JP5555282B2

JP5555282B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP5555282B2
Application number: JP2012120069A
Authority: JP
Inventors: 宏一朗古澤; 薫山崎
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2032-05-25
Also published as: JP2013246978A

Description

本発明は、燃料供給路にインジェクタなどの開閉弁を備えた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system including an on-off valve such as an injector in a fuel supply path.

特許文献１には、燃料供給路に設けられたインジェクタをフィードバック制御することで燃料電池のアノード流路に供給される流量および圧力を調整することが記載されている。 Patent Document 1 describes that the flow rate and pressure supplied to the anode flow path of the fuel cell are adjusted by feedback control of an injector provided in the fuel supply path.

特開２００７−３２３８７３号公報JP 2007-323873 A

しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、起動時にインジェクタをフィードバック制御すると、直ちにアノード圧力が目標圧力に到達してしまい、途中で水素の供給が停止し、燃料電池が長時間高電位状態に曝されるという問題があった。 However, in the fuel cell system described in Patent Document 1, when the injector is feedback-controlled at startup, the anode pressure immediately reaches the target pressure, the supply of hydrogen stops halfway, and the fuel cell remains in a high potential state for a long time. There was a problem of being exposed to.

本発明は、前記従来の問題を解決するものであり、起動時に燃料電池が長時間高電位状態に曝されるのを防止することが可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。 The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of preventing the fuel cell from being exposed to a high potential state for a long time during startup.

本発明は、アノードに燃料ガスを供給するアノード流路およびカソードに酸化剤ガスを供給するカソード流路を有する燃料電池と、前記アノード流路に燃料ガスを導入する燃料ガス導入流路と、前記アノード流路から燃料オフガスを導出する燃料オフガス導出流路と、前記燃料オフガス導出流路の燃料オフガスを前記燃料ガス導入流路に戻して循環させる接続路と、前記燃料ガス導入流路と前記接続路との合流点に配置されるエゼクタと、前記燃料ガス導入流路の前記エゼクタの上流に設けられ、前記アノード流路に燃料ガスを調圧して供給する第１インジェクタと、前記第１インジェクタをフィードバック制御する制御部と、を備えた燃料電池システムであって、前記制御部は、前記アノード流路内の酸化剤ガスの比率が高いほど燃料ガスの連続噴射時間を長く設定する燃料ガス連続噴射時間算出手段と、前記アノード流路内の酸化剤ガスの比率が高いほど燃料ガスの噴射量を多く設定する燃料ガス噴射量算出手段と、前記燃料ガスの連続噴射時間および前記燃料ガスの噴射量に基づいて前記第１インジェクタの時間当たりの噴射量を算出するインジェクタ噴射量算出手段と、前記燃料電池の起動時に、前記第１インジェクタのフィードバック制御を禁止し、前記時間当たりの噴射量に応じて決定される当該第１インジェクタの駆動周期における開弁時間に基づいて、当該第１インジェクタを駆動するインジェクタ固定駆動手段と、を備えることを特徴とする。 The present invention includes a fuel cell having an anode flow path for supplying fuel gas to the anode and a cathode flow path for supplying oxidant gas to the cathode, a fuel gas introduction flow path for introducing fuel gas into the anode flow path, A fuel off-gas outlet channel for deriving the fuel off-gas from the anode channel, a connection path for circulating the fuel off-gas in the fuel off-gas outlet channel back to the fuel gas inlet channel, and the fuel gas inlet channel and the connection An ejector disposed at a junction with a passage; a first injector provided upstream of the ejector in the fuel gas introduction channel ; and supplying fuel gas to the anode channel by regulating pressure; and the first injector a fuel cell system comprising a control unit, the performing feedback control, the control unit, the fuel gas the higher the proportion of the oxidizing agent gas in the anode channel Fuel gas continuous injection time calculating means for setting a long continuous injection time, fuel gas injection amount calculating means for setting a larger fuel gas injection amount as the ratio of the oxidant gas in the anode flow path is higher, and the fuel gas Injector injection amount calculating means for calculating an injection amount per hour of the first injector based on the continuous injection time and the fuel gas injection amount, and prohibiting feedback control of the first injector when the fuel cell is started and, based on the valve opening time in the driving cycle of the first injector is determined in accordance with the injection amount per the time, characterized by comprising an injector fixed driving means for driving the first injector, the.

これによれば、燃料電池の起動時にはフィードバック制御を行わずに駆動周期に対する開弁時間を固定してインジェクタから燃料ガスをアノード流路に供給するので、例えば、アノード流路が酸化剤ガスで置換されてアノード流路とカソード流路に酸化剤ガスが存在している状態で起動する場合、アノード流路内で酸化剤ガスと燃料ガスとの混合が促進され、燃料電池が高電位となる状態が継続するのを防止できる。
つまり、駆動周期（インターバル）に対する開弁時間（Ｔｉ値）を固定してインジェクタを駆動することにより、アノード流路に供給される燃料ガスの圧力（アノード圧力）を目標とする圧力まで、途中で燃料ガスの供給が停止することなく供給することが可能になる。これにより、アノード流路に燃料ガスを連続的に供給することが可能になり、アノード流路において燃料ガスと酸化剤ガスとの混合が促進されなくなるのを防止できるので、燃料電池が高電位状態に維持されるのを防止できる。 According to this, since the fuel gas is supplied from the injector to the anode flow path by fixing the valve opening time with respect to the driving cycle without performing feedback control when starting the fuel cell, for example, the anode flow path is replaced with the oxidant gas. When starting with the oxidant gas present in the anode flow path and the cathode flow path, the mixing of the oxidant gas and the fuel gas is promoted in the anode flow path, and the fuel cell is at a high potential. Can be prevented from continuing.
That is, by fixing the valve opening time (Ti value) with respect to the driving cycle (interval) and driving the injector, the pressure of the fuel gas (anode pressure) supplied to the anode flow path is reached halfway to the target pressure. It becomes possible to supply the fuel gas without stopping. As a result, it becomes possible to continuously supply the fuel gas to the anode channel, and it is possible to prevent the mixing of the fuel gas and the oxidant gas from being promoted in the anode channel, so that the fuel cell is in a high potential state. Can be prevented from being maintained.

また、前記燃料オフガス導出流路の前記接続路との分岐点よりも下流側に設けられるパージ弁を備え、前記制御部は、前記アノード流路の圧力が目標圧力に到達するまで前記パージ弁の閉弁状態を維持することを特徴とする。 In addition, a purge valve provided downstream of a branch point of the fuel off-gas outlet flow path with the connection path is provided, and the controller controls the purge valve until the pressure of the anode flow path reaches a target pressure. The valve closing state is maintained.
また、前記第１インジェクタおよび前記エゼクタをバイパスする第２インジェクタを備え、制御部は、前記燃料電池の起動時において、前記第２インジェクタの駆動周期における開弁時間に上限値を設定することを特徴とする。 The first injector and a second injector that bypasses the ejector are provided, and the control unit sets an upper limit value for a valve opening time in a drive cycle of the second injector when the fuel cell is started. And

また、前記燃料電池の起動前の停止時間が所定時間以上であるか否かを判定する停止時間判定手段を備え、前記インジェクタ固定駆動手段は、前記停止時間判定手段により前記停止時間が所定時間以上であると判定された場合に前記駆動周期に対する開弁時間を固定して前記第１インジェクタを駆動することを特徴とする。 The fuel cell further includes stop time determination means for determining whether or not the stop time before the start of the fuel cell is equal to or longer than a predetermined time, and the injector fixed drive means includes the stop time determined by the stop time determination means. When it is determined that the first injector is driven, the valve opening time with respect to the driving cycle is fixed.

これによれば、停止時間が所定時間以上の場合にはアノード流路が酸化剤ガスで置換された状態となり、アノード流路とカソード流路のそれぞれに酸化剤ガスが存在している状態での起動と判定される。このような状態であると判定されたときに、駆動周期に対する開弁時間を固定してインジェクタを駆動するので、不必要（無駄）に燃料ガスを供給してしまうことを防止できる。 According to this, when the stop time is equal to or longer than the predetermined time, the anode flow path is replaced with the oxidant gas, and the oxidant gas exists in each of the anode flow path and the cathode flow path. It is determined to be activated. When it is determined to be in such a state, the injector is driven with the valve opening time with respect to the drive cycle fixed, so that it is possible to prevent unnecessary (unnecessary) supply of fuel gas.

また、前記インジェクタ固定駆動手段により前記第１インジェクタを駆動する際の燃料ガスの連続供給時間を算出する連続供給時間算出手段を備え、前記連続供給時間算出手段は、前記停止時間が長いほど前記連続供給時間を長くすることを特徴とする。 Further, the apparatus includes a continuous supply time calculating means for calculating a continuous supply time of the fuel gas when the first injector is driven by the injector fixed drive means, and the continuous supply time calculating means increases the continuous time as the stop time is longer. It is characterized by extending the supply time.

これによれば、連続供給時間算出手段は、アノード流路に存在する酸化剤ガスの比率に応じて連続供給時間（アノード流路に供給する燃料ガスの目標圧力）を可変にするので、インジェクタの駆動時間を不必要（無駄）に長くする必要がなくなる。 According to this, since the continuous supply time calculating means makes the continuous supply time (target pressure of the fuel gas supplied to the anode flow path) variable according to the ratio of the oxidant gas existing in the anode flow path, There is no need to unnecessarily increase the driving time.

また、前記カソード流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池のアノード側とカソード側の極間差圧を検出する極間差圧検出手段と、前記燃料電池の起動時であって、前記インジェクタ固定駆動手段による前記第１インジェクタの駆動中に前記極間差圧が閾値以上になった場合、前記酸化剤ガス供給手段の駆動量を調整して前記極間差圧が前記閾値未満となるように調整する起動時差圧調整手段と、を備えることを特徴とする。 An oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the cathode flow path; an electrode differential pressure detection means for detecting an electrode differential pressure between the anode side and the cathode side of the fuel cell; and activation of the fuel cell When the inter-electrode differential pressure becomes equal to or greater than a threshold value during driving of the first injector by the injector fixed driving means, the driving amount of the oxidant gas supply means is adjusted to adjust the inter-electrode differential pressure And a starting differential pressure adjusting means that adjusts so that is less than the threshold value.

これによれば、極間差圧が過大とならないようにできるので、燃料電池が破損するのを防止できる。 According to this, since the inter-electrode differential pressure can be prevented from becoming excessive, it is possible to prevent the fuel cell from being damaged.

本発明によれば、起動時に燃料電池が長時間高電位状態に曝されるのを防止することが可能な燃料電池システムを提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell system which can prevent that a fuel cell is exposed to a high potential state for a long time at the time of starting can be provided.

本実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。1 is an overall configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment. 通常発電時の動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation | movement at the time of normal electric power generation. 水素噴射量とＴｉ値（開弁時間）との関係をマップである。It is a map of the relationship between hydrogen injection amount and Ti value (valve opening time). 本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of the fuel cell system which concerns on this embodiment. 停止時間と水素連続噴射時間との関係を示すマップである。It is a map which shows the relationship between stop time and hydrogen continuous injection time. 水素噴射量の分配量を算出するためのマップである。It is a map for calculating the distribution amount of hydrogen injection amount. 本実施形態に係る燃料電池システムの動作例を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the operation example of the fuel cell system which concerns on this embodiment. インジェクタ制御およびアノード圧力変化を示し、（ａ）はフィードバック制御を禁止した場合、（ｂ）はフィードバック制御ありの場合である。Injector control and anode pressure change are shown, (a) is when feedback control is prohibited, and (b) is when feedback control is present. 燃料電池における起動時の高電位状態を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the high electric potential state at the time of starting in a fuel cell.

本発明の一実施形態について、図１〜図８を参照して説明する。なお、本実施形態に係る燃料電池システム１は、例えば、図示しない燃料電池車（車両、移動体）に搭載されている。燃料電池車は、例えば、四輪車、三輪車、二輪車、一輪車、列車などである。ただし、その他の移動体、例えば、船舶、航空機に搭載された構成でもよい。または、家庭用や業務用の定置式のものに適用してもよい。 An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The fuel cell system 1 according to the present embodiment is mounted on, for example, a fuel cell vehicle (vehicle, moving body) (not shown). The fuel cell vehicle is, for example, an automobile, a tricycle, a motorcycle, a unicycle, a train, or the like. However, the structure mounted in the other mobile body, for example, a ship, an aircraft, may be sufficient. Alternatively, it may be applied to a stationary type for home use or business use.

図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス、反応ガス）を給排するアノード系、燃料電池スタック１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）を給排するカソード系、燃料電池スタック１０の発電を制御する電力制御系、これらを電子制御するＥＣＵ６０（Electronic Control Unit、電子制御装置）などを備えている。 As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 includes a fuel cell stack 10, an anode system that supplies and discharges hydrogen (fuel gas, reaction gas) to and from the anode of the fuel cell stack 10, and a cathode of the fuel cell stack 10. A cathode system that supplies and discharges oxygen-containing air (oxidant gas, reaction gas), a power control system that controls the power generation of the fuel cell stack 10, and an ECU 60 (Electronic Control Unit) that electronically controls them. I have.

燃料電池スタック１０は、複数の固体高分子型の単セル１１が積層して構成されたスタックであり、複数の単セル１１が電気的に直列で接続されている。単セル１１は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟む２枚の導電性を有するセパレータと、を備えている。ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜などからなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノードおよびカソード（電極）とを備えている。 The fuel cell stack 10 is a stack formed by stacking a plurality of solid polymer type single cells 11, and the plurality of single cells 11 are electrically connected in series. The single cell 11 includes an MEA (Membrane Electrode Assembly) and two conductive separators sandwiching the MEA. The MEA includes an electrolyte membrane (solid polymer membrane) made of a monovalent cation exchange membrane and the like, and an anode and a cathode (electrode) that sandwich the membrane.

アノードおよびカソードは、カーボンペーパなどの導電性を有する多孔質体と、これに担持され、アノードおよびカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔなど）と、を含んでいる。 The anode and the cathode include a porous body having conductivity such as carbon paper, and a catalyst (Pt or the like) that is supported on the porous body and causes an electrode reaction in the anode and the cathode.

各セパレータには、各ＭＥＡの全面に水素または空気を供給するための溝や、全単セル１１に水素または空気を給排するための貫通孔が形成されており、これら溝および貫通孔がアノード流路１２（燃料ガス流路）、カソード流路１３（酸化剤ガス流路）として機能している。 Each separator is formed with a groove for supplying hydrogen or air to the entire surface of each MEA and a through hole for supplying or discharging hydrogen or air to or from all the single cells 11. It functions as a channel 12 (fuel gas channel) and a cathode channel 13 (oxidant gas channel).

そして、アノード流路１２を介して各アノードに水素が供給され、カソード流路１３を介して各カソードに空気が供給されると、各単セル１１で電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。次いで、燃料電池スタック１０とモータ４１などの外部回路とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。 When hydrogen is supplied to each anode via the anode flow channel 12 and air is supplied to each cathode via the cathode flow channel 13, a potential difference (OCV (Open Circuit Voltage), open circuit) is generated in each single cell 11. Voltage) is generated. Next, when the fuel cell stack 10 and an external circuit such as the motor 41 are electrically connected and current is taken out, the fuel cell stack 10 generates power.

セル電圧モニタ１５は、燃料電池スタック１０を構成する複数の単セル１１毎のセル電圧を検出する機器であり、モニタ本体と、モニタ本体と各単セルとを接続するワイヤハーネスとを備えている。 The cell voltage monitor 15 is a device that detects a cell voltage for each of the plurality of single cells 11 constituting the fuel cell stack 10, and includes a monitor main body and a wire harness that connects the monitor main body and each single cell. .

モニタ本体は、所定周期で全ての単セル１１をスキャニングし、各単セル１１のセル電圧を検出し、平均セル電圧、最低セル電圧を算出するようになっている。そして、モニタ本体（セル電圧モニタ１５）は、平均セル電圧、最低セル電圧をＥＣＵ６０に出力するようになっている。 The monitor body scans all the single cells 11 at a predetermined period, detects the cell voltage of each single cell 11, and calculates the average cell voltage and the lowest cell voltage. The monitor body (cell voltage monitor 15) outputs an average cell voltage and a minimum cell voltage to the ECU 60.

アノード系は、水素タンク２１（燃料ガス供給源）、常閉型の遮断弁２２、第１インジェクタ２３Ａ（燃料ガス調圧供給手段：図１，図４，図６，図７ではＩＮＪＡと表記）、第２インジェクタ２３Ｂ（燃料ガス調圧供給手段：図１，図４，図６，図７ではＩＮＪＢＰと表記）、エゼクタ２４、逆止弁２５、パージ弁２６、水素ポンプ２７、圧力センサ２８（極間差圧検出手段）、温度センサ２９などを備えている。 The anode system includes a hydrogen tank 21 (fuel gas supply source), a normally closed shut-off valve 22, and a first injector 23A (fuel gas pressure supply means: expressed as INJA in FIGS. 1, 4, 6, and 7) , Second injector 23B (fuel gas pressure supply means: expressed as INJBP in FIGS. 1, 4, 6 and 7), ejector 24, check valve 25, purge valve 26, hydrogen pump 27, pressure sensor 28 ( And a temperature sensor 29 and the like.

なお、第１インジェクタ２３Ａおよび第２インジェクタ２３Ｂは、例えば、同種のもの（同一性能を有するもの）を使用してもよく、または第１インジェクタ２３Ａが第２インジェクタ２３Ｂよりも大流量の水素を噴射できるものを使用してもよく、または第２インジェクタ２３Ｂが第１インジェクタ２３Ａよりも大流量の水素を噴射できるものを使用してもよく、適宜変更することができる。 The first injector 23A and the second injector 23B may be the same type (having the same performance), for example, or the first injector 23A injects hydrogen at a larger flow rate than the second injector 23B. What can be used may be used, or the second injector 23B may be capable of injecting a larger flow rate of hydrogen than the first injector 23A, and can be appropriately changed.

水素タンク２１は、配管２１ａ、遮断弁２２、配管２２ａ、第１インジェクタ２３Ａ、配管２３ａ、エゼクタ２４、配管２４ａを介して、アノード流路１２の入口１２ａに接続されている。配管２２ａは、配管２２ｂ、第２インジェクタ２３Ｂ、配管２３ｂを介して、配管２４ａに接続されている。そして、遮断弁２２が開いた状態で、第１インジェクタ２３Ａおよび／または第２インジェクタ２３Ｂが水素を噴射すると、水素タンク２１の水素が配管２１ａなどを通って、アノード流路１２に供給されるようになっている。 The hydrogen tank 21 is connected to the inlet 12a of the anode flow path 12 via a pipe 21a, a shutoff valve 22, a pipe 22a, a first injector 23A, a pipe 23a, an ejector 24, and a pipe 24a. The pipe 22a is connected to the pipe 24a via the pipe 22b, the second injector 23B, and the pipe 23b. Then, when the first injector 23A and / or the second injector 23B injects hydrogen with the shut-off valve 22 open, the hydrogen in the hydrogen tank 21 is supplied to the anode flow path 12 through the pipe 21a and the like. It has become.

なお、配管２２ｂの接続点よりも上流の配管２２ａには、水素の圧力を下げる図示しない減圧弁（レギュレータ）が設けられている。この減圧弁は、カソード系の圧力をパイロット圧として作動するものであってもよく、またはカソード系とは独立して電気的に制御されるものであってもよい。 A pressure reducing valve (regulator) (not shown) for reducing the hydrogen pressure is provided in the piping 22a upstream from the connection point of the piping 22b. This pressure reducing valve may be operated using the cathode system pressure as a pilot pressure, or may be electrically controlled independently of the cathode system.

ここで、アノード流路１２の入口１２ａに接続され、アノード流路１２に供給される水素が通流する燃料ガス導入流路は、配管２１ａと、配管２２ａと、配管２３ａと、配管２４ａと、配管２２ｂと、配管２３ｂと、を備えて構成されている。そして、エゼクタ２４は、前記燃料ガス導入流路と、後記する配管２５ｂ（接続路）との接続点に設けられている。 Here, the fuel gas introduction flow path through which the hydrogen supplied to the anode flow path 12 is connected to the inlet 12a of the anode flow path 12 includes a pipe 21a, a pipe 22a, a pipe 23a, a pipe 24a, A pipe 22b and a pipe 23b are provided. The ejector 24 is provided at a connection point between the fuel gas introduction channel and a pipe 25b (connection channel) described later.

また、第１インジェクタ２３Ａは、前記接続点（エゼクタ２４）よりも上流の前記燃料ガス導入流路に設けられている。さらに、第１インジェクタ２３Ａよりも上流の前記燃料ガス導入流路と、エゼクタ２４よりも下流の前記燃料ガス導入流路とを接続し、水素タンク２１からの水素が第１インジェクタ２３Ａおよびエゼクタ２４をバイパスするバイパス流路は、配管２２ｂと配管２３ｂとを備えて構成されている。そして、第２インジェクタ２３Ｂは、前記バイパス流路に設けられている。 The first injector 23A is provided in the fuel gas introduction flow channel upstream of the connection point (ejector 24). Further, the fuel gas introduction flow path upstream from the first injector 23A and the fuel gas introduction flow path downstream from the ejector 24 are connected, and hydrogen from the hydrogen tank 21 connects the first injector 23A and the ejector 24 with each other. The bypass flow path for bypassing includes a pipe 22b and a pipe 23b. And the 2nd injector 23B is provided in the said bypass flow path.

水素タンク２１は、水素が高圧で封入されるタンクである。
遮断弁２２は、例えば、電磁作動式のものであり、ＥＣＵ６０からの指令にしたがって、開閉するようになっている。 The hydrogen tank 21 is a tank in which hydrogen is sealed at a high pressure.
The shut-off valve 22 is, for example, an electromagnetically operated type and opens and closes according to a command from the ECU 60.

第１インジェクタ２３Ａおよび第２インジェクタ２３Ｂは、ＥＣＵ６０により電子制御されることで、通常時に水素を間欠的（断続的）に噴射するものであり、起動時に必要に応じて水素を短時間連続的（本実施形態では第１インジェクタ２３Ａのみ）に噴射するものである。 The first injector 23A and the second injector 23B are electronically controlled by the ECU 60, thereby injecting hydrogen intermittently (intermittently) during normal operation. In the present embodiment, only the first injector 23A is injected.

なお、第１インジェクタ２３Ａ、第２インジェクタ２３Ｂ、遮断弁２２、水素ポンプ２７、後記するエアポンプ３１および背圧弁３３は、燃料電池スタック１０および／または後記するバッテリ４４を電源としている。 The first injector 23A, the second injector 23B, the shutoff valve 22, the hydrogen pump 27, the air pump 31 and the back pressure valve 33 described later are powered by the fuel cell stack 10 and / or the battery 44 described later.

第１インジェクタ２３Ａおよび第２インジェクタ２３Ｂは、ハウジング、ソレノイド、プランジャ、圧縮コイルばね、ノズルなど公知の部品を組み合わせて構成されている。第１インジェクタ２３Ａおよび第２インジェクタ２３Ｂは、ＥＣＵ６０によって電子制御されるものであるので、ＥＣＵ６０からの指令（開指令／閉指令）に対する応答性が良く、制御性が良好である。 The first injector 23A and the second injector 23B are configured by combining known parts such as a housing, a solenoid, a plunger, a compression coil spring, and a nozzle. Since the first injector 23A and the second injector 23B are electronically controlled by the ECU 60, the responsiveness to the command (open command / close command) from the ECU 60 is good, and the controllability is good.

エゼクタ２４は、水素（第１インジェクタ２３Ａからの水素）を噴射することで負圧を発生させるノズル２４ｂと、水素と前記負圧で吸引された配管２５ａおよび配管２５ｂのアノードオフガス（燃料オフガス）を混合し、配管２４ａ（アノード流路１２）に向けて供給するディフューザ２４ｃと、を備えている。 The ejector 24 injects hydrogen (hydrogen from the first injector 23A) to generate a negative pressure, a nozzle 24b that generates negative pressure, and the hydrogen off and the anode off-gas (fuel off-gas) of the pipe 25a and the pipe 25b sucked at the negative pressure. And a diffuser 24c that mixes and supplies the pipe 24a (the anode flow path 12).

アノード流路１２の出口１２ｂは、配管２６ａ、配管２５ａ、逆止弁２５、配管２５ｂを介して、エゼクタ２４の吸気口に接続されている。そして、アノード流路１２から排出された未消費の水素を含むアノードオフガス（燃料オフガス）が、エゼクタ２４（燃料ガス導入流路）に戻されるようになっている。 The outlet 12b of the anode channel 12 is connected to the intake port of the ejector 24 via a pipe 26a, a pipe 25a, a check valve 25, and a pipe 25b. Then, anode offgas (fuel offgas) containing unconsumed hydrogen discharged from the anode channel 12 is returned to the ejector 24 (fuel gas introduction channel).

なお、逆止弁２５は、アノードオフガスの逆流を防止する弁である。また、配管２６ａには、アノードオフガスに同伴する液状の水分を分離する気液分離器（図示しない）が設けられている。 The check valve 25 is a valve that prevents the backflow of the anode off gas. The pipe 26a is provided with a gas-liquid separator (not shown) that separates liquid water accompanying the anode off gas.

配管２６ａは、パージ弁２６、配管２６ｂを介して、後記する希釈器３４に接続されている。パージ弁２６は、燃料電池スタック１０の発電時に、循環流路（アノード流路１２、配管２６ａ，２５ａ，２５ｂ，２４ａ）を循環するアノードオフガスに含まれる不純物（水蒸気、窒素など）を排出（パージ）する場合や、システム起動時にアノード流路１２を水素に置換する場合、ＥＣＵ６０によって開かれる。なお、本実施形態では、配管２６ａ，２６ｂが燃料オフガス導出流路に相当する。 The pipe 26a is connected to a diluter 34 described later via a purge valve 26 and a pipe 26b. The purge valve 26 discharges (purges) impurities (water vapor, nitrogen, etc.) contained in the anode off-gas that circulates in the circulation flow path (the anode flow path 12, the pipes 26a, 25a, 25b, 24a) when the fuel cell stack 10 generates power. ), Or when the anode flow path 12 is replaced with hydrogen when the system is started up, the ECU 60 opens it. In the present embodiment, the pipes 26a and 26b correspond to fuel off-gas outlet channels.

水素ポンプ２７は、アノード流路１２の出口１２ｂから排出されたアノードオフガス（燃料オフガス）をアノード流路１２の入口１２ａに戻して循環させる循環装置であり、ＥＣＵ６０からの指令により制御される。 The hydrogen pump 27 is a circulation device that circulates the anode off gas (fuel off gas) discharged from the outlet 12 b of the anode flow path 12 back to the inlet 12 a of the anode flow path 12, and is controlled by a command from the ECU 60.

また、水素ポンプ２７の導入口は、配管２７ａを介して配管２６ａに接続され、配管２７ａが配管２６ａの配管２５ａとの接続点よりも上流側に接続されている。また、水素ポンプ２７の導出口は、配管２７ｂを介して配管２４ａに接続され、配管２７ｂが配管２４ａの配管２３ｂとの接続点よりも下流側に接続されている。 The introduction port of the hydrogen pump 27 is connected to the pipe 26a via the pipe 27a, and the pipe 27a is connected upstream of the connection point of the pipe 26a with the pipe 25a. The outlet of the hydrogen pump 27 is connected to the pipe 24a via the pipe 27b, and the pipe 27b is connected to the downstream side of the connection point between the pipe 24a and the pipe 23b.

圧力センサ２８は、アノード流路１２の入口１２ａの近傍の配管２４ａに取り付けられている。また、圧力センサ２８は、配管２４ａ内のアノード圧力Ｐａ（アノード流路１２の圧力と略等しい）を検出し、ＥＣＵ６０に出力するようになっている。 The pressure sensor 28 is attached to a pipe 24 a in the vicinity of the inlet 12 a of the anode channel 12. Further, the pressure sensor 28 detects the anode pressure Pa (substantially equal to the pressure in the anode flow path 12) in the pipe 24a and outputs it to the ECU 60.

温度センサ２９は、アノード流路１２の出口１２ｂの近傍の配管２６ａに取り付けられている。また、温度センサ２９は、燃料電池スタック１０の温度を検出し、ＥＣＵ６０に出力するようになっている。なお、燃料電池スタック１０の温度を検出できる位置であれば、本実施形態に限定されるものではなく、カソード流路１３の出口側の配管３２ｂであってもよく、燃料電池スタック１０を冷却する冷却系の冷媒出口側の配管（図示せず）であってもよく、または燃料電池スタック１０を直接に検出するものであってもよい。 The temperature sensor 29 is attached to a pipe 26 a in the vicinity of the outlet 12 b of the anode channel 12. The temperature sensor 29 detects the temperature of the fuel cell stack 10 and outputs it to the ECU 60. Note that the position is not limited to the present embodiment as long as the temperature of the fuel cell stack 10 can be detected. The pipe 32b on the outlet side of the cathode flow path 13 may be used to cool the fuel cell stack 10. A pipe (not shown) on the refrigerant outlet side of the cooling system may be used, or the fuel cell stack 10 may be directly detected.

カソード系は、エアポンプ３１（酸化剤ガス供給手段）、加湿器３２、背圧弁３３、希釈器３４、圧力センサ３５（極間差圧検出手段）などを備えている。 The cathode system includes an air pump 31 (oxidant gas supply means), a humidifier 32, a back pressure valve 33, a diluter 34, a pressure sensor 35 (interelectrode differential pressure detection means), and the like.

エアポンプ３１の吐出口は、配管３１ａ、加湿器３２、配管３２ａを介してカソード流路１３の入口に接続されている。また、エアポンプ３１は、モータ（不図示）で駆動されるものであり、ＥＣＵ６０の指令にしたがって作動すると、酸素を含む空気を取り込み、カソード流路１３に向けて供給するようになっている。 The discharge port of the air pump 31 is connected to the inlet of the cathode channel 13 via a pipe 31a, a humidifier 32, and a pipe 32a. The air pump 31 is driven by a motor (not shown). When operated according to a command from the ECU 60, the air pump 31 takes in oxygen-containing air and supplies it to the cathode flow path 13.

カソード流路１３の出口は、配管３２ｂ、加湿器３２、配管３３ａ、背圧弁３３、配管３３ｂを介して、希釈器３４に接続されている。カソード流路１３からのカソードオフガス（酸化剤オフガス）は、希釈器３４に向けて排出されるようになっている。 The outlet of the cathode channel 13 is connected to a diluter 34 via a pipe 32b, a humidifier 32, a pipe 33a, a back pressure valve 33, and a pipe 33b. Cathode off-gas (oxidant off-gas) from the cathode channel 13 is discharged toward the diluter 34.

加湿器３２は、水分が透過可能な中空糸膜（図示せず）を備え、この中空糸膜を介して、エアポンプ３１からの新規空気と、カソード流路１３の出口からの多湿なカソードオフガスとの間で水分交換させ、新規空気を加湿するものである。 The humidifier 32 includes a hollow fiber membrane (not shown) that is permeable to moisture, and through this hollow fiber membrane, new air from the air pump 31 and a humid cathode off gas from the outlet of the cathode channel 13 Water is exchanged between the two to humidify the new air.

背圧弁３３は、常開型のバタフライ弁などで構成され、ＥＣＵ６０の指令にしたがって、その背圧（カソード流路１３の圧力）を制御するようになっている。ちなみに、アノードとカソードの極間差圧が大きくなり過ぎないように、背圧弁３３の開度を調整することで、カソード圧力Ｐｃを上昇／低下させることができる。 The back pressure valve 33 is configured by a normally open butterfly valve or the like, and controls the back pressure (pressure in the cathode flow path 13) in accordance with a command from the ECU 60. Incidentally, the cathode pressure Pc can be increased / decreased by adjusting the opening of the back pressure valve 33 so that the differential pressure between the anode and the cathode does not become too large.

希釈器３４は、アノードオフガスとカソードオフガスとを混合し、アノードオフガス中の水素を、カソードオフガス（希釈用ガス）で希釈する容器であり、その内部に希釈空間を備えている。そして、希釈後のガスは、配管３４ａを介して、車外に排出されるようになっている。 The diluter 34 is a container that mixes the anode off-gas and the cathode off-gas, and dilutes the hydrogen in the anode off-gas with the cathode off-gas (dilution gas), and has a dilution space therein. The diluted gas is discharged out of the vehicle through the pipe 34a.

圧力センサ３５は、カソード流路１３の入口近傍の配管３２ａに取り付けられている。また、圧力センサ３５は、配管３２ａ内のカソード圧力Ｐｃ（カソード流路１３の圧力と略等しい）を検出し、ＥＣＵ６０に出力するようになっている。 The pressure sensor 35 is attached to a pipe 32 a in the vicinity of the inlet of the cathode channel 13. The pressure sensor 35 detects the cathode pressure Pc (substantially equal to the pressure in the cathode flow path 13) in the pipe 32a and outputs it to the ECU 60.

電力制御系は、モータ４１、ＰＤＵ４２（Power Drive Unit）、電力制御器４３、バッテリ４４、コンタクタ４５などを備えている。モータ４１は、ＰＤＵ４２、電力制御器４３、コンタクタ４５を介して、燃料電池スタック１０の出力端子（図示しない）に接続されており、バッテリ４４は、電力制御器４３に接続されている。すなわち、モータ４１とバッテリ４４とは、電力制御器４３（燃料電池スタック１０）に対して並列で接続されている。 The power control system includes a motor 41, a PDU 42 (Power Drive Unit), a power controller 43, a battery 44, a contactor 45, and the like. The motor 41 is connected to an output terminal (not shown) of the fuel cell stack 10 via the PDU 42, the power controller 43, and the contactor 45, and the battery 44 is connected to the power controller 43. That is, the motor 41 and the battery 44 are connected in parallel to the power controller 43 (fuel cell stack 10).

モータ４１は、燃料電池車を走行させるための駆動力を発生する電動機である。 The motor 41 is an electric motor that generates a driving force for running the fuel cell vehicle.

ＰＤＵ４２は、ＥＣＵ６０の指令にしたがって、電力制御器４３からの直流電力を三相交流電力に変換し、モータ４１に供給するインバータである。 The PDU 42 is an inverter that converts DC power from the power controller 43 into three-phase AC power and supplies it to the motor 41 in accordance with a command from the ECU 60.

電力制御器４３は、ＥＣＵ６０の指令にしたがって、燃料電池スタック１０の出力（発電電力、電流値、電圧値）を制御する機能と、バッテリ４４の充放電を制御する機能と、を備えている。このような電力制御器４３は、ＤＣ−ＤＣチョッパ回路などの各種電子回路を備えて構成される。 The power controller 43 has a function of controlling the output (generated power, current value, voltage value) of the fuel cell stack 10 and a function of controlling charging / discharging of the battery 44 in accordance with a command from the ECU 60. Such a power controller 43 includes various electronic circuits such as a DC-DC chopper circuit.

バッテリ４４は、電力を充電／放電する蓄電装置であり、例えば、リチウムイオン型の単電池を複数組み合わせてなる組電池で構成されている。 The battery 44 is a power storage device that charges / discharges electric power, and includes, for example, an assembled battery formed by combining a plurality of lithium ion type cells.

コンタクタ４５は、燃料電池スタック１０と電力制御器４３との間に配設され、燃料電池スタック１０と外部負荷（モータ４１、バッテリ４４など）との接続／遮断を行う開閉器を備えて構成され、ＥＣＵ６０によって開閉される。 The contactor 45 is provided between the fuel cell stack 10 and the power controller 43 and includes a switch that connects / disconnects the fuel cell stack 10 and an external load (motor 41, battery 44, etc.). The ECU 60 is opened and closed.

ＩＧ５１は、燃料電池システム１（燃料電池車）の起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。また、ＩＧ５１はＥＣＵ６０と接続されており、ＥＣＵ６０はＩＧ５１のＯＮ信号（システム起動信号）、ＯＦＦ信号（システム停止信号）を検知するようになっている。 The IG 51 is a start switch of the fuel cell system 1 (fuel cell vehicle), and is provided around the driver's seat. The IG 51 is connected to the ECU 60, and the ECU 60 detects an ON signal (system start signal) and an OFF signal (system stop signal) of the IG 51.

タイマ５２は、ＩＧ５１のＯＦＦ信号を検知してからＯＮ信号を検知するまでの燃料電池スタック１０の停止時間（燃料電池スタック１０の起動前の停止時間）を計測するものであり、計測した停止時間をＥＣＵ６０に出力するようになっている。 The timer 52 measures the stop time of the fuel cell stack 10 from when the OFF signal of the IG 51 is detected until the ON signal is detected (stop time before starting the fuel cell stack 10). Is output to the ECU 60.

ＥＣＵ６０は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムにしたがって、各種機器を制御し、各種処理を実行するようになっている。 The ECU 60 is a control device that electronically controls the fuel cell system 1 and includes a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), various interfaces, an electronic circuit, and the like. In accordance with a program stored therein, various devices are controlled and various processes are executed.

また、ＥＣＵ６０は、第１インジェクタ２３Ａおよび第２インジェクタ２３ＢをＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御する機能を備えている。すなわち、ＥＣＵ６０は、インターバル（駆動周期、開弁開始から次の開弁開始までの間隔）に対する第１インジェクタ２３Ａおよび第２インジェクタ２３Ｂに出力する開指令（開弁時間［Ｔｉ値］、ＯＮデューティ）の比率を可変にすることで、第１インジェクタ２３Ａおよび第２インジェクタ２３Ｂからの水素の噴射量（流量）と、アノード流路１２に供給される水素の流量（総流量）を制御する機能を備えている。 The ECU 60 has a function of controlling the first injector 23A and the second injector 23B by PWM (Pulse Width Modulation). In other words, the ECU 60 outputs an opening command (valve opening time [Ti value], ON duty) to be output to the first injector 23A and the second injector 23B with respect to an interval (drive period, interval from the start of opening of the valve to the next opening of valve). By varying the ratio, the function of controlling the hydrogen injection amount (flow rate) from the first injector 23A and the second injector 23B and the flow rate (total flow rate) of hydrogen supplied to the anode flow path 12 is provided. ing.

次に、燃料電池システム１の動作について、図２ないし図８を参照して説明する。まず、燃料電池スタック１０の通常発電時の動作（フィードバック制御ありの動作）について図２および図３を参照して説明し、そして、燃料電池スタック１０の起動時の動作（フィードバック制御なしの動作）について図４ないし図８を参照して説明する。 Next, the operation of the fuel cell system 1 will be described with reference to FIGS. First, the operation of the fuel cell stack 10 during normal power generation (operation with feedback control) will be described with reference to FIGS. 2 and 3, and the operation at the time of startup of the fuel cell stack 10 (operation without feedback control). Will be described with reference to FIGS.

図２に示すように、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１０１において、圧力センサ２８によってアノード流路１２の圧力（アノード圧力）Ｐａを検出する。 As shown in FIG. 2, the ECU 60 detects the pressure (anode pressure) Pa of the anode flow path 12 by the pressure sensor 28 in step S101.

そして、ステップＳ１０２に進み、ＥＣＵ６０は、水素噴射量ＱＩと水素噴射量ＱＦＢをそれぞれ算出する。なお、水素噴射量ＱＩは、燃料電池スタック１０の発電電流に基づいて算出される。つまり、水素噴射量ＱＩは、発電電流の検出時において燃料電池スタック１０で単位時間当たりに消費されている水素の量に相当する。水素噴射量ＱＦＢは、ステップＳ１０１で検出したアノード圧力Ｐａと目標とするアノード圧力との差に基づいて算出される。なお、目標とするアノード圧力＞検出したアノード圧力の場合、ＱＦＢ＞０である。 In step S102, the ECU 60 calculates a hydrogen injection amount QI and a hydrogen injection amount QFB, respectively. The hydrogen injection amount QI is calculated based on the generated current of the fuel cell stack 10. That is, the hydrogen injection amount QI corresponds to the amount of hydrogen consumed per unit time in the fuel cell stack 10 when the generated current is detected. The hydrogen injection amount QFB is calculated based on the difference between the anode pressure Pa detected in step S101 and the target anode pressure. In addition, when target anode pressure> detected anode pressure, QFB> 0.

そして、ステップＳ１０３に進み、ＥＣＵ６０は、水素噴射量ＱＩに水素噴射量ＱＦＢを加算して、目標とする水素噴射量Ｑを算出する。 In step S103, the ECU 60 adds the hydrogen injection amount QFB to the hydrogen injection amount QI to calculate the target hydrogen injection amount Q.

そして、ステップＳ１０４に進み、ＥＣＵ６０は、図３に示すマップに基づいて第１インジェクタ２３Ａ、第２インジェクタ２３ＢのＴｉ値（開弁時間）を算出する。図３に示すように、第１インジェクタ２３Ａ（ＩＮＪＡ）は、水素噴射量Ｑが増加するにつれてＴｉ値が高くなるように設定され、水素噴射量ＱがＱｓのとき全開となる。また、第２インジェクタ２３Ｂ（ＩＮＪＢＰ）は、水素噴射量ＱがＱｓを超えたときに作動し、水素噴射量Ｑが増加するにつれてＴｉ値が高くなるように設定される。 In step S104, the ECU 60 calculates the Ti values (valve opening times) of the first injector 23A and the second injector 23B based on the map shown in FIG. As shown in FIG. 3, the first injector 23A (INJA) is set so that the Ti value increases as the hydrogen injection amount Q increases, and is fully opened when the hydrogen injection amount Q is Qs. The second injector 23B (INJBP) operates when the hydrogen injection amount Q exceeds Qs, and is set so that the Ti value increases as the hydrogen injection amount Q increases.

例えば、水素噴射量Ｑが、水素噴射量Ｑｓ以下であるＱ１００の場合には、第１インジェクタ２３Ａのみを作動させて、第１インジェクタ２３ＡのＴｉ値（開弁時間）をＴｉ１００に設定する。また、水素噴射量Ｑが水素噴射量Ｑｓを超えるＱ２００の場合には、第１インジェクタ２３Ａと第２インジェクタ２３Ｂの双方を作動させて、第１インジェクタ２３ＡのＴｉ値（全開）をＴｉ２０１に設定し、第２インジェクタ２３ＢのＴｉ値をＴｉ２０２に設定する。つまり、第１インジェクタ２３Ａのみでは水素噴射量が不足する場合には、第１インジェクタ２３Ａと第２インジェクタ２３Ｂの双方を作動させて、必要な水素噴射量を確保する。 For example, when the hydrogen injection amount Q is Q100 which is equal to or less than the hydrogen injection amount Qs, only the first injector 23A is operated, and the Ti value (valve opening time) of the first injector 23A is set to Ti100. Further, when the hydrogen injection amount Q is Q200 exceeding the hydrogen injection amount Qs, both the first injector 23A and the second injector 23B are operated, and the Ti value (fully opened) of the first injector 23A is set to Ti201. The Ti value of the second injector 23B is set to Ti202. That is, when the hydrogen injection amount is insufficient with only the first injector 23A, both the first injector 23A and the second injector 23B are operated to ensure the necessary hydrogen injection amount.

そして、ステップＳ１０５に進み、ＥＣＵ６０は、第１インジェクタ２３Ａのみを開弁時間Ｔｉ１００で作動させ、または第１インジェクタ２３Ａを開弁時間Ｔｉ２０１で作動させるとともに第２インジェクタ２３Ｂを開弁時間Ｔｉ２０２で作動させて、燃料電池スタック１０に水素を投入する。なお、第１インジェクタ２３Ａのみを用いるか、第１インジェクタ２３Ａと第２インジェクタ２３Ｂとを用いるかは、前記したように、算出された目標となる水素噴射量Ｑに基づいて決定される。 In step S105, the ECU 60 operates only the first injector 23A with the valve opening time Ti100, or operates the first injector 23A with the valve opening time Ti201 and operates the second injector 23B with the valve opening time Ti202. Then, hydrogen is charged into the fuel cell stack 10. Whether only the first injector 23A is used or whether the first injector 23A and the second injector 23B are used is determined based on the calculated target hydrogen injection amount Q as described above.

一方、燃料電池スタック１０の起動時においては、図４に示すように、ＥＣＵ６０は、ＩＧ５１のＯＮ信号の検知（燃料電池スタック１０の起動）後、ステップＳ２０１において、燃料電池スタック１０の停止時間を計測して、停止時間が所定時間以上であるか否かを判定する（停止時間判定手段）。なお、停止時間は、ＩＧ５１のＯＦＦ信号を検知してからＯＮ信号を検知するまでの時間（燃料電池スタック１０の発電停止時間に略等しい）である。なお、停止時間は、タイマ５２により計測される。 On the other hand, when the fuel cell stack 10 is started, as shown in FIG. 4, the ECU 60 determines the stop time of the fuel cell stack 10 in step S <b> 201 after detecting the ON signal of the IG 51 (starting of the fuel cell stack 10). Measurement is performed to determine whether or not the stop time is equal to or longer than a predetermined time (stop time determination means). The stop time is the time from when the IG51 OFF signal is detected until the ON signal is detected (generally equal to the power generation stop time of the fuel cell stack 10). The stop time is measured by the timer 52.

なお、停止時間が所定時間以上である場合とは、アノード流路１２とカソード流路１３に空気がそれぞれ存在している状態であり、燃料電池スタック１０を起動してアノード流路１２の入口１２ａから水素を供給したときに、アノード流路１２の入口１２ａ側と出口１２ｂ側とで、水素の濃度差が生じて、燃料電池スタック１０が高電位となる状態をいう。なお、アノード流路１２の空気は、例えば、発電停止中にカソード流路１３の空気が電解質膜を透過してきたものである。燃料電池スタック１０が高電位となるメカニズムについては後記する。 Note that the case where the stop time is equal to or longer than the predetermined time is a state in which air exists in each of the anode flow path 12 and the cathode flow path 13, and the fuel cell stack 10 is activated to enter the inlet 12 a of the anode flow path 12. When hydrogen is supplied from, the hydrogen concentration difference occurs between the inlet 12a side and the outlet 12b side of the anode channel 12, and the fuel cell stack 10 is at a high potential. Note that the air in the anode flow path 12 is, for example, the air in the cathode flow path 13 that has passed through the electrolyte membrane during power generation stoppage. The mechanism by which the fuel cell stack 10 becomes a high potential will be described later.

ステップＳ２０１において、ＥＣＵ６０は、停止時間が所定時間以上であると判定した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ２０２に進み、停止時間が所定時間未満であると判定した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ２１２に進む。なお、ステップＳ２０２に進むことで、フィードバック制御が禁止される。 In step S201, when the ECU 60 determines that the stop time is equal to or longer than the predetermined time (Yes), the ECU 60 proceeds to step S202, and when it is determined that the stop time is less than the predetermined time (No), step S212. Proceed to Note that the feedback control is prohibited by proceeding to step S202.

ステップＳ２０２において、ＥＣＵ６０は、アノード圧力Ｐａ、カソード圧力Ｐｃおよびアノード出口温度Ｔａをそれぞれ取得する。なお、アノード圧力Ｐａ、カソード圧力Ｐｃ、アノード出口温度Ｔａは、それぞれ、圧力センサ２８、圧力センサ３５、温度センサ２９によって検出される。 In step S202, the ECU 60 acquires the anode pressure Pa, the cathode pressure Pc, and the anode outlet temperature Ta. The anode pressure Pa, the cathode pressure Pc, and the anode outlet temperature Ta are detected by the pressure sensor 28, the pressure sensor 35, and the temperature sensor 29, respectively.

そして、ステップＳ２０３に進み、ＥＣＵ６０は、水素噴射量Ｑおよび水素連続噴射時間（連続供給時間）Ｔを算出する。 In step S203, the ECU 60 calculates a hydrogen injection amount Q and a hydrogen continuous injection time (continuous supply time) T.

なお、水素噴射量Ｑは、以下の式（Ａ）および式（Ｂ）に基づいて算出される。
（Ａ）・・・Ｐｂ＝Ｐｃ＋Ｐｄｐ
（Ｂ）・・・Ｑ＝（Ｐｂ−Ｐａ）×Ｖａ／（Ｒ×（Ｔａ＋２７３．１５））
Ｐｂ：アノード圧力上限値
Ｐｄｐ：極間差圧の上限値
Ｖａ：アノード流路の体積（固定値）
Ｒ：ガス定数 The hydrogen injection amount Q is calculated based on the following equations (A) and (B).
(A) ... Pb = Pc + Pdp
(B) ... Q = (Pb−Pa) × Va / (R × (Ta + 273.15))
Pb: Anode pressure upper limit
Pdp: Upper limit of the inter-electrode differential pressure
Va: Volume of anode channel (fixed value)
R: Gas constant

また、水素連続噴射時間Ｔは、図５に示すマップに基づいて算出される（連続供給時間算出手段）。すなわち、図５のマップでは、停止時間が長くなるにつれて水素連続噴射時間Ｔが長くなるように設定される。これは、停止時間が長くなるにつれてアノード流路１２内の空気の比率が高くなるので、換言するとカソード流路１３から電解質膜を介してアノード流路１２に透過する空気の総量が多くなるので、水素連続噴射時間Ｔを長くして、アノード流路１２内の空気と水素との混合を促進する必要があるからである。なお、図５のマップは、事前の試験などにより求められる。 Further, the hydrogen continuous injection time T is calculated based on the map shown in FIG. 5 (continuous supply time calculating means). That is, in the map of FIG. 5, the hydrogen continuous injection time T is set longer as the stop time becomes longer. This is because the ratio of the air in the anode channel 12 increases as the stop time becomes longer. In other words, the total amount of air that permeates from the cathode channel 13 through the electrolyte membrane to the anode channel 12 increases. This is because it is necessary to increase the continuous hydrogen injection time T to promote the mixing of the air and hydrogen in the anode channel 12. Note that the map of FIG. 5 is obtained by a preliminary test or the like.

そして、ステップＳ２０４に進み、ＥＣＵ６０は、ステップＳ２０３で算出した水素噴射量Ｑと水素連続噴射時間Ｔに基づいて、時間当たりの水素噴射量（Ｑ／Ｔ）を算出する。 In step S204, the ECU 60 calculates a hydrogen injection amount (Q / T) per hour based on the hydrogen injection amount Q and the hydrogen continuous injection time T calculated in step S203.

そして、ステップＳ２０５に進み、ＥＣＵ６０は、図６のマップに基づいて第１インジェクタ２３Ａ、第２インジェクタ２３Ｂの水素噴射の分配量を算出する。図６に示すように、第１インジェクタ２３Ａ（ＩＮＪＡ）は、時間当たりの水素噴射量Ｑ／Ｔが増加するにつれて水素噴射量が多くなるように設定され、時間当たりの水素噴射量Ｑ／ＴがＱｔのときに全開となる。また、第２インジェクタ２３Ｂ（ＩＮＪＢＰ）は、時間当たりの水素噴射量Ｑ／ＴがＱｔを超えたときに作動し、時間当たりの水素噴射量Ｑ／Ｔが増加するにつれて水素噴射量が高くなるように設定される。 In step S205, the ECU 60 calculates the hydrogen injection distribution amount of the first injector 23A and the second injector 23B based on the map of FIG. As shown in FIG. 6, the first injector 23A (INJA) is set so that the hydrogen injection amount increases as the hydrogen injection amount Q / T per hour increases, and the hydrogen injection amount Q / T per hour increases. It is fully open at Qt. The second injector 23B (INJBP) operates when the hydrogen injection amount Q / T per hour exceeds Qt, and the hydrogen injection amount increases as the hydrogen injection amount Q / T per hour increases. Set to

すなわち、時間当たりの水素噴射量（Ｑ／Ｔ）が、Ｑｔ以下のＱ１の場合には、第１インジェクタ２３Ａのみを作動させて、第１インジェクタ２３Ａを水素噴射量Ｑ１１に設定する。また、時間当たりの水素噴射量（Ｑ／Ｔ）がＱｔを超えるＱ２の場合には、第１インジェクタ２３Ａと第２インジェクタ２３Ｂの双方を作動させて、第１インジェクタ２３Ａを水素噴射量Ｑ２２（全開）に設定し、第２インジェクタ２３Ｂを水素噴射量Ｑ２１に設定する。このように、算出された時間当たりの水素噴射量Ｑ／Ｔに基づいて、第１インジェクタ２３Ａのみを作動させるか、第１インジェクタ２３Ａと第２インジェクタ２３Ｂの双方を作動させるかを決定する。 That is, when the hydrogen injection amount (Q / T) per hour is Q1 equal to or less than Qt, only the first injector 23A is operated and the first injector 23A is set to the hydrogen injection amount Q11. Further, when the hydrogen injection amount (Q / T) per time is Q2 exceeding Qt, both the first injector 23A and the second injector 23B are operated, and the first injector 23A is moved to the hydrogen injection amount Q22 (fully opened). ) And the second injector 23B is set to the hydrogen injection amount Q21. Thus, based on the calculated hydrogen injection amount Q / T per time, it is determined whether to operate only the first injector 23A or to operate both the first injector 23A and the second injector 23B.

そして、ステップＳ２０６に進み、ＥＣＵ６０は、遮断弁２２を開弁するとともに、エアポンプ３１を所定回転速度以上の（通常発電時よりも高い）回転速度で駆動させる。ここで、空気の供給量を増加させるのは、後記するステップＳ２１３において、パージ弁２６を開弁したときにアノード流路１２から排出されるアノードオフガスに含まれる水素を希釈するためである。 In step S206, the ECU 60 opens the shutoff valve 22 and drives the air pump 31 at a rotational speed that is equal to or higher than a predetermined rotational speed (higher than that during normal power generation). Here, the air supply amount is increased in order to dilute hydrogen contained in the anode off-gas discharged from the anode flow path 12 when the purge valve 26 is opened in step S213 described later.

そして、ステップＳ２０７に進み、ＥＣＵ６０は、水素ポンプ２７を始動させるとともに第１インジェクタ２３Ａ（第１インジェクタ２３Ａおよび第２インジェクタ２３Ｂ）から水素を投入する。なお、本実施形態におけるステップＳ２０２，Ｓ２０３，Ｓ２０４，Ｓ２０５，Ｓ２０７は、インジェクタ固定駆動手段が実行する処理に相当する。 In step S207, the ECU 60 starts the hydrogen pump 27 and inputs hydrogen from the first injector 23A (the first injector 23A and the second injector 23B). In addition, step S202, S203, S204, S205, S207 in this embodiment is corresponded to the process which an injector fixed drive means performs.

そして、ステップＳ２０８に進み、ＥＣＵ６０は、燃料電池スタック１０の極間差圧が閾値以上であるか否かを判定する。なお、極間差圧は、圧力センサ２８によって検出されるアノード圧力Ｐａから、圧力センサ３５によって検出されるカソード圧力Ｐｃを減算した値である。また、閾値は、極間差圧の上限値Ｐｄｐに相当する。 In step S208, the ECU 60 determines whether or not the inter-electrode differential pressure of the fuel cell stack 10 is equal to or greater than a threshold value. The inter-electrode differential pressure is a value obtained by subtracting the cathode pressure Pc detected by the pressure sensor 35 from the anode pressure Pa detected by the pressure sensor 28. Further, the threshold corresponds to the upper limit value Pdp of the inter-electrode differential pressure.

ステップＳ２０８において、ＥＣＵ６０は、極間差圧が閾値以上であると判定した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ２０９に進み、極間差圧が閾値以上でないと判定した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ２１１に進む。 In step S208, if the ECU 60 determines that the inter-electrode differential pressure is greater than or equal to the threshold (Yes), the process proceeds to step S209, and if it is determined that the inter-electrode differential pressure is not greater than or equal to the threshold (No), step The process proceeds to S211.

ステップＳ２０９において、ＥＣＵ６０は、エアポンプ３１を制御する。すなわち、第１インジェクタ２３Ａ（第１インジェクタ２３Ａおよび第２インジェクタ２３Ｂ）から水素を投入することによりアノード圧力Ｐａが高まるので、極間差圧が閾値以上である場合には、エアポンプ３１のモータの回転速度（駆動量）を高めて、アノード圧力Ｐａとカソード圧力Ｐｃとの間での圧力差（極間差圧）が拡大し過ぎないように調整する。 In step S209, the ECU 60 controls the air pump 31. That is, since the anode pressure Pa is increased by supplying hydrogen from the first injector 23A (the first injector 23A and the second injector 23B), the rotation of the motor of the air pump 31 is performed when the pressure difference between the electrodes is equal to or greater than the threshold value. The speed (driving amount) is increased and adjusted so that the pressure difference (electrode pressure difference) between the anode pressure Pa and the cathode pressure Pc does not increase too much.

そして、ステップＳ２１０に進み、ＥＣＵ６０は、エアポンプ３１でカソード圧力Ｐｃを調整した後、極間差圧が閾値未満であるか否かを判定し、極間差圧が閾値未満であると判定した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ２１１に進み、極間差圧が閾値未満でないと判定した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ２０９に戻る。 When the ECU 60 proceeds to step S210 and adjusts the cathode pressure Pc with the air pump 31, the ECU 60 determines whether or not the inter-electrode differential pressure is less than the threshold, and determines that the inter-electrode differential pressure is less than the threshold. If (Yes), the process proceeds to step S211, and if it is determined that the inter-electrode differential pressure is not less than the threshold value (No), the process returns to step S209.

なお、本実施形態におけるステップＳ２０８，Ｓ２０９，Ｓ２１０は、起動時差圧調整手段が実行する処理に相当する。 In addition, step S208, S209, S210 in this embodiment is corresponded to the process which a differential pressure | voltage adjustment means at the time of starting performs.

ステップＳ２１１において、ＥＣＵ６０は、圧力センサ２８で検知されたアノード圧力Ｐａが所定値以上であるか否かを判定する。なお、所定値は、アノード流路１２の入口１２ａ側と出口１２ｂ側との間での水素の濃度差を解消するのに必要な圧力（目標圧力）に設定される。また、所定値は、事前の試験などに基づいて決定される。なお、圧力に限定されるものではなく、経過時間に基づいて設定してもよい。 In step S211, the ECU 60 determines whether or not the anode pressure Pa detected by the pressure sensor 28 is equal to or higher than a predetermined value. The predetermined value is set to a pressure (target pressure) necessary for eliminating the difference in hydrogen concentration between the inlet 12a side and the outlet 12b side of the anode channel 12. The predetermined value is determined based on a prior test or the like. In addition, it is not limited to a pressure, You may set based on elapsed time.

ステップＳ２１１において、ＥＣＵ６０は、アノード圧力Ｐａが所定値以上ではないと判定した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ２０８の処理に戻り、アノード圧力Ｐａが所定値以上であると判定した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ２１３に進む。 In step S211, when the ECU 60 determines that the anode pressure Pa is not equal to or higher than the predetermined value (No), the ECU 60 returns to the process of step S208, and when it is determined that the anode pressure Pa is equal to or higher than the predetermined value (Yes). ), The process proceeds to step S213.

ステップＳ２１３において、ＥＣＵ６０は、パージ弁２６を開閉制御する。なお、パージ弁２６を第１インジェクタ２３Ａ、第２インジェクタ２３Ｂの作動開始よりも遅らせて開閉制御を開始するのは、アノード圧力Ｐａを早期に高めて、アノード流路１２の入口１２ａ側と出口１２ｂ側の水素の濃度差を早期に解消するためである。また、ここでパージ弁２６を開弁したとしても、エアポンプ３１の作動圧が通常発電時よりも高められているので、高濃度の水素が車外に排出されることはない。 In step S213, the ECU 60 controls the opening and closing of the purge valve 26. The opening / closing control is started with the purge valve 26 delayed from the start of the operation of the first injector 23A and the second injector 23B because the anode pressure Pa is increased early, and the inlet 12a side and the outlet 12b of the anode flow path 12 are started. This is because the difference in hydrogen concentration on the side is eliminated at an early stage. Even if the purge valve 26 is opened here, the operating pressure of the air pump 31 is higher than that during normal power generation, so that high-concentration hydrogen is not discharged outside the vehicle.

なお、ステップＳ２１３では図示していないが、ＥＣＵ６０は、第１インジェクタ２３Ａを全開状態から、パージ弁２６の開動作に応じた開弁制御に切り替えるとともに、第２インジェクタ２３Ｂを閉弁する。つまり、ＥＣＵ６０は、パージ弁２６を開弁して排出された水素量分だけ、第１インジェクタ２３Ａから供給するように開閉制御（Ｔｉ値を制御、Ｔｉ値＜インターバル）して、アノード圧力Ｐａが一定状態を維持するように制御する。 Although not shown in step S213, the ECU 60 switches the first injector 23A from the fully opened state to the valve opening control corresponding to the opening operation of the purge valve 26, and closes the second injector 23B. In other words, the ECU 60 performs opening / closing control (controls the Ti value, Ti value <interval) so that only the amount of hydrogen discharged by opening the purge valve 26 is supplied from the first injector 23A, and the anode pressure Pa is increased. Control to maintain a constant state.

そして、ステップＳ２１４に進み、ＥＣＵ６０は、起動が完了したか否かを判定する。起動が完了した場合とは、パージ弁２６を開弁（開閉）してから所定量のガスがパージ（排出）されたと判定された場合である。所定量のガスがパージされたか否かは、例えば、パージ弁２６の開弁時間などに基づいて判定することができる。 Then, the process proceeds to step S214, and the ECU 60 determines whether the activation is completed. The case where the start is completed is a case where it is determined that a predetermined amount of gas has been purged (discharged) after the purge valve 26 is opened (opened / closed). Whether or not a predetermined amount of gas has been purged can be determined based on, for example, the opening time of the purge valve 26 or the like.

ステップＳ２１４において、ＥＣＵ６０は、起動が完了していないと判定した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ２０８に戻り、起動が完了したと判定した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ２１５に進む。 In step S214, the ECU 60 returns to step S208 when determining that the activation is not completed (No), and proceeds to step S215 when determining that the activation is completed (Yes).

ステップＳ２１５において、ＥＣＵ６０は、コンタクタ４５をＯＮにして（燃料電池スタック１０と外部負荷とを接続して）、燃料電池スタック１０からの発電電流の取り出しを開始する。なお、エアポンプ３１の回転速度が通常発電に必要な回転速度よりも高い場合には、通常の回転速度まで低下させる。また、燃料電池スタック１０から取り出した発電電流は、モータ４１、エアポンプ３１などの外部負荷に供給される。また、ＥＣＵ６０は、第１インジェクタ２３Ａについて、燃料電池スタック１０から取り出す発電電流の大きさに応じて開閉制御（Ｔｉ値を制御）する。 In step S215, the ECU 60 turns on the contactor 45 (connects the fuel cell stack 10 and the external load), and starts taking out the generated current from the fuel cell stack 10. When the rotation speed of the air pump 31 is higher than the rotation speed necessary for normal power generation, the air pump 31 is lowered to the normal rotation speed. The generated current taken out from the fuel cell stack 10 is supplied to external loads such as the motor 41 and the air pump 31. Further, the ECU 60 controls the opening and closing (controls the Ti value) of the first injector 23 </ b> A according to the magnitude of the generated current extracted from the fuel cell stack 10.

また、ステップＳ２０１において、ＥＣＵ６０は、停止時間が所定時間未満であると判定した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ２１２に進み、遮断弁２２を開くとともにエアポンプ３１をＯＮ（通常起動時の回転速度）にし、さらに第１インジェクタ２３Ａ（第１インジェクタ２３Ａおよび第２インジェクタ２３Ｂ）から水素を投入する。その後、ＥＣＵ６０は、ステップＳ２１３ないしＳ２１５の処理を実行する。なお、この場合には（Ｓ２０１でＮｏ）、第１インジェクタ２３Ａ（第１インジェクタ２３Ａおよび第２インジェクタ２３Ｂ）についてフィードバック制御する。 In step S201, if the ECU 60 determines that the stop time is less than the predetermined time (No), the ECU 60 proceeds to step S212, opens the shut-off valve 22, and turns on the air pump 31 (rotational speed at normal startup). In addition, hydrogen is supplied from the first injector 23A (the first injector 23A and the second injector 23B). Thereafter, the ECU 60 executes the processes of steps S213 to S215. In this case (No in S201), feedback control is performed on the first injector 23A (the first injector 23A and the second injector 23B).

次に、アノード流路１２の入口１２ａ側と出口１２ｂ側との水素の濃度差によって燃料電池スタック１０の高電位状態が継続するメカニズムについて図９を参照して説明する。
図９に示すように、燃料電池スタック１０のアノード流路１２とカソード流路１３のそれぞれに空気が存在している状態（停止時間が所定時間以上）で起動する場合、アノード流路１２の入口１２ａから水素が投入されると、水素の投入初期においては、アノード流路１２の入口１２ａ側の水素濃度が高くなり、アノード流路１２の出口１２ｂ側の水素濃度が低くなり、入口１２ａ側と出口１２ｂ側とで大きな濃度差が発生する。 Next, the mechanism by which the high potential state of the fuel cell stack 10 continues due to the difference in hydrogen concentration between the inlet 12a side and the outlet 12b side of the anode channel 12 will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 9, when starting in a state where air exists in each of the anode channel 12 and the cathode channel 13 of the fuel cell stack 10 (stop time is a predetermined time or more), the inlet of the anode channel 12 When hydrogen is introduced from 12a, in the initial stage of hydrogen introduction, the hydrogen concentration on the inlet 12a side of the anode flow path 12 is increased, the hydrogen concentration on the outlet 12b side of the anode flow path 12 is decreased, and the inlet 12a side A large density difference occurs on the outlet 12b side.

これにより、図９の（１）式に示すように、アノード流路１２の入口１２ａ側では、水素から電子が分離し、水素イオンが電解質膜を介してカソード流路１３の入口側に透過するとともに、電子がアノード流路１２の出口１２ｂ側に移動する。このとき、アノード流路１２の入口１２ａ側の電位は、ＤＨＥ（Dynamic Hydrogen Electrode）に対して０ボルトとなる。 As a result, as shown in the equation (1) in FIG. 9, electrons are separated from hydrogen on the inlet 12a side of the anode flow path 12, and hydrogen ions permeate to the inlet side of the cathode flow path 13 through the electrolyte membrane. At the same time, the electrons move to the outlet 12b side of the anode channel 12. At this time, the potential on the inlet 12a side of the anode channel 12 becomes 0 volt with respect to DHE (Dynamic Hydrogen Electrode).

また、図９の（２）式に示すように、カソード流路１３の入口側では、水素イオンおよび電子が、入口側の空気中の酸素と反応して水が生成される。このとき、カソード流路１３の入口側では、ＤＨＥに対して約１ボルトの電位が発生する。 Further, as shown in the equation (2) in FIG. 9, on the inlet side of the cathode channel 13, hydrogen ions and electrons react with oxygen in the air on the inlet side to generate water. At this time, a potential of about 1 volt is generated with respect to DHE on the inlet side of the cathode channel 13.

また、図９の（３）式に示すように、アノード流路１２の出口１２ｂ側では、カソード流路１３の出口側から電解質膜を透過した水素イオンと、アノード流路１２の入口１２ａから受け取った電子と、アノード流路１２の出口１２ｂ側の酸素とが反応して水が生成される。このとき、アノード流路１２の出口１２ｂ側では、ＤＨＥに対して約１ボルトの電位が発生する。 9, on the outlet 12b side of the anode channel 12, the hydrogen ions that permeate the electrolyte membrane from the outlet side of the cathode channel 13 and the inlet 12a of the anode channel 12 are received. The electrons react with oxygen on the outlet 12b side of the anode channel 12 to generate water. At this time, on the outlet 12b side of the anode channel 12, a potential of about 1 volt is generated with respect to DHE.

また、図９の（４）式に示すように、カソード流路１３の出口側では、カソード（電極）に使用されている触媒（白金）から電子が乖離して白金イオンが生成される。また、図９の（５）式に示すように、カソード（電極）に含まれる炭素が、アノード流路１２の出口１２ｂ側から電解質膜を透過した生成水またはカソード流路１３の入口側からの生成水と反応して、二酸化炭素と水素イオンが生成され、このときの電子がカソード流路１３の入口側に移動する。 Further, as shown in the equation (4) in FIG. 9, on the outlet side of the cathode channel 13, electrons are separated from the catalyst (platinum) used for the cathode (electrode) to generate platinum ions. Further, as shown in the equation (5) in FIG. 9, carbon contained in the cathode (electrode) is generated water that has permeated the electrolyte membrane from the outlet 12 b side of the anode channel 12 or from the inlet side of the cathode channel 13. Carbon dioxide and hydrogen ions are produced by reacting with the produced water, and the electrons at this time move to the inlet side of the cathode channel 13.

このように、燃料電池スタック１０の入口側において１ボルトの電位差が生じるので、燃料電池スタック１０の出口側においても１ボルトの電位差が生じるように、カソード流路１３の出口側では、２ボルトの電位が発生する。これにより、燃料電池スタック１０が高電位状態となる。このとき、（４）式に示す反応（触媒を腐食させる反応）および（５）式に示す反応が長く継続すること、換言すると、アノード流路１２の入口１２ａ側と出口１２ｂ側とで水素の濃度差が生じる状態が長く続くことにより、燃料電池スタック１０が高電位となる状態が続き、燃料電池スタック１０を劣化させる原因となる。このような知見により、アノード流路１２の入口１２ａ側と出口１２ｂ側との水素の濃度差をいかに早く解消できるかが重要となる。 As described above, a potential difference of 1 volt is generated on the inlet side of the fuel cell stack 10, so that a potential difference of 1 volt is also generated on the outlet side of the fuel cell stack 10, so that 2 volt is provided on the outlet side of the cathode flow path 13. Potential is generated. As a result, the fuel cell stack 10 enters a high potential state. At this time, the reaction shown in the formula (4) (the reaction that corrodes the catalyst) and the reaction shown in the formula (5) are continued for a long time, in other words, hydrogen at the inlet 12a side and the outlet 12b side of the anode channel 12 When the state in which the concentration difference occurs continues for a long time, the state in which the fuel cell stack 10 is at a high potential continues, which causes the fuel cell stack 10 to deteriorate. Based on such knowledge, it is important how quickly the difference in hydrogen concentration between the inlet 12a side and the outlet 12b side of the anode channel 12 can be resolved.

また、図７に示すタイムチャートを参照して説明する。なお、以下では、第１インジェクタ２３Ａと第２インジェクタ２３Ｂの双方を作動させる場合を例に挙げて説明する。また、ここでは、第２インジェクタ２３Ｂが第１インジェクタ２３Ａよりも大流量の水素を噴射できる性能を有するものとして説明する。 The description will be given with reference to the time chart shown in FIG. In the following, a case where both the first injector 23A and the second injector 23B are operated will be described as an example. Here, the second injector 23B will be described as having a performance capable of injecting a larger flow rate of hydrogen than the first injector 23A.

時刻ｔ１において、ＩＧ５１の起動信号（燃料電池スタック１０の起動）を検知した場合、停止時間が所定時間以上であると判定されると（Ｓ２０１、Ｙｅｓ）、第１インジェクタ２３Ａおよび第２インジェクタ２３Ｂの制御においてフィードバック制御を禁止する処理に移行し、まず遮断弁２２を開弁するとともにエアポンプ３１（所定回転速度以上）を駆動する（Ｓ２０６）。 When the activation signal of IG51 (activation of the fuel cell stack 10) is detected at time t1, if it is determined that the stop time is equal to or longer than the predetermined time (S201, Yes), the first injector 23A and the second injector 23B The process proceeds to a process for prohibiting feedback control in the control. First, the shutoff valve 22 is opened and the air pump 31 (above a predetermined rotational speed) is driven (S206).

そして、時刻ｔ１から所定時間Ｔ１経過後の時刻ｔ２において、第１インジェクタ２３Ａ（ＩＮＪＡ）を連続開弁し（全開し）、第２インジェクタ２３Ｂ（ＩＮＪＢＰ）を断続開弁する。このときインターバル（駆動周期）に対する開弁時間（Ｔｉ値、開弁率）を固定した状態で第１インジェクタ２３Ａと第２インジェクタ２３Ｂを制御して水素を噴射する。つまり、第１インジェクタ２３Ａは、Ｔｉ値をインターバルと一致させることで連続開弁（全開）となる。また、第２インジェクタ２３Ｂは、Ｔｉ値をインターバルよりも短くすることで断続開弁となる。これにより、アノード圧力Ｐａが徐々に上昇し、燃料電池スタック１０の電圧（ＦＣ電圧）が上昇する。 The first injector 23A (INJA) is continuously opened (fully opened) and the second injector 23B (INJBP) is intermittently opened at time t2 after a predetermined time T1 has elapsed from time t1. At this time, hydrogen is injected by controlling the first injector 23A and the second injector 23B in a state where the valve opening time (Ti value, valve opening rate) with respect to the interval (driving cycle) is fixed. That is, the first injector 23A is continuously opened (fully opened) by matching the Ti value with the interval. Further, the second injector 23B is intermittently opened by making the Ti value shorter than the interval. As a result, the anode pressure Pa gradually increases, and the voltage (FC voltage) of the fuel cell stack 10 increases.

また、時刻ｔ２において、水素ポンプ２７を始動することで、アノード流路１２と、配管２６ａ，２７ａ，２７ｂ，２４ａとで構成される循環流路においてガスの流れが形成されるので、アノード流路１２内において空気と水素との混合を促進できる。なお、水素ポンプ２７を、第１インジェクタ２３Ａおよび第２インジェクタ２３Ｂを作動させる時刻ｔ２よりも前の時刻ｔ１において始動させるようにしてもよい。これにより、第１インジェクタ２３Ａ、第２インジェクタ２３Ｂからの水素供給よりも前に、循環流路に前もってガスの流れを生じさせることができるので、空気と水素との混合をより促進できる。 Further, by starting the hydrogen pump 27 at time t2, a gas flow is formed in the circulation flow path constituted by the anode flow path 12 and the pipes 26a, 27a, 27b, 24a. Mixing of air and hydrogen can be promoted in the interior 12. The hydrogen pump 27 may be started at a time t1 prior to the time t2 when the first injector 23A and the second injector 23B are operated. Thereby, before the hydrogen supply from the first injector 23A and the second injector 23B, the gas flow can be generated in advance in the circulation flow path, so that the mixing of air and hydrogen can be further promoted.

そして、アノード圧力Ｐａが所定値（目標圧力）に達する時刻ｔ３において、パージ弁２６の開閉制御を開始する（Ｓ２１１でＹｅｓ、Ｓ２１３）。また、時刻ｔ３において、第１インジェクタ２３ＡのＴｉ値を制御して、パージ弁２６の開弁により車外に排出されるパージ量（水素量）に応じて第１インジェクタ２３Ａを断続開弁し、第２インジェクタ２３Ｂを閉弁（Ｔｉ値＝０）する。なお、パージ弁２６を第１インジェクタ２３Ａおよび第２インジェクタ２３Ｂの開弁から遅れて開閉制御したとしても、エアポンプ３１の回転速度が通常起動時よりも高く設定されているので、燃料電池車から高濃度（所定濃度）の水素が排出されることはない。 Then, at time t3 when the anode pressure Pa reaches a predetermined value (target pressure), the opening / closing control of the purge valve 26 is started (Yes in S211, S213). Further, at time t3, the Ti value of the first injector 23A is controlled, and the first injector 23A is intermittently opened according to the purge amount (hydrogen amount) discharged outside the vehicle by opening the purge valve 26. 2 Close the injector 23B (Ti value = 0). Even if the purge valve 26 is controlled to be opened / closed after the opening of the first injector 23A and the second injector 23B, the rotational speed of the air pump 31 is set higher than that at the time of normal startup. Hydrogen at a concentration (predetermined concentration) is not discharged.

そして、パージ弁２６を開閉してから所定時間が経過した時刻ｔ４において、起動が完了したと判定されると（Ｓ２１４、Ｙｅｓ）、コンタクタ４５がＯＮにされ、燃料電池スタック１０から発電電流を取り出す通常発電に移行する（Ｓ２１５）。 When it is determined that the start-up is completed at a time t4 when a predetermined time has elapsed since the purge valve 26 was opened and closed (S214, Yes), the contactor 45 is turned on and the generated current is taken out from the fuel cell stack 10. Transition to normal power generation (S215).

以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム１では、第１インジェクタ２３Ａおよび第２インジェクタ２３Ｂの制御において、燃料電池スタック１０の起動時にはフィードバック制御（図２参照）を行わず（フィードバック制御を禁止し）、インターバル（駆動周期）に対するＴｉ値（開弁時間）を固定した状態で水素を噴射する。したがって、発電停止中にアノード流路１２が空気で置換されてアノード流路１２とカソード流路１３にそれぞれ空気が存在している状態で燃料電池スタック１０を起動する場合、アノード流路１２内において空気と水素との混合が促進され、燃料電池スタック１０が高電位となる状態が継続するのを防止できる。これにより、燃料電池スタック１０が劣化するのを抑制することができる。 As described above, in the fuel cell system 1 according to the present embodiment, in the control of the first injector 23A and the second injector 23B, feedback control (see FIG. 2) is not performed when the fuel cell stack 10 is activated (feedback control). And hydrogen is injected in a state where the Ti value (valve opening time) with respect to the interval (driving cycle) is fixed. Therefore, when the fuel cell stack 10 is started in a state in which the anode channel 12 is replaced with air while power generation is stopped and air is present in the anode channel 12 and the cathode channel 13, respectively, Mixing of air and hydrogen is promoted, and the state where the fuel cell stack 10 is at a high potential can be prevented from continuing. Thereby, it can suppress that the fuel cell stack 10 deteriorates.

ところで、図８（ｂ）の比較例に示すように、フィードバック制御によりインジェクタ（第１インジェクタ２３Ａ、第２インジェクタ２３Ｂ）を制御する場合には、燃料電池スタック１０の起動時に算出された目標のアノード圧力に対して、インターバル（駆動周期）に対する開弁時間をＴｉ１０（開弁時間）としてインジェクタを駆動すると（例えば、第１インジェクタ２３Ａと第２インジェクタ２３Ｂをそれぞれ全開に近い状態で開弁すると）、目標のアノード圧力に直ちに到達してしまい、インジェクタからの水素の供給が停止する。そして、水素の供給停止後、インジェクタの作動が再開して（インターバルに対してＴｉ１１）、水素が目標のアノード圧力となるまで供給される。このように、水素の供給が開始されて、途中で水素の供給が停止すると（水素の供給が断続的になると）、図９で説明したように、アノード流路１２の入口１２ａ側に水素が存在し、カソード流路１３の入口側に酸素が存在した状態において、アノード流路１２において空気と水素の混合が促進されなくなり、アノード流路１２の出口１２ｂ側とカソード流路１３の出口側にそれぞれ空気が存在する時間が長く続くことになり、燃料電池スタック１０が長時間高電位状態に曝されることになる。 By the way, as shown in the comparative example of FIG. 8B, when the injectors (first injector 23A, second injector 23B) are controlled by feedback control, the target anode calculated when the fuel cell stack 10 is started up. When the injector is driven with Ti10 (valve opening time) as the valve opening time relative to the pressure (driving cycle) (for example, when the first injector 23A and the second injector 23B are opened in a state close to full opening, respectively), The target anode pressure is reached immediately and the supply of hydrogen from the injector is stopped. Then, after the supply of hydrogen is stopped, the operation of the injector is resumed (Ti11 with respect to the interval), and hydrogen is supplied until the target anode pressure is reached. As described above, when the supply of hydrogen is started and the supply of hydrogen is stopped halfway (when the supply of hydrogen becomes intermittent), as described with reference to FIG. In the state where oxygen is present on the inlet side of the cathode channel 13, the mixing of air and hydrogen is not promoted in the anode channel 12, and the outlet 12 b side of the anode channel 12 and the outlet side of the cathode channel 13 are stopped. The time during which each air exists will last for a long time, and the fuel cell stack 10 will be exposed to a high potential state for a long time.

そこで、本実施形態では、図８（ａ）に示すように、燃料電池スタック１０の起動時において、フィードバック制御を禁止して、インターバル（駆動周期）に対する開弁時間を固定した状態でインジェクタ（第１インジェクタ２３Ａ、第２インジェクタ２３Ｂ）を制御することで、目標となるアノード圧力（目標圧力）までインジェクタを途中で停止させることなく連続的に動作させることができるので、アノード流路１２内において水素と空気の混合が促進され、燃料電池スタック１０が長時間高電位状態に曝されることを防止することが可能になる。なお、図８（ａ）は、第１インジェクタ２３Ａと第２インジェクタ２３Ｂを区別することなく、インターバルに対してＴｉ値を固定した状態を示すイメージ図である。 Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 8A, when the fuel cell stack 10 is started, the feedback control is prohibited, and the injector (first operation) with the valve opening time with respect to the interval (drive cycle) fixed. By controlling the first injector 23A and the second injector 23B), the injector can be operated continuously without stopping it halfway up to the target anode pressure (target pressure). As a result, the fuel cell stack 10 can be prevented from being exposed to a high potential state for a long time. FIG. 8A is an image diagram showing a state in which the Ti value is fixed with respect to the interval without distinguishing between the first injector 23A and the second injector 23B.

すなわち、本実施形態では、第１インジェクタ２３Ａを全開で固定にするとともに（図７のＩＮＪＡの時刻ｔ２〜ｔ３参照）、第２インジェクタ２３Ｂを開閉で固定し（図７のＩＮＪＢＰの時刻ｔ２〜ｔ３参照）、第１インジェクタ２３Ａおよび第２インジェクタ２３Ｂから水素を供給する。その後、アノード圧力Ｐａが目標圧力に達したときに、第１インジェクタ２３Ａを全開（固定）から開閉制御に切換えて（図７のＩＮＪＡの時刻ｔ３以降参照）、パージで排出される分だけの水素を供給し、第２インジェクタ２３Ｂについては全閉とする（図７のＩＮＪＢＰの時刻ｔ３以降参照）。 That is, in this embodiment, the first injector 23A is fixed fully open (see time t2 to t3 of INJ A in FIG. 7), and the second injector 23B is fixed by opening and closing (time t2 of INJ BP in FIG. 7). ~ T3), hydrogen is supplied from the first injector 23A and the second injector 23B. After that, when the anode pressure Pa reaches the target pressure, the first injector 23A is switched from fully open (fixed) to open / close control (see INJA in FIG. 7 and after time t3), and hydrogen is discharged by purge. And the second injector 23B is fully closed (refer to INJBP after time t3 in FIG. 7).

なお、図７の時刻ｔ２〜ｔ３における第２インジェクタ２３Ｂの開度（Ｔｉ値）については、目標圧力に応じて設定されるものであり、アノード圧力が早くに上がりすぎない開度とする。ちなみに、アノード圧力が早くに上がり過ぎると、水素の供給が断続的になり、空気と水素の混合が促進されなくなるからである。よって、第２インジェクタ２３ＢのＴｉ値に上限値を設定することで、アノード圧力が早くに上がるのを防止でき、水素を連続的に供給することができ、空気と水素との混合を促進できる。 In addition, about the opening degree (Ti value) of the 2nd injector 23B in the time t2-t3 of FIG. 7, it sets according to a target pressure, and it is set as the opening degree from which an anode pressure does not rise too quickly. Incidentally, if the anode pressure increases too quickly, the supply of hydrogen becomes intermittent, and the mixing of air and hydrogen cannot be promoted. Therefore, by setting an upper limit value for the Ti value of the second injector 23B, it is possible to prevent the anode pressure from rising quickly, to supply hydrogen continuously, and to promote mixing of air and hydrogen.

また、図８（ａ）に示すように、アノード圧力Ｐａを所定時間で所定値（目標圧力）まで上げる傾きについては、事前の試験等に基づいて決定する。ただし、燃料電池スタック１０の劣化や耐久性の観点から、燃料電池スタック１０が長時間高電位状態に曝されない値（目標圧力、所定時間）に設定する。 Further, as shown in FIG. 8A, the slope for increasing the anode pressure Pa to a predetermined value (target pressure) in a predetermined time is determined based on a preliminary test or the like. However, from the viewpoint of deterioration and durability of the fuel cell stack 10, a value (target pressure, predetermined time) at which the fuel cell stack 10 is not exposed to a high potential state for a long time is set.

また、本実施形態は、停止時間が所定時間以上であると判定された場合、つまりアノード流路１２とカソード流路１３にそれぞれ空気が存在している状態で燃料電池スタック１０を起動させる場合にのみ、第１インジェクタ２３Ａ（第１インジェクタ２３Ａおよび第２インジェクタ２３Ｂ）を固定値（インターバルに対するＴｉ値を固定）にて駆動させる構成を備えている。これによれば、インターバルに対する開弁時間を固定して水素を供給する必要がない場合にまで水素を連続的に供給するのを防止して、不必要(過剰)に水素を供給してしまうことを防止できる。 Further, in the present embodiment, when it is determined that the stop time is equal to or longer than the predetermined time, that is, when the fuel cell stack 10 is started in a state where air exists in each of the anode channel 12 and the cathode channel 13. Only the first injector 23A (the first injector 23A and the second injector 23B) is driven at a fixed value (the Ti value with respect to the interval is fixed). According to this, hydrogen can be supplied unnecessarily (excessive) by preventing hydrogen from being continuously supplied until there is no need to supply hydrogen with a fixed valve opening time with respect to the interval. Can be prevented.

また、本実施形態は、停止時間が長いほど水素連続噴射時間（連続供給時間）を長くする構成を備えている（図４のＳ２０３、図５参照）。これによれば、アノード流路１２の空気の比率によって水素連続噴射時間（目標圧力）を可変にするので、第１インジェクタ２３Ａや第２インジェクタ２３Ｂを不必要（無駄）に駆動時間を長くする必要がなくなり、消費電力の削減を図ることが可能になる。 Moreover, this embodiment is equipped with the structure which lengthens hydrogen continuous injection time (continuous supply time), so that stop time is long (refer S203 of FIG. 4, FIG. 5). According to this, since the hydrogen continuous injection time (target pressure) is made variable according to the ratio of air in the anode flow path 12, it is necessary to lengthen the drive time unnecessary (wastely) for the first injector 23A and the second injector 23B. The power consumption can be reduced.

また、本実施形態は、燃料電池スタック１０の起動時に第１インジェクタ２３Ａ（第１インジェクタ２３Ａおよび第２インジェクタ２３Ｂ）の駆動中に閾値以上になった場合、エアポンプ３１の回転速度（駆動量）を調整して極間差圧が閾値未満となるように調整する構成を備えている。これによれば、極間差圧が過大とならないようにできるので、燃料電池スタック１０が破損するのを防止できる。 Further, in the present embodiment, when the fuel cell stack 10 is activated, when the first injector 23A (the first injector 23A and the second injector 23B) is driven to exceed a threshold value, the rotational speed (drive amount) of the air pump 31 is increased. A configuration for adjusting the pressure difference between the electrodes to be less than the threshold value is provided. According to this, since the inter-electrode differential pressure can be prevented from becoming excessive, it is possible to prevent the fuel cell stack 10 from being damaged.

本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。例えば、本実施形態では、燃料電池スタック１０の起動時にフィードバック制御を禁止する条件として、停止時間が所定時間以上であると判定された場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、例えば燃料電池スタック１０の凍結防止のため、発電停止中にアノード流路１２を空気（酸化剤ガス）で掃気したか否かを考慮して判定してもよい。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be modified as appropriate without departing from the spirit of the present invention. For example, in the present embodiment, the case where the stop time is determined to be equal to or longer than the predetermined time is described as an example of the condition for prohibiting the feedback control when the fuel cell stack 10 is started. However, the present invention is not limited to this. Instead, for example, in order to prevent the fuel cell stack 10 from freezing, it may be determined in consideration of whether or not the anode flow path 12 is scavenged with air (oxidant gas) during power generation stoppage.

すなわち、図示省略しているが、配管３１ａと配管２４ａとを接続するアノード掃気導入配管と、このアノード掃気導入配管を遮断する掃気導入弁と、を備え、発電停止中に掃気導入弁およびパージ弁２６を開弁して、アノード掃気導入配管を介してエアポンプ３１からの空気をアノード流路１２などを含む流路に導入して掃気した場合においても、アノード流路１２が空気で置換された状態となる。よって、このようにアノード流路１２が掃気された場合においても、燃料電池スタック１０の起動時にインターバルに対する開弁時間を固定して（フィードバック制御を禁止して）インジェクタ（第１インジェクタ２３Ａ、第２インジェクタ２３Ｂ）を駆動する処理を実行するようにしてもよい。 In other words, although not shown in the drawings, an scavenging introduction pipe that connects the pipe 31a and the pipe 24a and a scavenging introduction valve that shuts off the anode scavenging introduction pipe are provided. 26 is opened, and the air from the air pump 31 is introduced into the flow path including the anode flow path 12 and the like through the anode scavenging introduction pipe, and the anode flow path 12 is replaced with air. It becomes. Therefore, even when the anode flow path 12 is scavenged in this way, the injectors (first injector 23A, second injector) are fixed with the valve opening time for the interval fixed (inhibiting feedback control) when the fuel cell stack 10 is started. You may make it perform the process which drives the injector 23B).

また、本実施形態では、第１インジェクタ２３Ａと第２インジェクタ２３Ｂとを備えた場合を例に挙げて説明したが、単一のインジェクタ（例えば、第１インジェクタ２３Ａ）を備えた燃料電池システムであってもよく、または、第２インジェクタ２３Ｂを一定時間且つ一定流量流せるバルブに置き替えてもよい。 In the present embodiment, the case where the first injector 23A and the second injector 23B are provided has been described as an example. However, the fuel cell system includes a single injector (for example, the first injector 23A). Alternatively, the second injector 23B may be replaced with a valve that can flow at a constant flow rate for a fixed time.

１燃料電池システム
１０燃料電池スタック（燃料電池）
１２アノード流路
１３カソード流路
２３Ａ第１インジェクタ（インジェクタ）
２３Ｂ第２インジェクタ（インジェクタ）
２８圧力センサ（極間差圧検出手段）
３１エアポンプ（酸化剤ガス供給手段）
３５圧力センサ（極間差圧検出手段）
６０ＥＣＵ（制御部、インジェクタ固定駆動手段、停止時間判定手段、連続供給時間算出手段、起動時差圧調整手段） 1 Fuel Cell System 10 Fuel Cell Stack (Fuel Cell)
12 Anode flow path 13 Cathode flow path 23A 1st injector (injector)
23B Second injector (injector)
28 Pressure sensor (Differential pressure detection means)
31 Air pump (oxidant gas supply means)
35 Pressure sensor (Differential pressure detection means)
60 ECU (control unit, injector fixed driving means, stop time determining means, continuous supply time calculating means, starting differential pressure adjusting means)

Claims

A fuel cell having an anode channel for supplying fuel gas to the anode and a cathode channel for supplying oxidant gas to the cathode;
A fuel gas introduction channel for introducing fuel gas into the anode channel;
A fuel off-gas outlet channel for extracting fuel off-gas from the anode channel;
A connection path for circulating the fuel off-gas from the fuel off-gas outlet path back to the fuel gas introduction path;
An ejector disposed at a junction of the fuel gas introduction channel and the connection channel;
A first injector that is provided upstream of the ejector in the fuel gas introduction flow path and regulates and supplies fuel gas to the anode flow path;
A fuel cell system comprising a control unit that performs feedback control of the first injector,
The controller is
A fuel gas continuous injection time calculating means for setting the fuel gas continuous injection time longer as the ratio of the oxidant gas in the anode flow path is higher;
A fuel gas injection amount calculating means for setting a larger fuel gas injection amount as the ratio of the oxidant gas in the anode flow path is higher;
Injector injection amount calculation means for calculating an injection amount per hour of the first injector based on the continuous injection time of the fuel gas and the injection amount of the fuel gas;
When the fuel cell is started, feedback control of the first injector is prohibited, and the first injector is controlled based on a valve opening time in the driving cycle of the first injector determined according to the injection amount per time. An injector fixed drive means for driving the fuel cell system.

A purge valve provided downstream of a branch point with the connection path of the fuel off-gas outlet flow path;
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit maintains the closed state of the purge valve until the pressure of the anode channel reaches a target pressure. 3.

A second injector bypassing the first injector and the ejector;
3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit sets an upper limit value for a valve opening time in a driving cycle of the second injector when the fuel cell is started. 4.

A stop time determining means for determining whether or not a stop time before the fuel cell is started is a predetermined time or more;
The injector fixed drive means drives the first injector while fixing a valve opening time with respect to the drive cycle when the stop time is determined by the stop time determination means to be a predetermined time or more. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3 .

A continuous supply time calculating means for calculating a continuous supply time of the fuel gas when driving the first injector by the injector fixed drive means;
5. The fuel cell system according to claim 4 , wherein the continuous supply time calculation means lengthens the continuous supply time as the stop time is longer.

An oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the cathode channel;
An inter-electrode differential pressure detecting means for detecting an inter-electrode differential pressure between the anode side and the cathode side of the fuel cell;
When the fuel cell is started up and the differential pressure between the electrodes becomes a threshold value or more during driving of the first injector by the injector fixed driving means, the driving amount of the oxidant gas supply means is adjusted. 6. The fuel cell system according to claim 1, further comprising a startup differential pressure adjusting unit configured to adjust the inter-electrode differential pressure to be less than the threshold value.