[go: up one dir, main page]

JP2004111266A - Fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system Download PDF

Info

Publication number
JP2004111266A
JP2004111266A JP2002273632A JP2002273632A JP2004111266A JP 2004111266 A JP2004111266 A JP 2004111266A JP 2002273632 A JP2002273632 A JP 2002273632A JP 2002273632 A JP2002273632 A JP 2002273632A JP 2004111266 A JP2004111266 A JP 2004111266A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
cell stack
fuel
power generation
stack
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2002273632A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kazuma Okura
大蔵 一真
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
Priority to JP2002273632A priority Critical patent/JP2004111266A/en
Publication of JP2004111266A publication Critical patent/JP2004111266A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

【課題】凝縮水のセル電圧への影響を考慮し、複数のセルからなる燃料電池スタックを良好な発電状態にて動作させる。
【解決手段】セル構造体を複数積層して構成された燃料電池スタック1の発電状態を判断するために燃料電池スタック1の各セル構造体のセル電圧を検出するセル電圧センサ15を備え、燃料電池システム制御装置4により、セル電圧センサ15により検出されたセル電圧が低下した場合にパージ弁14を開状態にし、低下したセル電圧が上昇して所定値となる時間を計測し、計測した時間が所定時間より短い場合に燃料電池スタック1が良好な発電状態に達したと判断する。
【選択図】   図1
A fuel cell stack including a plurality of cells is operated in a favorable power generation state in consideration of the influence of condensed water on a cell voltage.
The fuel cell stack includes a cell voltage sensor for detecting a cell voltage of each cell structure of the fuel cell stack to determine a power generation state of the fuel cell stack. When the cell voltage detected by the cell voltage sensor 15 decreases, the purge valve 14 is opened by the battery system control device 4, and the time when the decreased cell voltage rises to a predetermined value is measured. Is shorter than the predetermined time, it is determined that the fuel cell stack 1 has reached a favorable power generation state.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のセルからなる燃料電池スタックを正常に運転するための燃料電池システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを燃料電池スタックに供給することで、電解質を介して電気化学的に反応させ、電極間から電気エネルギを直接取り出す燃料電池システムが知られている。
【0003】
このような燃料電池システムでは、発電効率が高いことに加え、有害な物質の排出が極めて少ないという利点を持つため、発電プラントや家庭用発電機など定置型発電に適用されるばかりでなく、車両の駆動源として利用した燃料電池車両としても近年注目されている。
【0004】
しかしながら、従来の燃料電池システムでは、燃料電池スタックの起動時の短時間の間に、大きな負荷に電力供給するために起動直後から大きな発電を行わせると、出力電圧が急激に低下して電源として機能しないばかりでなく、燃料電池スタックの損傷や寿命の低下などを引き起こしてしまうという問題がある。
【0005】
このような問題を解決する従来の燃料電池システムとしては、例えば、起動時の燃料電池スタックの温度に着目し、燃料電池スタック温度が所定値以下である場合、燃料電池スタックが暖機状態であると判断し、2次電池から電力を取り出して負荷に供給していた。これにより、燃料電池スタックからの発電を制限していた。
【0006】
【特許文献1】
特開平9−231991号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
従来の燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの起動時における運転方法では、起動後の燃料電池スタック温度によって、良好な発電状態に達したか否かを判断しており、燃料電池スタック温度を測定する温度センサを燃料電池スタック内に設ける必要があった。
【0008】
しかしながら、燃料電池スタックが数百ものセルを積層して構成されるものであるので、各セルの温度分布が一様にならないことが多い。これは、燃料電池スタックを冷却する過程において、燃料電池スタックの冷却水入口と冷却水出口とで冷却水温度に差があり、各セル温度が冷却水入口付近と冷却水出口付近とで異なることによる。
【0009】
すなわち、燃料電池システムを電源として機能させるためには、燃料電池スタック内に冷却水を循環させる必要があるが、燃料電池スタック発電の損失のほとんどは発熱という形態をとるため、例えば、冷却水入口と冷却水出口付近とでは必ずセル温度の温度差が生じてしまう。このような理由から、燃料電池スタック内の各セル温度を把握して良好な発電状態に達したか否かを判断するためには、複数箇所に温度センサを設ける必要があり、コスト増加を招くという問題があった。
【0010】
また、燃料電池システムの起動時に燃料電池スタックの電圧低下を起こす原因としては、燃料電池スタックのガス流路を凝縮水が塞いでしまうことが挙げられる。燃料電池スタック内の凝縮水は、燃料電池スタックの温度が低いため発生する場合のみならず、燃料電池スタックにガスを供給するガス配管内で生成されて内部に流れ込む場合も挙げられる。この場合、燃料電池スタック内の温度によって燃料電池スタックの発電状態を判断することができないという問題もあった。
【0011】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、複数のセルからなる燃料電池スタックを良好な発電状態にて動作させることができる燃料電池システムを提供するものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池システムは、セル構造体を複数積層して構成された燃料電池スタックの発電状態を判断するために燃料電池スタックの各セル構造体のセル電圧を検出するセル電圧センサを備え、発電状態判断手段により、セル電圧センサにより検出されたセル電圧が低下した場合にパージ弁を開状態にし、低下したセル電圧が上昇して所定値となる時間を計測し、計測した時間が所定時間より短い場合に燃料電池スタックが良好な発電状態に達したと判断することで、上述の課題を解決する。
【0013】
また、本発明に係る他の燃料電池システムでは、セル構造体を複数積層して構成された燃料電池スタックの発電状態を判断するために、燃料電池スタック内に凝縮水が滞留する特定部位に配設されたセル構造体のセル電圧を検出するセル電圧センサを備え、発電状態判断手段により、セル電圧センサにより検出されたセル電圧が低下した場合にパージ弁を開状態にしてセル電圧を上昇させ、セル電圧の低下が発生したセル構造体のセル電圧低下の頻度を演算し、セル電圧低下の頻度が所定頻度より低い場合に上記燃料電池スタックが良好な発電状態に達したと判断することで、上述の課題を解決する。
【0014】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池システムによれば、セル電圧センサにより検出されたセル電圧が低下した場合にパージ弁を開状態にし、低下したセル電圧が上昇して所定値となる時間を計測し、計測した時間が所定時間より短い場合に燃料電池スタックが良好な発電状態に達したと判断するので、パージによって燃料電池スタック内の凝縮水によるセル電圧の低下が解消したかを判断することができ、燃料電池スタック内の凝縮水による発電状態への影響を正確に判断することができる。したがって、この燃料電池システムによれば、凝縮水の影響によりセル電圧のばらつきが発生した場合であっても、燃料電池スタックを良好な発電状態にて動作させることができる。
【0015】
また、本発明に係る他の燃料電池システムによれば、燃料電池スタック内に凝縮水が滞留する特定部位のセル電圧が低下する頻度から、燃料電池スタックが良好な発電状態に達したか否かを判断するので、燃料電池スタック内の凝縮水のセル電圧への影響を正確に判断することができる。したがって、この燃料電池システムによれば、凝縮水の影響によりセル電圧のばらつきが発生した場合であっても、燃料電池スタックを良好な発電状態にて動作させることができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【0017】
[第1実施形態]
本発明は、例えば図1に示すように構成された燃料電池システムに適用される。
【0018】
[燃料電池システムの構成]
第1実施形態に係る燃料電池システムは、図1に示すように、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることにより発電する燃料電池スタック1を備える。この燃料電池スタック1は、固体高分子電解質膜を挟んで空気極と水素極とを対設した燃料電池セル構造体をセパレータで挟持し、セル構造体を複数積層して構成されている。本例においては、燃料電池スタック1が発電反応を発生させるための燃料ガスとして水素ガスを水素極1aに供給すると共に、酸化剤ガスとして酸素を含む空気を空気極1bに供給する燃料電池システムについて説明する。
【0019】
この燃料電池システムでは、燃料電池スタック1を発電させるに際して、水素極1aに加湿した水素ガスを供給すると共に、空気極1bに加湿した空気を供給する。
【0020】
空気は、大気をコンプレッサ2により加圧され、空気加湿器3にて加湿された後、燃料電池スタック1の空気極1bへ供給される。このとき、燃料電池システム制御装置4では、コンプレッサ2と接続されたコンプレッサモータ5の回転数を制御すると共に、空気極1bの空気排出側に設けられた空気調圧弁6の開度を制御することにより空気極1bに供給する空気流量及び空気圧力を調整する。
【0021】
また、燃料電池システム制御装置4では、モータ回転センサ7からのセンサ信号を読み込んで、目標回転数となるようにコンプレッサモータ5を制御する。更に、燃料電池システム制御装置4は、空気加湿器3から空気極1bに供給する空気圧力を検出する空気圧力センサ8からのセンサ信号を読み込んで、目標空気圧力となるように空気調圧弁6を制御する。
【0022】
水素は、高圧水素ボンベ9に貯蔵された状態から、水素調圧弁10、エゼクタポンプ11を経由して、水素加湿器12にて純水で加湿された後、水素極1aに供給される。また、水素極1aから排出された未使用の水素は、エゼクタポンプ11に戻され、エゼクタポンプ11によって再度水素極1aに循環される。
【0023】
このとき、燃料電池システム制御装置4は、水素調圧弁10の開度を制御して、水素極1aに供給する水素圧力を調整する。燃料電池システム制御装置4では、水素加湿器12から水素極1aに供給する水素圧力を検出する水素圧力センサ13からのセンサ信号を読み込んで、目標水素圧力となるように水素調圧弁10の開度を制御する。
【0024】
また、この燃料電池システムでは、水素極1aの水素排出側に水素パージ弁14が設けられている。この水素パージ弁14は、その開閉動作が燃料電池システム制御装置4により制御され、燃料電池スタック1の状態に応じて開閉動作する。燃料電池システム制御装置4は、例えば燃料電池スタック1内の水詰まり発生や、空気極1bから水素極1aに空気がリークすることによる出力低下又は発電効率低下を防止するときに水素パージ弁14を開状態にして、水素ガスを一時的に燃料電池スタック1から放出させる。
【0025】
更に、この燃料電池システムでは、燃料電池スタック1内に直列接続されたセルの各電極間の電圧を測定するセル電圧センサ15を備える。このセル電圧センサ15により検出されたセル電圧は、燃料電池システム制御装置4により読み込まれる。燃料電池システム制御装置4では、セル電圧低下を検知した場合に、後述の燃料電池スタック発電状態判断処理を行う。
【0026】
ここで、燃料電池スタック1は、数百ものセル構造体を積層してなるものであり、各セル間の特性のばらつきが無く作り込むのは不可能なため、個々のセル電圧を測定するためにセル電圧センサ15が設けられている。このセル電圧センサ15は、通常、燃料電池スタック1の発電電力を制御するに際して燃料電池システム制御装置4により参照される。
【0027】
なお、図1には図示しないが、燃料電池スタック1には、燃料電池システム制御装置4によって制御される図示しない電気負荷が接続され、当該電気負荷に発電電力を供給する。
【0028】
[燃料電池スタック発電状態判断処理]
つぎに、上述した燃料電池システムにおいて、燃料電池システム制御装置4により燃料電池スタック1の発電状態を判断するための燃料電池スタック発電状態判断処理について図2を参照して説明する。
【0029】
この燃料電池スタック発電状態判断処理は、燃料電池システム制御装置4により、例えば所定期間ごとに実施され、ステップS1にてセル電圧センサ15からのセンサ信号を読み込んで、セル電圧が低下したと判定した場合にステップS2に処理を進める。ここで、燃料電池システム制御装置4では、センサ信号から認識したセル電圧値のうち、所定値(例えば0.5V)未満のものが存在するかを調べる。所定値未満のセル電圧値が存在すると判定した場合、正常にセルに水素ガスが供給されておらず、燃料電池スタック1に凝縮水が滞留するフラッディングが発生していると判断し、ステップS2へ移行する。ここで、ガス流路に凝縮水が滞留すると、各セル構造体に供給するガス流量が異なり、セル電圧が低下して、セル電圧のばらつきが発生する。
【0030】
ステップS2においては、燃料電池システム制御装置4により、水素パージ弁14を開状態にしてステップS3に処理を進める。水素パージ弁14を開状態にすると、燃料電池スタック1内の水素の流量が増加し、燃料電池スタック1内の水素流路を塞いでいる凝縮水が燃料電池スタック1外へ排出される。
【0031】
ステップS3においては、燃料電池システム制御装置4により、ステップS2にて水素パージ弁14を開状態にした時点からの時間を計測開始して、ステップS4に処理を進める。
【0032】
ステップS4においては、ステップS1にて低下したと判定したセル電圧が上昇することで復活し、正常な発電状態と判断可能なセル電圧となったか否かを判定する。ここで、燃料電池システム制御装置4では、セル電圧が所定値(例えば0.6V)以上となったか否かを判定する。
【0033】
燃料電池システム制御装置4によりセル電圧値が正常なセル電圧値となっていないと判定した場合には、セル電圧値が正常なセル電圧値となるまでステップS3にて開始した時間計測を継続しながらステップS4の判定を繰り返し、セル電圧値が正常なセル電圧値となったと判定した場合にはステップS5に処理を進める。
【0034】
ステップS5においては、燃料電池システム制御装置4により、ステップS2にて開状態にした水素パージ弁14を閉状態にしてステップS6に処理を進める。
【0035】
ステップS6においては、燃料電池システム制御装置4により、ステップS3にて開始した時間計測を終了して、ステップS7に処理を進める。
【0036】
ステップS7においては、燃料電池システム制御装置4により、ステップ3にて計測開始してステップS6にて計測終了した結果の時間が、所定時間未満か否かを判定する。計測した結果の時間が所定時間未満であると判定した場合には、生成される凝縮水の量が比較的少ないと判断し、ステップS8に処理を進めて燃料電池スタック1の発電状態が良好であると判定して処理を終了する。
【0037】
一方、燃料電池システム制御装置4により、計測終了した結果の時間が所定時間未満でない判定した場合には、生成される凝縮水の量が比較的多いと判断し、ステップS9に処理を進めて燃料電池スタック1の発電状態が良好でないと判定して処理を終了する。
【0038】
このようにステップS9にて良好な発電状態に達していないと判断した場合、燃料電池システム制御装置4は、燃料電池スタック1に接続された電気負荷を制限して、燃料電池システムが停止に至らないように制御し、燃料電池スタック1の損傷や寿命低下を防ぐための制御を行う。このとき、例えば、燃料電池スタック1を搭載した燃料電池車両の場合、車両を駆動するモータ等の電気負荷に供給する電力を、2次電池から供給するように燃料電池システム制御装置4などによって制御する。
【0039】
また、ステップS9にて良好な発電状態に達していないと判断した場合、燃料電池システム制御装置4は、燃料電池スタック1に供給するガス流量を増加させても良い。このとき、燃料電池システム制御装置4では、コンプレッサモータ5の回転数を増加させて空気流量を増加させると共に、エゼクタポンプ11の特性にもよるが、水素パージ弁14を制御して燃料電池スタック1への水素供給圧力を上げて水素の流量を増加させたりしても良い。
【0040】
このように燃料電池スタック1の運転状態を変更することで、コンプレッサ2等に電力供給をする必要が発生する分、モータ等に供給する電力が少なくなって燃料電池システムの正味効率が低下するが、ガス流量を増加させることにより凝縮水を排除して燃料電池スタック1を安定して作動させる。
【0041】
[第1実施形態の効果]
以上詳細に説明したように、第1実施形態に係る燃料電池システムによれば、セル電圧が低下した場合に水素パージ弁14を開状態にし、水素パージを行った後にセル電圧が上昇して正常なセル電圧となったときの時間、すなわち燃料電池スタック1の復活速度に応じて、起動後の燃料電池スタック1が良好な発電状態に達したか否かを判断するので、水素パージによって凝縮水によるセル電圧の低下が解消したかを判断することができ、凝縮水による発電状態への影響を正確に判断することができる。
【0042】
また、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック1が良好な発電状態に達していないと判断した場合に燃料電池スタック1の発電量を制限するので、セル電圧の低下が凝縮水によるものではなく燃料電池スタック1内部の電極抵抗の増加である場合に、電極抵抗による発熱量を抑制して、システムの停止、燃料電池スタック1の損傷や寿命低下を防止することが可能となる。
【0043】
更に、燃料電池システムによれば、燃料電池スタック1が良好な発電状態に達していないと判断した場合に、水素ガス及び空気の流量を増加させるので、燃料電池スタック1の運転を安定化させることが可能となる。すなわち、燃料電池スタック1に供給するガス流量を増加させることにより、例えばパワーマネジメントシステムなどによって燃料電池スタック1から取り出す負荷を一定にしたまま、燃料電池スタック1の内部の凝縮水を取り出すことができる。
【0044】
[第2実施形態]
つぎに、第2実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の第1実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。また、第2実施形態に係る燃料電池システムでは、その概略構成が第1実施形態に係る燃料電池システムと同一であるので説明を省略する。
【0045】
第2実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池スタック発電状態判断処理において、燃料電池スタック1の各セル電圧を測定するセル電圧センサ15を設け、セル電圧センサ15からのセンサ信号によりセル電圧値を監視し、セル電圧が低下した場合、セル電圧低下が発生したセルのセル構造体内での位置を識別し、特定のセル電圧が低下する頻度から燃料電池スタック1の発電状態を判断することを特徴とする。
【0046】
この燃料電池システムでは、図3に示すように、レイアウトの関係上、複数のセル構造体(単セル)21が折り返して積層されており、セル群31とセル群32とで水素ガス及び空気の流れる方向が異なっており、水素ガス又は空気のガス流路22に折り返し部分22aを有する燃料電池スタック1を使用している。このような燃料電池スタック1の場合、ガス配管が屈曲しており、ガスに含まれる水蒸気がガス配管の側壁に滞留するセパレータ効果により、ガス流路22が折り返して再度セル構造体21に供給される特定部位Aに凝縮水が発生しやすい。そこで、セル電圧センサ15は、特定部位A付近に位置するセル構造体21のセル電圧を検出する。
【0047】
また、他の燃料電池スタック1としては、図4に示すように、複数のセル構造体21がその膜厚方向に積層されており、ガス流路22によるガスの流れる方向と冷却水流路23による冷却水の流れる方向とが逆方向となっているものがある。このような燃料電池スタック1では、冷却水が内部の発熱を受熱するために、冷却水出口よりも冷却水入口の方が冷却水温度が低くなる。これにより、ガス温度もガス入口側よりもガス出口側の方が温度が低くなり、特定部位Bに凝縮水が発生しやすい。そこで、セル電圧センサ15は、特定部位B付近に位置するセル構造体21のセル電圧を検出する。
【0048】
更に他の燃料電池スタック1としては、図5に示すように、複数のセル構造体21が膜厚方向に積層されており、ガス流路22の入口にガス供給側配管の凝縮水の流れ込みが発生しやすい。そこで、セル電圧センサ15は、特定部位C付近に位置するセル構造体21のセル電圧を検出する。
【0049】
このように、燃料電池スタック1内であっても、凝縮水が滞留しやすい特定部位が複数存在し、凝縮水の影響によりセル電圧の低下が発生し、セル構造体21間のセル電圧のばらつきが発生する。
【0050】
このようなセル構造体21ごとのセル電圧のばらつきを考慮した燃料電池スタック発電状態判断処理を図6のフローチャートを参照して説明する。なお、上述の図2を用いて説明した処理と同様の処理については同一のステップ番号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【0051】
この燃料電池スタック発電状態判断処理では、上述の図3〜図5に示したような燃料電池スタック1を使用した場合に限定するものではなく、上述した凝縮水の発生しやすい複数の特定部位のセル構造体21のセル電圧を検出する場合について説明する。
【0052】
燃料電池システム制御装置4では、ステップS1にて何れかのセル構造体21のセル電圧が低下したと判定した場合にステップS11に処理を進め、セル電圧低下が発生したセル構造体21の燃料電池スタック1内での位置を記憶し、ステップS2にて水素パージ弁14を開状態にする。このとき、燃料電池システム制御装置4では、図3〜図5の特定部位のセル電圧を検出するセル電圧センサ15からのセンサ信号を区別することにより、セル電圧低下が発生したセル構造体21の位置を特定する。
【0053】
そして、ステップS4及びステップS5の処理を行うことで、ステップS1にてセル電圧低下を検出したセル構造体21のセル電圧が復活したと判定して水素パージ弁14を閉状態にした後のステップS12においては、燃料電池システム制御装置4により、ステップS11にて位置が記憶されたセル構造体21がセル電圧低下した頻度を演算する。すなわち、ステップS11にて記憶した位置から、特定部位の凝縮水によるセル電圧低下発生の頻度を演算する。
【0054】
例えば、所定時間ごとにステップS1以降の処理を行うとした場合、過去10回のセル電圧低下のうち、燃料電池スタック1内の特定部位A、B或いはCなどで発生した回数を演算する。
【0055】
次のステップS13においては、燃料電池システム制御装置4により、ステップS12にて演算した頻度(回数)が所定頻度(回数の場合は例えば3回)以上であって、ステップS11にて記憶した特定部位に凝縮水が滞留する頻度が大きいか否かを判定する。
【0056】
頻度が所定頻度(回数)より大きくないと判定した場合には、セル電圧低下が所定部位に集中して発生おらず、燃料電池スタック1内のセル電圧値のばらつきが小さくなったと判断し、ステップS8にて良好な発電状態に達したと判断する。一方、頻度が所定頻度(回数)より大きいと判定した場合には、セル電圧低下が特定部位に集中して発生していると判断してステップS9に処理を進め、良好な発電状態にまだ達していないと判断して、上述と同様に燃料電池スタック1の電気負荷を制限したり、燃料電池スタック1へのガス供給流量を増加させる処理をする。
【0057】
[第2実施形態の効果]
以上詳細に説明したように、第2実施形態に係る燃料電池システムによれば、燃料電池スタック1内のフラッディングが発生しやすい特定部位のセル電圧が低下する頻度から、起動後の燃料電池スタック1が良好な発電状態に達したか否かを判断するので、燃料電池スタック1のセル電圧のばらつきによるセル異常の誤判断を防ぎ、燃料電池スタック1内の凝縮水のセル電圧への影響を判断することができる。したがって、この燃料電池システムによれば、凝縮水の影響によりセル電圧のばらつきが発生した場合であっても、燃料電池スタック1を良好な発電状態にて動作させることができる。
【0058】
また、この燃料電池システムによれば、図3に示したように、燃料電池スタック1内のガス流路22が折り返す特定部位Aのセル電圧が低下する頻度から、起動後の燃料電池スタック1が良好な発電状態に達したか否かを判断するので、燃料電池スタック1のセル電圧のばらつきによる誤判断を防ぐと共に、燃料電池スタック1のガス流路22の構造を考慮して、凝縮水のセル電圧への影響を更に正確に判断することができる。
【0059】
更に、この燃料電池システムによれば、図4に示したように、燃料電池スタック1内のガス温度が低下する特定部位Bのセル電圧が低下する頻度から、起動後の燃料電池スタック1が良好な発電状態に達したか否かを判断するので、燃料電池スタック1のセル電圧のばらつきによる誤判断を防ぐと共に、燃料電池スタック1の冷却水による温度特性を考慮して、凝縮水のセル電圧への影響を更に正確に判断することができる。
【0060】
更にまた、この燃料電池システムによれば、図5に示したように、燃料電池スタック1のガス入口に近い特定部位Cのセル電圧が低下する頻度から、起動後の燃料電池スタック1が良好な発電状態に達したか否かを判断する構成としたので、燃料電池スタック1のセル電圧のばらつきによる誤判断を防ぐと共に、ガス供給側からの凝縮水の流れ込みを考慮して、燃料電池スタック1内の凝縮水のセル電圧への影響を更に正確に判断することができる。
【0061】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【0062】
すなわち、上述した燃料電池スタック発電状態判断処理は、主として燃料電池システムの起動時に実行すると説明したが、これに限らず、通常運転時にセル電圧が低下した場合に所定期間ごとに実行しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用した燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図2】本発明を適用した第1実施形態に係る燃料電池システムによる燃料電池スタック発電状態判断処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図3】燃料電池スタック内の折り返し部分の特定部位のセル構造体のセル電圧を測定する場合を示す図である。
【図4】燃料電池スタック内の冷却水出口付近の特定部位のセル構造体のセル電圧を測定する場合を示す図である。
【図5】燃料電池スタック内のガス入口付近の特定部位のセル構造体のセル電圧を測定する場合を示す図である。
【図6】本発明を適用した第1実施形態に係る燃料電池システムによる燃料電池スタック発電状態判断処理の処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
1 燃料電池スタック
2 コンプレッサ
3 空気加湿器
4 燃料電池システム制御装置
5 コンプレッサモータ
6 空気調圧弁
7 モータ回転センサ
8 空気圧力センサ
9 高圧水素ボンベ
10 水素調圧弁
11 エゼクタポンプ
12 水素加湿器
13 水素圧力センサ
14 水素パージ弁
15 セル電圧センサ
21 セル構造体
22 ガス流路
23 冷却水流路
31,32 セル群
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system for operating a fuel cell stack including a plurality of cells normally.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, there is known a fuel cell system in which a fuel gas such as hydrogen gas and an oxidizing gas having oxygen are supplied to a fuel cell stack to cause an electrochemical reaction through an electrolyte to directly extract electric energy from between electrodes. Have been.
[0003]
Such a fuel cell system has the advantages of high power generation efficiency and extremely low emission of harmful substances, so that it is not only applied to stationary power generation such as power plants and home generators, but also to vehicles. In recent years, fuel cell vehicles that have been used as a driving source for a vehicle have attracted attention.
[0004]
However, in the conventional fuel cell system, if a large amount of power is generated immediately after startup to supply power to a large load in a short time at the time of startup of the fuel cell stack, the output voltage drops sharply, and Not only does it not function, but also causes problems such as damage to the fuel cell stack and shortened life.
[0005]
As a conventional fuel cell system that solves such a problem, for example, focusing on the temperature of the fuel cell stack at the time of startup, when the fuel cell stack temperature is equal to or lower than a predetermined value, the fuel cell stack is in a warm-up state. Therefore, power was taken out of the secondary battery and supplied to the load. This limits the power generation from the fuel cell stack.
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 9-231991
[Problems to be solved by the invention]
In a conventional fuel cell system, in the operation method at the time of startup of the fuel cell stack, it is determined whether or not a favorable power generation state has been reached based on the temperature of the fuel cell stack after startup, and the fuel cell stack temperature is measured. A temperature sensor had to be provided in the fuel cell stack.
[0008]
However, since the fuel cell stack is formed by stacking hundreds of cells, the temperature distribution of each cell is often not uniform. This is because in the process of cooling the fuel cell stack, there is a difference in cooling water temperature between the cooling water inlet and the cooling water outlet of the fuel cell stack, and each cell temperature is different near the cooling water inlet and near the cooling water outlet. by.
[0009]
That is, in order for the fuel cell system to function as a power supply, it is necessary to circulate cooling water in the fuel cell stack. However, since most of the power generation loss of the fuel cell stack takes the form of heat generation, for example, the cooling water inlet And the vicinity of the cooling water outlet, a cell temperature difference always occurs. For these reasons, it is necessary to provide temperature sensors at a plurality of locations in order to grasp the temperature of each cell in the fuel cell stack and determine whether or not a good power generation state has been reached, resulting in an increase in cost. There was a problem.
[0010]
In addition, as a cause of causing a voltage drop of the fuel cell stack when the fuel cell system is started, condensed water blocks a gas flow path of the fuel cell stack. The condensed water in the fuel cell stack is generated not only when the temperature of the fuel cell stack is low, but also when the condensed water is generated in a gas pipe for supplying gas to the fuel cell stack and flows into the fuel cell stack. In this case, there is a problem that the power generation state of the fuel cell stack cannot be determined based on the temperature in the fuel cell stack.
[0011]
Accordingly, the present invention has been proposed in view of the above-described circumstances, and provides a fuel cell system capable of operating a fuel cell stack including a plurality of cells in a favorable power generation state.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The fuel cell system according to the present invention includes a cell voltage sensor that detects a cell voltage of each cell structure of the fuel cell stack in order to determine a power generation state of the fuel cell stack configured by stacking a plurality of cell structures. When the cell voltage detected by the cell voltage sensor decreases, the purge valve is opened by the power generation state determining means, and the time when the decreased cell voltage rises to a predetermined value is measured. The above-described problem is solved by determining that the fuel cell stack has reached a favorable power generation state when the time is shorter than the time.
[0013]
Further, in another fuel cell system according to the present invention, in order to determine the power generation state of a fuel cell stack configured by stacking a plurality of cell structures, the fuel cell stack is arranged at a specific portion where condensed water stays in the fuel cell stack. A cell voltage sensor for detecting a cell voltage of the installed cell structure, wherein the power generation state determining means opens the purge valve when the cell voltage detected by the cell voltage sensor decreases to increase the cell voltage. By calculating the frequency of the cell voltage drop of the cell structure in which the cell voltage drop has occurred, by determining that the fuel cell stack has reached a favorable power generation state when the frequency of the cell voltage drop is lower than a predetermined frequency. The above-mentioned problem is solved.
[0014]
【The invention's effect】
According to the fuel cell system of the present invention, when the cell voltage detected by the cell voltage sensor decreases, the purge valve is opened, and the time when the decreased cell voltage increases and reaches a predetermined value is measured. It is determined that the fuel cell stack has reached a good power generation state when the time is shorter than the predetermined time, so it can be determined whether the purging has eliminated the decrease in cell voltage due to condensed water in the fuel cell stack, The influence of the condensed water in the fuel cell stack on the power generation state can be accurately determined. Therefore, according to this fuel cell system, even when the cell voltage varies due to the influence of the condensed water, the fuel cell stack can be operated in a favorable power generation state.
[0015]
Further, according to another fuel cell system according to the present invention, whether or not the fuel cell stack has reached a favorable power generation state is determined based on the frequency at which the cell voltage of a specific portion where condensed water stays in the fuel cell stack decreases. Therefore, the influence of the condensed water in the fuel cell stack on the cell voltage can be accurately determined. Therefore, according to this fuel cell system, even when the cell voltage varies due to the influence of the condensed water, the fuel cell stack can be operated in a favorable power generation state.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0017]
[First Embodiment]
The present invention is applied to, for example, a fuel cell system configured as shown in FIG.
[0018]
[Configuration of fuel cell system]
As shown in FIG. 1, the fuel cell system according to the first embodiment includes a fuel cell stack 1 that generates power by being supplied with a fuel gas and an oxidizing gas. The fuel cell stack 1 has a structure in which a fuel cell structure having an air electrode and a hydrogen electrode opposed to each other with a solid polymer electrolyte membrane interposed therebetween is sandwiched between separators, and a plurality of cell structures are stacked. In this example, a fuel cell system that supplies hydrogen gas as a fuel gas for the fuel cell stack 1 to generate a power generation reaction to the hydrogen electrode 1a and supplies air containing oxygen as an oxidant gas to the air electrode 1b is described. explain.
[0019]
In this fuel cell system, when generating power from the fuel cell stack 1, humidified hydrogen gas is supplied to the hydrogen electrode 1a and humidified air is supplied to the air electrode 1b.
[0020]
After the air is pressurized by the compressor 2 and humidified by the air humidifier 3, the air is supplied to the air electrode 1 b of the fuel cell stack 1. At this time, the fuel cell system controller 4 controls the rotation speed of the compressor motor 5 connected to the compressor 2 and controls the opening of the air pressure regulating valve 6 provided on the air discharge side of the air electrode 1b. To adjust the air flow rate and air pressure supplied to the air electrode 1b.
[0021]
Further, the fuel cell system control device 4 reads the sensor signal from the motor rotation sensor 7 and controls the compressor motor 5 so as to reach the target rotation speed. Further, the fuel cell system controller 4 reads the sensor signal from the air pressure sensor 8 that detects the air pressure supplied from the air humidifier 3 to the air electrode 1b, and sets the air pressure regulating valve 6 so as to reach the target air pressure. Control.
[0022]
The hydrogen stored in the high-pressure hydrogen cylinder 9 is humidified with pure water in a hydrogen humidifier 12 via a hydrogen pressure regulating valve 10 and an ejector pump 11, and then supplied to the hydrogen electrode 1a. Unused hydrogen discharged from the hydrogen electrode 1a is returned to the ejector pump 11 and circulated again to the hydrogen electrode 1a by the ejector pump 11.
[0023]
At this time, the fuel cell system controller 4 controls the opening of the hydrogen pressure regulating valve 10 to adjust the hydrogen pressure supplied to the hydrogen electrode 1a. The fuel cell system controller 4 reads a sensor signal from the hydrogen pressure sensor 13 that detects the hydrogen pressure supplied from the hydrogen humidifier 12 to the hydrogen electrode 1a, and opens the hydrogen pressure regulating valve 10 to the target hydrogen pressure. Control.
[0024]
In this fuel cell system, a hydrogen purge valve 14 is provided on the hydrogen discharge side of the hydrogen electrode 1a. The opening and closing operation of the hydrogen purge valve 14 is controlled by the fuel cell system control device 4 and opens and closes according to the state of the fuel cell stack 1. The fuel cell system controller 4 controls the hydrogen purge valve 14 to prevent, for example, the occurrence of water clogging in the fuel cell stack 1 or the decrease in output or the decrease in power generation efficiency due to air leaking from the air electrode 1b to the hydrogen electrode 1a. In the open state, hydrogen gas is temporarily released from the fuel cell stack 1.
[0025]
Further, the fuel cell system includes a cell voltage sensor 15 for measuring a voltage between electrodes of cells connected in series in the fuel cell stack 1. The cell voltage detected by the cell voltage sensor 15 is read by the fuel cell system controller 4. When the fuel cell system controller 4 detects a decrease in cell voltage, the fuel cell system controller 4 performs a fuel cell stack power generation state determination process described later.
[0026]
Here, the fuel cell stack 1 is formed by stacking hundreds of cell structures, and it is impossible to build the fuel cell without variations in characteristics between cells. Is provided with a cell voltage sensor 15. The cell voltage sensor 15 is normally referred to by the fuel cell system controller 4 when controlling the power generated by the fuel cell stack 1.
[0027]
Although not shown in FIG. 1, an electric load (not shown) controlled by the fuel cell system control device 4 is connected to the fuel cell stack 1 to supply generated electric power to the electric load.
[0028]
[Fuel cell stack power generation state determination process]
Next, a fuel cell stack power generation state determination process for determining the power generation state of the fuel cell stack 1 by the fuel cell system control device 4 in the above-described fuel cell system will be described with reference to FIG.
[0029]
The fuel cell stack power generation state determination process is performed by the fuel cell system control device 4 at, for example, a predetermined time interval. In step S1, the sensor signal from the cell voltage sensor 15 is read, and it is determined that the cell voltage has decreased. In this case, the process proceeds to step S2. Here, the fuel cell system control device 4 checks whether any of the cell voltage values recognized from the sensor signal is lower than a predetermined value (for example, 0.5 V). When it is determined that there is a cell voltage value less than the predetermined value, it is determined that hydrogen gas is not normally supplied to the cell, and flooding in which condensed water stays in the fuel cell stack 1 has occurred, and the process proceeds to step S2. Transition. Here, if the condensed water stays in the gas flow path, the flow rate of the gas supplied to each cell structure is different, the cell voltage is reduced, and the cell voltage varies.
[0030]
In step S2, the hydrogen purge valve 14 is opened by the fuel cell system controller 4, and the process proceeds to step S3. When the hydrogen purge valve 14 is opened, the flow rate of hydrogen in the fuel cell stack 1 increases, and condensed water blocking the hydrogen flow path in the fuel cell stack 1 is discharged out of the fuel cell stack 1.
[0031]
In step S3, the fuel cell system controller 4 starts measuring the time from when the hydrogen purge valve 14 was opened in step S2, and proceeds to step S4.
[0032]
In step S4, it is determined whether or not the cell voltage that has been determined to have decreased in step S1 has been restored by increasing and has reached a cell voltage that can be determined as a normal power generation state. Here, the fuel cell system controller 4 determines whether or not the cell voltage has become equal to or higher than a predetermined value (for example, 0.6 V).
[0033]
When the fuel cell system controller 4 determines that the cell voltage value is not the normal cell voltage value, the time measurement started in step S3 is continued until the cell voltage value becomes the normal cell voltage value. While repeating the determination in step S4, if it is determined that the cell voltage value has become a normal cell voltage value, the process proceeds to step S5.
[0034]
In step S5, the fuel cell system controller 4 closes the hydrogen purge valve 14 opened in step S2, and proceeds to step S6.
[0035]
In step S6, the fuel cell system controller 4 ends the time measurement started in step S3, and proceeds to step S7.
[0036]
In step S7, the fuel cell system controller 4 determines whether or not the time obtained as a result of starting the measurement in step 3 and ending the measurement in step S6 is less than a predetermined time. If it is determined that the measured time is less than the predetermined time, it is determined that the amount of condensed water to be generated is relatively small, and the process proceeds to step S8, where the power generation state of the fuel cell stack 1 is good. It is determined that there is, and the process ends.
[0037]
On the other hand, when the fuel cell system controller 4 determines that the time of the result of the measurement is not shorter than the predetermined time, it is determined that the amount of the condensed water to be generated is relatively large, and the process proceeds to step S9, and the process proceeds to step S9. It is determined that the power generation state of the battery stack 1 is not good, and the process ends.
[0038]
As described above, when it is determined in step S9 that the fuel cell system has not reached a good power generation state, the fuel cell system control device 4 limits the electric load connected to the fuel cell stack 1 and stops the fuel cell system. Control to prevent the fuel cell stack 1 from being damaged or shortening its life. At this time, for example, in the case of a fuel cell vehicle equipped with the fuel cell stack 1, the electric power supplied to an electric load such as a motor for driving the vehicle is controlled by the fuel cell system control device 4 or the like so as to be supplied from the secondary battery. I do.
[0039]
If it is determined in step S9 that the power generation state has not been reached, the fuel cell system control device 4 may increase the gas flow rate supplied to the fuel cell stack 1. At this time, the fuel cell system controller 4 increases the rotation speed of the compressor motor 5 to increase the air flow rate, and controls the hydrogen purge valve 14 to control the fuel cell stack 1 depending on the characteristics of the ejector pump 11. Or the flow rate of hydrogen may be increased by increasing the hydrogen supply pressure to the hydrogen.
[0040]
By changing the operation state of the fuel cell stack 1 in this way, the power supplied to the motor 2 and the like is reduced by the need to supply power to the compressor 2 and the like, and the net efficiency of the fuel cell system is reduced. By increasing the gas flow rate, the condensed water is eliminated to operate the fuel cell stack 1 stably.
[0041]
[Effects of First Embodiment]
As described in detail above, according to the fuel cell system according to the first embodiment, when the cell voltage decreases, the hydrogen purge valve 14 is opened, and after performing the hydrogen purge, the cell voltage increases and the normal state. It is determined whether or not the fuel cell stack 1 after startup has reached a good power generation state according to the time when the cell voltage reaches a proper level, that is, the reactivation speed of the fuel cell stack 1. It is possible to determine whether or not the decrease in cell voltage due to the above has been eliminated, and it is possible to accurately determine the influence of condensed water on the power generation state.
[0042]
Further, according to this fuel cell system, when it is determined that the fuel cell stack 1 has not reached a favorable power generation state, the power generation amount of the fuel cell stack 1 is limited. If the electrode resistance inside the fuel cell stack 1 increases, the amount of heat generated by the electrode resistance can be suppressed, and the system can be stopped, and the fuel cell stack 1 can be prevented from being damaged or having a shortened life.
[0043]
Furthermore, according to the fuel cell system, when it is determined that the fuel cell stack 1 has not reached a favorable power generation state, the flow rates of the hydrogen gas and the air are increased, so that the operation of the fuel cell stack 1 is stabilized. Becomes possible. That is, by increasing the gas flow rate supplied to the fuel cell stack 1, for example, the condensed water inside the fuel cell stack 1 can be taken out while keeping the load taken out of the fuel cell stack 1 constant by a power management system or the like. .
[0044]
[Second embodiment]
Next, a fuel cell system according to a second embodiment will be described. Note that the same parts as those in the above-described first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. Further, the schematic configuration of the fuel cell system according to the second embodiment is the same as that of the fuel cell system according to the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
[0045]
The fuel cell system according to the second embodiment includes a cell voltage sensor 15 for measuring each cell voltage of the fuel cell stack 1 in a fuel cell stack power generation state determination process, and a cell voltage value based on a sensor signal from the cell voltage sensor 15. When the cell voltage drops, the position of the cell in which the cell voltage drop has occurred in the cell structure is identified, and the power generation state of the fuel cell stack 1 is determined from the frequency at which the specific cell voltage drops. Features.
[0046]
In this fuel cell system, as shown in FIG. 3, a plurality of cell structures (single cells) 21 are folded back and stacked due to layout, and the cell group 31 and the cell group 32 generate hydrogen gas and air. The flow direction is different, and the fuel cell stack 1 having the folded portion 22a in the hydrogen gas or air gas flow path 22 is used. In the case of such a fuel cell stack 1, the gas pipe is bent, and the gas flow path 22 is turned back and supplied to the cell structure 21 again by the separator effect in which the water vapor contained in the gas stays on the side wall of the gas pipe. Condensed water is likely to be generated at the specific portion A. Therefore, the cell voltage sensor 15 detects the cell voltage of the cell structure 21 located near the specific portion A.
[0047]
As another fuel cell stack 1, as shown in FIG. 4, a plurality of cell structures 21 are stacked in the film thickness direction. In some cases, the direction in which the cooling water flows is opposite. In such a fuel cell stack 1, since the cooling water receives the internal heat, the cooling water temperature is lower at the cooling water inlet than at the cooling water outlet. As a result, the gas temperature on the gas outlet side is lower than that on the gas inlet side, and condensed water is likely to be generated in the specific portion B. Therefore, the cell voltage sensor 15 detects the cell voltage of the cell structure 21 located near the specific portion B.
[0048]
As another fuel cell stack 1, as shown in FIG. 5, a plurality of cell structures 21 are stacked in a film thickness direction, and condensed water of a gas supply side pipe flows into an inlet of a gas flow path 22. Likely to happen. Therefore, the cell voltage sensor 15 detects the cell voltage of the cell structure 21 located near the specific portion C.
[0049]
As described above, even within the fuel cell stack 1, there are a plurality of specific portions where condensed water tends to stay, and the cell voltage decreases due to the influence of the condensed water, and the cell voltage varies between the cell structures 21. Occurs.
[0050]
The fuel cell stack power generation state determination processing in consideration of such a variation in cell voltage for each cell structure 21 will be described with reference to the flowchart of FIG. Note that the same processes as those described with reference to FIG. 2 are denoted by the same step numbers, and detailed description thereof is omitted.
[0051]
This fuel cell stack power generation state determination process is not limited to the case where the fuel cell stack 1 as shown in FIGS. 3 to 5 is used, but includes the above-described plurality of specific portions where condensed water is easily generated. A case where the cell voltage of the cell structure 21 is detected will be described.
[0052]
In the fuel cell system control device 4, when it is determined in step S1 that the cell voltage of any of the cell structures 21 has decreased, the process proceeds to step S11, and the fuel cell of the cell structure 21 in which the cell voltage decrease has occurred. The position in the stack 1 is stored, and the hydrogen purge valve 14 is opened in step S2. At this time, the fuel cell system control device 4 distinguishes the sensor signal from the cell voltage sensor 15 that detects the cell voltage of the specific part in FIGS. Identify the location.
[0053]
Then, by performing the processing of step S4 and step S5, it is determined that the cell voltage of the cell structure 21 in which the cell voltage drop is detected in step S1 has been restored, and the step after the hydrogen purge valve 14 is closed is determined. In S12, the fuel cell system controller 4 calculates the frequency at which the cell voltage of the cell structure 21 whose position is stored in step S11 has dropped. That is, from the position stored in step S11, the frequency of occurrence of the cell voltage drop due to the condensed water at the specific portion is calculated.
[0054]
For example, assuming that the processing after step S1 is performed every predetermined time, the number of occurrences of a specific portion A, B, C, or the like in the fuel cell stack 1 among the past ten cell voltage drops is calculated.
[0055]
In the next step S13, the frequency (number of times) calculated in step S12 by the fuel cell system control device 4 is equal to or higher than a predetermined frequency (for example, three times in the case of the number of times), and the specific part stored in step S11 is stored. It is determined whether or not the frequency at which condensed water stays is high.
[0056]
If it is determined that the frequency is not higher than the predetermined frequency (the number of times), it is determined that the cell voltage drop does not concentrate on the predetermined portion and the variation of the cell voltage value in the fuel cell stack 1 is reduced. In S8, it is determined that a good power generation state has been reached. On the other hand, if it is determined that the frequency is larger than the predetermined frequency (number of times), it is determined that the cell voltage drop is concentrated in a specific portion, and the process proceeds to step S9, where a good power generation state has not yet been reached. When it is determined that the fuel cell stack 1 has not been set, the electric load of the fuel cell stack 1 is limited, and the process of increasing the gas supply flow rate to the fuel cell stack 1 is performed as described above.
[0057]
[Effect of Second Embodiment]
As described above in detail, according to the fuel cell system according to the second embodiment, the frequency of the cell voltage at a specific portion where the flooding is likely to occur in the fuel cell stack 1 is reduced. It is determined whether or not the fuel cell stack has reached a favorable power generation state. Therefore, it is possible to prevent erroneous determination of a cell abnormality due to a variation in the cell voltage of the fuel cell stack 1 and determine the influence of condensed water in the fuel cell stack 1 on the cell voltage. can do. Therefore, according to this fuel cell system, even when the cell voltage varies due to the influence of the condensed water, the fuel cell stack 1 can be operated in a favorable power generation state.
[0058]
Further, according to this fuel cell system, as shown in FIG. 3, the fuel cell stack 1 after startup is determined from the frequency at which the cell voltage of the specific portion A where the gas flow path 22 in the fuel cell stack 1 turns back decreases. Since it is determined whether or not a good power generation state has been reached, erroneous determination due to variations in the cell voltage of the fuel cell stack 1 is prevented, and the structure of the gas flow path 22 of the fuel cell stack 1 is taken into consideration, and condensed water is considered. The influence on the cell voltage can be determined more accurately.
[0059]
Further, according to this fuel cell system, as shown in FIG. 4, the fuel cell stack 1 after startup is good due to the frequency of the cell voltage of the specific portion B where the gas temperature in the fuel cell stack 1 decreases. It is determined whether or not the fuel cell stack 1 has reached a proper power generation state, so that erroneous determination due to the variation in cell voltage of the fuel cell stack 1 is prevented, and the cell voltage of the condensed water is considered in consideration of the temperature characteristics of the fuel cell stack 1 due to cooling water. Can be more accurately determined.
[0060]
Furthermore, according to this fuel cell system, as shown in FIG. 5, the frequency of the cell voltage at the specific portion C near the gas inlet of the fuel cell stack 1 decreases, so that the fuel cell stack 1 after startup is good. Since it is configured to determine whether or not the power generation state has been reached, it is possible to prevent erroneous determination due to variations in the cell voltage of the fuel cell stack 1 and to consider the inflow of condensed water from the gas supply side, and The influence of the condensed water in the cell on the cell voltage can be determined more accurately.
[0061]
Note that the above embodiment is an example of the present invention. For this reason, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and other than the present embodiment, various modifications may be made according to the design and the like within a range not departing from the technical idea according to the present invention. Can be changed.
[0062]
That is, the above-described fuel cell stack power generation state determination processing is described to be mainly performed when the fuel cell system is started up. However, the present invention is not limited to this, and may be performed every predetermined period when the cell voltage decreases during normal operation. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a flowchart showing a processing procedure of a fuel cell stack power generation state determination process by the fuel cell system according to the first embodiment to which the present invention is applied.
FIG. 3 is a diagram showing a case where a cell voltage of a cell structure at a specific portion of a folded portion in a fuel cell stack is measured.
FIG. 4 is a diagram showing a case where a cell voltage of a cell structure at a specific portion near a cooling water outlet in a fuel cell stack is measured.
FIG. 5 is a diagram showing a case where a cell voltage of a cell structure at a specific portion near a gas inlet in a fuel cell stack is measured.
FIG. 6 is a flowchart showing a processing procedure of a fuel cell stack power generation state determination process by the fuel cell system according to the first embodiment to which the present invention is applied.
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS LIST 1 fuel cell stack 2 compressor 3 air humidifier 4 fuel cell system controller 5 compressor motor 6 air pressure regulator 7 motor rotation sensor 8 air pressure sensor 9 high-pressure hydrogen cylinder 10 hydrogen pressure regulator 11 ejector pump 12 hydrogen humidifier 13 hydrogen pressure sensor 14 hydrogen purge valve 15 cell voltage sensor 21 cell structure 22 gas flow path 23 cooling water flow path 31, 32 cell group

Claims (7)

固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極とを対設したセル構造体をセパレータで挟持し、上記セル構造体を複数積層して構成され、上記酸化剤極に酸化剤ガスが供給されると共に、上記燃料極に燃料ガスが供給されて発電をする燃料電池スタックと、
上記燃料電池スタックの各セル構造体のセル電圧を検出するセル電圧センサと、
上記燃料電池スタックの燃料ガス排出側に設けられ、上記燃料電池スタックから燃料ガスを放出するパージ弁と、
上記セル電圧センサにより検出されたセル電圧が低下した場合に上記パージ弁を開状態にし、低下したセル電圧が上昇して所定値となる時間を計測し、計測した時間が所定時間より短い場合に上記燃料電池スタックが良好な発電状態に達したと判断する発電状態判断手段と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
A cell structure in which an oxidant electrode and a fuel electrode are opposed to each other with a solid polymer electrolyte membrane interposed therebetween is sandwiched by a separator, and the cell structure is formed by stacking a plurality of the cell structures. An oxidant gas is supplied to the oxidant electrode. A fuel cell stack that is supplied with fuel gas to the fuel electrode to generate power,
A cell voltage sensor for detecting a cell voltage of each cell structure of the fuel cell stack;
A purge valve provided on a fuel gas discharge side of the fuel cell stack, for discharging fuel gas from the fuel cell stack;
When the cell voltage detected by the cell voltage sensor decreases, the purge valve is opened, and the time when the decreased cell voltage increases and reaches a predetermined value is measured, and when the measured time is shorter than the predetermined time, A fuel cell system comprising: a power generation state determination unit configured to determine that the fuel cell stack has reached a favorable power generation state.
固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極とを対設したセル構造体をセパレータで挟持し、上記セル構造体を複数積層して構成され、上記酸化剤極に酸化剤ガスが供給されると共に、上記燃料極に燃料ガスが供給されて発電をする燃料電池スタックと、
上記燃料電池スタック内の各セル構造体のセル電圧を検出するセル電圧センサと、
上記セル電圧が低下した場合、電圧低下が発生したセルのセル構造体内での位置を判別および記憶するセル電圧低下判別記憶手段と、
上記燃料電池スタックの燃料ガス排出側に設けられ、上記燃料電池スタックから燃料ガスを放出するパージ弁と、
上記セル電圧センサにより検出されたセル電圧が低下した場合に上記パージ弁を開状態にしてセル電圧を上昇させ、セル電圧の低下が発生したセル構造体のセル電圧低下の頻度を演算し、セル電圧低下の頻度が所定頻度より低い場合に上記燃料電池スタックが良好な発電状態に達したと判断する発電状態判断手段と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
A cell structure in which an oxidant electrode and a fuel electrode are opposed to each other with a solid polymer electrolyte membrane interposed therebetween is sandwiched by a separator, and the cell structure is formed by stacking a plurality of the cell structures. An oxidant gas is supplied to the oxidant electrode. A fuel cell stack that is supplied with fuel gas to the fuel electrode to generate power,
A cell voltage sensor for detecting a cell voltage of each cell structure in the fuel cell stack;
When the cell voltage is reduced, a cell voltage drop determination storage unit that determines and stores the position in the cell structure of the cell where the voltage drop has occurred,
A purge valve provided on a fuel gas discharge side of the fuel cell stack, for discharging fuel gas from the fuel cell stack;
When the cell voltage detected by the cell voltage sensor decreases, the purge valve is opened to increase the cell voltage, and the frequency of the cell voltage decrease of the cell structure in which the cell voltage has decreased is calculated. A fuel cell system comprising: a power generation state determination unit configured to determine that the fuel cell stack has reached a favorable power generation state when the frequency of voltage drop is lower than a predetermined frequency.
上記燃料電池スタック内に凝縮水が滞留する特定部位を、上記燃料電池スタック内でガス流路が折り返す部位としたことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 2, wherein the specific portion where the condensed water stays in the fuel cell stack is a portion where a gas flow path is turned back in the fuel cell stack. 上記燃料電池スタック内に凝縮水が滞留する特定部位を、上記燃料電池スタック内でガス温度が低下する部位としたことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the specific portion where the condensed water stays in the fuel cell stack is a portion where the gas temperature decreases in the fuel cell stack. 上記燃料電池スタック内に凝縮水が滞留する特定部位を、上記燃料電池スタックのガス入口付近としたことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 2, wherein the specific portion where the condensed water stays in the fuel cell stack is near a gas inlet of the fuel cell stack. 上記発電状態判断手段により上記燃料電池スタックが良好な発電状態に達していないと判断した場合に、上記燃料電池スタックの発電量を制限する制御手段を更に備えることを特徴とする請求項1〜請求項5の何れかに記載の燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 1, further comprising a control unit configured to limit a power generation amount of the fuel cell stack when the power generation state determination unit determines that the fuel cell stack has not reached a favorable power generation state. Item 6. The fuel cell system according to any one of Items 5. 上記発電状態判断手段により上記燃料電池スタックが良好な発電状態に達していないと判断した場合に、上記燃料電池スタックに供給するガス流量を増加させる制御手段を更に備えることを特徴とする請求項1〜請求項5の何れかに記載の燃料電池システム。2. The fuel cell system according to claim 1, further comprising a control unit configured to increase a flow rate of gas supplied to the fuel cell stack when the power generation state determination unit determines that the fuel cell stack has not reached a favorable power generation state. The fuel cell system according to claim 5.
JP2002273632A 2002-09-19 2002-09-19 Fuel cell system Pending JP2004111266A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002273632A JP2004111266A (en) 2002-09-19 2002-09-19 Fuel cell system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002273632A JP2004111266A (en) 2002-09-19 2002-09-19 Fuel cell system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2004111266A true JP2004111266A (en) 2004-04-08

Family

ID=32270338

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2002273632A Pending JP2004111266A (en) 2002-09-19 2002-09-19 Fuel cell system

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2004111266A (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006120430A (en) * 2004-10-21 2006-05-11 Toyota Motor Corp Fuel cell system
JP2006338921A (en) * 2005-05-31 2006-12-14 Equos Research Co Ltd Fuel cell system
JP2007035493A (en) * 2005-07-28 2007-02-08 Nissan Motor Co Ltd Fuel cell voltage regulator
JP2009087568A (en) * 2007-09-27 2009-04-23 Sanyo Electric Co Ltd Fuel cell system
US11831052B2 (en) 2021-03-17 2023-11-28 Honda Motor Co., Ltd. Electric power supply system, controlling method of electric power supply system, and storage medium

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006120430A (en) * 2004-10-21 2006-05-11 Toyota Motor Corp Fuel cell system
JP2006338921A (en) * 2005-05-31 2006-12-14 Equos Research Co Ltd Fuel cell system
JP2007035493A (en) * 2005-07-28 2007-02-08 Nissan Motor Co Ltd Fuel cell voltage regulator
JP2009087568A (en) * 2007-09-27 2009-04-23 Sanyo Electric Co Ltd Fuel cell system
US11831052B2 (en) 2021-03-17 2023-11-28 Honda Motor Co., Ltd. Electric power supply system, controlling method of electric power supply system, and storage medium

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1668728B1 (en) Abnormality detecting device of fuel cell system
US7985507B2 (en) Fuel cell system and related method
JP4893745B2 (en) Fuel cell system
US20060216555A1 (en) Fuel cell system and method for removing residual fuel gas
WO2006109756A1 (en) Fuel cell system
US10115989B2 (en) Operation method of fuel cell system and fuel cell system
WO2007018132A1 (en) Fuel cell system and method for judging fuel gas leakage in fuel cell system
JP4063507B2 (en) Fuel cell system
JP3928526B2 (en) Fuel cell system
JP3879429B2 (en) Fuel cell system
JP4414808B2 (en) Fuel cell system
CN113285104A (en) Fuel cell system and control method thereof
JP2003331889A (en) Fuel cell system
JP5304863B2 (en) Fuel cell system
JP2004111266A (en) Fuel cell system
JP2008103228A (en) Fuel cell system
JP4561048B2 (en) Fuel cell system
EP1605539A2 (en) Fuel cell system and method of controlling thereof
JP2006092801A (en) Fuel cell system
EP1869722A2 (en) Fuel cell system
JP4982977B2 (en) Fuel cell system
WO2006019027A1 (en) Fuel cell system and liquid discharging method for the same
JP4839698B2 (en) Fuel cell system
JP3867503B2 (en) Fuel cell system
JP2022189490A (en) Controller for fuel battery system