JP2005228477A - Fuel cell system - Google Patents

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Takashi Kajiwara
隆 梶原
Seiji Sano
誠治 佐野
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system which operates a fuel cell stably and effectively in a low cost structure and gives no excessive load to a separation mechanism of anti-freeze liquid and water. <P>SOLUTION: The fuel cell 10 is provided. Circulation passages 12, 14, 26, 34, 42 for cooling the fuel cell 10 by the cooling water of pure water are provided. A humidifying part 16 for humidifying the reaction gas air supplied to the fuel cell 10 by the cooling water is provided. Only when an operation of the fuel cell 10 is stopped, and further, under a cold temperature environment where freezing of the cooling water is forecast, the cooling water is recovered from the circulation passages and stored in an anti-freeze liquid tank 30. When separation of the cooling water and the anti-freeze liquid is demanded, pure water is separated from the mixed liquid in the anti-freeze liquid tank 30 by a separation film unit 38. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

この発明は、燃料電池システムに係り、特に、車両への搭載に適した燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system suitable for mounting in a vehicle.

従来、特開平8−185877号公報に開示されているように、冷却機構と加湿機構を備えた燃料電池システムが知られている。燃料電池は、その内部に配置される電解質が適度な湿潤状態にあると良好な電気特性を示す。上記従来のシステムによれば、加湿機構を用いて電解質を加湿することができるため、燃料電池を効率的に作動させることができる。また、燃料電池における電極反応は発熱反応であるため、安定した運転状態を持続させるためには、その内部を冷却することが必須である。上記従来のシステムによれば、冷却機構を用いることで、その要求を満たすことができる。   Conventionally, as disclosed in JP-A-8-185877, a fuel cell system provided with a cooling mechanism and a humidifying mechanism is known. A fuel cell exhibits good electrical characteristics when the electrolyte disposed therein is in a moderately wet state. According to the above conventional system, the electrolyte can be humidified using the humidification mechanism, so that the fuel cell can be operated efficiently. In addition, since the electrode reaction in the fuel cell is an exothermic reaction, it is essential to cool the inside in order to maintain a stable operation state. According to the conventional system, the requirement can be satisfied by using the cooling mechanism.

ところで、燃料電池の加湿には、種々の不都合を避けるため、純水を用いることが必要である。一方、冷却水の凍結を避けるためには、冷却水に不凍液を混合しておくことが必要である。そこで、上記従来のシステムは、燃料電池の冷却経路には不凍液を含む冷却水を循環させ、その一方で、不凍液と水とを分離する装置を用いて、不凍液を含む冷却水から分離した純水により電解質を加湿することとしている。   By the way, it is necessary to use pure water to humidify the fuel cell in order to avoid various disadvantages. On the other hand, in order to avoid freezing of the cooling water, it is necessary to mix an antifreeze with the cooling water. Therefore, the above-described conventional system circulates cooling water containing antifreeze liquid in the cooling path of the fuel cell, while using pure water separated from the cooling water containing antifreeze liquid using a device that separates the antifreeze liquid and water. Therefore, the electrolyte is humidified.

このような構成によれば、不凍液を含む冷却水の供給・循環機構と、不凍液を含まない純水の供給・循環機構とを別個独立に準備するのを避けつつ、加湿に関する要求と、凍結防止に関する要求の双方を満たすことができる。この点、上記従来のシステムは、安価な構成により、燃料電池を安定的かつ効率的に作動させ得るという優れた特長を有するものである。   According to such a configuration, the requirement for humidification and the prevention of freezing can be avoided while avoiding separately preparing the supply / circulation mechanism of cooling water containing antifreeze and the supply / circulation mechanism of pure water not containing antifreeze. Both requirements can be met. In this regard, the above-described conventional system has an excellent feature that the fuel cell can be stably and efficiently operated with an inexpensive configuration.

特開平8−185877号公報JP-A-8-185877 特開平6−223855号公報JP-A-6-223855 特開2003−36874号公報JP 2003-36874 A 特開平5−190193号公報JP-A-5-190193 特開2003−234113号公報JP 2003-234113 A

しかしながら、上述した従来のシステムでは、燃料電池の作動中常に、不凍液と純水とを分離する分離機構を稼働させておくことが必要である。分離機構の劣化は、その稼働時間が長いほど当然に進行し易い。このため、上記従来のシステムは、分離機構を早期に劣化させ易いという特性を有するものであった。   However, in the conventional system described above, it is necessary to operate a separation mechanism that separates the antifreeze and pure water at all times during operation of the fuel cell. Naturally, the deterioration of the separation mechanism is more likely to proceed as the operating time is longer. For this reason, the conventional system has a characteristic that the separation mechanism is easily deteriorated at an early stage.

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、安価な構成により、燃料電池を安定的かつ効率的に作動させることができ、更に、不凍液と水を分離する分離機構に対して過剰な負担をかけることのない燃料電池システムを提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems. The fuel cell can be stably and efficiently operated with an inexpensive configuration, and further, a separation mechanism for separating the antifreeze liquid and water. An object of the present invention is to provide a fuel cell system that does not place an excessive burden on the fuel cell system.

第1の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池を純水の冷却水で冷却する冷却機構と、
前記燃料電池に供給される反応ガスを前記冷却水により加湿する加湿機構と、
前記燃料電池の運転停止中であり、かつ、前記冷却水の凍結が予想される低温環境下でのみ、前記冷却水を不凍液と混合する不凍液混合機構と、
前記冷却水と前記不凍液との分離が要求される状況下で、前記不凍液混合機構により混合された冷却水を前記不凍液から分離する冷却水分離機構と、
を備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a first invention is a fuel cell system,
A fuel cell;
A cooling mechanism for cooling the fuel cell with pure water cooling water;
A humidifying mechanism for humidifying the reaction gas supplied to the fuel cell with the cooling water;
An antifreeze mixing mechanism that mixes the cooling water with the antifreeze only under a low temperature environment in which the fuel cell is stopped and the cooling water is expected to freeze;
A cooling water separation mechanism for separating the cooling water mixed by the antifreezing liquid mixing mechanism from the antifreezing liquid under a situation where separation of the cooling water and the antifreezing liquid is required;
It is characterized by providing.

また、第2の発明は、第1の発明において、前記冷却水分離機構は、前記加湿機構が前記反応ガスを加湿する場合に冷却水を不凍液から分離することを特徴とする。   According to a second aspect, in the first aspect, the cooling water separating mechanism separates the cooling water from the antifreeze when the humidifying mechanism humidifies the reaction gas.

また、第3の発明は、第1または第2の発明において、
前記冷却機構は、前記燃料電池を含む冷却水循環経路を含み、
前記不凍液混合機構は、前記冷却水循環経路内の冷却水を回収して、不凍液と混合した状態でその冷却水を貯留する不凍液タンクを含むことを特徴とする。
The third invention is the first or second invention, wherein
The cooling mechanism includes a cooling water circulation path including the fuel cell,
The antifreezing liquid mixing mechanism includes an antifreezing liquid tank that collects cooling water in the cooling water circulation path and stores the cooling water in a state of being mixed with the antifreezing liquid.

第1の発明によれば、燃料電池の作動中は、冷却水として純水を流通させつつ、その純水により反応ガスを加湿することができる。このため、本発明によれば、冷却水の経路と加湿用の純水の経路とを別個独立に準備することなく、燃料電池を安定的かつ効率的に作動させることができる。また、本発明によれば、燃料電池の停止中に、純水の冷却水が凍結すると予想される場合には、その冷却水を不凍液と混合することで冷却水の凍結を防止することができる。そして、その場合は、冷却水分離機構により純水を不凍液から分離することで、加湿用の純水を準備することができる。更に、本発明によれば、純水の冷却水は、その凍結が予想される低温環境下でのみ不凍液と混合されるため、冷却水分離機構が担うべき負担が小さくなり、その劣化を十分に抑制することができる。   According to the first aspect, during operation of the fuel cell, the pure gas can be circulated as the cooling water, and the reaction gas can be humidified by the pure water. Therefore, according to the present invention, the fuel cell can be stably and efficiently operated without separately preparing the cooling water path and the humidifying pure water path. Further, according to the present invention, when the cooling water of pure water is expected to freeze while the fuel cell is stopped, the cooling water can be prevented from freezing by mixing the cooling water with the antifreeze liquid. . In that case, pure water for humidification can be prepared by separating the pure water from the antifreeze by the cooling water separation mechanism. Furthermore, according to the present invention, the cooling water of pure water is mixed with the antifreeze liquid only in a low temperature environment where freezing is expected, so that the burden that the cooling water separation mechanism should bear is reduced, and its deterioration is sufficiently reduced. Can be suppressed.

第2の発明によれば、加湿機構による反応ガスの加湿が要求される場合に、冷却水を不凍液から分離することができるため、必要な純水を、無駄なく確実に準備することができる。   According to the second invention, when the humidification mechanism requires the humidification of the reaction gas, the cooling water can be separated from the antifreeze liquid, so that the necessary pure water can be reliably prepared without waste.

第3の発明によれば、低温環境下では、冷却水循環経路内の冷却水を不凍液タンクに回収し、その内部に不凍液と冷却水の混合液を貯留することができる。このため、本発明によれば、冷温環境下で冷却水循環経路内に冷却水が残存するのを避けることができ、かつ、冷却水循環経路内に不凍液の成分が混入するのを確実に避けることができる。   According to the third invention, under a low temperature environment, the cooling water in the cooling water circulation path can be collected in the antifreeze liquid tank, and the mixed liquid of the antifreeze liquid and the cooling water can be stored therein. For this reason, according to the present invention, it is possible to avoid the cooling water from remaining in the cooling water circulation path in a cold environment, and to reliably prevent the components of the antifreeze liquid from entering the cooling water circulation path. it can.

実施の形態1.
[実施の形態1のシステムのハードウェア構成]
図1は、本発明の実施の形態1の燃料電池システムの構成を説明するための図である。本実施形態のシステムは、例えば車両などに搭載した状態で用いることができる。このシステムは、燃料電池10を備えている。燃料電池10は、水素ガスHや空気Airなどを反応ガスとして電力を発生する電解質および電極(何れも図示せず)を内蔵している。
Embodiment 1 FIG.
[Hardware Configuration of System of First Embodiment]
FIG. 1 is a diagram for explaining a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. The system of this embodiment can be used in a state where it is mounted on a vehicle, for example. This system includes a fuel cell 10. The fuel cell 10 incorporates an electrolyte that generates power using hydrogen gas H 2 , air Air, or the like as a reaction gas and an electrode (none of which are shown).

電力の生成に伴って燃料電池10の内部で生ずる反応は発熱反応である。このため、燃料電池10の内部には、電極の周辺を冷却するための冷却水通路(図示せず)が設けられている。そして、その冷却水通路には、燃料電池10に外付けされた管路12,14が連通している。管路12,14および上記の冷却水路には、後述の如く、純水の冷却水を流通させることができる。このため、本実施形態のシステムによれば、燃料電池10の過熱を有効に防ぐことができる。   The reaction that occurs inside the fuel cell 10 with the generation of electric power is an exothermic reaction. Therefore, a cooling water passage (not shown) for cooling the periphery of the electrode is provided inside the fuel cell 10. The cooling water passage communicates with pipes 12 and 14 externally attached to the fuel cell 10. As will be described later, pure water cooling water can be circulated through the pipes 12 and 14 and the cooling water channel. For this reason, according to the system of this embodiment, overheating of the fuel cell 10 can be effectively prevented.

また、燃料電池10には、その外部または内部に、加湿部16が組み付けられている。加湿部16は、管路14を流れる冷却水を使って、燃料電池10に供給される反応ガスを加湿することができる。燃料電池10は、反応ガスが適度な湿潤状態にあると良好な発電特性を示す。このため、本実施形態のシステムによれば、燃料電池10に、効率的に電力を生成させることができる。   In addition, the fuel cell 10 has a humidifying unit 16 attached to the outside or the inside thereof. The humidifying unit 16 can humidify the reaction gas supplied to the fuel cell 10 using the cooling water flowing through the pipe line 14. The fuel cell 10 exhibits good power generation characteristics when the reaction gas is in a moderately wet state. For this reason, according to the system of this embodiment, the fuel cell 10 can generate electric power efficiently.

管路14は、ポンプ18の吸入口に連通している。ポンプ18は、その駆動源としてモータ20を備えている。ポンプ18の吐出口は、管路22を介して第1切替弁24に連通している。第1切替弁24には、リザーブタンク26に通じる管路28と不凍液タンク30に通じる管路32とが連通している。   The pipe line 14 communicates with the suction port of the pump 18. The pump 18 includes a motor 20 as its drive source. The discharge port of the pump 18 communicates with the first switching valve 24 via the pipeline 22. The first switching valve 24 communicates with a conduit 28 leading to the reserve tank 26 and a conduit 32 leading to the antifreeze liquid tank 30.

第1切替弁24は、外部から供給される指令に応じて3つの状態を選択的に実現する電磁弁である。すなわち、第1切替弁24は、具体的には、管路22をリザーブタンク26に連通させる第1状態、管路22を不凍液タンク30に連通させる第2状態、および管路22を何れのタンクからも切り離す遮断状態の何れかを選択的に実現することができる。   The first switching valve 24 is an electromagnetic valve that selectively realizes three states according to a command supplied from the outside. That is, the first switching valve 24 specifically includes a first state in which the pipe line 22 is communicated with the reserve tank 26, a second state in which the pipe line 22 is communicated with the antifreeze liquid tank 30, and any tank in which the pipe line 22 is communicated. It is possible to selectively realize any one of the cut-off states that are separated from each other.

リザーブタンク26は、管路34を介して第2切替弁36に連通している。一方、不凍液タンク30は、分離膜ユニット38と管路40を介して、同じく第2切替弁36に連通している。第2切替弁36には、更に、上述した管路12に通じる熱交換器42が連通している。   The reserve tank 26 communicates with the second switching valve 36 through a pipe line 34. On the other hand, the antifreeze liquid tank 30 communicates with the second switching valve 36 through the separation membrane unit 38 and the conduit 40. The second switching valve 36 further communicates with the heat exchanger 42 that communicates with the pipe 12 described above.

第2切替弁36は、第1切替弁24と同様に、外部からの指令に応じて3つの状態の何れかを選択的に実現する電磁弁である。第2切替弁36によれば、具体的には、リザーブタンク26を熱交換器42と導通させる第1状態と、分離膜ユニット38を熱交換器42に導通させる第2状態と、熱交換器42をそれらの双方から切り離す遮断状態の何れかを選択的に実現することができる。   Similar to the first switching valve 24, the second switching valve 36 is an electromagnetic valve that selectively realizes one of three states in response to an external command. Specifically, according to the second switching valve 36, a first state in which the reserve tank 26 is electrically connected to the heat exchanger 42, a second state in which the separation membrane unit 38 is electrically connected to the heat exchanger 42, and a heat exchanger Either of the shut-off states that separate 42 from both of them can be selectively realized.

不凍液タンク30の内部には、エチレングリコールやグリセリンなどを含む不凍液が水と混合された状態で貯留されている。分離膜ユニット38は、不凍液と水との混合液から水のみを分離する分離膜、つまり水を含む不凍液から純水を分離することのできる分離膜を内蔵している。このような分離膜は、例えば、特開平8−185877号公報に開示されている限外ろ過膜などにより実現することができる。   An antifreeze liquid containing ethylene glycol, glycerin and the like is stored in the antifreeze liquid tank 30 in a mixed state with water. The separation membrane unit 38 has a built-in separation membrane that separates only water from the mixed solution of antifreeze and water, that is, a separation membrane that can separate pure water from the antifreeze containing water. Such a separation membrane can be realized by, for example, an ultrafiltration membrane disclosed in JP-A-8-185877.

このため、分離膜ユニット38の下流に位置する管路40には、不凍液を含まない純水の冷却水が流出する。図1に示すシステムにおいて、不凍液タンク30と分離ユニット38を除く他の全ての領域には、管路40の内部と同様に、不凍液を含まない純水の冷却水が流通する。つまり、熱交換器42、燃料電池10内の冷却水通路、更にはポンプ18などには、純水の冷却水が流通する。また、リザーブタンク26にも、不凍液を含まない純水の冷却水が貯留される。   For this reason, the pure water cooling water not containing the antifreeze liquid flows out to the pipe line 40 located downstream of the separation membrane unit 38. In the system shown in FIG. 1, pure water that does not contain antifreeze liquid circulates in all other areas except the antifreeze liquid tank 30 and the separation unit 38, as in the inside of the pipe 40. That is, pure water coolant flows through the heat exchanger 42, the coolant passage in the fuel cell 10, and the pump 18. The reserve tank 26 also stores pure water cooling water that does not contain antifreeze.

図1に示すシステムは、CPU50を備えている。CPU50は、本実施形態の燃料電池システムの作動を制御するためのユニットである。CPU50には、2つの温度センサ52,54の出力、内部温度センサ56の出力、更には外気温度センサ58の出力などが供給されている。温度センサ52,54は、それぞれ燃料電池10に流入する冷却水の温度、および燃料電池10から流出してきた冷却水の温度を検出するセンサである。内部温度センサ56は、燃料電池10の内部温度を検出するセンサである。また、外気温度センサ58は、燃料電池10を取り巻く外気の温度を検出するセンサである。   The system shown in FIG. 1 includes a CPU 50. The CPU 50 is a unit for controlling the operation of the fuel cell system of the present embodiment. The CPU 50 is supplied with outputs from two temperature sensors 52 and 54, an output from the internal temperature sensor 56, an output from the outside air temperature sensor 58, and the like. The temperature sensors 52 and 54 are sensors that respectively detect the temperature of the cooling water flowing into the fuel cell 10 and the temperature of the cooling water flowing out of the fuel cell 10. The internal temperature sensor 56 is a sensor that detects the internal temperature of the fuel cell 10. The outside air temperature sensor 58 is a sensor that detects the temperature of the outside air surrounding the fuel cell 10.

CPU50には、更に、ポンプの動力源であるモータ20、第1切替弁24、および第2切替弁36などが接続されている。CPU50は、上述した各種センサの出力に基づいて、それらのアクチュエータを適当に駆動することができる。   The CPU 50 is further connected to a motor 20, which is a power source of the pump, a first switching valve 24, a second switching valve 36, and the like. The CPU 50 can appropriately drive those actuators based on the outputs of the various sensors described above.

[実施の形態1のシステムの動作]
(通常運転時の動作)
以下、図2乃至図4を参照して、本実施形態のシステムの動作について説明する。図2は、本実施形態のシステムの「通常運転時」の状態を示す。本実施形態のシステムは、燃料電池10の作動が開始された後、燃料電池10の内部温度が適当な温度に達すると、その後通常運転を開始する。
[Operation of System of First Embodiment]
(Operation during normal operation)
Hereinafter, the operation of the system of the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 2 shows a “normal operation” state of the system of the present embodiment. When the internal temperature of the fuel cell 10 reaches an appropriate temperature after the operation of the fuel cell 10 is started, the system of the present embodiment starts normal operation thereafter.

通常運転時には、第1切替弁24が、ポンプ18をリザーブタンク26に導通させる状態(第1状態)に制御されると共に、第2切替弁36が、リザーブタンク26を熱交換器42に導通させる状態(第1状態)に制御される。その結果、本実施形態のシステムの中には、熱交換器42→燃料電池10→ポンプ18→リザーブタンク→熱交換器42の経路を辿る循環経路が形成される。つまり、不凍液タンク30および分離膜ユニット38を含まない循環経路が形成される。   During normal operation, the first switching valve 24 is controlled to be in a state (first state) in which the pump 18 is conducted to the reserve tank 26, and the second switching valve 36 is conducted to the reserve tank 26 to the heat exchanger 42. The state (first state) is controlled. As a result, in the system of the present embodiment, a circulation path is formed that follows the path of the heat exchanger 42 → the fuel cell 10 → the pump 18 → the reserve tank → the heat exchanger 42. That is, a circulation path that does not include the antifreeze liquid tank 30 and the separation membrane unit 38 is formed.

通常制御は、上記の循環経路の中に、純水の冷却水が十分に存在している状況下で開始される。また、通常制御の実行中は、ポンプ18が作動状態とされる。その結果、通常制御によれば、図2に示すように、上記の循環経路の中に、十分な量の純水を循環させることができる。   The normal control is started in a situation where there is sufficient pure water cooling water in the circulation path. Further, the pump 18 is in an operating state during execution of normal control. As a result, according to the normal control, a sufficient amount of pure water can be circulated in the circulation path as shown in FIG.

熱交換器42は、その内部を流通する媒体を冷却することができる。上記の循環経路によれば、熱交換器42によって冷却された後の低温の冷却水(純水)を燃料電池10に流入させることができる。このため、通常制御によれば、燃料電池10を、十分に冷却することができる。   The heat exchanger 42 can cool the medium flowing through the inside thereof. According to the above circulation path, the low-temperature cooling water (pure water) after being cooled by the heat exchanger 42 can flow into the fuel cell 10. For this reason, according to the normal control, the fuel cell 10 can be sufficiently cooled.

また、この際、循環経路の中を流れる媒体が純水であることから、加湿部16は、その純水を用いて反応ガスを適当に加湿することができる。このため、通常制御によれば、燃料電池10を十分かつ適切に冷却しつつ、燃料電池10に、効率的に電力を発生させることができる。   At this time, since the medium flowing in the circulation path is pure water, the humidifying unit 16 can appropriately humidify the reaction gas using the pure water. For this reason, according to the normal control, it is possible to efficiently generate power in the fuel cell 10 while cooling the fuel cell 10 sufficiently and appropriately.

ところで、上述した通常制御の実行中は、分離膜ユニット38に対して、水と不凍液とを分離する作業は何ら要求されていない。つまり、分離膜ユニット38は、循環経路から切り離されているため、通常制御の実行中は、不凍液と水を分離する仕事を実質的に何ら行っていない。このように、本実施形態のシステムは、通常制御の実行中は、分離膜ユニット38に何ら負担をかけることなく燃料電池10を安定的、かつ効率的に作動させ続けることができる。   By the way, during the execution of the normal control described above, the separation membrane unit 38 is not required to perform any work for separating water and antifreeze liquid. That is, since the separation membrane unit 38 is disconnected from the circulation path, substantially no work for separating the antifreeze liquid and water is performed during the execution of the normal control. Thus, the system of the present embodiment can keep the fuel cell 10 operating stably and efficiently without imposing any burden on the separation membrane unit 38 during the execution of the normal control.

(温暖停止時、温暖始動時の動作)
本実施形態のシステムは、外気温度が5℃を超えるような温暖環境下では、燃料電池10の作動が停止された場合に、図2に示す循環経路を保ったまま冷却水の循環を停止する(以下、この動作を「温暖停止時の動作」と称す)。そして、そのような温暖環境下で、その後燃料電池10が再始動した場合には、図2に示す循環経路を保ったまま、冷却水の循環を開始する(以下、この動作を「温暖始動時の動作」と称す)。
(Operation at warm stop, warm start)
In a warm environment where the outside air temperature exceeds 5 ° C., the system of the present embodiment stops the circulation of cooling water while maintaining the circulation path shown in FIG. 2 when the operation of the fuel cell 10 is stopped. (Hereinafter, this operation is referred to as “operation during warming stop”). Then, when the fuel cell 10 is subsequently restarted in such a warm environment, the cooling water circulation is started while maintaining the circulation path shown in FIG. 2 (hereinafter, this operation is referred to as “warm start-up time”). ”Behavior).

燃料電池10の停止中は、その内部で発熱反応が生じないことから、冷却水の温度が外気温度同等値に低下する。CPU50は、より具体的には、そのような温度変化に伴って、純水が凍結することがないような環境を温暖環境と判断する。このため、温暖停止時の動作および温暖停止時の動作は、純水の冷却水に凍結が生じない場合にのみ実行される。   While the fuel cell 10 is stopped, no exothermic reaction takes place inside the fuel cell 10, so that the temperature of the cooling water is reduced to an equivalent value to the outside air temperature. More specifically, the CPU 50 determines that the environment in which the pure water does not freeze with such a temperature change is a warm environment. For this reason, the operation | movement at the time of a warm stop and the operation | movement at the time of a warm stop are performed only when freezing does not arise in the cooling water of a pure water.

純水の冷却水に凍結が生じなければ、その冷却水の不凍液を混合する必要はない。また、冷却水に凍結が生じなければ、その冷却水が循環経路中に存在しても、何ら不都合が生じない。更に、上述した温暖停止時の動作、および温暖始動時の動作によれば、通常運転時に用いる循環経路から冷却水が流出しないことから、その循環経路内に純水の冷却水が十分に存在する状態を維持することができる。そして、この状態が維持できれば、不凍液タンク30や分離膜ユニット38に何ら仕事をさせることなく、通常運転を再開することができる。本実施形態のシステムは、この点においても、分離膜ユニット38の負担を軽減するうえで好ましい特性を有している。   If the cooling water of pure water does not freeze, it is not necessary to mix the antifreeze of the cooling water. If the cooling water does not freeze, even if the cooling water exists in the circulation path, no inconvenience occurs. Further, according to the operation at the time of the warm stop and the operation at the warm start described above, since the cooling water does not flow out from the circulation path used during the normal operation, there is sufficient pure water cooling water in the circulation path. The state can be maintained. If this state can be maintained, normal operation can be resumed without causing the antifreeze liquid tank 30 and the separation membrane unit 38 to perform any work. In this respect, the system of the present embodiment also has desirable characteristics for reducing the burden on the separation membrane unit 38.

(低温停止時の動作)
図3(A)は、本実施形態のシステムが「低温停止時の動作」を行っている場合の状態を示す。また、図3(B)は、本実施形態のシステムの「低温停止中」の状態を示す。CPU50は、純水の凍結が予想される環境、具体的には、外気温度が0〜5℃程度に設定した判定温度を下回る環境を「低温環境」と判断する。そして、CPU50は、燃料電池10の停止時、或いは停止中に、その低温環境を検知すると、図3(A)に示す低温停止時動作を行う。
(Operation at low temperature stop)
FIG. 3A shows a state in which the system of the present embodiment is performing “operation at low temperature stop”. FIG. 3B shows a state of “during cold stop” of the system of the present embodiment. The CPU 50 determines that the environment in which pure water is expected to freeze, specifically, the environment in which the outside air temperature is lower than the determination temperature set to about 0 to 5 ° C. is the “low temperature environment”. When the CPU 50 detects the low-temperature environment when the fuel cell 10 is stopped or during the stop, the CPU 50 performs the operation at the time of low-temperature stop shown in FIG.

低温停止時動作では、第1切替弁24が、ポンプ18を不凍液タンク30に導通させる状態(第2状態)に制御され、第2切替弁36が遮断状態に制御され、かつ、ポンプ18が作動状態に制御される。本実施形態のシステムは、このような制御が行われた場合に、第2切替弁36より下流に位置する循環経路内の冷却水(純水)が、ポンプ18によってくみ出され、不凍液タンク30に移送されるように構成されている。このため、低温停止時動作によれば、通常運転時に用いられる循環経路内に存在する純水のほぼ全てを、不凍液タンク30に移し替えることができる。   In the operation at the time of low temperature stop, the first switching valve 24 is controlled to be in a state where the pump 18 is conducted to the antifreeze liquid tank 30 (second state), the second switching valve 36 is controlled to be in the shut-off state, and the pump 18 is operated. Controlled by the state. In the system according to the present embodiment, when such control is performed, cooling water (pure water) in the circulation path located downstream from the second switching valve 36 is pumped out by the pump 18, and the antifreeze liquid tank 30. It is comprised so that it may be transferred to. For this reason, according to the operation at the time of low temperature stop, almost all of the pure water existing in the circulation path used in the normal operation can be transferred to the antifreeze liquid tank 30.

(低温停止中の状態)
不凍液タンク30への冷却水(純水)の移送が終わると、その時点で低温停止時動作が終了される。その結果、図3(B)に示す低温停止中の状態が形成される。ここでは、第1切替弁24および第2切替弁36の双方が遮断状態とされ、かつ、ポンプ18が停止状態とされる。
(State during cold stop)
When the transfer of the cooling water (pure water) to the antifreeze liquid tank 30 is finished, the operation at the time of low temperature stop is finished at that time. As a result, the low temperature stop state shown in FIG. 3B is formed. Here, both the first switching valve 24 and the second switching valve 36 are shut off, and the pump 18 is stopped.

低温停止中は、循環経路の内部に冷却水(純水)が殆ど残存していない。このため、燃料電池システムを取り巻く外気の温度が更に低温になっても、循環経路の内部では、冷却水の凍結に起因する不都合が生じない。また、不凍液タンク30の中には、エチレングリコールやグリセリンなどの不凍液成分が予め貯留されているため、そこに移送された純水は、それらの成分と混じり合って、十分に凝固点の低い混合液となる。このため、不凍液タンク30の内部でも冷却水(混合液)の凍結は生じない。このように、本実施形態のシステムによれば、低温停止中における冷却水の凍結を、確実に回避することができる。   During the cold stop, almost no cooling water (pure water) remains in the circulation path. For this reason, even if the temperature of the outside air surrounding the fuel cell system is further lowered, there is no inconvenience due to freezing of the cooling water inside the circulation path. In addition, since antifreeze components such as ethylene glycol and glycerin are stored in advance in the antifreeze tank 30, the pure water transferred to the antifreeze solution 30 mixes with these components and has a sufficiently low freezing point. It becomes. For this reason, the cooling water (mixed liquid) does not freeze even inside the antifreeze liquid tank 30. Thus, according to the system of this embodiment, freezing of the cooling water during the low temperature stop can be reliably avoided.

(低温始動時の動作)
本実施形態のシステムは、低温停止時の動作により冷却水の移送が行われた後に燃料電池10の始動が要求された場合は、先ず、「低温始動時の動作」を実行する。図4(A)は、本実施形態のシステムが「低温始動時の動作」を行っている場合の状態を示す。ここでは、第1切替弁24が、ポンプ18をリザーブタンク26に導通させる状態(第1状態)に制御され、第2切替弁36が、分離膜ユニット38を熱交換器42に導通させる状態(第2状態)に制御される。
(Operation at low temperature start)
When the start of the fuel cell 10 is requested after the cooling water is transferred by the operation at the time of low temperature stop, the system of the present embodiment first executes “operation at the time of low temperature start”. FIG. 4A shows a state where the system of the present embodiment is performing “operation during cold start”. Here, the first switching valve 24 is controlled to be in a state (first state) in which the pump 18 is conducted to the reserve tank 26, and the second switching valve 36 is in a state in which the separation membrane unit 38 is conducted to the heat exchanger 42 ( (Second state).

上記の制御によれば、ポンプ18から流出する冷却水を、不凍液タンク30ではなくリザーブタンク26に導く状態を作り出すことができる。また、分離膜ユニット38を循環経路(熱交換器42)に導通させることにより、分離膜ユニット38に混合液から水だけを分離させ、その結果生じた純水を循環経路に流入させるための状態を作り出すことができる。但し、低温始動時には、ポンプ18が停止状態とされる。このため、低温始動時のの動作が行われている間は、実質的には燃料電池10の内部に冷却水は流入しない。   According to the above control, it is possible to create a state in which the cooling water flowing out from the pump 18 is guided to the reserve tank 26 instead of the antifreeze liquid tank 30. In addition, the separation membrane unit 38 is connected to the circulation path (heat exchanger 42), so that the separation membrane unit 38 separates only water from the mixed solution, and the resulting pure water flows into the circulation path. Can produce. However, at the time of cold start, the pump 18 is stopped. For this reason, the cooling water does not substantially flow into the fuel cell 10 while the operation at the time of cold start is performed.

燃料電池10は、その内部温度が適当な活性温度に達することで本来の発電能力を発揮する。このため、低温環境下でその始動が図られた場合には、その内部温度を速やかに上昇させることが望ましい。上述した低温始動時動作の実行中は、燃料電池10の内部に冷却水が流入しないため、そこで生ずる発熱反応による熱量が、冷却水に奪われることがない。このため、低温始動時動作によれば、燃料電池10の内部温度を迅速に高めることができ、燃料電池10の発電効率を、その始動が開始された後、短時間で十分に上昇させることができる。   The fuel cell 10 exhibits its original power generation capability when its internal temperature reaches an appropriate activation temperature. For this reason, when the start is attempted in a low temperature environment, it is desirable to quickly raise the internal temperature. During the execution of the operation at the low temperature start described above, the cooling water does not flow into the fuel cell 10, so that the heat generated by the exothermic reaction is not lost to the cooling water. For this reason, according to the operation at the low temperature start, the internal temperature of the fuel cell 10 can be quickly increased, and the power generation efficiency of the fuel cell 10 can be sufficiently increased in a short time after the start of the start. it can.

(低温暖機過程の動作)
本実施形態のシステムは、低温環境下で始動されたと、燃料電池10の内部温度が所定の暖機温度に達すると、図4(A)に示す低温始動時の動作を止めて、図4(B)に示す「低温暖機過程の動作」を開始する。ここでは、第1切替弁24および第2切替弁36の状態を、低温始動時の状態に維持したまま、ポンプ18が作動状態とされる。その結果、分離膜ユニット38→熱交換器→燃料電池10→ポンプ18→リザーブタンクの経路を辿って純水の冷却水が流通し始め、燃料電池10の内部が適度に冷却され始める。
(Operation of low-temperature machine process)
When the system of the present embodiment is started in a low temperature environment, when the internal temperature of the fuel cell 10 reaches a predetermined warm-up temperature, the operation at the low temperature start shown in FIG. B) Start “low warming process operation”. Here, the pump 18 is put into an operating state while maintaining the state of the first switching valve 24 and the second switching valve 36 at the low temperature starting state. As a result, the pure water cooling water starts to flow along the path of the separation membrane unit 38 → the heat exchanger → the fuel cell 10 → the pump 18 → the reserve tank, and the inside of the fuel cell 10 starts to be appropriately cooled.

低温暖機過程の動作は、不凍液タンク30から所望量の純水が取り出された時点で、つまり、リザーブタンク26の中に、通常運転動作を行うために必要な純水が蓄えられた時点で終了される。そして、その動作に続いて、上述した通常運転動作(図2参照)が開始される。通常運転動作の開始後は、既述した通り分離膜ユニット38には何らの負担もかからない。つまり、本実施形態のシステムにおいて、分離膜ユニット38に水分離の負担がかかるのは、実質的には、低温暖機過程の動作が行われている期間だけである。このため、本実施形態のシステムによれば、分離膜ユニット38の劣化を十分に抑制しつつ、燃料電池10を安定的、かつ効率的に作動させることができる。   The operation of the low warming process is performed when a desired amount of pure water is taken out from the antifreeze liquid tank 30, that is, when pure water necessary for normal operation is stored in the reserve tank 26. Is terminated. Then, following the operation, the above-described normal operation (see FIG. 2) is started. After the start of the normal operation, the separation membrane unit 38 is not burdened as described above. That is, in the system of the present embodiment, the water separation burden is applied to the separation membrane unit 38 substantially only during the period during which the operation of the low warmer process is performed. For this reason, according to the system of the present embodiment, the fuel cell 10 can be stably and efficiently operated while sufficiently suppressing the deterioration of the separation membrane unit 38.

[実施の形態1における具体的処理]
図5は、上記の機能を実現するために、CPU50が実行するルーチンのフローチャートである。尚、このルーチンは、燃料電池10の停止後であっても、少なくとも低温停止時の動作が実行されていない間は、所定時間毎に繰り返し実行されるものとする。
[Specific Processing in Embodiment 1]
FIG. 5 is a flowchart of a routine executed by the CPU 50 in order to realize the above function. Note that this routine is repeatedly executed at predetermined time intervals even after the fuel cell 10 is stopped, at least when the operation at the time of low temperature stop is not being executed.

図5に示すルーチンでは、先ず、燃料電池10の運転が停止されているか否かが判別される(ステップ100)。CPU50は、例えば、燃料電池10のON・OFFスイッチの状態、或いは燃料電池10が車両に搭載されている場合にはその車両のイグニッションスイッチの状態等に基づいて、上記の判断を下すことができる。   In the routine shown in FIG. 5, it is first determined whether or not the operation of the fuel cell 10 is stopped (step 100). The CPU 50 can make the above determination based on, for example, the state of the ON / OFF switch of the fuel cell 10 or the state of the ignition switch of the vehicle when the fuel cell 10 is mounted on the vehicle. .

その結果、燃料電池10が停止していると判別された場合は、次に、低温環境が形成されているか否かが判別される(ステップ102)。CPU50は、純水の凍結が予測される場合に低温環境の成立を判断する。具体的には、0〜5℃程度に設定された判定温度を下回る外気温度が外気温度センサ58により検出された場合に低温環境の成立を判定する。但し、その判定の手法はこれに限定されるものではなく、例えば、燃料電池10の内部温度や、温度センサ52,54により検出される冷却水温度などを基礎として、その判定を行うこととしてもよい。   As a result, if it is determined that the fuel cell 10 is stopped, it is next determined whether or not a low temperature environment is formed (step 102). The CPU 50 determines the establishment of the low temperature environment when freezing of pure water is predicted. Specifically, it is determined that the low temperature environment is established when the outside air temperature sensor 58 detects an outside air temperature that is lower than the determination temperature set to about 0 to 5 ° C. However, the determination method is not limited to this. For example, the determination may be performed based on the internal temperature of the fuel cell 10 or the coolant temperature detected by the temperature sensors 52 and 54. Good.

上記の処理の結果、低温環境の形成が認められなかった場合は、現在の環境下では、冷却水が純水のままであっても、その凍結は生じないと判断できる。この場合は、第1切替弁24および第2切替弁36の状態が停止前の状態、つまり、通常運転時の状態に維持されたまま、ポンプ18がOFFとされる(ステップ104)。その結果、図2に示すように循環経路が形成されたまま、冷却水の循環が停止される。   If formation of a low temperature environment is not recognized as a result of the above processing, it can be determined that freezing does not occur even if the cooling water remains pure water under the current environment. In this case, the pump 18 is turned off while the state of the first switching valve 24 and the second switching valve 36 is maintained in the state before stopping, that is, the state during normal operation (step 104). As a result, the circulation of the cooling water is stopped while the circulation path is formed as shown in FIG.

燃料電池10の停止時或いは停止中に、その周囲において低温環境が形成されると、上記ステップ102において、低温環境の成立が判定される。このような判定がなされると、次に、移送済みフラグがONであるか否かが判別される(ステップ106)。移送済みフラグは、後述するように、低温停止時の動作が実行されることにより、循環経路内の冷却水(純水)が不凍液タンク30に移送されることによりONとされるフラグである。   If a low temperature environment is formed around the fuel cell 10 when it is stopped or stopped, it is determined in step 102 that the low temperature environment is established. If such a determination is made, it is next determined whether or not the transferred flag is ON (step 106). As will be described later, the transferred flag is a flag that is turned on when cooling water (pure water) in the circulation path is transferred to the antifreeze liquid tank 30 by performing an operation at a low temperature stop.

上記ステップ106において、移送フラグがONであると判別された場合は、既に低温停止時の動作が実行済みであると判断できる。この場合は、以後何ら処理が行われることなく速やかに今回のルーチンが終了される。一方、移送済みフラグがONでないと判別された場合は、低温停止時の動作を開始するべく、ポンプ18がONとされ、第1切替弁24が第2状態(ポンプ18と不凍液タンク30と導通させる状態)とされ、かつ、第2切替弁36が遮断状態とされる(ステップ108)。上記の処理が実行されると、図3(A)に示す低温停止時の動作が開始され、循環経路内に存在している冷却水(純水)が、不凍液タンク30に移送され始める。   If it is determined in step 106 that the transfer flag is ON, it can be determined that the operation during the low-temperature stop has already been performed. In this case, the current routine is immediately terminated without any further processing. On the other hand, if it is determined that the transferred flag is not ON, the pump 18 is turned ON and the first switching valve 24 is in the second state (conducting between the pump 18 and the antifreeze liquid tank 30 to start the operation at the time of low temperature stop. And the second switching valve 36 is shut off (step 108). When the above processing is executed, the operation at the time of low temperature stop shown in FIG. 3A is started, and the cooling water (pure water) existing in the circulation path starts to be transferred to the antifreeze liquid tank 30.

その後、移送完了条件(例えば、所定時間の経過等)の成立が認められると(ステップ110)、低温停止時動作を終えるべく、ポンプ18がOFFとされ、かつ、第1切替弁24および第2切替弁36の双方が遮断状態とされる(ステップ112)。上記の処理が実行されると、図3(B)に示す低温停止中の状態、つまり、冷却水の凍結が生じ得ない状態が実現される。以後、移送済みフラグがONとされ(ステップ114)、その後、今回のルーチンが終了される。   Thereafter, when the transfer completion condition (for example, elapse of a predetermined time) is recognized (step 110), the pump 18 is turned off and the first switching valve 24 and the second switching valve 24 are turned off to finish the operation at the low temperature stop. Both switching valves 36 are shut off (step 112). When the above processing is executed, the state during the low-temperature stop shown in FIG. 3B, that is, the state where the cooling water cannot be frozen is realized. Thereafter, the transferred flag is turned on (step 114), and then the current routine is terminated.

燃料電池10の運転中は、上記ステップ100において運転停止の判断が否定される。この場合は、次に、始動時フラグがONであるか否かが判別される(ステップ116)。始動時フラグは、後述するように、通常運転時の動作が開始された時点でONとされるフラグである。従って、このフラグがONであると判断された場合は、このルーチンにより実行すべき処理が既に完了していると判断できる。この場合、以後速やかに今回のルーチンが終了される。   During operation of the fuel cell 10, the determination of operation stop is denied in step 100. In this case, it is next determined whether or not the starting flag is ON (step 116). As will be described later, the start time flag is a flag that is turned ON when an operation during normal operation is started. Therefore, if it is determined that this flag is ON, it can be determined that the processing to be executed by this routine has already been completed. In this case, the current routine is immediately terminated thereafter.

一方、上記ステップ116において、始動時フラグがONでないと判断された場合は、次に、移送済みフラグがONであるか否かが判別される(ステップ118)。移送済みフラグは、上記の如く、燃料電池10の停止中に循環経路内の冷却水が不凍液タンク30に移送された場合に限りONとされるフラグである。このため、そのフラグがONでなければ、冷却水は、不凍液タンク30に移送されることなく、循環経路内に残存していると判断できる。また、この場合は、第1切替弁24および第2切替弁36が、通常運転時の状態のまま維持されていると判断できる。   On the other hand, if it is determined in step 116 that the start flag is not ON, it is next determined whether or not the transferred flag is ON (step 118). As described above, the transferred flag is a flag that is turned ON only when the cooling water in the circulation path is transferred to the antifreeze liquid tank 30 while the fuel cell 10 is stopped. Therefore, if the flag is not ON, it can be determined that the cooling water remains in the circulation path without being transferred to the antifreeze liquid tank 30. Further, in this case, it can be determined that the first switching valve 24 and the second switching valve 36 are maintained in the state during normal operation.

この場合、温暖始動時の動作(図2参照)を開始するべく、先ず、燃料電池10の内部温度が活性温度まで上昇したかが判別される(ステップ120)。燃料電池10の内部温度が活性温度に達していない場合は、その温度は未だ上昇させるべきであり、燃料電池10の冷却を開始すべきでないと判断できる。このため、活性温度への到達が認められない場合は、ポンプ18をOFF状態としたまま、つまり、冷却水の循環を開始しないまま、その到達が待たれる。   In this case, to start the warm start operation (see FIG. 2), first, it is determined whether the internal temperature of the fuel cell 10 has increased to the activation temperature (step 120). If the internal temperature of the fuel cell 10 has not reached the activation temperature, it can be determined that the temperature should still be raised and cooling of the fuel cell 10 should not be started. For this reason, when the activation temperature is not reached, the arrival of the pump 18 is awaited with the pump 18 kept in the OFF state, that is, without starting the circulation of the cooling water.

そして、燃料電池10の内部温度が活性温度に達したと判断されると、内部温度の過熱を防ぐため、ポンプ18がON状態とされる(ステップ122)。その結果、以後、燃料電池10の内部温度が適当な温度に維持されるように、通常運転時の動作(図2参照)が開始される。以上の処理が終わると、始動時フラグがOFFとされ(ステップ124)、その後今回のルーチンが終了される。   When it is determined that the internal temperature of the fuel cell 10 has reached the activation temperature, the pump 18 is turned on to prevent overheating of the internal temperature (step 122). As a result, thereafter, the operation during normal operation (see FIG. 2) is started so that the internal temperature of the fuel cell 10 is maintained at an appropriate temperature. When the above processing is completed, the starting flag is turned off (step 124), and then the current routine is terminated.

燃料電池10の停止時に、低温停止時動作が行われていた場合は、燃料電池10の再始動後に、ステップ118において、移送済みフラグがONであると判断される(ステップ118)。この場合は、移送済みフラグがOFFとされた後(ステップ126)、図4(A)に示す低温始動時の動作を開始するべく、第1切替弁24が第1状態に、また、第2切替弁36が第2状態に、それぞれ制御される(ステップ128)。その結果、ポンプ18がリザーブタンク26に導通し、かつ、分離膜ユニット38が熱交換器42に導通する状態が形成される。   If the operation at the time of low temperature stop is performed when the fuel cell 10 is stopped, it is determined that the transferred flag is ON in step 118 after the fuel cell 10 is restarted (step 118). In this case, after the transferred flag is turned OFF (step 126), the first switching valve 24 is set to the first state and the second state is started in order to start the operation at the low temperature start shown in FIG. The switching valve 36 is controlled to the second state (step 128). As a result, a state is formed in which the pump 18 is conducted to the reserve tank 26 and the separation membrane unit 38 is conducted to the heat exchanger 42.

次に、燃料電池10の内部温度が活性温度まで上昇したかが判別される(ステップ130)。燃料電池10の内部温度が活性温度に達していない場合は、その温度は未だ上昇させるべきであり、燃料電池10に冷却水を流入させるべきではないと判断できる。このため、活性温度への到達が認められない場合は、ポンプ18がOFF状態に維持され、その結果、低温始動時の状態(図4(A)に示す状態)が維持される。   Next, it is determined whether the internal temperature of the fuel cell 10 has increased to the activation temperature (step 130). When the internal temperature of the fuel cell 10 does not reach the activation temperature, it can be determined that the temperature should still be raised and that the cooling water should not flow into the fuel cell 10. For this reason, when reaching | attaining to activation temperature is not recognized, the pump 18 is maintained in an OFF state, As a result, the state (state shown to FIG. 4 (A)) at the time of a low temperature start is maintained.

燃料電池10の内部温度が活性温度に達したと判断された場合は、内部温度の過熱を防ぐため、ポンプ18がON状態とされる(ステップ132)。その結果、低温始動時の動作に代えて、図4(B)に示す低温暖機過程の動作が開始される。つまり、不凍液タンク30の中から純水を分離抽出して、その純水を、燃料電池10を経由してリザーブタンク26まで流通させる動作が開始される。   If it is determined that the internal temperature of the fuel cell 10 has reached the activation temperature, the pump 18 is turned on to prevent overheating of the internal temperature (step 132). As a result, instead of the operation at the low temperature start, the operation of the low warmer process shown in FIG. 4B is started. That is, the operation of separating and extracting pure water from the antifreeze liquid tank 30 and distributing the pure water to the reserve tank 26 via the fuel cell 10 is started.

次に、水分離の完了条件が成立したか否かが判別される(ステップ134)。水分離の完了条件は、不凍液タンク30の中から十分な量の純水が取り出されたと判断できる時点で、より具体的には、通常運転時の動作を行うに十分な量の純水がリザーブタンク26に蓄えられたと判断できる時点で、その成立が認められる。この条件は、例えば、ポンプ18がONとされた後の経過時間が所定時間に達した時点でその成立が判定される。   Next, it is determined whether or not the water separation completion condition is satisfied (step 134). The condition for completing the water separation is when it can be determined that a sufficient amount of pure water has been taken out of the antifreeze liquid tank 30, and more specifically, a sufficient amount of pure water is reserved to perform operations during normal operation. When it can be determined that the fuel has been stored in the tank 26, its establishment is recognized. This condition is determined to be satisfied when, for example, the elapsed time after the pump 18 is turned on reaches a predetermined time.

水分離の完了条件が成立したと判別されると、低温暖機過程の動作(図4(B)参照)を止めて、通常運転時の動作(図2参照)を開始するべく、第2切替弁36が第2状態から第1状態に切り替えられる(ステップ136)。その結果、通常運転に必要な循環経路、つまり、不凍液タンク30および分離膜ユニット38を含まずに環路を形成する循環経路が形成される。以後、ステップ124において始動時フラグがOFFとされ、その後今回のルーチンが終了される。   When it is determined that the water separation completion condition is satisfied, the second switching is performed to stop the operation of the low warming process (see FIG. 4B) and start the operation in the normal operation (see FIG. 2). The valve 36 is switched from the second state to the first state (step 136). As a result, a circulation path necessary for normal operation, that is, a circulation path that forms a circulation path without including the antifreeze liquid tank 30 and the separation membrane unit 38 is formed. Thereafter, in step 124, the starting flag is turned OFF, and then the current routine is terminated.

以上の処理によれば、燃料電池10が低温環境下で停止している場合にのみ、つまり、純水の冷却水が凍結する恐れのある場合にのみ、その冷却水に不凍液を混合し、純水の凍結が予想されない場合には、純水を不凍液と混ぜることなく純水のまま存在させておくことができる。このため、本実施形態のシステムによれば、分離膜ユニット38の負担を十分に軽減しつつ、燃料電池10に、安定的かつ効率的に、電力を生成させ続けることができる。そして、このシステムによれば、分離膜ユニット38の負担が少ないことから、その経時劣化を十分に抑制することができ、システム自体の耐久性を大きく改善することができる。   According to the above processing, only when the fuel cell 10 is stopped in a low-temperature environment, that is, when there is a possibility that the cooling water of the pure water may freeze, the antifreeze is mixed with the cooling water, If water freezing is not expected, the pure water can be left as it is without being mixed with the antifreeze. For this reason, according to the system of this embodiment, it is possible to keep the fuel cell 10 generating electric power stably and efficiently while sufficiently reducing the burden on the separation membrane unit 38. According to this system, since the burden on the separation membrane unit 38 is small, the deterioration with time can be sufficiently suppressed, and the durability of the system itself can be greatly improved.

ところで、上述した実施の形態1においては、燃料電池10が、温暖な環境下で停止した場合は、循環経路の中に純水の冷却水を残存させたままでポンプ18を停止させることとしているが(温暖停止時の動作)、温暖環境下での停止の手法はこれに限定されるものではない。すなわち、温暖環境下での停止時においても、燃料電池10の内部から冷却水を抜き出すべく、循環経路内の冷却水をリザーブタンク26に回収した後にポンプ18を停止させることとしてもよい。このような手法によれば、温暖環境下での始動時にも、低温環境下での始動時の場合と同様に、燃料電池10の周辺における熱容量を小さくしておくことが可能であり、その暖機に要する時間を短縮することが可能である。   By the way, in the first embodiment described above, when the fuel cell 10 is stopped in a warm environment, the pump 18 is stopped with pure water cooling water remaining in the circulation path. (Operation at the time of warm stop), the stop method in the warm environment is not limited to this. That is, even when stopping in a warm environment, the pump 18 may be stopped after the cooling water in the circulation path is collected in the reserve tank 26 in order to extract the cooling water from the inside of the fuel cell 10. According to such a method, it is possible to reduce the heat capacity around the fuel cell 10 even when starting in a warm environment, as in the case of starting in a low temperature environment. The time required for the machine can be shortened.

尚、上述した実施の形態1においては、通常運転時に用いられる循環経路が前記第1の発明における「冷却機構」に、加湿部16が前記第1の発明における「加湿機構」に、不凍液タンク30、第1切替弁24、第2切替弁26およびCPU50が前記第1の発明における「不凍液混合機構」に、分離膜ユニット38が前記第1の発明における「冷却水分離機構」に、それぞれ相当している。   In the first embodiment described above, the circulation path used during normal operation is the “cooling mechanism” in the first invention, the humidifying unit 16 is the “humidifying mechanism” in the first invention, and the antifreeze liquid tank 30 is. The first switching valve 24, the second switching valve 26 and the CPU 50 correspond to the “antifreeze mixing mechanism” in the first invention, and the separation membrane unit 38 corresponds to the “cooling water separation mechanism” in the first invention. ing.

本発明の変形例
次に、図6を参照して、本発明の変形例について説明する。図6に示す変形例は、(1)不凍液タンク30および分離膜ユニット30、並びにそれらに通じる分岐機構(第1切替弁24、第2切替弁36、および管路32,40)が省かれている点、(2)リザーブタンク26と熱交換器42の間に切替弁60が配置されている点、および(3)加湿部16が除かれている点を除き、実施の形態1のシステムと同様のハードウェア構成を有している。尚、図6に示すシステムにおいては、凍結を避けるべく、不凍液を含む冷却水が用いられるものとする。
Next, a modified example of the present invention will be described with reference to FIG. In the modification shown in FIG. 6, (1) the antifreeze liquid tank 30 and the separation membrane unit 30 and the branch mechanism (the first switching valve 24, the second switching valve 36, and the pipes 32 and 40) connected to them are omitted. The system of Embodiment 1 except that (2) the switching valve 60 is disposed between the reserve tank 26 and the heat exchanger 42, and (3) the humidifying unit 16 is removed. It has the same hardware configuration. In the system shown in FIG. 6, it is assumed that cooling water containing antifreeze is used to avoid freezing.

図6に示すシステムにおいて、切替弁60は、CPU50からの指令を受けて、開弁状態および閉弁状態の何れかを選択的に実現することができる。図6に示す燃料電池システムは、通常運転時には、切替弁60を開弁状態としてポンプ18を作動させる。この場合、循環経路の中を冷却水が循環するため、燃料電池10の内部を適当に冷却することができる。   In the system shown in FIG. 6, the switching valve 60 can selectively realize either the valve opening state or the valve closing state in response to a command from the CPU 50. The fuel cell system shown in FIG. 6 operates the pump 18 with the switching valve 60 opened during normal operation. In this case, since the cooling water circulates in the circulation path, the inside of the fuel cell 10 can be appropriately cooled.

図6に示すシステムは、燃料電池10が温暖な環境下、具体的には、外気温度が5℃を超えるような環境下で停止した場合は、即座にポンプ18をOFF状態として、冷却水の循環を停止させる。一方、燃料電池10の停止時或いは停止中に、低温環境が検知された場合、具体的には、外気温度が0〜5℃の間に設定した所定の判定値を下回るような環境が検知された場合は、その時点で、燃料電池10の中から冷却水を抜き取るための抜き取り処理を開始する。   In the system shown in FIG. 6, when the fuel cell 10 is stopped in a warm environment, specifically, in an environment where the outside air temperature exceeds 5 ° C., the pump 18 is immediately turned off and the cooling water is turned off. Stop circulation. On the other hand, when a low temperature environment is detected when the fuel cell 10 is stopped or during the stop, specifically, an environment in which the outside air temperature falls below a predetermined determination value set between 0 to 5 ° C. is detected. If so, an extraction process for extracting the cooling water from the fuel cell 10 is started at that time.

冷却水の抜き取り処理は、具体的には、切替弁60を閉弁状態としてポンプ18をON状態とすることで実行することができる。このような処理によれば、切替弁60の下流に存在する冷却水をリザーブタンク26に回収することができる。冷却水の回収が終了したと判断されると(例えば、所定の実行時間が経過したと判断されると)、その時点で、抜き取り処理を終了すべく、ポンプ18がOFF状態とされる。   Specifically, the cooling water extraction process can be executed by closing the switching valve 60 and turning on the pump 18. According to such a process, the cooling water existing downstream of the switching valve 60 can be recovered in the reserve tank 26. When it is determined that the cooling water has been collected (for example, when it is determined that a predetermined execution time has elapsed), at that time, the pump 18 is turned off to end the extraction process.

以後、燃料電池10の内部には、切替弁60が開弁されるまで冷却水が流入しない。切替弁60は、燃料電池10が低温環境下で停止した場合は、燃料電池10が再始動され、その後、燃料電池10の内部温度が活性温度に達するまで閉状態に維持される。このような処理によれば、低温環境下での再始動時に、冷却水が存在しない分だけ燃料電池10の熱容量を小さくしておくことができる。このため、図6に示すシステムによれば、低温環境下での始動の後、燃料電池10の暖機を迅速に終了させることができ、燃料電池10が効率的に電力を発生する状況を短時間で作り出すことができる。   Thereafter, the cooling water does not flow into the fuel cell 10 until the switching valve 60 is opened. The switching valve 60 is maintained in the closed state until the fuel cell 10 is restarted when the fuel cell 10 is stopped in a low temperature environment, and then the internal temperature of the fuel cell 10 reaches the activation temperature. According to such a process, the heat capacity of the fuel cell 10 can be reduced by the amount of no cooling water when restarting in a low temperature environment. For this reason, according to the system shown in FIG. 6, the warm-up of the fuel cell 10 can be quickly terminated after starting in a low temperature environment, and the situation in which the fuel cell 10 efficiently generates electric power can be shortened. Can be produced in time.

本発明の実施の形態1の燃料電池システムの構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of the fuel cell system of Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1のシステムが「通常運転時」、「温暖停止時」、および「温暖始動時」において実現する状態を表す図である。It is a figure showing the state which the system of Embodiment 1 of this invention implement | achieves in "at the time of normal operation", "at the time of warm stop", and "at the time of warm start". 図3(A)は、本発明の実施の形態1のシステムが「低温停止時」において実現する状態を示す。図3(B)は、本発明の実施の形態1のシステムが「低温停止中」において実現する状態を示す。FIG. 3A shows a state realized by the system according to the first embodiment of the present invention at “during cold stop”. FIG. 3B shows a state realized by the system according to the first embodiment of the present invention in “during cold stop”. 図4(A)は、本発明の実施の形態1のシステムが「低温始動時」において実現する状態を示す。図4(B)は、本発明の実施の形態1のシステムが「低温暖機過程」において実現する状態を示す。FIG. 4A shows a state that the system according to the first embodiment of the present invention realizes at “at the time of cold start”. FIG. 4B shows a state realized by the system according to the first embodiment of the present invention in the “low warming process”. 本発明の実施の形態1において実行されるルーチンのフローチャートを示す。3 shows a flowchart of a routine executed in Embodiment 1 of the present invention. 本発明の変形例の燃料電池システムの構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of the fuel cell system of the modification of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 燃料電池
16 加湿部
18 ポンプ
24 第1切替弁
26 リザーブタンク
30 不凍液タンク
36 第2切替弁
38 分離膜ユニット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell 16 Humidification part 18 Pump 24 1st switching valve 26 Reserve tank 30 Antifreeze liquid tank 36 2nd switching valve 38 Separation membrane unit

Claims (3)

燃料電池と、
前記燃料電池を純水の冷却水で冷却する冷却機構と、
前記燃料電池に供給される反応ガスを前記冷却水により加湿する加湿機構と、
前記燃料電池の運転停止中であり、かつ、前記冷却水の凍結が予想される低温環境下でのみ、前記冷却水を不凍液と混合する不凍液混合機構と、
前記冷却水と前記不凍液との分離が要求される状況下で、前記不凍液混合機構により混合された冷却水を前記不凍液から分離する冷却水分離機構と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell;
A cooling mechanism for cooling the fuel cell with pure water cooling water;
A humidifying mechanism for humidifying the reaction gas supplied to the fuel cell with the cooling water;
An antifreeze mixing mechanism that mixes the cooling water with the antifreeze only under a low temperature environment in which the fuel cell is stopped and the cooling water is expected to freeze;
A cooling water separation mechanism for separating the cooling water mixed by the antifreezing liquid mixing mechanism from the antifreezing liquid under a situation where separation of the cooling water and the antifreezing liquid is required;
A fuel cell system comprising:
前記冷却水分離機構は、前記加湿機構が前記反応ガスを加湿する場合に冷却水を不凍液から分離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。   The fuel cell system according to claim 1, wherein the cooling water separation mechanism separates the cooling water from the antifreeze when the humidification mechanism humidifies the reaction gas. 前記冷却機構は、前記燃料電池を含む冷却水循環経路を含み、
前記不凍液混合機構は、前記冷却水循環経路内の冷却水を回収して、不凍液と混合した状態でその冷却水を貯留する不凍液タンクを含むことを特徴とする請求項1または2記載の燃料電池システム。
The cooling mechanism includes a cooling water circulation path including the fuel cell,
3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the antifreeze liquid mixing mechanism includes an antifreeze liquid tank that collects the cooling water in the cooling water circulation path and stores the cooling water in a mixed state with the antifreeze liquid. .
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114551936A (en) * 2022-01-18 2022-05-27 上海神力科技有限公司 Anti-freezing solution testing device and method for bipolar plate of fuel cell

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