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JP5222589B2 - Fuel cell system and control method - Google Patents
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Description

本発明は、電子機器を駆動することが可能な直接型メタノール燃料電池(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)を発電部とした燃料電池システム及びその制御方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system using a direct methanol fuel cell (DMFC) capable of driving an electronic device as a power generation unit and a control method thereof.

最近の電子技術の進歩によって、多種多様な携帯電子機器が急速に普及している。今後、携帯電子機器の増加する情報量とその高速化、高機能化に対応して、連続駆動時間の長い電源として、容易に燃料補給ができる燃料電池電源が注目されている。 With recent advances in electronic technology, a wide variety of portable electronic devices are rapidly spreading. In the future, a fuel cell power source that can be easily refueled is attracting attention as a power source having a long continuous driving time in response to an increasing amount of information of mobile electronic devices and higher speed and higher functionality.

燃料電池の中でも、液体燃料を使用する直接型メタノール燃料電池は燃料の体積エネルギー密度が高く、取り扱いも容易である。   Among fuel cells, a direct methanol fuel cell using liquid fuel has a high volumetric energy density of fuel and is easy to handle.

燃料電池システムは、直接型メタノール燃料電池(DMFCスタック)におけるメタノール水溶液と酸素ガスとによる化学反応によって発電される。メタノール水溶液の濃度と温度によってその反応が促進され、DMFCスタックから発熱する。しかしながら、燃料電子システムの運転開始時は、メタノール水溶液やDMFCスタックの温度は常温(燃料電池システムの外気温(環境温度))であり、DMFCスタックにおける反応は進みにくく、燃料電池システムの出力電圧が、要求される電圧(定格電圧)に達し、定常運転に入るまでに時間を要するという問題がある。 The fuel cell system generates power by a chemical reaction between an aqueous methanol solution and oxygen gas in a direct methanol fuel cell (DMFC stack). The reaction is accelerated by the concentration and temperature of the aqueous methanol solution, and heat is generated from the DMFC stack. However, at the start of operation of the fuel electronic system, the aqueous methanol solution and DMFC stack are at room temperature (the outside temperature of the fuel cell system (environmental temperature)), the reaction in the DMFC stack is difficult to proceed, and the output voltage of the fuel cell system is However, there is a problem that it takes time to reach the required voltage (rated voltage) and to start steady operation.

このような燃料電池システムの立ち上げ時間を問題点として注目した文献は見当たらない。   There is no literature that focuses on such a startup time of the fuel cell system as a problem.

本発明の目的は、燃料電池システムの立ち上げ時間(発電開始から定常運転に入るまでの時間)を短くすることである。   An object of the present invention is to shorten the startup time of the fuel cell system (the time from the start of power generation until the start of steady operation).

本発明の他の目的は、燃料電池システムの立ち上げ時間を短くするために、安定した制御を実現することである。   Another object of the present invention is to realize stable control in order to shorten the startup time of the fuel cell system.

本発明のさらに他の目的は、燃料電池システムの立ち上げ時間を制御する制御プログラムを簡単に構成することである。   Still another object of the present invention is to simply configure a control program for controlling the startup time of the fuel cell system.

本発明のさらに他の目的は、燃料電池システムの立ち上げ時間を外気温に応じて制御できるようにすることである。   Still another object of the present invention is to make it possible to control the startup time of the fuel cell system according to the outside air temperature.

本発明の燃料電池システム及びその制御方法は、所定濃度のメタノール水溶液をアノード側から供給し、所定風量の空気をカソード側から供給してその化学反応により定格電圧の電力を発電するDMFCスタック、DMFCスタックの運転開始に応答して、所定濃度より高い濃度のメタノール水溶液をアノード側から供給するための混合タンク、及び所定風量より少ない風量の空気をカソード側から供給する空気ポンプを有する。 A fuel cell system and a control method thereof according to the present invention include a DMFC stack that supplies an aqueous methanol solution of a predetermined concentration from the anode side, supplies air of a predetermined air volume from the cathode side, and generates electric power of a rated voltage by a chemical reaction thereof, In response to the start of operation of the stack, there is provided a mixing tank for supplying a methanol aqueous solution having a concentration higher than a predetermined concentration from the anode side, and an air pump for supplying air having an air volume smaller than the predetermined air volume from the cathode side.

本発明の望ましい他の態様は、混合タンク内の所定濃度のメタノール水溶液を所定温度に冷却する風量のブロアをさらに有し、DMFCスタックの運転開始に応答して、ブロアの風量を所定濃度より高い濃度のメタノール水溶液を所定温度より高い温度に維持する風量に制御する。   Another desirable aspect of the present invention further includes a blower having an air volume that cools the methanol aqueous solution having a predetermined concentration in the mixing tank to a predetermined temperature, and the air volume of the blower is higher than the predetermined concentration in response to the start of operation of the DMFC stack. The flow rate is controlled to maintain the concentration of the aqueous methanol solution at a temperature higher than a predetermined temperature.

本発明の望ましいさらに他の態様は、DMFCスタックの運転開始から定格電圧の電力の発電に達するまで、高い濃度のメタノール水溶液の濃度を所定濃度に向けて、空気ポンプの所定風量より少ない風量を所定風量に向けて、かつブロアの所定温度より高い温度に維持する風量を所定温度に冷却する風量に向けて、段階的に制御する。   Still another desirable aspect of the present invention is that the concentration of a high-concentration aqueous methanol solution is directed to a predetermined concentration from the start of operation of the DMFC stack to the generation of power at a rated voltage, and an air flow smaller than a predetermined air flow of the air pump is predetermined. Control is performed stepwise toward the air volume and the air volume maintained at a temperature higher than the predetermined temperature of the blower toward the air volume that is cooled to the predetermined temperature.

本発明の望ましいさらに他の態様は、DMFCスタックの運転開始から定格電圧の電力の発電に至る時間経過に応じて、段階的な制御の各々は各段階の差が小さくなるように実行される。   Still another desirable aspect of the present invention is that each of the stepwise controls is executed so that the difference between the steps becomes small with the lapse of time from the start of operation of the DMFC stack to the generation of power of the rated voltage.

本発明の望ましいさらに他の態様は、各々の段階的な制御を予め定めた制御データに基づいて実行する。   In still another desirable aspect of the present invention, each stepwise control is executed based on predetermined control data.

本発明の望ましいさらに他の態様は、燃料電池システムの外気温(環境温度)に応答して、予め定めた複数組の制御データから一組の制御データを選択する。   According to still another desirable aspect of the present invention, a set of control data is selected from a plurality of predetermined sets of control data in response to an outside air temperature (environment temperature) of the fuel cell system.

本発明によれば、燃料電池システムの立ち上げ時間を短くすることができる。 According to the present invention, the startup time of the fuel cell system can be shortened.

以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。図1に、本実施形態の燃料電池システム1のブロック図を示す。燃料電池システム1の、電解質膜/電極接合体によるDMFCスタック(直接型メタノール燃料電池の発電部)4は、そのアノードに供給されるメタノール水溶液とカソードに供給される酸素による化学反応により発電する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a block diagram of a fuel cell system 1 of the present embodiment. A DMFC stack (power generation unit of a direct methanol fuel cell) 4 with an electrolyte membrane / electrode assembly in the fuel cell system 1 generates power by a chemical reaction between an aqueous methanol solution supplied to the anode and oxygen supplied to the cathode.

メタノール水溶液がアノード側において式(1)に従って反応し、水素イオン、電子および炭酸ガスに解離する。
CH3OH + H2O → 6H+ + 6e- + CO2 (1)
生成された水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソードに供給された空気中から拡散された酸素ガスおよび電極上の電子と、式(2)に従って反応して水を生成する。
6H+ +6e- + 3/2O2 → 3H2O (2)
さらに直接型メタノール燃料電池ではアノード側のメタノールが電解質膜を通過し、カソード側へ移動するメタノールクロスオーバという現象が生じる。このカソード側へ移動したメタノールは式(3)に示すように、メタノールが酸素によって酸化されて炭酸ガスと水を生成するメタノールの燃焼反応となり、発熱する。
CH3OH + 3/2O2 → CO2 + 2H2O (3)
DMFCスタック4のアノードに供給されるメタノール水溶液は、燃料カートリッジ2から供給されるメタノールと精製水カートリッジ3から供給される精製水(以下、単に水と呼ぶことがある。)とが混合タンク9において所定の濃度(3%程度)に混合され、混合タンク9に溜められている。燃料カートリッジ2から供給されるメタノールは、混合ポンプ5により電磁弁7を介して混合タンク9に供給される。精製水カートリッジ3から供給される水は、混合ポンプ6により電磁弁8を介して混合タンク9に供給される。混合タンク9において所定の濃度のメタノール水溶液を得るために、混合ポンプ5、6及び電磁弁7、8がコントローラ13によって制御される(図中の破線)。メタノール水溶液はメタノール濃度センサ10を経て、燃料ポンプ11によってDMFCスタック4のアノードに供給される。DMFCスタック4のカソードに供給される酸素は、空気ポンプ12による空気中から拡散された酸素ガスである。
The aqueous methanol solution reacts according to the formula (1) on the anode side and dissociates into hydrogen ions, electrons and carbon dioxide.
CH 3 OH + H 2 O → 6H + + 6e - + CO 2 (1)
The generated hydrogen ions move to the cathode side through the electrolyte membrane, and react with oxygen gas diffused from the air supplied to the cathode and electrons on the electrode according to the formula (2) to generate water.
6H + + 6e - + 3 / 2O 2 → 3H 2 O (2)
Further, in the direct type methanol fuel cell, a phenomenon called methanol crossover occurs in which methanol on the anode side passes through the electrolyte membrane and moves to the cathode side. As shown in the formula (3), the methanol that has moved to the cathode side becomes a combustion reaction of methanol in which methanol is oxidized by oxygen to generate carbon dioxide and water, and generates heat.
CH 3 OH + 3 / 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O (3)
The methanol aqueous solution supplied to the anode of the DMFC stack 4 includes methanol supplied from the fuel cartridge 2 and purified water supplied from the purified water cartridge 3 (hereinafter sometimes simply referred to as water) in the mixing tank 9. It is mixed to a predetermined concentration (about 3%) and stored in the mixing tank 9. Methanol supplied from the fuel cartridge 2 is supplied to the mixing tank 9 via the electromagnetic valve 7 by the mixing pump 5. The water supplied from the purified water cartridge 3 is supplied to the mixing tank 9 via the electromagnetic valve 8 by the mixing pump 6. In order to obtain a methanol aqueous solution having a predetermined concentration in the mixing tank 9, the mixing pumps 5 and 6 and the electromagnetic valves 7 and 8 are controlled by the controller 13 (broken line in the figure). The methanol aqueous solution passes through the methanol concentration sensor 10 and is supplied to the anode of the DMFC stack 4 by the fuel pump 11. The oxygen supplied to the cathode of the DMFC stack 4 is oxygen gas diffused from the air by the air pump 12.

コントローラ13は、種々のセンサ出力(図中の1点鎖線)を基に、DMFCスタック4、及び混合ポンプ5などの補機類を制御する(図中の破線)。センサは、DMFCスタック4へ供給されるメタノール濃度を監視する濃度センサ10、DMFCスタック4の温度を監視する温度センサ15、混合タンク9のメタノール水溶液温度を監視する温度センサ16、燃料電池システム1の内部温度(環境温度)を監視する温度センサ17、燃焼カートリッジ2のメタノールの残量を監視する残量センサ18、精製水カートリッジ3の水の残量を監視する残量センサ19、及びDMFCスタック4が発電している電圧を監視する電圧計21である。温度センサ17が検出する温度は、燃料電池システム1の(しばらくの間の停止を経た)運転開始前は、外気温と同じ内部温度である。コントローラ13による制御対象は、混合ポンプ5、6、電磁弁7、8、燃料ポンプ11、及び空気ポンプ12及び混合タンク9を冷却するためのブロア22である。   The controller 13 controls accessories such as the DMFC stack 4 and the mixing pump 5 based on various sensor outputs (one-dot chain line in the figure) (broken line in the figure). The sensors are a concentration sensor 10 that monitors the concentration of methanol supplied to the DMFC stack 4, a temperature sensor 15 that monitors the temperature of the DMFC stack 4, a temperature sensor 16 that monitors the aqueous methanol solution temperature in the mixing tank 9, and a fuel cell system 1. Temperature sensor 17 for monitoring the internal temperature (environment temperature), remaining amount sensor 18 for monitoring the remaining amount of methanol in the combustion cartridge 2, remaining amount sensor 19 for monitoring the remaining amount of water in the purified water cartridge 3, and DMFC stack 4 Is a voltmeter 21 that monitors the voltage that is being generated. The temperature detected by the temperature sensor 17 is the same internal temperature as the external temperature before the operation of the fuel cell system 1 (after stopping for a while). Control targets by the controller 13 are mixing pumps 5 and 6, solenoid valves 7 and 8, a fuel pump 11, an air pump 12 and a blower 22 for cooling the mixing tank 9.

DMFCスタック4における化学反応は、メタノール水溶液の濃度によって反応が促進されるだけではなく、メタノール水溶液の温度によっても反応が促進される。DMFCスタック4の出力電力を安定に維持するだけでなく、DMFCスタック4の過熱を避けるためにも、混合タンク9内のメタノール水溶液の温度が温度センサ26によって監視され、混合タンク9を冷却するためにブロア22がコントローラ13によって制御される。また、DMFCスタック4のカソード側に酸素ガスを供給する空気ポンプ12は、DMFCスタック4の過熱を避け、出力電力を安定に維持するための冷却装置としても作用する。   The chemical reaction in the DMFC stack 4 is not only accelerated by the concentration of the aqueous methanol solution, but also accelerated by the temperature of the aqueous methanol solution. In order not only to keep the output power of the DMFC stack 4 stable, but also to avoid overheating of the DMFC stack 4, the temperature of the aqueous methanol solution in the mixing tank 9 is monitored by the temperature sensor 26 to cool the mixing tank 9 The blower 22 is controlled by the controller 13. The air pump 12 that supplies oxygen gas to the cathode side of the DMFC stack 4 also functions as a cooling device for avoiding overheating of the DMFC stack 4 and maintaining stable output power.

コントローラ13は、DMFCスタック4により発電された電力を、接続する電子機器に供給するための出力インターフェース(コネクタ)20、燃料電池システム1外との制御情報や表示情報などの入出力のための外部インターフェース23、及びLi(リチウム)バッテリー14に接続する。Liバッテリー14は、燃料電池システム1の立ち上げ(運転開始)時にコントローラ13などの動作のために電力を供給し、燃料電池システム1が定常運転に入ると、DMFCスタック4により発電された電力により充電される。   The controller 13 is an output interface (connector) 20 for supplying the electric power generated by the DMFC stack 4 to the connected electronic equipment, and an external for input / output of control information and display information etc. outside the fuel cell system 1 The interface 23 and the Li (lithium) battery 14 are connected. The Li battery 14 supplies power for the operation of the controller 13 and the like when the fuel cell system 1 is started up (starts operation). When the fuel cell system 1 enters steady operation, the power generated by the DMFC stack 4 is used. Charged.

図2を用いて、燃料電池システムの運転開始時(発電開始時)の、コントローラによる制御を説明する。燃料電池システムの定常状態におけるメタノール水溶液の濃度Cn、空気ポンプ12の風量Qn、及びブロア22の風量qnを設定し、燃料電池システムの運転を開始すると(開始時刻:t=0)、DMFCスタック4の出力電圧V(t)は図2(a)に破線で示すように、むだ時間(dead time)Tdを経て、時定数τAの指数関数に従って高くなり、時刻t6において定常状態の電圧(定格電圧)Vnに達する(式(4))。
V(t)=Vn{1−exp(−(t−Td)/τA)} (4)
この時間t6(=t6−0)は、燃料電池システムの利用者にとっては、携帯電子機器などの負荷を電気的に接続できない待ち時間となる。特に、非常時、緊急時の携帯電子機器などの利用に際して、この待ち時間は短いことが望ましい。
The control by the controller at the start of operation of the fuel cell system (at the start of power generation) will be described with reference to FIG. When the concentration C n of the aqueous methanol solution in the steady state of the fuel cell system, the air volume Q n of the air pump 12 and the air volume q n of the blower 22 are set and the operation of the fuel cell system is started (start time: t = 0), DMFC output voltage V of the stack 4 (t), as shown by the broken line in FIG. 2 (a), the dead time via the (dead time) T d, increases according to an exponential function of the time constant tau a, constant at time t 6 it reaches a state of a voltage (rated voltage) V n (equation 4).
V (t) = V n {1−exp (− (t−T d ) / τ A )} (4)
This time t 6 (= t 6 −0) is a waiting time for a user of the fuel cell system that cannot electrically connect a load such as a portable electronic device. In particular, it is desirable that this waiting time be short when using a portable electronic device in an emergency or emergency.

そこで本実施形態では、定格電圧Vnに達するまでの時間がt5(t5<t6)となるように制御する(式(5))。τBは時定数であり、τB<τAである。
V(t)=Vn{1−exp(−(t−Td)/τB)} (5)
このように制御するために、メタノール水溶液の濃度C(t)、空気ポンプ12の風量Q(t)、及びブロア22の風量q(t)を、燃料電池システムの運転開始からの時間経過に従って、式(6)〜式(8)のように変化させる。
C(t)=Cn+(C0−Cn)・exp(−t/τC) (6)
Q(t)=Q0+(Qn−Q0)・{1−exp(−t/τC)} (7)
q(t)=qn・{1−exp(−t/τC)} (8)
ここで、C0はメタノール水溶液の濃度の初期値、Q0は空気ポンプ12の風量の初期値であり、DMFCスタック4における式(2)の反応が進むために必要最小限の酸素ガスを供給できる風量、τCは時定数であり、τB<τC<τAである。式(6)〜(8)を図2(b)〜(d)に指数関数曲線(細い実線)として示す。
Therefore, in this embodiment, control is performed so that the time until the rated voltage V n is reached is t 5 (t 5 <t 6 ) (formula (5)). τ B is a time constant, and τ BA.
V (t) = V n {1−exp (− (t−T d ) / τ B )} (5)
In order to control in this way, the concentration C (t) of the aqueous methanol solution, the air volume Q (t) of the air pump 12, and the air volume q (t) of the blower 22 are set according to the passage of time from the start of operation of the fuel cell system. It changes like Formula (6)-Formula (8).
C (t) = C n + (C 0 −C n ) · exp (−t / τ C ) (6)
Q (t) = Q 0 + (Q n −Q 0 ) · {1−exp (−t / τ C )} (7)
q (t) = q n · {1−exp (−t / τ C )} (8)
Here, C 0 is the initial value of the concentration of the aqueous methanol solution, Q 0 is the initial value of the air volume of the air pump 12, and supplies the minimum oxygen gas necessary for the reaction of formula (2) in the DMFC stack 4 to proceed The air volume that can be produced, τ C is a time constant, and τ BCA. Expressions (6) to (8) are shown as exponential function curves (thin solid lines) in FIGS. 2 (b) to (d).

燃料電池システムの運転開始から定常運転に入るまでの立ち上げ運転時に、式(6)は定常運転時のメタノール水溶液の所定濃度より高い濃度のメタノール水溶液を供給することを意味し、式(7)及び式(8)は、定常運転時の所定風量より少ない風量に空気ポンプ12及びブロア22のそれぞれの風量を制御することを意味している。後述するように、外気温によって混合タンク9内のメタノール水溶液の温度が適切に保たれている場合などには、メタノール水溶液を冷却するためのブロア22の風量q(t)を制御する必要はない。要は、メタノール水溶液の温度を、所定温度又は立ち上げ運転時における所定温度より高い温度に維持できれば良い。   In the start-up operation from the start of operation of the fuel cell system to the start of steady operation, Equation (6) means that a methanol aqueous solution having a concentration higher than the predetermined concentration of the methanol aqueous solution during steady operation is supplied. Equation (7) And the equation (8) means that the air volumes of the air pump 12 and the blower 22 are controlled to an air volume smaller than a predetermined air volume at the time of steady operation. As will be described later, when the temperature of the aqueous methanol solution in the mixing tank 9 is appropriately maintained by the outside air temperature, it is not necessary to control the air volume q (t) of the blower 22 for cooling the aqueous methanol solution. . In short, it is sufficient that the temperature of the aqueous methanol solution can be maintained at a predetermined temperature or higher than a predetermined temperature during start-up operation.

式(6)〜(8)の理論曲線に従って、濃度や風量を制御するためには、メタノール濃度センサ10、温度センサ16、図示していない空気ポンプ12の風量を計測するセンサ、さらにDMFCスタック4の発電電圧を計測する電圧計21の値をフィードバックした制御系を構成しなければならず、その制御系は複雑になる。この制御をプロセッサにより実行するプログラムにより実現するためには、制御(プログラム)ステップが多くなる。   In order to control the concentration and the air volume according to the theoretical curves of the equations (6) to (8), the methanol concentration sensor 10, the temperature sensor 16, a sensor for measuring the air volume of the air pump 12 (not shown), and the DMFC stack 4 A control system that feeds back the value of the voltmeter 21 for measuring the generated power voltage must be configured, and the control system becomes complicated. In order to realize this control by a program executed by a processor, the number of control (program) steps is increased.

ここでは、図2(b)〜(d)(階段状の太い実線)に示すように、メタノール濃度C(t)、空気ポンプの風量Q(t)、及び混合タンク9内のメタノール水溶液を冷却するブロア22の風量q(t)を時間経過と共に段階的に変化させる。メタノール濃度C(t)を、時刻0〜t1ではC1(C0>C1≧C(t1)、たとえばC1=(C0+C(t1))/2)、時刻t1〜t2ではC2(C(t1)>C2≧C(t2)、たとえばC2=(C(t1)+C(t2))/2)のように制御する。空気ポンプ12の風量Q(t)を、時刻0〜t1ではQ1(Q0≦Q1<Q(t1)、たとえばQ1=(Q0+Q(t1))/2)、時刻t1〜t2ではQ2(Q(t1) ≦Q2<Q(t2)、たとえばQ2=(Q(t1)+Q(t2))/2)のように制御する。ブロア22の風量q(t)に関しても同様に制御する。 Here, as shown in FIGS. 2 (b) to (d) (step-shaped thick solid line), the methanol concentration C (t), the air volume Q (t) of the air pump, and the methanol aqueous solution in the mixing tank 9 are cooled. The air volume q (t) of the blower 22 is changed stepwise with time. The methanol concentration C (t), time 0 to t 1 in C 1 (C 0> C 1 ≧ C (t 1), for example, C 1 = (C 0 + C (t 1)) / 2), times t 1 ~ At t 2 , control is performed as follows: C 2 (C (t 1 )> C 2 ≧ C (t 2 ), for example, C 2 = (C (t 1 ) + C (t 2 )) / 2). Air volume Q (t) of the air pump 12, time 0 to t 1 in Q 1 (Q 0 ≦ Q 1 <Q (t 1), for example, Q 1 = (Q 0 + Q (t 1)) / 2), time From t 1 to t 2 , control is performed as Q 2 (Q (t 1 ) ≦ Q 2 <Q (t 2 ), for example, Q 2 = (Q (t 1 ) + Q (t 2 )) / 2). The air volume q (t) of the blower 22 is similarly controlled.

このような制御は、制御データCi、Qi、qi(i=1、2、3、・・・)をメモリに持ち、所定の時間間隔で切り替えればよく、制御プログラムが簡単になる。 For such control, control data C i , Q i , q i (i = 1, 2, 3,...) Is held in a memory and switched at predetermined time intervals, and the control program is simplified.

メタノール濃度C(t)、空気ポンプ12の風量Q(t)及びブロア22の風量q(t)を同期して制御するように説明したが、必ずしも同期する必要は無い。また、ポンプやブロアの装置としての制御条件や制御精度の制約もあり、必ずしも同期した制御を実現できない。DMFCスタック4による発電電圧やメタノール水溶液の濃度などは、制御に不具合や異常の発生に備えて監視しているので、必要に応じてフィードバックすることにより、微調整などを含めた望ましい制御を実現する。   Although it has been described that the methanol concentration C (t), the air volume Q (t) of the air pump 12 and the air volume q (t) of the blower 22 are controlled in synchronization, it is not always necessary to synchronize. In addition, there are restrictions on the control conditions and control accuracy of the pump and blower devices, and synchronous control cannot always be realized. The power generation voltage and concentration of methanol aqueous solution by the DMFC stack 4 are monitored in preparation for occurrence of malfunctions or abnormalities in control, so feedback is provided as necessary to achieve desirable control including fine adjustment. .

メタノール濃度C(t)、空気ポンプ12の風量Q(t)及びブロア22の風量q(t)を同期して制御できる場合、時刻t1、t2、t3、・・・の時間間隔Δt(Δt=ti+1−ti、(i=1、2、3、・・・))は一定であることが望ましい。制御プログラムを周期タイマによって時刻t1、t2、t3、・・・のタイミングで起動すればよいからである。また定格電圧Vnに達するまでの時間がt5(t5<t6)となるように制御すると前述したが、時間Δt×5に定常状態にすることを意味するものではない(添字は説明のために付したものである)
代案として、階段状に変化させるメタノール濃度C(t)、空気ポンプの風量Q(t)、及びブロア22の風量q(t)の各制御量のステップ(段階)の差(たとえば、C(t2)−C(t1))を一定にする方法がある。この場合の時間間隔は、指数関数の特性に依存するので、燃料電池システム1の運転開始直後は小さく、定常状態に近づくに従って大きくなる。他の代案として、指数関数ではなく直線状にステップを決定してゆく(制御量のステップの差及び時間間隔が一定)方法もある。
When the methanol concentration C (t), the air volume Q (t) of the air pump 12 and the air volume q (t) of the blower 22 can be controlled in synchronization, the time interval Δt between times t 1 , t 2 , t 3 ,. It is desirable that (Δt = t i + 1 −t i , (i = 1, 2, 3,...)) Be constant. This is because the control program may be started at the timings t 1 , t 2 , t 3 ,. In addition, although it has been described above that the time until reaching the rated voltage V n is controlled to be t 5 (t 5 <t 6 ), it does not mean that a steady state is reached at time Δt × 5 (subscripts are explained) Is attached for)
As an alternative, the step difference (step (step)) of each control amount of the methanol concentration C (t) to be changed stepwise, the air volume Q (t) of the air pump, and the air volume q (t) of the blower 22 (for example, C (t 2 ) There is a method of keeping −C (t 1 )) constant. Since the time interval in this case depends on the characteristics of the exponential function, the time interval is small immediately after the start of operation of the fuel cell system 1, and increases as the steady state is approached. As another alternative, there is a method in which the steps are determined in a straight line instead of an exponential function (the step difference of the control amount and the time interval are constant).

これらの代案と比較すると、前述の時間間隔一定の制御は、制御(プログラム)の実現の容易性のみでなく、次のような利点がある。時間間隔一定の制御は、燃料電池システム1の運転開始直後は制御量の変化(段階の差)が大きく(指数関数の微係数の絶対値が大きく微分制御の作用が働く)、燃料電池システム1の立ち上げ時間を短くする作用があり、定常状態に近づくに従って制御量の変化(段階の差)が小さく(指数関数の微係数の絶対値が小さく積分制御の作用が働く)、燃料電池システム1を定常状態へ安定化させる(出力電圧をオーバーシュートさせない)作用がある。上記の代案では、微分制御、積分制御の作用が逆になり、制御が複雑になるだけでなく、不安定な制御になる。また他の代案は比例制御によるもので、運転開始直後に本実施形態の制御の利点を得られないだけでなく、定常状態に近づいたときの安定性の利点も得られない。以上の代案との比較は、理想に近い状態でメタノール濃度C(t)などを制御できる場合であって、用いる具体的な機器の制約によっては代案や、他の代案の制御を選択または組み合わせざるを得ない場合がある。   Compared with these alternatives, the above-described control with a constant time interval has the following advantages in addition to the ease of realizing the control (program). In the control with a constant time interval, the change in the control amount (step difference) is large immediately after the start of operation of the fuel cell system 1 (the absolute value of the differential coefficient of the exponential function is large and the action of differential control works). The amount of change in the control amount (step difference) is small as the steady state is approached (the absolute value of the derivative of the exponential function is small and the action of integral control works), and the fuel cell system 1 Is stabilized to a steady state (the output voltage is not overshooted). In the above alternative, the operations of the differential control and the integral control are reversed, and not only the control becomes complicated, but also the control becomes unstable. Further, another alternative is based on proportional control, and not only can the advantages of the control of the present embodiment be obtained immediately after the start of operation, but also the stability advantages when approaching a steady state. Comparison with the above alternatives is a case where the methanol concentration C (t) etc. can be controlled in an almost ideal state, and depending on the restrictions of the specific equipment to be used, alternatives or other alternative controls may be selected or combined. You may not get.

以上の制御を実現するコントローラ13の概略図を図3に示す。コントローラ13は、プロセッサ30、制御プログラムを格納するEEPROM(Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory)などの書換え可能な不揮発メモリ31、各センサからの検出データや制御データなどを格納するRAM(Random Access Memory)などの書換え可能なメモリ32、タイマ33、各センサとの間でデータ(制御データ、検出データ)を送受するためのセンサインターフェース34、DMFCスタック4やポンプ類などとの間でデータ(制御データ、状態データ)を送受するための制御インターフェース35、外部インターフェース23又は遠隔に設けたDIPスイッチ23などとのデータを入出力する入出力インターフェース36、及び外部インターフェース23に設けた通信コネクタ24を介して、パーソナルコンピュータなどの計算機又は計算機相当の機器(以下、計算機)と所定の通信プロトコルに従って通信するための通信インターフェース37を有する。なお、各インターフェースは、機能的に分けて説明したが、実装上は統合又はさらに分離して構成しても良い。   A schematic diagram of the controller 13 for realizing the above control is shown in FIG. The controller 13 includes a processor 30, a rewritable nonvolatile memory 31 such as an EEPROM (Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory) that stores a control program, and a RAM (Random Access Memory) that stores detection data and control data from each sensor. Such as rewritable memory 32, timer 33, sensor interface 34 for sending / receiving data (control data, detection data) to / from each sensor, data (control data, DMFC stack 4 and pumps) Via the control interface 35 for transmitting / receiving the status data), the external interface 23 or the input / output interface 36 for inputting / outputting data with the DIP switch 23 provided remotely, and the communication connector 24 provided for the external interface 23, A computer such as a personal computer or a device equivalent to a computer (hereinafter referred to as a computer) A communication interface 37 for communicating according to the communication protocol. Each interface has been described functionally divided, but may be configured to be integrated or further separated for mounting.

図4に制御プログラムの処理フローチャートを示す。制御プログラムは、制御データCi、Qi、qi(i=1、2、3、・・・)などの定数と共に、不揮発メモリ31に格納されている、いわゆるファームウエアである。制御プログラムは、タイマ33に設定した周期タイマにより起動される。周期タイマに設定する周期は、たとえば前述の時間間隔Δtとする。運転開始からの立ち上げ時と定常運転時との時間間隔を異にする場合は、短い方の時間間隔によって起動する。各センサからの検出データを読み込む(ステップ40)。定常運転か否かを判定し(ステップ41)、定常運転ならばステップ45に分岐する。定常運転か否かを判定は後にステップ43で説明する時間のカウント値が、定常運転に入るまでの時間として設定した、たとえば図2におけるt5を超えている、又は出力が定格電圧に達しているならば、定常運転とする。読み込んだセンサデータが正常値を示しているかを判定し(ステップ42)、正常状態で無いならばステップ47に分岐する。 FIG. 4 shows a process flowchart of the control program. The control program is so-called firmware stored in the nonvolatile memory 31 together with constants such as control data C i , Q i , q i (i = 1, 2, 3,...). The control program is activated by a periodic timer set in the timer 33. The period set in the period timer is, for example, the aforementioned time interval Δt. When the time interval between the start-up from the start of operation and the time of steady operation is different, the system is started at the shorter time interval. The detection data from each sensor is read (step 40). It is determined whether or not the operation is a steady operation (step 41). To determine whether or not the operation is steady, the time count value described later in step 43 is set as the time until the start of steady operation, for example, exceeds t 5 in FIG. 2, or the output reaches the rated voltage. If so, it will be in steady operation. It is determined whether the read sensor data indicates a normal value (step 42). If the sensor data is not normal, the process branches to step 47.

立ち上げ運転時の場合、時間をカウントする(ステップ43)。通常は運転開始と共に、コントローラ13にはLiバッテリー14から電力が供給され、リセットされる。リセットされると揮発メモリ32はゼロクリアされる。時間のカウンタとしてメモリ32の所定の領域(時間カウントエリア)の値もゼロクリアされるので、その後、ステップ43の処理に入る毎にカウント(+1)する。時間カウントエリアに時間間隔Δtを乗じることにより、燃料電池システムの運転開始(正確にはコントローラ13のリセット)からの経過時間が得られる。この経過時間に応じて、図2を用いて説明した、メタノール濃度C(t)を制御し、空気ポンプの風量Q(t)及びブロアの風量q(t)を設定する。   In the case of start-up operation, the time is counted (step 43). Normally, when the operation is started, the controller 13 is supplied with electric power from the Li battery 14 and is reset. When reset, the volatile memory 32 is cleared to zero. Since the value of a predetermined area (time count area) of the memory 32 is also cleared to zero as a time counter, it is counted (+1) every time the process of step 43 is entered. By multiplying the time count area by the time interval Δt, the elapsed time from the start of operation of the fuel cell system (more precisely, the reset of the controller 13) can be obtained. According to the elapsed time, the methanol concentration C (t) described with reference to FIG. 2 is controlled, and the air volume Q (t) of the air pump and the air volume q (t) of the blower are set.

メタノール濃度C(t)は、燃料カートリッジ2からのメタノールと精製水カートリッジ3からの水の混合比で決定される。したがって、コントローラ13は、メタノール水溶液の濃度を監視する濃度センサ10のセンサデータ(混合タンク9内のメタノール水溶液の濃度)と所定のメタノール濃度C(t)との偏差が0になるように、混合ポンプ5、6、電磁弁7、8を制御する。メタノール濃度C(t)はいわゆるフィードバック制御で実現するが、混合ポンプ5、6、電磁弁7、8の応答遅れから制御系としてのむだ時間が発生する。このむだ時間が燃料電池システム1の立ち上げ処理に影響を与える(立ち上げ時間が所望の時間より長くなる)ならば、制御プログラムの起動周期を短くし、むだ時間を打ち消すように所定時刻より前もって次の段階の制御を開始する、又は所定のメタノール濃度C(t)より高い濃度(C(t)+ΔC)を目標値として制御すればよい。   The methanol concentration C (t) is determined by the mixing ratio of methanol from the fuel cartridge 2 and water from the purified water cartridge 3. Therefore, the controller 13 performs mixing so that the deviation between the sensor data of the concentration sensor 10 for monitoring the concentration of the aqueous methanol solution (the concentration of the aqueous methanol solution in the mixing tank 9) and the predetermined methanol concentration C (t) becomes zero. Controls pumps 5 and 6 and solenoid valves 7 and 8. Although the methanol concentration C (t) is realized by so-called feedback control, a dead time as a control system occurs due to a response delay of the mixing pumps 5 and 6 and the solenoid valves 7 and 8. If this dead time affects the start-up process of the fuel cell system 1 (start-up time becomes longer than the desired time), shorten the control program start cycle and cancel the dead time in advance of the predetermined time. Control of the next stage may be started, or a concentration (C (t) + ΔC) higher than a predetermined methanol concentration C (t) may be controlled as a target value.

定常運転の場合、読み込んだセンサデータが正常値を示しているかを判定し(ステップ45)、正常状態で無いならばステップ47に分岐する。正常状態ならば、定常運転の処理をする(ステップ46)。定常運転の処理は、(1)電圧計21が示すDMFCスタック4による発電電圧が負荷の変動にも安定になるように、メタノール水溶液の濃度や空気ポンプ12の風量を制御する、(2)定常運転に入った直後にコントローラ13及びポンプなどの機器の電源をLiバッテリー14から、DMFCスタック4からの出力に切り替える、(3)燃料カートリッジ2及び精製水カートリッジ3の残量監視、(4)異常監視及び異常処理などである。異常状態の場合は、異常の内容に応じた異常処理(燃料電池システムの緊急停止や異常表示ランプ25の点灯など)を実行する(ステップ47)。定常運転の処理および異常処理の詳細説明は省略する。   In the case of steady operation, it is determined whether the read sensor data indicates a normal value (step 45), and if not normal, the process branches to step 47. If it is normal, the steady operation is performed (step 46). The process of steady operation is as follows: (1) Control the concentration of aqueous methanol solution and the air volume of the air pump 12 so that the voltage generated by the DMFC stack 4 indicated by the voltmeter 21 is stable against load fluctuations. (2) Steady operation Immediately after starting operation, the power supply of the controller 13 and the pump and the like is switched from the Li battery 14 to the output from the DMFC stack 4, (3) monitoring the remaining amount of the fuel cartridge 2 and the purified water cartridge 3, (4) abnormality Monitoring and abnormality processing. In the case of an abnormal state, abnormality processing (emergency stop of the fuel cell system, lighting of the abnormality display lamp 25, etc.) corresponding to the content of the abnormality is executed (step 47). A detailed description of the steady operation process and the abnormality process will be omitted.

なお、ステップ41で定常運転か否かを判定した後に、正常状態か否かをステップ42とステップ45とで分けて判定しているのは、立ち上げ運転時には、適切(正常)であると設定したメタノール水溶液の濃度が、定常運転時には異常である場合があるからである。すなわち正常/異常の判定基準が、立ち上げ運転時と定常運転時とで異なるからである。   Note that after determining whether the operation is steady in step 41, whether it is normal or not is determined separately in step 42 and step 45 because it is set as appropriate (normal) during start-up operation This is because the concentration of the aqueous methanol solution may be abnormal during steady operation. That is, the normal / abnormal judgment criteria are different between the startup operation and the steady operation.

次に燃料電池システム1の典型的な動作モードについて説明する。典型的な動作モードとは、図3のDIPスイッチ26に付した動作モードである、電池運転モード、外部制御モード及び書換えモードである。最初に燃料電池システム1の通常の動作である電池運転モードについて説明する。図3のDIPスイッチ26は、ビット0のスイッチがONしており、電池運転モードを設定した状態を表している。このように設定された状態で、スイッチ/表示25の運転スイッチがONされると、Liバッテリー14からコントローラ13及び各機器に電源が供給され、リセット回路(図示略)によりコントローラ13及びリセット処理が必要な機器がリセットされる。リセット後の動作は、図4を用いて説明したとおりである。   Next, typical operation modes of the fuel cell system 1 will be described. Typical operation modes are a battery operation mode, an external control mode, and a rewrite mode, which are operation modes attached to the DIP switch 26 of FIG. First, a battery operation mode that is a normal operation of the fuel cell system 1 will be described. The DIP switch 26 in FIG. 3 represents a state in which the switch of bit 0 is ON and the battery operation mode is set. When the operation switch of the switch / display 25 is turned on in the state set in this way, power is supplied from the Li battery 14 to the controller 13 and each device, and the controller 13 and reset processing are performed by a reset circuit (not shown). Necessary equipment is reset. The operation after reset is as described with reference to FIG.

DIPスイッチ26のビット1がONの場合の外部制御モードについて説明する。外部制御モードとは、通信インターフェース37及び通信コネクタ24を介して接続する計算機が実行するプログラムによって、不揮発メモリ31に格納されている制御プログラムの実行に代わって、燃料電池システムを制御するモードである。この場合、コントローラ13の各インターフェースなどとの入出力や制御に関わる制御プログラムの部分を動作させるようにして、この部分と通信インターフェース37及び通信コネクタ24を介した計算機との協調により制御する方法と、コントローラ13のバス(制御バス、アドレスバス、データバス)を外部に引き出すインターフェースを設け、このインターフェースを介して計算機を接続する方法がある。後者の方法をとる場合は、コントローラ13のプロセッサ30及び不揮発メモリ31は、バスとの接続を電気的に切断する(たとえば、バスから見てハイインピーダンス状態にする)。   An external control mode when bit 1 of the DIP switch 26 is ON will be described. The external control mode is a mode in which the fuel cell system is controlled instead of executing the control program stored in the nonvolatile memory 31 by a program executed by a computer connected via the communication interface 37 and the communication connector 24. . In this case, a control program part related to input / output and control with each interface of the controller 13 is operated, and this part is controlled in cooperation with a computer via the communication interface 37 and the communication connector 24. There is a method of providing an interface for pulling out the bus (control bus, address bus, data bus) of the controller 13 to the outside, and connecting a computer via this interface. When the latter method is adopted, the processor 30 and the nonvolatile memory 31 of the controller 13 are electrically disconnected from the bus (for example, brought into a high impedance state when viewed from the bus).

このような構成をとることにより、燃料電池システム1の外部に接続した計算機により、制御プログラムの実行をエミュレーションできる。このエミュレーションによって、制御プログラムの論理のテストを実行することができる。エミュレーションは、定常運転時の各種パラメータに限らず、本実施形態における制御データCi、Qi、qi(i=1、2、3、・・・)の決定のためにも必要である。燃料電池システム1のDMFCスタック4における化学反応は、メタノール水溶液の濃度によって反応が促進されるだけではなく、メタノール水溶液の温度によっても反応が促進されることを説明した。携帯電子機器へ接続する燃料電池システム1の使用場所として寒冷地や熱帯地方などもあり、しかも屋外でも使用される。したがって、常温条件下の制御データCi、Qi、qi(i=1、2、3、・・・)のみでなく、たとえば、外気温が0℃、−20℃などに適合した制御データも備えなければならない。これらの制御データの値を実験的に定めるためにもエミュレーションが有用になる。極端な環境によっては、制御プログラムの論理も変える必要があるかもしれない。 By adopting such a configuration, the execution of the control program can be emulated by a computer connected to the outside of the fuel cell system 1. With this emulation, a logic test of the control program can be executed. Emulation is not limited to various parameters during steady operation, but is also necessary for determining control data C i , Q i , q i (i = 1, 2, 3,...) In this embodiment. It has been explained that the chemical reaction in the DMFC stack 4 of the fuel cell system 1 is not only accelerated by the concentration of the aqueous methanol solution but also accelerated by the temperature of the aqueous methanol solution. The fuel cell system 1 connected to the portable electronic device is used in places such as cold regions and tropical regions, and is also used outdoors. Therefore, not only the control data C i , Q i , q i (i = 1, 2, 3,...) Under normal temperature conditions, but also, for example, control data adapted to an outside temperature of 0 ° C., −20 ° C., etc. Must also be prepared. Emulation is also useful for experimentally determining these control data values. Depending on the extreme environment, the logic of the control program may need to be changed.

DIPスイッチ26のビット2がONの場合の書換えモードについて説明する。書換えモードとは、外部制御モードでテストした制御プログラム及び制御データを、外部の計算機からEEPROMなどの書換え可能な不揮発メモリ31に新たに書き込むモードである。このために必要な、通信インターフェースを介して所定の通信プロトコルに従って外部の計算機から読み込み、不揮発メモリ31に書き込むローダを、不揮発メモリ31の所定の領域(制御プログラムの格納領域とは異なる領域)に予め格納しておく。DIPスイッチ26のビット2がONの立ち上がり(OFFからONへの変化)の検知に応じて、プロセッサ30がローダを実行するように設定しておく。DIPスイッチ26のビット2がONの立ち上がりは、ビット2へのON設定後に、スイッチ25により運転開始されると、前述のリセット信号により入出力インターフェース(具体的にはレジスタ)がリセットされ(OFF状態)、引き続いてビット2へのON状態がレジスタに反映されるので、この変化を検知する。スイッチ25により運転開始され、その後にビット2へON状態が設定されたならば、設定されたタイミングで検知できる。   A rewrite mode when bit 2 of the DIP switch 26 is ON will be described. The rewrite mode is a mode in which a control program and control data tested in the external control mode are newly written into a rewritable nonvolatile memory 31 such as an EEPROM from an external computer. For this purpose, a loader that reads from an external computer according to a predetermined communication protocol via a communication interface and writes to the nonvolatile memory 31 is stored in a predetermined area of the nonvolatile memory 31 (an area different from the control program storage area) in advance. Store it. It is set so that the processor 30 executes the loader in response to detection of the rising edge of bit 2 of the DIP switch 26 (change from OFF to ON). The rise of bit 2 of DIP switch 26 is ON. When the operation is started by switch 25 after setting bit 2 to ON, the input / output interface (specifically, register) is reset by the aforementioned reset signal (OFF state) ) Subsequently, since the ON state to bit 2 is reflected in the register, this change is detected. If the operation is started by the switch 25 and then the ON state is set to the bit 2, it can be detected at the set timing.

なお、エミュレーションなどにより外気温に応じて複数組の制御データをCi、Qi、qi(i=1、2、3、・・・)を用意した場合、それらを書換え可能な不揮発メモリ31に書き込んでおき、燃料電池システム1の環境温度を監視する温度センサ17からの温度データに応じて、制御プログラムがいずれかの制御データを選択して処理する。また、予め使用場所の外気温が分かっている場合は、DIPスイッチ26の予備のビットを用いて外気温の段階を設定し、制御プログラムはDIPスイッチ26の予備のビットの設定に応じて、制御データを選択するようにしても良い。 Note that when a plurality of sets of control data C i , Q i , q i (i = 1, 2, 3,...) Are prepared according to the outside air temperature by emulation or the like, the rewritable nonvolatile memory 31 can be used. In accordance with the temperature data from the temperature sensor 17 that monitors the environmental temperature of the fuel cell system 1, the control program selects and processes one of the control data. If the outside air temperature of the place of use is known in advance, the outside air temperature stage is set using the spare bit of the DIP switch 26, and the control program controls according to the setting of the spare bit of the DIP switch 26. Data may be selected.

本実施形態によれば、燃料電池システムの立ち上げ時間を短くすることができる。   According to this embodiment, the startup time of the fuel cell system can be shortened.

本実施形態によれば、指数関数に従って制御量を変化させるので、運転開始直後は立ち上げ時間を短くするように動作し、定常状態に近づくに従って定常状態へ安定化させることができる。   According to the present embodiment, the control amount is changed according to the exponential function, so that the startup time can be shortened immediately after the start of operation, and the steady state can be stabilized as the steady state is approached.

本実施形態によれば、制御プログラムは、周期タイマにより起動され、制御データを切り替えて設定する処理を実行するので、簡単に構成される。   According to the present embodiment, the control program is simply configured because it is activated by the periodic timer and executes the process of switching and setting the control data.

本実施形態によれば、エミュレーションするモードが設けられ、制御プログラムの論理のテスト、制御データCi、Qi、qi(i=1、2、3、・・・)の決定を容易にできる。 According to the present embodiment, a mode for emulation is provided, and it is easy to test the logic of the control program and determine control data C i , Q i , q i (i = 1, 2, 3,...). .

本実施形態によれば、制御プログラムが複数の制御データの組のいずれかを選択して処理するので、外気温に応じた制御が可能である。   According to the present embodiment, since the control program selects and processes one of a plurality of sets of control data, control according to the outside air temperature is possible.

燃料電池システムのブロック図である。It is a block diagram of a fuel cell system. コントローラによる制御を説明する図である。It is a figure explaining control by a controller. コントローラのブロック図である。It is a block diagram of a controller. 制御プログラムの処理フローチャートである。It is a processing flowchart of a control program.

符号の説明Explanation of symbols

1:燃料電池システム、2:燃料カートリッジ、3:精製水カートリッジ、4:DMFCスタック、5、6:混合ポンプ、7、8:電磁弁、9:混合タンク、10:濃度センサ、11:燃料ポンプ、12:空気ポンプ、13:コントローラ、14:Liバッテリー、15、16、17:温度センサ、18、19:残量センサ、20:出力インターフェース、21:電圧計、22:ブロア、23:外部インターフェース、24:通信コネクタ、25:スイッチ/表示、26:DIPスイッチ、30:プロセッサ、31、32:メモリ、33:タイマ、34:センサインターフェース、35:制御インターフェース、36:入出力インターフェース、37:通信インターフェース。 1: Fuel cell system, 2: Fuel cartridge, 3: Purified water cartridge, 4: DMFC stack, 5, 6: Mixing pump, 7, 8: Solenoid valve, 9: Mixing tank, 10: Concentration sensor, 11: Fuel pump , 12: Air pump, 13: Controller, 14: Li battery, 15, 16, 17: Temperature sensor, 18, 19: Remaining sensor, 20: Output interface, 21: Voltmeter, 22: Blower, 23: External interface 24: Communication connector 25: Switch / display 26: DIP switch 30: Processor 31, 32: Memory 33: Timer 34: Sensor interface 35: Control interface 36: Input / output interface 37: Communication interface.

Claims (9)

所定濃度のメタノール水溶液をアノード側から供給し、所定風量の空気をカソード側から供給してその化学反応により定格電圧の電力を発電するDMFC(Direct Methanol Fuel Cell)スタック、
前記DMFCスタックの運転開始に応答して、前記アノード側から供給する、前記所定濃度より高い濃度のメタノール水溶液を溜める混合タンク、及び
前記DMFCスタックの運転開始に応答して、前記所定風量より少ない風量の空気を前記カソード側から供給する空気ポンプ、
前記混合タンク内の前記所定濃度のメタノール水溶液を所定温度に冷却する風量を持ち、
前記DMFCスタックの運転開始に応答して、該風量を前記所定濃度より高い濃度のメタノール水溶液を前記所定温度より高い温度に維持する風量とするブロアを有し、
前記DMFCスタックの運転開始から前記定格電圧の電力の発電に達するまで、前記混合タンクの前記高い濃度のメタノール水溶液の濃度を前記所定濃度に向けて段階的に制御し、前記空気ポンプの前記所定風量より少ない風量を前記所定風量に向けて段階的に制御し、前記ブロアの前記所定温度より高い温度に維持する風量を前記所定温度に冷却する風量に向けて段階的に制御することを特徴とする燃料電池システム。
A DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) stack that supplies an aqueous methanol solution of a predetermined concentration from the anode side, supplies air of a predetermined air volume from the cathode side, and generates electric power of the rated voltage through its chemical reaction,
In response to the start of operation of the DMFC stack, a mixing tank for supplying a methanol aqueous solution having a concentration higher than the predetermined concentration supplied from the anode side, and
In response to the start of operation of the DMFC stack, an air pump that supplies air of an air volume smaller than the predetermined air volume from the cathode side,
Having an air volume for cooling the methanol aqueous solution of the predetermined concentration in the mixing tank to a predetermined temperature;
In response to the start of operation of the DMFC stack, the air volume has a blower configured to maintain an air volume of methanol higher than the predetermined concentration at a temperature higher than the predetermined temperature,
From the start of operation of the DMFC stack until the generation of electric power of the rated voltage is reached, the concentration of the high concentration aqueous methanol solution in the mixing tank is controlled stepwise toward the predetermined concentration, and the predetermined air volume of the air pump A smaller air volume is controlled stepwise toward the predetermined air volume, and an air volume maintained at a temperature higher than the predetermined temperature of the blower is controlled stepwise toward the air volume cooled to the predetermined temperature. fuel cell system that.
前記DMFCスタックの運転開始から前記定格電圧の電力の発電に至る時間経過に応じて、前記段階的な制御の各々は、各段階の差が小さくなるように実行されることを特徴とする請求項記載の燃料電池システム。 The stepwise control is executed such that a difference between the steps is reduced as time elapses from the start of operation of the DMFC stack to the generation of power of the rated voltage. 1. The fuel cell system according to 1 . 前記メタノール水溶液の濃度の段階的な制御、前記空気ポンプの前記風量の段階的な制御及び前記ブロアの前記風量の段階的な制御を実行するコントローラを、さらに有することを特徴とする請求項記載の燃料電池システム。 The stepwise control of the concentration of aqueous methanol solution, according to claim 2, wherein the controller executes the air volume of stepwise control of the stepwise control and the blower of the air volume of the air pump, and further comprising Fuel cell system. 前記コントローラは、予め定めた制御データに基づいて、前記メタノール水溶液の濃度の段階的な制御、前記空気ポンプの前記風量の段階的な制御及び前記ブロアの前記風量の段階的な制御を制御プログラムによって実行することを特徴とする請求項記載の燃料電池システム。 The controller performs stepwise control of the concentration of the aqueous methanol solution, stepwise control of the air volume of the air pump, and stepwise control of the air volume of the blower based on predetermined control data by a control program. The fuel cell system according to claim 3 , wherein the fuel cell system is executed. 前記制御プログラムは、該燃料電池システムの外気温に応答して、予め定めた複数組の制御データから前記予め定めた制御データを選択することを特徴とする請求項記載の燃料電池システム。 5. The fuel cell system according to claim 4 , wherein the control program selects the predetermined control data from a plurality of predetermined control data in response to an outside air temperature of the fuel cell system. 所定温度に冷却され、アノード側から供給される所定濃度のメタノール水溶液とカソード側から供給される所定風量の空気との化学反応により定格電圧の電力を発電するDMFCスタックの運転開始に応答して、
前記所定濃度より高い濃度のメタノール水溶液を前記アノード側から供給し、
前記所定風量より少ない風量の空気を前記カソード側から供給し、
前記所定濃度より高い濃度のメタノール水溶液を前記所定温度より高い温度に維持し、
前記DMFCスタックの運転開始から前記定格電圧の電力の発電に達するまで、前記高い濃度のメタノール水溶液の濃度を前記所定濃度に向けて段階的に制御し、前記カソード側に供給する空気の前記所定風量より少ない風量を前記所定風量に向けて段階的に制御し、前記メタノール水溶液を前記所定温度より高い温度に維持する風量を前記所定温度に冷却する風量に向けて段階的に制御することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
Responding to the start of operation of the DMFC stack that generates power of rated voltage by a chemical reaction between a methanol aqueous solution of a predetermined concentration supplied from the anode side and a predetermined air volume of air supplied from the cathode side, cooled to a predetermined temperature,
Supplying a methanol aqueous solution having a concentration higher than the predetermined concentration from the anode side;
Supplying air from the cathode side with an air volume less than the predetermined air volume;
Maintaining a methanol aqueous solution having a concentration higher than the predetermined concentration at a temperature higher than the predetermined temperature;
From the start of operation of the DMFC stack until the generation of power at the rated voltage is reached, the concentration of the high-concentration aqueous methanol solution is controlled stepwise toward the predetermined concentration, and the predetermined air volume of air supplied to the cathode side A step of controlling a smaller amount of air toward the predetermined amount of air, and a step of controlling an amount of air that maintains the aqueous methanol solution at a temperature higher than the predetermined temperature toward the amount of air that is cooled to the predetermined temperature. method of controlling a fuel cell system that.
前記DMFCスタックの運転開始から前記定格電圧の電力の発電に至る時間経過に応じて、前記段階的な制御の各々を各段階の差が小さくなるように実行することを特徴とする請求項記載の燃料電池システムの制御方法。 The DMFC depending from the operation start of the stack to the elapsed time reaches the power generation of the power of the rated voltage, according to claim 6, wherein the performing each of the stepwise control such that the difference of each phase is reduced Control method for the fuel cell system of the present invention. 予め定めた制御データに基づいて、前記メタノール水溶液の濃度、前記カソードに供給する前記風量及び前記メタノール水溶液を冷却する前記風量を段階的に制御することを特徴とする請求項記載の燃料電池システムの制御方法。 8. The fuel cell system according to claim 7 , wherein the concentration of the aqueous methanol solution, the amount of air supplied to the cathode, and the amount of air for cooling the aqueous methanol solution are controlled stepwise based on predetermined control data. Control method. 該燃料電池システムの外気温に応答して、予め定めた複数組の制御データから前記予め定めた制御データを選択することを特徴とする請求項記載の燃料電池システムの制御方法。 9. The control method for a fuel cell system according to claim 8, wherein the predetermined control data is selected from a plurality of predetermined control data in response to an outside air temperature of the fuel cell system.
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