JP5250293B2 - Fuel cell system and method for starting fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池システムの起動方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system and a fuel cell system activation method.
従来から、例えば車両に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜をアノード電極およびカソード電極で両側から挟んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池（以下、単位セルという。）を構成し、この単位セルを複数積層して燃料電池スタック（以下、燃料電池という。）とするものが知られている。このような燃料電池では、アノード電極とセパレータとの間（アノード流路）に燃料ガスとして水素ガスを供給するとともに、カソード電極とセパレータとの間（カソード流路）に酸化剤ガスとして空気を供給する。これにより、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極で空気中の酸素と電気化学反応を起こし、発電が行われる。なお、この発電に伴って、燃料電池内部で水が生成される。 Conventionally, for example, in a fuel cell mounted on a vehicle, a membrane electrode structure is formed by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane between an anode electrode and a cathode electrode from both sides, and a pair of separators are provided on both sides of the membrane electrode structure. A flat unit fuel cell (hereinafter referred to as a unit cell) is arranged to form a fuel cell stack (hereinafter referred to as a fuel cell) by stacking a plurality of unit cells. In such a fuel cell, hydrogen gas is supplied as a fuel gas between the anode electrode and the separator (anode channel), and air is supplied as an oxidant gas between the cathode electrode and the separator (cathode channel). To do. As a result, hydrogen ions generated by the catalytic reaction at the anode electrode pass through the solid polymer electrolyte membrane and move to the cathode electrode, causing an electrochemical reaction with oxygen in the air at the cathode electrode, thereby generating power. It should be noted that water is generated inside the fuel cell with this power generation.
このような燃料電池を備える燃料電池システムでは、発電停止から長い時間が経過すると、カソード流路側から空気が固体高分子電解質膜を介してアノード流路側へ侵入することで、アノード流路側に発電に関与しないガス（主に窒素ガス）が滞留することがある。このような滞留ガスが存在していると、次の燃料電池の起動時に、アノード流路側の水素の分圧が下がった状態となっているため、発電の再開までに時間がかかるという問題があった。 In a fuel cell system including such a fuel cell, when a long time has elapsed since power generation was stopped, air enters the anode flow channel side through the solid polymer electrolyte membrane from the cathode flow channel side, thereby generating power on the anode flow channel side. Uninvolved gas (mainly nitrogen gas) may stay. If such a stagnant gas exists, the partial pressure of hydrogen on the anode flow path side is lowered at the time of starting the next fuel cell, so that there is a problem that it takes time to restart power generation. It was.
このような問題を解消するために、燃料電池の起動時にアノード流路側の圧力を高め、アノード電極側の流路に残留する窒素ガス（滞留ガス）を排出させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１の燃料電池装置の起動方法によれば、燃料電池の起動時にアノード電極側の流路に設けたパージ弁を閉じた状態で燃料電池へ水素ガス（燃料ガス）を供給することで、一旦アノード流路側の圧力を高め、その後パージ弁を開放させて窒素ガスを排出（パージ）させている。また、その窒素ガスのパージ中においては、常時燃料電池の出力電圧が所定値以上になったか否かを判断し、出力電圧が所定値以上になったときにパージ弁を閉じて通常発電を行っている（以下、前記した一連の動作を「ＯＣＶパージ」という）。
ところで、特許文献１の燃料電池装置の起動方法によれば、燃料電池の出力電圧が所定値（固定値）以上になったか否かのみで、燃料電池を通常発電に切り替えるか否かを判断していた。 By the way, according to the starting method of the fuel cell device of Patent Document 1, it is determined whether or not to switch the fuel cell to normal power generation only based on whether or not the output voltage of the fuel cell has exceeded a predetermined value (fixed value). It was.
ここで、図６は燃料電池システムのＯＣＶパージの際の時間と出力電圧および水素濃度との関係を示すグラフである。図６に示すように、燃料電池のソーク時間（燃料電池が停止してから、次に起動するまでの時間）が長時間の場合には、燃料電池の出力電圧は略０Ｖまで低下している（図６の線分（ｃ）参照）が、ソーク時間が短時間の場合には、燃料電池の出力電圧は発電時の電圧よりも少し低い程度の電圧Ｖ１を保持している（図６の線分（ａ）参照）。そして、それぞれの状態からＯＣＶパージを行い、燃料電池を起動させようとすると、同じようにガス置換が進んでも、出力電圧の上昇速度に違いが発生する。 Here, FIG. 6 is a graph showing the relationship between the time during the OCV purge of the fuel cell system, the output voltage, and the hydrogen concentration. As shown in FIG. 6, when the soak time of the fuel cell (the time from when the fuel cell is stopped to when it is next activated) is long, the output voltage of the fuel cell is reduced to approximately 0V. (line segment shown in FIG. 6 (c) refer) it is, when the soak time is short, the output voltage of the fuel cell holds the voltage V 1 of the extent slightly lower than the voltage of the power generation (Figure 6 Line segment (a)). When an OCV purge is performed from each state to start the fuel cell, even if gas replacement proceeds in the same manner, a difference occurs in the rate of increase in output voltage.
これは、ソーク時間が長時間になると燃料電池内の水素濃度が低下し、燃料電池を活性化させるまでに時間がかかる。結果として、燃料電池を活性化させるまでの時間が必要な分、出力電圧の上昇速度が遅くなる。一方、ソーク時間が短時間の場合には燃料電池内の水素濃度Ｒ１が高いまま保持されているため、燃料電池が活性化状態で保持されている。結果として、燃料電池を活性化させるまでの時間が必要ないため、出力電圧の上昇速度が速くなる。 This is because when the soak time becomes long, the hydrogen concentration in the fuel cell decreases, and it takes time to activate the fuel cell. As a result, the increase rate of the output voltage is slowed by the time required for activating the fuel cell. On the other hand, since if the soak time is short is kept high hydrogen concentration R 1 in the fuel cell, the fuel cell is maintained in an activated state. As a result, since no time is required until the fuel cell is activated, the output voltage rises at a higher speed.
すなわち、長時間ソーク状態からの起動時の方が、短時間ソーク状態からの起動時よりもアノード電極の水素濃度が高くならないと出力電圧が所定値（所定閾値電圧）ＶＱに達しない（図６の線分（ｂ）、（ｄ）参照）。図６では、長時間ソーク状態の場合は、所定値ＶＱに到達するのに時間ｔ３かかるが、実際には時間ｔ２の時点で燃料電池の起動に必要な水素濃度ＲＱは確保されている。つまり、出力電圧がある一定の所定値ＶＱに達したか否かで燃料電池の起動可否を決定すると、長時間ソーク状態から燃料電池を起動させる場合には、出力電圧が所定値（所定閾値電圧）ＶＱに達したときの水素濃度Ｒ３は、燃料電池の起動に必要な水素濃度ＲＱよりも高くなっているにもかかわらず、起動許可が得られなかった。結果として、長時間ソーク状態からの燃料電池の起動時間を必要以上に長く取ってしまうという問題があった。 That is, the output voltage does not reach the predetermined value (predetermined threshold voltage) V Q unless the hydrogen concentration of the anode electrode is higher in the start-up from the long-time soak state than in the start-up from the short-time soak state (see FIG. 6 line segments (b) and (d)). In Figure 6, in the case of long soak state, time t 3 according but to reach the predetermined value V Q, the hydrogen concentration R Q required actually start the fuel cell at time t 2 is ensured ing. That is, when determining the success of starting of the fuel cell depending on whether reaches a certain predetermined value V Q there is an output voltage, when starting the long fuel cell from soak state, the output voltage is a predetermined value (a predetermined threshold value hydrogen concentration R 3 when it reaches the voltage) V Q, despite higher than the hydrogen concentration R Q required to start the fuel cell, start permission is not obtained. As a result, there has been a problem that the startup time of the fuel cell from the soaked state for a long time is taken longer than necessary.
さらに、燃料電池の起動時における燃料電池の温度によっても、出力電圧の上昇速度に違いが発生する。
これは、燃料電池は電気化学反応を起こして発電を行う仕組みになっているが、好適な温度（例えば、約８０℃）に近いほど発電性能が向上する。したがって、燃料電池の温度が高いほど、出力電圧の上昇速度も速くなるためである。
すなわち、燃料電池の起動時の温度が低い方が、温度が高い状態からの起動よりもアノード流路の水素濃度が高くならないと出力電圧が所定値（所定閾値電圧）に達しない。したがって、出力電圧がある一定の所定値に達したか否かで燃料電池の起動可否を決定すると、燃料電池の温度が低い状態から起動させる場合には、燃料電池の起動に必要な水素濃度は既に確保されているにもかかわらず、起動許可が得られなかった。つまり、低温時の燃料電池の起動時間を必要以上に長く取ってしまうという問題があった。
Furthermore, the output voltage rise rate varies depending on the temperature of the fuel cell when the fuel cell is started.
This is because the fuel cell is configured to generate electricity by causing an electrochemical reaction, but the power generation performance improves as the temperature approaches a suitable temperature (for example, about 80 ° C.). Therefore, the higher the temperature of the fuel cell, the faster the output voltage rises.
That is, the output voltage does not reach a predetermined value (predetermined threshold voltage) unless the hydrogen concentration in the anode flow path is higher when the temperature at the time of starting the fuel cell is lower than when starting from a higher temperature state. Therefore, if it is determined whether or not the fuel cell can be started based on whether or not the output voltage has reached a certain predetermined value, the hydrogen concentration required for starting the fuel cell is as follows when the fuel cell is started from a low temperature. Despite being secured, activation permission was not obtained. That is, there is a problem that the startup time of the fuel cell at a low temperature is unnecessarily long.
そこで、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、燃料電池の起動時間を適切に設定することができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの起動方法を提供するものである。 Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a fuel cell system and a fuel cell system activation method capable of appropriately setting the activation time of the fuel cell.
上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、アノード流路（例えば、実施形態における燃料ガス流路２１）に燃料ガスを、カソード流路（例えば、実施形態における酸化剤ガス流路２２）に酸化剤ガスを供給し発電を行う燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池１１）と、該燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段（例えば、実施形態における水素供給システム６０）と、前記燃料電池の起動時に、前記アノード流路内に滞留している滞留ガスを、前記燃料ガス供給手段を用いて前記燃料ガスに置換する置換手段と、前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段（例えば、実施形態における電圧計４０）と、該電圧検出手段により検出される前記燃料電池の電圧が、所定閾値電圧に達した際に前記滞留ガスが前記燃料ガスに置換されたと判定する置換完了判定手段（例えば、実施形態における置換完了判定部４８）と、を有する燃料電池システム（例えば、実施形態における燃料電池システム１０）において、前記燃料電池のソーク中の状態を検出するソーク状態検出手段（例えば、実施形態におけるソーク状態検出部４６）と、前記ソーク状態に基づいて、置換完了と判定する前記所定閾値電圧を補正する所定閾値電圧補正手段（例えば、実施形態における所定閾値電圧補正部５０）と、を備え、前記ソーク状態検出手段は、前記ソーク状態を保持しているソーク時間を検出するソーク時間検出手段（例えば、実施形態におけるソーク時間検出部４７）を備え、前記所定閾値電圧補正手段は、前記ソーク時間が長いほど前記所定閾値電圧を低く設定するように構成されていることを特徴としている。
In order to solve the above-described problems, the invention described in claim 1 is directed to a fuel gas in the anode flow path (for example, the fuel
請求項２に記載した発明は、前記燃料電池がソーク状態の間に、前記アノード流路内に掃気ガスを供給する掃気手段と、該掃気手段による掃気経験を検出する掃気検出手段（例えば、実施形態における掃気検出部５１）と、を備え、前記所定閾値電圧補正手段は、前記掃気手段による掃気が行われた場合には前記ソーク時間による前記所定閾値電圧補正を行わないことを特徴としている。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a scavenging means for supplying a scavenging gas into the anode channel while the fuel cell is in a soak state, and a scavenging detection means for detecting a scavenging experience by the scavenging means (for example, implementation) The predetermined threshold voltage correction means does not perform the predetermined threshold voltage correction based on the soak time when the scavenging means performs the scavenging.
請求項３に記載した発明は、前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段（例えば、実施形態における温度センサ４１）を有し、前記燃料電池の温度に基づいて前記所定閾値電圧補正手段により算出された前記所定閾値電圧をさらに補正する所定閾値電圧再補正手段（例えば、実施形態における所定閾値電圧再補正部４９）を有し、前記所定閾値電圧再補正手段は、前記燃料電池の温度が低いほど前記所定閾値電圧を低く設定するように構成されていることを特徴としている。
The invention described in claim 3 includes fuel cell temperature detecting means (for example, the
請求項４に記載した発明は、燃料電池の起動要求があったときに、燃料ガスを前記燃料電池のアノード流路に供給する燃料ガス供給ステップと、酸化剤ガスを前記燃料電池のカソード流路に供給する酸化剤ガス供給ステップと、前記燃料ガスが流通する前記アノード流路内の圧力が所定値となるように、前記アノード流路内の圧力を調整する圧力調整ステップと、前記圧力が所定値となった後に、前記アノード流路内のガスを外部に排出するガス排出ステップと、前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出ステップと、前記電圧が、所定閾値電圧に達したときに前記アノード流路内のガスが前記燃料ガスに置換されたと判定する置換完了判定ステップと、を有する燃料電池システムの起動方法において、前記置換完了判定ステップの前に、前記燃料電池のソーク時間を検出するソーク時間検出ステップと、前記ソーク時間に基づいて、前記所定閾値電圧を補正する所定閾値電圧補正ステップと、を備え、前記所定閾値電圧補正ステップにおいて、前記ソーク時間が長いほど前記所定閾値電圧を低く設定することを特徴としている。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a fuel gas supply step for supplying a fuel gas to the anode flow path of the fuel cell when a fuel cell activation request is made, and an oxidant gas for the cathode flow path of the fuel cell. An oxidant gas supply step for supplying the fuel gas, a pressure adjusting step for adjusting the pressure in the anode flow channel so that the pressure in the anode flow channel through which the fuel gas flows has a predetermined value, and the pressure is predetermined. A gas discharge step for discharging the gas in the anode flow path to the outside after the value has reached, a voltage detection step for detecting the voltage of the fuel cell, and the anode when the voltage reaches a predetermined threshold voltage A replacement completion determination step for determining that the gas in the flow path has been replaced with the fuel gas, and before starting the replacement completion determination step, A soak time detecting step of detecting a soak time of charges battery, based on the soak time, and a predetermined threshold voltage correction step of correcting the predetermined threshold voltage, at the predetermined threshold voltage correction step, said soak time The longer the length, the lower the predetermined threshold voltage is set .
請求項１に記載した発明によれば、ソーク状態検出手段により検出したソーク状態に対応して燃料電池の起動可否の判定に用いる所定閾値電圧を補正するため、ソーク状態により燃料電池の電圧上昇速度が異なったとしても、アノード流路内の燃料ガスへの置換状態（燃料ガス濃度）を正確に判定することができる。したがって、燃料電池の起動時間を適切に設定することができる効果がある。 According to the first aspect of the present invention, in order to correct the predetermined threshold voltage used for determining whether or not the fuel cell can be activated in accordance with the soak state detected by the soak state detection means, the voltage increase rate of the fuel cell is determined according to the soak state. Even if they are different, it is possible to accurately determine the replacement state (fuel gas concentration) with the fuel gas in the anode flow path. Therefore, there is an effect that the startup time of the fuel cell can be set appropriately.
また、ソーク時間が長いほど燃料電池の電圧の所定閾値電圧を低めに設定するため、ソーク時間が長い場合の所定閾値電圧への到達時間を短くすることができる。つまり、ソーク時間が長くなり燃料電池の電圧上昇速度が遅くなっても、燃料電池が起動可能な水素濃度に到達した時点を正確に把握することができる。結果として、燃料電池の起動許可を短時間でおこなうことができる効果がある。 In addition , since the predetermined threshold voltage of the fuel cell voltage is set lower as the soak time is longer, the time to reach the predetermined threshold voltage when the soak time is longer can be shortened. That is, even when the soak time becomes long and the voltage increase rate of the fuel cell becomes slow, it is possible to accurately grasp the time point when the fuel cell reaches a hydrogen concentration at which it can be activated. As a result, there is an effect that the start-up permission of the fuel cell can be performed in a short time.
請求項２に記載した発明によれば、掃気手段により燃料電池内を掃気した場合には、アノード流路内は掃気ガスで置換されているため、アノード流路内に滞留ガスが発生せず、アノード流路内の状態はソーク時間に依存しなくなる。したがって、掃気が行われた場合には燃料電池の電圧の所定閾値電圧補正を行わないことで、燃料電池の起動時間を適切に設定することができる効果がある。 According to the second aspect of the present invention, when the inside of the fuel cell is scavenged by the scavenging means, since the inside of the anode passage is replaced with the scavenging gas, no stagnant gas is generated in the anode passage, The state in the anode channel is not dependent on the soak time. Therefore, when scavenging is performed, there is an effect that the start time of the fuel cell can be set appropriately by not correcting the predetermined threshold voltage of the fuel cell voltage.
請求項３に記載した発明によれば、燃料電池温度検出手段により検出した燃料電池の温度に対応して燃料電池の起動可否の判定に用いる所定閾値電圧を再補正するため、燃料電池の温度により燃料電池の電圧上昇速度が異なったとしても、アノード流路内の燃料ガスへの置換状態（燃料ガス濃度）をより正確に判定することができる。したがって、燃料電池の起動時間をより適切に設定することができる効果がある。 According to the third aspect of the present invention, since the predetermined threshold voltage used for determining whether or not the fuel cell can be started is re-corrected in accordance with the temperature of the fuel cell detected by the fuel cell temperature detecting means, the temperature of the fuel cell is adjusted. Even if the voltage rise rate of the fuel cell is different, the replacement state (fuel gas concentration) with the fuel gas in the anode channel can be determined more accurately. Therefore, there is an effect that the startup time of the fuel cell can be set more appropriately.
また、燃料電池の温度が低いほど燃料電池の電圧の所定閾値電圧を低めに設定するため、燃料電池の温度が低い場合の所定閾値電圧への到達時間を短くすることができる。つまり、燃料電池の温度が低くなり燃料電池の電圧上昇速度が遅くなっても、燃料電池が起動可能な水素濃度に到達した時点を正確に把握することができる。結果として、燃料電池の起動許可を短時間でおこなうことができる効果がある。 Moreover , since the predetermined threshold voltage of the fuel cell voltage is set lower as the temperature of the fuel cell is lower, the time required to reach the predetermined threshold voltage when the temperature of the fuel cell is lower can be shortened. That is, even when the temperature of the fuel cell is lowered and the voltage increase rate of the fuel cell is slow, it is possible to accurately grasp the point in time when the hydrogen concentration at which the fuel cell can be activated is reached. As a result, there is an effect that the start-up permission of the fuel cell can be performed in a short time.
請求項４に記載した発明によれば、ソーク時間検出ステップにより検出したソーク時間に対応して燃料電池の出力電圧の所定閾値電圧を所定閾値電圧補正ステップにて補正するため、ソーク時間により燃料電池の電圧上昇速度が異なったとしても、アノード流路内の燃料ガスへの置換状態（燃料ガス濃度）を正確に判定することができる。したがって、燃料電池の起動時間を適切に設定することができる効果がある。
According to the invention described in
次に、本発明の実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。なお、本実施形態では燃料電池システムを車両に搭載した場合の説明をする。
（燃料電池システム）
図１は燃料電池システムの概略構成図である。
図１に示すように、燃料電池システム１０の燃料電池１１は、水素ガスなどの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う固体高分子膜型燃料電池である。燃料電池１１に形成された燃料ガス供給用連通孔１３（燃料ガス流路２１の入口側）には燃料ガス供給配管２３が連結され、その上流端部には水素タンク３０が接続されている。また、燃料電池１１に形成された酸化剤ガス供給用連通孔１５（酸化剤ガス流路２２の入口側）には酸化剤ガス供給配管２４が連結され、その上流端部にはエアコンプレッサ３３が接続されている。なお、燃料電池１１に形成されたアノードオフガス排出用連通孔１４（燃料ガス流路２１の出口側）にはアノードオフガス排出配管３５が連結され、カソードオフガス排出用連通孔１６（酸化剤ガス流路２２の出口側）にはカソードオフガス排出配管３６が連結されている。
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, a case where the fuel cell system is mounted on a vehicle will be described.
(Fuel cell system)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system.
As shown in FIG. 1, the
水素タンク３０から燃料ガス供給配管２３に供給された水素ガスは、レギュレータ（不図示）により減圧された後、エゼクタ２６を通り、アノード加湿器２７により加湿されて、燃料電池１１の燃料ガス流路２１に供給される。また、水素タンク３０の下流側近傍には、電磁駆動式の電磁弁２５が設けられており、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断することができるように構成されている。なお、水素タンク３０、電磁弁２５、エゼクタ２６およびアノード加湿器２７で水素供給システム６０を構成する。
なお、アノードオフガス排出配管３５には、電磁駆動式のパージ弁２８が設けられている。また、アノードオフガス排出配管３５は水素希釈システム３１に接続され、その後、車外へと排気されるように構成されている。
The hydrogen gas supplied from the
The anode off
一方、空気はエアコンプレッサ３３によって加圧され、カソード加湿器２９で加湿されて、酸化剤ガス供給配管２４を通過した後、燃料電池１１の酸化剤ガス流路２２に供給される。この空気中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池１１からカソードオフガスとしてカソードオフガス排出配管３６に排出される。カソードオフガス排出配管３６は水素希釈システム３１に接続され、その後、車外へと排気される。なお、カソードオフガス排出配管３６には背圧弁３４が設けられている。
On the other hand, the air is pressurized by the
ここで、燃料電池１１には、燃料電池１１のセル電圧を検出する電圧計４０が設けられている。電圧計４０からの検出結果（センサ出力）は、制御装置（ＥＣＵ）４５へ伝達され、その検出結果に基づいて、燃料電池システム１０の起動可否（燃料電池１１で発電された電力をモータなどの負荷に供給するか否か）を決定できるように構成されている。なお、燃料電池システム１０の起動可否は、電圧計４０からの検出結果が、所定閾値電圧を超えているか否かを判定することで行われるが、この所定閾値電圧は後述するソーク時間や温度により補正されるように構成されている。
Here, the
また、カソードオフガス排出管３６におけるカソードオフガス排出用連通孔１６の直後（下流側）に、温度センサ４１が設けられている。温度センサ４１により、燃料電池１１において酸化剤ガス流路２２から排出されたカソードオフガスの温度を検知することができるようになっている。温度センサ４１からの検出結果（センサ出力）は、制御装置４５へ伝達され、その検出結果に基づいて、燃料電池システム１０の起動可否を決める所定閾値電圧を補正できるように構成されている。
A
図２は制御装置４５の概略ブロック図である。図２に示すように、制御装置４５は、燃料電池システム１０がソーク中（システムが停止している状態）の状態（例えばソーク時間や温度などの状態）を検出するソーク状態検出部４６と、電圧計４０から入力された電圧値が所定閾値電圧に達したか否か（ＯＣＶパージが完了して燃料電池内の滞留ガスが燃料ガスに置換されたか否か）を判定する置換完了判定部４８と、ソーク状態に基づいて所定閾値電圧を補正する所定閾値電圧補正部５０と、温度センサ４１から入力された温度により所定閾値電圧をさらに補正する所定閾値電圧再補正部４９と、燃料電池１１の停止時にその内部を掃気したか否かを検出する掃気検出部５１と、を有している。
FIG. 2 is a schematic block diagram of the
また、ソーク状態検出部４６には、燃料電池システム１０のソーク時間（燃料電池が停止してから、次に起動するまでの時間）をカウントするソーク時間検出部４７が設けられている。ソーク時間検出部４７により、燃料電池システム１０のソーク時間を検出することができるようになっており、ソーク時間検出部４７からの検出結果（センサ出力）に基づいて、燃料電池システム１０の起動可否を決める所定閾値電圧を補正できるように構成されている。
The soak
さらに、制御装置（ＥＣＵ）４５は、燃料電池１１に要求される出力に応じて、電磁弁２５を制御して水素タンク３０から所定量の水素ガスを燃料電池１１に供給するとともに、パージ弁２８を制御して、アノードオフガスの排出量を調整できるように構成されている。さらに、制御装置４５は、燃料電池１１に要求される出力に応じて、エアコンプレッサ３３を駆動して所定量の空気を燃料電池１１に供給するとともに、背圧弁３４を制御して酸化剤ガス流路２２への空気の供給圧力を調整できるように構成されている。
Further, the control unit (ECU) 45 controls the
また、燃料電池システム１０は、停止時に燃料電池１１の内部を掃気する掃気手段を有している。掃気手段により燃料電池１１内に発生した滞留ガス（窒素ガスおよび生成水素）を排出することができるようになっている。なお、アノード電極側を掃気するために、酸化剤ガス供給配管２４と燃料ガス供給配管２３との間を連通するバイパス配管（不図示）が設けられている。この掃気手段が実行されるか否かは、例えばソーク時間やソーク中の温度により決定するようにすればよい。
The
（燃料電池システムの起動方法）
次に、燃料電池システム１０の起動方法について説明する。
図３は燃料電池システム１０の起動方法のフローチャートである。
図３に示すように、Ｓ１では、制御装置４５が燃料電池システム１０の起動信号であるイグニッションスイッチ（不図示）からのオン信号を検出すると、コンプレッサ３３を駆動させて空気を、酸化剤ガス供給配管２４を介して燃料電池１１の酸化剤ガス流路２２に供給する（酸化剤ガス供給ステップ）。
(How to start the fuel cell system)
Next, a method for starting the
FIG. 3 is a flowchart of the starting method of the
As shown in FIG. 3, in S1, when the
Ｓ２では、電磁弁２５を開放させることで、水素タンク３０に貯蔵されている水素ガスを、燃料ガス供給配管２３を介して燃料電池１１の燃料ガス流路２１に供給する（燃料ガス供給ステップ）。なお、このとき、パージ弁２８および背圧弁３４は閉状態である。
In S2, the
Ｓ３では、燃料電池１１の燃料ガス流路２１に水素が供給され、酸化剤ガス流路２２に供給されることで、燃料電池１１内の圧力が上昇する（圧力調整ステップ）。そして、燃料電池１１内の圧力が所定の圧力値以上になったら、パージ弁２８を開放し、燃料電池システム１０が起動停止していた間に燃料電池１１内に滞留していた滞留ガスを排出する（ガス排出ステップ）。
In S3, hydrogen is supplied to the
Ｓ４では、燃料電池システム１０が停止している間に燃料電池１１内が掃気されたか否かを掃気検出部５１で判定し、掃気が行われていない場合にはＳ５へ進み、掃気されている場合にはＳ１０へと進む。なお、燃料電池１１内が掃気されると、燃料電池１１内の水素濃度は略０％となり、出力電圧は０Ｖとなる。
In S4, the scavenging
Ｓ５では、制御装置４５のソーク時間検出部４７において燃料電池システム１０のソーク時間を検出する（ソーク時間検出ステップ）。
In S5, the soak
Ｓ６では、Ｓ５で検出したソーク時間に応じて、ＯＣＶパージが完了したと判定する出力電圧の所定閾値電圧を所定閾値電圧補正部５０にて算出する（所定閾値電圧補正ステップ）。具体的には、制御装置４５内に設けられた図示しないＲＯＭに記憶されたソーク時間と所定閾値電圧とを対応付けるマップにより算出する。ソーク時間と所定閾値電圧との関係は、図４に示すような関係になる。つまり、ソーク時間が長時間になるほど、所定閾値電圧が小さくなるようになっている。出力電圧の所定閾値電圧を算出したら、Ｓ７へと進む。
In S6, according to the soak time detected in S5, the predetermined threshold
また、Ｓ１０では、燃料電池１１内が掃気されているため、ソーク時間が長時間の場合と同様に燃料電池１１内の水素濃度は略０％となり、出力電圧は０Ｖとなっている。したがって、この場合にはソーク時間が長時間（例えば、１２時間以上）の場合の所定閾値電圧を補正せず固定値を採用する。出力電圧の所定閾値電圧を設定すると、Ｓ７へと進む。
In S10, since the inside of the
Ｓ７では、温度センサ４１によりカソードオフガスの温度を検出し、その温度に応じて、ＯＣＶパージが完了したと判定する出力電圧の所定閾値電圧をさらに補正する。具体的には、Ｓ６と同じように制御装置４５内のＲＯＭに記憶されたマップに基づいて所定閾値電圧再補正部４９にて再補正する。温度とソーク時間および所定閾値電圧との関係は、図５に示すような関係になる。つまり、検出した温度が低くなるほど、同じソーク時間における所定閾値電圧が小さくなるようになっている。なお、図５の関係図は、（ａ）温度５０℃の場合、（ｂ）温度３０℃の場合、（ｃ）温度１０℃の場合である。
In S7, the temperature of the cathode off gas is detected by the
Ｓ８では、電圧計４０で検出した燃料電池１１の電圧値（電圧検出ステップ）と、Ｓ７で算出した所定閾値電圧とを置換完了判定部４８にて比較し、電圧値が所定閾値電圧よりも大きければＳ９へと進み、電圧値が所定閾値電圧未満であった場合には再度Ｓ８を繰り返す（置換完了判定ステップ）。
In S8, the voltage value (voltage detection step) of the
Ｓ９では、燃料電池１１の電圧値が所定閾値電圧以上になると、燃料電池１１内の水素濃度が燃料電池システム１０の起動可能な濃度になったと判断し、燃料電池システム１０を起動してモータ（不図示）などの負荷に対して電力の供給を開始する。負荷に対して電力供給が開始されると、この一連の処理を終了する。なお、燃料電池システム１０の起動を許可するときの燃料電池１１内の水素濃度は、約９０〜１００％になっている。
In S9, when the voltage value of the
本実施形態によれば、制御装置４５のソーク時間検出部４７において検出した燃料電池システム１０のソーク時間によって、燃料電池１１の出力電圧の所定閾値電圧を補正するように構成したため、ソーク時間により燃料電池１１の電圧上昇速度が異なったとしても、燃料ガス流路２１内の燃料ガスへの置換状態（燃料ガス濃度）を正確に判定することができる。したがって、燃料電池システム１０の起動時間を適切に設定することができる。
According to the present embodiment, the predetermined threshold voltage of the output voltage of the
また、ソーク時間が長いほど燃料電池１１の出力電圧の所定閾値電圧を低めに設定するようにしたため、燃料電池システム１０の起動時間を短くすることができる。つまり、燃料電池システム１０の起動許可を短時間でおこなうことができる。
Moreover, since the predetermined threshold voltage of the output voltage of the
また、燃料電池システム１０に掃気手段を設けたため、掃気手段により燃料電池１１内を掃気した場合には、燃料ガス流路２１内は掃気ガスで置換される。つまり、燃料ガス流路２１内に滞留ガスが発生せず、燃料ガス流路２１内の状態はソーク時間に依存しなくなり、略一定の状態を保持するようになる。したがって、掃気が行われた場合には燃料電池１１の出力電圧の所定閾値電圧を補正せず固定値に設定することで、燃料電池システム１０の起動時間を適切に設定することができる。
Further, since the scavenging means is provided in the
さらに、燃料電池１１の温度を検出するための温度センサ４１を設け、該温度センサ４１により検出した温度に対応して燃料電池１１の出力電圧の所定閾値電圧を再補正するようにしたため、燃料電池１１の温度により燃料電池１１の電圧上昇速度が異なったとしても、燃料ガス流路２１内の燃料ガスへの置換状態（燃料ガス濃度）をより正確に判定することができる。したがって、燃料電池システム１０の起動時間を適切に設定することができる。
Further, since the
そして、燃料電池１１の温度が低いほど燃料電池１１の出力電圧の所定閾値電圧を低めに設定するようにしたため、燃料電池システム１０の起動時間を短くすることができる。つまり、燃料電池システム１０の起動許可を短時間でおこなうことができる。
Since the predetermined threshold voltage of the output voltage of the
尚、本発明の技術範囲は上述した実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な構造や構成などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、本実施形態において、燃料電池の温度を検出する温度センサを空気の出口配管に取り付けた構成にしたが、燃料電池の温度を直接検出してもよく、冷媒、ガス、周辺補機の温度を代替温度として採用してもよい。また、温度センサは１箇所だけでなく、複数箇所に取り付けてもよく、その場合には、いずれかの温度を検出するようにしたり、各温度センサの平均値を求めるようにしてもよい。
また、本実施形態において、ソーク時間と出力電圧の所定閾値電圧との関係を表すマップはグラフの線分で表され、ソーク時間と所定閾値電圧とがリニアに対応する関係の場合で説明したが、例えば、ソーク時間に幅を持たせて、あるレンジの時間幅の場合には一つの所定閾値電圧を設定するようなマップを用いてもよい。
さらに、本実施形態において、温度センサにより出力電圧の所定閾値電圧を再補正する場合の説明をしたが、温度センサは設けなくてもよい。この場合には、図５のマップイメージの例えば、真ん中の線分を用いてソーク時間から所定閾値電圧を求めるようにすればよい。
The technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes various modifications made to the above-described embodiment without departing from the spirit of the present invention. That is, the specific structure and configuration described in the embodiment are merely examples, and can be changed as appropriate.
For example, in this embodiment, the temperature sensor for detecting the temperature of the fuel cell is attached to the air outlet pipe, but the temperature of the fuel cell may be directly detected, and the temperature of the refrigerant, gas, and peripheral auxiliary equipment May be adopted as an alternative temperature. Further, the temperature sensor may be attached not only at one place but also at a plurality of places. In that case, any temperature may be detected, or an average value of each temperature sensor may be obtained.
In the present embodiment, the map representing the relationship between the soak time and the predetermined threshold voltage of the output voltage is represented by a line segment of the graph, and the case where the soak time and the predetermined threshold voltage have a linear relationship has been described. For example, a map may be used in which the soak time is given a width and one predetermined threshold voltage is set in the case of a time range of a certain range.
Furthermore, in the present embodiment, the case where the predetermined threshold voltage of the output voltage is re-corrected by the temperature sensor has been described, but the temperature sensor may not be provided. In this case, the predetermined threshold voltage may be obtained from the soak time using, for example, the middle line segment of the map image of FIG.
１０…燃料電池システム １１…燃料電池 ２１…燃料ガス流路（アノード流路） ２２…酸化剤ガス流路（カソード流路） ４０…電圧計（電圧検出手段） ４１…温度センサ（燃料電池温度検出手段） ４６…ソーク状態検出部（ソーク状態検出手段） ４７…ソーク時間検出部（ソーク時間検出手段） ４８…置換完了判定部（置換完了判定手段） ４９…所定閾値電圧再補正部（所定閾値電圧再補正手段） ５０…所定閾値電圧補正部（所定閾値電圧補正手段） ５１…掃気検出部（掃気検出手段） ６０…水素供給システム（燃料ガス供給手段）
DESCRIPTION OF
Claims (4)
該燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池の起動時に、前記アノード流路内に滞留している滞留ガスを、前記燃料ガス供給手段を用いて前記燃料ガスに置換する置換手段と、
前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
該電圧検出手段により検出される前記燃料電池の電圧が、所定閾値電圧に達した際に前記滞留ガスが前記燃料ガスに置換されたと判定する置換完了判定手段と、を有する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池のソーク中の状態を検出するソーク状態検出手段と、
前記ソーク状態に基づいて、置換完了と判定する前記所定閾値電圧を補正する所定閾値電圧補正手段と、を備え、
前記ソーク状態検出手段は、前記ソーク状態を保持しているソーク時間を検出するソーク時間検出手段を備え、
前記所定閾値電圧補正手段は、前記ソーク時間が長いほど前記所定閾値電圧を低く設定するように構成されていることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell for generating electricity by supplying fuel gas to the anode channel and oxidant gas to the cathode channel; and
Fuel gas supply means for supplying the fuel gas to the fuel cell;
Replacement means for replacing the staying gas staying in the anode flow path with the fuel gas using the fuel gas supply means at the time of starting the fuel cell;
Voltage detecting means for detecting the voltage of the fuel cell;
A replacement completion determining means for determining that the staying gas has been replaced with the fuel gas when the voltage of the fuel cell detected by the voltage detecting means reaches a predetermined threshold voltage;
Soak state detecting means for detecting a state during soaking of the fuel cell;
Predetermined threshold voltage correction means for correcting the predetermined threshold voltage to be determined as replacement completion based on the soak state ,
The soak state detection means includes a soak time detection means for detecting a soak time holding the soak state,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the predetermined threshold voltage correcting means is configured to set the predetermined threshold voltage lower as the soak time is longer .
該掃気手段による掃気経験を検出する掃気検出手段と、を備え、
前記所定閾値電圧補正手段は、前記掃気手段による掃気が行われた場合には前記ソーク時間による前記所定閾値電圧補正を行わないことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 Scavenging means for supplying a scavenging gas into the anode flow path while the fuel cell is in a soak state;
Scavenging detection means for detecting a scavenging experience by the scavenging means, and
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the predetermined threshold voltage correction unit does not perform the predetermined threshold voltage correction based on the soak time when scavenging by the scavenging unit is performed.
前記燃料電池の温度に基づいて前記所定閾値電圧補正手段により算出された前記所定閾値電圧をさらに補正する所定閾値電圧再補正手段を有し、
前記所定閾値電圧再補正手段は、前記燃料電池の温度が低いほど前記所定閾値電圧を低く設定するように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。 A fuel cell temperature detecting means for detecting the temperature of the fuel cell;
Predetermined threshold voltage recorrection means for further correcting the predetermined threshold voltage calculated by the predetermined threshold voltage correction means based on the temperature of the fuel cell ;
3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the predetermined threshold voltage re-correction unit is configured to set the predetermined threshold voltage lower as the temperature of the fuel cell is lower .
酸化剤ガスを前記燃料電池のカソード流路に供給する酸化剤ガス供給ステップと、
前記燃料ガスが流通する前記アノード流路内の圧力が所定値となるように、前記アノード流路内の圧力を調整する圧力調整ステップと、
前記圧力が所定値となった後に、前記アノード流路内のガスを外部に排出するガス排出ステップと、
前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出ステップと、
前記電圧が、所定閾値電圧に達したときに前記アノード流路内のガスが前記燃料ガスに置換されたと判定する置換完了判定ステップと、を有する燃料電池システムの起動方法において、
前記置換完了判定ステップの前に、
前記燃料電池のソーク時間を検出するソーク時間検出ステップと、
前記ソーク時間に基づいて、前記所定閾値電圧を補正する所定閾値電圧補正ステップと、を備え、
前記所定閾値電圧補正ステップにおいて、前記ソーク時間が長いほど前記所定閾値電圧を低く設定することを特徴とする燃料電池システムの起動方法。 A fuel gas supply step of supplying a fuel gas to the anode flow path of the fuel cell when there is a start request of the fuel cell;
An oxidant gas supply step for supplying an oxidant gas to the cathode channel of the fuel cell;
A pressure adjustment step of adjusting the pressure in the anode flow path so that the pressure in the anode flow path through which the fuel gas flows becomes a predetermined value;
A gas discharge step of discharging the gas in the anode flow path to the outside after the pressure reaches a predetermined value;
A voltage detection step of detecting a voltage of the fuel cell;
A replacement completion determination step for determining that the gas in the anode flow path has been replaced with the fuel gas when the voltage reaches a predetermined threshold voltage.
Before the replacement completion determination step,
A soak time detecting step for detecting a soak time of the fuel cell;
A predetermined threshold voltage correction step for correcting the predetermined threshold voltage based on the soak time, and
In the predetermined threshold voltage correction step, the predetermined threshold voltage is set lower as the soak time is longer .
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