いて算出する。
【００６１】
【数１．１】

【００６２】
【数１．２】

ここで、ＳＲ_Cathodeは実カソードＳＲ、Ｑ_AIRは空気流量計７で測定された空気流量［ＮＬ／ｍｉｎ］、Ｉは出力電流計８で検出された電流［Ａ］、Ｆはファラデー定数である。
【００６３】
ステップ２４０で燃料電池の出力電力計１４の検出値を読み込む。
【００６４】
ステップ２５０で電流基準値を演算する。これは図８に示すようなあらかじめ測定しておいた燃料電池の特性を用いて実カソードＳＲと電力から算出する。図８の燃料電池特性は、一定電力であれば電流が大きいほどＳＲは小さく、一定電流であれば電力が大きいほどＳＲは大きくなる傾向を示す。
【００６５】
ステップ２６０で燃料電池４の暖機が終了したかを判断する。暖機状態は、電流基準値と検出された電流値との比較により判定される。検出値から所定値を減じた値が電流基準値より大きい場合に暖機未終了と判定し、ステップ２７０に進み、それ以外は暖機終了と判定し、ステップ２９０に進む。
【００６６】
ステップ２７０では暖機中フラグをセットする。
【００６７】
ステップ２８０ではあらかじめ目標電力に応じて設定された目標の圧力（燃料ガスまたは空気の圧力）を下式を用いて補正する。
【００６８】
【数２．１】

ここで、
Ｐｔ１：目標電力に応じて設定された目標圧力
Ｐｔ２：補正後目標圧力
κ：１以下の任意の定数。ただし電流基準値と検出された燃料電池出力電流の差などに応じて可変させても良い。燃料電池４の暖機状態に応じて徐々に運転状態を通常運転に移行することで、暖機完了時には燃料電池４の運転を定格運転とすることができる。
【００６９】
ここで数式（２．１）で明らかなように補正後の目標圧力Ｐｔ２は、目標圧力Ｐｔ１以下であり、燃料電池に供給する燃料ガスと空気の少なくとも一方の圧力を低下することで、燃料電池４の運転効率を低下させて運転することにより、電力を負荷に供給しながらかつ燃料電池の発熱量が増加し、外部に特殊な熱源を設けなくても燃料電池本体の暖機を促進できる。
【００７０】
ステップ２９０では暖機未終了フラグを確認する。暖機未終了フラグがセットされていたら、ステップ３００へ移り暖機終了処理を行う。暖機終了処理の内容を図９のフローチャートに示す。
【００７１】
まず、ステップ４００で暖機終了処理を開始する。
【００７２】
ステップ４１０で補正後目標圧力Ｐｔ２を目標圧力Ｐｔ１に一致させるように下式を用いて、新たな補正後目標圧力Ｐｔ２を設定する。
【００７３】
【数２．２】

ここで、ΔＰ：一定値。
【００７４】
ステップ４２０で補正後目標圧力Ｐｔ２と目標圧力Ｐｔ１を比較し、目標圧力Ｐｔ１が大きい場合には、ステップ４１０に戻り、再び式（２．２）を用いて新たな補正後目標圧力Ｐｔ２を設定し、この演算を目標圧力Ｐｔ１と補正後目標圧力Ｐｔ２が等しくなるまで繰り返す。この演算を行うことにより、暖機終了時に遅れを発生されることができ、暖機終了時に遅れを持って燃料電池の運転効率を復帰させて運転状態が急変し、燃料電池の出力が不安定になることを防止できる。
【００７５】
一方、一致していればステップ４３０へ処理を移行する。
【００７６】
ステップ４３０では暖機未終了フラグをクリアする。
【００７７】
本実施形態では暖機終了後の目標圧力の復帰に式（２．２）を用いたが、１次遅れなどのフィルタを用いても良い。
【００７８】
したがって、第２の実施の形態では燃料電池の運転効率を低下させる方法として、燃料ガスまたは空気（酸化ガス）の少なくとも一方の圧力を制御するので、特殊なデバイスを追加装備する必要がない。また例えば燃料ガス経路をエゼクタのような受動的デバイスを用いて循環系を構成しているように流量の制御を行う事が困難な場合でも実施することができる。
【００７９】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した燃料電池システムの構成図である。
【図２】コントローラの構成を示すブロック図である。
【図３】暖機終了判断時の制御内容を説明するフローチャート図である。
【図４】燃料電池の特性を示す図である。
【図５】第２の実施形態の燃料電池システムの構成図である。
【図６】第２の実施形態のコントローラの構成を示すブロック図である。
【図７】第２の実施形態の暖機終了判断時の制御内容を説明するフローチャート図である。
【図８】第２の実施形態の燃料電池の特性を示す図である。
【図９】第２の実施形態の暖機終了時の制御内容を説明するフローチャート図である。
【符号の説明】
１燃料ガスタンク
２圧力制御弁
３燃料ガス流路
４燃料電池
４ａアノード
４ｂカソード
５空気流路
６コンプレッサ
７空気流量計
８電流計
９電圧計
１０出力制御器
１１排気管
１２コントローラ
１３圧力制御弁[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell control system.
[0002]
[Prior art]
A conventional fuel cell control system is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-277136. In this fuel cell stack, a warm-up load is connected to one or two adjacent cells, and power is generated for each cell to warm up.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the warm-up load is connected to every one or two cells to gradually warm up the whole, there are the following problems.
1) Electric power cannot be taken out until all cells are warmed up.
2) Since there is no heat generation except in the warming-up cell, the temperature of the cell that is determined to be warming-up end due to heat radiation or the like also decreases.
3) Since each cell is warmed up, a temperature distribution in the fuel cell stack occurs immediately after it is determined that all the cells have been warmed up.
[0004]
An object of the present invention is to provide a fuel cell control system that solves such problems of the prior art.
[0005]
According to a first aspect of the present invention, there is provided a fuel cell that receives supply of fuel gas and oxidant gas to generate electric power, an operating state detecting unit that detects an operating state of the fuel cell, and the fuel based on a detected value of the operating state detecting unit It is determined whether or not the battery has been warmed up. When the warming up has not been completed, the flow rate of at least one of the fuel gas and the oxidizing gas to be supplied and the target flow rate of the gas required for the target extraction power And the operation state detecting means is means for detecting at least two of the output voltage, output current, and output power of the fuel cell. The first parameter is an output value detected by one detection means, the second parameter is an output value detected by the other detection means, and the controller Calculating a reference value for a second parameter based on the parameter, it determines the warm-up state of the fuel cell based on a comparison between the reference value and the second parameter.
[0007]
In a second aspect based on the first aspect , the controller controls the operating efficiency of the fuel cell by controlling the pressure of at least one of the fuel gas and the oxidizing gas.
[0011]
According to a third aspect , in the first or second aspect , when the controller returns the operation of the fuel cell to a normal state, the controller returns the operation efficiency with a predetermined delay.
[0012]
In a fourth aspect based on the first aspect , the controller returns the operation to the normal state based on the difference between the second parameter and the reference value when returning the operation of the fuel cell to the normal state.
[0013]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, the calorific value of the fuel cell is increased by controlling the gas flow rate of at least one of the fuel gas and the oxidizing gas to reduce the operation efficiency of the fuel cell, and the electric power is loaded. While supplying the fuel cell, it is possible to promote the warm-up of the fuel cell main body without any additional special heat source or device. In addition, since any two of the output current, output voltage, and output current are used as the operating state of the fuel cell, it is possible to detect that the fuel cell is before the end of warm-up without using a special device. I can do it.
[0015]
According to the second aspect of the present invention, since the pressure of at least one of the fuel gas and the oxidizing gas is controlled in order to reduce the operation efficiency of the fuel cell, this can be realized without adding a special device. Further, for example, the fuel gas path can be realized even when it is difficult to control the flow rate so that the circulation system is configured by using a passive device such as an ejector.
[0018]
According to the invention of claim 3 , it is possible to prevent the operation state from changing suddenly and the output of the fuel cell from becoming unstable by gradually returning the operation state after the warm-up of the fuel cell is completed.
[0019]
According to the fourth aspect of the present invention, the operating state is gradually returned based on the warm-up state of the fuel cell, so that the fuel cell can be rated at the time when the warm-up is completely completed.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating the configuration of the first embodiment of the present invention. The present embodiment corresponds to the configuration of the invention according to claims 1 and 3 .
[0021]
Fuel gas is supplied from the fuel gas tank 1 through the flow path 3 to the anode 4 a of the fuel cell 4 at a predetermined pressure by the action of the pressure control valve 2. On the other hand, air from the compressor 6 is supplied to the cathode 4b through the flow path 5. The air supplied to the cathode electrode 4 b is detected by an air flow meter 7, and the flow rate is controlled by the rotational speed of the compressor 6.
[0022]
The fuel gas used for power generation in the fuel cell 4 is discharged from the fuel cell 4 and circulated through the flow path 3 again. An ejector 3 a is installed at the junction between the flow path through which the discharged fuel gas circulates and the flow path 3. On the other hand, the air discharged from the fuel cell 4 after power generation is released from the exhaust pipe 11 to the atmosphere.
[0023]
The fuel cell 4 is connected to an output controller 10 that controls its output, and an output current and an output voltage of the fuel cell 4 are detected by an ammeter 8 and a voltmeter 9 installed in the output controller 10.
[0024]
The detected output current value and output voltage value are sent to the controller 12 that controls the operation of the fuel cell system. The controller 12 further receives the air flow rate detected by the air flow meter 7 and the target generated power of the fuel cell from a request output calculation unit (not shown).
[0025]
The controller 12 calculates a target cathode stoichiometric ratio (hereinafter, the stoichiometric ratio is shown as SR), a target fuel gas pressure, a target air pressure, and an output power of the fuel cell 4 according to the target power, and realizes this. The compressor 6, the pressure control valve 2, the output controller 10, and the pressure control valve 13 are controlled. A load such as a drive motor (not shown) is connected to the output controller 10. In the configuration shown in FIG. 1, since the fuel gas system constitutes a circulation system using the ejector 3a, the flow rate of the fuel gas cannot be positively controlled.
[0026]
FIG. 2 shows a block configuration of the controller 12. The target power and the auxiliary machine power consumption are input to the target power calculation unit 12a, and the target power is corrected in consideration of the auxiliary machine power consumption. Based on the corrected target power, target extraction power, target fuel gas pressure and target air pressure, and target SR are calculated by the

respective calculation units

12b, 12c, and 12d.
[0027]
The calculated target power is sent to a power module (hereinafter referred to as PM) control unit 12e, and the PM control unit 12e controls the output controller 10 based on the target power. The target fuel gas pressure and the target air pressure are transmitted to the anode pressure valve control unit 12f and the cathode control valve control unit 12g, respectively, and the control units 12f and 12g control the opening degree of the control valves 2 and 13, respectively.
[0028]
The target SR is sent to the warm-up determination and warm-up processing calculation unit 12h. The processing calculation unit 12h receives the output current of the fuel cell 4 and the air flow rate, and calculates an actual SR, and a reference voltage calculation unit 12j that calculates a reference voltage from the calculated actual SR and output current. The warm-up determination unit 12k that determines the warm-up state from the reference voltage and the output voltage of the fuel cell 4 and the target SR correction unit 12p that corrects the target SR based on the warm-up state, as described above. The target SR is corrected based on the output current, output voltage, and air flow rate. Based on the corrected target SR, the air flow rate control unit 12m controls the rotation speed of the compressor 6.
[0029]
The control content of the controller 12 at the time of the warm-up end determination will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
[0030]
In step 100, the warm-up end determination and the warm-up operation are started.
[0031]
In step 110, the detection value (first parameter) of the output ammeter 8 is read.
[0032]
In step 120, the detected value of the air flow meter 7 is read.
[0033]
In step 130, the actual cathode SR is calculated using the following equation.
[0034]
## EQU1 ##

[0035]
[Equation 1.2]

Here, SR _Cathode is the actual cathode SR, Q _AIR is the air flow rate [NL / min] measured by the air flow meter 7, I is the current [A] detected by the output ammeter 8, and F is the Faraday constant. .
[0036]
In step 140, a voltage reference value is calculated. This is calculated from the actual cathode SR and current using the characteristics of the fuel cell 4 measured in advance as shown in FIG. As shown in FIG. 4, the actual SR tends to increase as the current increases when the voltage is the same, and as the voltage increases as the current is the same. In the present embodiment, the warm-up state of the fuel cell 4 is determined using the current and voltage, but electric power can also be used. That is, two of electric power, current, and voltage can be selected and detected as the operating state of the fuel cell, and the warm-up state can be determined.
[0037]
In step 150, the detected value (second parameter) of the output voltmeter 9 of the fuel cell is read.
[0038]
In step 160, it is determined whether the fuel cell 4 has been warmed up. The warm-up state is determined based on whether or not the sum of the detected voltage value of the voltmeter 9 and the predetermined value is greater than a reference value. The predetermined value used as a reference for determination here is arbitrary depending on the characteristics of the fuel cell 4 to be used. For example, in the case of a fuel cell in which 400 cells are stacked, about 280V is set.
[0039]
Here, if it is determined that the warm-up has not ended, that is, if the reference value is greater than the sum of the predetermined value and the detected value, the process proceeds to step 170.
[0040]
Note that the warm-up state of the fuel cell 4 can be determined from the aforementioned relationship using any one of voltage, current, and power, but the magnitude relationship with the reference value needs to be reversed only in the case of the second embodiment described later. There is. That is, when the power value is used as the first parameter and the current value is used as the second parameter, it is determined that the warm-up has ended before the current value is larger than the reference value by a predetermined value or more.
[0041]
In step 170, the target cathode SR set in advance according to the target power is corrected using the following equation.
[0042]
## EQU1 ##

here,
SR _t1 : Target cathode SR set according to the target power
SR _t2 : Corrected target cathode SR
tV: voltage reference value V _R : detected fuel cell output voltage κ: an arbitrary constant of 1 or less. However, it may be varied according to the difference between the voltage reference value and the detected fuel cell output voltage.
[0043]
In equation (1.3), the corrected target cathode SR _t2 is smaller than the target cathode SR _t1 before correction. This means that the output voltage becomes smaller as shown in FIG. 4, and as a result, the power generation efficiency of the fuel cell 4 decreases and the amount of heat generated by the fuel cell 4 increases. Due to this increased amount of heat, the fuel cell 4 can quickly finish warming up.
[0044]
When it is determined in step 160 that the warm-up is finished (that is, when the predetermined value is equal to or smaller than the detection value) or after the process of step 170 is finished, the process proceeds to step 180, and the warm-up judgment and the warm-up process are finished. To do.
[0045]
It is also possible to control the fuel cell 4 so that the operating state of the fuel cell 4 becomes the rated operation when the warming-up is completed by gradually returning the operating state of the fuel cell according to the warming-up state of the fuel cell 4.
[0046]
In step 170, the target cathode SR is corrected using the equation (1.3). However, an arbitrary table may be set in advance and corrected in accordance therewith.
[0047]
In this embodiment, the efficiency control of the fuel cell is performed only with the air (cathode gas) flow rate. However, if the anode gas flow rate is controllable, the same can be performed with the fuel gas.
[0048]
Therefore, by operating the fuel cell 4 while reducing the operating efficiency, the amount of heat generated by the fuel cell is increased while supplying power to the load, and the fuel cell body is warmed up without providing a special heat source outside. Can be promoted.
[0049]
As a method of reducing the operating efficiency of the fuel cell, the flow rate of at least one of the fuel (anode) gas and the oxidation (cathode) gas is controlled, so there is no need to add a special device, and the cost and weight increase. Can be suppressed.
[0050]
In addition, it is possible to detect that the fuel cell is before the end of warm-up at low cost without using a special device, because the fuel cell operating state is any one of the output power, output voltage, and output current of the fuel cell. I can do it.
[0051]
Similarly, the fuel cell operating state is detected from any two of output current, output voltage, and output current, so that the fuel cell is after the warm-up is completed inexpensively without using a special device. Can be detected.
[0052]
Further, by gradually returning the operation state according to the warm-up state of the fuel cell, the fuel cell can be rated at the time when the warm-up is completed.
[0053]
FIG. 5 is a schematic configuration diagram illustrating the configuration of the second embodiment of the present invention. This embodiment shows the configuration of the invention according to claims 1 and 2 .
[0054]
The difference from the configuration of the first embodiment shown in FIG. 1 is that the flow path 3 is provided with a flow rate control valve 15 for controlling the flow rate of the fuel gas supplied to the anode 4a and the fuel gas discharged from the anode 4a. Is discharged from the exhaust pipe to the atmosphere, and the pressure control valve 2 is installed in the exhaust pipe. The air discharged from the cathode 4b is discharged from the exhaust pipe 11 to the atmosphere, and a pressure control valve 13 is installed in the exhaust pipe 11 to control the pressure of the air discharged from the cathode 4b. These

control valves

2, 13 and 15 are controlled by the controller 12. Furthermore, the voltmeter 9 is changed to a wattmeter 14 that detects the output power of the fuel cell 4.
[0055]
Further, the difference between FIG. 6 showing the block diagram showing the configuration of the controller 12 and FIG. 2 of the first embodiment is that the target SR is corrected in the first embodiment, but the controller 12 of the second embodiment The configuration differs in that the target pressure is corrected according to the warm-up state.
[0056]
The control content of the controller 12 at the time of the warm-up end determination in the second embodiment will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
[0057]
In step 200, the warm-up end determination and the warm-up operation are started.
[0058]
In step 210, the detected value of the output ammeter 8 of the fuel cell is read.
[0059]
In step 220, the detection value of the air flow meter 7 is read.
[0060]
In step 230, the actual cathode SR is calculated using the following equation.
[0061]
## EQU1 ##

[0062]
[Equation 1.2]

Here, SR _Cathode is the actual cathode SR, Q _AIR is the air flow rate [NL / min] measured by the air flow meter 7, I is the current [A] detected by the output ammeter 8, and F is the Faraday constant. .
[0063]
In step 240, the detected value of the output wattmeter 14 of the fuel cell is read.
[0064]
In step 250, a current reference value is calculated. This is calculated from the actual cathode SR and electric power using the fuel cell characteristics measured in advance as shown in FIG. The fuel cell characteristics shown in FIG. 8 show that the SR increases as the current increases for a constant power, and the SR increases as the power increases for a constant current.
[0065]
In step 260, it is determined whether the warm-up of the fuel cell 4 has been completed. The warm-up state is determined by comparing the current reference value with the detected current value. When the value obtained by subtracting the predetermined value from the detected value is larger than the current reference value, it is determined that the warm-up is not completed, and the process proceeds to step 270. Otherwise, it is determined that the warm-up is completed, and the process proceeds to step 290.
[0066]
In step 270, the warm-up flag is set.
[0067]
In step 280, the target pressure (fuel gas or air pressure) set in advance according to the target power is corrected using the following equation.
[0068]
[Formula 2.1]

here,
Pt1: target pressure Pt2 set according to the target power: corrected target pressure κ: an arbitrary constant of 1 or less. However, it may be varied according to the difference between the current reference value and the detected fuel cell output current. By gradually shifting the operation state to the normal operation according to the warm-up state of the fuel cell 4, the operation of the fuel cell 4 can be set to the rated operation when the warm-up is completed.
[0069]
Here, as apparent from Equation (2.1), the corrected target pressure Pt2 is equal to or lower than the target pressure Pt1, and the fuel cell is reduced by reducing the pressure of at least one of the fuel gas and air supplied to the fuel cell. By operating with the operation efficiency of 4 lowered, the amount of heat generated by the fuel cell increases while supplying electric power to the load, and the warm-up of the fuel cell body can be promoted without providing a special heat source outside.
[0070]
In step 290, the warm-up incomplete flag is confirmed. If the warm-up incomplete flag is set, the process proceeds to step 300 to perform warm-up end processing. The contents of the warm-up end process are shown in the flowchart of FIG.
[0071]
First, in step 400, warm-up end processing is started.
[0072]
In step 410, a new corrected target pressure Pt2 is set using the following equation so that the corrected target pressure Pt2 matches the target pressure Pt1.
[0073]
## EQU2 ##

Here, ΔP: constant value.
[0074]
In step 420, the corrected target pressure Pt2 is compared with the target pressure Pt1, and if the target pressure Pt1 is large, the process returns to step 410, and a new corrected target pressure Pt2 is set again using the equation (2.2). This calculation is repeated until the target pressure Pt1 and the corrected target pressure Pt2 become equal. By performing this calculation, a delay can be generated at the end of warm-up, the operating efficiency of the fuel cell can be suddenly changed with a delay at the end of warm-up, and the output of the fuel cell can be unstable. Can be prevented.
[0075]
On the other hand, if they match, the process proceeds to step 430.
[0076]
In step 430, the warm-up incomplete flag is cleared.
[0077]
In this embodiment, the expression (2.2) is used to restore the target pressure after the warm-up is completed, but a filter such as a first-order lag may be used.
[0078]
Therefore, in the second embodiment, as a method for reducing the operating efficiency of the fuel cell, the pressure of at least one of the fuel gas and air (oxidizing gas) is controlled, so that it is not necessary to additionally provide a special device. Further, for example, the fuel gas path can be implemented even when it is difficult to control the flow rate so that the circulation system is configured by using a passive device such as an ejector.
[0079]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is obvious that various modifications can be made within the scope of the technical idea of the present invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of a controller.
FIG. 3 is a flowchart for explaining control contents when it is determined that warm-up has ended;
FIG. 4 is a diagram showing characteristics of a fuel cell.
FIG. 5 is a configuration diagram of a fuel cell system according to a second embodiment.
FIG. 6 is a block diagram illustrating a configuration of a controller according to a second embodiment.
FIG. 7 is a flowchart for explaining the control contents at the time of end of warm-up according to the second embodiment.
FIG. 8 is a diagram showing characteristics of a fuel cell according to a second embodiment.
FIG. 9 is a flowchart for explaining control details at the end of warm-up according to the second embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel gas tank 2 Pressure control valve 3 Fuel gas flow path 4 Fuel cell 4a Anode 4b Cathode 5 Air flow path 6 Compressor 7 Air flow meter 8 Ammeter 9 Voltmeter 10 Output controller 11 Exhaust pipe 12 Controller 13 Pressure control valve

Claims

A fuel cell that generates power by receiving supply of fuel gas and oxidizing gas;
An operating state detecting means for detecting the operating state of the fuel cell;
It is determined whether or not the fuel cell has been warmed up based on the detection value of the operating state detection means, and when the warming up has not ended, the flow rate of at least one of the fuel gas and the oxidizing gas to be supplied And a controller that controls to change the ratio of the target flow rate of the gas required for the target power and to reduce the operating efficiency of the fuel cell ;
Equipped with a,
The operating state detecting means is means for detecting at least two of the output voltage, output current, and output power of the fuel cell,
The first parameter is an output value detected by one detection means,
The second parameter is an output value detected by the other detection means,
Wherein the controller is a fuel cell control system, characterized in that determining the warmed-up state of this based on the first parameter to calculate the reference value for the second parameter, the fuel cell based on a comparison between the reference value and the second parameter .

2. The fuel cell control system according to claim 1, wherein the controller controls the operation efficiency of the fuel cell by controlling the pressure of at least one of the fuel gas and the oxidizing gas.

3. The fuel cell control system according to claim 1, wherein when the operation of the fuel cell is returned to a normal state, the controller returns the operation efficiency with a predetermined delay. 4.

Wherein the controller, when returning the operation of the fuel cell to a normal state, the fuel cell according to claim 1, characterized in that to return the operation based on a difference between the second parameter and the reference value in the normal state Control system.