JP2007179786A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池システムに係り、特に、起動時の燃料電池の劣化を最大限抑えつつ、より短い時間で起動可能な燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a fuel cell system that can be started in a shorter time while minimizing deterioration of the fuel cell during startup.
燃料電池システムは、燃料電池の燃料極に燃料ガスとして水素を供給し、燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスとして空気を供給し、これら水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。このような燃料電池システムは、例えば自動車の動力源等として実用化に大きな期待が寄せられており、現在、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。 The fuel cell system supplies hydrogen as a fuel gas to the fuel electrode of the fuel cell, supplies air as the oxidant gas to the oxidant electrode of the fuel cell, and causes the hydrogen and oxygen in the air to react electrochemically. To obtain generated power. Such a fuel cell system is highly expected to be put into practical use, for example, as a power source for automobiles, and research and development for practical use are being actively carried out.
燃料電池システムに用いられる燃料電池としては。例えば自動車に搭載する上で好適なものとして、固体高分子タイプの燃料電池が知られている。固体高分子タイプの燃料電池は、燃料極と酸化剤極との間に電解質膜として固体高分子膜が設けられたものである。この固体高分子タイプの燃料電池では、固体高分子膜がイオン伝導体として機能し、燃料極で水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、酸化剤極で空気中の酸素と水素イオンと電子とから水を生成する反応が行われる。 As a fuel cell used in a fuel cell system. For example, a solid polymer type fuel cell is known as being suitable for mounting in an automobile. A solid polymer type fuel cell is provided with a solid polymer membrane as an electrolyte membrane between a fuel electrode and an oxidant electrode. In this solid polymer type fuel cell, the solid polymer membrane functions as an ion conductor, a reaction occurs in which hydrogen is separated into hydrogen ions and electrons at the fuel electrode, and oxygen and hydrogen in the air at the oxidant electrode. A reaction for generating water from ions and electrons is performed.
このような燃料電池システムにおいては、起動時において、燃料電池の通常運転時に供給されている燃料ガスのガス圧と同じガス圧で燃料ガスを供給した場合には、燃料室内で瞬間的に燃料ガスと置換ガスとの偏在が発生してしまい、該偏在によって電気化学反応が生じて電極が劣化するという問題があった。 In such a fuel cell system, when the fuel gas is supplied at the same gas pressure as that of the fuel gas supplied during normal operation of the fuel cell at startup, the fuel gas is instantaneously generated in the fuel chamber. There is a problem that uneven distribution of the gas and the replacement gas occurs, and an electrochemical reaction occurs due to the uneven distribution and the electrode deteriorates.
このような問題に対処するべく、特開２００５−１５８５５５号公報に開示の「燃料電池システム」では、起動時または停止時に、カソード空気シャット手段によりカソードへの空気流入を遮断した状態で、水素をアノードに供給し、燃料電池本体の発電によってカソードに残留した酸素を消費させることにより、燃料電池の劣化を抑制している。
しかしながら、上述した特許文献１に開示された技術においては、起動時に空気を遮断した状態で水素をアノードに供給し、発電することでカソードに残留した酸素を消費させることにより、起動時の劣化を抑制することはできるが、燃料電池本体の発電時の電流（出力）の取り出し方によっては起動時間が長くなる可能性がある。 However, in the technique disclosed in Patent Document 1 described above, hydrogen is supplied to the anode in a state where air is shut off at the time of startup, and oxygen remaining in the cathode is consumed by power generation, thereby reducing deterioration at the time of startup. Although it can be suppressed, the start-up time may be longer depending on how the current (output) is taken out during power generation of the fuel cell body.
また、燃料電池本体の発電時の電流（出力）の取り出し方によっては、電流（出力）を取り出す際に、燃料電池の局所的なセルにおいてセル電圧が負になることもあり、このような状態で電流（出力）を取り出すと、該セルにおいて燃料不足状態となって触媒層が劣化する事態も起こり得るという事情があった。 In addition, depending on how the current (output) is taken out during power generation of the fuel cell body, when the current (output) is taken out, the cell voltage may become negative in the local cell of the fuel cell. When the current (output) is taken out, there is a situation that the catalyst layer may deteriorate due to the fuel shortage in the cell.
本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、起動時の燃料電池の劣化を最大限抑えつつ、より短い時間で起動可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above-described conventional circumstances, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system that can be started in a shorter time while suppressing the deterioration of the fuel cell during startup to the maximum extent.
上記目的を解決するため、本発明は、電解質膜を挟んで配置された燃料極および酸化剤極を備え、該燃料極および該酸化剤極にそれぞれ供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池から電流を取り出す通電手段と、少なくとも２つ以上の前記燃料電池内に配置された電圧計測手段と、起動時に、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給しない状態で前記燃料極に燃料ガスを供給した後に、前記電圧計測手段で得られる電圧の最低値がゼロボルト以上になるように前記通電手段を制御し、その後前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給して発電を開始する制御手段と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-described object, the present invention includes a fuel electrode and an oxidant electrode arranged with an electrolyte membrane interposed therebetween, and the fuel gas and oxidant gas electrochemistry supplied to the fuel electrode and the oxidant electrode, respectively. A fuel cell for generating electric power by reaction; a fuel gas supply means for supplying a fuel gas to the fuel cell; an oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the fuel cell; and an energization means for extracting a current from the fuel cell. And at least two or more voltage measuring means disposed in the fuel cell, and at the start-up, after supplying the fuel gas to the fuel electrode without supplying the oxidant gas to the oxidant electrode, the voltage measurement Control means for controlling the energization means so that the minimum value of the voltage obtained by the means becomes zero volts or more, and thereafter, supplying oxidant gas to the oxidant electrode and starting power generation. And butterflies.
本発明に係る燃料電池システムでは、起動時に燃料ガスのみを供給し、電圧計測手段で得られる電圧の最低値がゼロボルト以上となるように、通電手段によって電流を取り出すことで、燃料極内に燃料と酸化剤が混在することよる劣化を抑制できると共に、取り出し得る最大限の電流を取り出すことが可能となり、また、電流を取り出す際に燃料電池の局所的なセルにおいてセル電圧が負になることにより発生する劣化をも抑制することができ、結果として、起動時の燃料電池の劣化を最大限抑えつつ、より短い時間で起動可能な燃料電池システムを実現することができる。 In the fuel cell system according to the present invention, only the fuel gas is supplied at the time of start-up, and the current is taken out by the energizing means so that the minimum value of the voltage obtained by the voltage measuring means is zero volts or more, so that the fuel is introduced into the fuel electrode. It is possible to take out the maximum current that can be taken out, and to make the cell voltage negative in the local cell of the fuel cell when taking out the current. As a result, it is possible to realize a fuel cell system that can be started in a shorter time while suppressing deterioration of the fuel cell at the time of startup to the maximum.
以下、本発明の燃料電池システムの実施例について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the fuel cell system of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図１は本発明の実施例に係る燃料電池システムの構成図である。本実施例の燃料電池システムは、例えば燃料電池車両の駆動動力源として用いられるものであり、図１に示すように、水素および空気の供給により発電を行う燃料電池スタック１を備える。 FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. The fuel cell system of the present embodiment is used as a driving power source of a fuel cell vehicle, for example, and includes a fuel cell stack 1 that generates power by supplying hydrogen and air as shown in FIG.
燃料電池スタック１には、燃料電池スタック１の電圧を検出する手段として、電圧センサ（電圧計測手段）３０を備えており、燃料電池スタック１のセル毎、或いは数セル毎に設置された構成により、各セル電圧または数セル単位の電圧および燃料電池スタック１の総電圧を検出している。また、燃料電池スタック１は、燃料電池スタックケース２０内に設置されており、該燃料電池スタックケース２０内または燃料電池スタックケース２０の出口付近に燃料センサ３４が設置されている。 The fuel cell stack 1 is provided with a voltage sensor (voltage measuring means) 30 as means for detecting the voltage of the fuel cell stack 1, and is configured for each cell of the fuel cell stack 1 or every several cells. Each cell voltage or voltage of several cells and the total voltage of the fuel cell stack 1 are detected. The fuel cell stack 1 is installed in a fuel cell stack case 20, and a fuel sensor 34 is installed in the fuel cell stack case 20 or in the vicinity of the outlet of the fuel cell stack case 20.
また、燃料ガス供給系として、燃料タンク２、燃料供給弁３、燃料調圧弁（タンク側）４、燃料供給調圧弁５、圧力センサ３２、燃料パージ弁８、燃料供給配管２１および燃料排気配管２４を備え、燃料ガス循環系として燃料循環ポンプ７および燃料循環配管２３を備え、酸化剤ガス供給系として、酸化剤コンプレッサ１１、酸化剤流量測定器３１、圧力センサ３３、酸化剤調圧弁１２、燃料センサ３５、酸化剤供給配管２２および酸化剤排気配管２５を備えている。 Further, as a fuel gas supply system, a fuel tank 2, a fuel supply valve 3, a fuel pressure regulating valve (tank side) 4, a fuel supply pressure regulating valve 5, a pressure sensor 32, a fuel purge valve 8, a fuel supply pipe 21 and a fuel exhaust pipe 24. And a fuel circulation pump 7 and a fuel circulation pipe 23 as a fuel gas circulation system, and an oxidant compressor 11, an oxidant flow rate measuring device 31, a pressure sensor 33, an oxidant pressure regulating valve 12, and a fuel as an oxidant gas supply system. A sensor 35, an oxidant supply pipe 22 and an oxidant exhaust pipe 25 are provided.
また、負荷系として、電流制御装置４１、二次電池４３、補機類４４および負荷部４２を備え、さらに制御系として、燃料電池スタック１、燃料ガス供給系、酸化剤ガス供給系および負荷系の各種センサや他の各種計器からの検知信号に基づき、燃料ガス供給系、燃料ガス循環系、酸化剤ガス供給系および負荷系の各構成要素の制御を行うコントローラ４０を備えた構成である。 Further, the load system includes a current control device 41, a secondary battery 43, auxiliary machinery 44, and a load unit 42, and further includes a fuel cell stack 1, a fuel gas supply system, an oxidant gas supply system, and a load system as control systems. And a controller 40 that controls each component of the fuel gas supply system, the fuel gas circulation system, the oxidant gas supply system, and the load system based on detection signals from the various sensors and other various instruments.
燃料電池スタック１は、燃料ガスである水素が供給される燃料極（アノード）と酸化剤ガスである空気が供給される酸化剤極（カソード）とが電解質を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されると共に、複数の発電セルが多段積層されたスタック構造を有しており、水素と空気中の酸素とを基にした電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。アノードに水素ガスが、カソードに空気が供給され、以下に示す電極反応が進行され、電力が発生する。
（数１）
アノード：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- （１）
（数２）
カソード：２Ｈ+＋２ｅ-＋(1/2)Ｏ2→Ｈ2Ｏ （２）
つまり、燃料電池スタック１の各発電セルでは、アノードに供給された水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、カソードにそれぞれ移動する。カソードでは、供給された空気中の酸素と電解質を通って移動した水素イオンおよび外部回路を通って移動した電子が反応して水が生成され、外部に排出される。
The fuel cell stack 1 includes a fuel cell (anode) supplied with hydrogen as a fuel gas and an oxidant electrode (cathode) supplied with air as an oxidant gas with an electrolyte interposed therebetween to form a power generation cell. In addition, it has a stack structure in which a plurality of power generation cells are stacked in multiple stages, and converts chemical energy into electrical energy by an electrochemical reaction based on hydrogen and oxygen in the air. Hydrogen gas is supplied to the anode and air is supplied to the cathode, and the electrode reaction shown below proceeds to generate electric power.
(Equation 1)
Anode: H 2 → 2H + + 2e − (1)
(Equation 2)
Cathode: 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O (2)
That is, in each power generation cell of the fuel cell stack 1, a reaction occurs in which hydrogen supplied to the anode is separated into hydrogen ions and electrons, the hydrogen ions pass through the electrolyte, and the electrons pass through an external circuit to generate electric power. , Move to the cathode respectively. At the cathode, the oxygen in the supplied air reacts with the hydrogen ions that have moved through the electrolyte and the electrons that have moved through the external circuit to produce water, which is discharged to the outside.
燃料電池スタック１の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。 As the electrolyte of the fuel cell stack 1, for example, a solid polymer electrolyte membrane is used in consideration of high energy density, low cost, light weight, and the like. The solid polymer electrolyte membrane is made of an ion (proton) conductive polymer membrane such as a fluororesin ion exchange membrane, and functions as an ion conductive electrolyte by containing water.
燃料電池スタック１で発電を行うには、燃料ガスである水素や酸化剤ガスである空気を各発電セルの燃料極（アノード）や酸化剤極（カソード）に供給する必要があり、燃料電池システムでは、そのための機構として燃料ガス供給系、燃料ガス循環系および酸化剤ガス供給系が設けられている。 In order to generate power in the fuel cell stack 1, it is necessary to supply hydrogen as fuel gas or air as oxidant gas to the fuel electrode (anode) or oxidant electrode (cathode) of each power generation cell. Then, a fuel gas supply system, a fuel gas circulation system, and an oxidant gas supply system are provided as mechanisms for that purpose.
燃料ガス供給系において、アノードへの燃料供給は、燃料タンク２から燃料供給弁３、燃料調圧弁４、燃料供給調圧弁５および燃料供給配管２１を通じてなされる。燃料タンク２から供給される高圧水素は、燃料供給弁３および燃料調圧弁４で所定の圧力まで減圧され、燃料供給調圧弁５により燃料電池スタック１での水素圧力が所望の水素圧に制御される。 In the fuel gas supply system, fuel is supplied to the anode from the fuel tank 2 through the fuel supply valve 3, the fuel pressure adjustment valve 4, the fuel supply pressure adjustment valve 5, and the fuel supply pipe 21. The high-pressure hydrogen supplied from the fuel tank 2 is depressurized to a predetermined pressure by the fuel supply valve 3 and the fuel pressure regulating valve 4, and the hydrogen pressure in the fuel cell stack 1 is controlled to a desired hydrogen pressure by the fuel supply pressure regulating valve 5. The
また、燃料循環ポンプ７および燃料循環配管２３を備える燃料ガス循環系は、アノードで消費されなかった水素を再循環させるために設置されている。アノードの水素圧は、コントローラ４０が圧力センサ３２で検出した水素圧力をフィードバックして燃料供給調圧弁５を駆動することによって制御される。水素圧を所望の目標圧力に制御することによって、燃料電池スタック１が消費した分だけの水素が自動的に補われる。 The fuel gas circulation system including the fuel circulation pump 7 and the fuel circulation pipe 23 is installed to recirculate hydrogen that has not been consumed at the anode. The hydrogen pressure of the anode is controlled by driving the fuel supply pressure regulating valve 5 by feeding back the hydrogen pressure detected by the pressure sensor 32 by the controller 40. By controlling the hydrogen pressure to a desired target pressure, the hydrogen consumed by the fuel cell stack 1 is automatically supplemented.
また、燃料パージ弁８は次のような役割を果たす。まず第１には、燃料循環機能を確保するために燃料ガス供給系内に蓄積した窒素を排出する。水素を循環させて使用する場合、水素の循環に伴って系内に窒素やＣＯ等の不純物質が蓄積される場合があり、不純物質が過度に蓄積されると水素分圧が降下して燃料電池スタック１の出力低下に繋がると共に、循環ガスの平均質量が増加するため、燃料ガス循環系での水素循環流量が低下するので、このような場合には、燃料パージ弁８を開放して水素循環系内をパージすることで、不純物質を水素と共に燃料排気配管２４から系外に排出するのである。また第２には、燃料電池スタック１のセル電圧を回復させるために、ガス流路やガス配管中に詰まった水詰まりを吹き飛ばす。さらに第３には、起動時に燃料ガス供給系を水素で置換するために、燃料ガス供給系内のガスを排出する。 The fuel purge valve 8 plays the following role. First, nitrogen accumulated in the fuel gas supply system is discharged in order to ensure the fuel circulation function. When hydrogen is circulated and used, impurities such as nitrogen and CO may accumulate in the system as the hydrogen circulates. If the impurities accumulate excessively, the hydrogen partial pressure will drop and the fuel will decrease. This leads to a decrease in the output of the battery stack 1 and an increase in the average mass of the circulating gas, so that the hydrogen circulation flow rate in the fuel gas circulation system decreases. In such a case, the fuel purge valve 8 is opened and hydrogen is discharged. By purging the inside of the circulation system, the impurities are discharged out of the system from the fuel exhaust pipe 24 together with hydrogen. Second, in order to recover the cell voltage of the fuel cell stack 1, the water clogged in the gas flow path and the gas pipe is blown away. Third, the gas in the fuel gas supply system is discharged in order to replace the fuel gas supply system with hydrogen at the time of startup.
一方、酸化剤ガス供給系においては、カソードへの空気はコンプレッサ１１により供給される。カソードの空気圧は、コントローラ４０が圧力センサ３３で検出した空気圧力をフィードバックして酸化剤調圧弁１２を駆動することによって制御される。 On the other hand, in the oxidant gas supply system, air to the cathode is supplied by the compressor 11. The cathode air pressure is controlled by driving the oxidant pressure regulating valve 12 by feeding back the air pressure detected by the pressure sensor 33 by the controller 40.
次に、負荷系について説明する。燃料電池スタック１は、電流制御装置４１と電気的に接続され、さらに電流制御装置４１は、補助電源として充放電可能な二次電池４３、当該燃料電池システム内の発電を行うために必要な補機類４４、並びに車両を駆動するモータ等の負荷部４２と電気的に接続されている。 Next, the load system will be described. The fuel cell stack 1 is electrically connected to a current control device 41, and the current control device 41 further includes a secondary battery 43 that can be charged and discharged as an auxiliary power source, and a supplement necessary for power generation in the fuel cell system. It is electrically connected to the machinery 44 and a load section 42 such as a motor for driving the vehicle.
電流制御装置４１は、特許請求の範囲にいう通電手段に該当し、燃料電池スタック１または二次電池４３（放電時）から出力（電流または電力）を取り出して補機類４４および負荷部４２へ供給すると共に、二次電池４３の充放電を管理する。ここで、電流制御装置４１における出力取り出し部の構成は、可変出力を取り出し可能とする構成や、或いは、固定抵抗の接続／非接続により取り出す出力を制御する構成などが考えられる。 The current control device 41 corresponds to the energizing means in the claims, takes out the output (current or power) from the fuel cell stack 1 or the secondary battery 43 (during discharging), and supplies it to the auxiliary equipment 44 and the load unit 42. While supplying, the charge / discharge of the secondary battery 43 is managed. Here, as the configuration of the output extraction unit in the current control device 41, a configuration in which a variable output can be extracted, a configuration in which an output to be extracted by connecting / disconnecting a fixed resistor, or the like can be considered.
さらに、コントローラ４０は、例えばＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、周辺インターフェース等を有するマイクロコンピュータとして構成されており、燃料電池スタック１、燃料ガス供給系、酸化剤ガス供給系および負荷系の各種センサや他の各種計器からの検知信号に基づき、燃料ガス供給系、燃料ガス循環系、酸化剤ガス供給系および負荷系の各構成要素の制御を行って（各種アクチュエータを駆動するなどして）、燃料電池システムの発電制御を行う。 Further, the controller 40 is configured as a microcomputer having, for example, a CPU, a ROM, a RAM, a peripheral interface, and the like, and various sensors of the fuel cell stack 1, a fuel gas supply system, an oxidant gas supply system, a load system, and other Based on detection signals from various instruments, the fuel cell system is controlled by driving each component of the fuel gas supply system, fuel gas circulation system, oxidant gas supply system and load system (by driving various actuators, etc.) Power generation control.
すなわち、コントローラ４０は、特許請求の範囲にいう制御手段に該当し、起動時に、燃料電池スタック１の酸化剤極に酸化剤ガスを供給しない状態で燃料極に燃料ガスを供給した後に、電圧センサ（電圧計測手段）３０で得られる電圧の最低値がゼロボルト以上になるように電流制御装置（通電手段）４１を制御し、その後、酸化剤極に酸化剤ガスを供給して発電を開始する。 That is, the controller 40 corresponds to the control means described in the claims, and after starting supplying the fuel gas to the fuel electrode without supplying the oxidant gas to the oxidant electrode of the fuel cell stack 1 at the time of startup, the voltage sensor (Voltage measuring means) The current control device (energizing means) 41 is controlled so that the minimum value of the voltage obtained by the voltage 30 becomes zero volts or more, and thereafter, an oxidant gas is supplied to the oxidant electrode to start power generation.
なお、コントローラ（制御手段）４０においては、電流制御装置４１により燃料電池スタック１から電流を取り出すタイミングとして、燃料極に燃料ガスを供給した後に、電圧センサ３０で得られる電圧の最低値がゼロボルト以上となってから電流制御装置４１によって燃料電池スタック１から電流を取り出すのが望ましい。或いは、より確実なタイミング制御を行うために、電圧センサ３０で得られる電圧の最低値が所定値（例えば、１セル当たり数十ミリボルト）以上となってから電流制御装置４１によって燃料電池スタック１から電流を取り出すのが望ましい。 In the controller (control means) 40, as the timing for taking out the current from the fuel cell stack 1 by the current control device 41, the minimum value of the voltage obtained by the voltage sensor 30 after supplying the fuel gas to the fuel electrode is zero volts or more. After that, it is desirable to take out current from the fuel cell stack 1 by the current control device 41. Alternatively, in order to perform more reliable timing control, the current control device 41 removes the minimum value of the voltage obtained by the voltage sensor 30 from a predetermined value (for example, several tens of millivolts per cell) from the fuel cell stack 1. It is desirable to extract current.
また、電流制御装置４１によって燃料電池スタック１から取り出す電流は、供給した燃料ガスから計算される目標燃料利用率を維持できる値とするか、或いは、該目標燃料利用率以下となるように制御されることが望ましい。 Further, the current taken out from the fuel cell stack 1 by the current control device 41 is controlled to be a value capable of maintaining the target fuel utilization rate calculated from the supplied fuel gas, or to be equal to or less than the target fuel utilization rate. It is desirable.
また、ここで、コントローラ（制御手段）４０が電流制御装置４１に対して指令する目標指令電流は、二次電池４３および当該燃料電池システムの補機類４４で消費できる最大量以下とするか、或いは、二次電池４３および当該燃料電池システムの補機類４４で消費できる最大電力量以下となるような値とするのが望ましい。 Here, the target command current commanded by the controller (control means) 40 to the current control device 41 is set to be equal to or less than the maximum amount that can be consumed by the secondary battery 43 and the auxiliary equipment 44 of the fuel cell system, Alternatively, it is desirable to set the value to be equal to or less than the maximum amount of power that can be consumed by the secondary battery 43 and the auxiliary equipment 44 of the fuel cell system.
このように、本実施例では、電流制御装置４１により燃料電池スタック１から電流を取り出す制御を、燃料電池スタック１の電圧に基づいて行っているが、ここで、電圧センサ（電圧計測手段）３０の具体的構成について、図２〜図５を参照して説明する。図２〜図５は、それぞれ燃料電池スタック１に設置される電圧センサ３０の具体的構成を例示する構成図である。 As described above, in this embodiment, the current control device 41 controls the extraction of the current from the fuel cell stack 1 based on the voltage of the fuel cell stack 1, but here the voltage sensor (voltage measuring means) 30 is used. The specific configuration will be described with reference to FIGS. 2 to 5 are configuration diagrams illustrating specific configurations of the voltage sensor 30 installed in the fuel cell stack 1, respectively.
まず第１の具体的構成例は、図２に示すように、燃料電池スタック１がＮ個のセルで構成される場合に、電圧センサ３０ａ−１〜３０ａ−Ｎをセル毎に１つずつ設置した構成である。図中、任意のセル１ａ−ｉにおいて、１ｂ−ｉは燃料極、１ｃ−ｉは酸化剤極、１ｄ−ｉは電解質膜である。なお、図２においては、各電圧センサ３０ａ−ｉを燃料極１ｂ−ｉの燃料ガス供給側に設置しているが、これに限定されることはなく、各セルの最低電位を検出しやすく且つ設置可能な箇所であればよい。 First, as shown in FIG. 2, in the first specific configuration example, when the fuel cell stack 1 is composed of N cells, one voltage sensor 30a-1 to 30a-N is installed for each cell. This is the configuration. In the figure, in an arbitrary cell 1a-i, 1b-i is a fuel electrode, 1c-i is an oxidizer electrode, and 1d-i is an electrolyte membrane. In FIG. 2, each voltage sensor 30a-i is installed on the fuel gas supply side of the fuel electrode 1b-i. However, the present invention is not limited to this, and the minimum potential of each cell can be easily detected. Any place that can be installed is acceptable.
また、第２の具体的構成例は、図３に示すように、燃料電池スタック１がＮ個のセルで構成される場合に、電圧センサ３０ｃ−１〜３０ｃ−Ｍ（図ではＭ＝Ｎ／３）を数セル（図では３セル）毎に１つずつ設置した構成である。 In addition, as shown in FIG. 3, when the fuel cell stack 1 is composed of N cells, the second specific configuration example includes voltage sensors 30c-1 to 30c-M (M = N / 3) is installed for every several cells (three cells in the figure).
また、第３の具体的構成例は、図４に示すように、燃料電池スタック１がＮ個のセルで構成される場合に、セル毎に１対の電圧センサを設置した構成であり、電圧センサ３０ａ−１〜３０ａ−Ｎおよび電圧センサ３０ｂ−１〜３０ｂ−Ｎをセル毎に１対ずつ設置した構成である。なお、図４においては、電圧センサ３０ａ−ｉを燃料極１ｂ−ｉの燃料ガス供給側に、電圧センサ３０ｂ−ｉを燃料極１ｂ−ｉの燃料ガス排出側にそれぞれ設置しているが、これに限定されることはなく、燃料電池スタック１およびセル１ａ−ｉの構造により、各セルで電位差を検出しやすく且つ設置可能な箇所であればよい。 In addition, as shown in FIG. 4, the third specific configuration example is a configuration in which a pair of voltage sensors are installed for each cell when the fuel cell stack 1 is composed of N cells. This is a configuration in which sensors 30a-1 to 30a-N and voltage sensors 30b-1 to 30b-N are installed in pairs for each cell. In FIG. 4, the voltage sensor 30a-i is installed on the fuel gas supply side of the fuel electrode 1b-i, and the voltage sensor 30b-i is installed on the fuel gas discharge side of the fuel electrode 1b-i. It is not limited to this, and any location where the potential difference can be easily detected and installed in each cell by the structure of the fuel cell stack 1 and the cell 1a-i may be used.
さらに、第２の具体的構成例は、図５に示すように、燃料電池スタック１がＮ個のセルで構成される場合に、数セル（図では３セル）毎に１対の電圧センサを設置した構成であり、電圧センサ３０ｃ−１〜３０ｃ−Ｍおよび電圧センサ３０ｄ−１〜３０ｄ−Ｍを数セル毎に１対ずつ設置した構成である。 Furthermore, as shown in FIG. 5, in the second specific configuration example, when the fuel cell stack 1 is composed of N cells, a pair of voltage sensors are provided for every several cells (3 cells in the figure). In this configuration, the voltage sensors 30c-1 to 30c-M and the voltage sensors 30d-1 to 30d-M are installed in pairs every several cells.
次に、以上のように構成される本実施例の燃料電池システムの起動時動作に、コントローラ４０が行う全体的な制御について、図６および図７を参照しながら説明する。ここで、図６は本実施例の燃料電池システムにおける起動制御の手順を説明するフローチャートである。また、図７は本実施例の燃料電池システムの起動時における各種パラメータの時間的推移を例示するタイミングチャートであり、（ａ）燃料電池スタック１の燃料極の水素圧力、（ｂ）燃料循環ポンプ（ＨＲＢ）７のモータ回転数、（ｃ）燃料電池スタック１の酸化剤極の空気圧力、（ｄ）空気供給流量、（ｅ）電流制御装置４１により燃料電池スタック１から取り出す電流、（ｆ）燃料電池スタック１の各セル電圧または総電圧である。 Next, the overall control performed by the controller 40 in the startup operation of the fuel cell system of the present embodiment configured as described above will be described with reference to FIGS. 6 and 7. Here, FIG. 6 is a flowchart for explaining the procedure of the start control in the fuel cell system of the present embodiment. FIG. 7 is a timing chart illustrating the time transition of various parameters when the fuel cell system according to this embodiment is started. (A) Hydrogen pressure at the fuel electrode of the fuel cell stack 1, (b) Fuel circulation pump. (HRB) 7 motor speed, (c) air pressure of oxidant electrode of fuel cell stack 1, (d) air supply flow rate, (e) current taken out from fuel cell stack 1 by current control device 41, (f) Each cell voltage or total voltage of the fuel cell stack 1.
図６において、コントローラ４０は起動制御を開始すると、まず、燃料電池スタック１の酸化剤極（カソード）に酸化剤ガス（空気）を供給しない状態とするために、酸化剤調圧弁（空気調圧弁）１２を閉じる（ステップＳ１０１）。なお、酸化剤コンプレッサ１１を起動しなければ空気も圧送されないのでこのステップは必ずしも必要としない。次に、起動時に水素パージの必要がないので燃料パージ弁８を閉じる（ステップＳ１０２）。 In FIG. 6, when the controller 40 starts the start-up control, first, in order not to supply the oxidant gas (air) to the oxidant electrode (cathode) of the fuel cell stack 1, the oxidant pressure regulating valve (air pressure regulating valve). ) 12 is closed (step S101). Note that this step is not necessarily required because air is not pumped unless the oxidizer compressor 11 is started. Next, since there is no need for hydrogen purge at the time of startup, the fuel purge valve 8 is closed (step S102).
次に、燃料ガス循環系の燃料循環ポンプ７の駆動を開始して、燃料循環配管２３内のガスの再循環を開始する（ステップＳ１０３；図７のタイミングチャートにおける時刻Ｔ１）。 Next, driving of the fuel circulation pump 7 of the fuel gas circulation system is started, and gas recirculation in the fuel circulation pipe 23 is started (step S103; time T1 in the timing chart of FIG. 7).
次に、燃料ガス供給系により燃料電池スタック１のアノードへの水素供給を開始するか否かの判断を行い（ステップＳ１０４）、判断条件を満たす場合に水素供給を開始する
（ステップＳ１０５；時刻Ｔ４）。
Next, it is determined whether or not hydrogen supply to the anode of the fuel cell stack 1 is started by the fuel gas supply system (step S104), and hydrogen supply is started when the determination condition is satisfied.
(Step S105; time T4).
ここで、水素供給を開始するか否かの判断は、燃料ガス循環系による燃料ガス循環開始後にタイマ３９が所定時間を計時したか否かによって行うか、或いは、燃料配管に燃料流量測定器を設置して、燃料ガス循環流量が所定量に達したか否かによって行う。なお、タイマ３９は、コントローラ４０内のＣＰＵが持つソフトウェアタイマによって構成しても良いし、付属のハードウェアタイマによって構成しても良い。 Here, the determination of whether or not to start the hydrogen supply is made based on whether or not the timer 39 has timed a predetermined time after the start of fuel gas circulation by the fuel gas circulation system, or a fuel flow meter is installed in the fuel pipe. It is installed depending on whether or not the fuel gas circulation flow rate reaches a predetermined amount. The timer 39 may be configured by a software timer included in the CPU in the controller 40, or may be configured by an attached hardware timer.
次に、電流制御装置４１による燃料電池スタック１からの電流取り出しを開始するか否かの判断を行い（ステップＳ１０６）、判断条件を満たす場合に電流取り出しを開始する（ステップＳ１０７）。 Next, it is determined whether or not to start extracting current from the fuel cell stack 1 by the current control device 41 (step S106), and when the determination condition is satisfied, current extraction is started (step S107).
ここで、電流取り出しを開始するか否かの判断は、広義の起動ＶＬＣ（Voltage Limit Control）制御（特許文献１参照）、即ち、起動時に燃料ガス供給系による水素供給のみを行うと同時に、燃料電池スタック１の電圧が所定値（燃料電池スタック１を劣化させないための上限電圧）以下となるように電流（出力）取り出しを行い、その後酸化剤ガス供給系による空気供給を開始して発電を開始する起動方法においては、燃料ガス循環系による燃料ガス循環開始後にタイマ３９が所定時間を計時したか否かによって行うか、或いは、燃料ガス供給系による水素供給の開始と同時に（待ち時間無しに）行う。 Here, whether or not to start the current extraction is determined by a broad start VLC (Voltage Limit Control) control (see Patent Document 1), that is, only hydrogen supply by the fuel gas supply system is performed at the same time as the start. The current (output) is taken out so that the voltage of the battery stack 1 is equal to or less than a predetermined value (the upper limit voltage for preventing the fuel cell stack 1 from deteriorating), and then the air supply by the oxidant gas supply system is started to start power generation. In the starting method to be performed, it is performed depending on whether or not the timer 39 has timed a predetermined time after the start of the fuel gas circulation by the fuel gas circulation system, or simultaneously with the start of the hydrogen supply by the fuel gas supply system (without waiting time). Do.
しかしながら、本実施例は、電流制御装置４１により燃料電池スタック１から電流を取り出す開始タイミングを、燃料電池スタック１の電圧に基づいて行う点に特徴があり、電圧センサ３０の検出結果に基づき、電流取り出しを開始するか否かの判断を行う。すなわち、燃料極に燃料ガスを供給した後に、電圧センサ３０（３０ａ−ｉ、３０ａ−ｉおよび３０ｂ−ｉ（ｉ＝１〜Ｎ）、３０ｃ−ｊ、或いは、３０ｃ−ｊおよび３０ｄ−ｊ（ｊ＝１〜Ｍ））で得られる電圧の最低値がゼロボルトまたは所定値（例えば、１セル当たり数十ミリボルト）以上となってから電流制御装置４１によって燃料電池スタック１から電流を取り出す。 However, the present embodiment is characterized in that the start timing of taking out the current from the fuel cell stack 1 by the current control device 41 is performed based on the voltage of the fuel cell stack 1, and the current is determined based on the detection result of the voltage sensor 30. It is determined whether or not to start taking out. That is, after supplying the fuel gas to the fuel electrode, the voltage sensor 30 (30a-i, 30a-i and 30b-i (i = 1 to N), 30c-j, or 30c-j and 30d-j (j = 1 to M)), the current control device 41 takes out the current from the fuel cell stack 1 after the minimum value of the voltage obtained in (1) to (M)) reaches zero volts or a predetermined value (for example, several tens of millivolts per cell).
したがって、図７のタイミングチャートでは、同図（ｅ）に示すように、燃料ガス循環系による燃料ガス循環開始後にタイマ３９が所定時間を計時した時刻Ｔ３に、コントローラ４０によって電流制御装置４１に指示される目標指令電流量（ＶＬＣ目標指令）が設定されているが、実際に電流制御装置４１による電流取り出しが開始されるのは、燃料電池スタック１のセル電圧（同図（ｆ）参照）の最低値がゼロボルトまたは所定値以上となってからである。 Therefore, in the timing chart of FIG. 7, as shown in FIG. 7E, the controller 40 instructs the current control device 41 at the time T3 when the timer 39 counts a predetermined time after the fuel gas circulation system starts. The target command current amount (VLC target command) to be executed is set, but the current extraction by the current control device 41 is actually started by the cell voltage of the fuel cell stack 1 (see FIG. 5F). This is because the minimum value is zero volts or a predetermined value or more.
次に、電流制御装置４１による燃料電池スタック１からの電流取り出しを終了するか否かの判断を行い（ステップＳ１０８）、判断条件を満たす場合には、酸化剤ガス供給系による燃料電池スタック１のカソードへの空気供給を開始する（ステップＳ１０９）。 Next, it is determined whether or not the current control device 41 finishes taking out the current from the fuel cell stack 1 (step S108). If the determination condition is satisfied, the fuel cell stack 1 of the oxidant gas supply system is Air supply to the cathode is started (step S109).
ここで、電流取り出しを終了するか否かの判断は、電流制御装置４１による電流取り出し開始後にタイマ３９が所定時間を計時したか否かによって行うか、或いは、燃料電池スタック１の電圧（燃料電池スタック１の総電圧）の変化、または電流制御装置４１によって取り出す電流量の変化に基づき行う。 Here, whether or not to end current extraction is determined by whether or not the timer 39 has timed a predetermined time after starting current extraction by the current control device 41, or the voltage (fuel cell) of the fuel cell stack 1 is determined. This is based on a change in the total voltage of the stack 1 or a change in the amount of current taken out by the current control device 41.
次に、ＶＬＣによる起動制御が完了したか否かの判断を行い（ステップＳ１１０）、判断条件を満たす場合には起動制御を完了して通常運転の制御に移行する。 Next, it is determined whether or not the startup control by the VLC has been completed (step S110). If the determination condition is satisfied, the startup control is completed and the control shifts to normal operation control.
ここで、起動制御が完了したか否かの判断は、電流制御装置４１による電流取り出し開始後または電流取り出し終了後にタイマ３９が所定時間を計時したか否かによって行うか、或いは、燃料電池スタック１の電圧（燃料電池スタック１の総電圧）の変化に基づき行う。 Here, whether or not the start control has been completed is determined by whether or not the timer 39 has counted a predetermined time after the current control device 41 starts the current extraction or after the current extraction ends, or the fuel cell stack 1 Is performed based on a change in the voltage (total voltage of the fuel cell stack 1).
図７のタイミングチャートでは、同図（ｅ）および（ｆ）に示すように、時刻Ｔ８に電流制御装置４１による電流取り出し終了（ＶＬＣ終了）の判断がなされ、同図（ｃ）および（ｄ）に示すように、所定時間経過後の時刻Ｔ９に酸化剤ガス供給系による空気供給が開始され、その後時刻Ｔ１０で水素の昇圧がなされ（同図（ａ）参照）、時刻Ｔ１１で起動制御完了の判断がなされている。 In the timing chart of FIG. 7, as shown in FIGS. 7E and 7F, the current control device 41 determines the end of current extraction (end of VLC) at time T8, and FIGS. As shown in FIG. 4, the supply of air by the oxidant gas supply system is started at time T9 after the lapse of a predetermined time, and then the pressure of hydrogen is increased at time T10 (see (a) in the figure), and the start-up control is completed at time T11. Judgment is made.
次に、電流制御装置４１による燃料電池スタック１からの電流取り出しを開始（ステップＳ１０７）した後の電流制御について、図８および図９を参照してより具体的に説明する。図８および図９は、本実施例の電流制御装置４１における電流制御を説明するタイミングチャートである。 Next, the current control after starting current extraction from the fuel cell stack 1 by the current control device 41 (step S107) will be described more specifically with reference to FIG. 8 and FIG. 8 and 9 are timing charts for explaining current control in the current control device 41 of the present embodiment.
電流制御装置４１による電流取り出しを開始するに当たり、コントローラ４０は、電流制御装置４１に指示する目標指令電流量を設定するが、この目標指令電流量は、供給した水素から計算される目標燃料利用率を維持できる値とするか、或いは、該目標燃料利用率以下となるように設定される。 When starting the current extraction by the current control device 41, the controller 40 sets a target command current amount instructed to the current control device 41. This target command current amount is a target fuel utilization rate calculated from the supplied hydrogen. Is set to a value that can be maintained, or is set to be equal to or less than the target fuel utilization rate.
ここで、目標燃料利用率は、燃料ガス供給系により燃料電池スタック１のアノードに供給された水素量に対する燃料電池スタック１で消費された水素量をいい、１００％以下の値となる。つまり、燃料電池スタック１から取り出す電流量は燃料電池スタック１で消費される水素量に対応するので、目標指令電流量を、目標燃料利用率を維持できる値とするか、或いは、該目標燃料利用率以下となるように設定することで、燃料電池スタック１において水素不足となることを抑制することができる。 Here, the target fuel utilization rate refers to the amount of hydrogen consumed in the fuel cell stack 1 relative to the amount of hydrogen supplied to the anode of the fuel cell stack 1 by the fuel gas supply system, and has a value of 100% or less. That is, since the amount of current extracted from the fuel cell stack 1 corresponds to the amount of hydrogen consumed in the fuel cell stack 1, the target command current amount is set to a value that can maintain the target fuel utilization rate, or the target fuel utilization By setting the ratio to be equal to or less than the rate, it is possible to suppress the hydrogen shortage in the fuel cell stack 1.
また目標指令電流量は、二次電池４３および当該燃料電池システムの補機類４４で消費できる最大量以下であるか、或いは、二次電池４３および当該燃料電池システムの補機類４４で消費できる最大電力量以下となるような値である。 The target command current amount is equal to or less than the maximum amount that can be consumed by the secondary battery 43 and the auxiliary equipment 44 of the fuel cell system, or can be consumed by the secondary battery 43 and the auxiliary equipment 44 of the fuel cell system. The value is less than the maximum electric energy.
図８では、燃料ガス供給系による燃料電池スタック１のアノードへの燃料（水素）供給量を実線で表し、目標燃料利用率を６６％としたときの燃料（水素）消費目標値を粗めの破線で表している。このとき、コントローラ４０は、目標指令電流量として目標燃料利用率を維持できる値に設定するので、電流制御装置４１により燃料電池スタック１から取り出される電流はきめ細かい破線で示すような経過をたどることとなる。 In FIG. 8, the amount of fuel (hydrogen) supplied to the anode of the fuel cell stack 1 by the fuel gas supply system is shown by a solid line, and the target value of fuel (hydrogen) consumption when the target fuel utilization rate is 66% is roughened. It is represented by a broken line. At this time, since the controller 40 sets the target command current amount to a value that can maintain the target fuel utilization rate, the current extracted from the fuel cell stack 1 by the current control device 41 follows the course shown by a fine broken line. Become.
また、図９では、燃料ガス供給系による燃料電池スタック１のアノードへの燃料（水素）供給量（図中の実線）に大きな変動が見られた場合について例示している。この場合には、電流制御装置４１による取り出し電流量をこまめに制御することは困難であるので、コントローラ４０は、目標指令電流量を目標燃料利用率以下を保つように設定している。つまり、目標燃料利用率を６６％としたときの燃料（水素）消費目標値は、粗めの破線で示される変動を持った経過をたどるので、該燃料（水素）消費目標値が極小を迎えるときの値以下となるように目標指令電流量を設定して、電流制御装置４１により燃料電池スタック１から取り出される電流（図中のきめ細かい破線）を制限している。 Further, FIG. 9 illustrates a case where a large variation is observed in the amount of fuel (hydrogen) supplied to the anode of the fuel cell stack 1 by the fuel gas supply system (solid line in the figure). In this case, since it is difficult to frequently control the extraction current amount by the current control device 41, the controller 40 sets the target command current amount so as to keep the target fuel utilization rate or less. That is, the target value for fuel (hydrogen) consumption when the target fuel utilization rate is 66% follows a course with fluctuations indicated by a rough broken line, so that the target value for fuel (hydrogen) consumption reaches a minimum. The target command current amount is set so as to be equal to or less than the current value, and the current (fine broken line in the figure) taken out from the fuel cell stack 1 by the current control device 41 is limited.
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、電解質膜を挟んで配置された燃料極および酸化剤極を備え、該燃料極および該酸化剤極にそれぞれ供給される燃料ガス（水素）および酸化剤ガス（空気）の電気化学反応により発電を行う燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系と、燃料電池スタック１に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給系と、燃料電池スタック１から電流を取り出す電流制御装置（通電手段）４１と、少なくとも２つ以上の燃料電池スタック１内に配置された電圧センサ（電圧計測手段）３０と、を備え、コントローラ（制御手段）４０により、起動時に、酸化剤極に酸化剤ガスを供給しない状態で燃料極に燃料ガスを供給した後に、電圧センサ（電圧計測手段）３０で得られる電圧の最低値がゼロボルト以上になるように電流制御装置（通電手段）４１を制御し、その後酸化剤極に酸化剤ガスを供給して発電を開始する。 As described above, the fuel cell system of the present embodiment includes the fuel electrode and the oxidant electrode arranged with the electrolyte membrane interposed therebetween, and the fuel gas (hydrogen) supplied to the fuel electrode and the oxidant electrode, respectively. And a fuel cell stack 1 that generates power by an electrochemical reaction of an oxidant gas (air), a fuel gas supply system that supplies fuel gas to the fuel cell stack 1, and an oxidant that supplies oxidant gas to the fuel cell stack 1 A gas supply system, a current control device (energization means) 41 for extracting current from the fuel cell stack 1, and at least two or more voltage sensors (voltage measurement means) 30 disposed in the fuel cell stack 1, A voltage sensor (voltage measuring means) 30 is supplied by the controller (control means) 40 after the fuel gas is supplied to the fuel electrode in a state where the oxidant gas is not supplied to the oxidant electrode at the time of startup. Minimum value of the resulting voltage controls the current control device (conductive member) 41 so that the above zero volts, then the oxidant gas is supplied to the oxidant electrode to start power generation.
このように、起動時に燃料ガスのみを供給し、燃料電池スタック１のセル電圧の最低値がゼロボルト以上となるように、電流制御装置（通電手段）４１によって電流を取り出すことで、燃料極内に燃料と酸化剤が混在することよる劣化を抑制できると共に、取り出し得る最大限の電流を取り出すことが可能となり、また、電流を取り出す際に燃料電池スタック１の局所的なセルにおいてセル電圧が負になることにより発生する劣化をも抑制することができる。結果として、起動時の燃料電池スタック１の劣化を最大限抑制することができ、より短い時間で起動が可能で耐久性の高い燃料電池システムを実現することができる。 In this way, only the fuel gas is supplied at the time of startup, and the current is taken out by the current control device (energizing means) 41 so that the minimum value of the cell voltage of the fuel cell stack 1 becomes zero volts or more, so It is possible to suppress deterioration due to the mixture of fuel and oxidizer, and to extract the maximum current that can be extracted, and when the current is extracted, the cell voltage becomes negative in the local cells of the fuel cell stack 1. Therefore, it is possible to suppress degradation that occurs. As a result, deterioration of the fuel cell stack 1 at startup can be suppressed to the maximum, and a highly durable fuel cell system that can be started up in a shorter time can be realized.
また、本実施例では、制御手段（コントローラ）４０において、電流制御装置（通電手段）４１により燃料電池スタック１から電流を取り出すタイミングとして、燃料極に燃料ガスを供給した後に、電圧センサ（電圧計測手段）３０で得られる電圧の最低値がゼロボルト以上となってから電流制御装置（通電手段）４１によって燃料電池スタック１から電流を取り出す。これにより、燃料電池スタック１の局所的なセルにおいて燃料不足状態で電流を引くことによる劣化を抑制することができ、結果として、確実に起動時の劣化を抑制することができる。 In this embodiment, the control means (controller) 40 uses the current control device (energization means) 41 to extract the current from the fuel cell stack 1 and then supplies the fuel gas to the fuel electrode, and then the voltage sensor (voltage measurement). Means) After the minimum value of the voltage obtained at 30 becomes zero volts or more, current is taken out from the fuel cell stack 1 by the current control device (energization means) 41. Thereby, it is possible to suppress deterioration caused by drawing a current in a fuel shortage state in a local cell of the fuel cell stack 1, and as a result, it is possible to reliably suppress deterioration at startup.
また、本実施例では、制御手段（コントローラ）４０において、より確実なタイミング制御を行うために、電圧センサ（電圧計測手段）３０で得られる電圧の最低値が所定値（例えば、１セル当たり数十ミリボルト）以上となってから電流制御装置（通電手段）４１によって燃料電池スタック１から電流を取り出す。これにより、劣化が大きく進行する前で、且つ、燃料供給が確認されてから電流を取り出すことができるので、燃料電池スタック１の局所的なセルにおいて燃料不足状態で電流を引くことによる劣化を抑制することができ、結果として、より確実に起動時の劣化を抑制することができる。 In the present embodiment, in order to perform more reliable timing control in the control means (controller) 40, the minimum value of the voltage obtained by the voltage sensor (voltage measurement means) 30 is a predetermined value (for example, the number per cell). The current is taken out from the fuel cell stack 1 by the current control device (energizing means) 41 after 10 millivolts or more. As a result, the current can be taken out before the deterioration greatly progresses and after the fuel supply is confirmed, so that the deterioration caused by drawing the current in the fuel shortage state in the local cell of the fuel cell stack 1 is suppressed. As a result, it is possible to more reliably suppress deterioration at the time of startup.
また、本実施例では、制御手段（コントローラ）４０において、電流制御装置（通電手段）４１によって燃料電池スタック１から取り出す電流を、供給した燃料ガスから計算される目標燃料利用率を維持できる値とする。このように、供給した燃料ガス量に応じて取り出し電流量を制御することで、燃料供給の過渡時においても燃料不足を防止することができ、また、劣化を抑制しつつ取り出し得る電流を取り出すことが可能となり、結果として、より短い時間で起動が可能で耐久性の高い燃料電池システムを実現することができる。 Further, in this embodiment, the control means (controller) 40 has a value that can maintain the target fuel utilization rate calculated from the supplied fuel gas, as the current taken out from the fuel cell stack 1 by the current control device (energization means) 41. To do. In this way, by controlling the amount of current taken out according to the amount of fuel gas supplied, it is possible to prevent fuel shortage even during a fuel supply transition, and to take out current that can be taken out while suppressing deterioration. As a result, it is possible to realize a highly durable fuel cell system that can be started in a shorter time.
また、本実施例では、制御手段（コントローラ）４０において、電流制御装置（通電手段）４１によって燃料電池スタック１から取り出す電流を、供給した燃料ガスから計算される目標燃料利用率以下となるように制御する。このように、供給した燃料ガス量に応じて取り出し電流量を制御することで、燃料供給の過渡時においても燃料不足を防止することができ、また、燃料利用率をより低く設定することにより、より燃料不足防止の効果を上げることができ、また、劣化を抑制しつつ取り出し得る電流を取り出すことが可能となり、結果として、より短い時間で起動が可能で耐久性のより高い燃料電池システムを実現することができる。 Further, in the present embodiment, in the control means (controller) 40, the current taken out from the fuel cell stack 1 by the current control device (energization means) 41 is less than or equal to the target fuel utilization rate calculated from the supplied fuel gas. Control. In this way, by controlling the amount of current taken out according to the amount of fuel gas supplied, it is possible to prevent fuel shortage even during the transition of fuel supply, and by setting the fuel utilization rate lower, The effect of preventing fuel shortage can be further improved, and the current that can be taken out can be taken out while suppressing deterioration. As a result, a fuel cell system that can start up in a shorter time and has higher durability can be realized. can do.
また、本実施例では、制御手段（コントローラ）４０において、電流制御装置（通電手段）４１に対して指令する目標指令電流量を、二次電池４３および当該燃料電池システムの補機類４４で消費できる最大量以下とする。このように、目標指令電流量を燃料電池システムの状態に応じて切り替えることで、また、劣化を抑制しつつ取り出し得る電流を取り出すことが可能となり、エラーを生じることがなく、より短い時間で確実に起動し得る燃料電池システムを実現することができる。 In this embodiment, the target command current amount commanded to the current control device (energization unit) 41 in the control unit (controller) 40 is consumed by the secondary battery 43 and the auxiliary devices 44 of the fuel cell system. Less than the maximum amount possible. In this way, by switching the target command current amount according to the state of the fuel cell system, it becomes possible to take out a current that can be taken out while suppressing deterioration, so that no error occurs and it is possible to make sure in a shorter time. It is possible to realize a fuel cell system that can be started up quickly.
また、本実施例では、制御手段（コントローラ）４０において、電流制御装置（通電手段）４１に対して指令する目標指令電流量を、二次電池４３および当該燃料電池システムの補機類４４で消費できる最大電力量以下となるような値とする。このように、目標指令電流量を燃料電池システムの状態に応じて切り替えることで電圧変動等にも対応でき、また、劣化を抑制しつつ取り出し得る電流を取り出すことが可能となり、さらにエラーを生じることがなくなり、より短い時間で確実に起動し得る燃料電池システムを実現することができる。 In this embodiment, the target command current amount commanded to the current control device (energization unit) 41 in the control unit (controller) 40 is consumed by the secondary battery 43 and the auxiliary devices 44 of the fuel cell system. The value should be less than the maximum electric power that can be generated. In this way, by switching the target command current amount according to the state of the fuel cell system, it is possible to cope with voltage fluctuations, etc., it is possible to take out current that can be taken out while suppressing deterioration, and further errors occur Thus, a fuel cell system that can be reliably started in a shorter time can be realized.
また、本実施例では、燃料電池スタック１で消費されなかった燃料ガスを燃料ガス供給系に循環させる燃料ガス循環系を備えた構成としている。このように、燃料極を閉じきったまま起動することで、起動時に燃料電池システムから燃料ガスの排出を防止することができ、結果として、起動時に燃料ガスが排出されることがない。なお、本実施例では、燃料ガスを循環させる手段として燃料循環ポンプ７を用いたが、エゼクタを用いる構成としても良い。 In this embodiment, a fuel gas circulation system is provided that circulates fuel gas that has not been consumed in the fuel cell stack 1 to the fuel gas supply system. Thus, by starting with the fuel electrode fully closed, it is possible to prevent the fuel gas from being discharged from the fuel cell system at the time of starting, and as a result, the fuel gas is not discharged at the time of starting. In this embodiment, the fuel circulation pump 7 is used as means for circulating the fuel gas. However, an ejector may be used.
また、本実施例では、電圧センサ（電圧計測手段）３０を、燃料電池スタック１のセル毎に設置して構成する。これにより、より確実に劣化または劣化の可能性を判断することができる。 In this embodiment, the voltage sensor (voltage measuring means) 30 is installed and configured for each cell of the fuel cell stack 1. Thereby, it is possible to more reliably determine the deterioration or the possibility of deterioration.
また、本実施例では、電圧センサ（電圧計測手段）３０を、燃料電池スタック１の数セルに１つずつ設置して構成する。これにより、より簡易的構成で劣化または劣化可能性を判断することができ、より低コストで燃料電池システムを実現することができる。 In the present embodiment, the voltage sensors (voltage measuring means) 30 are installed and configured one by one in several cells of the fuel cell stack 1. Thereby, it is possible to determine the deterioration or the possibility of deterioration with a simpler configuration, and it is possible to realize the fuel cell system at a lower cost.
また、本実施例では、電圧センサ（電圧計測手段）３０を、対で構成し、同一セルまたは複数セルの測定対象について２箇所の電圧を計測する構成とする。これにより、片方が故障した場合でも交換することなく、継続運転が可能であり、燃料電池システムの信頼性を高めることができる。 In this embodiment, the voltage sensors (voltage measuring means) 30 are configured as a pair, and are configured to measure two voltages for the same cell or a plurality of cells. Thereby, even if one of them fails, it is possible to continue operation without replacement, and the reliability of the fuel cell system can be improved.
さらに、本実施例では、それぞれ同一セルまたは複数セルの測定対象について燃料極の燃料ガス供給側と燃料ガス排出側の２箇所の電圧を計測する。これにより、燃料ガスがセル内に供給されている状態を確実に判断することができ、さらに起動時の劣化を抑制することができる。 Further, in this embodiment, the voltages at two locations on the fuel gas supply side and the fuel gas discharge side of the fuel electrode are measured for the same cell or a plurality of cells to be measured. As a result, it is possible to reliably determine the state in which the fuel gas is being supplied into the cell, and to further suppress deterioration during startup.
次に、本発明の実施例２に係る燃料電池システムについて説明する。実施例２の燃料電池システムの構成は、実施例１の構成（図１〜図５）と同等であり、各構成要素の具体的説明を省略する。 Next, a fuel cell system according to Example 2 of the present invention will be described. The configuration of the fuel cell system of Example 2 is the same as that of Example 1 (FIGS. 1 to 5), and a specific description of each component is omitted.
なお、コントローラ４０は、実施例１と同様に、起動時に、燃料電池スタック１の酸化剤極に酸化剤ガスを供給しない状態で燃料極に燃料ガスを供給した後に、電圧センサ（電圧計測手段）３０で得られる電圧の最低値がゼロボルト以上になるように電流制御装置（通電手段）４１を制御し、その後、酸化剤極に酸化剤ガスを供給して発電を開始し、電流制御装置４１により燃料電池スタック１から電流を取り出すタイミングも実施例１と同様であるが、電流制御装置（通電手段）４１によって燃料電池スタック１から取り出す電流は、起動制御時に電圧センサ（電圧計測手段）３０で得られる全ての電圧がゼロボルト以上となるように制御され、起動制御時に電圧センサ（電圧計測手段）３０で得られる全ての電圧がゼロボルト以上となるときの最大電流である点、また、電流制御装置（通電手段）４１によって燃料電池スタック１から取り出す電流は、二次電池４３への充電量と当該燃料電池システムの補機類４４の消費電力との和から定められる最大値である点が実施例１とは異なる。 As in the first embodiment, the controller 40 supplies the fuel gas to the fuel electrode without supplying the oxidant gas to the oxidant electrode of the fuel cell stack 1 at the time of startup, and then the voltage sensor (voltage measurement means). The current control device (energizing means) 41 is controlled so that the minimum value of the voltage obtained at 30 becomes zero volts or more, and thereafter, the oxidant gas is supplied to the oxidant electrode to start power generation. The timing for taking out the current from the fuel cell stack 1 is the same as in the first embodiment, but the current taken out from the fuel cell stack 1 by the current control device (energizing means) 41 is obtained by the voltage sensor (voltage measuring means) 30 during the start-up control. All the voltages obtained are controlled to be zero volts or higher, and all voltages obtained by the voltage sensor (voltage measuring means) 30 during start-up control are zero volts or higher. The current taken out from the fuel cell stack 1 by the current control device (energizing means) 41 is the amount of charge to the secondary battery 43 and the power consumption of the auxiliary equipment 44 of the fuel cell system. The difference from the first embodiment is that the maximum value is determined from the sum of the two.
また、燃料電池システムの起動時動作に、コントローラ４０が行う全体的な制御についても、実施例１（図６および図７）と同等であるので説明を省略する。 Further, the overall control performed by the controller 40 during the start-up operation of the fuel cell system is the same as that of the first embodiment (FIGS. 6 and 7), and thus the description thereof is omitted.
本実施例は、電流制御装置４１による燃料電池スタック１からの電流取り出しを開始（図６におけるステップＳ１０７）した後の電流制御について特徴があるので、その点について図１０および図１１を参照して具体的に説明する。図１０および図１１は、本実施例の電流制御装置４１における電流制御を説明するタイミングチャートである。 The present embodiment is characterized in the current control after the current control device 41 starts taking out the current from the fuel cell stack 1 (step S107 in FIG. 6), and this point will be described with reference to FIGS. This will be specifically described. 10 and 11 are timing charts for explaining current control in the current control device 41 of this embodiment.
実施例１では、電流制御装置４１により燃料電池スタック１から電流を取り出すタイミングの判断条件として、燃料極に燃料ガスを供給した後に、電圧センサ３０で得られる電圧の最低値がゼロボルト以上、または所定値（例えば、１セル当たり数十ミリボルト）以上となってから電流制御装置４１によって燃料電池スタック１から電流を取り出すこととした。図１１に示すように、各セルのセル電圧の推移にバラツキが少ない場合には、実施例１の制御によっても燃料電池スタック１の劣化が起こる可能性はないが、セル間の燃料ガスの配流バラツキが大きい場合には、図１０に示すように、一旦、電圧の最低値がゼロボルト以上（全ての電圧がゼロボルト以上）であるとして電流取り出しを開始した後に、判断時に最低値であったセルとは異なる他のセルの電圧が変動（減少）することがあり、そのままの目標指令電流量で電流制御を続けた場合にゼロボルトまたはマイナス電位となるセルが発生する可能性がある。 In the first embodiment, as a determination condition for the timing of taking out current from the fuel cell stack 1 by the current control device 41, the minimum value of the voltage obtained by the voltage sensor 30 after supplying the fuel gas to the fuel electrode is zero volts or more, or a predetermined value The current is taken out from the fuel cell stack 1 by the current control device 41 after reaching a value (for example, several tens of millivolts per cell) or more. As shown in FIG. 11, when there is little variation in the cell voltage transition of each cell, there is no possibility that the fuel cell stack 1 will be deteriorated even by the control of the first embodiment, but the distribution of the fuel gas between the cells If the variation is large, as shown in FIG. 10, once the current extraction is started assuming that the minimum value of the voltage is zero volts or more (all voltages are zero volts or more), The voltage of other different cells may fluctuate (decrease), and if current control is continued with the target command current amount as it is, a cell having zero volts or a negative potential may occur.
そこで、本実施例では、電流取り出しを開始した後も電圧センサ３０で得られる電圧を監視して、電圧の最低値を順次更新していき、該最低セル電圧に応じて目標指令電流量を変化させることとした。すなわち、図１０および図１１に示すように、例えばセル電圧が「電圧１」、「電圧２」および「電圧３」のような時間的推移をたどる場合には、最低値である「電圧３」に応じて目標指令電流量を変化させる。つまり、電圧がゼロボルト付近になったら目標指令電流量をより小さい値にし、また、電圧がゼロボルトより十分大きくなったら目標指令電流量をより大きい値にする。 Therefore, in this embodiment, the voltage obtained by the voltage sensor 30 is monitored even after the current extraction is started, and the minimum value of the voltage is sequentially updated, and the target command current amount is changed according to the minimum cell voltage. I decided to let them. That is, as shown in FIGS. 10 and 11, for example, when the cell voltage follows temporal transitions such as “voltage 1”, “voltage 2”, and “voltage 3”, the “voltage 3” that is the lowest value. The target command current amount is changed according to. That is, the target command current amount is set to a smaller value when the voltage is near zero volts, and the target command current amount is set to a larger value when the voltage is sufficiently higher than zero volts.
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、制御手段（コントローラ）４０において、通電手段（電流制御装置）４１によって燃料電池スタック１から取り出す電流を、起動制御時に電圧計測手段（電圧センサ）３０で得られる全ての電圧がゼロボルト以上となるように制御する。これにより、燃料電池スタック１の計測される範囲で局所的なセルにおいて燃料不足状態で電流を引くことによる劣化を防止することができ、セル間の燃料配流ばらつきが大きい場合でも確実に起動時の劣化を抑制することができる。 As described above, in the fuel cell system of this embodiment, in the control means (controller) 40, the current taken out from the fuel cell stack 1 by the energization means (current control device) 41 is the voltage measurement means (voltage sensor) during start-up control. ) Control so that all the voltages obtained in 30 become zero volts or more. As a result, it is possible to prevent deterioration caused by drawing a current in a fuel-deficient state in a local cell within the measured range of the fuel cell stack 1, and even when there is a large variation in fuel distribution between cells, Deterioration can be suppressed.
また、本実施例では、制御手段（コントローラ）４０において、通電手段（電流制御装置）４１によって燃料電池スタック１から取り出す電流を、起動制御時に電圧計測手段（電圧センサ）３０で得られる全ての電圧がゼロボルト以上となるときの最大電流とする。このように、通電手段（電流制御装置）４１によって取り出し得る最大の電流量を取り出すことで、燃料極内に燃料と酸化剤が混在することによる劣化を大幅に抑制することができ、また、劣化を抑制しつつ取り出し得る電流を取り出すことが可能となり、結果として、起動時の劣化を大幅に抑制することができると共に、より短い時間で起動が可能である。 Further, in this embodiment, in the control means (controller) 40, all the voltages obtained by the voltage measurement means (voltage sensor) 30 during start-up control are the currents taken out from the fuel cell stack 1 by the energization means (current control device) 41. Is the maximum current when is over zero volts. Thus, by taking out the maximum amount of current that can be taken out by the energization means (current control device) 41, deterioration due to the mixture of fuel and oxidant in the fuel electrode can be greatly suppressed. The current that can be taken out can be taken out while suppressing the deterioration, and as a result, the deterioration at the time of starting can be greatly suppressed and the starting can be performed in a shorter time.
さらに、本実施例では、制御手段（コントローラ）４０において、通電手段（電流制御装置）４１によって燃料電池スタック１から取り出す電流を、二次電池４３への充電量と当該燃料電池システムの補機類４４の消費電力との和から定められる最大値とする。このように、燃料電池システムの構成上の制限から算出される量に応じて電流量を規定することで、燃料電池システムの状態に応じた電流量の設定を行うことができ、劣化を抑制しつつ取り出し得る電流を取り出すことが可能となり、結果として、燃料電池システムの状態に応じた最適な起動制御を実現することができ、より短い時間で起動が可能である。 Furthermore, in this embodiment, the control means (controller) 40 uses the current supply means (current control device) 41 to extract the current taken from the fuel cell stack 1 as the amount of charge to the secondary battery 43 and the auxiliary equipment of the fuel cell system. The maximum value is determined from the sum of the power consumption of 44. In this way, by defining the amount of current according to the amount calculated from the restrictions on the configuration of the fuel cell system, it is possible to set the amount of current according to the state of the fuel cell system and suppress deterioration. Thus, it is possible to extract a current that can be extracted, and as a result, it is possible to realize optimal start-up control according to the state of the fuel cell system, and start-up is possible in a shorter time.
次に、本発明の実施例３に係る燃料電池システムについて説明する。実施例３の燃料電池システムの構成は、実施例１の構成（図１〜図５）と同等であり、各構成要素の具体的説明を省略する。 Next, a fuel cell system according to Example 3 of the present invention will be described. The configuration of the fuel cell system of Example 3 is the same as that of Example 1 (FIGS. 1 to 5), and a specific description of each component is omitted.
なお、コントローラ４０は、実施例１と同様に、起動時に、燃料電池スタック１の酸化剤極に酸化剤ガスを供給しない状態で燃料極に燃料ガスを供給した後に、電圧センサ（電圧計測手段）３０で得られる電圧の最低値がゼロボルト以上になるように電流制御装置（通電手段）４１を制御し、その後、酸化剤極に酸化剤ガスを供給して発電を開始し、電流制御装置４１により燃料電池スタック１から電流を取り出すタイミングも実施例１と同様であるが、電流制御装置（通電手段）４１によって燃料電池スタック１から取り出す電流は、電圧センサ（電圧計測手段）３０により得られる燃料電池スタック１の総電圧に応じて制御され、燃料電池スタック１の総電圧が大きくなるほど大きくなるように制御される点、並びに、電流制御装置（通電手段）４１によって燃料電池スタック１から取り出す電流は、電圧センサ（電圧計測手段）３０で得られる全ての電圧値のばらつきが所定量以下となるように制御される点が実施例１とは異なる。 As in the first embodiment, the controller 40 supplies the fuel gas to the fuel electrode without supplying the oxidant gas to the oxidant electrode of the fuel cell stack 1 at the time of startup, and then the voltage sensor (voltage measurement means). The current control device (energizing means) 41 is controlled so that the minimum value of the voltage obtained at 30 becomes zero volts or more, and thereafter, the oxidant gas is supplied to the oxidant electrode to start power generation. The timing of taking out the current from the fuel cell stack 1 is the same as in the first embodiment, but the current taken out from the fuel cell stack 1 by the current control device (energizing means) 41 is obtained by the voltage sensor (voltage measuring means) 30. It is controlled according to the total voltage of the stack 1, and is controlled so as to increase as the total voltage of the fuel cell stack 1 increases. Current drawn by the means) 41 from the fuel cell stack 1, it is that the variations of all voltages obtained by the voltage sensor (voltage measuring means) 30 is controlled to be equal to or less than a predetermined amount different from the first embodiment.
また、燃料電池システムの起動時動作に、コントローラ４０が行う全体的な制御についても、実施例１（図６および図７）と同等であるので説明を省略する。 Further, the overall control performed by the controller 40 during the start-up operation of the fuel cell system is the same as that of the first embodiment (FIGS. 6 and 7), and thus the description thereof is omitted.
本実施例は、電流制御装置４１による燃料電池スタック１からの電流取り出しを開始（図６におけるステップＳ１０７）した後の電流制御について特徴があるので、その点について図１２を参照して具体的に説明する。 The present embodiment is characterized by the current control after the current control device 41 starts taking out the current from the fuel cell stack 1 (step S107 in FIG. 6), and this point is specifically described with reference to FIG. explain.
図１２は、本実施例の電流制御装置４１における電流制御を説明するタイミングチャートである。図中、粗い破線でスタック総電圧を示し、実線で電圧ばらつき度合いＶdiffを示し、きめの細かい破線で電流制御装置４１による取り出し電流を示している。 FIG. 12 is a timing chart illustrating current control in the current control device 41 of the present embodiment. In the figure, the rough total broken line indicates the stack total voltage, the solid line indicates the voltage variation degree Vdiff, and the fine broken line indicates the extracted current by the current control device 41.
本具体例では、電圧センサ（電圧計測手段）３０で得られる全ての電圧値のばらつき度合いＶdiffを求め、該電圧ばらつき度合いＶdiffに応じて目標指令電流量を変化させている。つまり、電圧ばらつき度合いＶdiffが大きくなったら目標指令電流量をより小さく設定し、また、電圧ばらつき度合いＶdiffが小さくなったら目標指令電流量をより大きく設定する。 In this specific example, the variation degree Vdiff of all the voltage values obtained by the voltage sensor (voltage measuring means) 30 is obtained, and the target command current amount is changed according to the voltage variation degree Vdiff. That is, the target command current amount is set smaller when the voltage variation degree Vdiff becomes larger, and the target command current amount is set larger when the voltage variation degree Vdiff becomes smaller.
なお、電圧ばらつき度合いＶdiffの求め方としては、Ｖdiff1＝セル電圧の平均値−セル電圧の最低値、Ｖdiff2＝セル電圧の最大値−セル電圧の最低値、Ｖdiff3＝（セル電圧の平均値−セル電圧の最低値）／セル電圧の平均値、などがある。 The voltage variation degree Vdiff can be obtained by Vdiff1 = average cell voltage value−lowest cell voltage value, Vdiff2 = maximum cell voltage value−lowest cell voltage value, Vdiff3 = (average cell voltage value−cell (Minimum value of voltage) / average value of cell voltage.
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、制御手段（コントローラ）４０において、通電手段（電流制御装置）４１によって燃料電池スタック１から取り出す電流を、電圧計測手段（電圧センサ）３０により得られる燃料電池スタック１の総電圧に応じて制御し、燃料電池スタック１の総電圧が大きくなるほど大きくなるように制御する。このように、燃料電池スタック総電圧から電流量を設定することで、従来の燃料電池システムの構成に特別な構成要素を加えることなく起動制御を実現することができ、低コストで、より容易に起動時の劣化を抑制することができる。また、劣化を抑制しつつ取り出し得る電流を取り出すことが可能となり、より短い時間で起動が可能である。 As described above, in the fuel cell system of the present embodiment, in the control means (controller) 40, the current taken out from the fuel cell stack 1 by the energization means (current control device) 41 is output by the voltage measurement means (voltage sensor) 30. Control is performed in accordance with the total voltage of the obtained fuel cell stack 1, and the control is performed so that it increases as the total voltage of the fuel cell stack 1 increases. Thus, by setting the amount of current from the total voltage of the fuel cell stack, it is possible to realize start-up control without adding special components to the configuration of the conventional fuel cell system, and it is easier and cheaper. Deterioration at startup can be suppressed. Moreover, it becomes possible to take out the electric current which can be taken out, suppressing deterioration, and it can start in a shorter time.
また、本実施例では、制御手段（コントローラ）４０において、通電手段（電流制御装置）４１によって燃料電池スタック１から取り出す電流を、電圧計測手段（電圧センサ）３０により得られる燃料電池スタック１の総電圧が大きくなるほど大きくなるように制御する。このように、燃料電池スタック総電圧によって電流値を制御することで、電圧が高いときは電流を大きく、電圧が低いときは電流を小さくすることができ、燃料極内の燃料と酸化剤が混在することによる劣化と燃料不足による劣化の双方を抑制することができ、さらに起動時の劣化を抑制することができる。また、劣化を抑制しつつ取り出し得る電流を取り出すことが可能となり、より短い時間で起動が可能である。 Further, in the present embodiment, in the control means (controller) 40, the current taken out from the fuel cell stack 1 by the energization means (current control device) 41 is the total of the fuel cell stack 1 obtained by the voltage measurement means (voltage sensor) 30. Control is performed so that the voltage increases as the voltage increases. In this way, by controlling the current value according to the total voltage of the fuel cell stack, the current can be increased when the voltage is high, and the current can be decreased when the voltage is low, and the fuel and oxidant in the anode are mixed. It is possible to suppress both the deterioration due to the operation and the deterioration due to the shortage of fuel, and further it is possible to suppress the deterioration at the start-up. Moreover, it becomes possible to take out the electric current which can be taken out, suppressing deterioration, and it can start in a shorter time.
さらに、本実施例では、制御手段（コントローラ）４０において、通電手段（電流制御装置）４１によって燃料電池スタック１から取り出す電流を、電圧計測手段（電圧センサ）３０で得られる全ての電圧値のばらつきが所定量以下となるように制御する。このように、全ての電圧計測値を用いて電圧ばらつきを算出し、ばらつきが小さい場合は電流量を増加させ、ばらつきが大きい場合は電流量を減少させることで、燃料不足状態で電流を引くことによる劣化を抑制することができ、よりさらに起動時の劣化を抑制することができる。また、劣化を抑制しつつ取り出し得る電流を取り出すことが可能となり、より短い時間で起動が可能である。 Further, in the present embodiment, in the control means (controller) 40, the current taken out from the fuel cell stack 1 by the energization means (current control device) 41 is the variation of all the voltage values obtained by the voltage measurement means (voltage sensor) 30. Is controlled to be less than a predetermined amount. In this way, the voltage variation is calculated using all measured voltage values, and when the variation is small, the current amount is increased, and when the variation is large, the current amount is decreased to draw the current in a fuel shortage state. It is possible to suppress the deterioration due to, and further suppress the deterioration at the time of startup. Moreover, it becomes possible to take out the electric current which can be taken out, suppressing deterioration, and it can start in a shorter time.
１ 燃料電池スタック
１ａ−ｉ セル
１ｂ−ｉ 燃料極
１ｃ−ｉ 酸化剤極
１ｄ−ｉ 電解質
２ 燃料タンク
３ 燃料供給弁
４ 燃料調圧弁（タンク側）
５ 燃料供給調圧弁
７ 燃料循環ポンプ
８ 燃料パージ弁
１１ 酸化剤コンプレッサ
１２ 酸化剤調圧弁
２０ 燃料電池スタックケース
２１ 燃料供給配管
２２ 酸化剤供給配管
２３ 燃料循環配管
２４ 燃料排気配管
２５ 酸化剤排気配管
３０ 電圧センサ（電圧計測手段）
３０ａ−１〜３０ａ−Ｎ，３０ｂ−１〜３０ｂ−Ｎ 電圧センサ
３０ｃ−１〜３０ｃ−Ｍ，３０ｄ−１〜３０ｄ−Ｍ 電圧センサ
３１ 酸化剤流量測定器
３２，３３ 圧力センサ
３４，３５ 燃料センサ
３９ タイマ
４０ コントローラ（制御手段）
４１ 電流制御装置
４２ 負荷部
４３ 二次電池
４４ 補機類
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell stack 1a-i cell 1b-i Fuel electrode 1c-i Oxidant electrode 1d-i Electrolyte 2 Fuel tank 3 Fuel supply valve 4 Fuel pressure regulating valve (tank side)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 5 Fuel supply pressure regulation valve 7 Fuel circulation pump 8 Fuel purge valve 11 Oxidant compressor 12 Oxidant pressure regulation valve 20 Fuel cell stack case 21 Fuel supply piping 22 Oxidant supply piping 23 Fuel circulation piping 24 Fuel exhaust piping 25 Oxidant exhaust piping 30 Voltage sensor (voltage measuring means)
30a-1 to 30a-N, 30b-1 to 30b-N Voltage sensor 30c-1 to 30c-M, 30d-1 to 30d-M Voltage sensor 31 Oxidant flow meter 32, 33 Pressure sensor 34, 35 Fuel sensor 39 timer 40 controller (control means)
41 Current control device 42 Load section 43 Secondary battery 44 Auxiliary machinery
Claims (18)
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池から電流を取り出す通電手段と、
少なくとも２つ以上の前記燃料電池内に配置された電圧計測手段と、
起動時に、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給しない状態で前記燃料極に燃料ガスを供給した後に、前記電圧計測手段で得られる電圧の最低値がゼロボルト以上になるように前記通電手段を制御し、その後前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給して発電を開始する制御手段と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell comprising a fuel electrode and an oxidant electrode arranged with an electrolyte membrane interposed therebetween, and generating power by an electrochemical reaction of a fuel gas and an oxidant gas respectively supplied to the fuel electrode and the oxidant electrode;
Fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel cell;
An oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the fuel cell;
Energization means for extracting current from the fuel cell;
Voltage measuring means arranged in at least two or more of the fuel cells;
At the time of start-up, after supplying the fuel gas to the fuel electrode without supplying the oxidant gas to the oxidant electrode, the energizing unit is controlled so that the minimum value of the voltage obtained by the voltage measuring unit becomes zero volts or more. And, thereafter, a control means for starting the power generation by supplying an oxidant gas to the oxidant electrode,
A fuel cell system comprising:
前記通電手段によって前記燃料電池から取り出す電流は、前記二次電池への充電量と当該燃料電池システムの補機類の消費電力との和から定められる最大値であることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。 Has a secondary battery that can be charged and discharged as an auxiliary power source,
8. The current extracted from the fuel cell by the energizing means is a maximum value determined from the sum of the amount of charge to the secondary battery and the power consumption of auxiliary equipment of the fuel cell system. The fuel cell system described in 1.
前記制御手段が前記通電手段に対して指令する目標指令電流は、前記二次電池および当該燃料電池システムの補機類で消費できる最大量以下であることを特徴とする請求項１〜請求項１１の何れか１項に記載の燃料電池システム。 Has a secondary battery that can be charged and discharged as an auxiliary power source,
12. The target command current commanded by the control unit to the energizing unit is equal to or less than a maximum amount that can be consumed by the secondary battery and auxiliary devices of the fuel cell system. The fuel cell system according to any one of the above.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112103537A (en) * | 2019-06-18 | 2020-12-18 | 丰田自动车株式会社 | Fuel cell system |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102084570B (en) * | 2009-09-10 | 2013-10-16 | 株式会社日立工程服务 | Power storage device for electric power generation system and method for operating the power storage device |
| DE102015207600A1 (en) | 2015-04-24 | 2016-10-27 | Volkswagen Aktiengesellschaft | Method for controlling an operating point change of a fuel cell stack and fuel cell system |
| CN108461778A (en) * | 2017-02-20 | 2018-08-28 | 武汉众宇动力***科技有限公司 | Fuel cell for unmanned plane |
| NL2020514B1 (en) * | 2018-03-01 | 2019-09-12 | Hymove B V | A method for controlling a hydrogen fuel cell system which is arranged for providing power to an electrical motor, as well as a corresponding hydrogen fuel cell system. |
| CN110416579A (en) * | 2018-04-26 | 2019-11-05 | 武汉众宇动力***科技有限公司 | Unmanned plane stack performance recovery system and its recovery device and recovery control method |
| US11011766B2 (en) * | 2018-09-18 | 2021-05-18 | Hyundai Motor Company | Fuel cell system having oxygen sensor, and control method thereof |
| CN112956059B (en) * | 2018-11-07 | 2024-02-20 | 百拉得动力***公司 | Method and system for operating an electrochemical fuel cell stack with improved performance recovery |
| CN114914492B (en) * | 2022-05-24 | 2023-10-31 | 佛山仙湖实验室 | Local voltage detection device of fuel cell system and detection analysis method thereof |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004186137A (en) * | 2002-11-21 | 2004-07-02 | Denso Corp | Fuel cell system |
| JP2005158557A (en) * | 2003-11-27 | 2005-06-16 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell system |
| JP2005158555A (en) * | 2003-11-27 | 2005-06-16 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell system |
| JP2005310435A (en) * | 2004-04-19 | 2005-11-04 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell system |
| JP2005340004A (en) * | 2004-05-27 | 2005-12-08 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell system and control method of fuel cell |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2018639A1 (en) * | 1990-06-08 | 1991-12-08 | James D. Blair | Method and apparatus for comparing fuel cell voltage |
| JP4151405B2 (en) * | 2002-12-25 | 2008-09-17 | 日産自動車株式会社 | Fuel cell power generation control device |
-
2005
- 2005-12-27 JP JP2005374709A patent/JP2007179786A/en active Pending
-
2006
- 2006-12-26 CN CN2006800496509A patent/CN101351918B/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004186137A (en) * | 2002-11-21 | 2004-07-02 | Denso Corp | Fuel cell system |
| JP2005158557A (en) * | 2003-11-27 | 2005-06-16 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell system |
| JP2005158555A (en) * | 2003-11-27 | 2005-06-16 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell system |
| JP2005310435A (en) * | 2004-04-19 | 2005-11-04 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell system |
| JP2005340004A (en) * | 2004-05-27 | 2005-12-08 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell system and control method of fuel cell |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112103537A (en) * | 2019-06-18 | 2020-12-18 | 丰田自动车株式会社 | Fuel cell system |
| CN112103537B (en) * | 2019-06-18 | 2024-03-19 | 丰田自动车株式会社 | Fuel cell system |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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| CN101351918B (en) | 2011-06-01 |
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