JP3876608B2

JP3876608B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP3876608B2
Application number: JP2000327482A
Authority: JP
Inventors: 泰之伊藤
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-10-26
Filing date: 2000-10-26
Publication date: 2007-02-07
Anticipated expiration: 2020-10-26
Also published as: JP2002134150A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば固体高分子電解質を挟んで酸化剤極と燃料極とを対設した構造の燃料電池の暖機を調整する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極とを対設した燃料電池構造体をセパレータで狭持し、これらを複数に亘って積層した燃料電池スタックを用いた燃料電池システムが従来より知られている。この燃料電池システムは、近年、自動車の動力源として利用される。
【０００３】
車両用燃料電池の始動冷機時に燃料電池を冷却水を加熱して燃料電池を暖機するものが例えば特開平７−９４２０２号公報等で知られている。燃料電池に暖機を与えるには、ヒータを使用して、冷却水の温度を向上させて燃料電池に供給する手法が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の燃料電池システムでは、ヒータや圧力を上昇させた加圧空気等の熱により燃料電池に供給する冷却水の温度を上昇させた状態で循環させて燃料電池の暖機を行っているという構成をとなっているため、ヒータ駆動等のための多くのエネルギーを消費することが必要となる。したがって、従来の燃料電池システムでは、燃料電池を駆動する他に、冷却水の温度を上昇させるというエネルギーが必要となる。
【０００５】
また、従来の燃料電池システムでは、冷却水温度が上昇するのに長時間を要し、従って燃料電池が暖まるまでに長時間を要するという問題点があった。
【０００６】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、速やかに燃料電池に暖機を与えて燃料電池を駆動して燃料電池の効率を向上させることができる燃料電池システムを提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池システムは、上述の課題を解決するために、電解質膜を、酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成され、上記酸化剤極側に酸化剤ガスが供給されるとともに、上記燃料極側に燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、上記燃料ガスの圧力を調整する燃料ガス圧力調整手段と、酸化剤ガス及び燃料ガスを上記燃料電池に供給するガス供給手段と、上記ガス供給手段から上記燃料電池に供給する酸化剤ガスの圧力を高くするガス圧縮手段と、上記燃料電池に冷却水を供給して上記燃料電池の温度を下げる燃料電池冷却手段と、上記冷却手段から上記燃料電池に供給する冷却水の圧力を調整する冷却水圧力調整手段と、上記燃料電池の暖機状態を検出する暖機状態検出手段と、上記酸化剤ガスの圧力に応じて、燃料ガスの圧力を調整するように上記燃料ガス圧力調整手段を制御するとともに、冷却水の圧力を調整するように上記冷却水圧力調整手段を制御し、上記燃料電池を発電させている時に、上記暖機状態検出手段で検出された暖機状態に基づいて上記燃料電池に暖機が必要と判定したときに、上記酸化剤ガスの圧力を高くするように上記ガス圧縮手段を制御する制御手段とを備える。
【０００８】
本発明の請求項２に係る燃料電池システムにおいて、上記暖機状態検出手段は、上記燃料電池の暖機状態を上記燃料電池からの出力電圧に基づいて検出し、上記制御手段は、上記燃料電池の出力電圧に基づいて上記ガス圧縮手段を制御する。
【０００９】
本発明の請求項３に係る燃料電池システムにおいて、上記暖機状態検出手段は、上記燃料電池の暖機状態を、上記冷却手段により上記燃料電池に供給して排出された冷却水の温度に基づいて検出し、上記制御手段は、上記冷却水の温度に基づいて上記ガス圧縮手段を制御する。
【００１０】
本発明の請求項４に係る燃料電池システムにおいて、上記ガス圧縮手段は、上記燃料電池から排出された酸化剤ガスが供給される圧力調整弁を有し、当該圧力調整弁の開閉状態を制御して上記酸化剤の圧力上昇量を調整する。
【００１１】
本発明の請求項５に係る燃料電池システムにおいて、上記ガス圧縮手段は、上記ガス供給手段からの酸化剤ガスを圧縮して上記燃料電池に供給する酸化剤ガス圧縮手段を有する。
【００１２】
本発明の請求項６に係る燃料電池システムは、上記酸化剤ガス圧縮手段と上記燃料電池との間に配設され、圧力を上昇させた酸化剤ガスを冷却するガス冷却手段と、上記酸化剤ガス圧縮手段からの酸化剤ガスを上記冷却手段を介して上記燃料電池に供給する第１経路と、上記酸化剤ガス圧縮手段からの酸化剤ガスを直接上記燃料電池に供給する第２経路とを選択して切り替える経路選択手段とを更に備え、上記制御手段は、上記暖機状態検出手段で検出された暖機状態に基づいて上記第１経路又は第２経路を選択する。
【００１４】
【発明の効果】
本発明の請求項１に係る燃料電池システムによれば、暖機状態検出手段で検出された暖機状態に基づいて上記燃料電池に暖機が必要と判定したときに、酸化剤ガスの圧力を高くするようにガス圧縮手段を制御するので、燃料電池での発電負荷を大きくして燃料電池の発熱で暖機を促進し、不要な物にエネルギーを奪われたり、燃料電池自体が暖まるのに長時間を要することなく、速やかに燃料電池に暖機を与えて燃料電池の効率を向上させることができる。また、酸化剤ガスの圧力に応じて、燃料ガスの圧力を調整するように燃料ガス圧力調整手段を制御するとともに、冷却水の圧力を調整するように冷却水圧力調整手段を制御するので、酸化剤ガス圧力、燃料ガス圧力、冷却水圧力の間に圧力差が発生して燃料電池が破損することを防止して燃料電池の暖機を行うことができる。
【００１５】
本発明の請求項２に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の暖機状態を燃料電池からの出力電圧に基づいて検出し、燃料電池の出力電圧に基づいてガス圧縮手段を制御するので、燃料電池の暖機状況を正確に認識する事ができる。
【００１６】
本発明の請求項３に係る燃料電池システムによれば、上記燃料電池の暖機状態を、冷却手段により上記燃料電池に供給して排出された冷却水の温度に基づいて検出し、冷却水の温度に基づいてガス圧縮手段を制御するので、燃料電池の暖機状態を正確に認識し、暖機状況に応じて燃料電池を加熱することができ、速やかに燃料電池に暖機を与えて燃料電池の効率を向上させることができる。
【００１７】
本発明の請求項４に係る燃料電池システムによれば、燃料電池から排出された酸化剤ガスが供給される圧力調整弁を有し、当該圧力調整弁の開閉状態を制御して酸化剤ガスの圧力上昇量を調整するので、応答遅延で圧力上昇に時間がかかったり圧力を上げすぎること無しに、速やかに燃料電池に暖機を与えて燃料電池の効率を向上させることができる。
【００１８】
本発明の請求項５に係る燃料電池システムにおいて、ガス圧縮手段は、ガス供給手段から酸化剤ガスが供給されて、圧力を上昇させた酸化剤ガスを燃料電池に供給するので、加圧された酸化剤ガスによる暖機と、燃料電池からガス圧縮手段を駆動するための発電電圧を取り出すときの反応熱との相乗効果により速やかに暖機を行うことができる。
【００１９】
本発明の請求項６に係る燃料電池システムによれば、酸化剤ガス圧縮手段からの酸化剤ガスを冷却手段を介して燃料電池に供給する第１経路と、酸化剤ガス圧縮手段からの酸化剤ガスを直接燃料電池に供給する第２経路とを、暖機状態に基づいて選択するので、高温となった酸化剤ガスが燃料電池の許容耐熱温度を超えた状態で供給されて、燃料電池が破損することを回避することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２２】
本発明は、例えば図１に示すように構成される燃料電池システムに適用される。
【００２３】
この燃料電池システムは、水素ガス及び燃料ガスが供給されて発電する燃料電池スタック１を備えるものである。この燃料電池スタック１は、例えば固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極を対設した燃料電池構造体をセパレータで狭持した複数の燃料電池構造体からなる。この燃料電池スタック１は、酸化剤極側に酸化剤ガスとして空気が供給されるとともに、酸化剤極側に燃料ガスとして水素ガスが供給されることで発電をして、例えば自動車等の駆動源として利用される。
【００２４】
この燃料電池システムでは、燃料ガスを燃料電池スタック１に供給して排気する燃料系、空気を燃料電池スタック１に供給して排気する空気系及び冷却水を燃料電池スタック１に循環させる水循環系の配管が接続されて構成されている。
【００２５】
この燃料電池システムでは、空気系として、外部からの空気を取り込むときの供給流量を計測する空気流量計２、空気を圧縮して送るコンプレッサ３、燃料電池スタック１に空気を供給するときの空気圧力を計測する空気圧力センサ４を備える。また、この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１から排気された空気を液水と水蒸気に分離する空気用気液分離器５、空気圧力を調整する空気圧力制御弁６とを備える。
【００２６】
この燃料電池システムでは、外部からの空気を空気流量計２を介してコンプレッサ３で圧縮して空気圧力センサ４を介して燃料電池スタック１に供給し、燃料電池スタック１からの排気を気液分離器５、空気圧力制御弁６を介して外部に排気する。
【００２７】
また、燃料電池システムでは、燃料系として、燃料ガスを蓄える燃料貯蔵用タンク７、燃料ガスを循環するためのエゼクタポンプ８、燃料電池スタック１に供給される燃料ガスの圧力を計測する圧力センサ９を備える。また、この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１からの燃料ガスの排気中の液水を取り出す気液分離器１０、燃料ガスの圧力を調整するための燃料圧力制御弁１１を更に備える。
【００２８】
この燃料電池システムでは、燃料貯蔵用タンク７内の燃料ガスをエゼクタポンプ８、圧力センサ９を介して燃料電池スタック１に供給し、燃料電池スタック１からの排気を燃料用気液分離器１０、燃料圧力制御弁１１を介して外部に排気する。
【００２９】
更に、燃料電池システムでは、純水循環系として、純水の循環経路順に三方弁１２、電動ファンを備えたラジエータ１３、駆動速度が無段階に調整されるポンプ１４、燃料電池スタック１に供給される純水圧力を計測する純水圧力センサ１５がループ状に配設され、空気用気液分離器５及び燃料用気液分離器１０により取り出した純水を蓄える貯水タンク１６及び排水用バルブ１７が設けられる。
【００３０】
この燃料電池システムでは、空気用気液分離器５及び燃料用気液分離器１０により取得した純水が貯水タンク１６に蓄えられ、燃料電池スタック１を冷却又は暖機するに際して、貯水タンク１６から純水をポンプ１４により吸い出して燃料電池スタック１に供給し、燃料電池スタック１内を循環して三方弁１２に供給される。燃料電池システムは、三方弁１２からラジエータ１３に純水を供給することで更に純水温度を低下させて、ポンプ１４及び純水圧力センサ１５を介して燃料電池スタック１に供給する。また、この燃料電池システムは、三方弁１２からラジエータ１３に純水を供給せずにラジエータ１３をバイパスしてポンプ１４に直接供給して燃料電池スタック１に供給可能である。
【００３１】
また、この燃料電池システムは、空気流量計２、空気圧力センサ４、圧力センサ９、純水圧力センサ１５からのセンサ信号に基づいて、上述した各部を制御するシステムコントローラ１８を備える。なお、システムコントローラ１８の処理内容については後述する。
【００３２】
つぎに、上述の燃料電池システムにおけるシステムコントローラ１８の第１の処理について図２を参照して説明する。
【００３３】
図２によれば、システムコントローラ１８は、運転状態から、燃料電池スタック１から出力される予定となる予定出力電圧Ｖｓの演算を行う（ステップＳ１）。
【００３４】
次に、システムコントローラ１８は、図示しない燃料電池スタック１と接続された電圧計で検出した発電電圧Ｖｒを検出する（ステップＳ２）。
【００３５】
次に、システムコントローラ１８は、ステップＳ１で得た予定出力電圧ＶｓとステップＳ２で得た発電電圧Ｖｒとを用い、予定出力電圧Ｖｓから発電電圧Ｖｒを減算することで電圧低下量ΔＶを求める（ステップＳ３）。ここで、システムコントローラ１８は、燃料電池スタック１の温度と発電電圧Ｖｒとの関係が図３に示すようになっており、燃料電池スタック１の温度が低くなるにつれて発電電圧Ｖｒが低下することを認識している。これにより、システムコントローラ１８は、図４に示す電圧低下量ΔＶと燃料電池スタック１の温度との関係より、電圧低下量ΔＶに応じた燃料電池スタック１の温度、すなわち燃料電池スタック１の暖機状態を認識する。
【００３６】
次に、システムコントローラ１８は、電圧低下量ΔＶが暖機制御しきい値αより大きいか否かを判定し（ステップＳ４）、電圧低下量ΔＶが第１暖機制御しきい値αよりも大きいと判断したとき、すなわち燃料電池スタック１の温度が低いと判断したときには、第１暖機制御処理を行う（ステップＳ５）。
【００３７】
また、システムコントローラ１８は、電圧低下量ΔＶが暖機制御しきい値αよりも大きくないと判断したときには、次いで電圧低下量ΔＶが第２暖機制御しきい値βよりも大きいか否かの判定をする（ステップＳ６）。システムコントローラ１８は、電圧低下量ΔＶが第２暖機制御しきい値βよりも大きいと判定したときには第２暖機制御処理をし（ステップＳ７）、大きくないと判定したときには第３暖機制御処理をする（ステップＳ８）。
【００３８】
ステップＳ５の第１暖機制御処理において、システムコントローラ１８は、速やかに燃料電池スタック１の暖機を行うため、駆動速度を上昇させるようにコンプレッサ３に制御信号を出力して、空気の圧送圧力を上昇させることで、空気の温度上昇量を大きくして、高温とした空気により燃料電池スタック１の暖機を促進する。
【００３９】
ここで、システムコントローラ１８は、燃料電池スタック１の温度、すなわち発電電圧Ｖｒによって温度上昇量を変化させるようにコンプレッサ３を制御する。すなわち、システムコントローラ１８は、図５に示すように、燃料電池スタック１の温度と圧力上昇量ΔＰとの関係を認識しており、燃料電池スタック１の温度に応じた圧力上昇量ΔＰを認識してコンプレッサ３の駆動速度を大きくする。
【００４０】
また、システムコントローラ１８は、純水圧力センサ１５からのセンサ信号に基づいて、燃料電池スタック１内を循環させる冷却水の圧力を空気の圧力に合わせるようにポンプ１４を制御する。更に、システムコントローラ１８は、圧力センサ９からのセンサ信号に基づいて、燃料電池スタック１に供給する燃料ガスの圧力を調整するように燃料圧力制御弁１１を制御する。これは、空気系のみ圧力を上昇させてしまうと燃料電池スタック１内部での圧力差が発生して内部からの破損することを防止するため、空気、水素ガス及び純水の圧力差を発生させないように各部を制御するためである。更にまた、システムコントローラ１８は、燃料電池スタック１の内部温度を低下させないために、純水をラジエータ１３をバイパスして直接ポンプ１４に供給するように三方弁１２を制御する。
【００４１】
ステップＳ６の第２暖機制御処理において、システムコントローラ１８は、ある程度暖機が進んでいると判断し、余分なエネルギーを燃料電池スタック１から放出しないために、空気への加圧を停止するようにコンプレッサ３を制御する。また、システムコントローラ１８は、燃料電池スタック１の温度に応じて、燃料電池スタック１からの純水をラジエータ１３をバイパスして直接ポンプ１４に供給するように三方弁１２を制御する。ただし、システムコントローラ１８は、燃料電池スタック１内に循環する冷却水の温度低下をさせないために、ラジエータ１３内部のファンを駆動しない制御をする。
【００４２】
ステップＳ８の第３暖機制御処理において、システムコントローラ１８は、燃料電池スタック１の暖機が十分と判断し、必要以上に燃料電池スタック１の温度が上昇しないように冷却をする。すなわち、システムコントローラ１８は、燃料電池スタック１からの冷却水をラジエータ１３に供給するように三方弁１２を制御するとともに、燃料電池スタック１の温度に応じてラジエータ１３の駆動速度を変化させるように制御して、燃料電池スタック１の温度を低下させる。
【００４３】
このような燃料電池システムでは、第１暖機制御処理を行うことにより、燃料電池スタック１での発電負荷を大きくすることができ、燃料電池スタック１の発熱で暖機を促進する。したがって、この燃料電池システムによれば、不要な物にエネルギーを奪われたり、燃料電池スタック１自体が暖まるのに長時間を要することなく、速やかに燃料電池に暖機を与えて燃料電池を駆動して燃料電池の効率を向上させることができる。
【００４４】
また、この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の暖機状況を発電電圧Ｖｒにより認識して空気の供給圧力を制御するので、燃料電池スタック１の暖機状況を正確に認識する事ができる。
【００４５】
更に、この燃料電池システムでは、コンプレッサ３により空気の圧縮をするので、加圧された空気による暖機と、燃料電池スタック１からコンプレッサ３を駆動するための発電電圧を取り出すときの反応熱との相乗効果により速やかに暖機を行うことができる。
【００４６】
更にまた、この燃料電池システムでは、空気の圧力を高くして燃料電池スタック１に供給しているときには、燃料電池スタック１内を循環させる冷却水の圧力及び燃料ガスの圧力を空気圧力と同じ圧力とするので、空気圧力、燃料ガス圧力、冷却水圧力の間に圧力差が発生して燃料電池スタック１が破損することを防止して燃料電池スタック１の暖機を行うことができる。
【００４７】
なお、本例において、燃料電池スタック１の温度を検出する手法として、予定出力電圧Ｖｓと発電電圧Ｖｒとの差を示す電圧低下量ΔＶを用いたが、燃料電池スタック１から三方弁１２に向かって循環させている冷却水の温度を計測し、計測した温度により燃料電池スタック１の温度を検出しても良い。このとき、システムコントローラ１８は、図６に示すように、燃料電池スタック１からの冷却水の温度に対応した燃料電池スタック１の温度を認識しており、計測した冷却水温度に基づいて燃料電池スタック１の温度を認識する。また、システムコントローラ１８は、燃料電池スタック１の内部に温度センサを設け、燃料電池スタック１の温度を直接検出しても良い。これにより、燃料電池システムは、燃料電池スタック１の暖機状態を正確に認識し、暖機状況に応じて燃料電池スタック１を加熱することができ、速やかに燃料電池に暖機を与えて燃料電池を駆動して燃料電池の効率を向上させることができる。
【００４８】
つぎに、システムコントローラ１８による暖機制御処理の他の例について説明する。上述した第１暖機制御処理では、空気の圧力制御をコンプレッサ３により行う一例について説明したが、コンプレッサ３により圧力制御を行うと、コンプレッサ３の応答遅延により圧力上昇に時間がかかったり、圧力を上げすぎるおそれがある。これに対し、本例での暖機制御処理では、空気圧力制御弁６により空気の圧力制御をする。
【００４９】
空気圧力制御弁６により空気の圧力制御を行うときのシステムコントローラ１８の処理手順について図７を参照して説明する。
【００５０】
図７によれば、システムコントローラ１８は、燃料電池スタック１の温度が低く暖機制御を行うと判断すると、燃料電池スタック１の運転状態に応じて、燃料電池スタック１の目標とする発電電圧である目標出力Ｐｗを認識する（ステップＳ１１）。
【００５１】
次に、システムコントローラ１８は、ステップＳ１１で得た目標出力Ｐｗに基づいて、空気の目標圧力ｔＰを得る（ステップＳ１２）。ここで、システムコントローラ１８は、図８に示す目標出力Ｐｗと目標圧力ｔＰとの関係を保持しており、ステップＳ１１で得た目標出力Ｐｗの値に応じて目標圧力ｔＰを得る。このとき、システムコントローラ１８は、図８を参照して得た目標圧力ｔＰに、暖機による圧力上昇分を付加して演算を行う。
【００５２】
次に、システムコントローラ１８は、空気圧力センサ４からのセンサ信号を入力して、暖機処理をする前の空気圧力である燃料電池前圧力Ｐｓを得て（ステップＳ１３）、次いで空気圧力を燃料電池前圧力Ｐｓから目標圧力ｔＰとするように空気圧力制御弁６の目標弁開度ｔＴＶＯを演算する（ステップＳ１４）。
【００５３】
次に、システムコントローラ１８は、演算して得た目標弁開度ｔＴＶＯとするように空気圧力制御弁６の開閉状態を制御し、空気圧力を目標圧力ｔＰとする。
【００５４】
このような暖機制御処理をする燃料電池システムによれば、コンプレッサ３により圧力制御を行ったことによりコンプレッサ３の応答遅延で圧力上昇に時間がかかったり圧力を上げすぎること無しに、速やかに燃料電池に暖機を与えて燃料電池を駆動して燃料電池の効率を向上させることができる。
【００５５】
つぎに、燃料電池システムの他の構成例について図９を参照して説明する。なお、上述の図１と同じものについては同じ符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００５６】
図９に示す燃料電池システムは、空気を圧送するコンプレッサ３の燃料電池スタック１側に、空気流路を切り替える三方弁２１、空気温度を低下させる熱交換器２２、電動ファンを備えて空気温度を低下させるラジエータ２３、ポンプ２４、温度センサ２５が設けられる点で図１に示す燃料電池システムと異なる構成を有している。この燃料電池システムでは、コンプレッサ３からの空気を三方弁２１、熱交換器２２、ラジエータ２３、ポンプ２４、温度センサ２５を介して燃料電池スタック１に供給可能であるとともに、三方弁２１、温度センサ２５を介して空気を燃料電池スタック１に供給可能に構成されている。すなわち、この燃料電池システムにおいて、システムコントローラ１８は、三方弁２１を制御することで、コンプレッサ３からの空気を熱交換器２２に供給する経路と、コンプレッサ３からの空気を熱交換器２２をバイパスして温度センサ２５に供給する経路との間で空気の経路を切り替える。
【００５７】
このような構成の燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１の暖機制御をするときのシステムコントローラ１８の処理手順を図１０を参照して説明する。
【００５８】
図１０によれば、先ず、システムコントローラ１８は、温度センサ２５からのセンサ信号を検出して、暖機制御をする前の燃料電池スタック１の温度である燃料電池前温度Ｔｅを認識する（ステップＳ２１）。このように暖機制御をする前に空気温度を検出することにより、燃料電池スタック１に異常高温空気が流入することを防止する。
【００５９】
次に、システムコントローラ１８は、三方弁２１の開度が全開となっているか否かの判定をする（ステップＳ２２）。ここで、この燃料電池システムでは、通常の運転状態では三方弁２１を全開状態にしており、熱交換器２２に全ての空気を供給して空気温度を下げた状態で燃料電池スタック１に供給し、更に冷却水を増量して冷却性能を増加させるように設定されている。
【００６０】
システムコントローラ１８は、三方弁１２の開度が全開となっていないと判定したときには、次いでステップＳ２１で検出した燃料電池前温度Ｔｅと冷却しきい値ａとの比較をし（ステップＳ２３）、空気温度が冷却しきい値ａよりも大きいと判定したら三方弁２１を熱交換器２２側に切り替えるように制御する（ステップＳ２４）。
【００６１】
また、システムコントローラ１８は、燃料電池前温度Ｔｅが冷却しきい値ａよりも大きくないと判定したときには、燃料電池前温度Ｔｅと冷却しきい値ｂとの比較をする（ステップＳ２５）。システムコントローラ１８は、燃料電池前温度Ｔｅが冷却しきい値ｂよりも大きくないと判定したときには燃料電池スタック１が冷却過剰であると判定して、三方弁２１の熱交換器２２に供給するバルブを閉操作してバイパス側、すなわち直接燃料電池スタック１に供給するように制御する（ステップＳ２６）。ここで、システムコントローラ１８は、開閉動作を複数回に亘って行うように三方弁２１を制御する。
【００６２】
また、システムコントローラ１８は、燃料電池前温度Ｔｅが冷却しきい値ｂよりも大きいときには、燃料電池前温度Ｔｅが冷却しきい値ａ以下であって冷却しきい値ｂ以上であるとして暖機制御を行わない。
【００６３】
一方、システムコントローラ１８は、ステップＳ２２で三方弁２１の開度が全開となっていると判定したときには、次いでステップＳ２１で検出した燃料電池前温度Ｔｅと冷却しきい値ａとの比較をし（ステップＳ２７）、燃料電池前温度Ｔｅが冷却しきい値ａより大きいときには、三方弁２１、熱交換器２２、ラジエータ２３を介して供給された空気の流量を増量するようにポンプ２４を制御する（ステップＳ２８）。これにより、システムコントローラ１８は、燃料電池スタック１に冷却された空気を供給して燃料電池スタック１の温度を下げる。
【００６４】
ステップＳ２２において燃料電池前温度Ｔｅが冷却しきい値ａより大きくないと判定されたときには、システムコントローラ１８は、燃料電池前温度Ｔｅと冷却しきい値ｂとの比較をし（ステップＳ２９）、燃料電池前温度Ｔｅが冷却しきい値ｂよりも大きいと判定したときには暖機制御を行わず、燃料電池前温度Ｔｅが冷却しきい値ｂよりも大きくないと判定したときにはポンプ２４の流量を減少させる制御を行う。ここで、システムコントローラ１８は、ポンプ２４の流量が既に最低流量となっていたときには三方弁２１の熱交換器２２側の流路のバルブを閉じてバイパス側に切り替える操作をする（ステップＳ３０）。
【００６５】
このような処理をする燃料電池システムによれば、燃料電池前温度Ｔｅが冷却しきい値ａ以上、すなわち燃料電池スタック１の温度が高温であるときには熱交換器２２、ラジエータ２３及びポンプ２４を制御して、空気温度を低下させて燃料電池スタック１に供給し、燃料電池前温度Ｔｅが冷却しきい値ｂ以下、すなわち燃料電池スタック１の温度が低温であり暖機処理が必要であるときには熱交換器２２をバイパスしてコンプレッサ３からの空気を直接燃料電池スタック１に供給する。したがって、この燃料電池システムでは、コンプレッサ３により加圧して高温とした空気を燃料電池スタック１に供給して燃料電池スタック１の温度を上昇させることができる。
【００６６】
また、この燃料電池スタック１では、燃料電池前温度Ｔｅ、すなわち燃料電池スタック１の暖機状況に応じて熱交換器２２をバイパスする空気量を調整することができるため、コンプレッサ３により加圧されて高温となった空気が燃料電池スタック１の許容耐熱温度を超えた状態で供給されて、燃料電池スタック１が破損することを回避することができる。
【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を示す構成図である。
【図２】本発明を適用した燃料電池システムにより暖機制御処理を行うときのシステムコントローラの処理手順を示すフローチャートである。
【図３】燃料電池スタックからの発電電圧Ｖｒと燃料電池スタックの温度との関係を示す図である。
【図４】電圧低下量ΔＶと燃料電池スタックの温度との関係を示す図である。
【図５】燃料電池スタックの温度と圧力上昇量ΔＰとの関係を示す図である。
【図６】燃料電池スタックから排出された冷却水と燃料電池スタックの温度との関係を示す図である。
【図７】空気圧力制御弁により空気圧力の制御を行うときのシステムコントローラの処理手順を示すフローチャートである。
【図８】燃料電池スタックから出力する電圧の目標出力Ｐｗと空気圧力制御弁により空気圧力を調整するときの目標圧力ｔＰとの関係図である。
【図９】本発明を適用した他の燃料電池システムを示す構成図である。
【図１０】本発明を適用した燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの暖機制御をするときのシステムコントローラの処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１燃料電池スタック
２空気流量計
３コンプレッサ
４空気圧力センサ
５空気用気液分離器
６空気圧力制御弁
７燃料貯蔵用タンク
８エゼクタポンプ
９圧力センサ
１０燃料用気液分離器
１１燃料圧力制御弁
１２三方弁
１３ラジエータ
１４ポンプ
１５純水圧力センサ
１６貯水タンク
１７排水用バルブ
１８システムコントローラ
２１三方弁
２２熱交換器
２３ラジエータ
２４ポンプ
２５温度センサ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system that adjusts the warm-up of a fuel cell having a structure in which, for example, an oxidant electrode and a fuel electrode are provided across a solid polymer electrolyte.
[0002]
[Prior art]
For example, a fuel cell system using a fuel cell stack in which a fuel cell structure in which an oxidant electrode and a fuel electrode are opposed to each other with a solid polymer electrolyte membrane interposed therebetween is sandwiched between separators and stacked in a plurality of layers is conventionally used. More known. In recent years, this fuel cell system has been used as a power source for automobiles.
[0003]
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-94202 discloses a technique for heating a fuel cell by heating cooling water when the vehicle fuel cell is started and cooling. In order to warm up the fuel cell, a method is known in which a heater is used to improve the temperature of the cooling water and supply the fuel cell to the fuel cell.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional fuel cell system, the temperature of the cooling water supplied to the fuel cell is increased by the heat of the heater or pressurized air whose pressure has been increased, and the fuel cell is warmed up by being circulated. Therefore, it is necessary to consume a lot of energy for driving the heater. Therefore, in the conventional fuel cell system, energy for raising the temperature of the cooling water is required in addition to driving the fuel cell.
[0005]
Further, the conventional fuel cell system has a problem that it takes a long time for the cooling water temperature to rise, and therefore it takes a long time for the fuel cell to warm up.
[0006]
Accordingly, the present invention has been proposed in view of the above-described circumstances, and provides a fuel cell system that can quickly warm up the fuel cell and drive the fuel cell to improve the efficiency of the fuel cell. To do.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problem, a fuel cell system according to claim 1 of the present invention is configured by sandwiching an electrolyte membrane between an oxidant electrode and a fuel electrode, and an oxidant gas is supplied to the oxidant electrode side. A fuel cell for generating power by supplying fuel gas to the fuel electrode side;Fuel gas pressure adjusting means for adjusting the pressure of the fuel gas;Gas supply means for supplying oxidant gas and fuel gas to the fuel cell, gas compression means for increasing the pressure of oxidant gas supplied from the gas supply means to the fuel cell, and supply of cooling water to the fuel cell A fuel cell cooling means for lowering the temperature of the fuel cell;Cooling water pressure adjusting means for adjusting the pressure of cooling water supplied from the cooling means to the fuel cell;A warm-up state detecting means for detecting a warm-up state of the fuel cell;Controlling the fuel gas pressure adjusting means to adjust the pressure of the fuel gas according to the pressure of the oxidant gas, controlling the cooling water pressure adjusting means to adjust the pressure of the cooling water, When generating fuel cells,Control means for controlling the gas compression means to increase the pressure of the oxidant gas when it is determined that the fuel cell needs to be warmed up based on the warm-up state detected by the warm-up state detection means With.
[0008]
In the fuel cell system according to claim 2 of the present invention, the warm-up state detection means detects a warm-up state of the fuel cell based on an output voltage from the fuel cell, and the control means includes the fuel cell. The gas compression means is controlled on the basis of the output voltage.
[0009]
In the fuel cell system according to claim 3 of the present invention, the warm-up state detecting means is based on the temperature of the cooling water discharged from the fuel cell when the warm-up state of the fuel cell is supplied to the fuel cell by the cooling means. And the control means controls the gas compression means based on the temperature of the cooling water.
[0010]
In the fuel cell system according to claim 4 of the present invention, the gas compression means has a pressure regulating valve to which the oxidant gas discharged from the fuel cell is supplied, and controls the open / closed state of the pressure regulating valve. To adjust the pressure increase of the oxidizing agent.
[0011]
In the fuel cell system according to claim 5 of the present invention, the gas compression means includes oxidant gas compression means for compressing the oxidant gas from the gas supply means and supplying the compressed oxidant gas to the fuel cell.
[0012]
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system comprising a gas cooling means disposed between the oxidant gas compressing means and the fuel cell for cooling the oxidant gas whose pressure has been increased, and the oxidant. A first path for supplying oxidant gas from the gas compression means to the fuel cell via the cooling means, and a second path for supplying oxidant gas from the oxidant gas compression means directly to the fuel cell. Route selection means for selecting and switching, and the control means selects the first route or the second route based on the warm-up state detected by the warm-up state detection means.
[0014]
【The invention's effect】
According to the fuel cell system of claim 1 of the present invention, when it is determined that the fuel cell needs to be warmed up based on the warming up state detected by the warming up state detecting means, the pressure of the oxidant gas is reduced. Since the gas compression means is controlled to be high, the power generation load in the fuel cell is increased to promote warm-up by the heat generated by the fuel cell, energy is taken away by unnecessary items, or the fuel cell itself warms up Without taking a long time, the fuel cell can be quickly warmed up to improve the efficiency of the fuel cell.Further, the fuel gas pressure adjusting means is controlled so as to adjust the pressure of the fuel gas according to the pressure of the oxidant gas, and the cooling water pressure adjusting means is controlled so as to adjust the pressure of the cooling water. The fuel cell can be warmed up by preventing the pressure difference between the agent gas pressure, the fuel gas pressure, and the cooling water pressure from occurring and damaging the fuel cell.
[0015]
According to the fuel cell system of claim 2 of the present invention, the warm-up state of the fuel cell is detected based on the output voltage from the fuel cell, and the gas compression means is controlled based on the output voltage of the fuel cell. The warm-up situation of the fuel cell can be accurately recognized.
[0016]
According to the fuel cell system of claim 3 of the present invention, the warm-up state of the fuel cell is detected based on the temperature of the cooling water supplied to the fuel cell by the cooling means and discharged, and the cooling water Since the gas compression means is controlled based on the temperature, the warm-up state of the fuel cell can be accurately recognized, and the fuel cell can be heated in accordance with the warm-up situation. The efficiency of the battery can be improved.
[0017]
According to the fuel cell system of claim 4 of the present invention, the fuel cell system has a pressure regulating valve to which the oxidant gas discharged from the fuel cell is supplied, and controls the open / close state of the pressure regulating valve to Since the pressure increase amount is adjusted, it is possible to quickly warm up the fuel cell and improve the efficiency of the fuel cell without taking a long time to increase the pressure due to a response delay or excessively increasing the pressure.
[0018]
In the fuel cell system according to claim 5 of the present invention, the gas compression means is pressurized because the oxidant gas is supplied from the gas supply means and the oxidant gas whose pressure is increased is supplied to the fuel cell. The warm-up can be quickly performed by a synergistic effect between the warm-up by the oxidant gas and the reaction heat when taking out the generated voltage for driving the gas compression means from the fuel cell.
[0019]
According to the fuel cell system of claim 6 of the present invention, the first path for supplying the oxidant gas from the oxidant gas compression means to the fuel cell via the cooling means, and the oxidant from the oxidant gas compression means Since the second path for supplying the gas directly to the fuel cell is selected based on the warm-up state, the oxidant gas having reached a high temperature is supplied in a state exceeding the allowable heat-resistant temperature of the fuel cell, It is possible to avoid damage.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0022]
The present invention is applied to, for example, a fuel cell system configured as shown in FIG.
[0023]
The fuel cell system includes a fuel cell stack 1 that is supplied with hydrogen gas and fuel gas to generate power. The fuel cell stack 1 is composed of, for example, a plurality of fuel cell structures in which a fuel cell structure in which an oxidant electrode and a fuel electrode are provided with a solid polymer electrolyte membrane interposed therebetween is sandwiched by separators. The fuel cell stack 1 generates power by supplying air as an oxidant gas to the oxidant electrode side and supplying hydrogen gas as a fuel gas to the oxidant electrode side. Used as
[0024]
In this fuel cell system, a fuel system that supplies and exhausts fuel gas to the fuel cell stack 1, an air system that supplies and exhausts air to the fuel cell stack 1, and a water circulation system that circulates cooling water to the fuel cell stack 1. The pipe is connected and configured.
[0025]
In this fuel cell system, as an air system, an air flow meter 2 that measures a supply flow rate when air from outside is taken in, a compressor 3 that compresses and sends air, and an air pressure when air is supplied to the fuel cell stack 1 An air pressure sensor 4 is provided. The fuel cell system also includes an air-liquid separator 5 that separates air exhausted from the fuel cell stack 1 into liquid water and water vapor, and an air pressure control valve 6 that adjusts the air pressure.
[0026]
In this fuel cell system, external air is compressed by a compressor 3 via an air flow meter 2 and supplied to the fuel cell stack 1 via an air pressure sensor 4, and the exhaust from the fuel cell stack 1 is separated into gas and liquid. The air is exhausted to the outside through the vessel 5 and the air pressure control valve 6.
[0027]
In the fuel cell system, as a fuel system, a fuel storage tank 7 for storing fuel gas, an ejector pump 8 for circulating the fuel gas, and a pressure sensor 9 for measuring the pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell stack 1 are used. Is provided. The fuel cell system further includes a gas-liquid separator 10 that extracts liquid water in the exhaust of the fuel gas from the fuel cell stack 1, and a fuel pressure control valve 11 for adjusting the pressure of the fuel gas.
[0028]
In this fuel cell system, the fuel gas in the fuel storage tank 7 is supplied to the fuel cell stack 1 via the ejector pump 8 and the pressure sensor 9, and the exhaust gas from the fuel cell stack 1 is supplied to the fuel gas-liquid separator 10, Exhaust to the outside through the fuel pressure control valve 11.
[0029]
Further, in the fuel cell system, as a pure water circulation system, the three-way valve 12 in the order of the pure water circulation path, the radiator 13 having an electric fan, the pump 14 whose driving speed is adjusted steplessly, and the fuel cell stack 1 are supplied. A pure water pressure sensor 15 for measuring pure water pressure is arranged in a loop shape, and a water storage tank 16 and a drain valve 17 for storing pure water taken out by the gas-liquid separator 5 for air and the gas-liquid separator 10 for fuel. Is provided.
[0030]
In this fuel cell system, pure water obtained by the gas-liquid separator 5 for air and the gas-liquid separator 10 for fuel is stored in the water storage tank 16, and when the fuel cell stack 1 is cooled or warmed up, Pure water is sucked out by the pump 14 and supplied to the fuel cell stack 1, circulated in the fuel cell stack 1 and supplied to the three-way valve 12. The fuel cell system further reduces the pure water temperature by supplying pure water from the three-way valve 12 to the radiator 13 and supplies it to the fuel cell stack 1 via the pump 14 and the pure water pressure sensor 15. In addition, this fuel cell system can supply the fuel cell stack 1 by directly supplying the pump 14 by bypassing the radiator 13 without supplying pure water from the three-way valve 12 to the radiator 13.
[0031]
The fuel cell system also includes a system controller 18 that controls the above-described units based on sensor signals from the air flow meter 2, the air pressure sensor 4, the pressure sensor 9, and the pure water pressure sensor 15. The processing contents of the system controller 18 will be described later.
[0032]
Next, a first process of the system controller 18 in the above-described fuel cell system will be described with reference to FIG.
[0033]
According to FIG. 2, the system controller 18 calculates the planned output voltage Vs that is scheduled to be output from the fuel cell stack 1 from the operating state (step S1).
[0034]
Next, the system controller 18 detects the generated voltage Vr detected by a voltmeter connected to the fuel cell stack 1 (not shown) (step S2).
[0035]
Next, the system controller 18 obtains the voltage drop amount ΔV by subtracting the generated voltage Vr from the planned output voltage Vs using the planned output voltage Vs obtained in step S1 and the generated voltage Vr obtained in step S2 ( Step S3). Here, the system controller 18 shows that the relationship between the temperature of the fuel cell stack 1 and the power generation voltage Vr is as shown in FIG. 3, and that the power generation voltage Vr decreases as the temperature of the fuel cell stack 1 decreases. It has recognized. As a result, the system controller 18 determines the temperature of the fuel cell stack 1 according to the voltage drop amount ΔV, that is, the warm-up of the fuel cell stack 1 based on the relationship between the voltage drop amount ΔV and the temperature of the fuel cell stack 1 shown in FIG. Recognize the state.
[0036]
Next, the system controller 18 determines whether or not the voltage drop amount ΔV is larger than the warm-up control threshold value α (step S4), and the voltage drop amount ΔV is larger than the first warm-up control threshold value α. Is determined, that is, when it is determined that the temperature of the fuel cell stack 1 is low, a first warm-up control process is performed (step S5).
[0037]
Further, when the system controller 18 determines that the voltage drop amount ΔV is not larger than the warm-up control threshold value α, it is next determined whether or not the voltage drop amount ΔV is larger than the second warm-up control threshold value β. A determination is made (step S6). The system controller 18 performs the second warm-up control process when it is determined that the voltage drop amount ΔV is larger than the second warm-up control threshold value β (step S7), and the third warm-up control when it is determined that it is not large. Processing is performed (step S8).
[0038]
In the first warm-up control process of step S5, the system controller 18 outputs a control signal to the compressor 3 so as to increase the drive speed in order to quickly warm up the fuel cell stack 1, and the air pressure of the air Is increased, the amount of temperature increase of the air is increased, and the warming-up of the fuel cell stack 1 is promoted by the high-temperature air.
[0039]
Here, the system controller 18 controls the compressor 3 so as to change the temperature increase amount according to the temperature of the fuel cell stack 1, that is, the generated voltage Vr. That is, as shown in FIG. 5, the system controller 18 recognizes the relationship between the temperature of the fuel cell stack 1 and the pressure increase amount ΔP, and recognizes the pressure increase amount ΔP according to the temperature of the fuel cell stack 1. Thus, the drive speed of the compressor 3 is increased.
[0040]
Further, the system controller 18 controls the pump 14 based on the sensor signal from the pure water pressure sensor 15 so that the pressure of the cooling water circulating in the fuel cell stack 1 matches the pressure of the air. Further, the system controller 18 controls the fuel pressure control valve 11 so as to adjust the pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell stack 1 based on the sensor signal from the pressure sensor 9. This prevents the pressure difference in the air, hydrogen gas and pure water from being generated in order to prevent the pressure difference in the fuel cell stack 1 from occurring and damage from the inside if the pressure is increased only in the air system. It is for controlling each part. Furthermore, the system controller 18 controls the three-way valve 12 so as to bypass the radiator 13 and supply the pure water directly to the pump 14 so as not to lower the internal temperature of the fuel cell stack 1.
[0041]
In the second warm-up control process of step S6, the system controller 18 determines that the warm-up has progressed to some extent, and stops pressurizing the air so as not to release excess energy from the fuel cell stack 1. The compressor 3 is controlled. Further, the system controller 18 controls the three-way valve 12 so as to supply pure water from the fuel cell stack 1 directly to the pump 14 by bypassing the radiator 13 according to the temperature of the fuel cell stack 1. However, the system controller 18 performs control not to drive the fan inside the radiator 13 so as not to lower the temperature of the cooling water circulating in the fuel cell stack 1.
[0042]
In the third warm-up control process of step S8, the system controller 18 determines that the fuel cell stack 1 is sufficiently warmed up and cools the fuel cell stack 1 so that the temperature of the fuel cell stack 1 does not rise more than necessary. That is, the system controller 18 controls the three-way valve 12 so as to supply the cooling water from the fuel cell stack 1 to the radiator 13 and changes the driving speed of the radiator 13 according to the temperature of the fuel cell stack 1. Control the temperature of the fuel cell stack 1 to decrease.
[0043]
In such a fuel cell system, by performing the first warm-up control process, the power generation load in the fuel cell stack 1 can be increased, and the warm-up is promoted by the heat generated in the fuel cell stack 1. Therefore, according to this fuel cell system, it is possible to quickly warm up the fuel cell and drive the fuel cell without losing energy to unnecessary objects or taking a long time for the fuel cell stack 1 itself to warm up. Thus, the efficiency of the fuel cell can be improved.
[0044]
Further, in this fuel cell system, since the warm-up state of the fuel cell stack 1 is recognized by the generated voltage Vr and the air supply pressure is controlled, the warm-up state of the fuel cell stack 1 can be accurately recognized.
[0045]
Further, in this fuel cell system, since the compressor 3 compresses air, the warm-up by the pressurized air and the reaction heat when taking out the generated voltage for driving the compressor 3 from the fuel cell stack 1 Warm-up can be performed quickly due to the synergistic effect.
[0046]
Furthermore, in this fuel cell system, when the air pressure is increased and supplied to the fuel cell stack 1, the pressure of the cooling water circulating in the fuel cell stack 1 and the pressure of the fuel gas are the same as the air pressure. Therefore, it is possible to prevent the fuel cell stack 1 from being damaged due to a pressure difference among the air pressure, the fuel gas pressure, and the cooling water pressure, and to warm up the fuel cell stack 1.
[0047]
In this example, as a method for detecting the temperature of the fuel cell stack 1, the voltage drop ΔV indicating the difference between the planned output voltage Vs and the generated voltage Vr is used, but the direction from the fuel cell stack 1 to the three-way valve 12 is used. Alternatively, the temperature of the cooling water being circulated may be measured, and the temperature of the fuel cell stack 1 may be detected from the measured temperature. At this time, as shown in FIG. 6, the system controller 18 recognizes the temperature of the fuel cell stack 1 corresponding to the temperature of the cooling water from the fuel cell stack 1, and based on the measured cooling water temperature, the fuel cell. Recognize stack 1 temperature. Further, the system controller 18 may provide a temperature sensor inside the fuel cell stack 1 and directly detect the temperature of the fuel cell stack 1. As a result, the fuel cell system can accurately recognize the warm-up state of the fuel cell stack 1 and can heat the fuel cell stack 1 in accordance with the warm-up state. The efficiency of the fuel cell can be improved by driving the battery.
[0048]
Next, another example of the warm-up control process by the system controller 18 will be described. In the first warm-up control process described above, an example in which the air pressure control is performed by the compressor 3 has been described. However, if the pressure control is performed by the compressor 3, it takes time to increase the pressure due to the response delay of the compressor 3, There is a risk of raising it too much. On the other hand, in the warm-up control process in this example, the air pressure is controlled by the air pressure control valve 6.
[0049]
The processing procedure of the system controller 18 when the air pressure control is performed by the air pressure control valve 6 will be described with reference to FIG.
[0050]
According to FIG. 7, when the system controller 18 determines that the temperature of the fuel cell stack 1 is low and performs warm-up control, the target power generation voltage of the fuel cell stack 1 is set according to the operating state of the fuel cell stack 1. A certain target output Pw is recognized (step S11).
[0051]
Next, the system controller 18 obtains the air target pressure tP based on the target output Pw obtained in step S11 (step S12). Here, the system controller 18 holds the relationship between the target output Pw and the target pressure tP shown in FIG. 8, and obtains the target pressure tP according to the value of the target output Pw obtained in step S11. At this time, the system controller 18 performs calculation by adding a pressure increase due to warm-up to the target pressure tP obtained with reference to FIG.
[0052]
Next, the system controller 18 inputs the sensor signal from the air pressure sensor 4 to obtain the fuel cell pre-pressure Ps that is the air pressure before the warm-up process (step S13), and then uses the air pressure as the fuel. The target valve opening degree tTVO of the air pressure control valve 6 is calculated so as to be the target pressure tP from the battery pre-pressure Ps (step S14).
[0053]
Next, the system controller 18 controls the open / close state of the air pressure control valve 6 so as to obtain the target valve opening tTVO obtained by calculation, and sets the air pressure as the target pressure tP.
[0054]
According to the fuel cell system that performs such warm-up control processing, since the pressure control is performed by the compressor 3, the fuel can be promptly fueled without taking a long time to increase the pressure due to a response delay of the compressor 3 or excessively increasing the pressure. It is possible to warm the battery and drive the fuel cell to improve the efficiency of the fuel cell.
[0055]
Next, another configuration example of the fuel cell system will be described with reference to FIG. The same components as those in FIG. 1 described above are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0056]
The fuel cell system shown in FIG. 9 includes a three-way valve 21 that switches the air flow path, a heat exchanger 22 that lowers the air temperature, and an electric fan on the side of the fuel cell stack 1 of the compressor 3 that pumps air. 1 is different from the fuel cell system shown in FIG. 1 in that a radiator 23, a pump 24, and a temperature sensor 25 are provided. In this fuel cell system, air from the compressor 3 can be supplied to the fuel cell stack 1 through the three-way valve 21, the heat exchanger 22, the radiator 23, the pump 24, and the temperature sensor 25, and the three-way valve 21, the temperature sensor. The air can be supplied to the fuel cell stack 1 via 25. In other words, in this fuel cell system, the system controller 18 controls the three-way valve 21 to bypass the heat exchanger 22 and the path for supplying the air from the compressor 3 to the heat exchanger 22. Thus, the air path is switched between the path supplied to the temperature sensor 25.
[0057]
In the fuel cell system having such a configuration, a processing procedure of the system controller 18 when performing warm-up control of the fuel cell stack 1 will be described with reference to FIG.
[0058]
According to FIG. 10, first, the system controller 18 detects a sensor signal from the temperature sensor 25 and recognizes the pre-fuel cell temperature Te, which is the temperature of the fuel cell stack 1 before the warm-up control (step). S21). By detecting the air temperature before performing the warm-up control in this manner, abnormally high temperature air is prevented from flowing into the fuel cell stack 1.
[0059]
Next, the system controller 18 determines whether or not the opening degree of the three-way valve 21 is fully open (step S22). Here, in this fuel cell system, the three-way valve 21 is fully opened in a normal operation state, and all the air is supplied to the heat exchanger 22 to supply the fuel cell stack 1 with the air temperature lowered. The cooling performance is further increased by increasing the cooling water.
[0060]
When the system controller 18 determines that the opening of the three-way valve 12 is not fully open, the system controller 18 then compares the pre-fuel cell temperature Te detected in step S21 with the cooling threshold value a (step S23), and air If it determines with temperature being larger than the cooling threshold value a, it will control to switch the three-way valve 21 to the heat exchanger 22 side (step S24).
[0061]
When the system controller 18 determines that the pre-fuel cell temperature Te is not greater than the cooling threshold a, the system controller 18 compares the pre-fuel cell temperature Te with the cooling threshold b (step S25). When the system controller 18 determines that the pre-fuel cell temperature Te is not greater than the cooling threshold value b, it determines that the fuel cell stack 1 is overcooled and supplies the heat exchanger 22 of the three-way valve 21 with the valve. Is closed and controlled to be supplied to the bypass side, that is, directly to the fuel cell stack 1 (step S26). Here, the system controller 18 controls the three-way valve 21 so that the opening / closing operation is performed a plurality of times.
[0062]
Further, when the pre-fuel cell temperature Te is greater than the cooling threshold value b, the system controller 18 assumes that the pre-fuel cell temperature Te is equal to or lower than the cooling threshold value a and is equal to or higher than the cooling threshold value b. Do not do.
[0063]
On the other hand, when the system controller 18 determines in step S22 that the opening of the three-way valve 21 is fully open, the system controller 18 then compares the pre-fuel cell temperature Te detected in step S21 with the cooling threshold value a ( Step S27) When the temperature before the fuel cell Te is larger than the cooling threshold value a, the pump 24 is controlled to increase the flow rate of the air supplied through the three-way valve 21, the heat exchanger 22, and the radiator 23 (step S27). Step S28). Thereby, the system controller 18 supplies the cooled air to the fuel cell stack 1 to lower the temperature of the fuel cell stack 1.
[0064]
When it is determined in step S22 that the pre-fuel cell temperature Te is not greater than the cooling threshold value a, the system controller 18 compares the pre-fuel cell temperature Te with the cooling threshold value b (step S29) to determine the fuel. When it is determined that the pre-battery temperature Te is higher than the cooling threshold b, the warm-up control is not performed, and when it is determined that the pre-battery temperature Te is not higher than the cooling threshold b, the flow rate of the pump 24 is decreased. Take control. Here, when the flow rate of the pump 24 has already reached the minimum flow rate, the system controller 18 performs an operation of closing the valve of the flow path on the heat exchanger 22 side of the three-way valve 21 and switching to the bypass side (step S30).
[0065]
According to the fuel cell system that performs such processing, the heat exchanger 22, the radiator 23, and the pump 24 are controlled when the temperature before the fuel cell Te is equal to or higher than the cooling threshold value a, that is, when the temperature of the fuel cell stack 1 is high. Then, the air temperature is lowered and supplied to the fuel cell stack 1, and when the temperature before the fuel cell Te is equal to or lower than the cooling threshold b, that is, when the temperature of the fuel cell stack 1 is low and the warm-up process is necessary, heat is generated. By bypassing the exchanger 22, the air from the compressor 3 is supplied directly to the fuel cell stack 1. Therefore, in this fuel cell system, it is possible to increase the temperature of the fuel cell stack 1 by supplying air heated to a high temperature by the compressor 3 to the fuel cell stack 1.
[0066]
In the fuel cell stack 1, the amount of air that bypasses the heat exchanger 22 can be adjusted according to the pre-fuel cell temperature Te, that is, the warm-up state of the fuel cell stack 1. Thus, it is possible to prevent the fuel cell stack 1 from being damaged due to the high-temperature air being supplied in a state exceeding the allowable heat-resistant temperature of the fuel cell stack 1.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing a fuel cell system to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a flowchart showing a processing procedure of a system controller when a warm-up control process is performed by a fuel cell system to which the present invention is applied.
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between a power generation voltage Vr from a fuel cell stack and the temperature of the fuel cell stack.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the voltage drop amount ΔV and the temperature of the fuel cell stack.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the temperature of the fuel cell stack and the pressure increase amount ΔP.
FIG. 6 is a diagram showing a relationship between cooling water discharged from the fuel cell stack and the temperature of the fuel cell stack.
FIG. 7 is a flowchart showing a processing procedure of the system controller when the air pressure is controlled by the air pressure control valve.
FIG. 8 is a relationship diagram between a target output Pw of a voltage output from the fuel cell stack and a target pressure tP when the air pressure is adjusted by the air pressure control valve.
FIG. 9 is a configuration diagram showing another fuel cell system to which the present invention is applied.
FIG. 10 is a flowchart showing a processing procedure of the system controller when performing warm-up control of the fuel cell stack in the fuel cell system to which the present invention is applied.
[Explanation of symbols]
1 Fuel cell stack
2 Air flow meter
3 Compressor
4 Air pressure sensor
5 Gas-liquid separator for air
6 Air pressure control valve
7 Fuel storage tank
8 Ejector pump
9 Pressure sensor
10 Gas-liquid separator for fuel
11 Fuel pressure control valve
12 Three-way valve
13 Radiator
14 Pump
15 Pure water pressure sensor
16 Water storage tank
17 Valve for drainage
18 System controller
21 Three-way valve
22 Heat exchanger
23 Radiator
24 pump
25 Temperature sensor

Claims

A fuel cell configured to sandwich an electrolyte membrane between an oxidant electrode and a fuel electrode, wherein an oxidant gas is supplied to the oxidant electrode side, and a fuel gas is supplied to the fuel electrode side to generate electric power;
Fuel gas pressure adjusting means for adjusting the pressure of the fuel gas;
Gas supply means for supplying oxidant gas and fuel gas to the fuel cell;
Gas compression means for increasing the pressure of the oxidant gas supplied from the gas supply means to the fuel cell;
Fuel cell cooling means for supplying cooling water to the fuel cell to lower the temperature of the fuel cell;
Cooling water pressure adjusting means for adjusting the pressure of cooling water supplied from the cooling means to the fuel cell;
A warm-up state detecting means for detecting a warm-up state of the fuel cell;
Controlling the fuel gas pressure adjusting means to adjust the pressure of the fuel gas according to the pressure of the oxidant gas, controlling the cooling water pressure adjusting means to adjust the pressure of the cooling water, When it is determined that the fuel cell needs to be warmed up based on the warming-up state detected by the warming-up state detecting means while the fuel cell is generating power, the pressure of the oxidant gas is increased. And a control means for controlling the gas compression means.

The warm-up state detection means detects the warm-up state of the fuel cell based on the output voltage from the fuel cell,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the control means controls the gas compression means based on an output voltage of the fuel cell.

The warm-up state detection means detects the warm-up state of the fuel cell based on the temperature of the cooling water supplied to the fuel cell and discharged by the cooling means,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit controls the gas compression unit based on a temperature of the cooling water.

The gas compression means has a pressure adjustment valve to which the oxidant gas discharged from the fuel cell is supplied, and controls the open / close state of the pressure adjustment valve to adjust the pressure increase amount of the oxidant. The fuel cell system according to claim 1, 2, or 3.

4. The fuel cell system according to claim 1, wherein the gas compression unit includes an oxidant gas compression unit that compresses an oxidant gas from the gas supply unit and supplies the compressed oxidant gas to the fuel cell.

A gas cooling means disposed between the oxidant gas compression means and the fuel cell for cooling the oxidant gas whose pressure has been increased;
A first path for supplying oxidant gas from the oxidant gas compression means to the fuel cell via the cooling means; and a second path for directly supplying oxidant gas from the gas compression means to the fuel cell; Route selection means for selecting and switching,
The fuel cell system according to claim 5, wherein the control unit selects the first route or the second route based on a warm-up state detected by the warm-up state detection unit.