JP2006339112A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To remove water in a gas passage in a fuel cell while maintaining a water content of a solid electrolyte membrane. <P>SOLUTION: A controller 15 performs first purge processing purging the fuel gas flow passage and an oxidation gas flow passage in the fuel cell 1 with high humidity gas by controlling a hydrogen humidification means 4 and an air humidification means 10 after stopping power generation of the fuel cell 1 and performs a second purge processing purging the fuel gas flow passage and the oxidation gas flow passage which are purged with the high humidity gas with low humidity gas after performing the first purge processing. The controller 15 controls the hydrogen humidification means 4 and the air humidification means 10 during the second purge processing so that the amount of water taken out from the fuel cell 1 with the low humidity gas becomes larger than the amount of water carried into the fuel cell 1 with the high humidity gas by the first purge processing. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料極と酸化剤極により固体電解質膜を挟持し、燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates power by sandwiching a solid electrolyte membrane between a fuel electrode and an oxidant electrode and receiving fuel gas and oxidant gas respectively supplied to the fuel electrode and the oxidant electrode.

一般に、発電に伴い生成された水が燃料電池内部から適切に除去されない場合、ガス流路や燃料電池内部のガス拡散層に水が残留することによって、燃料電池内部における反応ガスの拡散が阻害されてしまう。このような現象は一般にフラッディング現象と呼ばれ、このフラッディング現象が発生した場合、反応ガスが拡散により触媒に到達することが妨げられることによって、燃料電池の発電性能が低下してしまう。このため、従来の燃料電池システムは、反応ガスの温度を上げたり、反応ガスの流量を増やす等、運転条件を変更することによって燃料電池からの水の除去性能を向上させることにより、フラッディング現象の発生を抑制している。   In general, when water generated by power generation is not properly removed from the inside of the fuel cell, water remains in the gas flow path and the gas diffusion layer inside the fuel cell, thereby inhibiting the diffusion of the reaction gas inside the fuel cell. End up. Such a phenomenon is generally called a flooding phenomenon. When the flooding phenomenon occurs, the reaction gas is prevented from reaching the catalyst by diffusion, and the power generation performance of the fuel cell is lowered. For this reason, the conventional fuel cell system improves the performance of removing water from the fuel cell by changing the operating conditions, such as increasing the temperature of the reaction gas or increasing the flow rate of the reaction gas. Occurrence is suppressed.

しかしながら、反応ガスの昇温や流量の増加のためには多くのエネルギーが必要となることから、上記のようにしてフラッディング現象の発生を抑制する場合には、システム効率が低下してしまう。また、燃料電池の反応ガス入口側から反応ガス出口側に向かって反応ガスの温度が低下したり、燃料電池内部に反応ガスの流量が少ない箇所があると、結果として水が凝縮,生成してしまう。また、システムの外気温度が氷点下温度のように低い場合には、飽和水蒸気圧が極めて低くなると共に水の凍結が生じるために、反応ガスによって水を除去することが困難になる。   However, since a large amount of energy is required for increasing the temperature of the reaction gas and increasing the flow rate, the system efficiency decreases when the occurrence of the flooding phenomenon is suppressed as described above. Also, if the temperature of the reaction gas decreases from the reaction gas inlet side to the reaction gas outlet side of the fuel cell, or if there is a part where the flow rate of the reaction gas is low inside the fuel cell, water will condense and form as a result. End up. In addition, when the outside air temperature of the system is as low as the freezing temperature, the saturated water vapor pressure becomes extremely low and the water is frozen, so that it is difficult to remove water by the reaction gas.

このような背景から、近年、燃料電池の発電を停止する際、アイドル時よりも多い流量で燃料電池に加湿された反応ガス(加湿ガス)を供給することによりガス流路内の残留水を除去し、その後、加湿された反応ガスよりも少ない流量で燃料電池に加湿されていない乾燥した反応ガス(非加湿ガス)を供給することにより電極内の残留水を除去する燃料電池システムが提案されている(例えば、特許文献1を参照)。そして、このような燃料電池システムによれば、燃料電池を構成する固体電解質膜の劣化を抑制しつつ燃料電池内部の残留水を除去すると共に、燃料電池を速やかに再起動することができる。
特開2004−152600号公報
Against this background, when the fuel cell power generation is stopped in recent years, residual water in the gas flow path is removed by supplying a humidified reaction gas (humidified gas) at a higher flow rate than when idling. Then, a fuel cell system has been proposed in which residual water in the electrode is removed by supplying a dry reaction gas (non-humidified gas) that is not humidified to the fuel cell at a flow rate lower than that of the humidified reaction gas. (For example, refer to Patent Document 1). And according to such a fuel cell system, while suppressing the deterioration of the solid electrolyte membrane which comprises a fuel cell, while removing the residual water inside a fuel cell, a fuel cell can be restarted rapidly.
JP 2004-152600 A

しかしながら、上記のような従来の燃料電池システムによれば、非加湿ガスの供給量が少ないために、燃料電池内部の水を十分に除去することができず、氷点下温度等の低温時に、燃料電池内部に残留した水が凍結することによって燃料電池の再起動が困難になることがある。   However, according to the conventional fuel cell system as described above, since the supply amount of the non-humidified gas is small, the water inside the fuel cell cannot be sufficiently removed, and the fuel cell is at a low temperature such as a sub-freezing temperature. It may be difficult to restart the fuel cell due to freezing of water remaining inside.

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、固体電解質膜の含水率を保ちつつ、燃料電池内部のガス流路内の水を排除することが可能な燃料電池システムを提供することにある。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a fuel capable of eliminating water in the gas flow path inside the fuel cell while maintaining the moisture content of the solid electrolyte membrane. It is to provide a battery system.

上述の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池の発電停止後、反応ガス流路を高湿度ガスによりパージする第1パージ処理を実行し、第1パージ処理実行後、高湿度ガスによりパージされた反応ガス流路を低湿度ガスによりパージする第2パージ処理を実行し、第2パージ処理実行時に低湿度ガスにより燃料電池から持ち出される水の量が第1パージ処理において高湿度ガスにより燃料電池に持ち込まれる水の量以上になるように制御する。   In order to solve the above-described problem, a fuel cell system according to the present invention performs a first purge process for purging a reaction gas channel with a high-humidity gas after power generation of the fuel cell is stopped, and after the first purge process is performed. The second purge process for purging the reaction gas flow path purged with the high-humidity gas with the low-humidity gas is executed, and the amount of water taken out from the fuel cell by the low-humidity gas when the second purge process is executed is the first purge process. Is controlled so as to be more than the amount of water brought into the fuel cell by the high humidity gas.

本発明に係る燃料電池システムによれば、第2パージ処理実行時に低湿度ガスにより燃料電池から持ち出される水の量が第1パージ処理において高湿度ガスにより燃料電池に持ち込まれる水の量以上になるように制御するので、固体電解質膜の含水率を保ちつつ、燃料電池内部のガス流路内の水を排除することができる。またこの結果、低温時に水が凍結することによって、燃料電池の再起動が困難になることを抑制できる。   According to the fuel cell system of the present invention, the amount of water taken out from the fuel cell by the low-humidity gas when the second purge process is performed is equal to or greater than the amount of water brought into the fuel cell by the high-humidity gas in the first purge process. Thus, the water in the gas flow path inside the fuel cell can be eliminated while maintaining the moisture content of the solid electrolyte membrane. As a result, it is possible to suppress the difficulty in restarting the fuel cell due to water freezing at low temperatures.

以下、図面を参照して、本発明の第1及び第2の実施形態となる燃料電池システムの構成及びその動作について説明する。   Hereinafter, the configuration and operation of the fuel cell system according to the first and second embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

〔燃料電池システムの構成〕
本発明の第1の実施形態となる燃料電池システムは、図1に示すように、燃料極1a及び酸化剤極1bにそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスとしての水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池1を備える。なお、この実施形態では、燃料電池1は、燃料極1aと酸化剤極1bにより水素イオン伝導性を有する高分子固体電解質膜を挟持する固体電解質型燃料電池により構成されている。また、燃料極1a及び酸化剤1bにおける電気化学反応及び燃料電池1全体としての電気化学反応は以下に示す式(1)〜(3)による。
[Configuration of fuel cell system]
As shown in FIG. 1, the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention generates power by receiving supply of hydrogen and air as fuel gas and oxidant gas to the fuel electrode 1a and the oxidant electrode 1b, respectively. A fuel cell 1 is provided. In this embodiment, the fuel cell 1 is constituted by a solid oxide fuel cell in which a polymer solid electrolyte membrane having hydrogen ion conductivity is sandwiched between a fuel electrode 1a and an oxidant electrode 1b. Moreover, the electrochemical reaction in the fuel electrode 1a and the oxidant 1b and the electrochemical reaction in the fuel cell 1 as a whole are based on the following formulas (1) to (3).

〔燃料極〕 H2 → 2H+ +2e- …(1)
〔酸化剤極〕 1/2 O2 +2H+ +2e- → H2O …(2)
〔全体〕 H2 +1/2 O2 → H2O …(3)
〔水素系の構成〕
上記燃料電池システムは、図示しない水素供給装置から供給された水素の流量を調整する水素流量制御手段2と、水素流量制御手段2から供給された水素を加湿して水素供給流路3を介して燃料電池1の燃料極1aに供給する水素加湿手段4を備える。燃料極1aで未使用の水素は、水素排出流路5を介して系外に排出される。また、水素加湿手段4の上流側及び下流側には、バルブ6a,6bが設けられ、バルブ6a,6bの開度を調整することにより、水素流量制御手段2から供給された水素を水素加湿手段4を経由せずに(加湿せずに)バイパス流路7を介して直接燃料極1aに供給可能なように構成されている。
[Fuel electrode] H 2 → 2H + + 2e (1)
[Oxidant electrode] 1/2 O 2 + 2H + + 2e → H 2 O (2)
[Overall] H 2 +1/2 O 2 → H 2 O (3)
[Configuration of hydrogen system]
The fuel cell system includes a hydrogen flow rate control means 2 that adjusts the flow rate of hydrogen supplied from a hydrogen supply device (not shown), and humidifies the hydrogen supplied from the hydrogen flow rate control means 2 via the hydrogen supply flow path 3. Hydrogen humidifying means 4 for supplying fuel electrode 1a of fuel cell 1 is provided. Unused hydrogen in the fuel electrode 1 a is discharged out of the system through the hydrogen discharge channel 5. Further, valves 6a and 6b are provided on the upstream side and the downstream side of the hydrogen humidifying means 4, and the hydrogen supplied from the hydrogen flow rate control means 2 is adjusted by adjusting the opening degree of the valves 6a and 6b. The fuel electrode 1a can be directly supplied to the fuel electrode 1a via the bypass channel 7 without passing through (without humidification) 4.

〔空気系の構成〕
上記燃料電池システムは、図示しない空気供給装置から供給された空気の流量を調整する空気流量制御手段8と、空気流量制御手段8から供給された空気を加湿し空気供給流路9を介して燃料電池1の酸化剤極1bに供給する空気加湿手段10を備える。酸化剤極1bで未使用の空気は、空気排出流路11を介して系外に排出される。また、空気加湿手段10の上流側及び下流側には、バルブ12a,12bが設けられ、バルブ12a,12bの開度を調整することにより、空気流量制御手段8から供給された空気を空気加湿手段10を経由せずに(加湿せずに)バイパス流路13を介して直接酸化剤極1bに供給可能なように構成されている。
[Air system configuration]
The fuel cell system includes an air flow rate control means 8 that adjusts the flow rate of air supplied from an air supply device (not shown), and humidifies the air supplied from the air flow rate control means 8 to fuel through an air supply flow path 9. Air humidifying means 10 for supplying the oxidant electrode 1b of the battery 1 is provided. Unused air at the oxidizer electrode 1 b is discharged out of the system through the air discharge channel 11. Valves 12a and 12b are provided on the upstream side and downstream side of the air humidifying means 10, and the air supplied from the air flow rate control means 8 is adjusted by adjusting the opening degree of the valves 12a and 12b. The oxidant electrode 1b can be directly supplied via the bypass channel 13 without going through 10 (without humidification).

〔制御系の構成〕
上記燃料電池システムは、時間を計測するためのタイマー14と、燃料電池システム全体の動作を制御するコントローラ15を備える。そして、このような構成を有する燃料電池システムは、燃料電池1が発電を停止した際、以下に示すパージ処理を実行することにより、燃料電池1を構成する高分子固体電解質膜の含水率を保ちつつ、燃料電池1内部のガス流路内の水を排除する。以下、図2に示すフローチャートを参照して、パージ処理を実行する際の燃料電池システムの動作について説明する。
[Control system configuration]
The fuel cell system includes a timer 14 for measuring time and a controller 15 for controlling the operation of the entire fuel cell system. The fuel cell system having such a configuration maintains the moisture content of the polymer solid electrolyte membrane constituting the fuel cell 1 by executing the following purge process when the fuel cell 1 stops generating power. Meanwhile, water in the gas flow path inside the fuel cell 1 is eliminated. The operation of the fuel cell system when performing the purge process will be described below with reference to the flowchart shown in FIG.

〔パージ処理〕
図2に示すフローチャートは、燃料電池1の発電電流の取り出しが停止するのに応じて開始となり、パージ処理はステップS1の処理に進む。
[Purge process]
The flowchart shown in FIG. 2 starts when the extraction of the generated current of the fuel cell 1 stops, and the purge process proceeds to step S1.

ステップS1の処理では、コントローラ15が、バルブ6a,6b,12a,12b、水素加湿手段4、及び空気加湿手段10を制御することにより、相対湿度100[%](高湿度)の水素及び空気をそれぞれ燃料極1a及び酸化剤極1bに供給する(第1パージ処理)。より具体的には、コントローラ15は、燃料電池1に供給される水の量が燃料電池1から排出される水の量よりも多くなるように、燃料電池1の入口側における水素及び空気の相対湿度を制御する。また、高湿度の水素及び空気の供給と同時に、コントローラ15は、タイマー14をオンにすることにより、時間計測を開始する。このような処理によれば、燃料電池1の内部に残留する水の量は、図3に示すように時間Tの経過に伴い増加する。これにより、ステップS1の処理は完了し、パージ処理はステップS2の処理に進む。   In the process of step S1, the controller 15 controls the valves 6a, 6b, 12a, 12b, the hydrogen humidifying means 4, and the air humidifying means 10 to generate hydrogen and air having a relative humidity of 100% (high humidity). The fuel electrode 1a and the oxidant electrode 1b are respectively supplied (first purge process). More specifically, the controller 15 determines the relative amount of hydrogen and air on the inlet side of the fuel cell 1 so that the amount of water supplied to the fuel cell 1 is larger than the amount of water discharged from the fuel cell 1. Control humidity. Simultaneously with the supply of high-humidity hydrogen and air, the controller 15 starts time measurement by turning on the timer 14. According to such processing, the amount of water remaining inside the fuel cell 1 increases with the passage of time T as shown in FIG. Thereby, the process of step S1 is completed and the purge process proceeds to the process of step S2.

ステップS2の処理では、コントローラ15が、タイマー14の計時時間を参照して、上記ステップS1の処理の実行を開始してから所定時間T1経過したか否かを判別する。そして、ステップS1の処理の実行を開始してから所定時間T1経過するのに応じて、コントローラ15は、タイマー14をオフにした後、パージ処理をステップS3の処理に進める。なお、この所定時間T1は、高湿度の水素及び空気の供給を開始してから燃料電池1内部の水の量が所定量に達するまでの時間であり、この時間は燃料電池1の内部に水分センサを設ける等して予め実験により求められる値である。   In the process of step S2, the controller 15 refers to the time measured by the timer 14 and determines whether or not a predetermined time T1 has elapsed since the execution of the process of step S1 was started. Then, as the predetermined time T1 elapses after the execution of the process in step S1, the controller 15 turns off the timer 14, and then advances the purge process to the process in step S3. The predetermined time T1 is a time from when the supply of high-humidity hydrogen and air is started until the amount of water in the fuel cell 1 reaches a predetermined amount. This value is obtained in advance by experiments by providing a sensor or the like.

ステップS3の処理では、コントローラ15が、バルブ6a,6b,12a,12bの開度を調整し、水素加湿手段4及び空気加湿手段10を経由させずに水素及び空気をそれぞれ燃料極1a及び酸化剤極1bに供給することにより、乾燥した(低湿度の)水素及び空気をそれぞれ燃料極1a及び酸化剤極1bに供給する(第2パージ処理)。また、コントローラ15は、水素流量制御手段2及び空気流量制御手段8を制御することにより、燃料極1a及び酸化剤極1bに供給される水素及び空気の流量を第1パージ処理時よりも増加させると共に、乾燥した水素及び空気の供給と同時にタイマー14をオンにすることにより、時間計測を開始する。このような処理によれば、燃料電池1内部に残留する水の量は、図3に示すように時間Tの経過に伴い低下する。これにより、ステップS3の処理は完了し、パージ処理はステップS4の処理に進む。   In the process of step S3, the controller 15 adjusts the opening degree of the valves 6a, 6b, 12a, 12b, and passes the hydrogen and air to the fuel electrode 1a and the oxidant without passing through the hydrogen humidifying means 4 and the air humidifying means 10, respectively. By supplying the electrode 1b, dry (low humidity) hydrogen and air are supplied to the fuel electrode 1a and the oxidant electrode 1b, respectively (second purge process). Further, the controller 15 controls the hydrogen flow rate control means 2 and the air flow rate control means 8 to increase the flow rates of hydrogen and air supplied to the fuel electrode 1a and the oxidant electrode 1b as compared with the first purge process. At the same time, the time measurement is started by turning on the timer 14 simultaneously with the supply of the dry hydrogen and air. According to such processing, the amount of water remaining in the fuel cell 1 decreases with the passage of time T as shown in FIG. Thereby, the process of step S3 is completed, and the purge process proceeds to the process of step S4.

ステップS4の処理では、コントローラ15が、タイマー14の計時時間を参照して、上記ステップS3の処理の実行を開始してから所定時間T2経過したか否かを判別する。ここで、この所定時間T2は、乾燥した水素及び空気の供給を開始してから燃料電池1内部に残留する水の量がマイナスになる時間であり、所定時間T1よりも長く、燃料電池1の内部に水分センサを設ける等して予め実験により求められる値である。なお、乾燥した水素及び空気の供給を開始してから燃料電池1内部に残留する水の量がマイナスになる時間に所定時間T2を設定することにより、高分子固体電解質膜の水の一部が燃料電池1の外部に排出され、第2パージ処理後に燃料電池1内に残留する水の量は第1パージ処理を実行する前よりも少なくなる。そして、ステップS3の処理の実行を開始してから所定時間T2経過するのに応じて、コントローラ15は一連のパージ処理を終了し、燃料電池システムは運転停止状態となる。   In the process of step S4, the controller 15 refers to the time measured by the timer 14 and determines whether or not a predetermined time T2 has elapsed since the execution of the process of step S3 was started. Here, the predetermined time T2 is a time when the amount of water remaining in the fuel cell 1 becomes negative after the supply of dry hydrogen and air is started, and is longer than the predetermined time T1, It is a value obtained in advance by an experiment by providing a moisture sensor inside. In addition, by setting the predetermined time T2 to the time when the amount of water remaining in the fuel cell 1 becomes negative after the supply of dry hydrogen and air is started, a part of the water in the polymer solid electrolyte membrane is The amount of water discharged outside the fuel cell 1 and remaining in the fuel cell 1 after the second purge process is smaller than before the first purge process is performed. Then, as the predetermined time T2 elapses after the execution of the process of step S3 is started, the controller 15 finishes a series of purge processes, and the fuel cell system is brought into a stopped state.

以上の説明から明らかなように、本発明の第1の実施形態となる燃料電池システムによれば、コントローラ15が、燃料電池1の発電停止後、水素加湿手段4及び空気加湿手段10を制御することにより、燃料電池1内部の燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を高湿度ガスによりパージする第1パージ処理を実行し、第1パージ処理実行後、高湿度ガスによりパージされた燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を低湿度ガスによりパージする第2パージ処理を実行する。また、コントローラ15は、第2パージ処理実行時、低湿度ガスにより燃料電池1から取り出される水の量が第1パージ処理において高湿度ガスにより燃料電池1に持ち込まれる水の量以上になるように水素加湿手段4及び空気加湿手段10を制御する。   As is apparent from the above description, according to the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention, the controller 15 controls the hydrogen humidifying means 4 and the air humidifying means 10 after the power generation of the fuel cell 1 is stopped. Thus, the first purge process for purging the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path inside the fuel cell 1 with the high humidity gas is performed, and after the first purge process is performed, the fuel gas flow purged with the high humidity gas is performed. A second purge process for purging the channel and the oxidant gas channel with the low humidity gas is executed. Further, the controller 15 causes the amount of water taken out from the fuel cell 1 by the low-humidity gas to be equal to or greater than the amount of water brought into the fuel cell 1 by the high-humidity gas in the first purge processing when the second purge process is executed. The hydrogen humidifying means 4 and the air humidifying means 10 are controlled.

このような構成によれば、燃料電池1を構成する高分子固体電解質膜の含水率を保ちつつ、ガス流路に残留している水を排除することができるので、低温時にガス流路に残留していた水が凍結し、燃料電池1の発電が阻害されることを抑制できる。なお、この実施形態では、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路の双方に高湿度ガス及び低湿度ガスを供給したが、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路の一方にのみ高湿度ガス及び低湿度ガスを供給するようにしてもよい。   According to such a configuration, water remaining in the gas channel can be eliminated while maintaining the moisture content of the polymer solid electrolyte membrane constituting the fuel cell 1, so that it remains in the gas channel at a low temperature. It can suppress that the water which was doing freezes and the electric power generation of the fuel cell 1 is inhibited. In this embodiment, the high-humidity gas and the low-humidity gas are supplied to both the fuel gas channel and the oxidant gas channel, but the high-humidity gas and the oxidant gas channel are only supplied to one of the fuel gas channel and the oxidant gas channel. A low humidity gas may be supplied.

また、本発明の第1の実施形態となる燃料電池システムによれば、コントローラ15が、第2パージ処理における低湿度ガスの流量が第1パージ処理における高湿度ガスの流量以上になるように制御するので、第1パージ処理において燃料電池1内部に持ち込まれた水が残留した場合であっても、第2パージ処理において燃料電池1内部に残留している水を排出し、残留している水によってガス流路が凍結することを回避できる。   Further, according to the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention, the controller 15 controls the flow rate of the low humidity gas in the second purge process to be equal to or higher than the flow rate of the high humidity gas in the first purge process. Therefore, even if the water brought into the fuel cell 1 in the first purge process remains, the water remaining in the fuel cell 1 in the second purge process is discharged, and the remaining water Thus, it is possible to avoid freezing of the gas flow path.

また、本発明の第1の実施形態となる燃料電池システムによれば、コントローラ15が、第1パージ処理実行時、高湿度ガスにより燃料電池1に供給される水の量が燃料電池1から排出される水の量以上になるように、燃料電池1の反応ガス入口側における高湿度ガスの相対湿度を制御するので、燃料電池1の停止時の状態が乾燥傾向であったとしても、高分子固体電解質膜を十分に加湿することができる。   Further, according to the fuel cell system of the first embodiment of the present invention, the controller 15 discharges from the fuel cell 1 the amount of water supplied to the fuel cell 1 by the high humidity gas when the first purge process is executed. Since the relative humidity of the high-humidity gas on the reaction gas inlet side of the fuel cell 1 is controlled so as to be equal to or greater than the amount of water to be produced, even if the state when the fuel cell 1 is stopped tends to dry, the polymer The solid electrolyte membrane can be sufficiently humidified.

また、本発明の第1の実施形態となる燃料電池システムによれば、コントローラ15が、第1パージ処理を所定時間T1実行した後、第2パージ処理を所定時間T2実行する。すなわち、コントローラ15は、時間によって実行するパージ処理を制御するので、燃料電池1内部の加湿状態を検出する装置を用いることなく、第1パージ処理及び第2パージ処理を実行することができる。   In the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention, the controller 15 executes the first purge process for a predetermined time T1, and then executes the second purge process for a predetermined time T2. That is, since the controller 15 controls the purge process executed according to time, the first purge process and the second purge process can be executed without using a device for detecting the humidified state inside the fuel cell 1.

また、本発明の第1の実施形態となる燃料電池システムによれば、所定時間T2は所定時間T1よりも長く設定されているので、第1パージ処理によって燃料電池1の内部に過剰な水が残留している場合であっても、第2パージ処理によって燃料電池1内部に残留している水を排出し、残留している水によってガス流路が凍結することを回避できる。   Further, according to the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention, the predetermined time T2 is set longer than the predetermined time T1, so that excessive water is generated inside the fuel cell 1 by the first purge process. Even if it remains, it is possible to discharge the water remaining inside the fuel cell 1 by the second purge process and to avoid the gas flow path being frozen by the remaining water.

〔燃料電池システムの構成〕
本発明の第2の実施形態となる燃料電池システムは、図4に示すように、上記第1の実施形態となる燃料電池システムの構成に加えて、冷却液タンク21内に蓄えられた燃料電池1を冷却するための冷却液を冷却液循環流路22を介して燃料電池1に圧送する冷却液ポンプ23と、燃料電池1内部の冷却液流路24から排出された冷却液を冷却するラジエータ25と、ラジエータ25に風を送ることによってラジエータ25の冷却能力を調整するラジエータファン26とを備える。そして、このような構成を有する燃料電池システムは、燃料電池1の発電電流の取り出しが停止した際、以下に示すパージ処理を実行することにより、燃料電池1を構成する高分子固体電解質膜の含水率を保ちつつ、燃料電池1内部のガス流路内の水を排除する。以下、図5に示すフローチャートを参照して、パージ処理を実行する際の燃料電池システムの動作について説明する。
[Configuration of fuel cell system]
As shown in FIG. 4, the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention is a fuel cell stored in the coolant tank 21 in addition to the configuration of the fuel cell system according to the first embodiment. A coolant pump 23 for pumping a coolant for cooling 1 to the fuel cell 1 via the coolant circulation channel 22, and a radiator for cooling the coolant discharged from the coolant channel 24 inside the fuel cell 1. 25 and a radiator fan 26 that adjusts the cooling capacity of the radiator 25 by sending air to the radiator 25. In the fuel cell system having such a configuration, when extraction of the generated current of the fuel cell 1 is stopped, a purge process shown below is performed, so that the water content of the polymer solid electrolyte membrane constituting the fuel cell 1 is increased. Water in the gas flow path inside the fuel cell 1 is excluded while maintaining the rate. Hereinafter, the operation of the fuel cell system when performing the purge process will be described with reference to the flowchart shown in FIG.

〔パージ処理〕
図5に示すフローチャートは、燃料電池1の発電電流の取り出しが停止するのに応じて開始となり、パージ処理はステップS11の処理に進む。
[Purge process]
The flowchart shown in FIG. 5 starts when the extraction of the generated current of the fuel cell 1 stops, and the purge process proceeds to step S11.

ステップS11の処理では、コントローラ15が、バルブ6a,6b,12a,12b、水素加湿手段4、及び空気加湿手段10を制御することにより、相対湿度100[%](高湿度)の水素及び空気をそれぞれ燃料極1a及び酸化剤極1bに供給する(第1パージ処理)。また、コントローラ15は、冷却水ポンプ23の回転数を増加させることにより冷却液流路24を流れる冷却液の流量を増加させると共に、ラジエータファン26の回転数を増加させることによりラジエータ25の冷却能力を増加させる。また、高湿度の水素及び空気の供給と同時に、コントローラ15は、タイマー14をオンにすることにより、時間計測を開始する。このような処理によれば、燃料電池1の内部に残留する水の量は時間Tの経過に伴い増加する。また、燃料電池1の内部温度は冷却液によって自然放冷させた場合よりも速く低下し、燃料電池1内部において水が残留しやすくなる。これにより、ステップS11の処理は完了し、パージ処理はステップS12の処理に進む。なお、ステップS12以後の処理内容は上記ステップS2以後の処理内容と同じであるので、以下ではその説明を省略する。   In the process of step S11, the controller 15 controls the valves 6a, 6b, 12a, 12b, the hydrogen humidifying unit 4, and the air humidifying unit 10 to generate hydrogen and air having a relative humidity of 100 [%] (high humidity). The fuel electrode 1a and the oxidant electrode 1b are respectively supplied (first purge process). Further, the controller 15 increases the flow rate of the coolant flowing through the coolant flow path 24 by increasing the number of rotations of the coolant pump 23 and increases the cooling capacity of the radiator 25 by increasing the number of rotations of the radiator fan 26. Increase. Simultaneously with the supply of high-humidity hydrogen and air, the controller 15 starts time measurement by turning on the timer 14. According to such processing, the amount of water remaining inside the fuel cell 1 increases with the elapse of time T. In addition, the internal temperature of the fuel cell 1 decreases faster than the case where it is naturally cooled by the coolant, and water tends to remain inside the fuel cell 1. Thereby, the process of step S11 is completed, and the purge process proceeds to the process of step S12. Since the processing content after step S12 is the same as the processing content after step S2, description thereof will be omitted below.

以上の説明から明らかなように、本発明の第2の実施形態となる燃料電池システムによれば、コントローラ15が、燃料電池1の内部温度の低下速度が自然放冷による内部温度の低下速度以上になるように制御するので、燃料電池1の内部に残留する水の量を増やし、高分子固体電解質膜をより加湿することができる。   As is clear from the above description, according to the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention, the controller 15 allows the rate of decrease in the internal temperature of the fuel cell 1 to be greater than the rate of decrease in the internal temperature due to natural cooling. Therefore, the amount of water remaining inside the fuel cell 1 can be increased, and the polymer solid electrolyte membrane can be further humidified.

以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。   As mentioned above, although the embodiment to which the invention made by the present inventor is applied has been described, the present invention is not limited by the description and the drawings that form part of the disclosure of the present invention according to this embodiment. That is, it should be added that other embodiments, examples, operation techniques, and the like made by those skilled in the art based on the above embodiments are all included in the scope of the present invention.

本発明の第1の実施形態となる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態となるパージ処理の流れを示すフローチャート図である。It is a flowchart figure which shows the flow of the purge process used as the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態となるパージ処理の実行に伴う燃料電池内部に残留する水の量の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the quantity of the water which remains in the fuel cell accompanying execution of the purge process which becomes the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態となる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the fuel cell system used as the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態となるパージ処理の流れを示すフローチャート図である。It is a flowchart figure which shows the flow of the purge process used as the 2nd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1:燃料電池
1a:燃料極
1b:酸化剤極
2:水素流量制御手段
3:水素供給流路
4:水素加湿手段
5:水素排出流路
6a,6b,12a,12b:バルブ
7,13:バイパス流路
8:空気流量制御手段
9:空気供給流路
10:空気加湿手段
11:空気排出流路
14:タイマー
15:コントローラ
1: Fuel cell 1a: Fuel electrode 1b: Oxidant electrode 2: Hydrogen flow rate control means 3: Hydrogen supply flow path 4: Hydrogen humidification means 5: Hydrogen discharge flow paths 6a, 6b, 12a, 12b: Valves 7, 13: Bypass Flow path 8: Air flow rate control means 9: Air supply flow path 10: Air humidification means 11: Air discharge flow path 14: Timer 15: Controller

Claims (6)

燃料極と酸化剤極により固体電解質膜を挟持し、燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを加湿し、加湿された燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれ前記燃料極及び前記酸化剤極に供給する反応ガス加湿手段と、
前記燃料電池の発電停止後、前記反応ガス加湿手段を制御することにより、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路の少なくとも一方の反応ガス流路を高湿度ガスによりパージする第1パージ処理を実行し、第1パージ処理実行後、高湿度ガスによりパージされた反応ガス流路を低湿度ガスによりパージする第2パージ処理を実行するパージ手段とを備え、
前記パージ手段は、前記第2パージ処理実行時、前記低湿度ガスにより前記燃料電池から持ち出される水の量が前記第1パージ処理において高湿度ガスにより燃料電池に持ち込まれる水の量以上になるように前記反応ガス加湿手段を制御すること
を特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell system comprising a fuel cell that generates power by sandwiching a solid electrolyte membrane between a fuel electrode and an oxidant electrode and receiving fuel gas and oxidant gas supplied to the fuel electrode and the oxidant electrode, respectively,
Reactive gas humidifying means for humidifying the fuel gas and the oxidant gas, and supplying the humidified fuel gas and oxidant gas to the fuel electrode and the oxidant electrode, respectively;
A first purge process for purging at least one of the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path with a high-humidity gas by controlling the reaction gas humidification means after stopping the power generation of the fuel cell. A purge means for performing a second purge process for purging the reaction gas flow path purged with the high humidity gas with the low humidity gas after the first purge process is performed,
The purge means is configured such that when the second purge process is executed, the amount of water taken out from the fuel cell by the low-humidity gas is greater than or equal to the amount of water brought into the fuel cell by the high-humidity gas in the first purge process. And controlling the reactive gas humidifying means.
請求項1に記載の燃料電池システムであって、
前記パージ手段は、前記第2パージ処理における低湿度ガスの流量が前記第1パージ処理における高湿度ガスの流量以上になるように制御することを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1,
The fuel cell system, wherein the purge means controls the flow rate of the low humidity gas in the second purge process to be equal to or higher than the flow rate of the high humidity gas in the first purge process.
請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システムであって、
前記パージ手段は、前記第1パージ処理実行時、前記高湿度ガスにより前記燃料電池に持ち込まれる水の量が燃料電池から排出される水の量以上になるように、燃料電池の反応ガス入口側における高湿度ガスの相対湿度を制御することを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein
The purge means is configured so that when the first purge process is performed, the amount of water brought into the fuel cell by the high humidity gas is equal to or greater than the amount of water discharged from the fuel cell. A fuel cell system for controlling the relative humidity of the high-humidity gas in the fuel cell system.
請求項3に記載の燃料電池システムであって、
前記パージ手段は、前記燃料電池の内部温度の低下速度が自然放冷による内部温度の低下速度以上になるように制御することを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 3, wherein
The fuel cell system according to claim 1, wherein the purge means controls the rate of decrease in the internal temperature of the fuel cell to be equal to or greater than the rate of decrease in the internal temperature due to natural cooling.
請求項1乃至請求項4のうち、いずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記パージ手段は、前記第1パージ処理を第1の所定時間実行した後、前記第2パージ処理を第2の所定時間実行することを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein
The fuel cell system, wherein the purge means performs the second purge process for a second predetermined time after performing the first purge process for a first predetermined time.
請求項5に記載の燃料電池システムであって、
前記パージ手段は、前記第2の所定時間が前記第1の所定時間以上になるように制御することを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 5, wherein
The fuel cell system, wherein the purge means controls the second predetermined time to be equal to or longer than the first predetermined time.
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