JP3569983B2

JP3569983B2 - Operation control device for fuel cell

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Publication number: JP3569983B2
Application number: JP28253094A
Authority: JP
Inventors: 康宏野々部
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1994-10-21
Filing date: 1994-10-21
Publication date: 2004-09-29
Anticipated expiration: 2019-09-29
Also published as: JPH08124588A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池の運転制御装置に関し、詳しくは燃料電池の運転開始時または運転停止時あるいは異常の検出時の制御を行なう燃料電池の運転制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
定常運転状態にある燃料電池は、燃料の供給を停止し、燃料電池の出力端子から負荷を取り除いても、燃料電池の内部に残存する燃料により電気化学反応が行なわれ、直ちに発電を停止しない。この燃料の供給停止後の発電は、場合によっては、燃料電池の出力端子に非所望の高電圧を発生させる場合がある。したがって、燃料電池の内部から燃料を排除して燃料電池の発電を完全に停止させると共に、燃料電池が完全に停止するまでに出力される電力を消費する必要がある。
【０００３】
こうした、燃料電池の運転を完全に停止させる燃料電池の運転制御装置としては、燃料電池の運転の停止の際に内部に充満している燃料を窒素ガスなどの不活性ガスで置換する装置が提案されている（例えば、特開昭６１−３２３６２号公報等）。この装置では、燃料電池に不活性ガスを導入し、内部に充満している燃料をこの導入した不活性ガスで押し出す。また、この装置では、燃料電池の出力端子に開閉器を介して抵抗体が接続されており、燃料電池の運転の停止の際、開閉器を開閉させて燃料電池の出力端子と抵抗体とを断続的に接続して、燃料電池の内部に充満している燃料を不活性ガスで完全に置換するまでに燃料電池から出力される電力を消費し、燃料電池の出力端子間に非所望の高電圧が発生するのを防止している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした燃料電池の運転制御装置では、燃料電池を短時間に完全に停止させることができないという問題があった。燃料で充満している燃料電池に不活性ガスを導入すると、不活性ガスと燃料が混合するから、燃料電池の内部を完全に不活性ガスにするためにはある程度の時間が必要だからである。また、この燃料電池の運転制御装置では、燃料電池の運転を開始する際にも、不活性ガスを完全に燃料で置換する必要があるから、燃料電池の運転を短時間で開始することができないという問題があった。また、燃料電池を移動電源として使う場合は、スペースあるいは重量の関係上不活性ガスを大量に貯蔵しておくことは好ましくなく、不活性ガスによるパージには限界がある。
【０００５】
本発明の燃料電池の運転制御装置は、こうした問題を解決し、短時間で燃料電池を完全に停止させると共に、短時間で燃料電池の運転を開始することを目的とし、次の構成を採った。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の燃料電池の運転制御装置は、
燃料電池の運転を制御する燃料電池の運転制御装置であって、
前記燃料電池への燃料の供給を停止する燃料停止手段と、
前記燃料電池から燃料を吸引する燃料吸引手段と、
前記燃料電池の運転を停止する際、前記燃料停止手段および前記燃料吸引手段に駆動信号を出力して、該燃料電池への燃料の供給の停止に伴って該燃料電池から燃料を吸引する停止時制御手段と
を備えたことを要旨とする。
【０００７】
ここで、前記第１の燃料電池の運転制御装置において、前記燃料吸引手段により吸引された燃料を燃焼する燃料燃焼手段を備えた構成とすることもできる。また、前記第１の燃料電池の運転制御装置において、前記燃料吸引手段により吸引された燃料を回収する燃料回収手段を備えた構成とすることもできる。あるいは、前記第１の燃料電池の運転制御装置において、前記燃料電池に圧力調整用ガスを充填するガス充填手段を備え、前記停止時制御手段は、前記ガス充填手段に駆動信号を出力して、前記燃料吸引手段による前記燃料電池からの燃料の吸引に伴って該燃料電池に圧力調整用ガスを充填する手段である構成とすることもできる。
【０００８】
本発明の第２の燃料電池の運転制御装置は、
燃料電池の運転を制御する燃料電池の運転制御装置であって、
前記燃料電池の運転を停止する際、該燃料電池への燃料の供給を停止すると共に該燃料電池に圧力調整用ガスを充填する停止時処理手段と、
前記燃料電池から圧力調整用ガスを吸引するガス吸引手段と、
前記燃料電池の運転を開始する際、前記ガス吸引手段および前記停止時処理手段に駆動信号を出力して、該燃料電池から圧力調整用ガスを吸引するに伴って該燃料電池への燃料の供給の停止を解除する開始時制御手段と
を備えたことを要旨とする。
【０００９】
ここで、前記第１の燃料電池の運転制御装置または前記第２の燃料電池の運転制御装置において、前記圧力調整用ガスは、アノード燃料またはカソード燃料である構成とすることもできる。
【００１０】
本発明の第３の燃料電池の運転制御装置は、
燃料電池の運転を制御する燃料電池の運転制御装置であって、
前記燃料電池への燃料の供給を停止する燃料停止手段と、
前記燃料電池から燃料を吸引する燃料吸引手段と、
前記燃料電池の異常を検出する異常検出手段と、
該異常検出手段により異常を検出したとき、前記燃料停止手段および該燃料吸引手段に駆動信号を出力して、前記燃料電池への燃料の供給の停止に伴って該燃料電池から燃料を吸引する異常時制御手段と
を備えたことを要旨とする。
【００１１】
ここで、前記第３の燃料電池の運転制御装置において、前記異常時制御手段は、前記燃料吸引手段により前記燃料電池から燃料を吸引した後、前記燃料停止手段に駆動信号を出力して該燃料電池への燃料の供給の停止を解除する手段である構成とすることもできる。また、前記第３の燃料電池の運転制御装置において、前記燃料は、水素と酸素であり、前記異常検出手段は、前記燃料電池の酸素側流路内の水素を検出する水素センサである構成とすることもできる。
【００１２】
【作用】
以上のように構成された本発明の第１の燃料電池の運転制御装置は、燃料停止手段が燃料電池への燃料の供給を停止し、燃料吸引手段が燃料電池から燃料を吸引する。停止時制御手段は、燃料電池の運転を停止する際、燃料停止手段および燃料吸引手段に駆動信号を出力して、燃料電池への燃料の供給の停止に伴って燃料電池から燃料を吸引する。
【００１３】
ここで、燃料燃焼手段を備えた第１の燃料電池の運転制御装置は、燃料燃焼手段が、燃料吸引手段により吸引された燃料を燃焼する。また、燃料回収手段を備えた第１の燃料電池の運転制御装置は、燃料回収手段が、燃料吸引手段により吸引された燃料を回収する。ガス充填手段を備えた第１の燃料電池の運転制御装置は、ガス充填手段が燃料電池に圧力調整用ガスを充填し、停止時制御手段が、ガス充填手段に駆動信号を出力して、燃料吸引手段による燃料電池からの燃料の吸引に伴って燃料電池に圧力調整用ガスを充填する。
【００１４】
本発明の第２の燃料電池の運転制御装置は、停止時処理手段が、燃料電池の運転を停止する際、燃料電池への燃料の供給を停止すると共に燃料電池に圧力調整用ガスを充填する。ガス吸引手段は、燃料電池から圧力調整用ガスを吸引する。開始時制御手段は、燃料電池の運転を開始する際、ガス吸引手段および停止時処理手段に駆動信号を出力して、燃料電池から圧力調整用ガスを吸引するに伴って燃料電池への燃料の供給の停止を解除する。
【００１５】
本発明の第３の燃料電池の運転制御装置は、燃料停止手段が燃料電池への燃料の供給を停止する。燃料吸引手段は燃料電池から燃料を吸引し、異常検出手段は燃料電池の異常を検出する。異常時制御手段は、異常検出手段により異常を検出したとき、燃料停止手段および燃料吸引手段に駆動信号を出力して、燃料電池への燃料の供給の停止に伴って燃料電池から燃料を吸引する。
【００１６】
【実施例】
以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするために、以下本発明の好適な実施例について説明する。図１は、本発明の一実施例である燃料電池の運転制御装置を備えた燃料電池システム１０の概略を示すブロック図である。図示するように、燃料電池システム１０は、水素を含有する燃料ガス中の水素と酸素を含有する酸化ガス中の酸素とを燃料として電気化学反応を行なって発電する燃料電池２０と、燃料電池２０から燃料ガスおよび酸化ガスを吸引する燃料ガス側吸引ポンプ３６および酸化ガス側吸引ポンプ４６と、燃料ガス側吸引ポンプ３６および酸化ガス側吸引ポンプ４６の下流側に設置され燃料電池２０から吸引された燃料ガスおよび酸化ガスを燃焼処理する燃料ガス処理装置３７および酸化ガス処理装置４７と、燃料電池２０の運転を制御する制御装置６０とを備える。
【００１７】
燃料電池２０は、固体高分子型燃料電池であり、図示しないが、単電池を複数積層した積層体からなる。単電池は、電解質膜と、この電解質膜を挟持する２つのガス拡散電極と、このガス拡散電極とで燃料ガスまたは酸化ガスの通路を形成する集電極とから構成される。燃料電池２０には、各単電池に燃料ガスおよび酸化ガスを供給する供給流路と、単電池から排出された燃料ガス側の排ガスおよび酸化ガス側の排ガスを燃料電池２０の外部に排出する排出流路とが形成されている。図１には、燃料電池２０に形成された燃料ガスおよび酸化ガスの供給流路と、各排ガスの排出流路と、単電池に形成された燃料ガスおよび酸化ガスの通路とを併せて模式的に燃料ガス流路２２および酸化ガス流路２４として示した。こうした燃料ガス流路２２には、燃料ガス流路２２内の圧力Ｐを検出する圧力センサ２６が設置されており、酸化ガス流路２４には、酸化ガス流路２４内の水素濃度ＣＨを検出する水素濃度センサ２８が設置されている。この圧力センサ２６および水素濃度センサ２８は、制御装置６０に接続されている。
【００１８】
燃料電池２０の燃料ガス流路２２および酸化ガス流路２４の一端は、燃料ガス供給パイプ３０および酸化ガス供給パイプ４０に接続されており、この燃料ガス供給パイプ３０および酸化ガス供給パイプ４０は、図示しない燃料ガス供給装置および酸化ガス供給装置に接続されている。したがって、燃料電池２０には、燃料ガス供給パイプ３０および酸化ガス供給パイプ４０を介して燃料ガス供給装置および酸化ガス供給装置から燃料ガスおよび酸化ガスが供給される。ここで、燃料ガス供給装置としては、例えば、液化水素を収納した水素ボンベ，メタノール改質により水素含有ガスを発生するメタノール改質装置，吸蔵した水素ガスを放出する水素吸蔵合金を収納したタンク等が該当する。また、酸化ガス供給装置としては、例えば、外気（空気）を加圧して燃料電池２０に供給するエアコンプレッサ等が該当する。
【００１９】
この燃料ガス供給パイプ３０および酸化ガス供給パイプ４０の燃料電池２０との接続付近には、燃料ガスおよび酸化ガスの燃料電池２０への供給および供給の停止を行なう開閉弁である燃料ガス供給バルブ３１および酸化ガス供給バルブ４１が設置されている。
【００２０】
燃料電池２０の燃料ガス流路２２および酸化ガス流路２４の他端は、燃料ガス排出パイプ３２および酸化ガス排出パイプ４２に接続されており、この燃料ガス排出パイプ３２および酸化ガス排出パイプ４２は、図示しない燃料ガス排出装置および酸化ガス排出装置に接続されている。したがって、燃料電池２０から排出される燃料ガスおよび酸化ガスの排ガスは、燃料ガス排出パイプ３２および酸化ガス排出パイプ４２を介して燃料ガス排出装置および酸化ガス排出装置に送られる。ここで、燃料ガス排出装置としては、例えば、未反応の水素を排ガスから回収した後に残余のガスを外気に解放する回収装置や未反応の水素を燃焼した後に外気に解放する燃焼装置が該当する。また、酸化ガス排出装置としては、例えば、電解質膜を透過した水素を燃焼した後に外気に解放する燃焼装置等が該当する。
【００２１】
この燃料ガス排出パイプ３２および酸化ガス排出パイプ４２の燃料電池２０との接続付近には、開閉弁である燃料ガス排出バルブ３３および酸化ガス排出バルブ４３が設置されており、その下流側には、燃料ガス側切換バルブ３４および酸化ガス側切換バルブ４４が設置されている。この燃料ガス側切換バルブ３４および酸化ガス側切換バルブ４４からは、燃料ガス側吸引パイプ３５および酸化ガス側吸引パイプ４５が分岐しており、燃料ガス側吸引パイプ３５および酸化ガス側吸引パイプ４５には、燃料ガス側吸引ポンプ３６，酸化ガス側吸引ポンプ４６および燃料ガス処理装置３７，酸化ガス処理装置４７がそれぞれシリーズに設置されている。したがって、燃料ガス側切換バルブ３４および酸化ガス側切換バルブ４４により、燃料電池２０と図示しない燃料ガス排出装置および酸化ガス排出装置との接続と、燃料電池２０と燃料ガス側吸引ポンプ３６および酸化ガス側吸引ポンプ４６との接続とを切り換えることができる。
【００２２】
こうした両供給バルブ３１，４１および両排出バルブ３３，４３には、各開閉バルブを駆動するアクチュエータ３１Ａ，４１Ａおよびアクチュエータ３３Ａ，４３Ａが並設されている。また、両切換バルブ３４，４４には、各切換バルブを駆動するアクチュエータ３４Ａ，４４Ａが並設されている。この各アクチュエータ３１Ａ，３３Ａ，３４Ａ，４１Ａ，４３Ａ，４４Ａは、制御装置６０に接続されており、制御装置６０により駆動制御される。また、燃料ガス側吸引ポンプ３６および酸化ガス側吸引ポンプ４６も制御装置６０に接続されており、制御装置６０により駆動制御される。
【００２３】
燃料ガス処理装置３７は、白金触媒を担持した焼結体フィルタを収納しており、燃料ガス側の排ガスと空気とを、この焼結体フィルタに導いて、排ガス中の未反応の水素を触媒上で燃焼させた後に外気に解放する。このため、燃料ガス処理装置３７には、外気から空気を導入する空気導入機構（例えば、コンプレッサ等）が設けられている。酸化ガス処理装置４７も、白金触媒を担持した焼結体フィルタを収納しており、酸化ガス側の排ガスを、この焼結体フィルタに導いて、燃料ガス流路２２から酸化ガス流路２４に透過して酸化ガスに混在した水素を触媒上で燃焼させた後に、外気に解放する。
【００２４】
図２は、制御装置６０を中心とした燃料電池システム１０の制御系の電気的な構成を例示するブロック図である。制御装置６０は、図示するように、マイクロコンピュータを中心とする論理演算回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って燃料ガス側吸引ポンプ３６や各バルブのアクチュエータ３１Ａ等を駆動制御するための各種演算処理を実行するＣＰＵ６２、ＣＰＵ６２で各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ６４、同じくＣＰＵ６２で各種演算処理を実行するのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ６６、圧力センサ２６および水素濃度センサ２８からの検出信号を入力する入力インタフェース回路６８、ＣＰＵ６２での演算結果に応じて燃料ガス側吸引ポンプ３６，酸化ガス側吸引ポンプ４６および各バルブのアクチュエータ３１Ａ等に駆動信号を出力する出力インタフェース回路７０を備える。また、制御装置６０は、図示しないバッテリに接続された電源回路７２を備え、各部に必要な電圧を供給する構成となっている。こうした制御装置６０により燃料電池２０の運転が制御される。
【００２５】
次に、こうして構成された燃料電池システム１０における燃料電池２０の運転開始時および運転停止時の動作について説明する。図３は燃料電池２０の運転開始時に制御装置６０で実行される運転開始処理ルーチンを例示するフローチャート、図４は燃料電池２０の運転停止時に制御装置６０で実行される運転停止処理ルーチンを例示するフローチャートである。説明の容易のため、まず、燃料電池２０が定常運転状態にある燃料電池システム１０のバルブ状態を説明し、次にこの定常運転状態にある燃料電池２０の運転停止時の動作について説明し、その後に停止している燃料電池２０の運転開始時の動作について説明する。
【００２６】
定常運転状態にある燃料電池システム１０では、燃料ガス供給バルブ３１，燃料ガス排出バルブ３３，酸化ガス供給バルブ４１および酸化ガス排出バルブ４３は、いずれも開いている。また、燃料ガス側切換バルブ３４および酸化ガス側切換バルブ４４は、燃料電池２０と、図示しない燃料ガス排出装置および酸化ガス排出装置とを接続している。したがって、燃料電池２０は、図示しない燃料ガス供給装置および酸化ガス供給装置から燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて電気化学反応を行なって発電し、燃料ガス側の排ガスおよび酸化ガス側の排ガスを燃料ガス排出装置および酸化ガス排出装置を介して外気に解放する。
【００２７】
こうした定常運転状態にある燃料電池システム１０に運転停止の指示がなされると、制御装置６０は、図４に示す運転停止処理ルーチンを実行する。このルーチンが実行されると、まず、ＣＰＵ６２は、燃料電池２０に対する負荷を停止する（ステップＳ２００）。続いて、ＣＰＵ６２は、出力インタフェース回路７０を介して燃料ガス供給バルブ３１のアクチュエータ３１Ａおよび酸化ガス供給バルブ４１のアクチュエータ４１Ａに駆動信号を出力して燃料ガス供給バルブ３１および酸化ガス供給バルブ４１を閉じる（ステップＳ２１０）、燃料ガス供給装置および酸化ガス供給装置からの燃料ガスおよび酸化ガスの燃料電池２０への供給を停止する。なお、各開閉バルブ３１，４１，３３，４３の開閉駆動，切換バルブ３４，４４の切換駆動および吸引ポンプ３６，４６の駆動は、ステップＳ２００における燃料ガス供給バルブ３１および酸化ガス供給バルブ４１の駆動と同様に、ＣＰＵ６２が出力インタフェース回路７０を介して各バルブに並設されたアクチュエータ３１Ａ，３３Ａ，３４Ａ，４１Ａ，４３Ａ，４４Ａまたは吸引ポンプ３６，４６に駆動信号を出力することにより行なわれるので、以下では単にＣＰＵ６２がバルブを開く（閉じる）または吸引ポンプ３６，４６の運転を開始する（停止する）のように記載する。
【００２８】
次に、ＣＰＵ６２は、燃料電池２０の燃料ガス流路２２および酸化ガス流路２４が燃料ガス側吸引パイプ３５および酸化ガス側吸引パイプ４５に接続されるよう燃料ガス側切換バルブ３４および酸化ガス側切換バルブ４４を切り換える（ステップＳ２２０）。そして、燃料ガス側吸引ポンプ３６および酸化ガス側吸引ポンプ４６の運転を開始し（ステップＳ２３０）、燃料ガス流路２２および酸化ガス流路２４に残存する燃料ガスおよび酸化ガスを吸引する。吸引された燃料ガスおよび酸化ガスは、燃料ガス処理装置３７および酸化ガス処理装置４７に送られ、燃料ガスおよび酸化ガスに混在する水素が燃料ガス処理装置３７および酸化ガス処理装置４７に収納された焼結体フィルタの触媒上で燃焼処理されて、外気に解放される。
【００２９】
次に、ＣＰＵ６２は、入力インタフェース回路６８を介して圧力センサ２６により検出される燃料ガス流路２２内の圧力Ｐを読み込み（ステップＳ２４０）、読み込んだ圧力ＰをＲＯＭ６４に予め記憶しておいた設定値Ｐｓｅｔと比較する（ステップＳ２５０）。ここで、設定値Ｐｓｅｔは、燃料ガス側吸引ポンプ３６および酸化ガス側吸引ポンプ４６による燃料ガスおよび酸化ガスの吸引動作の終了を判定するために設定するものであり、燃料ガス側吸引ポンプ３６および酸化ガス側吸引ポンプ４６の能力などにより定められるものである。実施例では、設定値Ｐｓｅｔを絶対圧力で１０ｋＰａとした。
【００３０】
圧力Ｐが設定値Ｐｓｅｔ以上のときには、燃料ガス側吸引ポンプ３６および酸化ガス側吸引ポンプ４６による吸引動作が終了していない判断して、再びステップＳ２４０に戻り、圧力センサ２６により検出される圧力Ｐを読み込む処理を実行する。燃料ガス流路２２および酸化ガス流路２４の燃料ガスおよび酸化ガスが吸引されて、圧力Ｐが設定値Ｐｓｅｔより小さくなると（実施例では、吸引開始から３分程度経過した後）、ＣＰＵ６２は、吸引動作が終了したと判断し、燃料ガス排出バルブ３３および酸化ガス排出バルブ４３を閉じ（ステップＳ２６０）、燃料ガス側吸引ポンプ３６および酸化ガス側吸引ポンプ４６の運転を停止する（ステップＳ２７０）。そして、ＣＰＵ６２は、次回の運転開始処理のために燃料ガス流路２２および酸化ガス流路２４が図示しない燃料ガス排出装置および酸化ガス排出装置に接続されるよう燃料ガス側切換バルブ３４および酸化ガス側切換バルブ４４を切り換えて（ステップＳ２８０）、本ルーチンを終了する。こうして運転が停止された燃料電池２０の燃料ガス流路２２および酸化ガス流路２４は、圧力が設定値Ｐｓｅｔで保たれる。
【００３１】
次に、こうして燃料電池２０の運転が停止され、運転停止状態にある燃料電池システム１０に運転開始の指示がなされると、制御装置６０は、図３に示す運転開始処理ルーチンを実行する。このルーチンが実行されると、ＣＰＵ６２は、まず、燃料ガス供給バルブ３１および酸化ガス供給バルブ４１を開く（ステップＳ１００）。運転停止状態にある燃料電池２０の燃料ガス流路２２および酸化ガス流路２４は、圧力が設定値Ｐｓｅｔに保たれているから、燃料ガス供給バルブ３１および酸化ガス供給バルブ４１を開くと直ちに燃料ガスおよび酸化ガスで満たされる。このため、燃料電池２０は、直ちに電気化学反応を行なって発電を開始することができる。
【００３２】
続いて、ＣＰＵ６２は、燃料ガス排出バルブ３３および酸化ガス排出バルブ４３を開き（ステップＳ１１０）、燃料電池２０を定常運転状態にする。そして、燃料電池２０に対する負荷を開始して（ステップＳ１２０）、本ルーチンを終了する。
【００３３】
燃料電池２０が定常運転状態になると、制御装置６０では、図示しない異常判定ルーチンが所定時間毎（例えば、１０ｍｓｅｃ毎）に実行される。このルーチンでは、ＣＰＵ６２は、入力インタフェース回路６８を介して水素濃度センサ２８により検出される酸化ガス流路２４内の水素濃度ＣＨを読み込み、予め設定した濃度（例えば、１％）と比較し、水素濃度ＣＨがこの濃度以上になると、燃料電池２０の運転に異常が発生したと判断する。こうした異常が検出されると、制御装置６０では、図５に例示する異常時処理ルーチンが実行される。以下、燃料電池システム１０の異常時の動作について説明する。
【００３４】
このルーチンが実行されると、ＣＰＵ６２は、まず、図４に示した運転停止処理ルーチンのステップＳ２００ないしステップＳ２６０の処理と同一の処理を行なう（ステップＳ３００）。すなわち、燃料電池２０に対する負荷を停止し、燃料ガス供給バルブ３１および酸化ガス供給バルブ４１を開くと共に、燃料ガス側切換バルブ３４および酸化ガス側切換バルブ４４を切り換る。そして、燃料ガス流路２２内の圧力Ｐが設定値Ｐｓｅｔより小さくなるまで、燃料ガス流路２２および酸化ガス流路２４内に残存する燃料ガスおよび酸化ガスを燃料ガス側吸引ポンプ３６および酸化ガス側吸引ポンプ４６により吸引し、その後、燃料ガス排出バルブ３３および酸化ガス排出バルブ４３を閉じる。
【００３５】
続いて、ＣＰＵ６２は、燃料ガス供給バルブ３１および酸化ガス供給バルブ４１を開き（ステップＳ３１０）、燃料ガス流路２２および酸化ガス流路２４に燃料ガスおよび酸化ガスを導入する。そして、入力インタフェース回路６８を介して水素濃度センサ２８により検出される水素濃度ＣＨを読み込み（ステップＳ３２０）、読み込んだ水素濃度ＣＨを設定値ＣＨｓｅｔと比較する（ステップＳ３３０）。ここで、設定値ＣＨｓｅｔは、燃料電池２０を正常に運転することが可能な酸化ガス流路２４内の水素濃度ＣＨの最大値あるいは最大値より小さな値として設定されるものであり、実施例では１％に設定した。
【００３６】
したがって、水素濃度ＣＨが設定値ＣＨｓｅｔより小さいときは、異常は回避されたと判断し、燃料ガス側吸引ポンプ３６および酸化ガス側吸引ポンプ４６を停止して（ステップＳ３４０）、燃料ガス排出バルブ３３および酸化ガス排出バルブ４３を開く（ステップＳ３５０）。そして、燃料ガス側切換バルブ３４および酸化ガス側切換バルブ４４を切り換え（ステップＳ３６０）、燃料電池２０を定常運転状態とし、燃料電池２０に対する負荷を開始して（ステップＳ３７０）、燃料電池システム１０を異常を検出する前の状態に戻す。
【００３７】
一方、ステップＳ３３０で水素濃度ＣＨが設定値ＣＨｓｅｔ以上のときには、異常が回避されていないと判断して、燃料ガス供給バルブ３１および酸化ガス供給バルブ４１を閉じ（ステップＳ３８０）、燃料ガス排出バルブ３３および酸化ガス排出バルブ４３を開く（ステップＳ３９０）。そして、図４の運転停止処理ルーチンのステップＳ２４０ないしステップＳ２８０と同一の処理、すなわち燃料電池２０の運転を完全に停止させる処理を実行して（ステップＳ４００）、本ルーチンを終了する。
【００３８】
以上説明した実施例の燃料電池システム１０によれば、燃料電池２０の運転停止の際、燃料ガス側吸引ポンプ３６および酸化ガス側吸引ポンプ４６により、燃料ガス流路２２および酸化ガス流路２４に残存する燃料ガスおよび酸化ガスを吸引するので、燃料ガス流路２２および酸化ガス流路２４内の燃料ガスおよび酸化ガスを不活性ガスに置換する場合に比して、極めて短時間で燃料電池２０の運転を完全に停止することができる。したがって、燃料電池２０が完全に停止する間に出力される電力を消費するための手段を設ける必要がない。また、燃料電池２０の出力端子間に非所望の高電圧が発生することもない。
【００３９】
また、燃料電池２０の運転を開始する際、低圧に保たれた燃料ガス流路２２および酸化ガス流路２４に燃料ガスおよび酸化ガスを導入するので、燃料ガス流路２２および酸化ガス流路２４内に充満している不活性ガスを燃料ガスおよび酸化ガスで置換する場合に比して、開始指示後、極めて短時間で燃料電池２０の運転を開始することができる。
【００４０】
さらに、実施例の燃料電池システム１０によれば、異常を検出した際、燃料電池２０の燃料ガス流路２２および酸化ガス流路２４内の燃料ガスおよび酸化ガスを短時間に入れ換えて燃料電池２０の運転を再開始することができる。しかも、燃料電池２０の運転の再開始時に、酸化ガス流路２４内の水素濃度ＣＨを検出して異常が回避されているかを確認し、燃料電池２０の運転の再開始時に異常が回避されていないと判断すると、燃料電池２０の運転を停止するので、極めて信頼性の高い燃料電池システムにすることができる。
【００４１】
また、実施例の燃料電池システム１０によれば、吸引した燃料ガスおよび酸化ガスに混在する水素を燃料ガス処理装置３７および酸化ガス処理装置４７で燃焼処理するので、燃料電池システム１０から可燃性の燃料ガスの流出を防止でき、安全性の高い燃料電池システムとすることができる。
【００４２】
実施例では、燃料ガス流路２２および酸化ガス流路２４内に残存する燃料ガスおよび酸化ガスを吸引する際、燃料ガス流路２２に設置された圧力センサ２６により検出された圧力Ｐが設定値Ｐｓｅｔより小さくなったときに吸引動作の終了を判断したが、酸化ガス流路２４に圧力センサを設置し、この圧力センサに基づいて吸引動作の終了を判断する構成や、燃料ガス側吸引ポンプ３６および酸化ガス側吸引ポンプ４６の運転を開始してから燃料ガス流路２２内の圧力Ｐが設定値Ｐｓｅｔより小さくなるまでの時間を予め求めておき、燃料ガス側吸引ポンプ３６および酸化ガス側吸引ポンプ４６の運転を開始してから予め求めた時間またはそれ以上の時間が経過した時に吸引動作が終了したと判断する構成としてもよい。
【００４３】
実施例では、燃料電池２０の運転停止の際、燃料ガス供給バルブ３１および酸化ガス供給バルブ４１を閉じた後、燃料ガス側切換バルブ３４および酸化ガス側切換バルブ４４を切り換えてから燃料ガス側吸引ポンプ３６および酸化ガス側吸引ポンプ４６による吸引を開始したが（ステップＳ２１０ないしＳ２３０）、これらの動作を同時に行なう構成、すなわち、燃料ガス供給バルブ３１および酸化ガス供給バルブ４１を閉じる動作と、燃料ガス側切換バルブ３４および酸化ガス側切換バルブ４４を切り換える動作と、燃料ガス側吸引ポンプ３６および酸化ガス側吸引ポンプ４６により吸引を開始する動作とを同時に行なう構成としても差し支えない。
【００４４】
実施例では、燃料ガス側吸引パイプ３５および酸化ガス側吸引パイプ４５に燃料ガス処理装置３７および酸化ガス処理装置４７を設けたが、酸化ガス側吸引パイプ４５に酸化ガス処理装置４７を設けない構成、すなわち燃料ガス側吸引パイプ３５にのみ燃料ガス処理装置３７を設ける構成も好適である。この場合、燃料ガス流路２２から酸化ガス流路２４に透過する水素が極めて微量で、処理の必要がないことを要する。また、実施例では、燃料ガス処理装置３７および酸化ガス処理装置４７を燃料ガス側吸引ポンプ３６および酸化ガス側吸引ポンプ４６の下流側に設置したが、燃料ガス側吸引ポンプ３６および酸化ガス側吸引ポンプ４６の上流側に設置する構成でもよい。
【００４５】
実施例では、燃料ガス側吸引ポンプ３６および酸化ガス側吸引ポンプ４６で吸引した燃料ガスおよび酸化ガスを燃料ガス処理装置３７および酸化ガス処理装置４７により燃焼処理したが、改質器によりメタノールから水素ガスを生成させて燃料電池２０の燃料ガスとして用いる燃料電池システムの場合、燃料ガス側吸引ポンプ３６および酸化ガス側吸引ポンプ４６で吸引した燃料ガスおよび酸化ガスを改質器の運転停止時に改質器側に残存する改質ガス（燃料ガス）と共に改質器に内蔵されている加熱用バーナーで燃焼させてもよい。この燃料電池システムでは、燃料電池２０の運転の停止と共に改質器の運転も停止させる必要があり、改質器側に残存する改質ガス（燃料ガス）も処理する必要がある。改質器には、メタノールから水素ガスを発生させる際に熱を加える必要から加熱用バーナーが備えられているので、この加熱用バーナーに、燃料ガス側吸引ポンプ３６および酸化ガス側吸引ポンプ４６により吸引された燃料ガスおよび酸化ガスを供給して、改質器側に残存する改質ガス（燃料ガス）と一緒に燃焼させることができる。このような構成とすれば、燃料ガス処理装置３７および酸化ガス処理装置４７を省くことができ、コストを低減できると共に省スペース化を図ることができる。また、燃料ガス処理装置３７に代えて燃料ガス回収装置を設置する構成も好適である。燃料ガス回収装置としては、水素を吸蔵可能な水素吸蔵合金を収納した水素吸蔵合金タンクがある。このように燃料ガス回収装置を設置すれば、回収した燃料ガスにより発電することが可能となり、燃料ガスの高効率化を図ることができる。
【００４６】
実施例では、燃料ガス流路２２および酸化ガス流路２４に残存する燃料ガスおよび酸化ガスを燃料ガス側吸引ポンプ３６および酸化ガス側吸引ポンプ４６により吸引したが、酸化ガス側吸引ポンプ４６を設けず燃料ガス流路２２に残存する燃料ガスのみを燃料ガス側吸引ポンプ３６により吸引する構成、燃料ガス側吸引ポンプ３６を設けず酸化ガス流路２４に残存する酸化ガスのみを酸化ガス側吸引ポンプ４６により吸引する構成としても差し支えない。この場合、電解質膜の両側で圧力差が生じるので、電解質膜が、この圧力差に十分耐えられるものであり、圧力差による酸化ガスまたは燃料ガスの透過を許さないものである必要がある。
【００４７】
次に、本発明の第２の実施例について説明する。図６は、本発明の第２実施例である燃料電池の運転制御装置を備えた燃料電池システム１０Ａの構成の一部を示すブロック図である。第２実施例の燃料電池システム１０Ａは、図示するように、第１実施例の燃料電池システム１０と同一の構成に、燃料ガス供給バルブ３１および酸化ガス供給バルブ４１の下流側で燃料ガス供給パイプ３０と酸化ガス供給パイプ４０とを連絡する連絡パイプ８２を設け、この連絡パイプ８２に開閉バルブである連絡バルブ８０を設けて構成される。したがって、燃料電池システム１０Ａの構成のうち第１実施例の燃料電池システム１０と同一の構成については同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００４８】
第２実施例の燃料電池システム１０Ａの連絡パイプ８２に設けられた連絡バルブ８０には、連絡バルブ８０を開閉駆動するアクチュエータ８０Ａが並設されている。このアクチュエータ８０Ａは、制御装置６０に接続されており、制御装置６０から出力される駆動信号により駆動制御される。
【００４９】
こうして構成された燃料電池システム１０Ａの制御装置６０では、燃料電池２０の運転の開始時および停止時に、図７に例示する運転開始処理ルーチンおよび図８に例示する運転停止処理ルーチンが実行される。なお、第２実施例でも、説明の容易のために、まず、定常運転状態にある燃料電池２０の運転停止時の動作について説明し、その後に停止している燃料電池２０の運転開始時の動作について説明する。なお、燃料電池システム１０Ａの定常運転状態は、連絡バルブ８０が閉じている点を除いて第１実施例の燃料電池システム１０の定常運転状態と同一である。
【００５０】
こうした燃料電池システム１０Ａが定常運転状態にあるときに運転停止の指示がなされると、制御装置６０は、図８に示す運転停止処理ルーチンを実行する。このルーチンが実行されると、まず、ＣＰＵ６２は、第１実施例の制御装置６０で実行される運転停止処理ルーチンのステップＳ２００ないしＳ２５０の処理と同一の処理を実行する（ステップＳ６００）。すなわち、燃料電池２０に対する負荷を停止し、燃料ガス供給バルブ３１および酸化ガス供給バルブ４１を開くと共に燃料ガス側切換バルブ３４酸化ガス側切換バルブ４４を切り換る。そして、燃料ガス流路２２内の圧力Ｐが設定値Ｐｓｅｔより小さくなるまで、燃料ガス流路２２および酸化ガス流路２４内に残存する燃料ガスおよび酸化ガスを燃料ガス側吸引ポンプ３６および酸化ガス側吸引ポンプ４６により吸引する。
【００５１】
そして、燃料ガス流路２２内の圧力Ｐが設定値Ｐｓｅｔより小さくなると、ＣＰＵ６２は、連絡バルブ８０および酸化ガス供給バルブ４１を開いて（ステップＳ６１０，Ｓ６２０）、燃料ガス流路２２および酸化ガス流路２４に酸化ガスを導入する。そして、Ｔ１秒経過後に（ステップＳ６３０）、燃料ガス排出バルブ３３および酸化ガス排出バルブ４３を閉じる（ステップＳ６４０）。ここで、酸化ガス供給バルブ４１を開いてからＴ１秒経過するまで燃料ガス排出バルブ３３および酸化ガス排出バルブ４３を閉じないのは、燃料ガス流路２２に酸化ガスが導入されたときには、燃料ガス流路２２には極めて少量ではあるが燃料ガスが残存しているから、燃料ガスを酸化ガスと共に燃料ガス処理装置３７に送るためである。したがって、Ｔ１秒は、導入された酸化ガスと共に残存する極めて少量の燃料ガスを燃料ガス処理装置３７に送るまでに必要な時間以上として設定される。
【００５２】
その後、ＣＰＵ６２は、燃料ガス側吸引ポンプ３６および酸化ガス側吸引ポンプ４６を停止し（ステップＳ６４０）、Ｔ２秒経過後に（ステップＳ６６０）、連絡バルブ８０および酸化ガス供給バルブ４１を閉じ（ステップＳ６７０）、本ルーチンを終了する。ここで、燃料ガス側吸引ポンプ３６および酸化ガス側吸引ポンプ４６を停止してからＴ２秒経過するまで連絡バルブ８０および酸化ガス供給バルブ４１を閉じないのは、燃料ガス流路２２および酸化ガス流路２４の圧力Ｐを図示しない酸化ガス供給装置が供給する酸化ガスの圧力に一致させるためである。したがって、Ｔ２秒は、燃料ガス流路２２および酸化ガス流路２４の圧力Ｐを酸化ガス供給装置が供給する酸化ガスの圧力に一致させるのに必要な時間以上として設定される。
【００５３】
このように燃料ガス流路２２に酸化ガスが導入されて運転停止状態にある燃料電池システム１０において、燃料電池２０の運転開始の指示がなされると、制御装置６０は、図７に示す運転開始処理ルーチンを実行する。本ルーチンが実行されると、ＣＰＵ６２は、まず、燃料ガス排出バルブ３３および酸化ガス排出バルブ４３を開き（ステップＳ５００）、燃料ガス側吸引ポンプ３６および酸化ガス側吸引ポンプ４６の運転を開始して（ステップＳ５００，Ｓ５１０）、燃料ガス流路２２および酸化ガス流路２４内の酸化ガスを吸引する。続いて、燃料ガス流路２２に設置された圧力センサ２６により検出される圧力Ｐが設定値Ｐｓｅｔより小さくなるのを待って（ステップＳ５２０，Ｓ５３０）、燃料ガス排出バルブ３３および酸化ガス排出バルブ４３を閉じる（ステップＳ５４０）。そして、燃料ガス側吸引ポンプ３６および酸化ガス側吸引ポンプ４６の運転を停止し（ステップＳ５５０）、燃料ガス流路２２および酸化ガス流路２４が図示しない燃料ガス排出装置および酸化ガス排出装置に接続されるよう燃料ガス側切換バルブ３４および酸化ガス側切換バルブ４４を切り換える（ステップＳ５６０）。
【００５４】
次に、燃料ガス供給バルブ３１および酸化ガス供給バルブ４１を開いて（ステップＳ５７０）、圧力が設定値Ｐｓｅｔとなっている燃料ガス流路２２および酸化ガス流路２４に燃料ガスおよび酸化ガスを導入する。そして、燃料ガス排出バルブ３３および酸化ガス排出バルブ４３を開いて（ステップＳ５８０）、燃料電池２０を定常運転状態にし、燃料電池２０に対する負荷を開始して（ステップＳ５９０）、本ルーチンを終了する。
【００５５】
第２実施例の燃料電池システム１０Ａでも、燃料電池２０の運転に異常が発生したときに異常時処理を行なう。この異常時処理は、第１実施例の燃料電池システム１０の制御装置６０で実行される図５に示した異常時処理ルーチンのステップＳ４００の処理（図４に示した運転停止処理ルーチンのステップＳ２４０ないしＳ２８０の処理）に代えて、図４に示した運転処理ルーチンのステップＳ２４０，Ｓ２５０の処理および図８に示した運転制御停止処理ルーチンのステップＳ６１０ないしＳ６７０の処理を行なうものである。したがって、各処理については上述したので、第２実施例では、異常時処理ルーチンを例示するフローチャートおよびその詳細な説明については省略する。
【００５６】
以上説明した第２実施例の燃料電池システム１０Ａによれば、燃料電池２０の運転停止の際、燃料ガス側吸引ポンプ３６および酸化ガス側吸引ポンプ４６で燃料ガスおよび酸化ガスを吸引した後に、燃料ガス流路２２および酸化ガス流路２４に酸化ガスを導入するので、このような吸引ポンプを用いずに燃料ガス流路２２および酸化ガス流路２４内の燃料ガスおよび酸化ガスを不活性ガスに置換する場合に比して、短時間で置換が完了し、燃料電池２０の運転を完全に停止することができる。燃料電池２０が短時間で完全に停止するので、その間に燃料電池２０から出力される電力を消費するための手段を設ける必要がない。また、燃料電池２０の出力端子間に非所望の高電圧が発生することもない。さらに、燃料電池２０の運転停止の際、燃料ガス流路２２および酸化ガス流路２４には、共に酸化ガス（空気）が導入されるので、燃料電池２０を極めて安定な状態で停止しておくことができる。
【００５７】
また、実施例の燃料電池システム１０Ａによれば、燃料電池２０の運転開始の際、燃料ガス側吸引ポンプ３６および酸化ガス側吸引ポンプ４６で酸化ガスを吸引した後に、燃料ガス流路２２および酸化ガス流路２４に燃料ガスおよび酸化ガスを導入するので、このような吸引ポンプを用いずに燃料ガス流路２２および酸化ガス流路２４内の不活性ガスを燃料ガスおよび酸化ガスに置換する場合に比して、短時間で燃料電池２０の運転を開始することができる。
【００５８】
なお、実施例では、燃料電池２０の運転を停止する際、燃料ガス流路２２および酸化ガス流路２４の両方に酸化ガスを導入したが、燃料電池２０内で電気化学反応が行なわれなければよいので、燃料ガス流路２２および酸化ガス流路２４の両方に燃料ガスを導入する構成やその他のガス（例えば、窒素等の不活性ガス等）を導入する構成でも差し支えない。
【００５９】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、例えば、リン酸型燃料電池の運転制御に用いられる構成など、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の第１の燃料電池の運転制御装置によれば、燃料吸引手段により燃料電池内に残存する燃料を吸引するので、燃料電池内の燃料を窒素などの不活性ガスに置換する場合に比して、極めて短時間に燃料電池の運転を完全に停止することができる。このため、燃料電池が完全に停止するまでの間に燃料電池から出力される電力を消費する手段を設ける必要がない。
【００６１】
燃料燃焼手段を備えた燃料電池の運転制御装置によれば、燃料吸引手段により燃料電池から吸引された燃料を燃焼するので、燃料の系からの流出を完全に防止することができる。
【００６２】
燃料回収手段を備えた燃料電池の運転制御装置によれば、燃料吸引手段により燃料電池から吸引された燃料を回収するので、資源を有効に活用する燃料電池とすることができる。
【００６３】
ガス充填手段を備えた燃料電池の運転制御装置によれば、ガス充填手段により燃料電池内に圧力調整用ガスが充填されるので、運転停止中の燃料電池を極めて安定した状態にすることができる。
【００６４】
本発明の第２の燃料電池の運転制御装置によれば、ガス吸引手段による燃料電池内の圧力調整用ガスの吸引に伴って燃料電池への燃料の供給が行なわれるので、短時間に燃料電池の運転を開始することができる。もとより、燃料電池の運転の停止中は、燃料電池内に圧力調整用ガスが充填されているので、燃料電池を極めて安定した状態にすることができる。
【００６５】
本発明の第１の燃料電池の運転制御装置または第２の燃料電池の運転制御装置において、圧力調整用ガスにアノード燃料またはカソード燃料を用いれば、圧力調整用ガスのための貯蔵容器を別途設ける必要がないので、燃料電池の運転制御装置を小型化することができる。
【００６６】
本発明の第３の燃料電池の運転制御装置によれば、異常検出手段により異常を検出した際、燃料電池への燃料の供給の停止に伴って燃料電池から燃料を吸引するので、短時間に燃料電池の運転を完全に停止することができる。この結果、異常を検出した状態で、燃料電池を長時間運転することがないので、安全性の高い燃料電池の運転制御装置とすることができる。
【００６７】
また、第３の燃料電池の運転制御装置において、異常時制御手段を燃料電池から燃料を吸引した後に再び燃料電池へ燃料を供給するものとすれば、異常を回避後に短時間で燃料電池の運転を再開始することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である燃料電池の運転制御装置を備えた燃料電池システム１０の概略を示すブロック図である。
【図２】制御装置６０を中心とした制御系の電気的な構成を示すブロック図である。
【図３】制御装置６０のＣＰＵ６２により実行される運転開始処理ルーチンを例示するフローチャートである。
【図４】制御装置６０のＣＰＵ６２により実行される運転停止処理ルーチンを例示するフローチャートである。
【図５】制御装置６０のＣＰＵ６２により実行される異常時処理ルーチンを例示するフローチャートである。
【図６】本発明の第２実施例の燃料電池システム１０Ａの構成の一部を示すブロック図である。
【図７】第２実施例の制御装置６０のＣＰＵ６２により実行される運転開始処理ルーチンを例示するフローチャートである。
【図８】第２実施例の制御装置６０のＣＰＵ６２により実行される運転停止処理ルーチンを例示するフローチャートである。
【符号の説明】
１０，１０Ａ…燃料電池システム
２０…燃料電池
２２…燃料ガス流路
２４…酸化ガス流路
２６…圧力センサ
２８…水素濃度センサ
３０…燃料ガス供給パイプ
３１…燃料ガス供給バルブ
３２…燃料ガス排出パイプ
３３…燃料ガス排出バルブ
３４…燃料ガス側切換バルブ
３５…燃料ガス側吸引パイプ
３６…燃料ガス側吸引ポンプ
３７…燃料ガス処理装置
４０…酸化ガス供給パイプ
４１…酸化ガス供給バルブ
４２…酸化ガス排出パイプ
４３…酸化ガス排出バルブ
４４…酸化ガス側切換バルブ
４５…酸化ガス側吸引パイプ
４６…酸化ガス側吸引ポンプ
４７…酸化ガス処理装置
３１Ａ，３３Ａ，３４Ａ，４１Ａ，４３Ａ，４４Ａ…アクチュエータ
６０…制御装置
６２…ＣＰＵ
６４…ＲＯＭ
６６…ＲＡＭ
６８…入力インタフェース回路
７０…出力インタフェース回路
７２…電源回路
８０…連絡バルブ
８０Ａ…アクチュエータ
８２…連絡パイプ[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a fuel cell operation control device, and more particularly, to a fuel cell operation control device that performs control at the time of starting or stopping operation of a fuel cell or at the time of detecting an abnormality.
[0002]
[Prior art]
In a fuel cell in a steady operation state, even if the supply of fuel is stopped and the load is removed from the output terminal of the fuel cell, an electrochemical reaction is performed by the fuel remaining inside the fuel cell, and power generation is not stopped immediately. The power generation after the supply of the fuel is stopped may generate an undesired high voltage at the output terminal of the fuel cell in some cases. Therefore, it is necessary to completely stop the power generation of the fuel cell by removing the fuel from the inside of the fuel cell and to consume the power output until the fuel cell is completely stopped.
[0003]
As such a fuel cell operation control device that completely stops the operation of the fuel cell, a device that replaces the fuel filled inside with an inert gas such as nitrogen gas when the operation of the fuel cell is stopped has been proposed. (For example, JP-A-61-32362). In this device, an inert gas is introduced into a fuel cell, and the fuel filled therein is pushed out by the introduced inert gas. In this device, a resistor is connected to the output terminal of the fuel cell via a switch. When the operation of the fuel cell is stopped, the switch is opened and closed to connect the output terminal of the fuel cell and the resistor. The fuel cell is connected intermittently to consume the power output from the fuel cell until the fuel filling the fuel cell is completely replaced with the inert gas, and an undesired high voltage is output between the output terminals of the fuel cell. The generation of voltage is prevented.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, such a fuel cell operation control device has a problem that the fuel cell cannot be completely stopped in a short time. This is because when an inert gas is introduced into a fuel cell filled with fuel, the inert gas and the fuel are mixed, so that it takes a certain amount of time to completely convert the inside of the fuel cell to the inert gas. Further, in the operation control device for a fuel cell, even when the operation of the fuel cell is started, it is necessary to completely replace the inert gas with the fuel, so that the operation of the fuel cell cannot be started in a short time. There was a problem. In addition, when a fuel cell is used as a mobile power source, it is not preferable to store a large amount of inert gas due to space or weight, and there is a limit to purging with an inert gas.
[0005]
The fuel cell operation control device of the present invention solves such a problem, and aims at completely stopping the fuel cell in a short time and starting operation of the fuel cell in a short time, and has the following configuration. .
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The first fuel cell operation control device of the present invention includes:
A fuel cell operation control device for controlling operation of a fuel cell,
Fuel stopping means for stopping supply of fuel to the fuel cell;
Fuel suction means for sucking fuel from the fuel cell;
When the operation of the fuel cell is stopped, a drive signal is output to the fuel stopping means and the fuel suction means to stop the supply of fuel to the fuel cell and to stop the fuel suction from the fuel cell. Control means and
The gist is that it is provided.
[0007]
Here, the first fuel cell operation control device may be provided with a fuel combustion means for burning the fuel sucked by the fuel suction means. Further, the first fuel cell operation control device may be provided with a fuel recovery means for recovering the fuel sucked by the fuel suction means. Alternatively, in the first fuel cell operation control device, the fuel cell includes a gas filling unit that fills the fuel cell with a pressure adjusting gas, and the stop control unit outputs a drive signal to the gas filling unit. The fuel cell may be filled with a pressure adjusting gas as the fuel is sucked from the fuel cell by the fuel suction unit.
[0008]
A second fuel cell operation control device according to the present invention includes:
A fuel cell operation control device for controlling operation of a fuel cell,
When stopping the operation of the fuel cell, stopping processing means for stopping supply of fuel to the fuel cell and filling the fuel cell with a pressure adjusting gas;
Gas suction means for suctioning a pressure adjusting gas from the fuel cell,
When starting operation of the fuel cell, a drive signal is output to the gas suction means and the stop processing means to supply fuel to the fuel cell as the pressure adjusting gas is sucked from the fuel cell. Start control means for releasing the suspension of
The gist is that it is provided.
[0009]
Here, in the operation control device for the first fuel cell or the operation control device for the second fuel cell, the pressure adjusting gas may be an anode fuel or a cathode fuel.
[0010]
A third operation control device for a fuel cell according to the present invention includes:
A fuel cell operation control device for controlling operation of a fuel cell,
Fuel stopping means for stopping supply of fuel to the fuel cell;
Fuel suction means for sucking fuel from the fuel cell;
Abnormality detection means for detecting abnormality of the fuel cell;
When an abnormality is detected by the abnormality detecting means, a drive signal is output to the fuel stopping means and the fuel suction means, and the fuel is sucked from the fuel cell as the supply of fuel to the fuel cell is stopped. Time control means and
The gist is that it is provided.
[0011]
Here, in the third fuel cell operation control device, the abnormal time control means outputs a drive signal to the fuel stop means after sucking fuel from the fuel cell by the fuel suction means and outputs the drive signal to the fuel stop means. It is also possible to adopt a configuration in which the stop of the supply of the fuel to the battery is released. In the third operation control device for a fuel cell, the fuel is hydrogen and oxygen, and the abnormality detection means is a hydrogen sensor that detects hydrogen in an oxygen-side flow path of the fuel cell. You can also.
[0012]
[Action]
In the first operation control device for a fuel cell according to the present invention configured as described above, the fuel stopping means stops the supply of fuel to the fuel cell, and the fuel suction means sucks the fuel from the fuel cell. When stopping the operation of the fuel cell, the stop time control means outputs a drive signal to the fuel stop means and the fuel suction means, and sucks the fuel from the fuel cell with the stop of the supply of the fuel to the fuel cell.
[0013]
Here, in the operation control device of the first fuel cell including the fuel combustion means, the fuel combustion means burns the fuel sucked by the fuel suction means. In the first fuel cell operation control device provided with the fuel recovery means, the fuel recovery means recovers the fuel sucked by the fuel suction means. The first fuel cell operation control device provided with gas filling means is characterized in that the gas filling means fills the fuel cell with a pressure adjusting gas, and the stop-time control means outputs a drive signal to the gas filling means. The fuel cell is filled with a pressure adjusting gas as the fuel is sucked from the fuel cell by the suction means.
[0014]
In the second operation control apparatus for a fuel cell according to the present invention, when the stop processing means stops the operation of the fuel cell, the supply of fuel to the fuel cell is stopped and the fuel cell is filled with a pressure adjusting gas when the operation of the fuel cell is stopped. . The gas suction means sucks a pressure adjusting gas from the fuel cell. When starting operation of the fuel cell, the start-time control means outputs a drive signal to the gas suction means and the stop-time processing means, and draws the pressure adjusting gas from the fuel cell to release fuel to the fuel cell. Release the suspension of supply.
[0015]
In the third operation control device for a fuel cell according to the present invention, the fuel stopping means stops the supply of the fuel to the fuel cell. The fuel suction means sucks fuel from the fuel cell, and the abnormality detection means detects abnormality of the fuel cell. The abnormal time control means outputs a drive signal to the fuel stopping means and the fuel suction means when the abnormality detecting means detects the abnormality, and sucks the fuel from the fuel cell with the stop of the supply of the fuel to the fuel cell. .
[0016]
【Example】
Preferred embodiments of the present invention will be described below to further clarify the configuration and operation of the present invention described above. FIG. 1 is a block diagram schematically showing a fuel cell system 10 including a fuel cell operation control device according to one embodiment of the present invention. As shown in the drawing, a fuel cell system 10 includes a fuel cell 20 that generates electricity by performing an electrochemical reaction using hydrogen in a fuel gas containing hydrogen and oxygen in an oxidizing gas containing oxygen as fuel, and a fuel cell 20. The fuel gas side suction pump 36 and the oxidizing gas side suction pump 46 for sucking the fuel gas and the oxidizing gas from the fuel cell, and are installed downstream of the fuel gas side suction pump 36 and the oxidizing gas side suction pump 46 and drawn from the fuel cell 20. The fuel cell system includes a fuel gas processing device 37 and an oxidizing gas processing device 47 for burning and processing a fuel gas and an oxidizing gas, and a control device 60 for controlling the operation of the fuel cell 20.
[0017]
The fuel cell 20 is a polymer electrolyte fuel cell, and although not shown, is composed of a stacked body in which a plurality of unit cells are stacked. The unit cell includes an electrolyte membrane, two gas diffusion electrodes sandwiching the electrolyte membrane, and a collector electrode that forms a passage for a fuel gas or an oxidizing gas with the gas diffusion electrodes. The fuel cell 20 has a supply passage for supplying fuel gas and oxidizing gas to each unit cell, and a discharge channel for discharging the fuel gas side exhaust gas and the oxidizing gas side exhaust gas discharged from the unit cell to the outside of the fuel cell 20. A flow path is formed. FIG. 1 schematically shows a fuel gas and oxidizing gas supply passage formed in the fuel cell 20, a discharge passage of each exhaust gas, and a fuel gas and oxidizing gas passage formed in a unit cell. The fuel gas flow path 22 and the oxidizing gas flow path 24 are shown in FIG. A pressure sensor 26 for detecting the pressure P in the fuel gas channel 22 is provided in the fuel gas channel 22, and the hydrogen concentration CH in the oxidizing gas channel 24 is detected in the oxidizing gas channel 24. A hydrogen concentration sensor 28 is provided. The pressure sensor 26 and the hydrogen concentration sensor 28 are connected to a control device 60.
[0018]
One end of the fuel gas flow path 22 and one end of the oxidizing gas flow path 24 of the fuel cell 20 are connected to a fuel gas supply pipe 30 and an oxidizing gas supply pipe 40. The fuel gas supply pipe 30 and the oxidizing gas supply pipe 40 It is connected to a fuel gas supply device and an oxidizing gas supply device (not shown). Accordingly, the fuel gas and the oxidizing gas are supplied to the fuel cell 20 from the fuel gas supply device and the oxidizing gas supply device via the fuel gas supply pipe 30 and the oxidizing gas supply pipe 40. Here, as the fuel gas supply device, for example, a hydrogen cylinder containing liquefied hydrogen, a methanol reformer that generates a hydrogen-containing gas by methanol reforming, a tank containing a hydrogen storage alloy that releases the stored hydrogen gas, etc. Is applicable. Further, as the oxidizing gas supply device, for example, an air compressor or the like that pressurizes outside air (air) and supplies it to the fuel cell 20 is applicable.
[0019]
Near the connection between the fuel gas supply pipe 30 and the oxidizing gas supply pipe 40 and the fuel cell 20, a fuel gas supply valve 31 serving as an on-off valve for supplying and stopping the supply of the fuel gas and the oxidizing gas to the fuel cell 20. And an oxidizing gas supply valve 41.
[0020]
The other ends of the fuel gas flow path 22 and the oxidizing gas flow path 24 of the fuel cell 20 are connected to a fuel gas discharge pipe 32 and an oxidizing gas discharge pipe 42. The fuel gas discharge pipe 32 and the oxidizing gas discharge pipe 42 Are connected to a fuel gas discharging device and an oxidizing gas discharging device (not shown). Therefore, the exhaust gas of the fuel gas and the oxidizing gas discharged from the fuel cell 20 is sent to the fuel gas discharging device and the oxidizing gas discharging device via the fuel gas discharging pipe 32 and the oxidizing gas discharging pipe 42. Here, as the fuel gas discharge device, for example, a recovery device that recovers unreacted hydrogen from exhaust gas and then releases the remaining gas to the outside air or a combustion device that burns unreacted hydrogen and releases it to the outside air corresponds to the fuel gas discharge device. . Further, as the oxidizing gas discharge device, for example, a combustion device that burns hydrogen permeated through the electrolyte membrane and then releases it to the outside air corresponds to the oxidizing gas discharge device.
[0021]
A fuel gas discharge valve 33 and an oxidizing gas discharge valve 43, which are on-off valves, are installed near the connection between the fuel gas discharge pipe 32 and the oxidizing gas discharge pipe 42 with the fuel cell 20, and downstream thereof, A fuel gas side switching valve 34 and an oxidizing gas side switching valve 44 are provided. A fuel gas side suction pipe 35 and an oxidizing gas side suction pipe 45 are branched from the fuel gas side switching valve 34 and the oxidizing gas side switching valve 44, and are connected to the fuel gas side suction pipe 35 and the oxidizing gas side suction pipe 45. The fuel gas side suction pump 36, the oxidizing gas side suction pump 46, the fuel gas processing unit 37, and the oxidizing gas processing unit 47 are installed in series. Therefore, the connection between the fuel cell 20 and the fuel gas discharge device and the oxidizing gas discharge device (not shown) by the fuel gas side switching valve 34 and the oxidizing gas side switching valve 44, and the fuel cell 20 and the fuel gas side suction pump 36 and the oxidizing gas The connection with the side suction pump 46 can be switched.
[0022]
Actuators 31A, 41A and actuators 33A, 43A for driving the respective opening / closing valves are provided in parallel with the two supply valves 31, 41 and the two discharge valves 33, 43. Further, actuators 34A and 44A for driving the respective switching valves are provided in parallel with both switching valves 34 and 44. The actuators 31A, 33A, 34A, 41A, 43A, and 44A are connected to the control device 60, and are driven and controlled by the control device 60. Further, the fuel gas side suction pump 36 and the oxidizing gas side suction pump 46 are also connected to the control device 60, and are driven and controlled by the control device 60.
[0023]
The fuel gas processing device 37 houses a sintered body filter carrying a platinum catalyst, and guides the exhaust gas and air on the fuel gas side to the sintered body filter to remove unreacted hydrogen in the exhaust gas as a catalyst. Release to outside air after burning on top. For this reason, the fuel gas processing device 37 is provided with an air introduction mechanism (for example, a compressor or the like) for introducing air from outside air. The oxidizing gas treatment device 47 also houses a sintered body filter carrying a platinum catalyst, and guides the exhaust gas on the oxidizing gas side to the sintered body filter, and from the fuel gas passage 22 to the oxidizing gas passage 24. After the permeated hydrogen mixed with the oxidizing gas is burned on the catalyst, it is released to the outside air.
[0024]
FIG. 2 is a block diagram illustrating an electrical configuration of a control system of the fuel cell system 10 centered on the control device 60. The control device 60 is configured as a logical operation circuit centered on a microcomputer as shown in the drawing, and specifically, drives and controls the fuel gas side suction pump 36 and the actuator 31A of each valve according to a preset control program. CPU 62 for executing various arithmetic processes for the same, ROM 64 in which a control program and control data necessary for executing various arithmetic processes by CPU 62 are stored in advance, and various data necessary for performing various arithmetic processes by CPU 62 as well. Is temporarily read and written, an input interface circuit 68 for inputting detection signals from the pressure sensor 26 and the hydrogen concentration sensor 28, a fuel gas side suction pump 36 and an oxidizing gas side suction pump 46 according to the calculation result of the CPU 62. And drive signals to actuators 31A of each valve, etc. And an output interface circuit 70 to force. Further, the control device 60 includes a power supply circuit 72 connected to a battery (not shown), and is configured to supply a necessary voltage to each unit. The operation of the fuel cell 20 is controlled by the control device 60.
[0025]
Next, the operation of the fuel cell system 10 configured as described above when the fuel cell 20 starts operating and stops operating will be described. FIG. 3 is a flowchart illustrating an operation start processing routine executed by the control device 60 when the operation of the fuel cell 20 is started, and FIG. 4 illustrates an operation stop processing routine executed by the control device 60 when the operation of the fuel cell 20 is stopped. It is a flowchart. For ease of description, first, the valve state of the fuel cell system 10 in which the fuel cell 20 is in a steady operation state will be described, and then the operation of the fuel cell 20 in the steady operation state when the operation of the fuel cell 20 is stopped will be described. The operation at the start of operation of the stopped fuel cell 20 will be described.
[0026]
In the fuel cell system 10 in the steady operation state, the fuel gas supply valve 31, the fuel gas discharge valve 33, the oxidizing gas supply valve 41, and the oxidizing gas discharge valve 43 are all open. Further, the fuel gas side switching valve 34 and the oxidizing gas side switching valve 44 connect the fuel cell 20 to a fuel gas discharging device and an oxidizing gas discharging device (not shown). Therefore, the fuel cell 20 receives the supply of the fuel gas and the oxidizing gas from the fuel gas supply device and the oxidizing gas supply device (not shown), performs an electrochemical reaction, generates electric power, and generates the exhaust gas on the fuel gas side and the exhaust gas on the oxidizing gas side. It is released to the outside air through a fuel gas discharging device and an oxidizing gas discharging device.
[0027]
When an instruction to stop operation is given to the fuel cell system 10 in such a steady operation state, the control device 60 executes an operation stop processing routine shown in FIG. When this routine is executed, first, the CPU 62 stops the load on the fuel cell 20 (step S200). Subsequently, the CPU 62 outputs a drive signal to the actuator 31A of the fuel gas supply valve 31 and the actuator 41A of the oxidizing gas supply valve 41 via the output interface circuit 70 to close the fuel gas supply valve 31 and the oxidizing gas supply valve 41. (Step S210) The supply of the fuel gas and the oxidizing gas from the fuel gas supply device and the oxidizing gas supply device to the fuel cell 20 is stopped. The opening / closing driving of the opening / closing valves 31, 41, 33, 43, the switching driving of the switching valves 34, 44, and the driving of the suction pumps 36, 46 are performed by driving the fuel gas supply valve 31 and the oxidizing gas supply valve 41 in step S200. Similarly to the above, the CPU 62 outputs the drive signal to the actuators 31A, 33A, 34A, 41A, 43A, 44A or the suction pumps 36, 46 arranged in parallel with the respective valves via the output interface circuit 70. In the following description, the CPU 62 simply opens (closes) the valve or starts (stops) the operation of the suction pumps 36 and 46.
[0028]
Next, the CPU 62 controls the fuel gas side switching valve 34 and the oxidizing gas side pipe so that the fuel gas passage 22 and the oxidizing gas passage 24 of the fuel cell 20 are connected to the fuel gas side suction pipe 35 and the oxidizing gas side suction pipe 45. The switching valve 44 is switched (Step S220). Then, the operation of the fuel gas side suction pump 36 and the oxidizing gas side suction pump 46 is started (step S230), and the fuel gas and the oxidizing gas remaining in the fuel gas passage 22 and the oxidizing gas passage 24 are sucked. The sucked fuel gas and oxidizing gas are sent to the fuel gas processing device 37 and the oxidizing gas processing device 47, and hydrogen mixed in the fuel gas and the oxidizing gas is stored in the fuel gas processing device 37 and the oxidizing gas processing device 47. It is burned on the catalyst of the sintered body filter and released to the outside air.
[0029]
Next, the CPU 62 reads the pressure P in the fuel gas flow path 22 detected by the pressure sensor 26 via the input interface circuit 68 (step S240), and sets the read pressure P in the ROM 64 in advance. The value is compared with the value Pset (step S250). Here, the set value Pset is set to determine the end of the suction operation of the fuel gas and the oxidizing gas by the fuel gas side suction pump 36 and the oxidizing gas side suction pump 46. It is determined by the capacity of the oxidizing gas side suction pump 46 and the like. In the embodiment, the set value Pset is set to 10 kPa in absolute pressure.
[0030]
When the pressure P is equal to or higher than the set value Pset, it is determined that the suction operation by the fuel gas side suction pump 36 and the oxidizing gas side suction pump 46 is not completed, and the process returns to step S240 again, and the pressure P detected by the pressure sensor 26 is returned. Execute the process of reading When the fuel gas and the oxidizing gas in the fuel gas flow path 22 and the oxidizing gas flow path 24 are sucked and the pressure P becomes smaller than the set value Pset (in the embodiment, about three minutes after the start of the suction), the CPU 62 It is determined that the suction operation has been completed, and the fuel gas discharge valve 33 and the oxidizing gas discharge valve 43 are closed (step S260), and the operations of the fuel gas side suction pump 36 and the oxidizing gas side suction pump 46 are stopped (step S270). Then, the CPU 62 controls the fuel gas side switching valve 34 and the oxidizing gas passage so that the fuel gas passage 22 and the oxidizing gas passage 24 are connected to a fuel gas discharging device and an oxidizing gas discharging device (not shown) for the next operation start processing. The side switching valve 44 is switched (step S280), and this routine ends. The pressure of the fuel gas channel 22 and the oxidizing gas channel 24 of the fuel cell 20 whose operation has been stopped is maintained at the set value Pset.
[0031]
Next, when the operation of the fuel cell 20 is stopped and an operation start instruction is given to the fuel cell system 10 in the operation stopped state, the control device 60 executes an operation start processing routine shown in FIG. When this routine is executed, first, the CPU 62 opens the fuel gas supply valve 31 and the oxidizing gas supply valve 41 (step S100). Since the pressures of the fuel gas flow path 22 and the oxidizing gas flow path 24 of the fuel cell 20 in the stopped state are maintained at the set value Pset, the fuel gas supply valve 31 and the oxidizing gas supply valve 41 are opened immediately after the fuel gas flow. Filled with gas and oxidizing gas. Therefore, the fuel cell 20 can immediately start the power generation by performing the electrochemical reaction.
[0032]
Subsequently, the CPU 62 opens the fuel gas discharge valve 33 and the oxidizing gas discharge valve 43 (Step S110), and brings the fuel cell 20 into a steady operation state. Then, the load on the fuel cell 20 is started (step S120), and the present routine ends.
[0033]
When the fuel cell 20 enters the steady operation state, the control device 60 executes an abnormality determination routine (not shown) every predetermined time (for example, every 10 msec). In this routine, the CPU 62 reads the hydrogen concentration CH in the oxidizing gas flow path 24 detected by the hydrogen concentration sensor 28 via the input interface circuit 68, compares it with a preset concentration (for example, 1%), and When the concentration CH becomes equal to or higher than this concentration, it is determined that an abnormality has occurred in the operation of the fuel cell 20. When such an abnormality is detected, the control device 60 executes an abnormality processing routine illustrated in FIG. Hereinafter, the operation of the fuel cell system 10 at the time of abnormality will be described.
[0034]
When this routine is executed, first, CPU 62 performs the same processing as the processing of steps S200 to S260 of the operation stop processing routine shown in FIG. 4 (step S300). That is, the load on the fuel cell 20 is stopped, the fuel gas supply valve 31 and the oxidizing gas supply valve 41 are opened, and the fuel gas side switching valve 34 and the oxidizing gas side switching valve 44 are switched. The fuel gas and the oxidizing gas remaining in the fuel gas passage 22 and the oxidizing gas passage 24 are removed by the fuel gas side suction pump 36 and the oxidizing gas until the pressure P in the fuel gas passage 22 becomes smaller than the set value Pset. Suction is performed by the side suction pump 46, and then the fuel gas discharge valve 33 and the oxidizing gas discharge valve 43 are closed.
[0035]
Subsequently, the CPU 62 opens the fuel gas supply valve 31 and the oxidizing gas supply valve 41 (step S310), and introduces the fuel gas and the oxidizing gas into the fuel gas passage 22 and the oxidizing gas passage 24. Then, the hydrogen concentration CH detected by the hydrogen concentration sensor 28 is read via the input interface circuit 68 (step S320), and the read hydrogen concentration CH is compared with the set value CHset (step S330). Here, the set value CHset is set as a maximum value or a value smaller than the maximum value of the hydrogen concentration CH in the oxidizing gas flow path 24 that allows the fuel cell 20 to operate normally. It was set to 1%.
[0036]
Therefore, when the hydrogen concentration CH is smaller than the set value CHset, it is determined that the abnormality has been avoided, and the fuel gas side suction pump 36 and the oxidizing gas side suction pump 46 are stopped (step S340), and the fuel gas discharge valve 33 and The oxidizing gas discharge valve 43 is opened (Step S350). Then, the fuel gas side switching valve 34 and the oxidizing gas side switching valve 44 are switched (step S360), the fuel cell 20 is brought into a steady operation state, the load on the fuel cell 20 is started (step S370), and the fuel cell system 10 is started. Return to the state before the abnormality was detected.
[0037]
On the other hand, when the hydrogen concentration CH is equal to or higher than the set value CHset in step S330, it is determined that the abnormality has not been avoided, and the fuel gas supply valve 31 and the oxidizing gas supply valve 41 are closed (step S380). Then, the oxidizing gas discharge valve 43 is opened (step S390). Then, the same processing as Steps S240 to S280 of the operation stop processing routine of FIG. 4, that is, processing for completely stopping the operation of the fuel cell 20 is executed (Step S400), and this routine ends.
[0038]
According to the fuel cell system 10 of the embodiment described above, when the operation of the fuel cell 20 is stopped, the fuel gas side suction pump 36 and the oxidizing gas side suction pump 46 allow the fuel gas flow path 22 and the oxidizing gas flow path 24 to pass through. Since the remaining fuel gas and oxidizing gas are sucked, the fuel cell 20 can be removed in an extremely short time as compared with the case where the fuel gas and oxidizing gas in the fuel gas flow path 22 and the oxidizing gas flow path 24 are replaced with an inert gas. Can be completely stopped. Therefore, there is no need to provide a means for consuming the power output while the fuel cell 20 is completely stopped. Further, an undesired high voltage is not generated between the output terminals of the fuel cell 20.
[0039]
When the operation of the fuel cell 20 is started, the fuel gas and the oxidizing gas are introduced into the fuel gas channel 22 and the oxidizing gas channel 24 maintained at a low pressure. After the start instruction, the operation of the fuel cell 20 can be started in a very short time as compared with the case where the inert gas filled therein is replaced with the fuel gas and the oxidizing gas.
[0040]
Further, according to the fuel cell system 10 of the embodiment, when an abnormality is detected, the fuel gas and the oxidizing gas in the fuel gas passage 22 and the oxidizing gas passage 24 of the fuel cell 20 are replaced in a short time, and Operation can be restarted. In addition, when the operation of the fuel cell 20 is restarted, the hydrogen concentration CH in the oxidizing gas flow path 24 is detected to check whether or not the abnormality is avoided, and the abnormality is avoided when the operation of the fuel cell 20 is restarted. If it is determined that the fuel cell system does not exist, the operation of the fuel cell 20 is stopped, so that a highly reliable fuel cell system can be provided.
[0041]
Further, according to the fuel cell system 10 of the embodiment, the fuel gas and the oxidizing gas which are sucked are subjected to the combustion processing by the fuel gas processing device 37 and the oxidizing gas processing device 47. The outflow of fuel gas can be prevented, and a highly safe fuel cell system can be provided.
[0042]
In the embodiment, when the fuel gas and the oxidizing gas remaining in the fuel gas flow path 22 and the oxidizing gas flow path 24 are sucked, the pressure P detected by the pressure sensor 26 installed in the fuel gas flow path 22 is set to a set value. The end of the suction operation is determined when the pressure becomes smaller than Pset. However, a configuration in which a pressure sensor is provided in the oxidizing gas flow path 24 and the end of the suction operation is determined based on the pressure sensor, or the fuel gas side suction pump 36 In addition, a time period from the start of the operation of the oxidizing gas side suction pump 46 to the time when the pressure P in the fuel gas flow path 22 becomes smaller than the set value Pset is determined in advance, and the fuel gas side suction pump 36 and the oxidizing gas side suction It is also possible to adopt a configuration in which it is determined that the suction operation has ended when a predetermined time or a longer time has elapsed since the operation of the pump 46 was started.
[0043]
In the embodiment, when the operation of the fuel cell 20 is stopped, after the fuel gas supply valve 31 and the oxidizing gas supply valve 41 are closed, the fuel gas side switching valve 34 and the oxidizing gas side switching valve 44 are switched, and then the fuel gas side suction is performed. Although the suction by the pump 36 and the oxidizing gas side suction pump 46 is started (steps S210 to S230), these operations are simultaneously performed, that is, the operation of closing the fuel gas supply valve 31 and the oxidizing gas supply valve 41 and the operation of the fuel gas The operation of switching the side switching valve 34 and the oxidizing gas side switching valve 44 and the operation of starting the suction by the fuel gas side suction pump 36 and the oxidizing gas side suction pump 46 may be simultaneously performed.
[0044]
In the embodiment, the fuel gas processing unit 37 and the oxidizing gas processing unit 47 are provided on the fuel gas side suction pipe 35 and the oxidizing gas side suction pipe 45, but the oxidizing gas processing unit 47 is not provided on the oxidizing gas side suction pipe 45. That is, a configuration in which the fuel gas processing device 37 is provided only in the fuel gas side suction pipe 35 is also suitable. In this case, it is necessary that the amount of hydrogen permeating from the fuel gas flow path 22 to the oxidizing gas flow path 24 is extremely small, and no treatment is required. In the embodiment, the fuel gas processing device 37 and the oxidizing gas processing device 47 are installed on the downstream side of the fuel gas side suction pump 36 and the oxidizing gas side suction pump 46. It may be configured to be installed on the upstream side of the pump 46.
[0045]
In this embodiment, the fuel gas and the oxidizing gas sucked by the fuel gas side suction pump 36 and the oxidizing gas side suction pump 46 are burned by the fuel gas processing device 37 and the oxidizing gas processing device 47. In the case of a fuel cell system in which a gas is generated and used as a fuel gas for the fuel cell 20, the fuel gas and the oxidizing gas sucked by the fuel gas side suction pump 36 and the oxidizing gas side suction pump 46 are reformed when the operation of the reformer is stopped. The gas may be burned by a heating burner built in the reformer together with the reformed gas (fuel gas) remaining in the reformer. In this fuel cell system, it is necessary to stop the operation of the reformer together with the stop of the operation of the fuel cell 20, and it is also necessary to process the reformed gas (fuel gas) remaining on the reformer side. Since the reformer is provided with a heating burner because it is necessary to apply heat when generating hydrogen gas from methanol, the heating burner is provided with a fuel gas side suction pump 36 and an oxidizing gas side suction pump 46. The sucked fuel gas and oxidizing gas can be supplied and burned together with the reformed gas (fuel gas) remaining on the reformer side. With such a configuration, the fuel gas processing device 37 and the oxidizing gas processing device 47 can be omitted, so that cost can be reduced and space can be saved. Further, a configuration in which a fuel gas recovery device is installed instead of the fuel gas processing device 37 is also suitable. As a fuel gas recovery device, there is a hydrogen storage alloy tank containing a hydrogen storage alloy capable of storing hydrogen. If the fuel gas recovery device is installed in this manner, power can be generated by the recovered fuel gas, and the efficiency of the fuel gas can be increased.
[0046]
In the embodiment, the fuel gas and the oxidizing gas remaining in the fuel gas channel 22 and the oxidizing gas channel 24 are sucked by the fuel gas side suction pump 36 and the oxidizing gas side suction pump 46. The fuel gas side suction pump 36 sucks only the fuel gas remaining in the fuel gas flow path 22, and only the oxidizing gas remaining in the oxidizing gas flow path 24 without the fuel gas side suction pump 36 is provided. A configuration in which suction is performed by 46 may be used. In this case, since a pressure difference occurs on both sides of the electrolyte membrane, the electrolyte membrane must be able to withstand this pressure difference sufficiently and must not allow the oxidizing gas or fuel gas to permeate due to the pressure difference.
[0047]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is a block diagram showing a part of a configuration of a fuel cell system 10A including a fuel cell operation control device according to a second embodiment of the present invention. As shown, the fuel cell system 10A according to the second embodiment has the same configuration as the fuel cell system 10 according to the first embodiment, but has a fuel gas supply pipe downstream of the fuel gas supply valve 31 and the oxidizing gas supply valve 41. A communication pipe 82 is provided for communicating the gas supply pipe 30 with the oxidizing gas supply pipe 40. The communication pipe 82 is provided with a communication valve 80 which is an open / close valve. Therefore, among the configurations of the fuel cell system 10A, the same components as those of the fuel cell system 10 of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
[0048]
An actuator 80A that opens and closes the communication valve 80 is provided in parallel with the communication valve 80 provided in the communication pipe 82 of the fuel cell system 10A according to the second embodiment. The actuator 80A is connected to the control device 60, and is driven and controlled by a drive signal output from the control device 60.
[0049]
In the control device 60 of the fuel cell system 10A thus configured, when starting and stopping the operation of the fuel cell 20, an operation start processing routine illustrated in FIG. 7 and an operation stop processing routine illustrated in FIG. 8 are executed. In the second embodiment as well, for ease of explanation, first, the operation when the operation of the fuel cell 20 in the steady operation state is stopped will be described, and then the operation when the operation of the stopped fuel cell 20 starts. Will be described. The steady operation state of the fuel cell system 10A is the same as the steady operation state of the fuel cell system 10 of the first embodiment except that the communication valve 80 is closed.
[0050]
When the operation stop instruction is given while the fuel cell system 10A is in the steady operation state, the control device 60 executes an operation stop processing routine shown in FIG. When this routine is executed, first, the CPU 62 executes the same processing as the processing of steps S200 to S250 of the operation stop processing routine executed by the control device 60 of the first embodiment (step S600). That is, the load on the fuel cell 20 is stopped, the fuel gas supply valve 31 and the oxidizing gas supply valve 41 are opened, and the fuel gas side switching valve 34 is switched over. The fuel gas and the oxidizing gas remaining in the fuel gas passage 22 and the oxidizing gas passage 24 are removed by the fuel gas side suction pump 36 and the oxidizing gas until the pressure P in the fuel gas passage 22 becomes smaller than the set value Pset. Suction is performed by the side suction pump 46.
[0051]
When the pressure P in the fuel gas flow path 22 becomes smaller than the set value Pset, the CPU 62 opens the communication valve 80 and the oxidizing gas supply valve 41 (steps S610 and S620), and the fuel gas flow path 22 and the oxidizing gas flow An oxidizing gas is introduced into the passage 24. Then, after a lapse of T1 seconds (step S630), the fuel gas discharge valve 33 and the oxidizing gas discharge valve 43 are closed (step S640). Here, the reason why the fuel gas discharge valve 33 and the oxidizing gas discharge valve 43 are not closed until T1 seconds have elapsed since the opening of the oxidizing gas supply valve 41 is that when the oxidizing gas is introduced into the fuel gas flow path 22, The reason is that the fuel gas is sent to the fuel gas processing device 37 together with the oxidizing gas because the fuel gas remains in the flow channel 22 in a very small amount, although the amount is very small. Therefore, T1 second is set to be longer than the time required for sending an extremely small amount of fuel gas remaining together with the introduced oxidizing gas to the fuel gas processing device 37.
[0052]
Thereafter, the CPU 62 stops the fuel gas side suction pump 36 and the oxidizing gas side suction pump 46 (step S640), and after a lapse of T2 seconds (step S660), closes the communication valve 80 and the oxidizing gas supply valve 41 (step S670). Then, this routine ends. Here, the communication valve 80 and the oxidizing gas supply valve 41 are not closed until T2 seconds elapse after the fuel gas side suction pump 36 and the oxidizing gas side suction pump 46 are stopped because the fuel gas flow path 22 and the oxidizing gas flow This is to make the pressure P of the passage 24 coincide with the pressure of the oxidizing gas supplied by the oxidizing gas supply device (not shown). Therefore, T2 seconds is set to be equal to or longer than the time required for making the pressure P of the fuel gas flow path 22 and the oxidizing gas flow path 24 coincide with the pressure of the oxidizing gas supplied by the oxidizing gas supply device.
[0053]
As described above, in the fuel cell system 10 in which the oxidizing gas is introduced into the fuel gas flow path 22 and the operation of the fuel cell system 10 is stopped, an instruction to start the operation of the fuel cell 20 is issued. Execute the processing routine. When this routine is executed, the CPU 62 first opens the fuel gas discharge valve 33 and the oxidizing gas discharge valve 43 (step S500), and starts operating the fuel gas side suction pump 36 and the oxidizing gas side suction pump 46. (Steps S500, S510), the oxidizing gas in the fuel gas passage 22 and the oxidizing gas passage 24 is sucked. Then, after waiting until the pressure P detected by the pressure sensor 26 provided in the fuel gas passage 22 becomes smaller than the set value Pset (steps S520 and S530), the fuel gas discharge valve 33 and the oxidizing gas discharge valve 43 are set. Is closed (step S540). Then, the operation of the fuel gas side suction pump 36 and the oxidizing gas side suction pump 46 is stopped (step S550), and the fuel gas passage 22 and the oxidizing gas passage 24 are connected to a fuel gas discharging device and an oxidizing gas discharging device (not shown). Then, the fuel gas side switching valve 34 and the oxidizing gas side switching valve 44 are switched (step S560).
[0054]
Next, the fuel gas supply valve 31 and the oxidizing gas supply valve 41 are opened (step S570), and the fuel gas and the oxidizing gas are introduced into the fuel gas passage 22 and the oxidizing gas passage 24 whose pressures are at the set values Pset. I do. Then, the fuel gas discharge valve 33 and the oxidizing gas discharge valve 43 are opened (step S580), the fuel cell 20 is brought into a steady operation state, the load on the fuel cell 20 is started (step S590), and this routine ends.
[0055]
Also in the fuel cell system 10A of the second embodiment, when an abnormality occurs in the operation of the fuel cell 20, the abnormality processing is performed. This abnormal time processing is the processing of step S400 of the abnormal time processing routine shown in FIG. 5 executed by the control device 60 of the fuel cell system 10 of the first embodiment (step S240 of the operation stop processing routine shown in FIG. 4). Instead of performing steps S240 to S280, the processing of steps S240 and S250 of the operation processing routine shown in FIG. 4 and the processing of steps S610 to S670 of the operation control stop processing routine shown in FIG. 8 are performed. Therefore, since each process has been described above, in the second embodiment, a flowchart illustrating a processing routine at the time of abnormality and a detailed description thereof will be omitted.
[0056]
According to the fuel cell system 10A of the second embodiment described above, when the operation of the fuel cell 20 is stopped, the fuel gas and the oxidizing gas are sucked by the fuel gas side suction pump 36 and the oxidizing gas side suction pump 46, Since the oxidizing gas is introduced into the gas passage 22 and the oxidizing gas passage 24, the fuel gas and the oxidizing gas in the fuel gas passage 22 and the oxidizing gas passage 24 are converted into the inert gas without using such a suction pump. The replacement is completed in a shorter time than in the case of replacement, and the operation of the fuel cell 20 can be completely stopped. Since the fuel cell 20 is completely stopped in a short time, there is no need to provide a means for consuming the power output from the fuel cell 20 during that time. Further, an undesired high voltage is not generated between the output terminals of the fuel cell 20. Further, when the operation of the fuel cell 20 is stopped, since the oxidizing gas (air) is introduced into both the fuel gas passage 22 and the oxidizing gas passage 24, the fuel cell 20 is stopped in an extremely stable state. be able to.
[0057]
Further, according to the fuel cell system 10A of the embodiment, when starting the operation of the fuel cell 20, after the fuel gas side suction pump 36 and the oxidizing gas side suction pump 46 suck the oxidizing gas, the fuel gas flow path 22 and the oxidizing gas are sucked. Since the fuel gas and the oxidizing gas are introduced into the gas passage 24, the inert gas in the fuel gas passage 22 and the oxidizing gas passage 24 is replaced with the fuel gas and the oxidizing gas without using such a suction pump. The operation of the fuel cell 20 can be started in a shorter time than in the case of
[0058]
In the embodiment, when the operation of the fuel cell 20 is stopped, the oxidizing gas is introduced into both the fuel gas passage 22 and the oxidizing gas passage 24. However, if the electrochemical reaction is not performed in the fuel cell 20, Therefore, a configuration in which the fuel gas is introduced into both the fuel gas flow path 22 and the oxidizing gas flow path 24 and a configuration in which another gas (for example, an inert gas such as nitrogen or the like) is introduced may be used.
[0059]
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments at all. For example, a configuration used for controlling the operation of the phosphoric acid type fuel cell does not depart from the gist of the present invention. Of course, it can be implemented in various modes.
[0060]
【The invention's effect】
As described above, according to the first fuel cell operation control device of the present invention, the fuel remaining in the fuel cell is sucked by the fuel suction means, so that the fuel in the fuel cell is converted into an inert gas such as nitrogen. The operation of the fuel cell can be completely stopped in an extremely short time as compared with the case of replacement. Therefore, there is no need to provide a means for consuming the power output from the fuel cell until the fuel cell is completely stopped.
[0061]
According to the operation control device for a fuel cell including the fuel combustion means, the fuel sucked from the fuel cell by the fuel suction means is burned, so that the fuel can be completely prevented from flowing out of the system.
[0062]
According to the operation control device for a fuel cell provided with the fuel recovery means, the fuel sucked from the fuel cell by the fuel suction means is recovered, so that the fuel cell can effectively utilize resources.
[0063]
According to the operation control device for a fuel cell provided with the gas filling means, the pressure adjusting gas is filled in the fuel cell by the gas filling means, so that the fuel cell in the stopped operation can be in an extremely stable state. .
[0064]
According to the fuel cell operation control device of the second aspect of the present invention, fuel is supplied to the fuel cell in accordance with the suction of the pressure adjusting gas in the fuel cell by the gas suction means, so that the fuel cell Operation can be started. When the operation of the fuel cell is stopped, the fuel cell is filled with the pressure adjusting gas, so that the fuel cell can be extremely stabilized.
[0065]
In the first fuel cell operation control device or the second fuel cell operation control device of the present invention, if an anode fuel or a cathode fuel is used as the pressure adjusting gas, a storage container for the pressure adjusting gas is separately provided. Since there is no need, the operation control device for the fuel cell can be downsized.
[0066]
According to the third fuel cell operation control device of the present invention, when the abnormality is detected by the abnormality detecting means, the fuel is sucked from the fuel cell along with the stop of the supply of the fuel to the fuel cell. The operation of the fuel cell can be completely stopped. As a result, the fuel cell does not operate for a long time in the state where the abnormality is detected, so that a fuel cell operation control device with high safety can be provided.
[0067]
In the third operation control device for a fuel cell, if the abnormality-time control means supplies the fuel to the fuel cell again after sucking the fuel from the fuel cell, the operation of the fuel cell can be quickly performed after the abnormality is avoided. Can be restarted.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram schematically illustrating a fuel cell system 10 including a fuel cell operation control device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing an electrical configuration of a control system centered on a control device 60.
FIG. 3 is a flowchart illustrating an operation start processing routine executed by a CPU 62 of the control device 60;
FIG. 4 is a flowchart illustrating an operation stop processing routine executed by a CPU 62 of the control device 60;
FIG. 5 is a flowchart illustrating an abnormal state processing routine executed by a CPU 62 of the control device 60;
FIG. 6 is a block diagram showing a part of a configuration of a fuel cell system 10A according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a flowchart illustrating an operation start processing routine executed by a CPU 62 of a control device 60 according to the second embodiment.
FIG. 8 is a flowchart illustrating an operation stop processing routine executed by a CPU 62 of a control device 60 according to the second embodiment.
[Explanation of symbols]
10, 10A ... fuel cell system
20 ... Fuel cell
22 ... Fuel gas flow path
24 oxidizing gas flow path
26 ... Pressure sensor
28 ... Hydrogen concentration sensor
30 ... fuel gas supply pipe
31 ... Fuel gas supply valve
32 ... fuel gas exhaust pipe
33 ... Fuel gas discharge valve
34 ... fuel gas side switching valve
35 ... Suction pipe on fuel gas side
36 ... Fuel gas side suction pump
37 ... Fuel gas processing device
40 ... oxidation gas supply pipe
41… Oxidizing gas supply valve
42 ... Oxidizing gas discharge pipe
43… Oxidizing gas discharge valve
44… Oxidizing gas side switching valve
45: Oxidizing gas side suction pipe
46: Oxidizing gas side suction pump
47… Oxidizing gas treatment equipment
31A, 33A, 34A, 41A, 43A, 44A ... actuator
60 ... Control device
62 ... CPU
64 ROM
66 ... RAM
68 ... Input interface circuit
70 ... Output interface circuit
72 Power supply circuit
80 ... Connecting valve
80A: Actuator
82 ... connecting pipe

Claims

A fuel cell operation control device for controlling operation of a fuel cell,
Fuel stopping means for stopping supply of fuel to the fuel cell;
Fuel suction means for sucking fuel from the fuel cell;
When the operation of the fuel cell is stopped, a drive signal is output to the fuel stopping means and the fuel suction means, and when the supply of fuel to the fuel cell is stopped, the fuel is sucked from the fuel cell. An operation control device for a fuel cell, comprising: a control unit.

2. The operation control device for a fuel cell according to claim 1, further comprising fuel combustion means for burning the fuel sucked by the fuel suction means.

2. The operation control device for a fuel cell according to claim 1, further comprising a fuel recovery means for recovering the fuel sucked by the fuel suction means.

The operation control device for a fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
Gas filling means for filling the fuel cell with a pressure adjusting gas,
The stop time control means outputs a drive signal to the gas filling means, and fills the fuel cell with a pressure adjusting gas as the fuel suction means sucks fuel from the fuel cell. Battery operation control device.

A fuel cell operation control device for controlling operation of a fuel cell,
When stopping the operation of the fuel cell, stopping processing means for stopping supply of fuel to the fuel cell and filling the fuel cell with a pressure adjusting gas;
Gas suction means for suctioning a pressure adjusting gas from the fuel cell,
When the operation of the fuel cell is started, a drive signal is output to the gas suction means and the stop processing means to supply fuel to the fuel cell as the pressure adjusting gas is sucked from the fuel cell. Operation control device for a fuel cell, comprising: a start-time control unit for canceling the stop of the fuel cell.

6. The operation control device for a fuel cell according to claim 4, wherein the pressure adjusting gas is an anode fuel or a cathode fuel.

A fuel cell operation control device for controlling operation of a fuel cell,
Fuel stopping means for stopping supply of fuel to the fuel cell;
Fuel suction means for sucking fuel from the fuel cell;
Abnormality detection means for detecting abnormality of the fuel cell;
When an abnormality is detected by the abnormality detection means, a drive signal is output to the fuel stopping means and the fuel suction means, and the fuel is sucked from the fuel cell as the supply of fuel to the fuel cell is stopped. Control device for fuel cell, comprising time control means

The abnormal-time control means is means for outputting a drive signal to the fuel stop means to release the stop of supply of fuel to the fuel cell after the fuel suction means sucks fuel from the fuel cell. Item 8. An operation control device for a fuel cell according to Item 7.

The fuel cell operation control device according to claim 7 or 8,
The fuel is hydrogen and oxygen,
The operation control device for a fuel cell, wherein the abnormality detection means is a hydrogen sensor that detects hydrogen in an oxygen-side flow path of the fuel cell.