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JP2008165994A - Fuel cell system control device and fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system control device and fuel cell system Download PDF

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JP2008165994A
JP2008165994A JP2006350959A JP2006350959A JP2008165994A JP 2008165994 A JP2008165994 A JP 2008165994A JP 2006350959 A JP2006350959 A JP 2006350959A JP 2006350959 A JP2006350959 A JP 2006350959A JP 2008165994 A JP2008165994 A JP 2008165994A
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JP
Japan
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fuel cell
electrode
oxidant
fuel
valve
Prior art date
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Application number
JP2006350959A
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Japanese (ja)
Inventor
Takuya Hashimoto
卓哉 橋本
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】起動時における酸化剤極の高電位状態の発生をより確実に回避することが可能な燃料電池システムの制御装置を提供する。
【解決手段】燃料電池10の酸化剤極12に接続された流路22,23を開閉する弁24,25を備え、燃料電池10の停止時に弁24,25を閉じる燃料電池システム1において、制御装置50は、燃料電池10の起動時に、酸化剤極12に酸化剤ガスが存在するか否かを判定し、酸化剤ガスが存在すると判定された場合には、燃料電池10の出力電圧を所定の上限値以下に制限しつつ所定の目標値に低下させる制御を行う。
【選択図】図1
The present invention provides a control device for a fuel cell system that can more reliably avoid the occurrence of a high potential state of an oxidizer electrode during startup.
Control is provided in a fuel cell system including valves 24 and 25 for opening and closing flow paths 22 and 23 connected to an oxidant electrode 12 of a fuel cell 10 and closing the valves 24 and 25 when the fuel cell 10 is stopped. The apparatus 50 determines whether or not an oxidant gas is present in the oxidant electrode 12 when the fuel cell 10 is started up. If it is determined that the oxidant gas is present, the device 50 sets the output voltage of the fuel cell 10 to a predetermined value. The control is performed to reduce the value to a predetermined target value while limiting the value to the upper limit value or less.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、燃料電池システムの制御装置および燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a control device for a fuel cell system and a fuel cell system.

燃料ガス(例えば水素)と酸化剤ガス(例えば酸素)とを用いて発電する燃料電池システムがある(例えば、特許文献1〜5参照)。   There is a fuel cell system that generates power using a fuel gas (for example, hydrogen) and an oxidant gas (for example, oxygen) (see, for example, Patent Documents 1 to 5).

特許文献1には、燃料電池システムの起動時における無負荷状態による酸化剤極の高電位を避ける技術が開示されている。具体的には、特許文献1に記載の技術は、燃料電池システムの起動方法において、酸化剤極への酸化剤ガス供給を遮断しかつ燃料電池本体と負荷装置との接続を遮断した状態で、燃料極へ燃料ガスの供給を開始し、燃料電池本体の電圧が第1の所定値以上になった場合に、燃料電池本体と負荷装置とを接続し、燃料電池本体の電圧が第1の所定値より小さい第2の所定値以下になった場合に、酸化剤極に酸化剤ガスの供給を開始するものである。   Patent Document 1 discloses a technique for avoiding a high potential of the oxidizer electrode due to a no-load state at the time of starting the fuel cell system. Specifically, the technique described in Patent Document 1 is a method for starting a fuel cell system in a state where the oxidant gas supply to the oxidant electrode is cut off and the connection between the fuel cell body and the load device is cut off. When supply of the fuel gas to the fuel electrode is started and the voltage of the fuel cell body becomes equal to or higher than the first predetermined value, the fuel cell body and the load device are connected, and the voltage of the fuel cell body is set to the first predetermined value. The supply of the oxidant gas to the oxidant electrode is started when the value becomes equal to or smaller than a second predetermined value smaller than the value.

特開2005−116402号公報JP 2005-116402 A 特開2004−179072号公報JP 2004-179072 A 特開2006−179335号公報JP 2006-179335 A 特開2004−342406号公報JP 2004-342406 A 特開2006−128016号公報JP 2006-128016 A

しかし、上記特許文献1に記載の技術では、例えば酸化剤極に接続された流路を開閉する弁が開故障した場合などにおいて、起動時における酸化剤極の高電位状態が発生する恐れがある。   However, in the technique described in Patent Document 1, there is a possibility that a high potential state of the oxidizer electrode may occur at the time of start-up, for example, when a valve that opens and closes the flow path connected to the oxidizer electrode fails. .

そこで、本発明は、起動時における酸化剤極の高電位状態の発生をより確実に回避することが可能な燃料電池システムの制御装置を提供する。   Therefore, the present invention provides a control device for a fuel cell system that can more reliably avoid the occurrence of a high potential state of the oxidizer electrode during startup.

本発明に係る燃料電池システムの制御装置は、燃料電池の酸化剤極に接続された流路を開閉する弁を備え、前記燃料電池の停止時に前記弁を閉じる燃料電池システムの制御装置であって、前記燃料電池の起動時に、前記酸化剤極に酸化剤ガスが存在するか否かを判定し、酸化剤ガスが存在すると判定された場合には、前記燃料電池の出力電圧を所定の上限値以下に制限しつつ所定の目標値に低下させる制御を行うことを特徴とする。   A control apparatus for a fuel cell system according to the present invention is a control apparatus for a fuel cell system that includes a valve that opens and closes a flow path connected to an oxidant electrode of the fuel cell and closes the valve when the fuel cell is stopped. When the fuel cell is started, it is determined whether or not oxidant gas is present in the oxidant electrode. If it is determined that oxidant gas is present, the output voltage of the fuel cell is set to a predetermined upper limit value. Control is performed to reduce to a predetermined target value while limiting to the following.

本発明の一態様では、前記燃料電池の起動時に、前記弁が閉じられた状態で前記燃料電池の燃料極に燃料ガスが供給されるように制御し、前記燃料電池の出力電圧が所定の閾値以上となった場合に、酸化剤ガスが存在すると判定する。   In one aspect of the present invention, when the fuel cell is started, control is performed so that fuel gas is supplied to the fuel electrode of the fuel cell with the valve closed, and the output voltage of the fuel cell is a predetermined threshold value. When it becomes above, it determines with oxidizing agent gas existing.

本発明に係る燃料電池システムは、燃料極に供給される燃料ガスと酸化剤極に供給される酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、前記酸化剤極に接続された流路を開閉する弁であって、前記燃料電池の停止時に閉じるように制御される弁と、前記燃料電池の起動時に、前記酸化剤極に酸化剤ガスが存在するか否かを判定し、酸化剤ガスが存在すると判定された場合に、前記燃料電池の出力電圧を所定の上限値以下に制限しつつ所定の目標値に低下させる制御を行う制御装置と、を有することを特徴とする。   The fuel cell system according to the present invention opens and closes a fuel cell that generates power using a fuel gas supplied to the fuel electrode and an oxidant gas supplied to the oxidant electrode, and a flow path connected to the oxidant electrode. A valve that is controlled to be closed when the fuel cell is stopped, and whether or not an oxidant gas is present in the oxidant electrode when the fuel cell is started, and the oxidant gas is And a control device that controls to reduce the output voltage of the fuel cell to a predetermined target value while limiting the output voltage of the fuel cell to a predetermined upper limit value or less.

本発明によれば、起動時における酸化剤極の高電位状態の発生をより確実に回避することが可能な燃料電池システムの制御装置を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the control apparatus of the fuel cell system which can avoid more reliably generation | occurrence | production of the high electric potential state of an oxidizer electrode at the time of starting can be provided.

以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本実施の形態に係る燃料電池システム1の構成を示す図である。この燃料電池システム1は、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を受けて発電するシステムであり、本実施の形態では、燃料電池自動車に搭載されるものである。ただし、燃料電池システム1は、燃料電池自動車以外に適用されてもよい。   FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system 1 according to the present embodiment. The fuel cell system 1 is a system that generates power by receiving supply of a fuel gas and an oxidant gas. In this embodiment, the fuel cell system 1 is mounted on a fuel cell vehicle. However, the fuel cell system 1 may be applied to other than fuel cell vehicles.

図1において、燃料電池システム1は、燃料電池10を有する。この燃料電池10は、電解質膜11と、この両側に設けられた酸化剤極(カソード)12および燃料極(アノード)13とを含む。燃料電池10は、酸化剤極12に供給される酸化剤ガスと燃料極13に供給される燃料ガスとを用いて発電する。   In FIG. 1, the fuel cell system 1 includes a fuel cell 10. The fuel cell 10 includes an electrolyte membrane 11 and an oxidant electrode (cathode) 12 and a fuel electrode (anode) 13 provided on both sides thereof. The fuel cell 10 generates power using the oxidant gas supplied to the oxidant electrode 12 and the fuel gas supplied to the fuel electrode 13.

本実施の形態では、燃料電池10は、固体高分子電解質型である。また、燃料電池10は、多数(ここでは400個)の単セルが積層されてなるスタック構造を有する。また、燃料電池10は、酸化剤ガスとして酸素を含む空気を用い、燃料ガスとして水素を用いる。   In the present embodiment, the fuel cell 10 is a solid polymer electrolyte type. The fuel cell 10 has a stack structure in which a large number (in this case, 400) of single cells are stacked. The fuel cell 10 uses air containing oxygen as the oxidant gas and hydrogen as the fuel gas.

酸化剤極12の入口には、コンプレッサ21から供給される空気を酸化剤極12に導く酸化剤供給流路22が接続されており、酸化剤極12の出口には、当該酸化剤極12から排出されるガス(カソードオフガスと呼ばれる)を外部に導く酸化剤排出流路23が接続されている。酸化剤供給流路22には、当該流路を開閉するための弁(以下、「エアシャットバルブ」と称す)24が設けられており、酸化剤排出流路23には、当該流路を開閉するための弁(以下、「エアシャットバルブ」と称す)25が設けられている。また、酸化剤供給流路22と酸化剤排出流路23との間には、コンプレッサ21からの空気を酸化剤極12から迂回させるバイパス流路26が接続されており、このバイパス流路26には、当該流路を開閉する弁(以下、「エアバイパスバルブ」と称す)27が設けられている。なお、図1には示されていないが、酸化剤極12に接続される流路22,23には、適宜、流路内のガスの圧力を測定する圧力センサや、流路内のガスの圧力を調整する圧力調整弁などが設けられる。   An oxidant supply flow path 22 that guides air supplied from the compressor 21 to the oxidant electrode 12 is connected to the inlet of the oxidant electrode 12, and an outlet from the oxidant electrode 12 is connected to the outlet of the oxidant electrode 12. An oxidant discharge flow path 23 is connected to guide the discharged gas (called cathode off gas) to the outside. The oxidant supply flow path 22 is provided with a valve (hereinafter referred to as “air shut valve”) 24 for opening and closing the flow path, and the oxidant discharge flow path 23 is opened and closed. A valve (hereinafter referred to as “air shut valve”) 25 is provided. Further, a bypass flow path 26 that bypasses the air from the compressor 21 from the oxidant electrode 12 is connected between the oxidant supply flow path 22 and the oxidant discharge flow path 23. Is provided with a valve (hereinafter referred to as “air bypass valve”) 27 for opening and closing the flow path. Although not shown in FIG. 1, the flow paths 22 and 23 connected to the oxidizer electrode 12 are appropriately equipped with a pressure sensor for measuring the pressure of the gas in the flow path, and the gas in the flow path. A pressure regulating valve for regulating the pressure is provided.

一方、燃料極13の入口には、高圧水素ガスを貯蔵する水素タンク31から供給される水素を燃料極13に導く燃料供給流路32が接続されており、燃料極13の出口には、当該燃料極13から排出されるガス(アノードオフガスと呼ばれる)を燃料供給流路32に戻す循環流路33が接続されている。燃料供給流路32には、当該流路を開閉する弁(以下、「水素供給シャットバルブ」と称す)37と、当該流路内のガスの圧力を調整する圧力調整弁(以下、「調圧バルブ」と称す)34とが設けられている。循環流路33には、水素を循環させるための水素ポンプ38が設けられている。また、循環流路33には、燃料極13から排出されたガスを外部に導く燃料排出流路35が接続されており、この燃料排出流路35には、当該流路を開閉する弁(以下、「パージバルブ」と称す)36が設けられている。なお、図1には示されていないが、燃料極13に接続される流路32,33には、適宜、流路内の圧力を測定する圧力センサなどが設けられる。   On the other hand, a fuel supply flow path 32 that leads hydrogen supplied from a hydrogen tank 31 that stores high-pressure hydrogen gas to the fuel electrode 13 is connected to the inlet of the fuel electrode 13. A circulation passage 33 is connected to return gas discharged from the fuel electrode 13 (referred to as anode off gas) to the fuel supply passage 32. The fuel supply channel 32 includes a valve (hereinafter referred to as “hydrogen supply shut valve”) 37 that opens and closes the flow channel, and a pressure adjustment valve (hereinafter referred to as “pressure regulation”) that adjusts the pressure of gas in the channel. 34) (referred to as "valve"). The circulation channel 33 is provided with a hydrogen pump 38 for circulating hydrogen. The circulation channel 33 is connected to a fuel discharge channel 35 that guides the gas discharged from the fuel electrode 13 to the outside. The fuel discharge channel 35 has a valve (hereinafter referred to as a valve) that opens and closes the channel. , Referred to as “purge valve”) 36. Although not shown in FIG. 1, the flow paths 32 and 33 connected to the fuel electrode 13 are appropriately provided with a pressure sensor for measuring the pressure in the flow path.

燃料電池10には、外部負荷41が電気的に接続される。本実施の形態では、外部負荷41は、燃料電池10に接続されるDC/DCコンバータと、当該DC/DCコンバータを介して燃料電池10に接続される負荷(例えば、二次電池、キャパシタ、補機、抵抗体など)とを含む。燃料電池10と外部負荷41との間には、両者の電気的接続を開閉(遮断/接続)するスイッチ42が設けられている。   An external load 41 is electrically connected to the fuel cell 10. In the present embodiment, the external load 41 includes a DC / DC converter connected to the fuel cell 10 and a load (for example, a secondary battery, a capacitor, an auxiliary battery) connected to the fuel cell 10 via the DC / DC converter. Machine, resistor, etc.). A switch 42 is provided between the fuel cell 10 and the external load 41 to open / close (shut off / connect) the electrical connection therebetween.

さらに、燃料電池システム1は、燃料電池10の出力電圧(ここではスタック電圧)を検出する電圧センサ43と、燃料電池システム1全体を制御する制御装置50とを有する。制御装置50は、具体的には、各種のセンサ(電圧センサ43など)の出力に基づき、被制御装置(コンプレッサ21、各種のバルブ、外部負荷41、スイッチ42など)を制御する。   The fuel cell system 1 further includes a voltage sensor 43 that detects an output voltage (here, a stack voltage) of the fuel cell 10 and a control device 50 that controls the entire fuel cell system 1. Specifically, the control device 50 controls the controlled devices (compressor 21, various valves, external load 41, switch 42, etc.) based on the outputs of various sensors (voltage sensor 43, etc.).

制御装置50は、適宜の構成により実現可能であるが、本実施の形態では、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、メインメモリなどを含んで構成され、その機能は、ROM等の記憶媒体に記憶された制御プログラムがCPUにより実行されることによって実現される。   The control device 50 can be realized by an appropriate configuration, but in the present embodiment, the control device 50 is configured to include a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a main memory, and the like, and the function thereof is a ROM or the like. The control program stored in the storage medium is executed by the CPU.

上記構成において、エアシャットバルブ24または25が開故障した場合や、長期放置によりエアシャットバルブ24または25の気密状態が維持できなかった場合などにおいては、酸化剤極12に空気が侵入し、燃料電池10の停止状態において酸化剤極12に酸化剤ガスが存在することとなる。この状態が続くと燃料極13にも酸化剤ガスが存在する状態となる。このまま酸化剤極12に酸化剤ガスが存在しない場合と同様に燃料電池10の起動制御を実行すると、酸化剤極12の電位が通常の起動時よりも高くなる(例えば1.0V以上となる)現象、すなわちカソード異常電位が発生し、これにより酸化剤極12の触媒を担持するカーボンが酸化し、酸化剤極12が劣化する恐れがある。   In the above configuration, when the air shut valve 24 or 25 fails to open, or when the air shut valve 24 or 25 cannot be kept airtight after being left for a long time, the air enters the oxidizer electrode 12 and the fuel When the battery 10 is stopped, the oxidant gas is present at the oxidant electrode 12. When this state continues, the oxidant gas also exists in the fuel electrode 13. If the start control of the fuel cell 10 is executed as in the case where the oxidant gas does not exist in the oxidant electrode 12, the potential of the oxidant electrode 12 becomes higher than that during normal start-up (for example, 1.0 V or more). A phenomenon, that is, an abnormal cathode potential occurs, which may oxidize the carbon carrying the catalyst of the oxidant electrode 12 and cause the oxidant electrode 12 to deteriorate.

そこで、上記カソード異常電位による酸化剤極12の劣化を回避する観点より、制御装置50は、次のような制御を行う。すなわち、制御装置50は、燃料電池10の停止時に、エアシャットバルブ24および25を閉じるよう制御し、燃料電池10の起動時に、酸化剤極12に酸化剤ガスが存在するか否かを判定し、酸化剤ガスが存在すると判定された場合には、燃料電池10の出力電圧を所定の上限値以下に制限しつつ所定の目標値に低下させる制御を行う。ここで、酸化剤ガスが存在するか否かの判定の条件や、上記所定の上限値および目標値は、カソード異常電位による酸化剤極12の劣化を回避する観点より設定される。   Therefore, from the viewpoint of avoiding deterioration of the oxidizer electrode 12 due to the abnormal cathode potential, the control device 50 performs the following control. That is, the control device 50 controls the air shut valves 24 and 25 to be closed when the fuel cell 10 is stopped, and determines whether or not oxidant gas is present in the oxidant electrode 12 when the fuel cell 10 is started. When it is determined that oxidant gas is present, control is performed to reduce the output voltage of the fuel cell 10 to a predetermined target value while limiting the output voltage to a predetermined upper limit value or less. Here, the conditions for determining whether or not the oxidant gas is present, and the predetermined upper limit value and target value are set from the viewpoint of avoiding deterioration of the oxidant electrode 12 due to the abnormal cathode potential.

具体的には、本実施の形態では、制御装置50は、燃料電池10の起動時に、エアシャットバルブ24および25が閉じられた状態で燃料電池10の燃料極13に燃料ガスが供給されるように制御し、燃料電池10の出力電圧が所定の閾値以上となった場合に、酸化剤極12に酸化剤ガスが存在すると判定する。ここで、上記所定の閾値は、カソード異常電位による酸化剤極12の劣化を回避する観点より設定される。また、制御装置50は、酸化剤ガスが存在すると判定された場合、燃料電池10の出力電圧が所定の上限値以下に制限されつつ所定の目標値に低下するように、外部負荷41を制御する。例えば、制御装置50は、外部負荷41の制御として、DC/DCコンバータのスイッチング制御を行う。そして、制御装置50は、酸化剤極12の酸化剤ガスが消費された後に、例えば酸化剤極12および燃料極13の両極が燃料ガスで満たされた後に、エアシャットバルブ24および25を開き、酸化剤極12への酸化剤ガスの供給を開始する。例えば、制御装置50は、燃料電池10の出力電圧が上記所定の目標値に達した後、エアシャットバルブ24および25を開く。   Specifically, in the present embodiment, the control device 50 causes the fuel gas to be supplied to the fuel electrode 13 of the fuel cell 10 with the air shut valves 24 and 25 closed when the fuel cell 10 is started. When the output voltage of the fuel cell 10 is equal to or higher than a predetermined threshold value, it is determined that oxidant gas is present in the oxidant electrode 12. Here, the predetermined threshold is set from the viewpoint of avoiding deterioration of the oxidizer electrode 12 due to the abnormal cathode potential. Further, when it is determined that the oxidant gas is present, the control device 50 controls the external load 41 so that the output voltage of the fuel cell 10 is reduced to a predetermined target value while being limited to a predetermined upper limit value or less. . For example, the control device 50 performs switching control of the DC / DC converter as control of the external load 41. Then, the control device 50 opens the air shut valves 24 and 25 after the oxidant gas of the oxidant electrode 12 is consumed, for example, after both the oxidant electrode 12 and the fuel electrode 13 are filled with the fuel gas, Supply of the oxidant gas to the oxidant electrode 12 is started. For example, the control device 50 opens the air shut valves 24 and 25 after the output voltage of the fuel cell 10 reaches the predetermined target value.

以下、上記構成を有する燃料電池システム1の作用について、通常運転時と起動時とに分けて説明する。   Hereinafter, the operation of the fuel cell system 1 having the above-described configuration will be described separately during normal operation and during startup.

(通常運転時)
通常運転時には、水素供給シャットバルブ37およびエアシャットバルブ24,25は開状態とされ、水素タンク31から燃料供給流路32を介して水素が燃料極13に供給され、コンプレッサ21から酸化剤供給流路22を介して空気が酸化剤極12に供給される。燃料電池10は、酸化剤極12に供給される空気と燃料極13に供給される水素とを用いて発電を行う。具体的には、白金の触媒作用などにより、燃料極13側では下記式(1)に示される反応が起こり、酸化剤極12側では下記式(2)に示される反応が起こり、全体としては下記式(3)に示される起電反応が起こる。
(During normal operation)
During normal operation, the hydrogen supply shut valve 37 and the air shut valves 24 and 25 are opened, hydrogen is supplied from the hydrogen tank 31 to the fuel electrode 13 via the fuel supply flow path 32, and the oxidant supply flow from the compressor 21. Air is supplied to the oxidizer electrode 12 through the path 22. The fuel cell 10 generates power using air supplied to the oxidant electrode 12 and hydrogen supplied to the fuel electrode 13. Specifically, due to the catalytic action of platinum, the reaction represented by the following formula (1) occurs on the fuel electrode 13 side, and the reaction represented by the following formula (2) occurs on the oxidant electrode 12 side. An electromotive reaction represented by the following formula (3) occurs.

2 → 2H++2e- ・・・(1)
2H++(1/2)O2+2e- → H2O ・・・(2)
2+(1/2)O2 → H2O ・・・(3)
H 2 → 2H + + 2e (1)
2H + + (1/2) O 2 + 2e → H 2 O (2)
H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O (3)

燃料極13からは、反応に寄与しなかった水素を含むアノードオフガスが排出され、当該アノードオフガスは循環流路33を通って再び燃料極13に供給される。このとき、アノードオフガスには、水素以外の不純物が含まれているため、循環するうちに当該アノードオフガス中の水素濃度が低下していく。そこで、適宜のタイミングでパージバルブ36が開かれ、水素濃度が低下したアノードオフガスが燃料排出流路35を通って外部に排気される。   The anode offgas containing hydrogen that has not contributed to the reaction is discharged from the fuel electrode 13, and the anode offgas is supplied to the fuel electrode 13 again through the circulation channel 33. At this time, since the anode off gas contains impurities other than hydrogen, the concentration of hydrogen in the anode off gas decreases while circulating. Therefore, the purge valve 36 is opened at an appropriate timing, and the anode off gas having a reduced hydrogen concentration is exhausted to the outside through the fuel discharge passage 35.

一方、酸化剤極12からは、反応に寄与しなかった酸化剤ガスを含むカソードオフガスが排出され、当該カソードオフガスは酸化剤排出流路23を通って外部に排出される。   On the other hand, the cathode offgas containing the oxidant gas that has not contributed to the reaction is discharged from the oxidant electrode 12, and the cathode offgas is discharged to the outside through the oxidant discharge passage 23.

(起動時)
図2は、本実施の形態に係る燃料電池システム1の起動時における動作手順を示すフローチャートである。以下、図2に従って、燃料電池システム1の起動時における動作について説明する。
(At startup)
FIG. 2 is a flowchart showing an operation procedure when the fuel cell system 1 according to the present embodiment is started. Hereinafter, the operation at the start of the fuel cell system 1 will be described with reference to FIG.

起動開始前の初期状態では、コンプレッサ21は停止状態にあり、エアシャットバルブ24および25は閉状態にあり、調圧バルブ34は閉状態にあり、スイッチ42は開(遮断)状態にある。   In the initial state before the start of startup, the compressor 21 is in a stopped state, the air shut valves 24 and 25 are in a closed state, the pressure regulating valve 34 is in a closed state, and the switch 42 is in an open (shut off) state.

まず、制御装置50は、調圧バルブ34を開くことにより、燃料極13への水素の供給を開始する(S1)。このとき、エアシャットバルブ24および25が正常に機能しており、酸化剤極12に酸素が存在しなければ、燃料電池10の出力電圧は立ち上がらない。一方、エアシャットバルブ24または25が開故障や長期放置により正常に機能しておらず、酸化剤極12に酸素が存在すると、燃料電池10の出力電圧が立ち上がる。   First, the control device 50 starts supplying hydrogen to the fuel electrode 13 by opening the pressure regulating valve 34 (S1). At this time, if the air shut valves 24 and 25 are functioning normally and oxygen is not present in the oxidizer electrode 12, the output voltage of the fuel cell 10 does not rise. On the other hand, if the air shut valve 24 or 25 is not functioning normally due to an open failure or left standing for a long time and oxygen is present in the oxidizer electrode 12, the output voltage of the fuel cell 10 rises.

そこで、制御装置50は、水素の供給の開始後、電圧センサ43の検出信号に基づき、燃料電池10の出力電圧が所定の閾値(ここでは100V)以上であるか否かを判断する(S2)。   Therefore, after starting the supply of hydrogen, the control device 50 determines whether or not the output voltage of the fuel cell 10 is equal to or higher than a predetermined threshold (100 V in this case) based on the detection signal of the voltage sensor 43 (S2). .

燃料電池10の出力電圧が所定の閾値以上であると判断された場合(S2:YES)、酸化剤極12に酸素が存在すると考えられるので、制御装置50は、スイッチ42を閉じて燃料電池10に外部負荷41を接続し、燃料電池10の出力電圧が所定の上限値(ここでは100V)以下に制限されつつ所定の目標値(ここでは40V)に低下するように、外部負荷41を制御する(S3)。この制御によって、水素ポンピング現象により燃料極13から酸化剤極12に水素が移動し、当該水素との反応により酸化剤極12の酸素量が減少するとともに、水素が酸化剤極12に充満する。そして、制御装置50は、酸化剤極12の酸素量が十分に減少すると(または酸化剤極12に水素が十分に充満すると)、例えば燃料電池10の出力電圧が所定の目標値に達すると、処理をステップS4に進める。   When it is determined that the output voltage of the fuel cell 10 is equal to or higher than the predetermined threshold (S2: YES), it is considered that oxygen is present in the oxidizer electrode 12, and therefore the control device 50 closes the switch 42 and closes the fuel cell 10 Is connected to the external load 41, and the external load 41 is controlled so that the output voltage of the fuel cell 10 is reduced to a predetermined target value (here 40V) while being limited to a predetermined upper limit value (here 100V) or less. (S3). By this control, hydrogen moves from the fuel electrode 13 to the oxidant electrode 12 due to the hydrogen pumping phenomenon, the amount of oxygen in the oxidant electrode 12 decreases due to reaction with the hydrogen, and the oxidant electrode 12 is filled with hydrogen. When the oxygen amount of the oxidant electrode 12 is sufficiently reduced (or when the oxidant electrode 12 is sufficiently filled with hydrogen), for example, when the output voltage of the fuel cell 10 reaches a predetermined target value, the control device 50 The process proceeds to step S4.

一方、燃料電池10の出力電圧が所定の閾値以上でないと判断された場合(S2:NO)、酸化剤極12に酸素は存在しないと考えられるので、制御装置50は、上記ステップS3の制御を行うことなく、処理をステップS4に進める。   On the other hand, when it is determined that the output voltage of the fuel cell 10 is not equal to or higher than the predetermined threshold value (S2: NO), it is considered that oxygen is not present in the oxidizer electrode 12, and therefore the control device 50 performs the control in step S3. Without performing this, the process proceeds to step S4.

ステップS4では、制御装置50は、コンプレッサ21を起動するとともに、エアシャットバルブ24および25に開放指令を与え、これにより酸化剤極12への空気の供給を開始する。この場合、好適な態様では、制御装置50は、エアバイパスバルブ27を開状態にしておく。これにより、酸化剤極12から排出される水素がバイパス流路26からの空気により希釈され、高濃度の水素が外部に排出されることが回避される。   In step S <b> 4, the control device 50 starts the compressor 21 and gives an opening command to the air shut valves 24 and 25, thereby starting supply of air to the oxidant electrode 12. In this case, in a preferred aspect, the control device 50 keeps the air bypass valve 27 open. As a result, hydrogen discharged from the oxidant electrode 12 is diluted with air from the bypass flow path 26, and high concentration hydrogen is prevented from being discharged to the outside.

以上のとおり、本実施の形態では、燃料電池の酸化剤極に接続された流路を開閉する弁を備え、燃料電池の停止時に当該弁を閉じる燃料電池システムにおいて、燃料電池の起動時に、酸化剤極に酸化剤ガスが存在するか否かを判定し、酸化剤ガスが存在すると判定された場合には、燃料電池の出力電圧を所定の上限値以下に制限しつつ所定の目標値に低下させる制御を行う。このため、本実施の形態によれば、起動時における酸化剤極の高電位状態の発生を、特許文献1に記載の技術と比較して、より確実に回避することが可能となる。具体的に説明すると、特許文献1に記載の技術では、単純に燃料電池に負荷装置を接続するだけであるので、流路を封止する弁がない場合もしくは当該弁を有し弁が開故障した場合に起動時の酸化剤極の高電位状態が発生する恐れがあるが、本実施の形態では、例えば外部負荷を制御することにより燃料電池の出力電圧を積極的に制御するので、弁が開故障した場合であっても、起動時の酸化剤極の高電位状態をより確実に回避することができる。これにより、本実施の形態によれば、起動時のカソード異常電位による、酸化剤極の触媒を担持するカーボンの酸化をより確実に抑制することが可能となる。   As described above, in the present embodiment, in the fuel cell system that includes a valve that opens and closes the flow path connected to the oxidant electrode of the fuel cell and closes the valve when the fuel cell is stopped, the oxidation is performed when the fuel cell is started. It is determined whether or not oxidant gas is present in the agent electrode, and if it is determined that oxidant gas is present, the output voltage of the fuel cell is reduced to a predetermined target value while being limited to a predetermined upper limit value or less. To control. For this reason, according to the present embodiment, it is possible to more reliably avoid the occurrence of a high potential state of the oxidizer electrode at the time of startup as compared with the technique described in Patent Document 1. Specifically, in the technique described in Patent Document 1, since the load device is simply connected to the fuel cell, when there is no valve for sealing the flow path or when the valve is provided and the valve is open In this embodiment, for example, the output voltage of the fuel cell is positively controlled by controlling an external load. Even in the case of an open failure, the high potential state of the oxidizer electrode at startup can be avoided more reliably. As a result, according to the present embodiment, it is possible to more reliably suppress the oxidation of carbon carrying the catalyst of the oxidant electrode due to the abnormal cathode potential at the time of startup.

また、本実施の形態では、燃料電池の起動時に、上記弁が閉じられた状態で燃料電池の燃料極に燃料ガスが供給されるように制御し、燃料電池の出力電圧が所定の閾値以上となった場合に、酸化剤極に酸化剤ガスが存在すると判定する。このため、本実施の形態によれば、酸化剤ガスが存在するか否かを簡易な構成により判定することができる。   Further, in the present embodiment, when the fuel cell is started, control is performed so that the fuel gas is supplied to the fuel electrode of the fuel cell with the valve closed, and the output voltage of the fuel cell is equal to or higher than a predetermined threshold value. When it becomes, it determines with oxidizing gas existing in an oxidizing agent pole. For this reason, according to this Embodiment, it can be determined by simple structure whether oxidant gas exists.

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更することができる。   In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It can change variously within the range which does not deviate from the summary of this invention.

実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell system which concerns on embodiment. 実施の形態に係る燃料電池システムの起動時における動作手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation | movement procedure at the time of starting of the fuel cell system which concerns on embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池システム、10 燃料電池、11 電解質膜、12 酸化剤極、13 燃料極、21 コンプレッサ、22 酸化剤供給流路、23 酸化剤排出流路、24,25 弁(エアシャットバルブ)、26 バイパス流路、27 弁(エアバイパスバルブ)、31 水素タンク、32 燃料供給流路、33 循環流路、34 圧力調整弁(調圧バルブ)、35 燃料排出流路、36 弁(パージバルブ)、37 弁(水素供給シャットバルブ)、38 水素ポンプ、41 外部負荷、42 スイッチ、43 電圧センサ、50 制御装置。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system, 10 Fuel cell, 11 Electrolyte membrane, 12 Oxidant electrode, 13 Fuel electrode, 21 Compressor, 22 Oxidant supply flow path, 23 Oxidant discharge flow path, 24, 25 Valve (air shut valve), 26 Bypass flow path, 27 valve (air bypass valve), 31 Hydrogen tank, 32 Fuel supply flow path, 33 Circulation flow path, 34 Pressure adjustment valve (pressure regulating valve), 35 Fuel discharge flow path, 36 Valve (purge valve), 37 Valve (hydrogen supply shut valve), 38 hydrogen pump, 41 external load, 42 switch, 43 voltage sensor, 50 control device.

Claims (3)

燃料電池の酸化剤極に接続された流路を開閉する弁を備え、前記燃料電池の停止時に前記弁を閉じる燃料電池システムの制御装置であって、
前記燃料電池の起動時に、前記酸化剤極に酸化剤ガスが存在するか否かを判定し、酸化剤ガスが存在すると判定された場合には、前記燃料電池の出力電圧を所定の上限値以下に制限しつつ所定の目標値に低下させる制御を行うことを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
A control device for a fuel cell system comprising a valve for opening and closing a flow path connected to an oxidant electrode of a fuel cell, and closing the valve when the fuel cell is stopped,
When starting the fuel cell, it is determined whether or not oxidant gas is present in the oxidant electrode. If it is determined that oxidant gas is present, the output voltage of the fuel cell is less than or equal to a predetermined upper limit value. A control device for a fuel cell system, wherein the control is performed so as to reduce the target value to a predetermined target value.
請求項1に記載の燃料電池システムの制御装置であって、
前記燃料電池の起動時に、前記弁が閉じられた状態で前記燃料電池の燃料極に燃料ガスが供給されるように制御し、前記燃料電池の出力電圧が所定の閾値以上となった場合に、酸化剤ガスが存在すると判定することを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
A control device for a fuel cell system according to claim 1,
When the fuel cell is started, control is performed so that fuel gas is supplied to the fuel electrode of the fuel cell while the valve is closed, and when the output voltage of the fuel cell becomes a predetermined threshold value or more, A control device for a fuel cell system, wherein it is determined that oxidant gas is present.
燃料極に供給される燃料ガスと酸化剤極に供給される酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、
前記酸化剤極に接続された流路を開閉する弁であって、前記燃料電池の停止時に閉じるように制御される弁と、
前記燃料電池の起動時に、前記酸化剤極に酸化剤ガスが存在するか否かを判定し、酸化剤ガスが存在すると判定された場合に、前記燃料電池の出力電圧を所定の上限値以下に制限しつつ所定の目標値に低下させる制御を行う制御装置と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell that generates electricity using a fuel gas supplied to the fuel electrode and an oxidant gas supplied to the oxidant electrode;
A valve for opening and closing a flow path connected to the oxidant electrode, the valve being controlled to be closed when the fuel cell is stopped;
When starting the fuel cell, it is determined whether or not oxidant gas is present in the oxidant electrode, and when it is determined that oxidant gas is present, the output voltage of the fuel cell is reduced to a predetermined upper limit value or less. A control device that performs control to reduce to a predetermined target value while limiting;
A fuel cell system comprising:
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