JP4982938B2

JP4982938B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP4982938B2
Application number: JP2003283729A
Authority: JP
Inventors: 正志中村; 剛一白石
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2023-07-31
Also published as: JP2005050749A

Description

本発明は燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.

従来、特許文献１及び特許文献２に燃料電池システムが開示されている。これらの燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応により起電力を生じる燃料電池と、燃料電池と接続され、電力によって駆動される負荷とを備えている。より具体的には、燃料電池は最小発電単位であるセルが多数積層されてなる。セルは、電解質膜の両面に水素極（アノード）と空気極（カソード）とが形成されたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）がセパレータで挟まれて構成される。このセルの水素極に水素が供給されると、水素が電極の触媒作用により水素イオンになり、この水素イオンは電解質膜中を空気極側に移動する。そして、水素イオンは供給された空気中の酸素と反応して水となる。この際の反応エネルギーが電気として取り出され、起電力を生じる。 Conventionally, Patent Documents 1 and 2 disclose fuel cell systems. These fuel cell system includes a fuel cell to produce an electromotive force by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, is connected to the fuel cell, and a load and driven by electric power. More specifically, the fuel cell is formed by stacking a number of cells that are the minimum power generation unit. The cell is configured by sandwiching an MEA (Membrane Electrode Assembly) in which a hydrogen electrode (anode) and an air electrode (cathode) are formed on both surfaces of an electrolyte membrane. When hydrogen is supplied to the hydrogen electrode of this cell, hydrogen is converted into hydrogen ions by the catalytic action of the electrodes, and these hydrogen ions move to the air electrode side in the electrolyte membrane. The hydrogen ions react with oxygen in the supplied air to become water. The reaction energy at this time is taken out as electricity to generate an electromotive force.

この燃料電池は、負荷等とともに燃料電池システムを構成する。負荷は、例えば燃料電池システムが電気自動車に用いられた場合、車両駆動用モータである。 The fuel cell, a fuel cell system with the load or the like. For example, when the fuel cell system is used in an electric vehicle, the load is a vehicle driving motor .

特許文献１の燃料電池システムでは、燃料電池停止時に補助電源により無加湿空気を流通させている。また、特許文献２の燃料電池システムでは、燃料電池停止時に補助電源により減圧乾燥処理を行っている。このため、これら従来の燃料電池システムでは、氷点下の状態から燃料電池を始動する場合、燃料電池に残留する水を予め除去することができ、所望の出力を得ることができると考えられる。 In the fuel cell system of Patent Document 1, unhumidified air is circulated by an auxiliary power source when the fuel cell is stopped. Moreover, in the fuel cell system of patent document 2, the decompression drying process is performed by the auxiliary power source when the fuel cell is stopped. For this reason, in these conventional fuel cell systems, when the fuel cell is started from a state below freezing point, it is considered that water remaining in the fuel cell can be removed in advance and a desired output can be obtained.

特開２００１−３３２２８１号公報JP 2001-332281 A 特開２００１−１８５１７９号公報JP 2001-185179 A

しかし、上記従来の燃料電池システムでは、極寒環境において燃料電池を始動する場合、発電に伴う生成水が凍結してしまい、出力電圧が低下し起動することができないことがあり得る。この場合の時間と燃料電池の出力電圧及び温度との関係を図８に示す。図８において、Ｇ９１が時間と燃料電池の出力電圧（１セル当りの電圧）との関係を表すグラフであり、Ｇ９２が時間と燃料電池の温度との関係を表すグラフである。また、ｔ９１が燃料電池の起動が開始された時刻であり、ｔ９２が負荷が接続されて発電が開始された時刻である。この燃料電池では、時刻ｔ９１において燃料電池の起動が開始されると、１セル当り約１Ｖの出力電圧（開回路電圧）が発生する。そして、時刻ｔ９２において負荷が接続されて発電が開始されると、水素イオンと酸素との反応は発熱反応であるため、燃料電池の温度はわずかに上昇する。しかし、発電に伴い生成水が発生し、この生成水が極寒環境下で凍結する。これにより、新たな水素イオンと酸素との反応が阻害され、急激に出力電圧が低下して発電不能になる。また、発熱反応である水素イオンと酸素との反応が維持されないため、燃料電池の温度はほとんど上昇することがない。このため、この燃料電池では、連続した反応が遮断され、燃料電池を起動することができなくなる。 However, in the conventional fuel cell system, when the fuel cell is started in an extremely cold environment, the generated water accompanying power generation is frozen, and the output voltage may be lowered and cannot be started. FIG. 8 shows the relationship between the time and the output voltage and temperature of the fuel cell in this case. In FIG. 8, G91 is a graph showing the relationship between time and the output voltage (voltage per cell) of the fuel cell, and G92 is a graph showing the relationship between time and the temperature of the fuel cell. Also, t91 is the time when the start of the fuel cell is started, and t92 is the time when the load is connected and power generation is started. In this fuel cell, when the start of the fuel cell is started at time t91, an output voltage (open circuit voltage) of about 1 V is generated per cell. When a load is connected and power generation is started at time t92, the reaction between hydrogen ions and oxygen is an exothermic reaction, and the temperature of the fuel cell slightly increases. However, generated water is generated with power generation, and the generated water is frozen in an extremely cold environment. As a result, the reaction between new hydrogen ions and oxygen is hindered, and the output voltage is drastically lowered to disable power generation. Further, since the reaction between hydrogen ions and oxygen, which is an exothermic reaction, is not maintained, the temperature of the fuel cell hardly increases. For this reason, in this fuel cell, the continuous reaction is interrupted and the fuel cell cannot be started.

本発明は、低温環境下にあっても確実に起動させることのできる燃料電池システムを提供することを解決すべき課題としている。 An object of the present invention is to provide a fuel cell system that can be reliably started even in a low temperature environment.

本発明の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応により起電力を生じる燃料電池（１００）と、該燃料電池（１００）と接続され、電力によって駆動される負荷（７５）とを備え、
該燃料電池（１００）及び該負荷（７５）は給電手段と接続され、
該給電手段は、起電力を蓄電する補助電源（７３）と、該燃料電池（１００）から該負荷（７５）への給電を行う回路を開閉可能な第１スイッチ（ＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ）と、該補助電源（７３）と該燃料電池（１００）との間で給電を行う回路を開閉可能な第２スイッチ（ＳＷ２ａ、ＳＷ２ｂ）とを有し、
該第１スイッチ（ＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ）及び該第２スイッチ（ＳＷ２ａ、ＳＷ２ｂ）は、該補助電源（７３）から該燃料電池（１００）に生成水を電気分解可能な電力を供給するか否かを切り替え可能であり、該燃料電池（１００）から該負荷（７５）に該負荷（７５）を駆動可能な電力を供給するか否かを切り替え可能であり、かつ、該補助電源（７３）から該燃料電池（１００）への給電を行っている間、該補助電源（７３）から該負荷（７５）への給電を行う該制御手段（１１０）に接続されていることを特徴とする。 The fuel cell system of the present invention includes a fuel cell (100) that generates an electromotive force by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and a load (75) connected to the fuel cell (100) and driven by electric power. ,
The fuel cell (100) and the load (75) are connected to power supply means,
The power supply means includes an auxiliary power source (73) that stores electromotive force, a first switch (SW1a, SW1b) that can open and close a circuit that supplies power from the fuel cell (100) to the load (75) , A second switch (SW2a, SW2b) capable of opening and closing a circuit for supplying power between the auxiliary power source (73) and the fuel cell (100) ;
Whether the first switch (SW1a, SW1b) and the second switch (SW2a, SW2b) supply electric power capable of electrolyzing the generated water from the auxiliary power source (73) to the fuel cell (100). It is possible to switch whether to supply power that can drive the load (75) from the fuel cell (100) to the load (75), and from the auxiliary power source (73) While supplying power to the fuel cell (100), the auxiliary power source (73 ) is connected to the control means (110) that supplies power to the load (75).

本発明の燃料電池システムでは、生成水を電気分解可能な電力を燃料電池に供給可能な給電手段が備えられているため、発電に伴う生成水を電気分解によりガス化して除去することができる。このため、新たな水素イオンと酸素との反応が可能となる。こうして、水素イオンと酸素との反応による発熱により、生成水が凍結することのない温度にまで燃料電池の温度が上昇し、生成水が除去されるため連続した反応が維持される。また、給電手段は、燃料電池から負荷への給電を行う回路を開閉可能な第１スイッチと、補助電源から燃料電池への給電を行う回路を開閉可能な第２スイッチと、第１スイッチ及び第２スイッチを切り替える制御手段とを有する。これにより、燃料電池から負荷への給電と補助電源から燃料電池への給電とを容易に切り替えることができる。さらに、制御手段によりスイッチを切り替えることができるため、制御が容易となる。 In the fuel cell system of the present invention, since the power supply means capable of supplying the fuel cell with electric power that can electrolyze the produced water is provided, the produced water accompanying power generation can be gasified and removed by electrolysis. For this reason, a reaction between new hydrogen ions and oxygen becomes possible. Thus, the heat generated by the reaction between hydrogen ions and oxygen raises the temperature of the fuel cell to a temperature at which the produced water does not freeze, and the produced water is removed, so that a continuous reaction is maintained. The power supply means includes a first switch capable of opening and closing a circuit for supplying power from the fuel cell to the load, a second switch capable of opening and closing a circuit for supplying power from the auxiliary power source to the fuel cell, a first switch, Control means for switching between two switches. Thereby, it is possible to easily switch between power feeding from the fuel cell to the load and power feeding from the auxiliary power source to the fuel cell. Further, since the switch can be switched by the control means, the control becomes easy.

したがって、本発明の燃料電池システムによれば、低温環境下にあっても確実に起動させることが可能である。 Therefore, according to the fuel cell system of the present invention, it can be reliably started even in a low temperature environment.

前記給電手段は前記補助電源が前記燃料電池へ印加する電圧を昇圧する変圧回路を有することが好ましい。これにより、生成水を確実に電気分解することができる。 It is preferable that the power supply unit includes a transformer circuit that boosts a voltage applied by the auxiliary power source to the fuel cell. Thereby, produced water can be electrolyzed reliably.

前記制御手段は、前記燃料電池から前記負荷への給電と該補助電源から該燃料電池への給電とを交互に行うように前記第１スイッチ及び第２スイッチを切り替えることが好ましい。これにより、発電により生成水がある程度生成された後、その生成水が電気分解されるという過程が連続して行われ、生成水が凍結することのない温度にまで燃料電池の温度を上昇させることができる。この際、前記燃料電池の温度を検知可能な温度センサを備え、該温度センサの出力信号に基づいて該燃料電池の温度が所定温度以下となった場合、前記制御手段が前記補助電源から該燃料電池への給電を行うように前記第１スイッチ及び第２スイッチを切り替えることができる。また、前記燃料電池の起電力を検知可能な電力センサを備え、該電力センサの出力信号に基づいて該燃料電池の能力が所定値以下となった場合、前記制御手段が前記補助電源から該燃料電池への給電を行うように前記第１スイッチ及び第２スイッチを切り替えることもできる。 It is preferable that the control means switches the first switch and the second switch so that power supply from the fuel cell to the load and power supply from the auxiliary power source to the fuel cell are alternately performed. As a result, after the generated water is generated to some extent by power generation, the process of electrolyzing the generated water is continuously performed, and the temperature of the fuel cell is raised to a temperature at which the generated water does not freeze. Can do. At this time, a temperature sensor capable of detecting the temperature of the fuel cell is provided, and when the temperature of the fuel cell becomes equal to or lower than a predetermined temperature based on an output signal of the temperature sensor, the control means receives the fuel from the auxiliary power source. The first switch and the second switch can be switched to supply power to the battery. And a power sensor capable of detecting an electromotive force of the fuel cell, and when the capacity of the fuel cell becomes equal to or less than a predetermined value based on an output signal of the power sensor, the control means receives the fuel from the auxiliary power source. The first switch and the second switch can be switched so as to supply power to the battery.

前記燃料電池に供給される電力量は、前記燃料電池が生じた生成水を電気分解可能な値以上であることが好ましい。これにより、生成水を電気分解により確実に除去できるからである。 It is preferable that the amount of electric power supplied to the fuel cell is not less than a value capable of electrolyzing generated water generated by the fuel cell. This is because the generated water can be reliably removed by electrolysis.

前記燃料電池に水を供給可能な給水手段を備え、該給水手段は該燃料電池に電力を供給している間は該燃料電池への水の供給を行わないことが好ましい。給水手段は燃料電池の空気極の乾燥を防止するために必要である。しかし、始動時においては、燃料電池内への水の蓄積を防止する必要があることから、給水手段は燃料電池への水の供給を行わないことが望ましい。 Preferably, the fuel cell is provided with water supply means capable of supplying water, and the water supply means does not supply water to the fuel cell while supplying power to the fuel cell. The water supply means is necessary to prevent the air electrode of the fuel cell from being dried. However, since it is necessary to prevent accumulation of water in the fuel cell at the time of starting, it is desirable that the water supply means does not supply water to the fuel cell.

以下、本発明の燃料電池システムを具体化した実施形態を図面を参照しつつ説明する。本実施形態の燃料電池システムでは、図１に示す燃料電池スタック１００が用いられる。この燃料電池スタック１００は、２枚のエンドプレート２２０ａ、２２０ｂ間に図示しない集電板及び絶縁板を介して積層体２１０が挟持されたものである。積層体２１０は、図２に示すように、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）２１１をセパレータ２１２で挟みながら順次積層したものである。ＭＥＡ２１１は、イオン交換樹脂（「Nafion」（登録商標）デュポン（株）製）からなる電解質膜２１１ａと、この電界質膜２１１ａの一面に一体に形成されたカーボンからなる水素極（アノード）２１１ｂと、電界質膜２１１ａの他面に一体に形成されたカーボンからなる空気極（カソード）２１１ｃとからなる。水素極２１１ｂ及び空気極２１１ｃは電解質膜２１１ａと一体の反応層を有し、各反応層には触媒としての白金が担持されている。全ての水素極２１１ｂは一方の集電板に電気的に接続され、全ての空気極２１１ｃは他方の集電板に電気的に接続されており、図１に示すように、両集電板の各端子２０１ａ、２０１ｂは燃料電池スタック１００から突出されている。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, an embodiment embodying a fuel cell system of the present invention will be described with reference to the drawings. In the fuel cell system of this embodiment, the fuel cell stack 100 shown in FIG. 1 is used. In the fuel cell stack 100, a laminated body 210 is sandwiched between two end plates 220a and 220b via current collector plates and insulating plates (not shown). As shown in FIG. 2, the laminated body 210 is formed by sequentially laminating MEA (Membrane Electrode Assembly) 211 while being sandwiched between separators 212. The MEA 211 includes an electrolyte membrane 211a made of an ion exchange resin (“Nafion” (registered trademark) manufactured by DuPont), and a hydrogen electrode (anode) 211b made of carbon integrally formed on one surface of the electrolyte membrane 211a. And an air electrode (cathode) 211c made of carbon formed integrally with the other surface of the electrolyte membrane 211a. The hydrogen electrode 211b and the air electrode 211c have reaction layers integrated with the electrolyte membrane 211a, and platinum as a catalyst is supported on each reaction layer. All the hydrogen electrodes 211b are electrically connected to one of the current collector plates, and all of the air electrodes 211c are electrically connected to the other current collector plate. Each terminal 201a, 201b protrudes from the fuel cell stack 100.

図２に示すように、各セパレータ２１２の水素極２１１ｂ側には燃料室２１２ａが形成されており、燃料室２１２ａによって燃料ガスが水素極２１１ｂに供給されるようになっている。他方、各セパレータ２１２の空気極２１１ｃ側には空気室２１２ｂが形成されており、空気室２１２ｂによって空気が空気極２１１ｃに供給されるようになっている。燃料室２１２ａは水平方向に開口されており、空気室２１２ｂは燃料室２１２ａと直交する方向である垂直方向に開口されている。なお、積層体２１０の両端のセパレータ２１２には燃料室２１２ａ又は空気室２１２ｂだけが形成されている。こうして、一枚のＭＥＡ２１１と一対のセパレータ２１２とによって個々の燃料電池であるセル２１０ａが構成されている。各セル２１０ａの全ての燃料室２１２ａは、図１に示すように、一方のエンドプレート２２０ａに形成された燃料ガス導入口２２１及び他方のエンドプレート２２０ｂに形成された図示しない燃料ガス導出口に連通している。燃料ガス導入口２２１及び燃料ガス導出口は燃料供給手段の一部である。また、各セル２１０ａの全ての空気室２１２ｂは上下に連通している。 As shown in FIG. 2, a fuel chamber 212a is formed on the side of the hydrogen electrode 211b of each separator 212, and fuel gas is supplied to the hydrogen electrode 211b by the fuel chamber 212a. On the other hand, an air chamber 212b is formed on the air electrode 211c side of each separator 212, and air is supplied to the air electrode 211c by the air chamber 212b. The fuel chamber 212a is opened in the horizontal direction, and the air chamber 212b is opened in the vertical direction, which is a direction orthogonal to the fuel chamber 212a. In addition, only the fuel chamber 212a or the air chamber 212b is formed in the separator 212 at both ends of the laminate 210. Thus, the single fuel cell 210a is configured by the single MEA 211 and the pair of separators 212. As shown in FIG. 1, all the fuel chambers 212a of each cell 210a communicate with a fuel gas inlet 221 formed in one end plate 220a and a fuel gas outlet not shown formed in the other end plate 220b. is doing. The fuel gas inlet 221 and the fuel gas outlet are part of the fuel supply means. Further, all the air chambers 212b of each cell 210a communicate with each other in the vertical direction.

この燃料電池スタック１００では、代表セル２１０ａの空気極２１１ｃの面内の温度を測定可能な温度センサ１０１が取付けられている。 In this fuel cell stack 100, a temperature sensor 101 capable of measuring the temperature in the plane of the air electrode 211c of the representative cell 210a is attached.

そして、この燃料電池スタック１００を図３に示すように構成し、燃料電池システムを組付ける。この燃料電池システムは、電気自動車等に搭載されるものであり、ＥＣＵ（燃料電池システム制御装置）１１０、燃料電池スタック１００、水素供給系３０、空気供給系１０、冷却系５０及び電源・負荷系７０により構成される。 Then, the fuel cell stack 100 is configured as shown in FIG. 3, and the fuel cell system is assembled. This fuel cell system is mounted on an electric vehicle or the like, and includes an ECU (fuel cell system control device) 110, a fuel cell stack 100, a hydrogen supply system 30, an air supply system 10, a cooling system 50, and a power / load system. 70.

ＥＣＵ１１０は、燃料電池スタック１００、空気供給系１０、水素供給系３０、冷却系５０及び電源・負荷系７０の電子部品に電気的に接続され、燃料電池システム全体が最適に動作するよう各電子部品を制御する。なお、ＥＣＵ１１０と各電子部品との接続は省略する。このＥＣＵ１１０が制御手段である。また、燃料電池スタック１００は、水素と酸素との電気化学反応により起電力を生じ、バッテリ７３とともに駆動モータ７５の電源を構成している。 The ECU 110 is electrically connected to the electronic components of the fuel cell stack 100, the air supply system 10, the hydrogen supply system 30, the cooling system 50, and the power source / load system 70 so that each electronic component operates optimally. To control. The connection between ECU 110 and each electronic component is omitted. This ECU 110 is a control means. The fuel cell stack 100 generates an electromotive force by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and constitutes a power source for the drive motor 75 together with the battery 73.

空気供給系１０は、燃料電池スタック１００に接続され、酸化剤として酸素を含有する空気を燃料電池スタック１００に供給する空気供給路１と、燃料電池スタック１００に接続され、燃料電池スタック１００より排出された空気を外気に排出する空気排出路１１とを有している。空気供給路１には、外気から粉塵などの不純物を除去するフィルタ２、外気温を検出する外気温度センサ３、空気の供給量を調整する空気供給ポンプ４、空気極２１１ｃの湿潤を保つために空気を加湿する加湿器５、空気入口温度センサ７の検出値に基づいて空気を加熱するヒータ６、空気入口温度センサ７及び圧力センサ２５が配設されている。空気排出路１１には、燃料電池スタック１００の代表セル２１０ａの温度を測るための空気出口温度センサ８、空気出口圧力を測るための圧力センサ２６、空気圧力を調節するための空気圧力調節バルブ２７、空気流によって電極から持ち去った水を回収する凝縮器９、外気から不純物が逆流して燃料電池スタック１００に進入するのを防止するフィルタ１０ａが配設されている。また、加湿器５には、加湿水供給路１２を介して加湿水タンク１６が接続されている。加湿水供給路１２には、不純物を除去するフィルタ１５、加湿水を加湿器５に送り出す加湿水ポンプ１４及び加湿水を供給又は遮断する加湿水供給電磁弁１３が配設されている。さらに、凝縮器９には、水回収路２１を介して加湿水タンク１６が接続されている。水回収路２１には、凝縮器９で回収された水を加湿水タンク１６に送り込む凝縮水回収ポンプ２０及び不純物を濾過するフィルタ１９が配設されている。また、加湿水タンク１６には、加湿水温度センサ２２、加湿水水位センサ２３及びヒータ１７が設けられ、加湿水の温度や水位を検出している。検出された加湿水の温度が氷点下であり、加湿水が凍結している場合、加湿水タンク１６内に埋設されたヒータ１７により、凍結した加湿水を加熱・解凍することができる。また、検出された水位により、凝縮器９による水回収量を調節して、加湿水タンク１６の加湿水貯蔵量を調節することができる。これらのうち、加湿水供給路１２、加湿水供給電磁弁１３、加湿水ポンプ１４、フィルタ１５、加湿水タンク１６が給水手段である。 The air supply system 10 is connected to the fuel cell stack 100, connected to the fuel cell stack 100, and supplied to the fuel cell stack 100 with air containing oxygen as an oxidant, and discharged from the fuel cell stack 100. And an air discharge path 11 for discharging the generated air to the outside air. In the air supply path 1, a filter 2 for removing impurities such as dust from the outside air, an outside air temperature sensor 3 for detecting the outside air temperature, an air supply pump 4 for adjusting the air supply amount, and the air electrode 211c are kept wet. A humidifier 5 that humidifies the air, a heater 6 that heats the air based on the detection value of the air inlet temperature sensor 7, an air inlet temperature sensor 7, and a pressure sensor 25 are provided. In the air discharge path 11, an air outlet temperature sensor 8 for measuring the temperature of the representative cell 210 a of the fuel cell stack 100 , a pressure sensor 26 for measuring the air outlet pressure, and an air pressure adjusting valve 27 for adjusting the air pressure. A condenser 9 that collects water taken away from the electrodes by an air flow, and a filter 10 a that prevents impurities from flowing back from outside air and entering the fuel cell stack 100 are disposed. The humidifier 5 is connected to a humidified water tank 16 via a humidified water supply path 12. The humidified water supply path 12 is provided with a filter 15 for removing impurities, a humidified water pump 14 for sending the humidified water to the humidifier 5, and a humidified water supply electromagnetic valve 13 for supplying or blocking the humidified water. Further, a humidified water tank 16 is connected to the condenser 9 via a water recovery path 21. The water recovery path 21 is provided with a condensed water recovery pump 20 that sends water recovered by the condenser 9 to the humidified water tank 16 and a filter 19 that filters impurities. The humidified water tank 16 is provided with a humidified water temperature sensor 22, a humidified water level sensor 23, and a heater 17, and detects the temperature and water level of the humidified water. When the detected temperature of the humidified water is below freezing and the humidified water is frozen, the frozen humidified water can be heated and thawed by the heater 17 embedded in the humidified water tank 16 . Further, the amount of water collected by the condenser 9 can be adjusted according to the detected water level, and the amount of humidified water stored in the humidified water tank 16 can be adjusted. Among these, the humidification water supply path 12, the humidification water supply electromagnetic valve 13, the humidification water pump 14, the filter 15, and the humidification water tank 16 are water supply means.

水素供給系３０は、燃料電池スタック１００と水素供給源としての水素貯蔵タンク３２とに接続され、水素を燃料電池スタック１００内に供給する水素供給路３１と、燃料電池スタック１００に接続され、燃料電池スタック１００から排出された水素を外気に放出する水素排出路４１とを有している。水素供給路３１には、外部の水素源から水素を水素貯蔵タンク３２に充填するための水素充填口３３、水素貯蔵タンク３２内の水素圧力を測るための水素１次圧センサ３４、燃料電池スタック１００に供給する水素の量を調節するための水素調圧弁３５、水素を供給又は遮断する水素供給電磁弁３６及び燃料電池スタック１００にかかる水素圧力を測定する水素２次圧センサ３７が配設されている。水素排出路４１には、排出された水素の逆流を防止する逆止弁４２及び水素の排出を調節する水素排気電磁弁４３が配設されている。なお、水素貯蔵タンク３２は高圧タンクであっても水素吸蔵合金タンクであってもよい。 The hydrogen supply system 30 is connected to the fuel cell stack 100 and a hydrogen storage tank 32 as a hydrogen supply source. The hydrogen supply system 30 is connected to the hydrogen supply path 31 for supplying hydrogen into the fuel cell stack 100 and the fuel cell stack 100. And a hydrogen discharge passage 41 that discharges hydrogen discharged from the battery stack 100 to the outside air. The hydrogen supply path 31 includes a hydrogen filling port 33 for filling the hydrogen storage tank 32 with hydrogen from an external hydrogen source, a hydrogen primary pressure sensor 34 for measuring the hydrogen pressure in the hydrogen storage tank 32, and a fuel cell stack. A hydrogen pressure regulating valve 35 for adjusting the amount of hydrogen supplied to 100, a hydrogen supply electromagnetic valve 36 for supplying or shutting off hydrogen, and a hydrogen secondary pressure sensor 37 for measuring the hydrogen pressure applied to the fuel cell stack 100 are provided. ing. The hydrogen discharge path 41 is provided with a check valve 42 for preventing the backflow of discharged hydrogen and a hydrogen exhaust electromagnetic valve 43 for adjusting the discharge of hydrogen. The hydrogen storage tank 32 may be a high-pressure tank or a hydrogen storage alloy tank.

冷却系５０は、燃料電池スタック１００とラジエータ５４とに接続され、燃料電池スタック１００が発電に伴う発熱によって高温になりすぎるのを防止し、燃料電池スタック１００を適度な運転温度に調節する冷却水循環路５７と、ラジエータ５４と並列に設けられたバイパス路５８とを有している。冷却水循環路５７には、冷却水を燃料電池スタック１００に送り込む冷却水循環ポンプ５１、メイン切り替えバルブ５２、冷却水の温度を検出する冷却水入口温度センサ５５、冷却水出口温度センサ５６が配設されている。バイパス路５８には、バイパス切り替えバルブ５３が配設されている。これらメイン切り替えバルブ５２及びバイパス切り替えバルブ５３を切り替えることにより、ラジエータ５４に冷却水を通過させたり、通過させなかったりすることができる。また、冷却系５０は、燃料電池スタック１００の発熱が小さい場合や、始動時において燃料電池スタック１００が冷えている場合、燃料電池スタック１００を暖める目的にも用いられる。その場合、冷却水循環路５７に配設された図示しないヒータによって冷却水温度を高くして供給することもできる。すなわち、この冷却系５０では、冷却水入口温度センサ５５及び冷却水出口温度センサ５６の検出値に基づいて、冷却水循環量、循環経路の切り替え、冷却量、加熱量を調節することができる。 The cooling system 50 is connected to the fuel cell stack 100 and the radiator 54, prevents the fuel cell stack 100 from becoming too high due to heat generated by power generation, and adjusts the fuel cell stack 100 to an appropriate operating temperature. A path 57 and a bypass path 58 provided in parallel with the radiator 54 are provided. The cooling water circulation path 57 is provided with a cooling water circulation pump 51 that sends the cooling water to the fuel cell stack 100, a main switching valve 52, a cooling water inlet temperature sensor 55 that detects the temperature of the cooling water, and a cooling water outlet temperature sensor 56. ing. A bypass switching valve 53 is disposed in the bypass path 58. By switching between the main switching valve 52 and the bypass switching valve 53, it is possible to pass the cooling water through the radiator 54 or not. The cooling system 50 is also used for the purpose of warming the fuel cell stack 100 when the heat generation of the fuel cell stack 100 is small or when the fuel cell stack 100 is cold at the start. In that case, it is also possible to supply by raising the coolant temperature by a heater (not shown) disposed in the coolant circulation path 5 7. That is, in the cooling system 50, the cooling water circulation amount, the switching of the circulation path, the cooling amount, and the heating amount can be adjusted based on the detection values of the cooling water inlet temperature sensor 55 and the cooling water outlet temperature sensor 56.

電源・負荷系７０は、バッテリ７３、インバータ７４、車両駆動用モータ７５、出力制御回路７７、整流器８４、スイッチＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ、ＳＷ２ａ、ＳＷ２ｂ等を有している。電源・負荷系７０は、二系統の回路で構成されている。一つの回路は、燃料電池スタック１００の端子２０１ａ、２０１ｂが、電流の逆流を防止する整流器８４、回路を開閉可能なスイッチＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ、直流電流を交流電流に変換するインバータ７４を介して、車両を駆動するモータ７５と接続されるものである。この回路には、インバータ７４とバッテリ７３とが出力制御回路７７を介して接続されている。また、別の回路は、燃料電池スタック１００の端子２０１ａ、２０１ｂが、スイッチＳＷ２ａ、ＳＷ２ｂ、昇圧回路８０を介して、バッテリ７３に接続されるものである。そして、燃料電池スタック１００には、電圧センサ７８及び電流センサ７９が接続されている。ここで、スイッチＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂが閉じ、スイッチＳＷ２ａ、ＳＷ２ｂが開いている場合、燃料電池スタック１００からモータ７５に電力が供給される。この際、バッテリ７３は、車両減速時に回生電力を貯蔵したり、加速時や高負荷時に電力を供給して、燃料電池システムを効率良く運転できるようにしている。また、スイッチＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂが開き、スイッチＳＷ２ａ、ＳＷ２ｂが閉じている場合、バッテリ７３からモータ７５に電力が供給されるとともに、燃料電池スタック１００の端子２０１ａ、２０１ｂに高電圧が印加される。これにより、燃料電池スタック１００内に余剰水が蓄積した場合や、寒冷地で凍結の心配がある場合などに、電気分解により水を除去（水素と酸素に分解）することができる。ここで、モータ７５が負荷であり、バッテリ７３が補助電源である。また、バッテリ７３、昇圧回路８０、スイッチＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ、ＳＷ２ａ、ＳＷ２ｂが給電手段であり、昇圧回路８０が変圧回路である。なお、本実施形態において、補助電源としてバッテリ７３を用いたが、これ以外にキヤパシタなどの蓄電装置を用いることもできる。また、スイッチＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ、ＳＷ２ａ、ＳＷ２ｂはリレーの接点で実現することができる。 The power supply / load system 70 includes a battery 73, an inverter 74, a vehicle drive motor 75, an output control circuit 77, a rectifier 84, switches SW1a, SW1b, SW2a, SW2b, and the like. The power supply / load system 70 includes two circuits. In one circuit, the terminals 201a and 201b of the fuel cell stack 100 are connected to a vehicle via a rectifier 84 that prevents backflow of current, switches SW1a and SW1b that can open and close the circuit, and an inverter 74 that converts direct current to alternating current. Is connected to a motor 75 for driving the motor. In this circuit, an inverter 74 and a battery 73 are connected via an output control circuit 77. In another circuit, the terminals 201a and 201b of the fuel cell stack 100 are connected to the battery 73 via the switches SW2a and SW2b and the booster circuit 80. A voltage sensor 78 and a current sensor 79 are connected to the fuel cell stack 100. Here, when the switches SW1a and SW1b are closed and the switches SW2a and SW2b are open, power is supplied from the fuel cell stack 100 to the motor 75. At this time, the battery 73 stores the regenerative electric power when the vehicle is decelerated, or supplies electric power during acceleration or high load so that the fuel cell system can be operated efficiently. When the switches SW1a and SW1b are open and the switches SW2a and SW2b are closed, power is supplied from the battery 73 to the motor 75, and a high voltage is applied to the terminals 201a and 201b of the fuel cell stack 100. Thereby, when excess water accumulates in the fuel cell stack 100 or when there is a concern about freezing in a cold region, water can be removed by electrolysis (decomposed into hydrogen and oxygen). Here, the motor 75 is a load, and the battery 73 is an auxiliary power source. The battery 73, the booster circuit 80, the switches SW1a, SW1b, SW2a, and SW2b are power supply means, and the booster circuit 80 is a transformer circuit. In the present embodiment, the battery 73 is used as an auxiliary power source, but a power storage device such as a capacitor can also be used. Also, the switches SW1a, SW1b, SW2a, SW2b can be realized by relay contacts.

以上の構成をした燃料電池システムにおいて、寒冷地での動作の概要を図４を参照しつつ説明する。図４において、Ｇ１が時間と燃料電池スタック１００の出力電圧（１セル当りの電圧）との関係を表すグラフであり、Ｇ２が時間と燃料電池スタック１００の温度との関係を表すグラフである。まず、時刻ｔ１において燃料電池システムの起動が開始されると、グラフＧ１に示すように、燃料電池スタック１００のセル２１０ａ当り約１Ｖの出力電圧（開回路電圧）が発生する。なお、図３に示すように、燃料電池システムの出力電圧は電圧センサ７８で検出され、温度は温度センサ１０１で検出される。 In the fuel cell system configured as described above, an outline of operation in a cold region will be described with reference to FIG. In FIG. 4, G1 is a graph showing the relationship between time and the output voltage (voltage per cell) of the fuel cell stack 100, and G2 is a graph showing the relationship between time and the temperature of the fuel cell stack 100. First, when the start of the fuel cell system is started at time t1, an output voltage (open circuit voltage) of about 1 V is generated per cell 210a of the fuel cell stack 100 as shown in the graph G1. As shown in FIG. 3, the output voltage of the fuel cell system is detected by a voltage sensor 78, and the temperature is detected by a temperature sensor 101.

次に、図４の時刻ｔ２において負荷が接続されて発電が開始される。具体的には、燃料電池スタック１００とインバータ７４とが接続され、車両を駆動するモータ７５が回転する。そうすると、発電に伴い生成水が発生し、この生成水が低温環境下で凍結してしまう。そのため、時間ＴＷ１において、燃料電池スタック１００とインバータ７４とを切り離すとともに、バッテリ７３から燃料電池スタック１００に高電圧を供給して、生成水を電気分解して除去する。これにより、新たな水素イオンと酸素との反応が可能となる。この際、インバータ７４はバッテリ７３により駆動される。生成水が除去された後、時間ＴＷ２において、再度、燃料電池スタック１００とインバータ７４とが接続される。以下、時間ＴＷ３〜ＴＷ７において、同様の動作が繰り返される。そして、その間にグラフＧ２で示すように、燃料電池スタック１００の温度は発電に伴う生成水が凍結しない温度にまで上昇する。その後は、連続した反応が維持されるため、インバータ７４は燃料電池スタック１００により駆動される。こうして、この燃料電池システムでは、低温環境下にあっても確実に起動させることができる。 Next, at time t2 in FIG. 4, a load is connected and power generation is started. Specifically, fuel cell stack 100 and inverter 74 are connected, and motor 75 that drives the vehicle rotates. If it does so, generated water will be generated with power generation, and this generated water will freeze in a low-temperature environment. Therefore, at time TW1, the fuel cell stack 100 and the inverter 74 are disconnected, and a high voltage is supplied from the battery 73 to the fuel cell stack 100, and the generated water is electrolyzed and removed. Thereby, the reaction of new hydrogen ions and oxygen becomes possible. At this time, the inverter 74 is driven by the battery 73. After the generated water is removed, the fuel cell stack 100 and the inverter 74 are connected again at time TW2. Thereafter, similar operations are repeated at times TW3 to TW7. In the meantime, as shown by a graph G2, the temperature of the fuel cell stack 100 rises to a temperature at which generated water accompanying power generation does not freeze. Thereafter, since a continuous reaction is maintained, the inverter 74 is driven by the fuel cell stack 100. Thus, this fuel cell system can be reliably started even in a low temperature environment.

次に、この燃料電池システムにおける寒冷地での動作を図５に示したフローチャートを参考にしつつ説明する。燃料電池システムの起動が開始されると、ＥＣＵ１１０により図５に示すプログラムが実行される。 Next, the operation of the fuel cell system in a cold region will be described with reference to the flowchart shown in FIG. When the start of the fuel cell system is started, the ECU 110 executes a program shown in FIG.

このプログラムが実行されると、まずステップＳ１において、燃料電池スタック１００に水素及び空気の供給が開始される。具体的には、水素調圧弁３５及び水素供給電磁弁３６が開かれ、水素貯蔵タンク３２の水素が水素供給路３１から燃料電池スタック１００の燃料室２１２ａに供給される。また、空気供給ポンプ４が駆動され、酸素を含む外気が空気供給路１から燃料電池スタック１００の空気室２１２ｂに供給される。ステップＳ１実行後、ステップＳ２が実行される。 When this program is executed, first, in step S1, supply of hydrogen and air to the fuel cell stack 100 is started. Specifically, the hydrogen pressure regulating valve 35 and the hydrogen supply electromagnetic valve 36 are opened, and the hydrogen in the hydrogen storage tank 32 is supplied from the hydrogen supply path 31 to the fuel chamber 212a of the fuel cell stack 100. Further, the air supply pump 4 is driven, and outside air containing oxygen is supplied from the air supply path 1 to the air chamber 212 b of the fuel cell stack 100. Step S2 is executed after step S1 is executed.

ステップＳ２においては、まず燃料電池スタック１００の温度センサ１０１により代表セル２１０ａの空気極２１１ｃの面内の温度を入力し、これを燃料電池温度Ｔｓとする。そして、燃料電池温度Ｔｓが設定温度Ｔａより小さいか否かをチェックする。ここで、設定温度Ｔａは、凍結のおそれのある温度であり、予め記憶されている。燃料電池温度Ｔｓが設定温度Ｔａより小さい場合（ＹＥＳ）、ステップＳ３を実行する。また、燃料電池温度Ｔｓが設定温度Ｔａ以上である場合（ＮＯ）、このプログラムの実行を終了し、通常運転のプログラムを実行する。この場合は、燃料電池スタック１００の温度が発電に伴う生成水の凍結しない温度にまで上昇しており、連続した反応が維持されるため、燃料電池システムの起動が終了している。 In step S2, the temperature in the surface of the air electrode 211c of the representative cell 210a is first input by the temperature sensor 101 of the fuel cell stack 100, and this is set as the fuel cell temperature Ts. Then, it is checked whether or not the fuel cell temperature Ts is lower than the set temperature Ta. Here, the set temperature Ta is a temperature that may freeze, and is stored in advance. If the fuel cell temperature Ts is lower than the set temperature Ta (YES), step S3 is executed. If the fuel cell temperature Ts is equal to or higher than the set temperature Ta (NO), the execution of this program is terminated and the normal operation program is executed. In this case, the temperature of the fuel cell stack 100 has risen to a temperature at which the generated water accompanying the power generation does not freeze, and the continuous reaction is maintained, so that the start of the fuel cell system is finished.

ステップＳ３においては、スイッチＳＷ２ａ、ＳＷ２ｂを開き、スイッチＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂを閉じる。これにより、図６に示すように、燃料電池スタック１００とインバータ７４とが接続され、車両を駆動するモータ７５が回転する。この際、燃料電池スタック１００と昇圧回路８０とは切り離されている。そして、ステップＳ４において、発電に伴い発生する生成水を計算する生成水量Ｗ１をクリアする。ステップＳ４実行後、ステップＳ５を実行する。 In step S3, the switches SW2a and SW2b are opened, and the switches SW1a and SW1b are closed. Thereby, as shown in FIG. 6, the fuel cell stack 100 and the inverter 74 are connected, and the motor 75 that drives the vehicle rotates. At this time, the fuel cell stack 100 and the booster circuit 80 are separated. In step S4, the generated water amount W1 for calculating the generated water that accompanies power generation is cleared. After step S4 is executed, step S5 is executed.

ステップＳ５においては、電流センサ７９により、燃料電池スタック１００からインバータ７４に流れる電流Ｉ１を測定する。そして、ステップＳ６において、数１に示す式により、発電に伴い発生する生成水量Ｗ１を計算して推測する。ステップＳ６実行後、ステップＳ７が実行される。ここで、ｋ１は換算係数であり、Ｉ１は上記電流センサ７９による測定値である。また、ｔ１はステップＳ５、Ｓ６、Ｓ７のループが実行される周期である。 In step S <b> 5, the current I <b> 1 flowing from the fuel cell stack 100 to the inverter 74 is measured by the current sensor 79. In step S6, the generated water amount W1 generated by the power generation is calculated and estimated by the equation shown in Equation 1. After step S6 is executed, step S7 is executed. Here, k1 is a conversion coefficient, and I1 is a value measured by the current sensor 79. T1 is a cycle in which the loop of steps S5, S6, and S7 is executed.

ステップＳ７においては、計算された生成水量Ｗ１が設定水量Ｗａより大きいか否かをチェックする。ここで、設定水量Ｗａは、発電に伴い燃料電池スタック１００に発生する水量であり、電気分解により取り除く必要がある水量であり、予め記憶されている。生成水量Ｗ１が設定水量Ｗａより大きい場合（ＹＥＳ）、生成水を電気分解により取り除く必要があると判断し、ステップＳ８を実行する。また、生成水量Ｗ１が設定水量Ｗａ以下である場合（ＮＯ）、ステップＳ５に戻り、さらに生成水量Ｗ１を計算する。なお、ステップＳ５、Ｓ６、Ｓ７のループは周期ｔ１毎に１回実行される。 In step S7, it is checked whether or not the calculated generated water amount W1 is larger than the set water amount Wa. Here, the set water amount Wa is the amount of water generated in the fuel cell stack 100 as a result of power generation , and is the amount of water that needs to be removed by electrolysis and is stored in advance. If the generated water amount W1 is larger than the set water amount Wa (YES), it is determined that the generated water needs to be removed by electrolysis, and Step S8 is executed. When the generated water amount W1 is equal to or less than the set water amount Wa (NO), the process returns to step S5, and the generated water amount W1 is calculated. Note that the loop of steps S5, S6, and S7 is executed once every period t1.

ステップＳ８においては、スイッチＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂを開き、スイッチＳＷ２ａ、ＳＷ２ｂを閉じる。これにより、図７に示すように、燃料電池スタック１００とインバータ７４とが切り離され、燃料電池スタック１００と昇圧回路８０とが接続される。そのため、バッテリ７３から燃料電池スタック１００に高電圧が供給され、生成水が電気分解される。この際、インバータ７４はバッテリ７３により駆動される。そして、ステップＳ９において、電気分解に伴い消滅する水を計算する電気分解水量Ｗ２をクリアする。ステップＳ９実行後、ステップＳ１０を実行する。 In step S8, the switches SW1a and SW1b are opened, and the switches SW2a and SW2b are closed. Thereby, as shown in FIG. 7, the fuel cell stack 100 and the inverter 74 are disconnected, and the fuel cell stack 100 and the booster circuit 80 are connected. Therefore, a high voltage is supplied from the battery 73 to the fuel cell stack 100, and the generated water is electrolyzed. At this time, the inverter 74 is driven by the battery 73. In step S9, the amount of electrolyzed water W2 for calculating the water that disappears due to electrolysis is cleared. After step S9 is executed, step S10 is executed.

ステップＳ１０においては、電流センサ７９により、昇圧回路８０から燃料電池スタック１００に流れる電流Ｉ２を測定する。そして、ステップＳ１１において、数２に示す式により、電気分解に伴い消滅する電気分解水量Ｗ２を計算して推測する。ステップＳ１１実行後、ステップＳ１２が実行される。ここで、ｋ２は換算係数であり、Ｉ２は上記電流センサ７９による測定値である。また、ｔ２はステップＳ１０、Ｓ１１、Ｓ１２のループが実行される周期である。 In step S10, the current I2 flowing from the booster circuit 80 to the fuel cell stack 100 is measured by the current sensor 79. In step S11, the amount of electrolyzed water W2 that disappears due to electrolysis is calculated and estimated by the equation shown in Formula 2. After step S11 is executed, step S12 is executed. Here, k2 is a conversion coefficient, and I2 is a value measured by the current sensor 79. T2 is a cycle in which the loop of steps S10, S11, and S12 is executed.

ステップＳ１２においては、計算された電気分解水量Ｗ２が設定水量Ｗｂより大きいか否かをチェックする。ここで、設定水量Ｗｂは、電気分解により取り除く必要のある水量であり、予め記憶されている。電気分解水量Ｗ２が設定水量Ｗｂより大きい場合（ＹＥＳ）、生成水を電気分解により取り除いたと判断し、ステップＳ２を実行する。また、電気分解水量Ｗ２が設定水量Ｗｂ以下である場合（ＮＯ）、ステップＳ１０に戻り、さらに電気分解水量Ｗ２を計算する。なお、ステップＳ１０、Ｓ１１、Ｓ１２のループは周期ｔ２毎に１回実行される。 In step S12, it is checked whether or not the calculated amount of electrolyzed water W2 is larger than the set amount of water Wb. Here, the set water amount Wb is the amount of water that needs to be removed by electrolysis and is stored in advance. If the electrolyzed water amount W2 is larger than the set water amount Wb (YES), it is determined that the generated water has been removed by electrolysis, and step S2 is executed. If the electrolyzed water amount W2 is equal to or less than the set water amount Wb (NO), the process returns to step S10, and the electrolyzed water amount W2 is calculated. Note that the loop of steps S10, S11, and S12 is executed once every period t2.

この燃料電池システムでは、生成水を電気分解可能な電力を燃料電池スタック１００に供給可能な昇圧回路８０が備えられているため、発電に伴う生成水が凍結しても、電気分解により生成水を除去することができる。このため、新たな水素イオンと酸素との反応が可能となる。こうして、水素イオンと酸素との反応による発熱により、生成水が凍結することのない温度にまで燃料電池スタック１００の温度が上昇し、生成水が除去されるため連続した反応が維持される。 In this fuel cell system, since the booster circuit 80 capable of supplying the fuel cell stack 100 with electric power that can electrolyze the generated water is provided, even if the generated water accompanying power generation freezes, the generated water is electrolyzed. Can be removed. For this reason, a reaction between new hydrogen ions and oxygen becomes possible. Thus, heat generated by the reaction between hydrogen ions and oxygen raises the temperature of the fuel cell stack 100 to a temperature at which the produced water does not freeze, and the produced water is removed, so that a continuous reaction is maintained.

また、この燃料電池システムでは、バッテリ７３、昇圧回路８０、スイッチＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ、ＳＷ２ａ、ＳＷ２ｂにより、燃料電池スタック１００からモータ７５への給電とバッテリ７３から燃料電池スタック１００への給電とを容易に切り替えることができる。この昇圧回路８０はバッテリ７３が燃料電池スタック１００へ印加する電圧を昇圧するため、生成水を確実に電気分解することができる。 Further, in this fuel cell system, power supply from the fuel cell stack 100 to the motor 75 and power supply from the battery 73 to the fuel cell stack 100 are facilitated by the battery 73, the booster circuit 80, and the switches SW1a, SW1b, SW2a, and SW2b. Can be switched. Since the booster circuit 80 boosts the voltage applied by the battery 73 to the fuel cell stack 100, the generated water can be reliably electrolyzed.

さらに、この燃料電池システムでは、電流センサ７９が昇圧回路８０から燃料電池スタック１００に流れる電流Ｉ２を測定し、この出力信号に基づいて燃料電池スタック１００の能力が所定値以下となった場合、ＥＣＵ１１０がバッテリ７３から燃料電池スタック１００への給電を行うようにスイッチＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ、ＳＷ２ａ、ＳＷ２ｂを切り替える。そのため、発電により生成水がある程度生成された後、その生成水が電気分解されるという過程が連続して行われ、生成水が凍結することのない温度にまで燃料電池スタック１００の温度を上昇させることができる。また、バッテリ７３から燃料電池スタック１００に給電される電力量は生成水を電気分解可能な値以上であるため、生成水を電気分解により確実に除去できる。 Further, in this fuel cell system, when the current sensor 79 measures the current I2 flowing from the booster circuit 80 to the fuel cell stack 100, and the capacity of the fuel cell stack 100 becomes a predetermined value or less based on this output signal, the ECU 110 Switches the switches SW1a, SW1b, SW2a, and SW2b so as to supply power from the battery 73 to the fuel cell stack 100. Therefore, after the generated water is generated to some extent by power generation, the process of electrolyzing the generated water is continuously performed, and the temperature of the fuel cell stack 100 is raised to a temperature at which the generated water does not freeze. be able to. In addition, since the amount of electric power supplied from the battery 73 to the fuel cell stack 100 is equal to or greater than a value capable of electrolyzing the generated water, the generated water can be reliably removed by electrolysis.

したがって、本実施形態の燃料電池システムによれば、低温環境下にあっても確実に起動させることが可能である。 Therefore, according to the fuel cell system of the present embodiment, it is possible to reliably start even in a low temperature environment.

また、この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１００の空気極２１１ｃの乾燥を防止するため給水手段１２、１３、１４、１５、１６を備えているが、バッテリ７３が燃料電池スタック１００に給電している間は燃料電池スタック１００への水の供給を行わない。これにより、電気分解により除去しなければならない水を増加させないようにしている。 In addition, this fuel cell system includes water supply means 12, 13, 14, 15, 16 to prevent the air electrode 211c of the fuel cell stack 100 from drying, but the battery 73 supplies power to the fuel cell stack 100. While it is, water is not supplied to the fuel cell stack 100. This prevents the amount of water that must be removed by electrolysis from increasing.

本発明は電気自動車等の移動用電源、あるいは据え置き用電源に利用可能である。 The present invention can be used for a moving power source for an electric vehicle or the like, or a stationary power source.

実施形態の燃料電池システムに係る燃料電池スタックの分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of the fuel cell stack concerning the fuel cell system of an embodiment. 実施形態の燃料電池システムに係る積層体の模式断面図である。It is a schematic cross section of the laminated body which concerns on the fuel cell system of embodiment. 実施形態の燃料電池システムに係る模式構成図である。1 is a schematic configuration diagram according to a fuel cell system of an embodiment. 実施形態の燃料電池システムに係り、時間と燃料電池スタックの出力電圧及び温度との関係を表すグラフである。It is a graph showing the relationship between time, the output voltage of fuel cell stack, and temperature in the fuel cell system of the embodiment. 実施形態の燃料電池システムに係り、起動時の処理プログラムのフローチャートである。It is a flowchart of the processing program at the time of starting concerning the fuel cell system of embodiment. 実施形態の燃料電池システムに係り、燃料電池スタックとインバータとが接続された回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram in which a fuel cell stack and an inverter are connected in the fuel cell system of the embodiment. 実施形態の燃料電池システムに係り、燃料電池スタックと昇圧回路とが接続された回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram in which a fuel cell stack and a booster circuit are connected in the fuel cell system of the embodiment. 従来の燃料電池システムに係り、時間と燃料電池スタックの出力電圧及び温度との関係を表すグラフである。It is a graph showing the relationship between time, the output voltage of a fuel cell stack, and temperature in the conventional fuel cell system.

Explanation of symbols

１００…燃料電池（燃料電池スタック）
７５…負荷（モータ）
７３…補助電源（バッテリ）
７３、８０、ＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ、ＳＷ２ａ、ＳＷ２ｂ…給電手段
８０…、変圧回路（昇圧回路）
ＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ、ＳＷ２ａ、ＳＷ２ｂ…スイッチ
１１０…制御手段（ＥＣＵ）
１０１…温度センサ
７９…電力センサ（電流センサ）
１２、１３、１４、１５、１６…給水手段（１２…加湿水供給路、１３…加湿水供給電磁弁、１４…加湿水ポンプ、１５…フィルタ、１６…加湿水タンク） 100 ... Fuel cell (fuel cell stack)
75 ... Load (motor)
73 ... Auxiliary power supply (battery)
73, 80, SW1a, SW1b, SW2a, SW2b ... feeding means 80 ..., transformer circuit (boost circuit)
SW1a, SW1b, SW2a, SW2b ... switch 110 ... control means (ECU)
101 ... temperature sensor 79 ... power sensor (current sensor)
12, 13, 14, 15, 16 ... water supply means (12 ... humidification water supply path, 13 ... humidification water supply solenoid valve, 14 ... humidification water pump, 15 ... filter, 16 ... humidification water tank)

Claims

A fuel cell (100) that generates an electromotive force by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and a load (75) connected to the fuel cell (100) and driven by electric power ,
The fuel cell (100) and the load (75) are connected to power supply means,
The power supply means includes an auxiliary power source (73) that stores electromotive force, a first switch (SW1a, SW1b) that can open and close a circuit that supplies power from the fuel cell (100) to the load (75) , A second switch (SW2a, SW2b) capable of opening and closing a circuit for supplying power between the auxiliary power source (73) and the fuel cell (100) ;
Whether the first switch (SW1a, SW1b) and the second switch (SW2a, SW2b) supply electric power capable of electrolyzing the generated water from the auxiliary power source (73) to the fuel cell (100). It is possible to switch whether or not to supply power that can drive the load (75) from the fuel cell (100) to the load (75), and from the auxiliary power source (73) The fuel cell system is connected to the control means (110) for supplying power from the auxiliary power source (73) to the load (75) while supplying power to the fuel cell (100). .

2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the power supply means includes a transformer circuit (80) for boosting a voltage applied to the fuel cell (100) by the auxiliary power source (73) .

The control means (110) is configured to alternately perform power feeding from the fuel cell (100) to the load (75) and power feeding from the auxiliary power source (73) to the fuel cell (100) . The fuel cell system according to claim 1 or 2 , wherein the switch (SW1a, SW1b) and the second switch (SW2a, SW2b) are switched.

A temperature sensor (101) capable of detecting the temperature of the fuel cell (100), and when the temperature of the fuel cell (100) becomes a predetermined temperature or less based on an output signal of the temperature sensor (101) , The control means (110) switches the first switch (SW1a, SW1b) and the second switch (SW2a, SW2b) so as to supply power from the auxiliary power source (73) to the fuel cell (100) . The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3.

When a power sensor (79) capable of detecting an electromotive force of the fuel cell (100) is provided, and the capacity of the fuel cell (100) becomes a predetermined value or less based on an output signal of the power sensor (79) , Switching the first switch (SW1a, SW1b) and the second switch (SW2a, SW2b) so that the control means (110) supplies power to the fuel cell (100 ) from the auxiliary power source (73). The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, characterized in that:

Amount of power supplied to the fuel cell (100), according to any one of claims 1 to 5, characterized in that said fuel cell (100) is electrolyzed possible values than the product water produced is Fuel cell system.

The control means (110) stores in advance a set amount of water Wa, which is the amount of water generated in the fuel cell (100) with power generation, and the amount of water that needs to be removed by electrolysis.
The current value as the electromotive force detected by the power sensor (79) is I1, the conversion coefficient is k1, and the period when the control means (110) determines that the generated water amount is smaller than the set water amount Wa is t1. 7. The fuel cell system according to claim 6, wherein the amount of generated water is obtained by a calculation formula k1 × I1 × t1.

The control means (110) stores in advance a set water amount Wb that the fuel cell (100) needs to remove by electrolysis,
The current value as the electromotive force detected by the power sensor (79) is I2, the conversion coefficient is k2, and the control means (110) determines that the amount of electrolyzed water that disappears due to electrolysis is smaller than the set water amount Wb. The fuel cell system according to claim 7, wherein the amount of electrolyzed water is obtained by a calculation formula k2 × I2 × t2 when the period to perform is t2.

Comprising the fuel cell (100) can be supplied with water of the water supply means (12,13,14,15,16), water supply means (12,13,14,15,16) in the fuel cell (100) The fuel cell system according to any one of claims 1 to 8, wherein water is not supplied to the fuel cell (100) while electric power is being supplied.