JP2005158542A - Fuel cell system - Google Patents

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浩昭 橋ヶ谷
Takeaki Obata
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To surely restrain degradation of a fuel cell by controlling voltage taken out of the battery at stoppage or start-up of the system. <P>SOLUTION: Of the fuel cell system, a system controller 6 calculates power which can be absorbed by a vehicle load 11 and a battery 8 at least when supply of hydrogen gas to the fuel cell is started, calculates take-out power to be taken out of the fuel cell 1 based on the absorbable power, and controls a hydrogen pressure regulator valve 4 for controlling a supply volume of hydrogen gas to be supplied to the fuel cell 1 so as to have the fuel cell 1 generate power by the amount of the take-out power. With this, a power manager 7 of the system controls power to be absorbed by the vehicle load 11 and the battery 8 in accordance with the take-out power calculated to prevent the fuel cell 1 from carbon poisoning and polar turn. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスを燃料電池に供給して発電させ、当該燃料電池により発電した電力を負荷で吸収させる燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system in which fuel gas and oxidant gas are supplied to a fuel cell to generate electric power, and electric power generated by the fuel cell is absorbed by a load.

従来より、燃料電池スタックに水素ガス及び空気を供給して発電を開始させる起動時や、燃料電池スタックの発電を停止する停止時、及び放置時に、カソードで電解質膜上の炭素と水が反応して炭素被毒が起こり、電解質膜が劣化することを解決するために、下記の特許文献１に記載された技術が知られている。   Conventionally, carbon and water on the electrolyte membrane react at the cathode when starting to generate power by supplying hydrogen gas and air to the fuel cell stack, when stopping to stop power generation of the fuel cell stack, and when left standing. In order to solve the problem that carbon poisoning occurs and the electrolyte membrane deteriorates, a technique described in Patent Document 1 below is known.

この特許文献１に記載された技術は、システムの起動時に、燃料電池スタックのアノード極に水素を供給して、燃料電池セルの発電電圧が例えば０．５Ｖの第１所定値を越えた場合にはダミー抵抗を接続し、燃料電池セルの発電電圧が例えば０．３Ｖを下回った場合にはダミー抵抗を切断している。これにより、従来では、システムの起動時において燃料電池スタックで発生する電圧を抑制している。また、従来では、システムの停止時においても、燃料電池スタックにダミー抵抗を接続して、燃料電池スタックに残存している電流を消費させている。
特開平１０−１４４３３４号公報 The technique described in Patent Document 1 is such that when the system is started up, hydrogen is supplied to the anode electrode of the fuel cell stack, and the power generation voltage of the fuel cell exceeds a first predetermined value of 0.5 V, for example. Connects a dummy resistor, and the dummy resistor is disconnected when the power generation voltage of the fuel cell falls below 0.3 V, for example. Thereby, conventionally, the voltage generated in the fuel cell stack at the time of starting the system is suppressed. Conventionally, even when the system is stopped, a dummy resistor is connected to the fuel cell stack to consume the current remaining in the fuel cell stack.
Japanese Patent Laid-Open No. 10-144334

しかしながら、上述した従来の特許文献１に記載された技術は、ダミー抵抗の抵抗値と、燃料電池の電圧値によって、燃料電池スタックから取り出される電流値が一意に決まってしまう。すなわち、燃料電池スタックの電圧値が第１所定値を超えてダミー抵抗を接続した際に、燃料電池スタックから取り出す電流が不足して燃料電池スタックの電圧が上昇した場合や、ダミー抵抗を接続した際に燃料電池スタックから取り出す電流が過剰となって電圧値が急下降してしまう場合には、燃料電池スタックの劣化を抑制することができないという問題点があった。   However, in the technique described in the above-described conventional patent document 1, the current value taken out from the fuel cell stack is uniquely determined by the resistance value of the dummy resistor and the voltage value of the fuel cell. That is, when the voltage value of the fuel cell stack exceeds the first predetermined value and the dummy resistor is connected, the current taken out from the fuel cell stack is insufficient and the voltage of the fuel cell stack rises, or the dummy resistor is connected In this case, when the current taken out from the fuel cell stack becomes excessive and the voltage value drops rapidly, there is a problem that deterioration of the fuel cell stack cannot be suppressed.

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、システムの起動時や停止時における燃料電池から取り出す電圧を制御することにより、燃料電池の劣化を確実に抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been proposed in view of the above-described circumstances, and deterioration of the fuel cell can be reliably suppressed by controlling the voltage taken out from the fuel cell at the time of starting and stopping of the system. An object is to provide a fuel cell system.

本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給手段と、燃料電池により発電した電力を吸収する負荷と、システムの停止時又は起動時に燃料電池で発電された電力を吸収するように制御する制御手段とを備えるものである。この燃料電池システムにおいて、制御手段は、少なくともガス供給手段により燃料電池に燃料ガスの供給を開始する時に、吸収可能電力算出手段により、負荷で吸収可能な電力を算出し、取出電力算出手段により、吸収可能電力に基づいた燃料電池から取り出す取り出し電力を算出し、燃料供給量制御手段により、出電力を燃料電池に発電させるように燃料電池に供給する燃料ガスの供給量を調整するようにガス供給手段を制御する。これにより、燃料電池システムは、負荷制御手段により、算出された取出電力に従って負荷で吸収する電力を制御することにより、燃料電池から取り出す電力を任意に制御して、上述の課題を解決する。   A fuel cell system according to the present invention absorbs electric power generated by a fuel cell that generates power using fuel gas and oxidant gas, gas supply means for supplying fuel gas and oxidant gas to the fuel cell, and fuel cell A load and control means for controlling to absorb the power generated by the fuel cell when the system is stopped or started. In this fuel cell system, the control means calculates the power that can be absorbed by the load by the absorbable power calculating means when starting the supply of the fuel gas to the fuel cell by at least the gas supplying means, and the extracted power calculating means Calculates the electric power to be taken out from the fuel cell based on the absorbable electric power, and supplies the gas to adjust the supply amount of the fuel gas supplied to the fuel cell so that the fuel cell generates electric power by the fuel supply amount control means Control means. Thereby, the fuel cell system controls the power absorbed by the load according to the calculated extracted power by the load control means, thereby arbitrarily controlling the power extracted from the fuel cell, thereby solving the above-mentioned problem.

本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池への燃料ガス供給開始時に、負荷で吸収可能な電力に基づいて取出電力及び燃料ガス供給量を設定するので、負荷の状態によらず燃料電池の電圧を任意に設定することができる。したがって、この燃料電池システムによれば、システム起動時に、燃料電池の電圧が高くなることや、燃料電池から過剰な電力を取り出すことを防止するように燃料電池の電圧を制御することができ、燃料電池の劣化を確実に抑制することができる。   According to the fuel cell system of the present invention, when the supply of fuel gas to the fuel cell is started, the extracted power and the fuel gas supply amount are set based on the power that can be absorbed by the load. The voltage can be arbitrarily set. Therefore, according to this fuel cell system, it is possible to control the voltage of the fuel cell so as to prevent the fuel cell voltage from becoming high or taking out excessive electric power from the fuel cell at the time of starting the system. Battery degradation can be reliably suppressed.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

本発明は、例えば図１に示すように構成された燃料電池システムに適用される。   The present invention is applied to a fuel cell system configured as shown in FIG. 1, for example.

［燃料電池システムの構成］
この燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることにより発電する燃料電池スタック１を備える。この燃料電池スタック１は、発電反応を発生させるための水素を多量に含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとが供給されることによって発電する。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、酸化剤ガスとして空気が供給される酸化剤極（カソード極１ａ）と燃料ガスとして水素が供給される燃料極（アノード極１ｂ）とを対設した燃料電池セルを備え、当該燃料電池セルを複数積層することによって構成されている。すなわち、この燃料電池スタック１による発電は、アノード極１ｂにて水素が電子を放出してイオン化し、生成された水素イオン（Ｈ+）が高分子電解質膜を通過してカソード極１ａに到達し、この水素イオンがカソード極１ａにて酸素と結合して水（Ｈ2Ｏ）を生成することによって行われる。 [Configuration of fuel cell system]
The fuel cell system includes a fuel cell stack 1 that generates electric power when supplied with fuel gas and oxidant gas. The fuel cell stack 1 generates power by supplying a fuel gas containing a large amount of hydrogen for generating a power generation reaction and an oxidant gas containing oxygen. The fuel cell stack 1 includes, for example, an oxidant electrode (cathode electrode 1a) to which air is supplied as an oxidant gas and a fuel electrode (anode electrode 1b) to which hydrogen is supplied as a fuel gas with a solid polymer electrolyte membrane interposed therebetween. ) And a plurality of the fuel battery cells are stacked. That is, in the power generation by the fuel cell stack 1, hydrogen is released and ionized at the anode 1b, and the generated hydrogen ions (H + ) pass through the polymer electrolyte membrane and reach the cathode 1a. The hydrogen ions are combined with oxygen at the cathode 1a to generate water (H 2 O).

また、この燃料電池システムは、燃料電池スタック１に空気及び水素を供給するガス供給手段として、カソード極１ａの空気入口に接続された空気供給配管Ｌ１、当該空気供給配管Ｌ１に設けられたコンプレッサ２、カソード極１ａの空気出口に接続された空気排出配管Ｌ２、アノード極１ｂの水素入口に接続された水素供給配管Ｌ３、当該水素供給配管Ｌ３に設けられた水素タンク３、水素調圧弁４及び水素圧力センサ５、アノード極１ｂの水素出口に接続された水素循環配管Ｌ４を備える。   The fuel cell system also includes an air supply pipe L1 connected to the air inlet of the cathode 1a as a gas supply means for supplying air and hydrogen to the fuel cell stack 1, and a compressor 2 provided in the air supply pipe L1. , An air discharge pipe L2 connected to the air outlet of the cathode 1a, a hydrogen supply pipe L3 connected to the hydrogen inlet of the anode 1b, a hydrogen tank 3, a hydrogen pressure regulating valve 4 and hydrogen provided in the hydrogen supply pipe L3 A pressure sensor 5 and a hydrogen circulation pipe L4 connected to the hydrogen outlet of the anode 1b are provided.

このような燃料電池システムは、燃料電池スタック１を発電させる場合には、システムコントローラ６によって、水素圧力センサ５からのセンサ信号を読み込んで、アノード極１ｂ内の水素流量及び水素圧力を調整するように水素調圧弁４の開度を調整すると共に、カソード極１ａ内の空気流量及び空気圧力を調整するようにコンプレッサ２等を制御する。これにより、燃料電池スタック１には、空気供給配管Ｌ１を介して空気が供給されると共に、水素供給配管Ｌ３を介して水素ガスが供給されて発電を行う。そして、燃料電池スタック１の発電反応に使用されなかった空気は空気排出配管Ｌ２を介して排出され、燃料電池スタック１の発電反応に使用されなかった水素ガスは水素供給配管Ｌ３を介して循環される。   In such a fuel cell system, when the fuel cell stack 1 is caused to generate power, the system controller 6 reads the sensor signal from the hydrogen pressure sensor 5 so as to adjust the hydrogen flow rate and the hydrogen pressure in the anode 1b. In addition, the opening of the hydrogen pressure regulating valve 4 is adjusted, and the compressor 2 and the like are controlled so as to adjust the air flow rate and the air pressure in the cathode electrode 1a. As a result, air is supplied to the fuel cell stack 1 through the air supply pipe L1, and hydrogen gas is supplied through the hydrogen supply pipe L3 to generate power. The air that has not been used for the power generation reaction of the fuel cell stack 1 is discharged through the air discharge pipe L2, and the hydrogen gas that has not been used for the power generation reaction of the fuel cell stack 1 is circulated through the hydrogen supply pipe L3. The

更に、この燃料電池システムは、燃料電池スタック１で発電した電力を取り出して吸収するために、燃料電池スタック１に接続されたパワーマネージャ７、二次電池であるバッテリ８、バッテリ温度センサ９、バッテリ充放電電力センサ１０、車両負荷１１及びバッテリコントローラ１２を備える。   The fuel cell system further includes a power manager 7 connected to the fuel cell stack 1, a battery 8 as a secondary battery, a battery temperature sensor 9, a battery in order to take out and absorb the electric power generated by the fuel cell stack 1. A charge / discharge power sensor 10, a vehicle load 11 and a battery controller 12 are provided.

このような燃料電池システムは、システムコントローラ６の制御に従ってパワーマネージャ７により燃料電池スタック１から取り出す電力が制御され、パワーマネージャ７によって取り出した電力をバッテリ８又は車両負荷１１に供給する。また、この燃料電池システムは、バッテリ温度センサ９及びバッテリ放充電電力センサ１０により検出しているセンサ信号をバッテリコントローラ１２により読み取り、システムコントローラ６の制御に従ってバッテリ８の充放電を制御する。   In such a fuel cell system, the power extracted from the fuel cell stack 1 is controlled by the power manager 7 according to the control of the system controller 6, and the power extracted by the power manager 7 is supplied to the battery 8 or the vehicle load 11. Further, in this fuel cell system, the battery controller 12 reads sensor signals detected by the battery temperature sensor 9 and the battery charging / discharging power sensor 10, and controls charging / discharging of the battery 8 according to the control of the system controller 6.

このような燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１の構成要素である各燃料電池セルは、燃料電池システムの起動時又は停止時に、図２に示すような反応を行う。この燃料電池セルは、燃料電池システムの停止時に、カソード極１ａとアノード極１ｂにそれぞれ酸素と水素が残った状態で、車両負荷１１やバッテリ８の負荷との接続を切り離して放置したとき、また、燃料電池システムの起動時にアノード極１ｂに水素を供給し始めたときには、アノード極１ｂは水素と酸素が混在した状態となる。   In such a fuel cell system, each fuel cell that is a component of the fuel cell stack 1 performs a reaction as shown in FIG. 2 when the fuel cell system is started or stopped. When the fuel cell system is stopped, when the oxygen and hydrogen remain in the cathode electrode 1a and the anode electrode 1b, respectively, the fuel cell is disconnected from the vehicle load 11 and the load of the battery 8 and left to stand. When hydrogen is started to be supplied to the anode 1b when the fuel cell system is started, the anode 1b is in a state where hydrogen and oxygen are mixed.

このとき、アノード極１ｂからカソード極１ａへプロトン（Ｈ+ ）が移動し、移動したプロトンとカソード極１ａの酸素が反応して水が生成される。この反応では電子（ｅ- ）が必要とされるが、負荷が接続されていないため負荷電流は停止し、アノード極１ｂからカソード極１ａへ電子が負荷を通じて移動できない。そのため、カソード極１ａに存在する水と電解質膜上の触媒担持炭素とが反応して、二酸化炭素とプロトンと電子が生成される。こうして生成された電子がカソード水生成反応に使われる。このとき電解質膜上の炭素が奪われて、電解質膜が劣化する。   At this time, protons (H +) move from the anode 1b to the cathode 1a, and the transferred proton and oxygen in the cathode 1a react to generate water. In this reaction, electrons (e-) are required. However, since the load is not connected, the load current stops and electrons cannot move from the anode 1b to the cathode 1a through the load. Therefore, the water present in the cathode electrode 1a reacts with the catalyst-supporting carbon on the electrolyte membrane to generate carbon dioxide, protons, and electrons. The generated electrons are used for the cathodic water generation reaction. At this time, carbon on the electrolyte membrane is deprived and the electrolyte membrane deteriorates.

アノード極１ｂでは、水素が存在する領域と空気が存在する領域とが混在している。アノード極１ｂの水素が存在する領域では、水素が解離してプロトンと電子が生じる。アノード極１ｂの空気が存在する領域では、酸素と、カソード極１ａから移動したプロトンと、水素のプロトン化で生じた電子とが反応して水が生成される。この状態において、燃料電池スタック１の開放端電圧が高いと電子の移動が起こりやすくなり、これらの化学反応が促進されて電解質膜の炭素被毒が激しくなる。   In the anode 1b, a region where hydrogen is present and a region where air is present are mixed. In the region where the hydrogen exists in the anode 1b, the hydrogen is dissociated to generate protons and electrons. In the region where the air exists in the anode 1b, water reacts with oxygen, protons moved from the cathode 1a, and electrons generated by protonation of hydrogen. In this state, if the open-circuit voltage of the fuel cell stack 1 is high, electron movement tends to occur, and these chemical reactions are promoted, and the carbon poisoning of the electrolyte membrane becomes intense.

以上を纏めると、燃料電池スタック１の停止時及び停止後の放置時には、カソード極１ａに空気（酸素）が残っていること、アノード極１ｂに水素が残っていて外部から空気（酸素）が流入してくること、電力取り出しが停止していること、開放端電圧が高いことにより、電解質膜状のプラチナ触媒担体の炭素が被毒を起こす条件が成立する。   In summary, when the fuel cell stack 1 is stopped and left after the stop, air (oxygen) remains in the cathode 1a, and hydrogen remains in the anode 1b and air (oxygen) flows from the outside. Therefore, the condition that the carbon of the electrolyte membrane-like platinum catalyst carrier is poisoned is established by the fact that the power extraction is stopped and the open-circuit voltage is high.

また、燃料電池スタック１の起動時には、カソード極１ａに空気（酸素）が外部から入ってきていること、アノード極１ｂに水素供給が開始され、空気（酸素）と水素とが混ざっていること、アノード極１ｂに水素が満たされるまで電力取り出しが停止していること、開放端電圧が高いことにより、電解質膜状のプラチナ触媒担体の炭素が被毒を起こす条件が成立する。   In addition, when the fuel cell stack 1 is started, air (oxygen) enters the cathode 1a from the outside, supply of hydrogen to the anode 1b is started, and air (oxygen) and hydrogen are mixed. The condition that the carbon of the electrolyte membrane-like platinum catalyst carrier is poisoned is established by the fact that the power extraction is stopped until the anode 1b is filled with hydrogen and the open-circuit voltage is high.

電解質膜の触媒担持炭素の被毒は、燃料電池出力のＩ−Ｖ特性に影響を及ぼす。即ち同一出力電流を取り出したときに炭素被毒した燃料電池セルは、被毒しない燃料電池セルより出力電圧が低下し、大きな発電電力を得ることができなくなる。   The poisoning of the catalyst-supported carbon in the electrolyte membrane affects the IV characteristics of the fuel cell output. That is, when the same output current is taken out, a fuel cell that is poisoned with carbon has a lower output voltage than a fuel cell that is not poisoned, and cannot generate a large amount of generated power.

これに対し、本発明を適用した燃料電池システムは、炭素被毒を防止するために、カソード極１ａに酸素が残っている状態で水素ガスをアノード極１ｂに供給した場合に、アノード極１ｂが水素で満たされるまでの間、燃料電池スタック１から電力を取り出し、燃料電池スタック１の発電電圧を低下させる。   On the other hand, in the fuel cell system to which the present invention is applied, when hydrogen gas is supplied to the anode 1b with oxygen remaining in the cathode 1a in order to prevent carbon poisoning, the anode 1b The electric power is taken out from the fuel cell stack 1 until it is filled with hydrogen, and the generated voltage of the fuel cell stack 1 is lowered.

すなわち、燃料電池システムは、発電を行わない期間が長期に亘った後に燃料電池スタック１を起動させる場合、カソード極１ａに空気（酸素）がある状態で水素供給を開始すると、図１に示すような状態が生じ、この時発電電圧が所定値よりも高くなると、炭素被毒が生じる。これに対し、燃料電池システムは、炭素被毒を防止するために、アノード極１ｂが水素で満たされるまでの間、燃料電池スタック１から電力を取り出し、発電電圧を低下させるようにパワーマネージャ７を動作させる。そして、燃料電池スタック１の起動時に取り出した電力は、バッテリ８に充電させるようにパワーマネージャ７を動作させる。   That is, in the fuel cell system, when the fuel cell stack 1 is started after a long period of time during which power generation is not performed, when hydrogen supply is started in a state where air (oxygen) is present in the cathode electrode 1a, as shown in FIG. If a generated state occurs and the generated voltage becomes higher than a predetermined value at this time, carbon poisoning occurs. On the other hand, in order to prevent carbon poisoning, the fuel cell system takes out power from the fuel cell stack 1 until the anode 1b is filled with hydrogen, and sets the power manager 7 so as to lower the generated voltage. Make it work. Then, the power manager 7 is operated so that the battery 8 is charged with the electric power extracted when the fuel cell stack 1 is started.

ところが、バッテリ８は、バッテリ充電状態やバッテリ温度により充電可能電力に制限を受けることがある。そのため、バッテリ８の状態によらず、燃料電池スタック１の炭素被毒を防止するためには、バッテリ８の充電可能電力に応じてアノード極１ｂに供給する水素供給量を制御する必要がある。このとき、システムコントローラ６は、バッテリ温度センサ９及びバッテリ充放電電力センサ１０からのセンサ信号を読み込んでバッテリ８の充電可能電力を演算し、当該充電可能電力に基づいて水素圧力センサ５からのセンサ信号を監視しながら水素調圧弁４の開度を調整する。ここで、システムコントローラ６は、アノード極１ｂへの水素供給量を制御することと、水素圧力センサ５で検出される部位での水素圧力を制御することとが略等価であるとして、アノード極１ｂへの水素供給量を調整する。   However, the battery 8 may be limited by the chargeable power depending on the battery charge state and the battery temperature. Therefore, in order to prevent carbon poisoning of the fuel cell stack 1 regardless of the state of the battery 8, it is necessary to control the amount of hydrogen supplied to the anode 1b according to the chargeable power of the battery 8. At this time, the system controller 6 reads the sensor signals from the battery temperature sensor 9 and the battery charge / discharge power sensor 10 to calculate the chargeable power of the battery 8, and the sensor from the hydrogen pressure sensor 5 based on the chargeable power. The opening degree of the hydrogen pressure regulating valve 4 is adjusted while monitoring the signal. Here, the system controller 6 assumes that the control of the hydrogen supply amount to the anode 1b and the control of the hydrogen pressure detected by the hydrogen pressure sensor 5 are substantially equivalent, and the anode 1b Adjust the amount of hydrogen supplied to

また、この燃料電池システムの起動時において、燃料電池スタック１の発電効率が低く十分な電力を発電していないにも拘わらず、過大な電力を取り出すと、燃料電池スタック１における極が逆転する転極という現象が生じてしまうが、当該転極を防止するために、パワーマネージャ７により取り出す電力に応じた適切な水素供給量とする。   In addition, when the fuel cell system is started, the power generation efficiency of the fuel cell stack 1 is low and sufficient power is not generated, but if excessive power is taken out, the pole in the fuel cell stack 1 is reversed. Although a phenomenon called a pole occurs, in order to prevent the reversal, an appropriate hydrogen supply amount corresponding to the electric power taken out by the power manager 7 is set.

このように燃料電池システムの各部を制御するシステムコントローラ６及びバッテリコントローラ１２は、その機能的な構成が図３に示すようになる。すなわちバッテリコントローラ１２は、バッテリ充放電電力センサ１０からセンサ信号を入力して、バッテリ８の充電状態としてＳＯＣ（State Of Charge：バッテリ充電率）をＳＯＣ算出部２１により演算し、当該演算されたＳＯＣをバッテリ温度センサ９からのセンサ信号に応じてＳＯＣ補正部２２によって補正する。これにより、バッテリコントローラ１２は、現在のバッテリ８の充電可能電力を演算し、システムコントローラ６に出力する。このようなバッテリコントローラ１２は、吸収可能電力算出手段として機能することになる。   As described above, the functional configuration of the system controller 6 and the battery controller 12 that control each part of the fuel cell system is as shown in FIG. That is, the battery controller 12 inputs a sensor signal from the battery charge / discharge power sensor 10, calculates an SOC (State Of Charge) as the state of charge of the battery 8 by the SOC calculation unit 21, and calculates the calculated SOC. Is corrected by the SOC correction unit 22 in accordance with the sensor signal from the battery temperature sensor 9. Thereby, the battery controller 12 calculates the current chargeable power of the battery 8 and outputs it to the system controller 6. Such a battery controller 12 functions as an absorbable power calculating unit.

システムコントローラ６は、バッテリコントローラ１２からバッテリ８の充電可能電力を入力すると、取出電力算出部３１により、バッテリ８の充電可能電力、すなわちバッテリ８で吸収可能な電力の範囲内で燃料電池スタック１から取り出す取出電力を設定する。そして、取出電力算出部３１は、設定した取出電力をパワーマネージャ７に通知することにより、当該取出電力を取り出すように制御する負荷制御手段として機能する。   When the system controller 6 inputs the chargeable power of the battery 8 from the battery controller 12, the extracted power calculation unit 31 causes the charge of the battery 8, that is, the power that can be absorbed by the battery 8, from the fuel cell stack 1. Set the power to be extracted. And the extraction electric power calculation part 31 functions as a load control means which controls to take out the said extraction electric power by notifying the power manager 7 of the set extraction electric power.

また、システムコントローラ６は、目標水素供給量設定部３２により、演算された取出電力に応じたカソード極１ａへの目標水素供給量を演算し、当該演算された目標水素供給量に応じた水素調圧弁４の開度を水素調圧弁制御部３３により演算して、開度を制御する制御信号を水素調圧弁４に出力する。このようなシステムコントローラ６は、取出電力算出部３１が取出電力算出手段として機能し、目標水素供給量設定部３２及び水素調圧弁制御部３３が燃料供給量制御手段として機能することになる。   Further, the system controller 6 calculates a target hydrogen supply amount to the cathode 1a according to the calculated extracted power by the target hydrogen supply amount setting unit 32, and adjusts the hydrogen according to the calculated target hydrogen supply amount. The opening degree of the pressure valve 4 is calculated by the hydrogen pressure regulating valve control unit 33 and a control signal for controlling the opening degree is outputted to the hydrogen pressure regulating valve 4. In such a system controller 6, the extracted power calculation unit 31 functions as an extracted power calculation unit, and the target hydrogen supply amount setting unit 32 and the hydrogen pressure regulating valve control unit 33 function as a fuel supply amount control unit.

このとき、水素調圧弁制御部３３は、図４に示すように、目標水素供給量設定部３２で演算された目標水素供給量に応じた目標水素圧力から、水素圧力センサ５により検出している実際の水素圧力である実水素圧力を減算した圧力値を演算器４１により求める。そして、当該実水素圧力と目標水素圧力との差分に、比例項演算部４４によりゲインＫＰを乗算した値と、差分の積分値を積分器４２により演算して、当該積分値にゲインＫＩを積分項演算部４３により乗算した値とを、加算器４５で求める。そして、水素調圧弁制御部３３は、加算器４５で求めた値を水素調圧弁４の制御量に設定して、制御信号を出力する。   At this time, as shown in FIG. 4, the hydrogen pressure regulating valve control unit 33 detects the hydrogen pressure sensor 5 from the target hydrogen pressure corresponding to the target hydrogen supply amount calculated by the target hydrogen supply amount setting unit 32. The pressure value obtained by subtracting the actual hydrogen pressure, which is the actual hydrogen pressure, is obtained by the calculator 41. Then, the value obtained by multiplying the difference between the actual hydrogen pressure and the target hydrogen pressure by the gain KP by the proportional term calculation unit 44 and the integral value of the difference are calculated by the integrator 42, and the gain KI is integrated into the integrated value. The value multiplied by the term operation unit 43 is obtained by the adder 45. Then, the hydrogen pressure regulating valve control unit 33 sets the value obtained by the adder 45 as the control amount of the hydrogen pressure regulating valve 4 and outputs a control signal.

［水素供給量制御処理］
つぎに、上述したように構成された燃料電池システムの起動時にアノード極１ｂへの水素供給量を制御する水素供給量制御処理の具体的な処理内容について図５のフローチャート等を用いて説明する。なお、この図５に示す水素供給量制御処理は、外部から燃料電池システムを起動する信号がシステムコントローラ６に入力された時点から、例えば１０ｍｓｅｃ毎の所定期間毎に実行される。 [Hydrogen supply control processing]
Next, specific processing contents of the hydrogen supply amount control process for controlling the hydrogen supply amount to the anode 1b when the fuel cell system configured as described above is started will be described with reference to the flowchart of FIG. The hydrogen supply amount control process shown in FIG. 5 is executed at predetermined intervals of, for example, 10 msec from the time when a signal for starting the fuel cell system is input to the system controller 6 from the outside.

先ずステップＳ１においては、バッテリコントローラ１２により、バッテリ温度センサ９及びバッテリ充放電電力センサ１０からのセンサ信号を読み込んで、ＳＯＣ算出部２１及びＳＯＣ補正部２２によりバッテリ８の充電可能電力を演算し、システムコントローラ６により、演算された充電可能電力を読み込む。このとき、ＳＯＣ算出部２１は、バッテリ充放電電力センサ１０からの出力値を積分することによりＳＯＣを算出し、ＳＯＣ補正部２２は、当該ＳＯＣとバッテリ温度センサ９からの出力値とを用いて充電可能電力を算出する。   First, in step S1, the battery controller 12 reads sensor signals from the battery temperature sensor 9 and the battery charge / discharge power sensor 10, and the SOC calculation unit 21 and the SOC correction unit 22 calculate the chargeable power of the battery 8, The calculated chargeable power is read by the system controller 6. At this time, the SOC calculation unit 21 calculates the SOC by integrating the output value from the battery charge / discharge power sensor 10, and the SOC correction unit 22 uses the SOC and the output value from the battery temperature sensor 9. Calculate chargeable power.

次のステップＳ２においては、システムコントローラ６の取出電力算出部３１により、パワーマネージャ７により燃料電池スタック１から取り出す取出電力を設定する。このとき、取出電力算出部３１は、予め図６に示すような充電可能電力［ｋＷ］と取出電力［ｋＷ］との関係を記述したテーブルデータを記憶しており、当該テーブルデータを参照し、ステップＳ１で読み込んだ充電可能電力に対応した取出電力を決定する。   In the next step S <b> 2, the extracted power to be extracted from the fuel cell stack 1 by the power manager 7 is set by the extracted power calculation unit 31 of the system controller 6. At this time, the extracted power calculation unit 31 stores table data describing the relationship between the chargeable power [kW] and the extracted power [kW] as shown in FIG. 6 in advance, and refers to the table data. The extracted power corresponding to the chargeable power read in step S1 is determined.

次のステップＳ３においては、システムコントローラ６の目標水素供給量設定部３２により、アノード極１ｂの水素入口における水素圧力の目標値を設定する。このとき、目標水素供給量設定部３２は、予め図７に示すような取出電力［ｋＷ］と目標水素圧力［ｋＰａ］との関係を記述したテーブルデータを記憶しており、当該テーブルデータを参照し、ステップＳ２で設定した取出電力に対応した目標水素圧力を決定する。図７に示すテーブルデータは、燃料電池スタック１の出力電圧を所望の範囲にするために必要な取出電力と目標水素圧力との関係をあらかじめ実験等で求めておくことにより作成されている。   In the next step S3, the target hydrogen supply amount setting unit 32 of the system controller 6 sets the target value of the hydrogen pressure at the hydrogen inlet of the anode 1b. At this time, the target hydrogen supply amount setting unit 32 stores in advance table data describing the relationship between the extracted power [kW] and the target hydrogen pressure [kPa] as shown in FIG. 7, and refer to the table data. The target hydrogen pressure corresponding to the extracted power set in step S2 is determined. The table data shown in FIG. 7 is created by obtaining in advance an experiment or the like the relationship between the extracted power and the target hydrogen pressure necessary to bring the output voltage of the fuel cell stack 1 into a desired range.

また、このテーブルデータは、パワーマネージャ７により取出電力を取り出した時の燃料電池スタック１の電圧が、炭素被毒を引き起こす高電圧である第１所定電圧値を越えないような第１取出電力Ａ１、当該第１取出電力Ａ１に対応した第１目標水素圧力Ｂ１が設定されている。更に、このテーブルデータは、燃料電池スタック１から過剰な電力を取り出すことによる転極を防止するために、当該転極が発生する可能性がある取出電力よりも高い取出電力に相当する第２所定電圧値を下回らないような第２取出電力Ａ２、当該第２取出電力Ａ２に対応した第２目標水素圧力Ｂ２が設定されている。   Further, the table data includes the first extracted power A1 such that the voltage of the fuel cell stack 1 when the extracted power is taken out by the power manager 7 does not exceed the first predetermined voltage value that is a high voltage that causes carbon poisoning. The first target hydrogen pressure B1 corresponding to the first extracted power A1 is set. Furthermore, this table data is a second predetermined value corresponding to the extracted power higher than the extracted power that may cause the inversion in order to prevent the inversion due to taking out excessive power from the fuel cell stack 1. A second extracted power A2 that does not fall below the voltage value, and a second target hydrogen pressure B2 that corresponds to the second extracted power A2 are set.

したがって、ステップＳ３においては、燃料電池スタック１の電圧が第１所定電圧値と第２所定電圧値との間の電圧値となるような水素供給量を設定することができる。   Therefore, in step S3, the hydrogen supply amount can be set such that the voltage of the fuel cell stack 1 becomes a voltage value between the first predetermined voltage value and the second predetermined voltage value.

次のステップＳ４においては、システムコントローラ６の水素調圧弁制御部３３により、ステップＳ３で決定された目標水素圧力となるような水素調圧弁４の制御量を演算する。このとき、水素調圧弁制御部３３は、水素圧力センサ５からのセンサ信号を読み込んで実水素圧力を検出し、実水素圧力を目標水素圧力に近づけるＰＩ制御演算を行う。   In the next step S4, the hydrogen pressure regulating valve control unit 33 of the system controller 6 calculates the control amount of the hydrogen pressure regulating valve 4 so as to be the target hydrogen pressure determined in step S3. At this time, the hydrogen pressure regulating valve control unit 33 reads the sensor signal from the hydrogen pressure sensor 5, detects the actual hydrogen pressure, and performs a PI control calculation to bring the actual hydrogen pressure closer to the target hydrogen pressure.

次のステップＳ５においては、システムコントローラ６の水素調圧弁制御部３３により、ＰＩ制御演算により得た水素調圧弁４の制御量を示す制御信号を水素調圧弁４に出力することにより、水素調圧弁４の開度を制御する。これにより、燃料電池スタック１は、ステップＳ３で設定された水素ガス圧力で水素ガスが導入され、ステップＳ２で設定されパワーマネージャ７により取り出される取出電力を発電する供給量の水素が導入される。   In the next step S5, the hydrogen pressure regulating valve control unit 33 of the system controller 6 outputs a control signal indicating the control amount of the hydrogen pressure regulating valve 4 obtained by the PI control calculation to the hydrogen pressure regulating valve 4, thereby providing a hydrogen pressure regulating valve. 4 is controlled. As a result, hydrogen gas is introduced into the fuel cell stack 1 at the hydrogen gas pressure set in step S3, and a supply amount of hydrogen that is set in step S2 and that generates the extracted power taken out by the power manager 7 is introduced.

なお、上述した水素供給量制御処理は、ステップＳ３で目標水素圧力を設定する場合に図７に示すように連続的に目標水素圧力が変化するテーブルデータを使用したが、これに限らず、図８に示すような段階的に目標水素圧力が変化するテーブルデータを使用しても良い。この図８のテーブルデータは、図７と同様に、第１所定電圧値を越えないような目標水素圧力を設定すると共に、第２所定電圧値を下回らないような目標水素圧力を設定する。そして、取出電力が０からＡ１に移行する場合には第１目標水素圧力Ｂ１とし、取出電力Ａ１以上となったら目標水素圧力をＢ１に設定する。そして、取出電力がＡ１以上となった後にＡ２以下となったら目標水素圧力をＢ１からＢ２に設定する。   Note that the hydrogen supply amount control process described above uses table data in which the target hydrogen pressure continuously changes as shown in FIG. 7 when the target hydrogen pressure is set in step S3. Table data in which the target hydrogen pressure changes stepwise as shown in FIG. 8 may be used. The table data in FIG. 8 sets a target hydrogen pressure that does not exceed the first predetermined voltage value, and sets a target hydrogen pressure that does not fall below the second predetermined voltage value, as in FIG. When the extracted power shifts from 0 to A1, the first target hydrogen pressure B1 is set. When the extracted power becomes equal to or greater than A1, the target hydrogen pressure is set to B1. Then, when the extracted electric power becomes A1 or more and then becomes A2 or less, the target hydrogen pressure is set from B1 to B2.

［実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムによれば、カソード極１ａへの水素供給開始時に、バッテリ８又は車両負荷１１の負荷で吸収可能な電力に基づいて取出電力及びアノード極１ｂへの水素供給量を設定するので、負荷の状態によらず燃料電池スタック１の電圧を任意に設定することができる。したがって、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の電圧が高くなることによる炭素被毒や、燃料電池スタック１から過剰な電力を取り出すことによる転極を防止するように燃料電池スタック１の電圧を制御することができ、燃料電池スタック１の劣化を確実に抑制することができる。 [Effect of the embodiment]
As described above in detail, according to the fuel cell system according to the first embodiment to which the present invention is applied, the electric power that can be absorbed by the load of the battery 8 or the vehicle load 11 at the start of hydrogen supply to the cathode 1a. Since the extraction power and the hydrogen supply amount to the anode electrode 1b are set based on this, the voltage of the fuel cell stack 1 can be arbitrarily set regardless of the state of the load. Therefore, according to this fuel cell system, the fuel cell stack 1 is prevented from being poisoned by carbon due to the voltage of the fuel cell stack 1 being increased, or from reversal by taking out excessive electric power from the fuel cell stack 1. The voltage can be controlled, and the deterioration of the fuel cell stack 1 can be reliably suppressed.

また、この燃料電池システムによれば、カソード極１ａへの水素供給開始時に発生する電力を吸収する負荷としてバッテリ８を使用したので、新たな負荷を追加することなく、システムの重量の増大や、レイアウトの制約を受けることなく、上述の効果を発揮させることができる。   Further, according to this fuel cell system, since the battery 8 is used as a load that absorbs the electric power generated when the supply of hydrogen to the cathode electrode 1a is started, an increase in the weight of the system without adding a new load, The above-described effects can be exhibited without being restricted by the layout.

更に、この燃料電池システムによれば、負荷の状態に応じて燃料電池スタック１の電圧が第１所定電圧値を越えないように水素供給量を算出するので、燃料電池スタック１の電圧が高くなることを抑制でき、確実に炭素被毒を軽減することができる。   Further, according to this fuel cell system, the hydrogen supply amount is calculated so that the voltage of the fuel cell stack 1 does not exceed the first predetermined voltage value according to the state of the load, so the voltage of the fuel cell stack 1 becomes high. This can be suppressed, and carbon poisoning can be surely reduced.

更にまた、この燃料電池システムによれば、負荷の状態に応じて燃料電池スタック１の電圧が第２所定電圧値を下回らないように水素供給量を算出するので、燃料電池スタック１に転極が発生することを抑制でき、効果的に炭素被毒を軽減することができる。   Furthermore, according to this fuel cell system, the hydrogen supply amount is calculated so that the voltage of the fuel cell stack 1 does not fall below the second predetermined voltage value according to the state of the load. Generation | occurrence | production can be suppressed and carbon poisoning can be reduced effectively.

更にまた、この燃料電池システムによれば、ステップＳ３において、取出電力と第１取出電力Ａ１と第２取出電力Ａ２との間の２段階で切り換えると共に、当該取出電力に応じた水素供給量を第１目標水素圧力Ｂ１に応じた水素供給量と第２目標水素圧力Ｂ２に応じた水素供給量との間で切り換えるようなテーブルデータを使用することにより、取出電力に応じて水素供給量を演算するときの演算量を低減すると共に、システムの動作確認時の実験時間を軽減することができる。   Furthermore, according to this fuel cell system, in step S3, switching is performed in two stages between the extracted power, the first extracted power A1, and the second extracted power A2, and the hydrogen supply amount corresponding to the extracted power is changed to the first level. By using table data that switches between the hydrogen supply amount corresponding to the first target hydrogen pressure B1 and the hydrogen supply amount corresponding to the second target hydrogen pressure B2, the hydrogen supply amount is calculated according to the extracted power. The amount of calculation at the time can be reduced, and the experiment time when confirming the operation of the system can be reduced.

また、図８に示すテーブルデータは、充電可能電力によって値が異なる少なくとも２つの取出電力Ａ１，Ａ２を設定すると共に、当該２つの取出電力Ａ１，Ａ２に応じた少なくとも２つの目標水素圧力Ｂ１，Ｂ２である水素供給量を設定していたが、これに限らず、２つより多い取出電力及び水素供給量を設定することにより、演算負荷の低減と、確実に燃料電池スタック１の劣化を抑制する水素供給量の精度の高い制御とを両立させることができる。   The table data shown in FIG. 8 sets at least two extracted powers A1 and A2 having different values depending on the chargeable power, and at least two target hydrogen pressures B1 and B2 corresponding to the two extracted powers A1 and A2. However, the present invention is not limited to this, but by setting more than two extraction power and hydrogen supply amount, the calculation load is reduced and the deterioration of the fuel cell stack 1 is surely suppressed. It is possible to achieve both high-precision control of the hydrogen supply amount.

なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。   The above-described embodiment is an example of the present invention. For this reason, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made depending on the design and the like as long as the technical idea according to the present invention is not deviated from this embodiment. Of course, it is possible to change.

本発明を適用した燃料電池システムの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the fuel cell system to which this invention is applied. システム起動時における各燃料電池セル内の反応を説明するための図である。It is a figure for demonstrating reaction in each fuel cell at the time of system starting. 本発明を適用した燃料電池システムにおけるバッテリコントローラ及びシステムコントローラの機能的な構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the functional structure of the battery controller in a fuel cell system to which this invention is applied, and a system controller. 水素調圧弁制御部の一回路構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the example of 1 circuit structure of a hydrogen pressure regulation valve control part. 本発明を適用した燃料電池システムによる水素供給量制御処理の処理手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process sequence of the hydrogen supply amount control process by the fuel cell system to which this invention is applied. 充電可能電力と取出電力との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between chargeable electric power and extraction electric power. 取出電力と目標水素圧力との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between extraction electric power and target hydrogen pressure. 取出電力と目標水素圧力との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between extraction electric power and target hydrogen pressure.

符号の説明Explanation of symbols

１ 燃料電池スタック
２ コンプレッサ
３ 水素タンク
４ 水素調圧弁
５ 水素圧力センサ
６ システムコントローラ
７ パワーマネージャ
８ バッテリ
９ バッテリ温度センサ
１０ バッテリ充放電電力センサ
１１ 車両負荷
１２ バッテリコントローラ
２１ ＳＯＣ算出部
２２ ＳＯＣ補正部
３１ 取出電力算出部
３２ 目標水素供給量設定部
３３ 水素調圧弁制御部
Ｌ１ 空気供給配管
Ｌ２ 空気排出配管
Ｌ３ 水素供給配管
Ｌ４ 水素循環配管 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell stack 2 Compressor 3 Hydrogen tank 4 Hydrogen pressure regulation valve 5 Hydrogen pressure sensor 6 System controller 7 Power manager 8 Battery 9 Battery temperature sensor 10 Battery charge / discharge power sensor 11 Vehicle load 12 Battery controller 21 SOC calculation part 22 SOC correction part 31 Extraction power calculation unit 32 Target hydrogen supply amount setting unit 33 Hydrogen pressure regulating valve control unit L1 Air supply piping L2 Air discharge piping L3 Hydrogen supply piping L4 Hydrogen circulation piping

Claims (5)

燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給手段と、
前記燃料電池により発電した電力を吸収する負荷と、
システムの停止時又は起動時に前記燃料電池で発電された電力を吸収するように制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記負荷で吸収可能な電力を算出する吸収可能電力算出手段と、
少なくとも前記ガス供給手段により前記燃料電池に燃料ガスの供給を開始する時に、前記吸収可能電力算出手段により算出された吸収可能電力に基づいて、前記燃料電池から取り出す取り出し電力を算出する取出電力算出手段と、
前記取出電力算出手段により算出された取出電力に従って、前記負荷で吸収する電力を制御する負荷制御手段と、
前記取出電力算出手段により算出された取出電力を前記燃料電池に発電させるように、前記燃料電池に供給する燃料ガスの供給量を調整するように前記ガス供給手段を制御する燃料供給量制御手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates power using fuel gas and oxidant gas;
Gas supply means for supplying fuel gas and oxidant gas to the fuel cell;
A load that absorbs power generated by the fuel cell;
Control means for controlling to absorb the power generated by the fuel cell when the system is stopped or started,
The control means includes
Absorbable power calculating means for calculating power that can be absorbed by the load;
At least when the gas supply means starts to supply fuel gas to the fuel cell, based on the absorbable power calculated by the absorbable power calculation means, the extracted power calculation means for calculating the extracted power taken out from the fuel cell When,
Load control means for controlling the power absorbed by the load according to the extracted power calculated by the extracted power calculating means;
A fuel supply amount control means for controlling the gas supply means so as to adjust the supply amount of the fuel gas supplied to the fuel cell so as to cause the fuel cell to generate the extracted power calculated by the extracted power calculation means; A fuel cell system comprising: 前記負荷は、二次電池であって、
前記負荷制御手段は、前記燃料電池により発電した電力を前記二次電池に吸収させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 The load is a secondary battery,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the load control unit causes the secondary battery to absorb the electric power generated by the fuel cell. 前記燃料供給量制御手段は、前記負荷制御手段により前記負荷に電力を取り出した場合に、前記燃料電池の電圧を第１所定値よりも低くするように前記燃料ガスの供給量を制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。   The fuel supply amount control means controls the fuel gas supply quantity so as to make the voltage of the fuel cell lower than a first predetermined value when electric power is taken out to the load by the load control means. The fuel cell system according to claim 1 or 2, characterized in that 前記燃料供給量制御手段は、前記負荷制御手段により前記負荷に電力を取り出した場合に、前記燃料電池の電圧が、第１所定値より低く且つ当該第１所定値よりも低い第２所定値より高くなるように前記燃料ガスの供給量を制御することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の燃料電池システム。   The fuel supply amount control means has a voltage of the fuel cell lower than a first predetermined value and lower than a second predetermined value lower than the first predetermined value when electric power is taken out to the load by the load control means. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein a supply amount of the fuel gas is controlled to be higher. 前記取出電力算出手段は、前記吸収可能電力算出手段により算出された吸収可能電力に基づいて、値が異なる少なくとも２つの取出電力を設定し、
前記燃料供給量制御手段は、前記取出電力算出手段により設定された少なくとも２つの取出電力に応じて、値が異なる少なくとも２つの燃料ガスの供給量を設定すること
を特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載の燃料電池システム。
The extracted power calculating means sets at least two extracted powers having different values based on the absorbable power calculated by the absorbable power calculating means,
The fuel supply amount control means sets at least two fuel gas supply amounts having different values in accordance with at least two extraction powers set by the extraction power calculation means. Item 5. The fuel cell system according to any one of Items 4.
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