JP3879429B2

JP3879429B2 - Fuel cell system

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Publication number: JP3879429B2
Application number: JP2001114517A
Authority: JP
Inventors: 泰之伊藤; 博史宮窪
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-04-12
Filing date: 2001-04-12
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2021-04-12
Also published as: JP2002313390A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の運転を開始するに際して、燃料電池への燃料ガスの供給をすると共に燃料ガス排出弁を開状態にして、燃料ガス流路内の空気などの残留ガスを燃料ガスに置換する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池システムとしては、発電源として、いわゆる燃料電池スタックを用いたものが知られている。燃料電池スタックは、固体高分子電解質膜を酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成された燃料電池構造体が、セパレータを介して複数積層されてなる。この燃料電池システムでは、燃料電池スタックに水素を燃料ガスとして燃料極に供給すると共に、酸素を含んだ空気を空気極に供給することにより、水素と酸素とを電気化学的に反応させて直接発電するものである。
【０００３】
通常、燃料電池システムでは、燃料電池スタックを起動するに際して、燃料ガス配管流路中の燃料ガス以外の残留ガス（空気）を、燃料ガスで置換する必要がある。
【０００４】
従来の燃料電池システムでは、燃料電池を起動するに際して、特開平１１−９７０４７号公報に開示されている技術が知られている。
【０００５】
この燃料電池システムでは、燃料電池スタックの起動時において、燃料電池スタックに燃料ガス及び酸化剤ガスを供給開始し、電圧検出手段により燃料電池スタックの発電電圧を検出する。そして、燃料電池スタックの発電電圧が一定となると、燃料電池システムの燃料ガス配管流路中が燃料ガスで満たされたことを検知する。このとき、燃料電池システムでは、燃料ガス配管流路中の残留ガスを燃料ガスで置換するために、燃料ガス配管流路に設けられた排出バルブを開状態にしておくようにしていた。
【０００６】
また、この燃料電池システムでは、一定体積の燃料ガス以外の残留ガスを排出バルブから排出したら、燃料ガス配管流路が燃料ガスで満たされたことを判定していた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来の燃料電池システムでは、一般的に、燃料電池スタックの温度や、燃料電池スタック内のガス供給流路の水詰まり有無によって、燃料電池スタックの発電状態が異なってしまう。
【０００８】
しかし、上述の従来の特開平１１−９７０４７号公報に開示された燃料電池システムでは、燃料電池スタックの起動時に燃料ガス配管流路中が燃料ガスで置換されたことを単に燃料電池スタックの発電電圧を検知して判定しているために、水詰まりか、或いはその他の要因で発電に支障がある条件下などでは正確に燃料ガスの置換状態を判定することができない場合がある。
【０００９】
また、この燃料電池システムでは、燃料ガス配管流路中の残留ガスを燃料ガスで置換するに際して、一定体積のガスを排出したら燃料ガス配管流路が燃料ガスで満たされたことを判定していたが、燃料ガス配管流路中のガスの流れ具合によっては燃料ガスで置換が行われたか否かの正確な判定が困難となる。
【００１０】
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、燃料電池スタックの始動時に、燃料ガスの排出量を抑制すると共に燃料ガス流路中の残留ガスを燃料ガスに確実に置換することができる燃料電池システムを提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明では、電解質膜を酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成され、上記酸化剤極側に酸化剤ガスが供給されると共に、上記燃料極側に燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、上記燃料電池の燃料極に燃料ガスを燃料ガス供給流路を介して供給する燃料ガス供給手段と、上記燃料電池から排出された燃料ガスを燃料ガス排出流路を介して外気へ排出する燃料ガス排出手段と、上記燃料電池内のガス圧力を検出する圧力検出手段と、上記燃料電池を始動開始するに際して、上記燃料ガス排出手段を開状態にし、上記圧力検出手段で検出された上記燃料電池内の燃料ガス圧力に基づいて上記燃料電池内の燃料ガス圧力を一定とするように上記燃料ガス供給手段の上記燃料電池への燃料ガス供給量を調整する制御をし、上記燃料ガス供給手段の燃料ガス供給量が、前記燃料ガスのみが前記ガス排出手段から排出されていると判断される所定量以上になったことに応じて、上記燃料ガス排出手段を閉状態にして上記燃料ガス排出手段の燃料ガス排出量を制御する第１判定処理、又は上記燃料ガス排出手段を開状態にし、上記燃料電池への燃料ガス供給量を一定にするように上記燃料ガス供給手段を制御し、上記圧力検出手段で検出された上記燃料電池内のガス圧力が、前記燃料ガスのみが前記ガス排出手段から排出されていると判断される所定値以下になったことに応じて、上記燃料ガス排出手段を閉状態にして上記燃料ガス排出手段の燃料ガス排出量を制御する第２判定処理をする始動制御手段とを備える。
【００１４】
請求項２に係る発明では、上記燃料ガス排出手段は、上記燃料電池の燃料ガス排出口から排出された燃料ガスを上記燃料電池の燃料ガス供給口に循環する燃料ガス循環流路上に設けられる。
【００１５】
請求項３に係る発明では、上記燃料ガス排出手段は、上記燃料電池の燃料ガス排出口から排出された燃料ガスを外部に排出する燃料ガス排出流路であって上記燃料ガス排出口近傍に設けられる。
【００１６】
請求項４に係る発明では、上記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段を更に備え、
上記燃料ガス排出手段を閉状態にした後に、上記電圧検出手段で検出された上記燃料電池の電圧に基づいて上記燃料電池の状態を検出する。
【００１７】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、燃料電池を始動開始するに際して、燃料ガス排出手段を開状態にし、圧力検出手段で検出された燃料電池内の燃料ガス圧力に基づいて燃料電池内の燃料ガス圧力を一定とするように燃料ガス供給手段の燃料電池への燃料ガス供給量を調整する制御をし、燃料ガス供給手段の燃料ガス供給量に基づいて燃料ガス排出手段を閉状態にする第１判定処理、又は燃料ガス排出手段を開状態にし、燃料電池への燃料ガス供給量を一定にするように燃料ガス供給手段を制御し、圧力検出手段で検出された燃料電池内の燃料ガス圧力に基づいて燃料ガス排出手段を閉状態にする第２判定処理をするので、燃料ガス供給流路内における燃料ガスへの置換状況を的確に判断することができる。
請求項１に係る発明によれば、第１判定処理において、燃料ガス供給手段の燃料ガス供給量が所定量以上になったことに応じて燃料ガス排出手段の燃料ガス排出量を制御するので、燃料電池の始動開始時に、必要以上の燃料ガスを排出することを抑制して燃費の向上を図ることができると共に、燃料ガスへの置換不足による燃料電池の性能劣化を防止することができる。
請求項１に係る発明によれば、第２判定処理において、圧力検出手段で検出された燃料電池内の燃料ガス圧力が所定値以下になったことに応じて燃料ガス排出手段の燃料ガス排出量を制御するので、燃料電池の始動開始時に、必要以上の燃料ガスを排出することを抑制して燃費の向上を図ることができると共に、燃料ガスへの置換不足による燃料電池の性能劣化を防止することができる。また、この請求項３に係る発明によれば、第１判定処理よりも制御内容を簡略化することができる。
【００２０】
請求項２に係る発明では、燃料ガス排出手段を燃料電池の燃料ガス排出口から排出された燃料ガスを燃料電池の燃料ガス供給口に循環する燃料ガス循環流路上に設けられるので、燃料ガス供給流路及び燃料ガス循環流路内の燃料ガスへの置換を確実に行うことができる。
【００２１】
請求項３に係る発明によれば、燃料電池の燃料ガス排出口から排出された燃料ガスを外部に排出する燃料ガス排出流路であって燃料ガス排出口近傍に設けられるので、燃料ガス循環流路を有していない場合にも請求項１乃至３に係る処理を行うことができる。
【００２２】
請求項４に係る発明によれば、燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段を更に備え、燃料ガス排出手段を閉状態にした後に、電圧検出手段で検出された燃料電池の電圧に基づいて燃料電池の状態を検出するので、燃料電池内の水詰まり等による発電不良などの燃料電池状態を始動制御時に検出することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
［燃料電池システムの構成（図１）］
この燃料電池システムに備えられる燃料電池スタック１は、固体高分子電解質膜を酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成された燃料電池構造体が、セパレータを介して複数積層されてなるスタック構造となっている。また、この燃料電池スタック１では、内部に酸化剤ガスを通過させる酸化剤ガス流路１ａ、燃料ガスを通過させる燃料ガス流路１ｂ、冷却水を通過させる冷却水流路（図示せず）が設けられている。そして、燃料電池スタック１は、上記酸化剤極側に酸化剤ガスとしての空気が供給されると共に、上記燃料極側に燃料ガスとしての水素ガスが供給される。これにより、燃料電池スタック１は、水分を媒体として膜中をそれぞれのイオンが移動して接触して発電する。
【００２６】
この燃料電池システムは、各部の動作を制御する制御部２１が備えられている。制御部２１としては、例えば、各種半導体素子などによって構成されたコンピュータ等の情報処理装置が用いられており、この制御部２１によって各部が制御されることにより、燃料電池システム全体としての動作が制御される。
【００２７】
また、燃料電池システムは、燃料電池スタック１に供給する燃料ガスを蓄積する燃料貯蔵用タンク２、レギュレータ３、燃料供給調整弁４、エゼクタポンプ５が燃料ガス供給流路Ｌ１上に配設され、起動時用燃料ガス排出弁６が燃料ガス循環流路Ｌ２上に配設されて構成されている。
【００２８】
また、この燃料電池システムは、起動時用燃料ガス排出弁６の燃料ガス流入側近傍に、燃料ガス循環流路Ｌ２中の燃料ガス圧力を検出する圧力センサ７が配設され、更に燃料ガス循環流路Ｌ２から分岐した燃料ガスパージ流路Ｌ３上にパージ弁８が配設されている。
【００２９】
圧力センサ７は、燃料ガス循環流路Ｌ２内のガス圧力を検出し、センサ信号として制御部２１に出力する。この圧力センサ７により検出されたガス圧力は、制御部２１により燃料電池スタック１内のガス圧力として認識される。
【００３０】
更に、この燃料電池システムは、燃料供給調整弁４の弁開度の調整をする第１アクチュエータ９と、起動時用燃料ガス排出弁６の弁開度の調整をする第２アクチュエータ１０と、パージ弁８の弁開度の調整をする第３アクチュエータ１１とを備える。
【００３１】
これらの第１アクチュエータ９、第２アクチュエータ１０及び第３アクチュエータ１１は、制御部２１からの制御信号にしたがって、燃料供給調整弁４、起動時用燃料ガス排出弁６及びパージ弁８を駆動して弁開度を調整する。
【００３２】
制御部２１は、例えば外部から燃料電池スタック１の運転を開始する旨の命令が供給されることで、燃料電池スタック１の発電を開始するように各部を制御し、後述の第１〜第３始動制御処理のいずれかを実行する。
【００３３】
この第１〜第３始動制御処理は、燃料ガス供給流路Ｌ１内及び燃料ガス循環流路Ｌ２内で燃料電池スタック１の始動前に蓄積されていた燃料ガス以外の残留ガスを、燃料ガスに置換する処理である。燃料ガス供給流路Ｌ１及び燃料ガス循環流路Ｌ２内の残留ガスとは、主として、前回のパージ弁８によるパージ動作で流入した空気などがある。
【００３４】
このような燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の運転を開始するに際して、制御部２１の制御に従って、酸化剤ガス供給流路Ｌ４を介して燃料電池スタック１の酸素極に酸素を含む酸化剤ガスを供給すると共に、燃料電池スタック１の燃料極に水素を含む燃料ガスを供給する。
【００３５】
［燃料電池システムの始動制御処理（図２、図３）］
「第１始動制御処理」
第１始動制御処理では、燃料ガス供給流路Ｌ１及び燃料ガス循環流路Ｌ２に燃料電池スタック１を始動開始する前に残留している残留ガスを、燃料ガスに置換するに際して、起動時用燃料ガス排出弁６を開にした状態で、燃料供給調整弁４の開度を変化させるように制御部２１により制御する。
【００３６】
これは、燃料電池システムにおいて、モル流量ｎの関係が、
ｎ＝A×(1/(ρ0)^１／２)×{(2κ/(κ-1))×p0・f(p/p0)}^１／２（式１）
で表現される。上記式１において、Ａは燃料供給調整弁４又は起動時用燃料ガス排出弁６の開口面積、ρ０はガス密度、ｐは燃料供給調整弁４又は起動時用燃料ガス排出弁６の上流でのガス圧力、ｐ０は燃料供給調整弁４又は起動時用燃料ガス排出弁６の下流でのガス圧力を示す。
【００３７】
上記モル流量ｎの式１より、燃料供給調整弁４と起動時用燃料ガス排出弁６との開口面積が同等である場合には、残留ガス（空気）のガス密度が燃料ガス（水素）のガス密度よりも約１４倍高いので、起動時用燃料ガス排出弁６から空気が排出されにくい。
【００３８】
したがって、この第１始動制御処理では、モル流量ｎを残留ガスと燃料ガスとで同等にするために、残留ガスを起動時用燃料ガス排出弁６から排出する時よりも、燃料ガスを起動時用燃料ガス排出弁６から排出する時に、起動時用燃料ガス排出弁６の上流でのガス圧力を高くする。このために、制御部２１は、図２に示すように、燃料供給調整弁４の開度を開いて開口面積を大きくする制御をする。
【００３９】
制御部２１は、図２から分かるように、時刻ｔ０で燃料電池スタック１の始動を開始すると、燃料供給調整弁４の開度を徐々に大きくて残留ガス排出を開始し、起動時用燃料ガス排出弁６から燃料ガスが排出され始めると起動時用燃料ガス排出弁６上流圧力が下がる。
【００４０】
これに対し、制御部２１は、時刻ｔ１以降から、起動時用燃料ガス排出弁６上流圧力を一定するように燃料供給調整弁４の開度を徐々に大きくする制御をすることで、残留ガス及び燃料ガスを排出する。
【００４１】
制御部２１は、燃料ガスの排出量が多くなるほど起動時用燃料ガス排出弁６上流圧力が小さくなるが、起動時用燃料ガス排出弁６上流圧力を一定にしたまま燃料供給調整弁４の開度を徐々に大きくする制御をする。
【００４２】
そして、時刻ｔ２以降から、燃料供給調整弁４の開度が設定値Ｖｓ以上となると、燃料ガスのみが起動時用燃料ガス排出弁６から排出されており、燃料ガス供給流路Ｌ１及び燃料ガス循環流路Ｌ２内の残留ガスから燃料ガスへの置換が完了したとする。
【００４３】
図３に、このような第１始動制御処理を行うときの制御部２１の処理手順を示す。
【００４４】
先ず、制御部２１は、燃料電池スタック１を起動する旨の命令を入力することに応じて、ステップＳ１以降の処理を開始する。
【００４５】
ステップＳ１において、制御部２１は、燃料電池スタック１を始動するために、先ず、起動時用燃料ガス排出弁６を開状態にする制御信号を第２アクチュエータ１０に出力する。これに応じて、第２アクチュエータ１０は起動時用燃料ガス排出弁６を開状態に駆動する。
【００４６】
次のステップＳ２において、制御部２１は、燃料供給調整弁４を初期設定開度Ｖαまで開く制御信号を第１アクチュエータ９に出力する。これに応じて、第１アクチュエータ９は燃料供給調整弁４の開度Ｖを初期設定開度Ｖαまで開くように駆動する。ここで、制御部２１は、初期設定開度Ｖαを予め内部メモリに記憶しており、初期設定開度ＶαをステップＳ１における起動時用燃料ガス排出弁６の開口面積よりも小さく設定している。
【００４７】
ステップＳ２が終了した時点では、燃料貯蔵用タンク２からの燃料ガスが燃料ガス供給流路Ｌ１及び燃料ガス循環流路Ｌ２内に供給され、燃料ガス供給前に燃料ガス供給流路Ｌ１及び燃料ガス循環流路Ｌ２に蓄積された残留ガスが起動時用燃料ガス排出弁６から排出されている状態となる。
【００４８】
この状態において、燃料ガス供給流路Ｌ１及び燃料ガス循環流路Ｌ２内では、燃料貯蔵用タンク２から燃料供給調整弁４を介して供給された燃料ガス濃度が徐々に増えているのに対して、燃料ガス供給前に燃料ガス供給流路Ｌ１及び燃料ガス循環流路Ｌ２に蓄積されていたガスの濃度が徐々に低くなっている。
【００４９】
次のステップＳ３において、制御部２１は、圧力センサ７からのセンサ信号を入力し、センサ信号から燃料ガス循環流路Ｌ２内の現在の燃料ガス圧力値Ｐｒを得る。
【００５０】
次のステップＳ４において、制御部２１は、ステップＳ３において検出したガス圧力値Ｐｒと、予め内部メモリに記憶しておいた圧力目標値Ｐｓとの比較をし、ガス圧力値Ｐｒが圧力目標値Ｐｓよりも小さいか否かの判定をする。制御部２１は、ガス圧力値Ｐｒが圧力目標値Ｐｓよりも小さいときにはステップＳ５に処理を進め、小さくないときにはステップＳ３に処理を戻す。
【００５１】
ステップＳ５において、制御部２１は、燃料供給調整弁４の開度を設定値β分だけ開く制御信号を第１アクチュエータ９に出力する。これに応じて、第１アクチュエータ９はステップＳ４の時点での開度よりも設定値β分だけ開くように燃料供給調整弁４を駆動する。
【００５２】
ここで、上記設定値βは、起動時用燃料ガス排出弁６から燃料ガス供給流路Ｌ１及び燃料ガス循環流路Ｌ２内の残留ガスを排出するときに必要な燃料供給調整弁４の開度面積と、起動時用燃料ガス排出弁６から燃料ガス供給流路Ｌ１及び燃料ガス循環流路Ｌ２内の燃料ガスを排出するときに必要な燃料供給調整弁４の開度面積との差を、等分した値とする。この設定値βは、燃料電池システムの構成や仕様により異なるものであり、予め制御部２１内のメモリに格納された値である。
【００５３】
次のステップＳ６において、制御部２１は、ステップＳ５で変更された燃料供給調整弁４の開度Ｖと、設定値Ｖｓとの比較をする。制御部２１は、設定値Ｖｓが燃料供給調整弁４の開度Ｖよりも大きい場合には、燃料ガス供給流路Ｌ１及び燃料ガス循環流路Ｌ２内のガスを燃料ガスで置換している最中であると判定してステップＳ３に処理を戻し、大きくない場合には燃料ガス供給流路Ｌ１及び燃料ガス循環流路Ｌ２内の残留ガスを燃料ガスで置換終了したと判定してステップＳ７に処理を進める。
【００５４】
ステップＳ７において、制御部２１は、起動時用燃料ガス排出弁６を閉じる制御信号を第２アクチュエータ１０に出力し、第２アクチュエータ１０により起動時用燃料ガス排出弁６を閉じるように駆動させて、処理を終了する。
【００５５】
このような処理を行う制御部２１を備えた燃料電池システムによれば、燃料供給調整弁４の開度、すなわち燃料供給調整弁４から燃料ガス供給流路Ｌ１及び燃料ガス循環流路Ｌ２に供給する燃料ガス供給量に基づいて、燃料ガス循環流路Ｌ２内の残留ガスから燃料ガスへの置換状況を的確に判断することができる。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の始動開始時に、必要以上の燃料ガスを排出することを抑制して燃費の向上を図ることができると共に、残留ガスから燃料ガスへの置換不足による燃料電池スタック１の性能劣化を防止することができる。
【００５６】
「第２始動制御処理（図４、図５）」
第２始動制御処理では、上記式１より、燃料供給調整弁４と起動時用燃料ガス排出弁６との開口面積が同等である場合には、残留ガス（空気）のガス密度が燃料ガス（水素）のガス密度よりも約１４倍高く、残留ガス排出時と燃料ガス排出時とで起動時用燃料ガス排出弁６上流圧力が変化することを利用する。
【００５７】
すなわち、図４に示すように、制御部２１は、時刻ｔ０以降から、燃料供給調整弁４の開度を一定にした状態で燃料ガスを燃料ガス供給流路Ｌ１及び燃料ガス循環流路Ｌ２に供給開始する。すると、燃料ガス供給流路Ｌ１及び燃料ガス循環流路Ｌ２に残留していた残留ガスが起動時用燃料ガス排出弁６から排出され、起動時用燃料ガス排出弁６上流圧力が高い状態となる。
【００５８】
これは、上記式１の関係より、燃料供給調整弁４と起動時用燃料ガス排出弁６との開口面積を一定にした場合、残留ガスの密度が燃料ガスの密度よりも大きいために、燃料ガスと比較して残留ガスが起動時用燃料ガス排出弁６に流れにくいことによる。
【００５９】
そして、起動時用燃料ガス排出弁６からの燃料ガス排出が時刻ｔ１１以降から始まると、起動時用燃料ガス排出弁６上流圧力が次第に低くなり、時刻ｔ１２以降で設定値Ｐα以下となる。
【００６０】
これは、上記式１の関係より、燃料供給調整弁４と起動時用燃料ガス排出弁６との開口面積を一定にした場合、燃料ガスの密度が残留ガスの密度よりも小さいために、残留ガスと比較して燃料ガスが起動時用燃料ガス排出弁６に流れやすくなることによる。
【００６１】
これに応じて、制御部２１は、燃料ガスのみが起動時用燃料ガス排出弁６から排出されており、燃料ガス供給流路Ｌ１及び燃料ガス循環流路Ｌ２内の残留ガスから燃料ガスへの置換が完了したとする。
【００６２】
図５に、このような第２始動制御処理を行うときの制御部２１の処理手順を示す。
【００６３】
先ず、制御部２１は、燃料電池スタック１を起動する旨の命令を入力することに応じて、ステップＳ１１以降の処理を開始する。
【００６４】
ステップＳ１１において、制御部２１は、燃料電池スタック１を始動するために、先ず、起動時用燃料ガス排出弁６を開状態にする制御信号を第２アクチュエータ１０に出力する。これに応じて、第２アクチュエータ１０は起動時用燃料ガス排出弁６を開状態に駆動する。
【００６５】
次のステップＳ２において、制御部２１は、燃料供給調整弁４を初期設定開度Ｖｒまで開く制御信号を第１アクチュエータ９に出力する。これに応じて、第１アクチュエータ９は燃料供給調整弁４の開度Ｖを初期設定開度Ｖｒまで開くように駆動する。
【００６６】
ステップＳ１２が終了した時点では、燃料貯蔵用タンク２からの燃料ガスが燃料ガス供給流路Ｌ１及び燃料ガス循環流路Ｌ２内に供給され、燃料ガス供給前に燃料ガス供給流路Ｌ１及び燃料ガス循環流路Ｌ２に蓄積された残留ガスが起動時用燃料ガス排出弁６から排出されている状態となる。したがって、図４に示したように、起動時用燃料ガス排出弁６上流圧力値は高い状態となる。
【００６７】
次のステップＳ１３において、制御部２１は、圧力センサ７からのセンサ信号を入力し、センサ信号から燃料ガス循環流路Ｌ２内の現在のガス圧力値Ｐｒを得る。
【００６８】
次のステップＳ１４において、制御部２１は、ステップＳ１３において検出したガス圧力値Ｐｒと、予め内部メモリに記憶しておいた圧力目標値Ｐαとの比較をし、ガス圧力値Ｐｒが圧力目標値Ｐαよりも小さいか否かの判定をする。制御部２１は、ガス圧力値Ｐｒが圧力目標値Ｐαよりも小さいときにはステップＳ１３に処理を戻し、小さくないときにはステップＳ１５に処理を進める。
【００６９】
ステップＳ１５において、制御部２１は、起動時用燃料ガス排出弁６を閉じる制御信号を第２アクチュエータ１０に出力し、第２アクチュエータ１０により起動時用燃料ガス排出弁６を閉じるように駆動させて、処理を終了する。
【００７０】
このような処理を行う制御部２１を備えた燃料電池システムによれば、燃料ガス循環流路Ｌ２内の燃料ガスへの置換状況を的確に判断することができる。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の始動開始時に、必要以上の燃料ガスを排出することを抑制して燃費の向上を図ることができると共に、燃料ガスへの置換不足による燃料電池スタック１の性能劣化を防止することができる。
【００７１】
また、この燃料電池システムによれば、上述の第１始動制御処理とは異なり燃料供給調整弁４の開度を制御する必要がないので、第１始動制御処理と比較して制御内容を簡略化することができる。
【００７２】
「第３始動制御処理（図６、図７）」
この第３始動制御処理を行う燃料電池システムは、燃料電池スタック１の電圧を検出する電圧センサ（図示せず）、燃料電池スタック１の温度を検出する温度センサ（図示せず）を更に備え、電圧センサ及び温度センサで検出されたセンサ信号に従った処理を制御部２１により行う。
【００７３】
図６に、このような第３始動制御処理を行うときの制御部２１の処理手順を示す。
【００７４】
第３始動制御処理において、制御部２１は、先ず、ステップＳ２１において、上述の第１始動制御処理又は第２始動制御処理を行った後に、燃料ガス供給流路Ｌ１及び燃料ガス循環流路Ｌ２の燃料ガスへの置換が終了したか否かの判定をする。制御部２１は、燃料ガスへの置換が終了したと判定したときにはステップＳ２２に処理を進める。
【００７５】
ステップＳ２２において、制御部２１は、電圧センサからのセンサ信号を入力して現在の燃料電池スタック１の電圧Ｖｒを認識すると共に、ステップＳ２３において、温度センサからのセンサ信号を入力して現在の燃料電池スタック１の温度Ｔｅを認識する。
【００７６】
次のステップＳ２４において、制御部２１は、図７に示すステップＳ２３で検出した燃料電池スタック１の温度Ｔｅに応じた補正値ｋを読み出し、読み出した補正値ｋとステップＳ２２で検出した燃料電池スタック１の電圧Ｖｒとを乗算した補正電圧値ｋ・Ｖｒを算出する。そして、制御部２１は、補正電圧値ｋ・Ｖｒと、燃料ガス圧力に基づいた燃料電池スタック１の電圧を示す圧力電圧値Ｖｔとの比較をする。制御部２１は、補正電圧値ｋ・Ｖｒが圧力電圧値Ｖｔより大きいときには、燃料電池スタック１内の水詰まり等による燃料電池スタック１不良はないと判定して処理を終了し、大きくないときにはステップＳ２５に処理を進める。
【００７７】
ここで、制御部２１は、予め図７に示す燃料電池スタック１の温度Ｔｅと補正値ｋとの関係を示すテーブルを内部メモリに格納しており、ステップＳ２４の処理を行うに際してテーブルの読み出しを行って、補正値ｋを取得する。
【００７８】
この補正値ｋは、燃料電池スタック１の温度Ｔｅにおいて正常反応している燃料電池スタック１が出力すべき電圧値に、燃料電池スタック１の電圧Ｖｒを変換する値が設定されている。
【００７９】
ステップＳ２５において、制御部２１は、ステップＳ２１で燃料ガス供給流路Ｌ１及び燃料ガス循環流路Ｌ２の燃料ガスへの置換が終了したにも拘わらず、燃料電池スタック１の電圧Ｖｒが所定値まであがらないと判定して、燃料電池スタック１不良と診断する。そして、制御部２１は、燃料電池スタック１を停止する処理や、燃料電池スタック１不良が発生していることを利用者に通知、警告する処理などをする。
【００８０】
このような第３始動制御処理を行う燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１内の水詰まり等による燃料電池スタック１不良などの燃料電池スタック１状態を始動制御時に検出することができる。
【００８１】
［燃料電池システムの他の構成（図８）］
図８に、燃料電池システムの他の構成を示す。この燃料電池システムは、図１のような燃料ガス循環流路Ｌ２を有せず、燃料電池スタック１から排出された燃料ガスを改質器３１により改質して外部に排出する構成となっている。
【００８２】
このような燃料電池システムにおいては、圧力センサ７を、燃料電池スタック１の燃料ガス排出口近傍であって、起動時用燃料ガス排出弁６の燃料ガス上流側に設けることが望ましい。
【００８３】
このような燃料電池システムによれば、上述したように第１始動制御処理及び第２始動制御処理を行うことができると共に、改質器３１を設けた構成に対応することができる。
【００８４】
また、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の燃料ガス排出口近傍に圧力センサ７が設けられているので、正確に燃料電池スタック１内の圧力を検出することができる。
【００８５】
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。
【００８６】
すなわち、上述の燃料電池システムでは、制御部２１により第１始動制御処理及び第２始動制御処理の双方を行うように構成してもよく、第１又は第２始動制御処理の後に第３始動制御処理を行ってもよい。
【００８７】
また、上述の図８に示した燃料電池システムにより第１又は第２制御処理、並びに第３始動制御処理を行うことができるのは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明を適用した燃料電池システムにおいて、圧力センサで検出するガス圧力を一定にした場合における燃料供給調整弁の開度の変化を示す図である。
【図３】本発明を適用した燃料電池システムにおいて、第１始動制御処理を行うときの制御部の処理手順を示すフローチャートである。
【図４】本発明を適用した燃料電池システムにおいて、燃料供給調整弁の開度を一定にした場合における圧力センサで検出するガス圧力の変化を示す図である。
【図５】本発明を適用した燃料電池システムにおいて、第２始動制御処理を行うときの制御部の処理手順を示すフローチャートである。
【図６】本発明を適用した燃料電池システムにおいて、第３始動制御処理を行うときの制御部の処理手順を示すフローチャートである。
【図７】第３始動制御処理における、燃料電池スタックの温度と、燃料電池スタックの電圧を補正する補正値との関係を示す図である。
【図８】本発明を適用した燃料電池システムの他の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１燃料電池スタック
２燃料貯蔵用タンク
３レギュレータ
４燃料供給調整弁
５エゼクタポンプ
６起動時用燃料ガス排出弁
７圧力センサ
８パージ弁
９第１アクチュエータ
１０第２アクチュエータ
１１第３アクチュエータ
２１制御部
３１改質器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
When starting the operation of the fuel cell, the present invention supplies the fuel gas to the fuel cell and opens the fuel gas discharge valve to replace the residual gas such as air in the fuel gas passage with the fuel gas. The present invention relates to a fuel cell system.
[0002]
[Prior art]
As a conventional fuel cell system, one using a so-called fuel cell stack as a power generation source is known. The fuel cell stack is formed by laminating a plurality of fuel cell structures each having a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between an oxidant electrode and a fuel electrode via a separator. In this fuel cell system, hydrogen is supplied to the fuel cell stack as fuel gas to the fuel electrode, and oxygen-containing air is supplied to the air electrode, thereby directly reacting hydrogen and oxygen to generate electricity. To do.
[0003]
Normally, in the fuel cell system, when starting the fuel cell stack, it is necessary to replace the residual gas (air) other than the fuel gas in the fuel gas pipe flow path with the fuel gas.
[0004]
In a conventional fuel cell system, a technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-97047 is known when starting a fuel cell.
[0005]
In this fuel cell system, when the fuel cell stack is started, supply of fuel gas and oxidant gas to the fuel cell stack is started, and the power generation voltage of the fuel cell stack is detected by the voltage detection means. When the power generation voltage of the fuel cell stack becomes constant, it is detected that the fuel gas piping flow path of the fuel cell system is filled with fuel gas. At this time, in the fuel cell system, in order to replace the residual gas in the fuel gas pipe flow path with the fuel gas, the discharge valve provided in the fuel gas pipe flow path is kept open.
[0006]
Further, in this fuel cell system, when residual gas other than the fuel gas having a constant volume is discharged from the discharge valve, it is determined that the fuel gas pipe passage is filled with the fuel gas.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-described conventional fuel cell system, generally, the power generation state of the fuel cell stack differs depending on the temperature of the fuel cell stack and the presence or absence of water clogging in the gas supply channel in the fuel cell stack.
[0008]
However, in the above-described conventional fuel cell system disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-97047, when the fuel cell stack is started, the fact that the fuel gas pipe passage is replaced with the fuel gas is simply the generated voltage of the fuel cell stack. Therefore, the fuel gas replacement state may not be accurately determined under conditions such as water clogging or other factors that cause power generation problems.
[0009]
Further, in this fuel cell system, when replacing the residual gas in the fuel gas pipe flow path with the fuel gas, it is determined that the fuel gas pipe flow path is filled with the fuel gas when a certain volume of gas is discharged. However, it is difficult to accurately determine whether or not the replacement with the fuel gas is performed depending on the gas flow in the fuel gas pipe flow path.
[0010]
Accordingly, the present invention has been proposed in view of the above-described circumstances, and at the time of starting the fuel cell stack, the amount of fuel gas discharged is suppressed and the residual gas in the fuel gas passage is reliably replaced with fuel gas. The present invention provides a fuel cell system that can be used.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
 In the invention according to claim 1, the electrolyte membrane is sandwiched between the oxidant electrode and the fuel electrode, the oxidant gas is supplied to the oxidant electrode side, and the fuel gas is supplied to the fuel electrode side. A fuel cell for generating electricity, a fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel electrode of the fuel cell via a fuel gas supply channel, and a fuel gas discharged from the fuel cell via the fuel gas discharge channel A fuel gas discharging means for discharging to the outside air, and the fuel cellGas pressureAnd when starting the fuel cell, the fuel gas discharge unit is opened, and the fuel cell pressure is detected based on the fuel gas pressure in the fuel cell detected by the pressure detection unit. The fuel gas supply means controls the fuel gas supply amount to the fuel cell so that the fuel gas pressure of the fuel gas is constant,When the fuel gas supply amount of the fuel gas supply means becomes equal to or greater than a predetermined amount at which it is determined that only the fuel gas is discharged from the gas discharge means, the fuel gas discharge means is closed. To control the fuel gas discharge amount of the fuel gas discharge meansControlling the fuel gas supply means so that the first determination process or the fuel gas discharge means is opened, and the amount of fuel gas supplied to the fuel cell is kept constant;When the gas pressure in the fuel cell detected by the pressure detection means becomes equal to or less than a predetermined value at which it is determined that only the fuel gas is discharged from the gas discharge means, the fuel gas discharge The fuel gas discharge amount of the fuel gas discharge means is controlled by closing the means.Start control means for performing a second determination process.
[0014]
 Claim2In this invention, the fuel gas discharge means is provided on a fuel gas circulation passage for circulating the fuel gas discharged from the fuel gas discharge port of the fuel cell to the fuel gas supply port of the fuel cell.
[0015]
 Claim3In this invention, the fuel gas discharge means is a fuel gas discharge passage for discharging the fuel gas discharged from the fuel gas discharge port of the fuel cell to the outside, and is provided in the vicinity of the fuel gas discharge port.
[0016]
 Claim4The invention according to claim 1 further comprises voltage detection means for detecting the voltage of the fuel cell,
 After the fuel gas discharge means is closed, the state of the fuel cell is detected based on the voltage of the fuel cell detected by the voltage detection means.
[0017]
【The invention's effect】
 According to the first aspect of the present invention, when starting the fuel cell, the fuel gas discharge means is opened, and the fuel gas in the fuel cell is based on the fuel gas pressure in the fuel cell detected by the pressure detection means. Control is performed to adjust the amount of fuel gas supplied from the fuel gas supply means to the fuel cell so that the pressure is constant, and the fuel gas discharge means is closed based on the amount of fuel gas supplied from the fuel gas supply means. The determination process or the fuel gas discharge means is opened, the fuel gas supply means is controlled so that the fuel gas supply amount to the fuel cell is constant, and the fuel gas pressure in the fuel cell detected by the pressure detection means is set. Based on this, the second determination process for closing the fuel gas discharge means is performed, so that the state of replacement with the fuel gas in the fuel gas supply channel can be accurately determined.
 According to the first aspect of the invention, in the first determination process, the fuel gas discharge amount of the fuel gas discharge means is controlled in response to the fuel gas supply amount of the fuel gas supply means becoming a predetermined amount or more. At the start of starting the fuel cell, it is possible to improve the fuel consumption by suppressing the discharge of unnecessary fuel gas, and to prevent the performance deterioration of the fuel cell due to insufficient replacement with the fuel gas.
 According to the first aspect of the present invention, in the second determination process, the amount of fuel gas discharged by the fuel gas discharging means when the fuel gas pressure in the fuel cell detected by the pressure detecting means becomes a predetermined value or less. Therefore, when starting the fuel cell, it is possible to improve the fuel consumption by suppressing the discharge of more fuel gas than necessary, and to prevent the deterioration of the performance of the fuel cell due to insufficient replacement with the fuel gas. be able to. Moreover, according to the invention which concerns on this Claim 3, the control content can be simplified rather than the 1st determination process.
[0020]
 Claim2In the invention according to the present invention, the fuel gas discharge means is provided on the fuel gas circulation channel for circulating the fuel gas discharged from the fuel gas discharge port of the fuel cell to the fuel gas supply port of the fuel cell. Replacement with the fuel gas in the fuel gas circulation channel can be performed reliably.
[0021]
 Claim3According to the present invention, the fuel gas discharge passage for discharging the fuel gas discharged from the fuel gas discharge port of the fuel cell to the outside is provided near the fuel gas discharge port. Even if not, the processing according to claims 1 to 3 can be performed.
[0022]
 Claim4According to the invention according to the present invention, it further comprises voltage detection means for detecting the voltage of the fuel cell, and after the fuel gas discharge means is closed, the state of the fuel cell is determined based on the voltage of the fuel cell detected by the voltage detection means. Therefore, it is possible to detect the fuel cell state such as power generation failure due to water clogging in the fuel cell at the start control.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0024]
The present invention is applied to a fuel cell system configured as shown in FIG. 1, for example.
[0025]
[Configuration of fuel cell system (Fig. 1)]
A fuel cell stack 1 provided in the fuel cell system has a stack structure in which a plurality of fuel cell structures each having a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between an oxidant electrode and a fuel electrode are stacked via a separator. It has become. In addition, the fuel cell stack 1 is provided with an oxidant gas passage 1a for passing an oxidant gas, a fuel gas passage 1b for passing the fuel gas, and a cooling water passage (not shown) for passing the cooling water. It has been. The fuel cell stack 1 is supplied with air as an oxidant gas on the oxidant electrode side and with hydrogen gas as a fuel gas on the fuel electrode side. As a result, the fuel cell stack 1 generates electricity by moving and contacting each ion in the membrane using moisture as a medium.
[0026]
The fuel cell system includes a control unit 21 that controls the operation of each unit. As the control unit 21, for example, an information processing apparatus such as a computer configured by various semiconductor elements is used, and the operation of the entire fuel cell system is controlled by controlling each unit by the control unit 21. Is done.
[0027]
In the fuel cell system, a fuel storage tank 2 for accumulating fuel gas to be supplied to the fuel cell stack 1, a regulator 3, a fuel supply adjustment valve 4, and an ejector pump 5 are disposed on the fuel gas supply flow path L1, The start-up fuel gas discharge valve 6 is arranged on the fuel gas circulation passage L2.
[0028]
Further, in this fuel cell system, a pressure sensor 7 for detecting the fuel gas pressure in the fuel gas circulation passage L2 is disposed in the vicinity of the fuel gas inflow side of the startup fuel gas discharge valve 6, and further the fuel gas circulation. A purge valve 8 is disposed on the fuel gas purge flow path L3 branched from the flow path L2.
[0029]
 The pressure sensor 7 is provided in the fuel gas circulation channel L2.Gas pressureIs output to the control unit 21 as a sensor signal. Detected by this pressure sensor 7Gas pressureIs controlled by the control unit 21 in the fuel cell stack 1.Gas pressureRecognized as
[0030]
Further, the fuel cell system includes a first actuator 9 that adjusts the valve opening of the fuel supply adjustment valve 4, a second actuator 10 that adjusts the valve opening of the startup fuel gas discharge valve 6, and a purge. And a third actuator 11 for adjusting the valve opening degree of the valve 8.
[0031]
The first actuator 9, the second actuator 10 and the third actuator 11 drive the fuel supply adjustment valve 4, the startup fuel gas discharge valve 6 and the purge valve 8 in accordance with a control signal from the control unit 21. Adjust the valve opening.
[0032]
The control unit 21 controls each unit to start power generation of the fuel cell stack 1, for example, when an instruction to start the operation of the fuel cell stack 1 is supplied from the outside. One of the start control processes is executed.
[0033]
In the first to third start control processes, the residual gas other than the fuel gas accumulated before the start of the fuel cell stack 1 in the fuel gas supply flow path L1 and the fuel gas circulation flow path L2 is used as the fuel gas. It is a process to replace. The residual gas in the fuel gas supply flow path L1 and the fuel gas circulation flow path L2 mainly includes air that has flowed in during the previous purge operation by the purge valve 8.
[0034]
In such a fuel cell system, when the operation of the fuel cell stack 1 is started, an oxidant gas containing oxygen is added to the oxygen electrode of the fuel cell stack 1 via the oxidant gas supply flow path L4 under the control of the control unit 21. And a fuel gas containing hydrogen is supplied to the fuel electrode of the fuel cell stack 1.
[0035]
[Starting control process of fuel cell system (FIGS. 2 and 3)]
"First start control process"
In the first start control process, when replacing the residual gas remaining before starting the fuel cell stack 1 in the fuel gas supply flow path L1 and the fuel gas circulation flow path L2 with the fuel gas, the start time fuel Control is performed by the control unit 21 so that the opening degree of the fuel supply adjustment valve 4 is changed in a state where the gas discharge valve 6 is opened.
[0036]
This is because in the fuel cell system, the relationship of the molar flow rate n is
n = A × (1 / (ρ0)^1/2) × {(2κ / (κ-1)) × p0 ・ f (p / p0)}^1/2 (Formula 1)
It is expressed by In the above formula 1, A is the opening area of the fuel supply regulating valve 4 or the start-up fuel gas discharge valve 6, ρ0 is the gas density, and p is the upstream of the fuel supply control valve 4 or the start-up fuel gas discharge valve 6. The gas pressure, p0, indicates the gas pressure downstream of the fuel supply regulating valve 4 or the startup fuel gas discharge valve 6.
[0037]
From the above formula 1 of the molar flow rate n, when the opening area of the fuel supply regulating valve 4 and the starting fuel gas discharge valve 6 are equal, the gas density of the residual gas (air) is the fuel gas (hydrogen). Since it is about 14 times higher than the gas density, it is difficult for air to be discharged from the fuel gas discharge valve 6 for startup.
[0038]
Therefore, in this first start control process, in order to make the molar flow rate n equal between the residual gas and the fuel gas, the fuel gas is started at the time of starting rather than when the residual gas is discharged from the starting fuel gas discharge valve 6. When the fuel gas discharge valve 6 is discharged, the gas pressure upstream of the start-up fuel gas discharge valve 6 is increased. For this purpose, as shown in FIG. 2, the control unit 21 performs control to increase the opening area by opening the opening of the fuel supply regulating valve 4.
[0039]
As can be seen from FIG. 2, when starting the fuel cell stack 1 at time t0, the control unit 21 gradually increases the opening of the fuel supply regulating valve 4 and starts discharging residual gas. When fuel gas begins to be discharged from the discharge valve 6, the upstream pressure of the start-up fuel gas discharge valve 6 decreases.
[0040]
On the other hand, the control unit 21 performs control to gradually increase the opening of the fuel supply adjustment valve 4 so that the upstream pressure of the fuel gas discharge valve 6 for start-up is constant from the time t1 onward, so that the residual gas And exhaust the fuel gas.
[0041]
The controller 21 increases the upstream pressure of the start-up fuel gas discharge valve 6 as the fuel gas discharge amount increases. However, the control section 21 opens the fuel supply adjustment valve 4 while keeping the upstream pressure of the start-up fuel gas discharge valve 6 constant. Control to gradually increase the degree.
[0042]
When the opening of the fuel supply adjustment valve 4 becomes equal to or greater than the set value Vs after time t2, only the fuel gas is discharged from the startup fuel gas discharge valve 6, and the fuel gas supply flow path L1 and the fuel gas It is assumed that the replacement of the residual gas in the circulation channel L2 with the fuel gas is completed.
[0043]
FIG. 3 shows a processing procedure of the control unit 21 when such a first start control process is performed.
[0044]
First, the control part 21 starts the process after step S1 according to the instruction | indication which starts the fuel cell stack 1 being input.
[0045]
In step S 1, in order to start the fuel cell stack 1, the control unit 21 first outputs a control signal for opening the startup fuel gas discharge valve 6 to the second actuator 10. In response to this, the second actuator 10 drives the startup fuel gas discharge valve 6 to the open state.
[0046]
In the next step S 2, the control unit 21 outputs a control signal for opening the fuel supply regulating valve 4 to the initial opening degree Vα to the first actuator 9. In response to this, the first actuator 9 is driven to open the opening V of the fuel supply regulating valve 4 to the initial setting opening Vα. Here, the control unit 21 stores the initial setting opening degree Vα in the internal memory in advance, and sets the initial setting opening degree Vα smaller than the opening area of the start-up fuel gas discharge valve 6 in step S1. .
[0047]
When step S2 is completed, the fuel gas from the fuel storage tank 2 is supplied into the fuel gas supply channel L1 and the fuel gas circulation channel L2, and before the fuel gas is supplied, the fuel gas supply channel L1 and the fuel gas are supplied. The residual gas accumulated in the circulation flow path L2 is discharged from the startup fuel gas discharge valve 6.
[0048]
In this state, in the fuel gas supply flow path L1 and the fuel gas circulation flow path L2, the concentration of the fuel gas supplied from the fuel storage tank 2 via the fuel supply adjustment valve 4 gradually increases. The concentration of the gas accumulated in the fuel gas supply flow path L1 and the fuel gas circulation flow path L2 before the fuel gas supply gradually decreases.
[0049]
In the next step S3, the control unit 21 inputs the sensor signal from the pressure sensor 7, and obtains the current fuel gas pressure value Pr in the fuel gas circulation passage L2 from the sensor signal.
[0050]
 In the next step S4, the control unit 21 detects in step S3.Gas pressureThe value Pr is compared with the pressure target value Ps stored in the internal memory in advance,Gas pressureIt is determined whether or not the value Pr is smaller than the pressure target value Ps. The control unit 21Gas pressureWhen the value Pr is smaller than the pressure target value Ps, the process proceeds to step S5, and when not smaller, the process returns to step S3.
[0051]
In step S 5, the control unit 21 outputs to the first actuator 9 a control signal that opens the opening of the fuel supply adjustment valve 4 by the set value β. In response to this, the first actuator 9 drives the fuel supply adjustment valve 4 so as to open by the set value β from the opening degree at the time of step S4.
[0052]
Here, the set value β is the degree of opening of the fuel supply adjustment valve 4 required when the residual gas in the fuel gas supply flow path L1 and the fuel gas circulation flow path L2 is discharged from the startup fuel gas discharge valve 6. The difference between the area and the opening area of the fuel supply adjustment valve 4 required when discharging the fuel gas in the fuel gas supply flow path L1 and the fuel gas circulation flow path L2 from the startup fuel gas discharge valve 6 The value is divided equally. This set value β differs depending on the configuration and specifications of the fuel cell system, and is a value stored in advance in the memory in the control unit 21.
[0053]
In the next step S6, the control unit 21 compares the opening degree V of the fuel supply regulating valve 4 changed in step S5 with the set value Vs. When the set value Vs is larger than the opening degree V of the fuel supply regulating valve 4, the control unit 21 replaces the gas in the fuel gas supply channel L1 and the fuel gas circulation channel L2 with the fuel gas. If it is not larger, it is determined that the residual gas in the fuel gas supply flow path L1 and the fuel gas circulation flow path L2 has been replaced with the fuel gas, and the process returns to step S7. Proceed with the process.
[0054]
In step S 7, the control unit 21 outputs a control signal for closing the startup fuel gas discharge valve 6 to the second actuator 10, and causes the second actuator 10 to drive the startup fuel gas discharge valve 6 to close. The process is terminated.
[0055]
According to the fuel cell system including the control unit 21 that performs such processing, the opening degree of the fuel supply adjustment valve 4, that is, the supply from the fuel supply adjustment valve 4 to the fuel gas supply flow path L 1 and the fuel gas circulation flow path L 2. Based on the amount of fuel gas to be supplied, it is possible to accurately determine the replacement status of the residual gas in the fuel gas circulation passage L2 with the fuel gas. Therefore, according to this fuel cell system, at the start of starting the fuel cell stack 1, it is possible to improve the fuel consumption by suppressing the discharge of unnecessary fuel gas, and to replace the residual gas with the fuel gas. The performance deterioration of the fuel cell stack 1 due to the shortage can be prevented.
[0056]
“Second Start Control Process (FIGS. 4 and 5)”
In the second start control process, according to the above equation 1, when the opening areas of the fuel supply adjustment valve 4 and the start time fuel gas discharge valve 6 are equal, the gas density of the residual gas (air) is the fuel gas ( The gas density is about 14 times higher than the gas density of hydrogen), and the fact that the upstream pressure of the start-up fuel gas discharge valve 6 changes between when the residual gas is discharged and when the fuel gas is discharged is used.
[0057]
That is, as shown in FIG. 4, the control unit 21 starts the fuel gas from the time t0 to the fuel gas supply flow path L1 and the fuel gas circulation flow path L2 with the opening of the fuel supply adjustment valve 4 kept constant. Supply begins. Then, the residual gas remaining in the fuel gas supply flow path L1 and the fuel gas circulation flow path L2 is discharged from the startup fuel gas discharge valve 6, and the upstream pressure of the startup fuel gas discharge valve 6 becomes high. .
[0058]
This is because the density of the residual gas is larger than the density of the fuel gas when the opening area of the fuel supply regulating valve 4 and the start-up fuel gas discharge valve 6 is made constant. This is because the residual gas is less likely to flow to the start-up fuel gas discharge valve 6 than the gas.
[0059]
When the fuel gas discharge from the start time fuel gas discharge valve 6 starts after time t11, the upstream pressure of the start time fuel gas discharge valve 6 gradually decreases, and after time t12, becomes the set value Pα or less.
[0060]
This is because the density of the fuel gas is smaller than the density of the residual gas when the opening area of the fuel supply regulating valve 4 and the start-up fuel gas discharge valve 6 is made constant. This is because the fuel gas is more likely to flow to the starting fuel gas discharge valve 6 than the gas.
[0061]
In response to this, the control unit 21 causes only the fuel gas to be discharged from the start-up fuel gas discharge valve 6, and converts the residual gas in the fuel gas supply flow path L1 and the fuel gas circulation flow path L2 to the fuel gas. Assume that the replacement is complete.
[0062]
FIG. 5 shows a processing procedure of the control unit 21 when performing such second start control processing.
[0063]
First, the control part 21 starts the process after step S11 according to inputting the command to start the fuel cell stack 1.
[0064]
In step S 11, in order to start the fuel cell stack 1, the control unit 21 first outputs a control signal for opening the startup fuel gas discharge valve 6 to the second actuator 10. In response to this, the second actuator 10 drives the startup fuel gas discharge valve 6 to the open state.
[0065]
In the next step S 2, the control unit 21 outputs a control signal for opening the fuel supply regulating valve 4 to the initial opening degree Vr to the first actuator 9. In response to this, the first actuator 9 is driven to open the opening V of the fuel supply regulating valve 4 to the initial setting opening Vr.
[0066]
When step S12 is completed, the fuel gas from the fuel storage tank 2 is supplied into the fuel gas supply channel L1 and the fuel gas circulation channel L2, and before the fuel gas is supplied, the fuel gas supply channel L1 and the fuel gas are supplied. The residual gas accumulated in the circulation flow path L2 is discharged from the startup fuel gas discharge valve 6. Accordingly, as shown in FIG. 4, the upstream fuel gas discharge valve 6 upstream pressure value is high.
[0067]
 In the next step S13, the control unit 21 inputs the sensor signal from the pressure sensor 7, and the current signal in the fuel gas circulation flow path L2 is detected from the sensor signal.Gas pressureThe value Pr is obtained.
[0068]
 In the next step S14, the control unit 21 detects in step S13.Gas pressureThe value Pr is compared with the pressure target value Pα stored in the internal memory in advance,Gas pressureIt is determined whether or not the value Pr is smaller than the pressure target value Pα. The control unit 21Gas pressureWhen the value Pr is smaller than the target pressure value Pα, the process returns to step S13, and when not smaller, the process proceeds to step S15.
[0069]
In step S15, the control unit 21 outputs a control signal for closing the start-up fuel gas discharge valve 6 to the second actuator 10, and causes the second actuator 10 to drive the start-up fuel gas discharge valve 6 to close. The process is terminated.
[0070]
According to the fuel cell system including the control unit 21 that performs such processing, it is possible to accurately determine the state of replacement with the fuel gas in the fuel gas circulation passage L2. Therefore, according to this fuel cell system, at the start of starting the fuel cell stack 1, it is possible to suppress the discharge of fuel gas more than necessary, thereby improving fuel efficiency, and fuel due to insufficient replacement with fuel gas. The performance deterioration of the battery stack 1 can be prevented.
[0071]
Further, according to this fuel cell system, unlike the first start control process described above, it is not necessary to control the opening degree of the fuel supply regulating valve 4, so that the control content is simplified compared to the first start control process. can do.
[0072]
“Third start control process (FIGS. 6 and 7)”
The fuel cell system that performs the third start control process further includes a voltage sensor (not shown) that detects the voltage of the fuel cell stack 1, and a temperature sensor (not shown) that detects the temperature of the fuel cell stack 1, The control unit 21 performs processing according to the sensor signals detected by the voltage sensor and the temperature sensor.
[0073]
FIG. 6 shows a processing procedure of the control unit 21 when such third start control processing is performed.
[0074]
In the third start control process, the control unit 21 first performs the first start control process or the second start control process described above in step S21, and then the fuel gas supply flow path L1 and the fuel gas circulation flow path L2. It is determined whether or not the replacement with the fuel gas is completed. When it is determined that the replacement with the fuel gas has been completed, the control unit 21 advances the process to step S22.
[0075]
In step S22, the control unit 21 inputs the sensor signal from the voltage sensor to recognize the current voltage Vr of the fuel cell stack 1, and in step S23, inputs the sensor signal from the temperature sensor to input the current fuel. The temperature Te of the battery stack 1 is recognized.
[0076]
In the next step S24, the control unit 21 reads the correction value k corresponding to the temperature Te of the fuel cell stack 1 detected in step S23 shown in FIG. 7, and reads the correction value k and the fuel cell stack detected in step S22. A correction voltage value k · Vr obtained by multiplying the voltage Vr of 1 is calculated. Then, the control unit 21 compares the correction voltage value k · Vr with the pressure voltage value Vt indicating the voltage of the fuel cell stack 1 based on the fuel gas pressure. When the correction voltage value k · Vr is greater than the pressure voltage value Vt, the control unit 21 determines that there is no failure in the fuel cell stack 1 due to water clogging or the like in the fuel cell stack 1, and ends the process. The process proceeds to S25.
[0077]
Here, the control unit 21 stores in advance a table showing the relationship between the temperature Te of the fuel cell stack 1 and the correction value k shown in FIG. 7 in the internal memory, and reads the table when performing the process of step S24. Then, the correction value k is acquired.
[0078]
The correction value k is set to a value for converting the voltage Vr of the fuel cell stack 1 to a voltage value to be output by the fuel cell stack 1 that is normally reacting at the temperature Te of the fuel cell stack 1.
[0079]
In step S25, the control unit 21 sets the voltage Vr of the fuel cell stack 1 to a predetermined value even though the replacement of the fuel gas supply channel L1 and the fuel gas circulation channel L2 with the fuel gas is completed in step S21. It is determined that the fuel cell stack 1 will not rise and diagnosed as a fuel cell stack 1 failure. Then, the control unit 21 performs a process for stopping the fuel cell stack 1 and a process for notifying the user that the fuel cell stack 1 is defective and giving a warning.
[0080]
According to the fuel cell system performing such third start control processing, the state of the fuel cell stack 1 such as a failure of the fuel cell stack 1 due to water clogging or the like in the fuel cell stack 1 can be detected during start control.
[0081]
[Other configuration of fuel cell system (FIG. 8)]
FIG. 8 shows another configuration of the fuel cell system. This fuel cell system does not have the fuel gas circulation passage L2 as shown in FIG. 1, and is configured to reform the fuel gas discharged from the fuel cell stack 1 by the reformer 31 and discharge it to the outside. Yes.
[0082]
In such a fuel cell system, it is desirable to provide the pressure sensor 7 in the vicinity of the fuel gas discharge port of the fuel cell stack 1 and upstream of the fuel gas discharge valve 6 for start-up.
[0083]
According to such a fuel cell system, the first start control process and the second start control process can be performed as described above, and the configuration in which the reformer 31 is provided can be handled.
[0084]
Further, according to this fuel cell system, since the pressure sensor 7 is provided in the vicinity of the fuel gas discharge port of the fuel cell stack 1, the pressure in the fuel cell stack 1 can be accurately detected.
[0085]
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.
[0086]
That is, in the fuel cell system described above, the controller 21 may be configured to perform both the first start control process and the second start control process, and the third start control after the first or second start control process. Processing may be performed.
[0087]
Of course, the first or second control process and the third start control process can be performed by the fuel cell system shown in FIG.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system to which the present invention is applied.
FIG. 2 is detected by a pressure sensor in a fuel cell system to which the present invention is applied.Gas pressureIt is a figure which shows the change of the opening degree of a fuel supply adjustment valve when making is constant.
FIG. 3 is a flowchart showing a processing procedure of a control unit when performing a first start control process in a fuel cell system to which the present invention is applied.
FIG. 4 shows a fuel cell system to which the present invention is applied, which is detected by a pressure sensor when the opening of the fuel supply regulating valve is constant.Gas pressureIt is a figure which shows the change of.
FIG. 5 is a flowchart showing a processing procedure of a control unit when performing a second start control process in the fuel cell system to which the present invention is applied.
FIG. 6 is a flowchart showing a processing procedure of a control unit when performing a third start control process in the fuel cell system to which the present invention is applied.
FIG. 7 is a diagram showing a relationship between the temperature of the fuel cell stack and a correction value for correcting the voltage of the fuel cell stack in the third start control process.
FIG. 8 is a block diagram showing another configuration of the fuel cell system to which the present invention is applied.
[Explanation of symbols]
1 Fuel cell stack
2 Fuel storage tank
3 Regulator
4 Fuel supply regulating valve
5 Ejector pump
6 Fuel gas discharge valve for startup
7 Pressure sensor
8 Purge valve
9 First actuator
10 Second actuator
11 Third actuator
21 Control unit
31 reformer

Claims

電解質膜を酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成され、上記酸化剤極側に酸化剤ガスが供給されると共に、上記燃料極側に燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、
上記燃料電池の燃料極に燃料ガスを燃料ガス供給流路を介して供給する燃料ガス供給手段と、
上記燃料電池から排出された燃料ガスを燃料ガス排出流路を介して外気へ排出する燃料ガス排出手段と、
上記燃料電池内のガス圧力を検出する圧力検出手段と、
上記燃料電池を始動開始するに際して、
上記燃料ガス排出手段を開状態にし、上記圧力検出手段で検出された上記燃料電池内の燃料ガス圧力に基づいて上記燃料電池内の燃料ガス圧力を一定とするように上記燃料ガス供給手段の上記燃料電池への燃料ガス供給量を調整する制御をし、上記燃料ガス供給手段の燃料ガス供給量が、前記燃料ガスのみが前記ガス排出手段から排出されていると判断される所定量以上になったことに応じて、上記燃料ガス排出手段を閉状態にして上記燃料ガス排出手段の燃料ガス排出量を制御する第１判定処理、
又は上記燃料ガス排出手段を開状態にし、上記燃料電池への燃料ガス供給量を一定にするように上記燃料ガス供給手段を制御し、上記圧力検出手段で検出された上記燃料電池内のガス圧力が、前記燃料ガスのみが前記ガス排出手段から排出されていると判断される所定値以下になったことに応じて、上記燃料ガス排出手段を閉状態にして上記燃料ガス排出手段の燃料ガス排出量を制御する第２判定処理をする始動制御手段と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。A fuel cell configured to sandwich an electrolyte membrane between an oxidant electrode and a fuel electrode, wherein an oxidant gas is supplied to the oxidant electrode side, and a fuel gas is supplied to the fuel electrode side to generate electric power;
Fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel electrode of the fuel cell via a fuel gas supply channel;
Fuel gas discharge means for discharging the fuel gas discharged from the fuel cell to the outside air through a fuel gas discharge channel;
Pressure detecting means for detecting gas pressure in the fuel cell;
When starting the fuel cell,
The fuel gas supply means is configured to open the fuel gas discharge means and to make the fuel gas pressure in the fuel cell constant based on the fuel gas pressure in the fuel cell detected by the pressure detection means. Control is performed to adjust the amount of fuel gas supplied to the fuel cell, and the amount of fuel gas supplied by the fuel gas supply means is greater than or equal to a predetermined amount determined that only the fuel gas is discharged from the gas discharge means. A first determination process for controlling the fuel gas discharge amount of the fuel gas discharge means by closing the fuel gas discharge means in response to
Alternatively, the fuel gas discharge means is opened, the fuel gas supply means is controlled so that the amount of fuel gas supplied to the fuel cell is constant, and the gas pressure in the fuel cell detected by the pressure detection means However, when the fuel gas becomes less than a predetermined value at which it is determined that only the fuel gas is discharged from the gas discharge means, the fuel gas discharge means is closed and the fuel gas discharge means discharges the fuel gas. And a start control means for performing a second determination process for controlling the amount of the fuel cell system.

上記燃料ガス排出手段は、上記燃料電池の燃料ガス排出口から排出された燃料ガスを上記燃料電池の燃料ガス供給口に循環する燃料ガス循環流路上に設けられること
を特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。The fuel gas discharge means is provided on a fuel gas circulation passage for circulating the fuel gas discharged from the fuel gas discharge port of the fuel cell to the fuel gas supply port of the fuel cell. The fuel cell system described.

上記燃料ガス排出手段は、上記燃料電池の燃料ガス排出口から排出された燃料ガスを外部に排出する燃料ガス排出流路であって上記燃料ガス排出口近傍に設けられること
を特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。The fuel gas discharge means is a fuel gas discharge passage for discharging the fuel gas discharged from the fuel gas discharge port of the fuel cell to the outside, and is provided in the vicinity of the fuel gas discharge port. 2. The fuel cell system according to 1.

上記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段を更に備え、
上記燃料ガス排出手段を閉状態にした後に、上記電圧検出手段で検出された上記燃料電池の電圧に基づいて上記燃料電池の状態を検出すること
を特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一に記載の燃料電池システム。Further comprising voltage detection means for detecting the voltage of the fuel cell;
The state of the fuel cell is detected based on the voltage of the fuel cell detected by the voltage detection means after the fuel gas discharge means is closed. A fuel cell system according to claim 1.