JP4694135B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、氷点下環境における発電に対応した燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system that supports power generation in a sub-freezing environment.
図５に示したように、固体高分子型の燃料電池セル１００には、固体高分子電解質膜１０１と、その両側に設けられた触媒作用をもった水素電極１０２及び酸素電極１０３と、各電極１０２，１０３との間で反応ガスである水素と酸素（空気中に含まれる）の供給路を形成するセパレータ１０４及び１０５とが備えられている。
As shown in FIG. 5, a solid
そして、セパレータ１０４により形成された供給路１０６に供給された水素ガスＨ2は、水素電極１０２で電子ｅ-を放出して水素イオンＨ+となり、該水素イオンＨ+が固体高分子電解質膜１０１中を伝導する。一方、酸素電極１０３においては、セパレータ１０５により形成された供給路１０７に供給された空気中の酸素ガスＯ2と酸素電極１０３から供給される電子ｅ-と水素イオンＨ+とにより、以下の式（１）の反応が生じて水Ｈ2Ｏが生成される。
Then, hydrogen gas H 2 supplied to the
１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ ・・・・・（１）
ここで、氷点下環境で燃料電池セル１００を起動するときは、上記式（１）で生成された水が酸素電極１０３で凍結して、高分子電解質膜１０１における水素イオンＨ+の伝導率が低下し、燃料電池セル１００の発電能力が低下するという不都合がある。
1 / 2O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O (1)
Here, when the
そこで、かかる不都合を解消するべく、氷点下環境で燃料電池を起動する際に燃料電池スタックを昇温させて生成水の凍結を防止する方法として、燃料電池セルの出力電流を増大させて発電に伴う発熱量を増加させる方法や、電気加熱手段により燃料電池スタックを加熱する方法、或いは燃料電池セルを冷却するために設けられた冷却通路中に加熱した冷媒を循環させて燃料電池セルを加熱する方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。
しかし、燃料電池セルを加熱するために、電気加熱手段や冷媒を加熱するための手段を備えた場合は、燃料電池システムのコストがアップすると共にシステム構成が複雑になるという不都合がある。また、燃料電池セルの出力電流を増大させる場合に、燃料電池セルの発電に伴う発熱量が不十分であると、生成水が酸素電極で凍結して起動不能になるという不都合がある。 However, when an electric heating means or a means for heating the refrigerant is provided to heat the fuel cell, there are disadvantages that the cost of the fuel cell system is increased and the system configuration is complicated. In addition, when increasing the output current of the fuel cell, if the amount of heat generated by the power generation of the fuel cell is insufficient, the produced water freezes at the oxygen electrode and cannot be started.
そこで、本発明は、かかる不都合を解消し、簡易な構成により、氷点下環境で起動を行う際に生成水の凍結が生じることを防止した燃料電池システムを提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell system that eliminates such inconvenience and prevents the generated water from freezing when starting up in a sub-freezing environment with a simple configuration.
本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、固体高分子型の燃料電池セルを複数個接続して構成された燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの出力電流が所定の目標電流値となるように該燃料電池スタックの発電量を制御する電流制御手段とを備えた燃料電池システムの改良に関する。 The present invention has been made in order to achieve the above object, and a fuel cell stack formed by connecting a plurality of polymer electrolyte fuel cells, and the output current of the fuel cell stack is a predetermined target current. The present invention relates to an improvement in a fuel cell system including current control means for controlling the amount of power generated by the fuel cell stack so as to be a value.
そして、前記燃料電池スタックの内部温度を把握するスタック内部温度把握手段と、前記燃料電池スタックの周囲温度を検出するスタック周囲温度検出手段と、該スタック内部温度把握手段により把握された前記燃料電池スタックの内部温度が０℃以下であるときに、前記燃料電池スタックの発電に伴う発熱により燃料電池スタック内部の昇温が確保される最低必要電流値を、前記スタック内部温度把握手段により把握される前記燃料電池スタックの内部温度と前記スタック周囲温度検出手段の検出温度とに応じて逐次決定し、該最低必要電流値を前記目標電流値として設定する最低必要電流決定手段とを備え、前記最低必要電流決定手段は、前記スタック内部温度把握手段により把握される前記燃料電池スタックの内部温度と前記スタック周囲温度検出手段の検出温度とに基づいて前記燃料電池スタックの外周からの放熱量を把握し、前記燃料電池スタックの発電に伴う発熱量が前記燃料電池スタックの外周からの放熱量を超えるように、前記最低必要電流を決定することを特徴とする。 A stack internal temperature grasping means for grasping an internal temperature of the fuel cell stack; a stack ambient temperature detecting means for detecting an ambient temperature of the fuel cell stack; and the fuel cell stack grasped by the stack internal temperature grasping means. When the internal temperature of the fuel cell stack is 0 ° C. or lower, the minimum required current value that ensures the temperature rise inside the fuel cell stack due to heat generated by the power generation of the fuel cell stack is grasped by the stack internal temperature grasping means. sequentially determined according to the detected temperature of the internal temperature and the stack ambient temperature detecting means of the fuel cell stack, e Bei the minimum required current determining means for setting the outermost low required current value as the target current value, the minimum required The current determining means includes the internal temperature of the fuel cell stack grasped by the stack internal temperature grasping means and the stack Based on the detected temperature of the ambient temperature detection means, the amount of heat released from the outer periphery of the fuel cell stack is grasped, and the amount of heat generated by the power generation of the fuel cell stack exceeds the amount of heat released from the outer periphery of the fuel cell stack. The minimum required current is determined .
かかる本発明によれば、前記スタック内部温度把握手段により把握される前記燃料電池スタックの内部温度が０℃以下となり、前記燃料電池スタックを発電動作させると、発電に伴って生成される水が前記燃料電池セル内で凍結し得る状態になったときには、前記最低必要電流決定手段により、前記燃料電池スタック内部の昇温が確保される前記最低必要電流値が前記目標電流値として設定される。この場合、前記燃料電池スタックの発電動作が前記燃料電池スタック内の昇温を伴って行われ、前記燃料電池スタック内の温度が上昇する。そのため、前記燃料電池スタックを構成する燃料電池セルにおいて発電により生成された水の凍結が防止され、前記燃料電池スタックの発電能力の低下や前記燃料電池スタックが起動不能となることを防止することができる。そして、前記スタック内部温度把握手段により把握される前記燃料電池スタックの内部温度と前記スタック周囲温度検出手段の検出温度に基づいて、前記最低必要電流値を逐次決定することにより、前記燃料電池スタックの状態や周囲温度の変化に適応して前記最低必要電流を変更することができる。 According to the present invention, when the internal temperature of the fuel cell stack ascertained by the stack internal temperature grasping means is 0 ° C. or less and the fuel cell stack is operated for power generation, the water generated upon power generation is When the fuel cell can be frozen, the minimum required current determination means sets the minimum required current value that ensures the temperature rise in the fuel cell stack as the target current value. In this case, the power generation operation of the fuel cell stack is performed with the temperature rise in the fuel cell stack, and the temperature in the fuel cell stack rises. Therefore, freezing of water generated by power generation in the fuel cells constituting the fuel cell stack is prevented, and it is possible to prevent a decrease in the power generation capacity of the fuel cell stack and that the fuel cell stack cannot be started. it can. Then, by sequentially determining the minimum required current value based on the internal temperature of the fuel cell stack grasped by the stack internal temperature grasping means and the detected temperature of the stack ambient temperature detecting means, the fuel cell stack The minimum required current can be changed according to changes in the state and ambient temperature.
さらに、本発明においては、前記燃料電池スタックの内部温度に対して前記燃料電池スタックの周囲温度が低くなるほど、前記燃焼電池スタックの内部から外部に放熱される熱量が多くなる。そのため、前記最低必要電流値決定手段は、前記スタック内部温度把握手段により把握される前記燃料電池スタックの内部温度と前記スタック周囲温度検出手段の検出温度とに基づいて前記燃料電池スタックの外周からの放熱量を把握することができる。そして、前記燃料電池スタックの発電に伴う発熱量が前記燃料電池スタックの外周からの放熱量を超えるように前記最低必要電流を決定することで、前記燃料電池スタック内の昇温を確保することができる。 Further, in the present invention, the higher the ambient temperature of the fuel cell stack is lowered, the amount of heat radiated to the outside increases from the interior of the combustion cell stack to the internal temperature of the fuel cell stack. For this reason, the minimum required current value determining means determines whether the minimum required current value is determined from the outer periphery of the fuel cell stack based on the internal temperature of the fuel cell stack grasped by the stack internal temperature grasping means and the detected temperature of the stack ambient temperature detecting means. The amount of heat release can be grasped. Then, by determining the minimum necessary current so that the amount of heat generated by the power generation of the fuel cell stack exceeds the amount of heat released from the outer periphery of the fuel cell stack, it is possible to ensure the temperature rise in the fuel cell stack it can.
また、前記燃料電池セル間に設けられた冷媒通路の入口から冷媒を供給すると共に該冷媒通路の出口から冷媒を回収する冷媒供給手段と、該入口付近の冷媒の温度を検出する冷媒入口温度検出手段と、該出口付近の冷媒の温度を検出する冷媒出口温度検出手段とを備え、前記最低必要電流決定手段は、前記冷媒出口温度検出手段の検出温度と前記冷媒入口温度検出手段の検出温度との温度差に基づいて、前記冷媒通路を流通する冷媒による前記燃料電池スタックからの吸熱量を把握し、前記燃料電池スタックの発電に伴う発熱量が、前記燃料電池スタックの外周からの放熱量と前記冷媒通路を流通する冷媒による前記燃料電池スタックからの吸熱量との合計熱量を超えるように、前記最低必要電流値を決定することを特徴とする。 Further, a refrigerant supply means for supplying refrigerant from an inlet of a refrigerant passage provided between the fuel cells and recovering the refrigerant from an outlet of the refrigerant passage, and refrigerant inlet temperature detection for detecting the temperature of the refrigerant in the vicinity of the inlet And a refrigerant outlet temperature detecting means for detecting the temperature of the refrigerant in the vicinity of the outlet, wherein the minimum required current determining means includes a detected temperature of the refrigerant outlet temperature detecting means and a detected temperature of the refrigerant inlet temperature detecting means. The amount of heat absorbed from the fuel cell stack by the refrigerant flowing through the refrigerant passage, and the amount of heat generated by the power generation of the fuel cell stack is the amount of heat released from the outer periphery of the fuel cell stack. The minimum required current value is determined so as to exceed a total heat quantity with a heat absorption quantity from the fuel cell stack by the refrigerant flowing through the refrigerant passage.
かかる本発明においては、前記冷媒通路内を循環する冷媒による前記燃料電池スタックからの吸熱量が大きいほど前記冷媒通路を通過する際の冷媒の温度低下幅が大きくなるため、前記冷媒出口温度検出手段の検出温度と前記冷媒入口温度検出手段の検出温度との温度差が大きくなる。そのため、前記最低必要電流決定手段は、前記冷媒出口温度検出手段の検出温度と前記冷媒入口温度検出手段の検出温度との温度差に基づいて、冷媒による前記燃料電池スタックからの吸熱量を把握することができる。そして、前記燃料電池スタックの発電に伴う発熱量が、前記燃料電池スタックからの放熱量と冷媒による前記燃料電池スタックからの吸熱量との合計熱量を超えるように前記最低必要電流値を決定することで、前記燃料電池スタック内の昇温を確保することができる。 In the present invention, the refrigerant outlet temperature detecting means increases as the amount of heat absorbed from the fuel cell stack by the refrigerant circulating in the refrigerant passage increases, so that the temperature decrease width of the refrigerant when passing through the refrigerant passage increases. And the temperature difference between the detected temperature of the refrigerant inlet temperature detecting means increases. Therefore, the minimum required current determining means grasps the amount of heat absorbed from the fuel cell stack by the refrigerant based on the temperature difference between the detected temperature of the refrigerant outlet temperature detecting means and the detected temperature of the refrigerant inlet temperature detecting means. be able to. And determining the minimum required current value so that the amount of heat generated by the power generation of the fuel cell stack exceeds the total heat amount of the heat dissipation amount from the fuel cell stack and the heat absorption amount from the fuel cell stack by the refrigerant. Thus, the temperature rise in the fuel cell stack can be ensured.
また、前記スタック内部温度把握手段は、前記冷媒入口温度検出手段の検出温度と前記冷媒出口温度検出手段の検出温度とのうちの少なくともいずれか一方に基づいて、前記燃料電池スタックの内部温度を把握することを特徴とする。 The stack internal temperature grasping means grasps the internal temperature of the fuel cell stack based on at least one of the detected temperature of the refrigerant inlet temperature detecting means and the detected temperature of the refrigerant outlet temperature detecting means. It is characterized by doing.
かかる本発明によれば、前記燃料電池スタックの内部温度が変化すると、前記燃料電池スタック内の前記冷媒通路内を循環する冷媒の温度も変化し、その変化に応じて前記冷媒入口温度検出手段の検出温度と前記冷媒出口温度検出手段の検出温度も変化する。そのため、前記スタック内部温度把握手段は、前記冷媒入口温度検出手段の検出温度と前記冷媒出口温度検出手段の検出温度とのうちの少なくともいずれか一方に基づいて、前記燃料電池スタックの内部温度を把握することができる。 According to the present invention, when the internal temperature of the fuel cell stack changes, the temperature of the refrigerant circulating in the refrigerant passage in the fuel cell stack also changes, and according to the change, the refrigerant inlet temperature detection means The detected temperature and the detected temperature of the refrigerant outlet temperature detecting means also change. Therefore, the stack internal temperature grasping means grasps the internal temperature of the fuel cell stack based on at least one of the detected temperature of the refrigerant inlet temperature detecting means and the detected temperature of the refrigerant outlet temperature detecting means. can do.
本発明の実施の形態について、図１〜図４を参照して説明する。図１は燃料電池システムの全体構成図、図２は燃料電池スタックの起動時の制御フローチャート、図３は燃料電池スタックの周囲温度Ｔsと冷媒温度Ｔwをパラメータとして燃料電池スタックの外周からの放熱量を決定するためのグラフ、図４は燃料電池スタックの発電に伴う発熱量と出力電流値との関係を示したグラフである。 Embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is an overall configuration diagram of the fuel cell system, FIG. 2 is a control flowchart at the time of starting the fuel cell stack, and FIG. 3 is a heat dissipation amount from the outer periphery of the fuel cell stack using the ambient temperature Ts and refrigerant temperature Tw of the fuel cell stack as parameters. FIG. 4 is a graph showing the relationship between the amount of heat generated by power generation of the fuel cell stack and the output current value.
図１に示したように、燃料電池スタック１には、水素タンク２から水素供給管３を介して水素が供給されると共に、エアコンプレッサ４から空気供給管５を介して空気が供給される。また、水素供給管３には、水素の供給量を調節する可変バルブ６と水素に加湿する加湿器８が設けられ、空気供給管５には、空気の供給量を調節する可変バルブ７と空気に加湿する加湿器９が設けられている。
As shown in FIG. 1, the fuel cell stack 1 is supplied with hydrogen from a
さらに、燃料電池１の出力電圧Ｖfcを検出する電圧検出器１０、燃料電池１の出力電流Ｉfcを検出する電流検出器１１、燃料電池１と接続された冷媒通路１２内に冷媒を循環させて燃料電池１を冷却する冷却ポンプ１５（本発明の冷媒循環手段に相当する）、冷媒通路１２の途中に設けられた放熱器１６、燃料電池スタック１の周囲温度Ｔsを検出するスタック周囲温度センサ１７（本発明のスタック周囲温度検出手段に相当する）、冷媒通路１２の燃料電池スタック１の入口付近における冷媒の温度Ｔwinを検出する冷媒入口温度センサ１８（本発明の冷媒入口温度検出手段に相当する）、冷媒通路１２の燃料電池スタック１の出口付近における冷媒の温度Ｔwoutを検出する冷媒出口温度センサ１９（本発明の冷媒出口温度検出手段に相当する）、燃料電池スタック１の出力電流Ｉfcを制御するための可変抵抗２１、及び燃料電池スタック１の作動を制御するコントローラ３０が備えられている。
Further, a
そして、電圧検出器１０の電圧検出信号、電流検出器１１の電流検出信号、スタック温度センサ１７の温度検出信号、冷媒入口温度センサ１８の温度検出信号、及び冷媒出口温度センサ１９の温度検出信号がコントローラ３０に入力され、コントローラ３０から出力される制御信号によって、エアコンプレッサ４、可変バルブ６，７、加湿器８，９、冷却ポンプ１５、及び可変抵抗２１の設定、作動が制御される。
The voltage detection signal of the
次に、燃料電池スタック１は、固体高分子電解質膜とその両側に設けられた触媒作用を持った水素電極及び酸素電極からなる膜電極構造体４０と、セパレータ４１とを複数積層して構成される。なお、膜電極構造体４０とその両側のセパレータ４１により、燃料電池セルの１単位が構成される。 Next, the fuel cell stack 1 is formed by laminating a plurality of separators 41 and a membrane electrode structure 40 including a solid polymer electrolyte membrane, a hydrogen electrode and an oxygen electrode having catalytic action provided on both sides thereof, and a separator 41. The The membrane electrode structure 40 and the separators 41 on both sides thereof constitute one unit of fuel cell.
また、コントローラ３０には、燃料電池スタック１の出力電流Ｉfcが電気負荷の要求電力等に応じて設定される目標電流と一致するように、燃料電池スタック１の発電量を制御する電流制御手段３１と、発電に伴う発熱により燃料電池スタック１内部の昇温が確保される最低必要電流を決定する最低必要電流決定手段３２とが備えられている。
Further, the
ここで、燃料電池スタック１の発電時には、反応ガスである水素と酸素（空気中に含まれる）との間で化学反応が生じて、可変抵抗２１及び他の電気負荷（図示しない）に電流が供給される。また、該化学反応に伴って水が生成される。そして、氷点下環境で燃料電池スタック１を起動するときに、該化学反応により生成された水が膜電極構造体４０の表面等で凍結すると、膜電極構造体４０における水素イオンの透過率が低下して、燃料電池スタック１の起動が不能となる。或いは燃料電池スタック１の発電能力が低下する。
Here, when the fuel cell stack 1 generates power, a chemical reaction occurs between hydrogen and oxygen (which are contained in the air), which are the reaction gases, and current is supplied to the
そこで、コントローラ３０に備えられた電流制御手段３１と最低必要電流決定手段３２とは、氷点下環境での燃料電池スタック１の起動に対処するための処理を実行する。以下、図２に示したフローチャートに従って、該処理について説明する。
Therefore, the current control means 31 and the minimum required current determination means 32 provided in the
燃料電池スタック１の起動指示がなされると、コントローラ１はＳＴＥＰ１で冷媒循環ポンプ１５を起動して冷媒通路１２中の冷媒の循環を開始する。そして、電流制御手段３１は、ＳＴＥＰ２で冷媒入口温度センサ１８により燃料電池スタック１の入口側の冷媒の温度Ｔwinを測定する。そして、次のＳＴＥＰ３でＴwinが０℃よりも高かったときは、ＳＴＥＰ２０に分岐して、電流制御手段３１は「通常電流出力制御」を実行する。「通常電流出力制御」において、電流制御手段３１は、電気負荷からの要求電流に応じた出力電流Ｉfcが得られるように、燃料電池スタック１への水素と空気の供給流量を制御する。
When an instruction to start the fuel cell stack 1 is given, the controller 1 starts the
なお、Ｔwinは燃料電池スタック１の内部温度を把握して、氷点下環境であるか否かを判断するために測定され、この場合、冷媒入口温度センサ１８は本発明のスタック内部温度把握手段に相当し、Ｔwinは本発明のスタック内部温度把握手段により把握された燃料電池スタック１の内部温度に相当する。また、Ｔwinを燃料電池スタック１の内部温度として把握する他、冷媒出口温度センサ１９の検出温度Ｔwoutを燃料電池スタック１の内部温度として把握してもよく、ＴwinとＴwoutの双方を用いて、例えばＴwinとＴwoutの平均値を燃料スタック１の内部温度として把握してもよい。
Note that Twin is measured in order to grasp the internal temperature of the fuel cell stack 1 and determine whether or not the environment is below freezing. In this case, the refrigerant
一方、ＳＴＥＰ３でＴwinが０℃以下であったときには、ＳＴＥＰ４に進む。ＳＴＥＰ４〜ＳＴＥＰ１０は最低必要電流決定手段３２による処理である。最低必要電流決定手段３２は、ＳＴＥＰ４で、冷媒出口温度センサ１９により冷媒通路１２の燃料電池スタック１の出口付近における冷媒の温度Ｔwoutを測定すると共に、スタック周囲温度センサ１７により燃料電池スタック１の周囲温度Ｔsを測定する。
On the other hand, when Twin is 0 ° C. or lower in STEP 3, the process proceeds to
そして、次のＳＴＥＰ５で、最低必要電流決定手段３２は、燃料電池スタック１の外周からの放熱量Ｑsを算出する。具体的には、最低必要電流決定手段３２は、図３（ａ）に示したグラフに冷媒温度Ｔw（燃料電池スタック１の入口側の冷媒の温度Ｔwin又は燃料電池スタック１の出口側の冷媒の温度Ｔwout、本発明のスタック内部温度把握手段により把握された燃料電池スタックの内部温度に相当する）と、燃料電池スタック１の周囲温度Ｔsとを適用して、燃料電池スタック１の外周からの放熱量Ｑsを取得する。
Then, in the next STEP 5, the minimum required current determining
図３（ａ）に示したグラフの縦軸は燃料電池スタック１の外周からの放熱量Ｑsに設定され、横軸は燃料電池スタック１の周囲温度Ｔsに設定されている。そして、Ｍ1，Ｍ2，Ｍ3，Ｍ4は、それぞれ、冷媒温度Ｔwが−２０℃，−１０℃，０℃，３０℃であるときのＱsとＴsの相関曲線である。例えば、Ｔw＝−１０℃でＴs＝−２０℃であるときは、Ｍ2のグラフが選択され、Ｔs＝−２０℃に対応したＱ1が放熱量Ｑsとして取得される。 The vertical axis of the graph shown in FIG. 3A is set to the heat dissipation amount Qs from the outer periphery of the fuel cell stack 1, and the horizontal axis is set to the ambient temperature Ts of the fuel cell stack 1. M1, M2, M3, and M4 are correlation curves of Qs and Ts when the refrigerant temperature Tw is −20 ° C., −10 ° C., 0 ° C., and 30 ° C., respectively. For example, when Tw = −10 ° C. and Ts = −20 ° C., the graph of M2 is selected, and Q1 corresponding to Ts = −20 ° C. is acquired as the heat dissipation amount Qs.
なお、図３（ａ）に示したグラフは実験やコンピュータシミュレーションに基づいて作成されたものであり、該グラフをマップ化したデータが、予めコントローラ３０のメモリ（図示しない）に記憶されている。
The graph shown in FIG. 3A is created based on experiments and computer simulations, and data obtained by mapping the graph is stored in advance in a memory (not shown) of the
続くＳＴＥＰ６で、最低必要電流決定手段３２は、冷媒通路１２内を循環する冷媒による燃料電池スタック１からの吸熱量Ｑcを算出する。具体的には、最低必要電流決定手段３２は、以下の式（２）によりＱcを算出する。
In
Ｑc ＝ （Ｔwout−Ｔwin）×（冷媒の比熱）×（冷媒の比重）×（冷媒の流量）
・・・・・（２）
なお、冷媒の流量は、燃料電池スタック１の起動時は燃料電池スタック１が許容し得る最低流量に設定され、その後は、図３（ｂ）に示したグラフの冷媒流量と燃料電池の出力電流Ｉfcの相関直線Ｎに従って、燃料電池スタック１の出力電流Ｉfcに応じて設定される。図３（ｂ）に示したグラフは、縦軸が冷媒流量に設定され、横軸が燃料電池スタック１の出力電流Ｉfcに設定されている。
Qc = (Twout−Twin) × (specific heat of refrigerant) × (specific gravity of refrigerant) × (flow rate of refrigerant)
(2)
The flow rate of the refrigerant is set to the lowest flow rate that can be allowed by the fuel cell stack 1 when the fuel cell stack 1 is started, and thereafter, the refrigerant flow rate and the output current of the fuel cell shown in FIG. It is set according to the output current Ifc of the fuel cell stack 1 according to the correlation line N of Ifc. In the graph shown in FIG. 3B, the vertical axis is set to the refrigerant flow rate, and the horizontal axis is set to the output current Ifc of the fuel cell stack 1.
そして、最低必要電流決定手段３２は、ＳＴＥＰ７で電流補正値αを算出し、ＳＴＥＰ８で最低必要電流値Ｉfcを決定する。ここで、最低必要電流値Ｉfcnは、燃料電池１の発電に伴う発熱量が以下の式（３）で算出される総放熱量Ｑtを超えるように設定される。
Then, the minimum required current determining
Ｑt ＝ Ｑs ＋ Ｑc ・・・・・（３）
具体的には、最低必要電流決定手段３２は、以下の式（４）により、総放熱量Ｑtが得られる出力電流値Ｉfcqに、膜電極構造体４０の印加可能電流や電力消費量、目標とする昇温幅等を考慮して決定した電流補正αを加算して、最低必要電流値Ｉfcnを決定する。
Qt = Qs + Qc (3)
Specifically, the minimum required current determining means 32 uses the following equation (4) to obtain an output current value Ifcq from which the total heat dissipation amount Qt is obtained, the current that can be applied to the membrane electrode structure 40, the power consumption, the target The minimum required current value Ifcn is determined by adding the current correction α determined in consideration of the temperature rise range to be performed.
Ｉfcn ＝ Ｉfcq ＋ α ・・・・・（４）
図４は、燃料電池スタック１の出力電流Ｉfcと発電に伴う発熱量との関係を説明したグラフであり、縦軸が燃料電池スタック１の出力電圧Ｖfcに設定され、横軸が燃料電池スタック１の出力電流Ｉfcに設定されている。また、Ｌ1は燃料電池スタック１の出力電流／電圧特性（Ｉ／Ｖ特性）を示す相関曲線であり、Ｌ2はＶfc＝Ｖfcb（Ｖfcbは燃料電池セルの起動電圧）の直線、Ｌ3はＩfc＝Ｉfc1の直線、Ｌ4はＩfc＝Ｉfc2の直線である。
Ifn = Ifcq + α (4)
FIG. 4 is a graph illustrating the relationship between the output current Ifc of the fuel cell stack 1 and the amount of heat generated by power generation, where the vertical axis is set to the output voltage Vfc of the fuel cell stack 1 and the horizontal axis is the fuel cell stack 1. Output current Ifc. L1 is a correlation curve indicating the output current / voltage characteristics (I / V characteristics) of the fuel cell stack 1, L2 is a straight line of Vfc = Vfcb (Vfcb is the starting voltage of the fuel cell), and L3 is Ifc = Ifc1. The straight line L4 is a straight line of Ifc = Ifc2.
図４において、燃料電池スタック１の出力電流ＩfcがＩfc1であるときは、発電に伴う発熱量はＬ1とＬ2とＬ3で囲まれたαの面積に応じたものとなる。そして、燃料電池スタック１の出力電流ＩfcがＩfc2に増加すると、発電に伴う発熱量はＬ1とＬ2とＬ3とＬ4で囲まれたβの面積に応じた分増加する。 In FIG. 4, when the output current Ifc of the fuel cell stack 1 is Ifc1, the amount of heat generated by power generation corresponds to the area of α surrounded by L1, L2, and L3. When the output current Ifc of the fuel cell stack 1 increases to Ifc2, the amount of heat generated by power generation increases by an amount corresponding to the area of β surrounded by L1, L2, L3, and L4.
そして、ＳＴＥＰ９で、最低必要電流値Ｉfcnが出力可能電流以下であるか否かが判断される。ここで、出力可能電流は、燃料電池スタック１において、燃料電池システムが要求する最低電圧を満たしながら出力可能な最大電流値である。そして、ＳＴＥＰ９で最低必要電流値Ｉfcnが出力可能電流以下であったときはＳＴＥＰ１０に進み、最低必要電流値決定手段３２は最低必要電流値Ｉfcnを目標電池値に設定する。 Then, in STEP 9, it is determined whether or not the minimum required current value Ifcn is equal to or less than the output possible current. Here, the outputtable current is the maximum current value that can be output while satisfying the minimum voltage required by the fuel cell system in the fuel cell stack 1. When the minimum required current value Ifcn is equal to or smaller than the output possible current in STEP9, the process proceeds to STEP10, and the minimum required current value determining means 32 sets the minimum required current value Ifcn to the target battery value.
これにより、次のＳＴＥＰ１１で、電流制御手段３１によって、燃料電池スタック１の出力電流Ｉfcが最低必要電流値Ｉfcnとなるように燃料電池スタック１の作動が制御され。そして、ＳＴＥＰ１１からＳＴＥＰ２に戻って、ＳＴＥＰ２以下の処理が繰り返し実行され、ＳＴＥＰ８で最低必要電流値Ｉfcnが逐次更新されてＳＴＥＰ１１で燃料電池スタック１の出力電流Ｉfcが最低必要電流値Ｉfcnに制御される。
Thus, in the next STEP 11, the operation of the fuel cell stack 1 is controlled by the current control means 31 so that the output current Ifc of the fuel cell stack 1 becomes the minimum required current value Ifcn. Then, the process returns from STEP 11 to
このように、最低必要電流値Ｉfcnは、燃料電池スタック１の外周温度Ｔsと冷媒通路１２の燃料電池スタック１の入口付近における冷媒の温度Ｔwinと冷媒通路１２の燃料電池スタック１の出口付近における冷媒の温度Ｔwoutとに応じて、逐次更新されていく。そして、これにより、無駄な電力消費を抑制しつつ、燃料電池スタック１の内部温度の昇温を確保できる最低必要電流値１を決定することができる。
As described above, the minimum required current value Ifcn is equal to the outer peripheral temperature Ts of the fuel cell stack 1, the refrigerant temperature Twin near the inlet of the fuel cell stack 1 in the
なお、本実施の形態では、上記式（２）〜式（４）により、燃料電池スタック１の外周からの放熱量Ｑsと冷媒による吸熱量Ｑcとに基づいて最低必要電流値Ｉfcnを決定したが、燃料電池スタック１の外周からの放熱量Ｑsのみに基づいて最低必要電流値Ｉfcnを決定する場合にも、本発明の効果を得ることができる。 In the present embodiment, the minimum required current value Ifcn is determined based on the heat radiation amount Qs from the outer periphery of the fuel cell stack 1 and the heat absorption amount Qc by the refrigerant by the above formulas (2) to (4). Even when the minimum required current value Ifcn is determined based only on the heat radiation amount Qs from the outer periphery of the fuel cell stack 1, the effect of the present invention can be obtained.
１…燃料電池スタック、２…水素タンク、３…水素供給管、４…エアコンプレッサ、５…空気供給管、６，７…可変バルブ、８，９…加湿器、１０…電圧検出器、１１…電流検出器、１２…冷媒通路、１５…冷却ポンプ、１７…スタック温度センサ、１８…冷媒入口温度センサ、１９…冷媒出口温度センサ、２１…可変抵抗、３０…コントローラ、３１…電流制御手段、３２…最低必要電流決定手段 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell stack, 2 ... Hydrogen tank, 3 ... Hydrogen supply pipe, 4 ... Air compressor, 5 ... Air supply pipe, 6, 7 ... Variable valve, 8, 9 ... Humidifier, 10 ... Voltage detector, 11 ... Current detector, 12 ... refrigerant passage, 15 ... cooling pump, 17 ... stack temperature sensor, 18 ... refrigerant inlet temperature sensor, 19 ... refrigerant outlet temperature sensor, 21 ... variable resistance, 30 ... controller, 31 ... current control means, 32 ... Minimum required current determining means
Claims (3)
前記燃料電池スタックの内部温度を把握するスタック内部温度把握手段と、
前記燃料電池スタックの周囲温度を検出するスタック周囲温度検出手段と、
該スタック内部温度把握手段により把握された前記燃料電池スタックの内部温度が０℃以下であるときに、前記燃料電池スタックの発電に伴う発熱により燃料電池スタック内部の昇温が確保される最低必要電流値を、前記スタック内部温度把握手段により把握される前記燃料電池スタックの内部温度と前記スタック周囲温度検出手段の検出温度とに応じて逐次決定し、該最低必要電流値を前記目標電流値として設定する最低必要電流決定手段とを備え、
前記最低必要電流決定手段は、前記スタック内部温度把握手段により把握される前記燃料電池スタックの内部温度と前記スタック周囲温度検出手段の検出温度とに基づいて前記燃料電池スタックの外周からの放熱量を把握し、前記燃料電池スタックの発電に伴う発熱量が前記燃料電池スタックの外周からの放熱量を超えるように、前記最低必要電流を決定することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell stack configured by connecting a plurality of polymer electrolyte fuel cells, and a current for controlling the power generation amount of the fuel cell stack so that the output current of the fuel cell stack becomes a predetermined target current value A fuel cell system comprising a control means,
Stack internal temperature grasping means for grasping the internal temperature of the fuel cell stack;
Stack ambient temperature detecting means for detecting the ambient temperature of the fuel cell stack;
When the internal temperature of the fuel cell stack ascertained by the stack internal temperature grasping means is 0 ° C. or lower, the minimum required current that ensures the temperature rise in the fuel cell stack due to heat generated by the power generation of the fuel cell stack A value is sequentially determined according to the internal temperature of the fuel cell stack grasped by the stack internal temperature grasping means and the detected temperature of the stack ambient temperature detecting means, and the minimum required current value is set as the target current value Bei example the minimum required current determining means for,
The minimum required current determining means determines the amount of heat released from the outer periphery of the fuel cell stack based on the internal temperature of the fuel cell stack grasped by the stack internal temperature grasping means and the detected temperature of the stack ambient temperature detecting means. The fuel cell system is characterized in that the minimum required current is determined so that the amount of heat generated by the power generation of the fuel cell stack exceeds the amount of heat released from the outer periphery of the fuel cell stack .
前記最低必要電流決定手段は、前記冷媒出口温度検出手段の検出温度と前記冷媒入口温度検出手段の検出温度との温度差に基づいて、前記冷媒通路内を循環する冷媒による前記燃料電池スタックからの吸熱量を把握し、前記燃料電池スタックの発電に伴う発熱量が、前記燃料電池スタックの外周からの放熱量と前記冷媒通路を循環する冷媒による前記燃料電池スタックからの吸熱量との合計熱量を超えるように、前記最低必要電流値を決定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。 Refrigerant circulating means for supplying a refrigerant from an inlet of a refrigerant passage provided between the fuel cells, collecting the refrigerant from an outlet of the refrigerant passage, and circulating the refrigerant in the refrigerant passage, and a refrigerant in the vicinity of the inlet A refrigerant inlet temperature detecting means for detecting the temperature of the refrigerant, and a refrigerant outlet temperature detecting means for detecting the temperature of the refrigerant in the vicinity of the outlet,
The minimum required current determining means is configured to output from the fuel cell stack by the refrigerant circulating in the refrigerant passage based on the temperature difference between the detected temperature of the refrigerant outlet temperature detecting means and the detected temperature of the refrigerant inlet temperature detecting means. Ascertaining the amount of heat absorbed, the amount of heat generated by the power generation of the fuel cell stack is the total amount of heat radiated from the outer periphery of the fuel cell stack and the amount of heat absorbed from the fuel cell stack by the refrigerant circulating in the refrigerant passage. it exceeds manner, the fuel cell system according to claim 1, wherein determining the minimum required current value.
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