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JP4823485B2 - FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR FUEL CELL SYSTEM - Google Patents

FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR FUEL CELL SYSTEM Download PDF

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JP4823485B2 JP2004086502A JP2004086502A JP4823485B2 JP 4823485 B2 JP4823485 B2 JP 4823485B2 JP 2004086502 A JP2004086502 A JP 2004086502A JP 2004086502 A JP2004086502 A JP 2004086502A JP 4823485 B2 JP4823485 B2 JP 4823485B2
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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、及び氷点下環境における燃料電池スタックの内部温度把握方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell system that supports power generation in a sub-freezing environment and a method for determining the internal temperature of a fuel cell stack in a sub-freezing environment.

図4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. 4, the polymer electrolyte fuel cell 100 includes a solid polymer electrolyte membrane 101, a hydrogen electrode 102 and an oxygen electrode 103 having catalytic action provided on both sides thereof, and each electrode. Separators 104 and 105 that form supply paths for hydrogen and oxygen (included in the air), which are reaction gases, are provided between 102 and 103.

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 supply passage 106 formed by a separator 104, electrons e in hydrogen electrode 102 - the hydrogen ions H + next by releasing, hydrogen ions H + solid polymer electrolyte membrane 101 Conduct inside. On the other hand, in the oxygen electrode 103, the following equation is obtained by the oxygen gas O 2 in the air supplied to the supply path 107 formed by the separator 105, the electron e and the hydrogen ion H + supplied from the oxygen electrode 103. Reaction (1) occurs and water H 2 O is produced.

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 fuel cell 100 is started in a sub-freezing environment, the water generated by the above formula (1) is frozen at the oxygen electrode 103 and the conductivity of the hydrogen ion H + in the polymer electrolyte membrane 101 is lowered. However, there is an inconvenience that the power generation capacity of the fuel cell 100 is lowered.

かかる不都合を解消するべく、氷点下環境で燃料電池スタックを起動する際に、燃料電セルを冷却するために設けられた冷媒通路中の冷媒の循環を停止して、冷媒通路から冷媒を抜き取るようにした方法が提案されている(特許文献1,2参照)。この方法によれば、燃料電池スタック100の加熱が促進される。
特表2000−512068号公報(第10−11頁) 特開2003−257460号公報(第7−8頁)
In order to eliminate such inconvenience, when starting the fuel cell stack in a sub-freezing environment, the circulation of the refrigerant in the refrigerant passage provided for cooling the fuel cell is stopped and the refrigerant is extracted from the refrigerant passage. Have been proposed (see Patent Documents 1 and 2). According to this method, heating of the fuel cell stack 100 is promoted.
JP 2000-512068 A (page 10-11) JP2003-257460A (pages 7-8)

冷媒通路中の冷媒を抜き取って燃料電池スタックを起動させた場合、燃料電池スタックの発電に伴う発熱により、燃料電池スタックの内部温度が急速に上昇する。そして、冷媒の循環による冷却を開始するタイミングが遅れると、燃料電池スタックの内部温度が燃料電池スタックの保証温度を超えて膜電極構造体等が過剰に上昇し、燃料電池スタックを劣化させる原因となるという不都合があった。   When the fuel cell stack is started by extracting the refrigerant in the refrigerant passage, the internal temperature of the fuel cell stack rapidly rises due to heat generated by the power generation of the fuel cell stack. If the timing for starting cooling by circulating the refrigerant is delayed, the internal temperature of the fuel cell stack exceeds the guaranteed temperature of the fuel cell stack, and the membrane electrode structure etc. rises excessively, causing deterioration of the fuel cell stack. There was an inconvenience.

そこで、本発明は、上記不都合を解消し、氷点下環境で燃料電池スタックを起動する際に、過剰な昇温を抑制して、発電に伴う発熱により燃料電池スタック内を加熱することができる燃料電池システム、及び氷点下環境で燃料電池スタックを起動する際に、燃料電池スタックの内部温度を把握するための方法を提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention solves the above-described disadvantages, and suppresses an excessive temperature rise when starting the fuel cell stack in a sub-freezing environment, so that the fuel cell stack can be heated by heat generated by power generation. It is an object of the present invention to provide a system and a method for grasping the internal temperature of the fuel cell stack when starting the fuel cell stack in a sub-freezing environment.

本発明は上記目的を達成するための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内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して、該冷媒通路内に冷媒を循環させる冷媒循環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 to achieve the above object, and includes a fuel cell stack configured by connecting a plurality of polymer electrolyte fuel cells, and a refrigerant passage provided in the fuel cell stack. The present invention relates to an improvement in a fuel cell system including a refrigerant circulating means for supplying a refrigerant from an inlet and collecting the refrigerant from an outlet of the refrigerant passage to circulate the refrigerant in the refrigerant passage.

そして、前記冷媒通路中の冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段と、該冷媒温度検出手段の検出温度が0°C以下である状態で前記燃料電池スタックが起動されたときに、前記冷媒循環手段により前記冷媒通路内に冷媒を循環させる冷却実行サイクルと、前記冷媒循環手段による前記冷媒通路内の冷媒の循環を停止する冷却停止サイクルとを、交互に繰り返す冷媒間欠循環処理を実行する冷却制御手段と、前記冷却実行サイクルにおける前記冷媒温度検出手段の検出温度に基づいて、前記燃料電池スタックの内部温度を把握するスタック内部温度把握手段と、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、前記燃料電池スタックの保証温度を超えているか否かを監視するスタック内部温度監視手段とを備え、前記冷却制御手段は、前記スタック内部温度監視手段により、前記燃料電池スタックの内部温度が前記燃料電池スタックの保証温度を超えていることが検知されたときに、前記冷媒間欠循環処理の実行を中止して、前記冷媒循環手段により前記冷媒通路内に冷媒を連続的に循環させ、前記スタック内部温度把握手段により把握されたスタック内部温度が前記燃料電池スタックの保証温度以下であり、かつ、前記冷媒温度検出手段により検出された冷媒温度が0°C以下である場合には、冷媒間欠循環処理を継続することを特徴とする。 And a refrigerant temperature detecting means for detecting the temperature of the refrigerant in the refrigerant passage, and the refrigerant circulation when the fuel cell stack is activated in a state where the detected temperature of the refrigerant temperature detecting means is 0 ° C. or less. Cooling control for performing intermittent refrigerant circulation processing that alternately repeats a cooling execution cycle for circulating the refrigerant in the refrigerant passage by means and a cooling stop cycle for stopping the circulation of the refrigerant in the refrigerant passage by the refrigerant circulation means A stack internal temperature grasping means for grasping the internal temperature of the fuel cell stack based on the detected temperature of the refrigerant temperature detecting means in the cooling execution cycle, and the fuel cell grasped by the stack internal temperature grasping means Stack internal temperature monitoring means for monitoring whether the internal temperature of the stack exceeds a guaranteed temperature of the fuel cell stack; The cooling control means executes the intermittent refrigerant circulation process when the internal temperature monitoring means detects that the internal temperature of the fuel cell stack exceeds the guaranteed temperature of the fuel cell stack. And the refrigerant circulating means continuously circulates the refrigerant in the refrigerant passage, the stack internal temperature ascertained by the stack internal temperature grasping means is below the guaranteed temperature of the fuel cell stack, and , when the refrigerant temperature detected by the coolant temperature detecting means is 0 ° C or below is characterized that you continue refrigerant intermittent circulation process.

かかる本発明によれば、前記冷媒温度検出手段の検出温度が0℃以下であって、前記燃料電池スタックを起動させたときに、燃料電池セルで生成される水が凍結し得る状況であるときには、前記冷却制御手段により前記冷媒間欠循環処理が実行される。そして、前記冷媒間欠循環処理の冷却停止サイクルにおいては、冷媒の循環が停止されるため、冷媒が循環される前記冷却実行サイクルよりも、前記燃料電池スタックからの吸熱が減少して前記燃料電池スタックの加熱を促進させることができる。   According to the present invention, when the temperature detected by the refrigerant temperature detecting means is 0 ° C. or less and the fuel cell stack is activated, the water generated in the fuel cell can be frozen. The refrigerant intermittent circulation processing is executed by the cooling control means. In the cooling stop cycle of the refrigerant intermittent circulation process, the circulation of the refrigerant is stopped, so that the heat absorption from the fuel cell stack is reduced compared to the cooling execution cycle in which the refrigerant is circulated. Heating can be promoted.

また、前記冷却実行サイクルにおいては、前記冷媒通路内を循環する冷媒により前記燃料電池スタックから吸熱されて冷媒の温度が上がるため、前記燃料電池スタックの内部温度の変化に応じて前記冷媒温度検出手段により検出される冷媒の温度が変化する。そのため、前記スタック内部温度把握手段は、前記冷却実行サイクルにおける前記冷媒温度検出手段の検出温度に基づいて、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。そして、前記スタック内部温度監視手段により、前記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前記燃料電池スタックの保証温度を超えているか否かが監視されるため、燃料電池スタックの内部温度が該保証温度を超えたことを検知することができる。   Further, in the cooling execution cycle, the refrigerant temperature is absorbed by the refrigerant circulating in the refrigerant passage and the temperature of the refrigerant rises, so that the refrigerant temperature detection means according to the change in the internal temperature of the fuel cell stack The temperature of the refrigerant detected by this changes. Therefore, the stack internal temperature grasping means can grasp the internal temperature of the fuel cell stack based on the temperature detected by the refrigerant temperature detecting means in the cooling execution cycle. Then, since the internal temperature of the fuel cell stack ascertained by the stack internal temperature grasping means is monitored by the stack internal temperature monitoring means, it is monitored whether the fuel cell stack exceeds the guaranteed temperature of the fuel cell stack. It can be detected that the internal temperature of the battery exceeds the guaranteed temperature.

さらに本発明によれば、前記燃料電池スタックの内部温度が前記保証温度を超えたときに、前記冷却制御手段は、前記冷媒間欠循環処理の実行を中止して、前記冷媒循環手段により前記冷媒通路内に冷媒を連続的に循環させる。これにより、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増加して、前記燃料電池スタックの冷却が促進され、前記燃料電池スタックの内部温度を速やかに低下させて前記燃料電池スタックを保護することができる。 Further , according to the present invention, when the internal temperature of the fuel cell stack exceeds the guaranteed temperature, the cooling control unit stops the execution of the refrigerant intermittent circulation process, and the refrigerant circulation unit causes the refrigerant passage to stop. A refrigerant is continuously circulated inside. As a result, the amount of heat absorbed from the fuel cell stack by the refrigerant circulating in the refrigerant passage is increased, cooling of the fuel cell stack is promoted, and the internal temperature of the fuel cell stack is rapidly lowered to reduce the fuel The battery stack can be protected.

また、前記冷媒間欠循環処理の実行が中止されて、前記冷媒循環手段により前記冷媒通路内の冷媒の連続的な循環が開始されたときに、前記燃料電池スタックの発電を停止する発電禁止手段を備えたことを特徴とする。   Further, when the execution of the intermittent refrigerant circulation process is stopped, and the continuous circulation of the refrigerant in the refrigerant passage is started by the refrigerant circulation means, the power generation prohibiting means for stopping the power generation of the fuel cell stack. It is characterized by having.

かかる本発明によれば、前記発電禁止手段により前記燃料電池スタックの発電を停止することで、発電に伴う発熱がなくなるため、前記燃料電池スタックの内部温度の低下をさらに促進することができる。
また、前記発電禁止手段による発電が禁止されてから前記燃料電池スタックの内部温度がスタック保証温度以下までに下がるのに必要な時間として予め定められた所定時間が経過した後、前記冷媒温度検出手段により冷媒温度を検出し、該冷媒温度が0°C以下の場合には、再び冷媒間欠循環処理を実行することを特徴とする。
According to the present invention, by stopping the power generation of the fuel cell stack by the power generation prohibiting means, the heat generated by the power generation is eliminated, so that the decrease in the internal temperature of the fuel cell stack can be further promoted.
In addition, the refrigerant temperature detection means after a predetermined time has passed as a time required for the internal temperature of the fuel cell stack to fall below the stack guarantee temperature after the power generation prohibition means is prohibited. The refrigerant temperature is detected by the above, and when the refrigerant temperature is 0 ° C. or lower, the refrigerant intermittent circulation process is executed again.

また、本発明の燃料電池システムの制御方法は、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内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して、該冷媒通路内に冷媒を循環させる冷媒循環手段とを備えた燃料電池システムの制御方法であって、前記冷媒通路中の冷媒の温度が0°C以下である状態で前記燃料電池スタックが起動されたときに、前記冷媒循環手段により前記冷媒通路内に冷媒を循環させる冷却実行サイクルと、前記冷媒循環手段による前記冷媒通路内の冷媒の循環を停止する冷却停止サイクルとを、交互に繰り返す冷媒間欠循環処理を実行し、前記冷却実行サイクルにおける前記冷媒通路内の冷媒の温度に基づいて、前記燃料電池スタックの内部温度を把握し、前記燃料電池スタックの内部温度が前記燃料電池スタックの保証温度を超えていることが検知されたときに、前記冷媒間欠循環処理の実行を中止して、前記冷媒循環手段により前記冷媒通路内に冷媒を連続的に循環させ、前記冷媒通路内の冷媒の温度に基づいて把握されたスタック内部温度が前記燃料電池スタックの保証温度以下であり、かつ、前記冷媒通路内の冷媒の温度が0°C以下である場合には、冷媒間欠循環処理を継続することを特徴とする。 The control method for a fuel cell system of the present invention includes a fuel cell stack configured by connecting a plurality of polymer electrolyte fuel cells, and a refrigerant from an inlet of a refrigerant passage provided in the fuel cell stack. And a refrigerant circulating means for collecting the refrigerant from the outlet of the refrigerant passage and circulating the refrigerant in the refrigerant passage, wherein the temperature of the refrigerant in the refrigerant passage is When the fuel cell stack is started in a state where the temperature is 0 ° C. or less, a cooling execution cycle for circulating the refrigerant in the refrigerant passage by the refrigerant circulation means, and the refrigerant in the refrigerant passage by the refrigerant circulation means A cooling stop cycle for stopping the circulation of the refrigerant is alternately performed, and the intermittent refrigerant circulation process is executed, and based on the temperature of the refrigerant in the refrigerant passage in the cooling execution cycle, the fuel The internal temperature of the battery stack is grasped, and when it is detected that the internal temperature of the fuel cell stack exceeds the guaranteed temperature of the fuel cell stack, execution of the intermittent refrigerant circulation process is stopped, and the refrigerant The refrigerant is continuously circulated in the refrigerant passage by the circulation means, and the stack internal temperature obtained based on the temperature of the refrigerant in the refrigerant passage is equal to or lower than the guaranteed temperature of the fuel cell stack, and the refrigerant when the temperature of the coolant in the passage is 0 ° C or below is characterized that you continue refrigerant intermittent circulation process.

かかる本発明によれば、前記冷媒通路中の冷媒の温度が0℃以下である状態で前記燃料電池スタックが起動されたときに、前記冷媒通路内に冷媒を間欠的に循環させる前記冷媒間欠循環処理が実行される。そして、前記冷却実行サイクルにおいては、前記冷媒通路を介して前記燃料電池スタック内を冷媒が循環するため、前記冷媒通路内の冷媒の温度は前記燃料電池スタックの内部温度の変化に応じて変化する。したがって、前記冷媒通路内の冷媒の温度に基づいて前記燃料電池のスタック温度を把握することができる。
さらに本発明によれば、前記燃料電池スタックの内部温度が前記保証温度を超えたときに、前記冷媒間欠循環処理の実行を中止して、前記冷媒循環手段により前記冷媒通路内に冷媒を連続的に循環させる。これにより、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増加して、前記燃料電池スタックの冷却が促進され、前記燃料電池スタックの内部温度を速やかに低下させて前記燃料電池スタックを保護することができる。
According to this invention, when the fuel cell stack is started in a state where the temperature of the refrigerant in the refrigerant passage is 0 ° C. or less, the refrigerant intermittent circulation is performed so that the refrigerant is circulated intermittently in the refrigerant passage. Processing is executed. In the cooling execution cycle, since the refrigerant circulates in the fuel cell stack through the refrigerant passage, the temperature of the refrigerant in the refrigerant passage changes according to the change in the internal temperature of the fuel cell stack. . Therefore, the stack temperature of the fuel cell can be grasped based on the temperature of the refrigerant in the refrigerant passage.
Further, according to the present invention, when the internal temperature of the fuel cell stack exceeds the guaranteed temperature, the execution of the intermittent refrigerant circulation process is stopped, and the refrigerant is continuously supplied into the refrigerant passage by the refrigerant circulation means. To circulate. As a result, the amount of heat absorbed from the fuel cell stack by the refrigerant circulating in the refrigerant passage is increased, cooling of the fuel cell stack is promoted, and the internal temperature of the fuel cell stack is rapidly lowered to reduce the fuel The battery stack can be protected.

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起動時に冷媒を間欠的に循環させたときの冷媒温度の推移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 shows a transition of the refrigerant temperature when the refrigerant is circulated intermittently at the time of starting the fuel cell stack. It is a graph.

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 hydrogen tank 2 through a hydrogen supply pipe 3 and with air from an air compressor 4 through an air supply pipe 5. The hydrogen supply pipe 3 is provided with a variable valve 6 for adjusting the supply amount of hydrogen and a humidifier 8 for humidifying the hydrogen, and the air supply pipe 5 is provided with a variable valve 7 for adjusting the supply amount of air and the air. A humidifier 9 is provided to humidify.

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、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、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 voltage detector 10 for detecting the output voltage Vfc of the fuel cell 1, a current detector 11 for detecting the output current Ifc of the fuel cell 1, and a fuel by circulating a refrigerant in the refrigerant passage 12 connected to the fuel cell 1 A cooling pump 15 for cooling the battery 1 (corresponding to the refrigerant circulation means of the present invention), a radiator 16 provided in the middle of the refrigerant passage 12, a stack ambient temperature sensor 17 for detecting the ambient temperature Ts of the fuel cell stack 1, A refrigerant inlet temperature sensor 18 (corresponding to the refrigerant temperature detecting means of the present invention) for detecting the refrigerant temperature Twin near the inlet of the fuel cell stack 1 in the refrigerant passage 12, and a refrigerant in the vicinity of the outlet of the fuel cell stack 1 in the refrigerant passage 12 The refrigerant outlet temperature sensor 19 for detecting the temperature Twout of the fuel cell, the variable resistor 21 for controlling the output current Ifc of the fuel cell stack 1, and the operation of the fuel cell stack 1 Control to the controller 30 is provided.

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 voltage detector 10, the current detection signal of the current detector 11, the temperature detection signal of the stack temperature sensor 17, the temperature detection signal of the refrigerant inlet temperature sensor 18, and the temperature detection signal of the refrigerant outlet temperature sensor 19 are Setting and operation of the air compressor 4, the variable valves 6 and 7, the humidifiers 8 and 9, the cooling pump 15, and the variable resistor 21 are controlled by a control signal input to the controller 30 and output from the controller 30.

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、冷却ポンプ15による冷媒通路12への冷媒の循環を制御する冷却制御手段32、燃料電池スタック1の内部温度を把握するスタック内部温度把握手段33、燃料電池スタック1の内部温度が燃料電池スタック1の保証温度を越えているか否かを監視するスタック内部温度把握手段34、及び燃料電池スタック1の内部温度が燃料電池スタック1の保証温度を越えたときに燃料電池スタック1の発電を禁止する発電禁止手段35が備えられている。   Further, the controller 30 has a current control means 31 for controlling the power generation amount of the fuel cell stack 1 so that the output current Ifc of the fuel cell stack 1 matches the target current set according to the required power of the electric load. The cooling control means 32 for controlling the circulation of the refrigerant to the refrigerant passage 12 by the cooling pump 15, the stack internal temperature grasping means 33 for grasping the internal temperature of the fuel cell stack 1, and the internal temperature of the fuel cell stack 1 is the fuel cell stack 1 The internal temperature grasping means 34 for monitoring whether or not the guaranteed temperature of the fuel cell stack 1 is exceeded, and the power generation for prohibiting the power generation of the fuel cell stack 1 when the internal temperature of the fuel cell stack 1 exceeds the guaranteed temperature of the fuel cell stack 1 Prohibiting means 35 is provided.

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 variable resistor 21 and other electric loads (not shown). Supplied. Further, water is generated along with the chemical reaction. Then, when the fuel cell stack 1 is started in a sub-freezing environment, if water generated by the chemical reaction is frozen on the surface of the membrane electrode structure 40 or the like, the hydrogen ion permeability in the membrane electrode structure 40 decreases. As a result, the fuel cell stack 1 cannot be started. Alternatively, the power generation capacity of the fuel cell stack 1 is reduced.

そこで、コントローラ30に備えられた冷却制御手段32とスタック内部温度監視手段34と発電禁止手段35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 cooling control means 32, the stack internal temperature monitoring means 34, and the power generation prohibiting means 35 provided in the controller 30 execute processing for coping with activation of the fuel cell stack 1 in a sub-freezing environment. The process will be described below according to the flowchart shown in FIG.

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30はSTEP1で冷媒入口温度センサ18による冷媒通路12内の冷媒の検出温度Twinが0℃を越えているか否かを判断する。そして、Twinが0℃を越えていたときは、生成水が凍結するおそれがないため、STEP20に分岐して電流制御手段31により「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 the start instruction of the fuel cell stack 1 is given, the controller 30 determines whether or not the detected temperature Twin of the refrigerant in the refrigerant passage 12 by the refrigerant inlet temperature sensor 18 exceeds 0 ° C. in STEP 1. Then, when Twin exceeds 0 ° C., there is no possibility that the generated water will freeze, so the process branches to STEP 20 and “normal current output control” is executed by the current control means 31. In “normal current output control”, the current control means 31 controls the supply flow rates of hydrogen and air to the fuel cell stack 1 so as to obtain the output current Ifc corresponding to the required current from the electric load.

一方、STEP1で、冷媒入口温度センサ18の検出温度Twinが0℃以下であったときはSTEP2に進み、コントローラ30は燃料電池スタック1への反応ガス(水素及び空気)の投入を開始する。また、次のSTEP3で、冷却制御手段32は冷却ポンプ15を作動させて冷媒通路12内の冷媒の循環を開始し、STEP4で、電流制御手段31は燃料電池スタック1からの電流出力を開始する。   On the other hand, when the detected temperature Twin of the refrigerant inlet temperature sensor 18 is 0 ° C. or less in STEP 1, the process proceeds to STEP 2, and the controller 30 starts to introduce the reaction gas (hydrogen and air) into the fuel cell stack 1. In the next STEP 3, the cooling control means 32 operates the cooling pump 15 to start circulation of the refrigerant in the refrigerant passage 12, and in STEP 4, the current control means 31 starts current output from the fuel cell stack 1. .

ここで、冷媒通路12内に冷媒が循環している状態では、燃料電池スタック1内部の冷媒通路12を通過する際に、冷媒が燃料電池スタック1の内部から吸熱するため、冷媒の温度は燃料電池スタック1の内部温度に応じて変化する。   Here, in a state where the refrigerant circulates in the refrigerant passage 12, the refrigerant absorbs heat from the inside of the fuel cell stack 1 when passing through the refrigerant passage 12 inside the fuel cell stack 1. It changes according to the internal temperature of the battery stack 1.

そこで、スタック内部温度把握手段33は、STEP5で冷媒入口温度センサ18により冷媒通路12の燃料電池スタック1の入口付近の冷媒の温度Twinを測定し、STEP6でTwinに実験やシミュレーションにより予め設定された補正値xを加算して、燃料電池スタック1の内部温度Tse(Tse=Twin+x)を把握する。   Therefore, the stack internal temperature grasping means 33 measures the temperature Twin of the refrigerant in the vicinity of the inlet of the fuel cell stack 1 in the refrigerant passage 12 by the refrigerant inlet temperature sensor 18 in STEP 5, and is set in advance to STEP in STEP 6 by experiment or simulation. The correction value x is added to determine the internal temperature Tse (Tse = Twin + x) of the fuel cell stack 1.

そして、次のSTEP7で、燃料電池スタック1の内部温度Tseが燃料電池スタック1の保証温度を越えていないときはSTEP8に進む。STEP8〜STEP11は冷媒制御手段32による処理であり、冷媒制御手段32は、STEP8で冷媒の温度Twinが0℃以下であるときはSTEP9に進み、冷媒ポンプ15を停止して冷媒通路12内の冷媒の循環を停止する。   In the next STEP 7, when the internal temperature Tse of the fuel cell stack 1 does not exceed the guaranteed temperature of the fuel cell stack 1, the process proceeds to STEP 8. STEP8 to STEP11 are processes by the refrigerant control means 32. The refrigerant control means 32 proceeds to STEP9 when the refrigerant temperature Twin is 0 ° C. or less in STEP8, stops the refrigerant pump 15, and the refrigerant in the refrigerant passage 12 is processed. Stop circulation.

そして、続くSTEP10で所定時間の経過を待って、STEP11で冷媒制御手段32は冷却ポンプ15を作動させて冷媒通路12内の冷媒の循環を再開し、STEP5に戻る。一方、STEP8で冷媒の温度Twinが0℃を越えたときは、STEP40に分岐して「通常電流出力制御」が実行される。   Then, in STEP 10, the passage of a predetermined time is waited, and in STEP 11, the refrigerant control means 32 activates the cooling pump 15 to restart the circulation of the refrigerant in the refrigerant passage 12, and the process returns to STEP 5. On the other hand, when the refrigerant temperature Twin exceeds 0 ° C. in STEP 8, the process branches to STEP 40 and “normal current output control” is executed.

これにより、STEP5〜STEP11の処理が、STEP8で冷媒の温度Twinが0℃を越えるまで繰り返し実行されて、冷媒通路12内に冷媒を循環させる「冷却実行サイクル」と冷媒通路内の冷媒の循環を停止する「冷却停止サイクル」とを、交互に繰り返し実行する「冷媒間欠循環処理」が実行される。   Thereby, the processing of STEP5 to STEP11 is repeatedly executed until the temperature Twin of the refrigerant exceeds 0 ° C. in STEP8, and the “cooling execution cycle” for circulating the refrigerant in the refrigerant passage 12 and the circulation of the refrigerant in the refrigerant passage are performed. A “refrigerant intermittent circulation process” is executed in which a “cooling stop cycle” to be stopped is repeatedly executed alternately.

図3は、STEP5〜STEP11の処理が繰り返されたときの冷媒の温度Twinの推移を示したグラフであり、縦軸が冷媒温度Twinに設定され、横軸が時間軸tに設定されている。そして、t10,t12,t14が図2のSTEP11で冷媒通路12内の冷媒の循環を開始した時点であり、t11,t13,t15が図2のSTEP9で冷媒通路12内の冷媒の循環を停止した時点である。また、Tcoは燃料電池スタック1の保証温度である。 FIG. 3 is a graph showing the transition of the refrigerant temperature Twin when the processing of STEP5 to STEP11 is repeated. The vertical axis is set to the refrigerant temperature Twin, and the horizontal axis is set to the time axis t. Then, t 10 , t 12 , and t 14 are times when the refrigerant circulation in the refrigerant passage 12 is started in STEP 11 of FIG. 2, and t 11 , t 13 , and t 15 are in the refrigerant passage 12 in STEP 9 of FIG. This is the point in time when the circulation of the refrigerant is stopped. Tco is a guaranteed temperature of the fuel cell stack 1.

「冷却停止サイクル」であるβ1(t11〜t12),β2(t13〜t14)においては、冷媒通路12内の冷媒の循環が停止して燃料電池スタック1内における冷媒の吸熱量が減少するため、発電に伴う発熱による燃料電池スタック1の加熱が促進される。そして、これにより、燃料電池セルの膜電極構造体41付近で生成水の凍結が生じ、燃料電池スタック1の発電能力の低下等が生じることを防止することができる。 In β 1 (t 11 to t 12 ) and β 2 (t 13 to t 14 ), which are “cooling stop cycles”, the circulation of the refrigerant in the refrigerant passage 12 stops and the refrigerant is absorbed in the fuel cell stack 1. Since the amount of heat decreases, heating of the fuel cell stack 1 due to heat generated by power generation is promoted. As a result, it is possible to prevent the generated water from being frozen near the membrane electrode structure 41 of the fuel cell and causing the power generation capacity of the fuel cell stack 1 to be reduced.

また、「冷却実行サイクル」であるα1(t10〜t11),α2(t12〜t13),α3(t14〜t15)においては、冷媒の温度Twinは燃料電池スタック1の内部温度に応じて変化するため、図2のSTEP5,STEP6で、スタック内部温度把握手段33は、Twinに基づいて燃料電池スタック1の内部温度Tseを推定することができる。 In addition, in α 1 (t 10 to t 11 ), α 2 (t 12 to t 13 ), and α 3 (t 14 to t 15 ) which are “cooling execution cycles”, the temperature of the refrigerant Twin is the fuel cell stack 1. 2, the stack internal temperature grasping means 33 can estimate the internal temperature Tse of the fuel cell stack 1 based on Twin.

そして、図2のSTEP7で燃料電池スタック1の内部温度Tseが燃料電池スタック1の保証温度を超えたときは、STEP30に分岐する。このとき、STEP11の処理により冷媒通路12内には冷媒が循環した状態であるので、「冷媒間欠循環処理」の実行が中止されて冷媒が連続的に循環する状態となり、これにより冷媒による燃料電池スタック1の内部の冷却が促進される。また、STEP30で、発電禁止手段35が燃料電池スタック1からの電流の出力を停止し、これにより発電に伴う発熱もなくなるため、燃料電池1内の温度を速やかに低下させることができる。   When the internal temperature Tse of the fuel cell stack 1 exceeds the guaranteed temperature of the fuel cell stack 1 in STEP 7 of FIG. 2, the process branches to STEP 30. At this time, because the refrigerant is circulated in the refrigerant passage 12 by the processing of STEP 11, the execution of the “refrigerant intermittent circulation process” is stopped and the refrigerant continuously circulates. Cooling of the inside of the stack 1 is promoted. In STEP 30, the power generation prohibiting unit 35 stops outputting the current from the fuel cell stack 1, thereby eliminating the heat generated by the power generation, so that the temperature in the fuel cell 1 can be quickly reduced.

そして、続くSTEP31で所定時間の経過を待ってSTEP32に進み、冷媒入口温度センサ18により冷媒の温度Twinを測定して、STEP8に進む。なお、STEP31における所定時間は、燃料電池スタック1の発電を停止して冷媒通路12内に冷媒を循環させたときに、燃料電池スタック1の内部温度がスタック保証温度以下まで下がるために必要な時間を想定して決定される。   Then, in the subsequent STEP 31, the process proceeds to STEP 32 after the elapse of a predetermined time, and the refrigerant temperature Twin is measured by the refrigerant inlet temperature sensor 18 and then proceeds to STEP 8. The predetermined time in STEP 31 is the time required for the internal temperature of the fuel cell stack 1 to fall below the guaranteed stack temperature when the power generation of the fuel cell stack 1 is stopped and the refrigerant is circulated in the refrigerant passage 12. Determined.

なお、本実施の形態では、本発明の冷媒温度検出手段として冷媒入口温度センサ18を用いて、冷媒通路12内の冷媒の温度を冷媒入口温度センサ18の検出温度Twinにより測定したが、冷媒出口温度センサ19を用いて、冷媒通路12内の冷媒の温度を冷媒出口温度センサ19の検出温度Twoutにより測定するようにしてもよい。   In the present embodiment, the refrigerant inlet temperature sensor 18 is used as the refrigerant temperature detecting means of the present invention, and the temperature of the refrigerant in the refrigerant passage 12 is measured by the detected temperature Twin of the refrigerant inlet temperature sensor 18, but the refrigerant outlet The temperature sensor 19 may be used to measure the temperature of the refrigerant in the refrigerant passage 12 based on the detected temperature Twout of the refrigerant outlet temperature sensor 19.

また、本実施の形態では、図2のSTEP7で燃料電池スタック1の内部温度Tseが燃料電池スタック1の保証温度を超えたときに、STEP30に分岐して燃料電池スタック1の電流出力を停止したが、燃料電池スタック1の電流出力を継続する場合であっても、本発明の効果を得ることができる。   Further, in this embodiment, when the internal temperature Tse of the fuel cell stack 1 exceeds the guaranteed temperature of the fuel cell stack 1 in STEP 7 of FIG. 2, the process branches to STEP 30 and the current output of the fuel cell stack 1 is stopped. However, even if the current output of the fuel cell stack 1 is continued, the effect of the present invention can be obtained.

また、図1のSTEP7で燃料電池スタック1の内部温度Tseが燃料電池スタック1の保証温度を超えたときに、異常報知を行うようにしてもよい。   Further, abnormality notification may be performed when the internal temperature Tse of the fuel cell stack 1 exceeds the guaranteed temperature of the fuel cell stack 1 in STEP 7 of FIG.

燃料電池システムの全体構成図。1 is an overall configuration diagram of a fuel cell system. 燃料電池スタックの起動時の制御フローチャート。The control flowchart at the time of starting of a fuel cell stack. 燃料電池スタックの起動時に冷媒を間欠的に循環させたときの冷媒温度の推移を示したグラフ。The graph which showed transition of refrigerant temperature when refrigerant is circulated intermittently at the time of starting of a fuel cell stack. 燃料電池セルの構造図。The structure diagram of a fuel cell.

符号の説明Explanation of symbols

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…冷却制御手段、33…スタック内部温度把握手段、34…スタック内部温度監視手段、35…発電禁止手段   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 ... Cooling control means, 33 ... Stack internal temperature grasping means, 34 ... Stack internal temperature monitoring means, 35 ... Power generation prohibiting means

Claims (4)

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内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して、該冷媒通路内に冷媒を循環させる冷媒循環手段とを備えた燃料電池システムであって、
前記冷媒通路中の冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段と、
該冷媒温度検出手段の検出温度が0°C以下である状態で前記燃料電池スタックが起動されたときに、前記冷媒循環手段により前記冷媒通路内に冷媒を循環させる冷却実行サイクルと、前記冷媒循環手段による前記冷媒通路内の冷媒の循環を停止する冷却停止サイクルとを、交互に繰り返す冷媒間欠循環処理を実行する冷却制御手段と、
前記冷却実行サイクルにおける前記冷媒温度検出手段の検出温度に基づいて、前記燃料電池スタックの内部温度を把握するスタック内部温度把握手段と、
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、前記燃料電池スタックの保証温度を超えているか否かを監視するスタック内部温度監視手段とを備え、
前記冷却制御手段は、前記スタック内部温度監視手段により、前記燃料電池スタックの内部温度が前記燃料電池スタックの保証温度を超えていることが検知されたときに、前記冷媒間欠循環処理の実行を中止して、前記冷媒循環手段により前記冷媒通路内に冷媒を連続的に循環させ、
前記スタック内部温度把握手段により把握されたスタック内部温度が前記燃料電池スタックの保証温度以下であり、かつ、前記冷媒温度検出手段により検出された冷媒温度が0°C以下である場合には、冷媒間欠循環処理を継続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 refrigerant is supplied from an inlet of a refrigerant passage provided in the fuel cell stack and a refrigerant is recovered from an outlet of the refrigerant passage. A fuel cell system comprising a refrigerant circulation means for circulating the refrigerant in the refrigerant passage,
Refrigerant temperature detecting means for detecting the temperature of the refrigerant in the refrigerant passage;
A cooling execution cycle in which the refrigerant circulating means circulates the refrigerant in the refrigerant passage when the fuel cell stack is activated in a state where the temperature detected by the refrigerant temperature detecting means is 0 ° C. or less; and the refrigerant circulation A cooling control means for performing intermittent refrigerant circulation processing that alternately repeats a cooling stop cycle for stopping circulation of the refrigerant in the refrigerant passage by means;
Stack internal temperature grasping means for grasping the internal temperature of the fuel cell stack based on the detected temperature of the refrigerant temperature detecting means in the cooling execution cycle;
Stack internal temperature monitoring means for monitoring whether or not the internal temperature of the fuel cell stack ascertained by the stack internal temperature grasping means exceeds a guaranteed temperature of the fuel cell stack,
When the internal temperature of the fuel cell stack is detected by the stack internal temperature monitoring unit to exceed the guaranteed temperature of the fuel cell stack, the cooling control unit stops the intermittent refrigerant circulation process. Then, the refrigerant is continuously circulated in the refrigerant passage by the refrigerant circulation means ,
When the stack internal temperature ascertained by the stack internal temperature grasping means is lower than the guaranteed temperature of the fuel cell stack and the refrigerant temperature detected by the refrigerant temperature detecting means is 0 ° C. or lower, fuel cell system, characterized that you continue intermittent circulation process.
前記冷媒間欠循環処理の実行が中止されて、前記冷媒循環手段による前記冷媒通路内への冷媒の連続的な循環が開始されたときに、前記燃料電池スタックの発電を停止する発電禁止手段を備えことを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。 Power generation prohibiting means for stopping power generation of the fuel cell stack when execution of the intermittent refrigerant circulation process is stopped and continuous circulation of the refrigerant into the refrigerant passage by the refrigerant circulation means is started. the fuel cell system of claim 1, wherein the a. 前記発電禁止手段による発電が禁止されてから前記燃料電池スタックの内部温度がスタック保証温度以下までに下がるのに必要な時間として予め定められた所定時間が経過した後、前記冷媒温度検出手段により冷媒温度を検出し、該冷媒温度が0°C以下の場合には、再び冷媒間欠循環処理を実行することを特徴とする請求項2記載の燃料電池システム。After a predetermined time has elapsed as a time required for the internal temperature of the fuel cell stack to fall below the stack guarantee temperature after the power generation by the power generation prohibiting means is prohibited, the refrigerant temperature detecting means The fuel cell system according to claim 2, wherein the temperature is detected, and when the refrigerant temperature is 0 ° C. or lower, the refrigerant intermittent circulation process is executed again. 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内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して、該冷媒通路内に冷媒を循環させる冷媒循環手段とを備えた燃料電池システムの制御方法であって、
前記冷媒通路中の冷媒の温度が0°C以下である状態で前記燃料電池スタックが起動されたときに、前記冷媒循環手段により前記冷媒通路内に冷媒を循環させる冷却実行サイクルと、前記冷媒循環手段による前記冷媒通路内の冷媒の循環を停止する冷却停止サイクルとを、交互に繰り返す冷媒間欠循環処理を実行し、
前記冷却実行サイクルにおける前記冷媒通路内の冷媒の温度に基づいて、前記燃料電池スタックの内部温度を把握し、前記燃料電池スタックの内部温度が前記燃料電池スタックの保証温度を超えていることが検知されたときに、前記冷媒間欠循環処理の実行を中止して、前記冷媒循環手段により前記冷媒通路内に冷媒を連続的に循環させ、
前記冷媒通路内の冷媒の温度に基づいて把握されたスタック内部温度が前記燃料電池スタックの保証温度以下であり、かつ、前記冷媒通路内の冷媒の温度が0°C以下である場合には、冷媒間欠循環処理を継続することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
A fuel cell stack configured by connecting a plurality of polymer electrolyte fuel cells, and a refrigerant is supplied from an inlet of a refrigerant passage provided in the fuel cell stack and a refrigerant is recovered from an outlet of the refrigerant passage. And a control method for a fuel cell system comprising a refrigerant circulation means for circulating the refrigerant in the refrigerant passage,
A cooling execution cycle for circulating the refrigerant in the refrigerant passage by the refrigerant circulation means when the fuel cell stack is activated in a state where the temperature of the refrigerant in the refrigerant passage is 0 ° C. or less; and the refrigerant circulation A refrigerant intermittent circulation process that alternately repeats a cooling stop cycle for stopping circulation of the refrigerant in the refrigerant passage by means,
Based on the temperature of the refrigerant in the refrigerant passage in the cooling execution cycle, the internal temperature of the fuel cell stack is grasped, and it is detected that the internal temperature of the fuel cell stack exceeds the guaranteed temperature of the fuel cell stack. When this is done, the execution of the refrigerant intermittent circulation process is stopped, and the refrigerant is continuously circulated in the refrigerant passage by the refrigerant circulation means .
When the stack internal temperature obtained based on the temperature of the refrigerant in the refrigerant passage is equal to or lower than the guaranteed temperature of the fuel cell stack and the temperature of the refrigerant in the refrigerant passage is equal to or lower than 0 ° C, control method for a fuel cell system characterized that you continue refrigerant intermittent circulation process.
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