JP2007026893A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent a freeze by removing remaining water in an anode system of a fuel cell without increasing the size of a structure nor complicating it. <P>SOLUTION: This fuel cell system is so structured that, in stopping the fuel cell system, liquid water accumulated in a gas-liquid separation means 105 for separating moisture included in an off-gas discharged from the anode electrode side of the fuel cell is discharged, through a second liquid water discharge means 108b, to a liquid water storage means 106 without running a reaction gas in starting and operating this fuel cell system; and hence the operation of the fuel cell system is stopped without leaving the liquid water in the gas-liquid separation means 105. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池のアノード系に残留する水分を除去する機能を改善した燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system having an improved function of removing water remaining in an anode system of a fuel cell.

従来、この種の技術としては、例えば以下に示す各文献に記載されたものが知られている(特許文献1〜3参照)。このように、燃料電池に供給される燃料ガスがシステム内で流通するアノード系に残留する水分を除去して水分の凍結を防止する技術として、例えば低温環境下で燃料電池システムを放置することが予測できるときには、燃料電池システムの停止時に燃料電池のアノード系に対して水素ガス等の燃料ガスを循環させ、これにより集められた水分を気液分離装置で燃料ガスと分離し、分離した水分をシステム外に排水する手法が知られている。   Conventionally, as this type of technology, for example, those described in the following documents are known (see Patent Documents 1 to 3). As described above, as a technique for preventing moisture freezing by removing moisture remaining in the anode system in which the fuel gas supplied to the fuel cell circulates in the system, for example, the fuel cell system may be left in a low temperature environment. When it can be predicted, a fuel gas such as hydrogen gas is circulated to the anode system of the fuel cell when the fuel cell system is stopped, and the collected moisture is separated from the fuel gas by the gas-liquid separator, and the separated moisture is removed. A method of draining outside the system is known.

このような手法にあっては、気液分離装置内の液水をすべて排水し、かつ所定値以上の濃度の燃料ガスを燃料電池システム外に放出しないようにするには、燃料電池システム外に放出する燃料ガスを希釈して濃度を下げるために、システムに能力の高い希釈手段の搭載が必要となっていた。
特開2002−313376 特開2004−95384 特開2004−172030
In such a method, in order to drain all the liquid water in the gas-liquid separator and not to release the fuel gas having a concentration higher than the predetermined value outside the fuel cell system, In order to dilute the fuel gas to be released and reduce the concentration, it is necessary to install a high-capacity dilution means in the system.
JP2002-313376 JP 2004-95384 A JP2004-172030

しかしながら、上記希釈手段や、気液分離装置の液水量を高精度に検出するセンサを備えていないシステムにあっては、水分とともに燃料ガスをシステム外に放出させないために、気液分離装置内に液水を残した状態で燃料電池システムを停止する必要があった。このため、低温環境下では気液分離装置内に残留した水分が凍結するおそれがあり、残留水分が凍結した場合には、システムの再起動が不能になるといった不具合を招くおそれがあった。   However, in a system that does not include the above-described dilution means or a sensor that detects the liquid water amount of the gas-liquid separator with high accuracy, the fuel gas is not released outside the system together with moisture. It was necessary to stop the fuel cell system with liquid water remaining. For this reason, moisture remaining in the gas-liquid separator may freeze in a low-temperature environment, and if the remaining moisture freezes, there is a possibility that the system cannot be restarted.

このような、不具合を回避するためには、燃料電池システムの起動前に電気ヒータ等の加熱手段により、凍結箇所を加熱して氷結水を解凍する必要がある。この場合には、この加熱解凍処理に時間を要し、システムの起動に要する時間が長くなってしまう。   In order to avoid such problems, it is necessary to thaw the frozen water by heating the frozen portion with a heating means such as an electric heater before starting the fuel cell system. In this case, this heating and thawing process takes time, and the time required for starting the system becomes long.

また、凍結した箇所を加熱解凍する手段として、電気エネルギーを使用する電気ヒータ等を使用する場合には、燃料電池システム起動前に電気ヒータで消費される解凍用電力が必要となる。このため、燃料電池システム外からこの電力を受給できるシステム構成としなければならないが、このような構成ではシステムの構成が複雑になっていた。一方、システムの外部から解凍用の電力を受給できない構成では、燃料電池システムの起動が極めて困難になるといった問題がある。   Further, when using an electric heater or the like that uses electric energy as means for heating and thawing the frozen portion, the electric power for thawing consumed by the electric heater before starting the fuel cell system is required. For this reason, the system configuration must be able to receive this electric power from outside the fuel cell system, but in such a configuration, the system configuration is complicated. On the other hand, in the configuration in which the power for thawing cannot be received from the outside of the system, there is a problem that it is extremely difficult to start the fuel cell system.

これに対して、燃料電池システムに搭載されている二次バッテリから解凍用電力を供給することが考えられるが、この場合には、低温環境下では二次バッテリは開放電圧が低下しているので、二次バッテリの総電圧が低下し、燃料電池システムの起動に必要な電力を取り出せなくなるおそれがある。   On the other hand, it is conceivable to supply thawing power from the secondary battery installed in the fuel cell system. In this case, the open-circuit voltage of the secondary battery is reduced in a low temperature environment. There is a possibility that the total voltage of the secondary battery is lowered and the electric power necessary for starting the fuel cell system cannot be taken out.

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、構成の大型化や複雑化を招くことなく、燃料電池のアノード系の残留水分を除去して凍結を防止した燃料電池システムを提供することにある。   Therefore, the present invention has been made in view of the above, and the object of the present invention is to prevent freezing by removing residual moisture in the anode system of the fuel cell without increasing the size and complexity of the configuration. An object of the present invention is to provide a fuel cell system.

上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池のアノード極側から排出されるオフガスに含まれる水分を分離し、得られた液水を一時的に溜める気液分離手段と、前記気液分離手段に溜められた液水が流入し、流入した液水を貯蔵し、前記燃料電池システムの起動時ならびに運転時に反応ガスが流通しない液水貯蔵手段と、前記気液分離手段に溜められた液水を前記液水貯蔵手段に選択的に排水制御する第2液水排出手段と、前記燃料電池システムの運転停止時に、前記第2液水排出手段を介して前記気液分離手段に溜められた液水をすべて前記液水貯蔵手段に排水制御する制御手段とを有することを特徴とする。   In order to achieve the above object, means for solving the problems of the present invention is a fuel cell system including a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction of a reaction gas between a fuel gas and an oxidant gas. Gas-liquid separation means for separating water contained in the off-gas discharged from the anode electrode side, and temporarily storing the obtained liquid water; liquid water stored in the gas-liquid separation means flows into the liquid Water is stored, and liquid water storage means in which no reaction gas flows when the fuel cell system is started and operated, and liquid water stored in the gas-liquid separation means is selectively drained to the liquid water storage means. Second liquid water discharge means and control for draining all liquid water stored in the gas-liquid separation means via the second liquid water discharge means to the liquid water storage means when the operation of the fuel cell system is stopped Having means The features.

本発明によれば、システムの運転停止時に、気液分離手段に溜まった液水を液水分離手段に排水して、気液分離手段に液水が残留しないようにすることが可能となり、低温環境下で気液分離手段内の液水が凍結することを防止し、低温環境下でのシステムの起動性を向上することができる。   According to the present invention, when the operation of the system is stopped, the liquid water accumulated in the gas-liquid separation means can be drained to the liquid-water separation means so that no liquid water remains in the gas-liquid separation means. It is possible to prevent the liquid water in the gas-liquid separation means from freezing under the environment, and to improve the startability of the system under the low temperature environment.

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。   DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The best embodiment for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は本発明の実施例1に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図1において、燃料電池システムは、発電を行う燃料電池100と、この燃料電池100に供給される燃料ガス(例えば水素あるいは水素リッチガス)がシステム内を流通する燃料ガス流通系(アノード系)と、燃料電池100に供給される酸化剤ガス(例えば酸素を含む空気)がシステム内を流通する酸化剤ガス流通系とを有している。   FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 1, a fuel cell system includes a fuel cell 100 that generates power, a fuel gas distribution system (anode system) in which a fuel gas (for example, hydrogen or hydrogen-rich gas) supplied to the fuel cell 100 circulates in the system, It has an oxidant gas distribution system in which an oxidant gas (for example, air containing oxygen) supplied to the fuel cell 100 circulates in the system.

燃料電池100は、水素ガスが供給される水素極(アノード極)と酸素(空気)が供給される空気極(カソード極)とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされた発電セルが多段積層され、水素ガスと酸素との電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換する発電部を構成する。   The fuel cell 100 has a multi-stage power generation cell in which a hydrogen electrode (anode electrode) to which hydrogen gas is supplied and an air electrode (cathode electrode) to which oxygen (air) is supplied are stacked with an electrolyte / electrode catalyst composite interposed therebetween. A power generation unit that is stacked and converts chemical energy into electrical energy by an electrochemical reaction between hydrogen gas and oxygen is configured.

燃料電池100の水素極では、水素ガスが供給されることで水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、空気極にそれぞれ移動する。空気極では、供給された空気中の酸素と上記水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。   At the hydrogen electrode of the fuel cell 100, when hydrogen gas is supplied, it is dissociated into hydrogen ions and electrons, the hydrogen ions pass through the electrolyte, the electrons generate electric power through an external circuit, and move to the air electrode. At the air electrode, oxygen in the supplied air reacts with the hydrogen ions and electrons to generate water, which is discharged to the outside.

燃料ガス流通系では、燃料ガス供給源である高圧燃料ガス供給装置101から排出される水素ガスは、燃料電池100の水素極に供給される。このとき、燃料電池100の水素極及び水素極通路内の圧力が負荷に応じた圧力になるように、供給される水素ガスの圧力が調整される。   In the fuel gas distribution system, hydrogen gas discharged from the high-pressure fuel gas supply device 101 that is a fuel gas supply source is supplied to the hydrogen electrode of the fuel cell 100. At this time, the pressure of the supplied hydrogen gas is adjusted so that the pressure in the hydrogen electrode and the hydrogen electrode passage of the fuel cell 100 becomes a pressure corresponding to the load.

燃料電池100では、供給された水素ガスが全て消費されるわけではなく、消費されずに燃料電池100から排出された水素オフガスは、水素循環配管102を通って水素循環ポンプ等で構成された燃料ガス加圧手段103により循環され、エゼクタ104で高圧燃料ガス供給装置101側から新たに供給される水素ガスと混合されて、再び燃料電池100の水素極に供給される。これにより、水素のストイキ比(SR:供給流量/消費流量)を1以上にすることができ、セル電圧が安定化する。   In the fuel cell 100, not all of the supplied hydrogen gas is consumed. The hydrogen off-gas discharged from the fuel cell 100 without being consumed passes through the hydrogen circulation pipe 102 and is constituted by a hydrogen circulation pump or the like. It is circulated by the gas pressurizing means 103, mixed with the hydrogen gas newly supplied from the high-pressure fuel gas supply apparatus 101 side by the ejector 104, and supplied again to the hydrogen electrode of the fuel cell 100. Thereby, the stoichiometric ratio (SR: supply flow rate / consumption flow rate) of hydrogen can be made 1 or more, and the cell voltage is stabilized.

このように、水素ガスを循環させる構成を備えたシステムにおいて、この実施例1では、気液分離手段105、液水貯蔵手段106、電気ヒータ107、第1液水排出手段108a、第2液水排出手段108b、第3液水排出手段108c、ならびにコントローラ109を備えている。   As described above, in the system having the configuration for circulating the hydrogen gas, in the first embodiment, the gas-liquid separation means 105, the liquid water storage means 106, the electric heater 107, the first liquid water discharge means 108a, and the second liquid water. A discharge means 108b, a third liquid water discharge means 108c, and a controller 109 are provided.

気液分離手段105は、燃料電池100から排出された水素オフガスを受けて、この水素オフガスに含まれる水分を水素オフガスから分離する手段であり、例えば凝縮器等で構成される。気液分離手段105で分離された水分は一時的に気液分離手段105に溜まる一方、水素オフガスは水素循環配管102に導入される。   The gas-liquid separation unit 105 is a unit that receives the hydrogen off-gas discharged from the fuel cell 100 and separates the water contained in the hydrogen off-gas from the hydrogen off-gas, and includes, for example, a condenser. The water separated by the gas-liquid separation means 105 temporarily accumulates in the gas-liquid separation means 105, while the hydrogen off gas is introduced into the hydrogen circulation pipe 102.

気液分離手段105には、気液分離手段105に溜まった液水量を検出し、検出した液水量をコントローラ109に与える第1液水量検出手段110が設けられている。   The gas-liquid separation means 105 is provided with a first liquid-water amount detection means 110 that detects the amount of liquid water accumulated in the gas-liquid separation means 105 and gives the detected liquid water amount to the controller 109.

液水貯蔵手段106は、気液分離手段105に溜まった液水が導入されて、導入された液水を一時的貯蔵する。液水貯蔵手段106には、液水貯蔵手段106に貯蔵された液水量を検出し、検出した液水量をコントローラ109に与える第2液水量検出手段111が設けられている。また、液水貯蔵手段106には、液水貯蔵手段106内の温度を検出し、検出した温度をコントローラ109に与える温度センサ112が設けられている。また、液水貯蔵手段106には、液水貯蔵手段106と気液分離手段105とを連結し、気液分離手段105から液水貯蔵手段106に液水を排出する際に、液水貯蔵手段106内の気体成分を気液分離手段105に導出するエア抜き手段113が設けられいる。   The liquid water storage means 106 is introduced with the liquid water accumulated in the gas-liquid separation means 105 and temporarily stores the introduced liquid water. The liquid water storage means 106 is provided with second liquid water amount detection means 111 that detects the amount of liquid water stored in the liquid water storage means 106 and supplies the detected liquid water amount to the controller 109. The liquid water storage means 106 is provided with a temperature sensor 112 that detects the temperature in the liquid water storage means 106 and supplies the detected temperature to the controller 109. The liquid water storage means 106 is connected to the liquid water storage means 106 and the gas / liquid separation means 105, and when the liquid water is discharged from the gas / liquid separation means 105 to the liquid water storage means 106, the liquid water storage means 106 Air venting means 113 for leading the gas component in 106 to the gas-liquid separation means 105 is provided.

電気ヒータ107は、液水貯蔵手段106に設けられ、システム起動後に発電で得られた電力が給電されてコントローラ109の制御の下に出力調整され、液水貯蔵手段106を加熱昇温し、液水貯蔵手段106に貯蔵されて凍結した液水を解凍する。   The electric heater 107 is provided in the liquid water storage means 106, is supplied with electric power obtained by power generation after the system is started, and is adjusted in output under the control of the controller 109. The frozen liquid water stored in the water storage means 106 is thawed.

第1液水排出手段108aは、気液分離手段105に設けられて、コントローラ109の制御の下で流通/遮断制御され、気液分離手段105に溜まった液水をシステム外に排出制御する。第2液水排出手段108bは、気液分離手段105と液水貯蔵手段との間に設けられて、コントローラ109の制御の下に流通/遮断制御され、気液分離手段105に溜まった液水を液水貯蔵手段106に排水制御する。第3液水排出手段108cは、液水貯蔵手段106に設けられ、コントローラ109の制御の下に流通/遮断制御され、液水貯蔵手段106に貯蔵された液水をシステム外に排出制御する。   The first liquid water discharge means 108a is provided in the gas-liquid separation means 105, is controlled to flow / shut off under the control of the controller 109, and controls discharge of liquid water accumulated in the gas-liquid separation means 105 outside the system. The second liquid water discharge means 108 b is provided between the gas-liquid separation means 105 and the liquid water storage means, and is controlled to flow / shut off under the control of the controller 109, so that the liquid water collected in the gas-liquid separation means 105 The liquid water storage means 106 controls the drainage. The third liquid water discharge means 108c is provided in the liquid water storage means 106, and is controlled to flow / shut off under the control of the controller 109, and controls discharge of the liquid water stored in the liquid water storage means 106 outside the system.

コントローラ109は、本燃料電池システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、CPU、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。コントローラ109は、本燃料電池システムにおける上記各センサ、ならびにこれらのセンサで得られない他の圧力、温度、電圧、電流等本システムの運転に必要な情報を収集するセンサ(図示せず)からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック(プログラム)に基づいて、本燃料電池システムの各構成要素に指令を送り、以下に説明する、燃料電池システムのアノード系に残留する水分の除去処理を含む、本燃料電池システムの運転/停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。   The controller 109 functions as a control center that controls the operation of the fuel cell system, and includes resources such as a CPU, a storage device, and an input / output device necessary for a computer that controls various operation processes based on a program, for example. It is realized by a computer or the like. The controller 109 receives the above-described sensors in the fuel cell system and sensors (not shown) that collect information necessary for operation of the system, such as other pressures, temperatures, voltages, and currents that cannot be obtained by these sensors. A signal is read, and a command is sent to each component of the fuel cell system based on the read various signals and a control logic (program) stored in advance, and remains in the anode system of the fuel cell system described below. All operations necessary for operation / stop of the fuel cell system including water removal processing are managed and controlled.

このような構成において、図2に示すフローチャートにしたがって、処理動作が行われる。図2を参照して、先ず燃料電池システムがシステムの起動を指令する燃料電池システム起動信号を受けると(ステップS21)、これによりシステムが起動されて発電が行われ(ステップS22)、続いて後述する水分の解凍/排水処理制御を行なう(ステップS23)。この処理制御が終了して、システムが燃料電池システムの運転停止を指令する燃料電池システム停止信号を受けると(ステップS24)、発電を停止した後水素循環配管102を経由して水素ガスを循環させて燃料ガス流通系に残存する水分を水素ガスとともに気液分離手段105を流通させ、気液分離手段105で水分を分離し、分離した水分を気液分離手段105に一時的に溜める。   In such a configuration, the processing operation is performed according to the flowchart shown in FIG. Referring to FIG. 2, first, when the fuel cell system receives a fuel cell system activation signal instructing system activation (step S21), the system is activated to generate electric power (step S22). The water is thawed / drainage control is performed (step S23). When this processing control is finished and the system receives a fuel cell system stop signal for commanding the fuel cell system to stop operating (step S24), the power generation is stopped and then hydrogen gas is circulated through the hydrogen circulation pipe 102. Then, the water remaining in the fuel gas circulation system is circulated through the gas-liquid separation means 105 together with the hydrogen gas, the water is separated by the gas-liquid separation means 105, and the separated water is temporarily stored in the gas-liquid separation means 105.

その後、気液分離手段105に溜まった水分を排出する液水排出処理制御を行う(ステップS25)。液水排出処理制御が終了すると、燃料電池システムの運転を停止する(ステップS26)。   Thereafter, liquid water discharge processing control for discharging water accumulated in the gas-liquid separation means 105 is performed (step S25). When the liquid water discharge process control ends, the operation of the fuel cell system is stopped (step S26).

上記図2に示すステップS23で行われる解凍/排水処理制御は、図3のフローチャートにしたがって実行される。図3を参照して、先ず液水貯蔵手段106に設けられた温度センサ112で検出された信号に基づいて、コントローラ109で液水貯蔵手段106に貯蔵された液水の温度T1を求める(ステップS31)。続いて液水の温度T1が予め設定された第1の所定値以下であるか否かを判別し(ステップS32)、貯蔵された液水が凍結しているか否かを推定する。したがって、上記第1の所定値は0℃程度に設定される。   The thawing / drainage processing control performed in step S23 shown in FIG. 2 is executed according to the flowchart of FIG. Referring to FIG. 3, first, based on a signal detected by temperature sensor 112 provided in liquid water storage means 106, controller 109 obtains temperature T1 of liquid water stored in liquid water storage means 106 (step). S31). Subsequently, it is determined whether or not the temperature T1 of the liquid water is equal to or lower than a first predetermined value set in advance (step S32), and it is estimated whether or not the stored liquid water is frozen. Therefore, the first predetermined value is set to about 0 ° C.

判別の結果、以上である場合には後述するステップS35の処理を実行する一方、以下である場合には、発電で得られた電力を給電して電気ヒータ107を駆動制御し(ステップS33)、電気ヒータ107で液水貯蔵手段106を加熱し、液水貯蔵手段106内の凍結した液水の解凍を開始する。その後、温度センサ112で検出された液水貯蔵手段106の温度が上記第1の所定値以上か否かを判別する(ステップS34)。   As a result of the determination, if it is above, the process of step S35 to be described later is executed. If it is below, the electric heater 107 is fed and controlled to drive the electric heater 107 (step S33). The liquid water storage means 106 is heated by the electric heater 107, and thawing of the frozen liquid water in the liquid water storage means 106 is started. Thereafter, it is determined whether or not the temperature of the liquid water storage means 106 detected by the temperature sensor 112 is equal to or higher than the first predetermined value (step S34).

判別の結果、以下である場合は、解凍は不十分であると判断し、先のステップS33の処理を行い解凍処理を継続する。一方、以上である場合には、解凍されたものと判断して、第3液水排出手段108cを開放し(ステップS35)、液水貯蔵手段106に貯蔵された液水をシステム外に排出する処理を開始する。その後、第2液水量検出手段111で検出された液水貯蔵手段106の液水量が第2の所定値以下であるか否かを判別する(ステップS36)。ここで、第2の所定値は、後述するように、液水貯蔵手段106から液水を排出する際に液水貯蔵手段106内に存在する水素ガスが液水貯蔵手段106からシステム外に放出されないような液量に設定される。   As a result of the determination, if it is as follows, it is determined that the thawing is insufficient, the process of the previous step S33 is performed and the thawing process is continued. On the other hand, if it is above, it is determined that the liquid has been thawed, the third liquid water discharge means 108c is opened (step S35), and the liquid water stored in the liquid water storage means 106 is discharged outside the system. Start processing. Thereafter, it is determined whether or not the liquid water amount of the liquid water storage means 106 detected by the second liquid water amount detection means 111 is equal to or less than a second predetermined value (step S36). Here, as will be described later, when the liquid water is discharged from the liquid water storage means 106, the second predetermined value is that hydrogen gas existing in the liquid water storage means 106 is released from the liquid water storage means 106 to the outside of the system. The liquid volume is set so as not to be used.

判別の結果、以下でない場合には、第3液水排出手段108cを介して液水の排出処理を継続する一方、以下になった場合には、第3液水排出手段108cを遮断して排水を停止する(ステップS37)。   If the result of determination is not below, the liquid water discharging process is continued through the third liquid water discharging means 108c. On the other hand, if the result is below, the third liquid water discharging means 108c is shut off and drained. Is stopped (step S37).

ここで、上記第2の所定値について、第3液水排出手段108cの開放後の時間と液水貯蔵手段106の液水量との関係を示す図4を参照して説明する。先ず第2液水量検出手段111の応答時間をT1(sec)とし、コントローラ109が第2液水量検出手段111の信号を受けて、第3液水排出手段108cに遮断指令を与えるまでの時間をT2(sec)とし、第3液水排出手段108cが遮断指令を受信し、第3液水排出手段108cを遮断するまでの応答時間をT3(sec)とすると、これらの時間の和(T1+T2+T3)を第3液水排出手段108cの応答時間Tsとする。上記T1、T2、T3は実験等で予め求められたものである。   Here, the second predetermined value will be described with reference to FIG. 4 showing the relationship between the time after the third liquid water discharge means 108c is opened and the amount of liquid water in the liquid water storage means 106. First, the response time of the second liquid water amount detection unit 111 is set to T1 (sec), and the time until the controller 109 receives the signal of the second liquid water amount detection unit 111 and gives a shutoff command to the third liquid water discharge unit 108c is determined. When T2 (sec) is set, and the response time until the third liquid water discharge means 108c receives the cutoff command and the third liquid water discharge means 108c is cut off is T3 (sec), the sum of these times (T1 + T2 + T3) Is the response time Ts of the third liquid water discharging means 108c. T1, T2, and T3 are obtained in advance through experiments and the like.

また、第3液水排出手段108cを介して液水貯蔵手段106から液水を排出する際に、第3液水排出手段108cを介して液水貯蔵手段106に存在する燃料ガスが液水貯蔵手段106から燃料電池システム外に放出されないようにするために、液水貯蔵手段106内にある程度の液水を残留させる。このとき液水貯蔵手段106に残す液水の液水量Hlimitを予め実験で求める。さらに、第3液水排出手段108cを遮断状態から開放状態にして液水貯蔵手段106から液水の排出が開始された後の液水貯蔵手段106の液水量と時間との図4に示すような関係を予め実験で求める。   Further, when the liquid water is discharged from the liquid water storage means 106 via the third liquid water discharge means 108c, the fuel gas present in the liquid water storage means 106 is stored in the liquid water storage means via the third liquid water discharge means 108c. In order to prevent discharge from the fuel cell system from the means 106, a certain amount of liquid water remains in the liquid water storage means 106. At this time, the liquid water amount Hlimit remaining in the liquid water storage means 106 is obtained in advance by experiments. Furthermore, as shown in FIG. 4, the amount and time of the liquid water in the liquid water storage means 106 after the third liquid water discharge means 108c is opened from the shut-off state and the discharge of liquid water from the liquid water storage means 106 is started. This relationship is obtained in advance by experiments.

上述したように、第3液水排出手段108cを介して排水する際に水素ガスを液水貯蔵手段106から燃料電池システム外に放出させないようするためには、液水貯蔵手段106にはHlimit以上の液水量が必要となる。したがって、上記で求めた第3液水排出手段108cの応答時間Tsと図4の関係を参照して、液水貯蔵手段106から排水を開始した後、液水貯蔵手段106の液水量がHlimitとなる時間Tlimitから上記応答時間Tsを差し引いた時間Tclose(=Tlimit−Ts)に対応する液水量Hcloseを求める。   As described above, in order to prevent the hydrogen gas from being discharged from the liquid water storage means 106 to the outside of the fuel cell system when draining through the third liquid water discharge means 108c, the liquid water storage means 106 has Hlimit or more. The amount of liquid water is required. Therefore, referring to the relationship between the response time Ts of the third liquid water discharge means 108c obtained above and FIG. 4, after the drainage from the liquid water storage means 106 is started, the amount of liquid water in the liquid water storage means 106 becomes Hlimit. A liquid water amount Hclose corresponding to a time Tclose (= Tlimit−Ts) obtained by subtracting the response time Ts from the time Tlimit is obtained.

したがって、液水貯蔵手段106の液水量がこの液水量Hcloseになったときに第3液水排出手段108cを開放状態から遮断状態にする指令をコントローラ109から第3液水排出手段108cに与えるようにすれば、排出作業を終了したときに液水貯蔵手段106には液水量Hlimitの液水が残ることになる。これにより、燃料ガスを液水貯蔵手段106からシステム外に排出することなく液水貯蔵手段106の排水作業を行うことができるようになる。したがって、上記第2の所定値は上記Hcloseの値に設定される。   Therefore, when the liquid water amount in the liquid water storage means 106 reaches the liquid water amount Hclose, the controller 109 gives a command to switch the third liquid water discharge means 108c from the open state to the third liquid water discharge means 108c. In this case, when the discharge operation is finished, the liquid water storage means 106 has the liquid water amount Hlimit remaining. Thereby, the drainage operation of the liquid water storage means 106 can be performed without discharging the fuel gas from the liquid water storage means 106 to the outside of the system. Therefore, the second predetermined value is set to the value of Hclose.

次に、図5のフローチャートを用いて、先の図2のステップS25に示す液水排水処理について説明する。図5を参照して、先ず第1液水量検出手段110の検出信号をコントローラ109に読み込み、気液分離手段105に溜まった液水の液水量を求める(ステップS51)。続いて第2液水量検出手段111の検出信号をコントローラ109に読み込み、液水貯蔵手段106に残留する液水量を求める。その後求めた液水量と液水貯蔵手段106の貯蔵容量とに基づいて、現在液水貯蔵手段106に貯蔵できる液水の液水量(貯蔵許容量)を算出する(ステップS52)。   Next, the liquid water drainage process shown in step S25 of FIG. 2 will be described using the flowchart of FIG. With reference to FIG. 5, first, the detection signal of the first liquid water amount detection means 110 is read into the controller 109, and the liquid water quantity accumulated in the gas-liquid separation means 105 is obtained (step S51). Subsequently, the detection signal of the second liquid water amount detection unit 111 is read into the controller 109, and the amount of liquid water remaining in the liquid water storage unit 106 is obtained. Thereafter, based on the obtained liquid water amount and the storage capacity of the liquid water storage unit 106, the liquid water amount (storage allowable amount) that can be stored in the current liquid water storage unit 106 is calculated (step S52).

続いて、気液分離手段105の液水量が上記貯蔵許容量以下であるか否かを判別する(ステップS53)。判別の結果、以下である場合には、第2液水排出手段108bを開放し、第2液水排出手段108bを介して気液分離手段105に溜まったすべての液水を液水貯蔵手段106に排出し(ステップS54)、気液分離手段105を液水が残留していない空の状態にする。   Subsequently, it is determined whether or not the amount of liquid water in the gas-liquid separation means 105 is equal to or less than the storage allowable amount (step S53). As a result of the determination, if the following is true, the second liquid water discharge means 108b is opened, and all the liquid water collected in the gas-liquid separation means 105 through the second liquid water discharge means 108b is stored in the liquid water storage means 106. (Step S54), and the gas-liquid separation means 105 is made empty with no liquid water remaining.

第2液水排出手段108bを介して気液分離手段105に溜まったすべて液水を液水貯蔵手段106に排出する際には、液水貯蔵手段106に流入した液水の体積に相当する気体成分が液水貯蔵手段106からエア抜き手段113を介して気液分離手段105に流入する。ここで、エア抜き手段113が十分太く短い配管で構成されているのであれば、気液分離手段105内の気圧と液水貯蔵手段106内の気圧はほぼ同じ値(=燃料電池100の出口の水素ガス圧力)となる。このような状態で、第2液水排出手段108bを開放して気液分離手段105から液水貯蔵手段106に液水が流入すると、液水が流入する力は、以下のように表される。   When all the liquid water accumulated in the gas-liquid separation means 105 is discharged to the liquid water storage means 106 via the second liquid water discharge means 108b, a gas corresponding to the volume of liquid water flowing into the liquid water storage means 106 The component flows from the liquid water storage means 106 into the gas-liquid separation means 105 through the air vent means 113. Here, if the air venting means 113 is constituted by a sufficiently thick and short pipe, the pressure in the gas-liquid separation means 105 and the pressure in the liquid water storage means 106 are approximately the same value (= the outlet of the fuel cell 100). Hydrogen gas pressure). In such a state, when the second liquid water discharge means 108b is opened and liquid water flows from the gas-liquid separation means 105 into the liquid water storage means 106, the force into which the liquid water flows is expressed as follows. .

(数1)
P+mg
ここで、Pは気液分離手段105内の圧力、mは気液分離手段105内の液水の質量、gは重力加速度である。
(Equation 1)
P + mg
Here, P is the pressure in the gas-liquid separation means 105, m is the mass of liquid water in the gas-liquid separation means 105, and g is the gravitational acceleration.

上述したように、液水貯蔵手段106内の気圧も気液分離手段105内の気圧とほぼ同じ値(P)であるので、液水はmgの力で気液分離手段105から液水貯蔵手段106に流入される。この液水が流入する力により、流入した液水の体積に相当する水素ガスを含む気体成分が、エア抜き手段113を介して液水貯蔵手段106から気液分離手段105に導出される。したがって、気液分離手段105内に存在する水素ガスが第2液水排出手段108bを介して液水貯蔵手段106に流入しても、上述したように気液分離手段105に戻されるので、水素ガスがシステム外に放出されることは防止される。   As described above, since the air pressure in the liquid water storage means 106 is almost the same value (P) as the air pressure in the gas liquid separation means 105, the liquid water is supplied from the gas liquid separation means 105 to the liquid water storage means by the force of mg. 106. Due to the inflow force of the liquid water, a gaseous component containing hydrogen gas corresponding to the volume of the inflowing liquid water is led out from the liquid water storage means 106 to the gas-liquid separation means 105 via the air vent means 113. Therefore, even if hydrogen gas present in the gas-liquid separation means 105 flows into the liquid water storage means 106 via the second liquid water discharge means 108b, it is returned to the gas-liquid separation means 105 as described above. Gas is prevented from being released out of the system.

一方、ステップS53の判別処理の結果、以下でない場合には、この状態で気液分離手段105に溜まった液水をすべて液水貯蔵手段106に排出しようとすると、液水貯蔵手段106に排水しきれなくなる。そこで、先ず第1液水排出手段108aを開放して(ステップS55)、気液分離手段105の液水をシステム外に排出する。この排出作業が開始されると、第1液水量検出手段110の検出信号をコントローラ109に読み込み、気液分離手段105に残留する液水の液水量を求める(ステップS56)。その後、気液分離手段105の液水量が上記貯蔵許容量以下であるか否かを判別する(ステップS57)。判別の結果、以下でない場合には先のステップS56、ステップS57に示す処理を実行する一方、以下になった場合には、第1液水排出手段108aを遮断して第1液水排出手段108aからの排水処理を終了した後(ステップS58)、先のステップS54に示す処理を実行し、第2液水排出手段108bを介して気液分離手段105に残留するすべての液水を液水貯蔵手段106に排出して(ステップS54)、気液分離手段105を液水が残留していない空の状態にする。   On the other hand, if the result of the determination process in step S53 is not the following, if all of the liquid water accumulated in the gas-liquid separation means 105 in this state is to be discharged to the liquid water storage means 106, the liquid water is discharged to the liquid water storage means 106. I can't understand. Therefore, first, the first liquid water discharge means 108a is opened (step S55), and the liquid water in the gas-liquid separation means 105 is discharged outside the system. When this discharge operation is started, the detection signal of the first liquid water amount detection means 110 is read into the controller 109, and the liquid water amount remaining in the gas-liquid separation means 105 is obtained (step S56). Thereafter, it is determined whether or not the amount of liquid water in the gas-liquid separation means 105 is less than or equal to the allowable storage amount (step S57). If the result of determination is not below, the processing shown in steps S56 and S57 is executed. On the other hand, if the result is below, the first liquid water discharging means 108a is shut off and the first liquid water discharging means 108a. After the drainage process from the liquid is finished (step S58), the process shown in the previous step S54 is executed to store all the liquid water remaining in the gas-liquid separation means 105 via the second liquid water discharge means 108b. The gas is discharged to the means 106 (step S54), and the gas-liquid separation means 105 is made empty with no liquid water remaining.

このように、上記実施例1においては、燃料電池システムの停止時に第2液水排出手段108bを制御することにより、気液分離手段105からすべての液水を液水貯蔵手段106に排水することで、燃料電池システム停止後に低温環境下で放置しても気液分離手段105に液水が残留していないため、気液分離手段105に残留する液水が凍結することを防止することができる。これにより、気液分離手段105に残留する液水が凍結することにより燃料電池システムが再起動できなくなることを防止することができる。また、第1液水排出手段108a、第3液水排出手段108cを遮断状態にすることで、燃料電池システム外に水素ガスが放出されることを防止することができる。   Thus, in the first embodiment, all the liquid water is drained from the gas-liquid separation means 105 to the liquid water storage means 106 by controlling the second liquid water discharge means 108b when the fuel cell system is stopped. Thus, even if the fuel cell system is stopped in a low temperature environment, no liquid water remains in the gas-liquid separation means 105, so that the liquid water remaining in the gas-liquid separation means 105 can be prevented from freezing. . As a result, it is possible to prevent the liquid cell remaining in the gas-liquid separation means 105 from freezing and thus preventing the fuel cell system from being restarted. Moreover, hydrogen gas can be prevented from being released to the outside of the fuel cell system by setting the first liquid water discharging means 108a and the third liquid water discharging means 108c to the cutoff state.

第2液水排出手段108bを経由して気液分離手段105から排水した液水により、液水貯蔵手段106内の液水があふれないように、予め気液分離手段105の液水を液水貯蔵手段106で貯蔵できる液水量よりも少なくなるように、第1液水排出手段108aにより燃料電池システム外に排出し、その後気液分離手段105に残留した液水を液水貯蔵手段106にすべて排水して燃料電池システムを停止するので、液水貯蔵手段106内で液水があふれることなく気液分離手段105に液水が残留することを防止することができる。   In order to prevent the liquid water in the liquid water storage means 106 from overflowing with the liquid water drained from the gas-liquid separation means 105 via the second liquid water discharge means 108b, the liquid water in the gas-liquid separation means 105 is preliminarily liquid water. In order to reduce the amount of liquid water that can be stored in the storage means 106, the first liquid water discharge means 108 a discharges it outside the fuel cell system, and then all the liquid water remaining in the gas-liquid separation means 105 is transferred to the liquid water storage means 106. Since the fuel cell system is stopped by draining, it is possible to prevent liquid water from remaining in the gas-liquid separation means 105 without overflowing the liquid water in the liquid water storage means 106.

液水貯蔵手段106の液水量を常に液水貯蔵手段106で貯蔵できる液水量以下になるように第3液水排出手段108cを制御することで、液水貯蔵手段106から液水があふれることを防止することができる。   By controlling the third liquid water discharge means 108c so that the liquid water amount in the liquid water storage means 106 is always equal to or less than the liquid water quantity that can be stored in the liquid water storage means 106, the liquid water overflows from the liquid water storage means 106. Can be prevented.

液水貯蔵手段106内の液水を排出する第3液水排出手段108cを備えることで、液水貯蔵手段106で貯蔵できる液水量の上限も小さくすることが可能となり、液水貯蔵手段106のサイズをコンパクト(燃料電池システム停止時に気液分離手段105から流入してくる1回分の液水量を貯蔵できるサイズ)にすることができ、燃料電池システムの軽量化を図ることができる。   By providing the third liquid water discharge means 108c for discharging the liquid water in the liquid water storage means 106, the upper limit of the amount of liquid water that can be stored in the liquid water storage means 106 can be reduced. The size can be made compact (size capable of storing a single amount of liquid water flowing from the gas-liquid separation means 105 when the fuel cell system is stopped), and the fuel cell system can be reduced in weight.

また、液水貯蔵手段106で貯蔵している液水量が常に所定値以下とならないように第3液水排出手段108cを制御することにより、液水貯蔵手段106から第3液水排出手段108cを経由して燃料電池システム外に燃料ガスが放出されることを防止することができる。   Further, the third liquid water discharge means 108c is controlled from the liquid water storage means 106 by controlling the third liquid water discharge means 108c so that the amount of liquid water stored in the liquid water storage means 106 is not always below a predetermined value. It is possible to prevent the fuel gas from being discharged outside the fuel cell system.

温度センサ112で計測された温度に基づいて、液水貯蔵手段106内で液水が凍結していると推定した場合には、第3液水排出手段108cを経由して液水貯蔵手段106から液水を燃料電池システム外に排出することができなくなる。これにより、液水貯蔵手段106内の液水が凍結したままで燃料電池システムを停止するときには、気液分離手段105から第2液水排出手段108bを経由して液水貯蔵手段106に排水する液水が液水貯蔵手段106からあふれ、気液分離手段105に液水が残留するおそれがある。   When it is estimated that the liquid water is frozen in the liquid water storage means 106 based on the temperature measured by the temperature sensor 112, the liquid water storage means 106 passes through the third liquid water discharge means 108 c. Liquid water cannot be discharged out of the fuel cell system. As a result, when the fuel cell system is stopped while the liquid water in the liquid water storage means 106 is frozen, it is drained from the gas-liquid separation means 105 to the liquid water storage means 106 via the second liquid water discharge means 108b. Liquid water may overflow from the liquid water storage means 106 and liquid water may remain in the gas-liquid separation means 105.

そこで、液水貯蔵手段106で液水が凍結していると判別された場合には、液水貯蔵手段106から液水を燃料電池システム外に排出できるようにするために、電気ヒータ107を駆動して凍結している液水を解凍することにより、気液分離手段105に液水が残留することを防止することができる。また、液水貯蔵手段106内の液水が凍結していても、燃料電池システムの起動性に影響を与えないため、システムの起動前に液水貯蔵手段106内の凍結した液水を解凍する必要がないので、燃料電池システムの起動時間を短縮することができる。   Therefore, when the liquid water storage means 106 determines that the liquid water is frozen, the electric heater 107 is driven so that the liquid water can be discharged from the liquid water storage means 106 to the outside of the fuel cell system. By thawing the frozen liquid water, the liquid water can be prevented from remaining in the gas-liquid separation means 105. Further, even if the liquid water in the liquid water storage means 106 is frozen, it does not affect the startability of the fuel cell system, so the frozen liquid water in the liquid water storage means 106 is thawed before the system is started. Since it is not necessary, the startup time of the fuel cell system can be shortened.

温度センサ112で液水貯蔵手段106内の液水が凍結するか否かを判別し、液水貯蔵手段106内で液水が凍結する前に、電気ヒータ107を駆動することで液水貯蔵手段106の凍結を防止することができる。また、本システムを搭載した車両の起動時に液水貯蔵手段106内の温度が所定値以下の場合には、電気ヒータ107を駆動することで液水貯蔵手段106内に残留する液水の解凍、ならびに凍結を防止することができる。   The temperature sensor 112 determines whether or not the liquid water in the liquid water storage means 106 is frozen, and before the liquid water is frozen in the liquid water storage means 106, the electric heater 107 is driven to drive the liquid water storage means. Freezing of 106 can be prevented. In addition, when the temperature in the liquid water storage means 106 is lower than a predetermined value when the vehicle equipped with this system is started, the electric heater 107 is driven to defrost liquid water remaining in the liquid water storage means 106, In addition, freezing can be prevented.

液水貯蔵手段106内の凍結した液水を解凍する手段として電気ヒータ107を液水貯蔵手段106に備えることで、燃料電池システム起動制御中または燃料電池システム起動後のいずれの状態であっても、電気ヒータ107の出力を調整することにより、液水貯蔵手段106の解凍時間を短縮することができる。   The electric water heater 107 is provided in the liquid water storage means 106 as a means for thawing the frozen liquid water in the liquid water storage means 106, so that it can be in any state during the fuel cell system activation control or after the fuel cell system activation. By adjusting the output of the electric heater 107, the thawing time of the liquid water storage means 106 can be shortened.

また、燃料電池システム起動後に電気ヒータ107を駆動した場合には、燃料電池システム起動前に残存している2次バッテリ等の電力を使用することなく、燃料電池100で発電した電力を液水解凍のエネルギーとして使えるので、燃料電池システム起動時に使用する2次バッテリの消費電力を低減することができ、システムの起動性能を確保することができることに加えて、燃料電池システム外から解凍するためのエネルギーを調達する必要がなくなる。   In addition, when the electric heater 107 is driven after the fuel cell system is started, the electric power generated by the fuel cell 100 is thawed out of the liquid water without using the power of the secondary battery or the like remaining before the fuel cell system is started. Since it can be used as the energy of the fuel cell system, the power consumption of the secondary battery used when starting the fuel cell system can be reduced, the startup performance of the system can be secured, and the energy for thawing from outside the fuel cell system No need to procure.

図6は本発明の実施例2に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図6において、この実施例2の特徴とするところは、先の実施例1に比べて、実施例1で説明した電気ヒータ107に代えて、通常の燃料電池システムに設置されている、燃料電池100の発電により発熱した燃料電池を冷却する冷却手段で得られた熱を利用して液水貯蔵手段106内の凍結した液水を解凍するようにしたことにあり、他は先の図1に示す実施例と同様である。   FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention. In FIG. 6, the feature of the second embodiment is that a fuel cell installed in a normal fuel cell system is used instead of the electric heater 107 described in the first embodiment, as compared with the first embodiment. 1 is that the frozen liquid water in the liquid water storage means 106 is thawed using the heat obtained by the cooling means for cooling the fuel cell that has generated heat due to 100 power generation. This is the same as the embodiment shown.

冷却手段は、燃料電池100を冷却する冷却水を燃料電池100に供給して循環させる冷却装置600と、冷却水の流通路となる冷却水配管601を備えて構成されている。冷却水配管601は、その一部が液水貯蔵手段106に接触して設置され、冷却装置600から排出された冷却水は、冷却水配管601を介して燃料電池100に供給され、発電により発熱した燃料電池100を冷却して熱交換する。燃料電池100を冷却して熱交換された冷却水は昇温されて暖められ、暖められた冷却水は冷却水配管601を介して液水貯蔵手段106に接触して流通し冷却装置600に戻されて循環する。このとき、昇温された冷却水と液水貯蔵手段106とが熱交換され、これにより液水貯蔵手段106内で凍結した液水を解凍する。   The cooling means includes a cooling device 600 that supplies and circulates cooling water for cooling the fuel cell 100 to the fuel cell 100, and a cooling water pipe 601 that serves as a cooling water flow passage. A part of the cooling water pipe 601 is installed in contact with the liquid water storage means 106, and the cooling water discharged from the cooling device 600 is supplied to the fuel cell 100 via the cooling water pipe 601 and generates heat by power generation. The fuel cell 100 is cooled and heat exchanged. Cooling water that has been subjected to heat exchange by cooling the fuel cell 100 is heated and warmed, and the warmed cooling water flows through the cooling water pipe 601 in contact with the liquid water storage means 106 and returns to the cooling device 600. Has been circulating. At this time, the heated cooling water and the liquid water storage means 106 are heat-exchanged, thereby thawing the liquid water frozen in the liquid water storage means 106.

この実施例2において、先の図2に示すステップS23で行われる解凍/排水処理制御は、図7に示すフローチャートにしたがって実行される。図7を参照して、先ず液水貯蔵手段106に設けられた温度センサ112で検出された信号に基づいて、コントローラ109で液水貯蔵手段106に貯蔵された液水の温度T1を求める(ステップS71)。続いて液水の温度T1が前述したと同じ値に設定された第1の所定値以下であるか否かを判別し(ステップS72)、貯蔵された液水が凍結しているか否かを推定する。   In the second embodiment, the thawing / drainage processing control performed in step S23 shown in FIG. 2 is executed according to the flowchart shown in FIG. Referring to FIG. 7, first, based on a signal detected by temperature sensor 112 provided in liquid water storage means 106, controller 109 obtains temperature T1 of liquid water stored in liquid water storage means 106 (step). S71). Subsequently, it is determined whether or not the temperature T1 of the liquid water is equal to or lower than a first predetermined value set to the same value as described above (step S72), and it is estimated whether or not the stored liquid water is frozen. To do.

判別の結果、以下である場合には、液水が凍結しているものと推定し、第3液水排出手段108cを遮断した状態で(ステップS73)、燃料電池100の発電で発生した熱で昇温された冷却水で液水貯蔵手段106を加熱して昇温し、凍結水の解凍処理が開始され、ステップS72の判別処理が実行される。   As a result of the determination, if the following is true, it is estimated that the liquid water is frozen, and the heat generated by the power generation of the fuel cell 100 is performed with the third liquid water discharge means 108c shut off (step S73). The liquid water storage means 106 is heated with the heated cooling water to raise the temperature, and the thawing process of the frozen water is started, and the determination process in step S72 is executed.

ステップS72の判別処理の結果、以上である場合には、液水貯蔵手段106内の液水は凍結していないものと判断し、第3液水排出手段108cを開放し(ステップS74)、液水貯蔵手段106に貯蔵された液水をシステム外に排出する処理を開始する。その後、第2液水量検出手段111で検出された液水貯蔵手段106の液水量が第2の所定値以下であるか否かを判別する(ステップS75)。ここで、第2の所定値は、先の実施例1と同様の値に設定される。   If the result of the determination process in step S72 is the above, it is determined that the liquid water in the liquid water storage means 106 is not frozen, and the third liquid water discharge means 108c is opened (step S74). The process of discharging the liquid water stored in the water storage means 106 to the outside of the system is started. Thereafter, it is determined whether or not the amount of liquid water in the liquid water storage means 106 detected by the second liquid water amount detection means 111 is equal to or less than a second predetermined value (step S75). Here, the second predetermined value is set to the same value as in the first embodiment.

判別の結果、以下でない場合には、第3液水排出手段108cを介して液水の排出処理を継続する一方、以下になった場合には、第3液水排出手段108cを遮断して排水を停止する(ステップS76)。   If the result of determination is not below, the liquid water discharging process is continued through the third liquid water discharging means 108c. On the other hand, if the result is below, the third liquid water discharging means 108c is shut off and drained. Is stopped (step S76).

このように、上記実施例2においては、先の実施例1と同様の効果を得ることができることに加えて、液水解凍手段として燃料電池システム運転時に使用する冷却水を使用し、燃料電池システム起動後に燃料電池システム各部品と熱交換した高温の冷却水が液水貯蔵手段106内の凍結水と熱交換する構成を採用したので、凍結水の解凍に電力を必要とせず、燃料電池システムの消費電力を低減することができる。   As described above, in the second embodiment, in addition to obtaining the same effect as in the first embodiment, the cooling water used during the operation of the fuel cell system is used as the liquid water thawing means. Since the high-temperature cooling water heat-exchanged with each part of the fuel cell system after the start-up adopts a configuration in which heat is exchanged with the frozen water in the liquid water storage means 106, electric power is not required for thawing the frozen water, and the fuel cell system Power consumption can be reduced.

次に、本発明の実施例3に係る燃料電池システムについて説明する。この実施例3の特徴とするところは、先の図1に示す構成に比べて、実施例1で説明した電気ヒータ107に代えて液水貯蔵手段106内の凍結した液水を解凍する解凍手段として、燃料電池100の発電時に燃料電池100のアノード極側出口から気液分離手段105に排出され、気液分離手段105で分離された高温の液水を利用したことにあり、他は先の実施例1と同様である。   Next, a fuel cell system according to Example 3 of the present invention will be described. Compared with the configuration shown in FIG. 1, the feature of the third embodiment is that the thawing means for thawing the frozen liquid water in the liquid water storage means 106 instead of the electric heater 107 described in the first embodiment. As described above, the high-temperature liquid water discharged from the anode electrode side outlet of the fuel cell 100 to the gas-liquid separation unit 105 and separated by the gas-liquid separation unit 105 at the time of power generation of the fuel cell 100 is used. The same as in the first embodiment.

この実施例3において、先の図2に示すステップS23で行われる解凍/排水処理制御は、図8に示すフローチャートにしたがって実行される。図8を参照して、先ず液水貯蔵手段106に設けられた温度センサ112で検出された信号に基づいて、コントローラ109で液水貯蔵手段106に貯蔵された液水の温度T1を求める(ステップS81)。続いて液水の温度T1が前述したと同じ値に設定された第1の所定値以下であるか否かを判別し(ステップS82)、貯蔵された液水が凍結しているか否かを推定する。   In the third embodiment, the thawing / drainage processing control performed in step S23 shown in FIG. 2 is executed according to the flowchart shown in FIG. Referring to FIG. 8, first, based on a signal detected by temperature sensor 112 provided in liquid water storage means 106, controller 109 obtains temperature T1 of liquid water stored in liquid water storage means 106 (step). S81). Subsequently, it is determined whether or not the temperature T1 of the liquid water is equal to or lower than a first predetermined value set to the same value as described above (step S82), and it is estimated whether or not the stored liquid water is frozen. To do.

判別の結果、以下である場合には、液水が凍結しているものと推定し、第2液水排出手段108bを開放する(ステップS83)。これにより、燃料電池100の発電時に燃料電池100のアノード極側出口から気液分離手段105に排出され、気液分離手段105で分離された高温の液水を、開放された第2液水排出手段108bを介して気液分離手段105から液水貯蔵手段106に排出する。この結果、気液分離手段105から排出された高温の液水で液水貯蔵手段106内で凍結した液水の解凍処理が開始され、先のステップS82の判別処理が実行される。   As a result of the determination, if it is the following, it is estimated that the liquid water is frozen, and the second liquid water discharge means 108b is opened (step S83). As a result, during the power generation of the fuel cell 100, the high-temperature liquid water that is discharged from the anode electrode side outlet of the fuel cell 100 to the gas-liquid separation means 105 and separated by the gas-liquid separation means 105 is discharged to the second liquid water discharge. The gas-liquid separation means 105 is discharged to the liquid water storage means 106 via the means 108b. As a result, the thawing process of the liquid water frozen in the liquid water storage means 106 with the high-temperature liquid water discharged from the gas-liquid separation means 105 is started, and the discrimination process of the previous step S82 is executed.

先のステップS82の判別処理の結果、以上である場合には、液水貯蔵手段106内の液水は凍結していないものと判別し、第2液水量検出手段111で検出された液水貯蔵手段106の液水量が第2の所定値以下であるか否かを判別する(ステップS84)。ここで、第2の所定値は、先の実施例1と同様の値に設定される。   If the result of the determination processing in the previous step S82 is the above, it is determined that the liquid water in the liquid water storage means 106 is not frozen, and the liquid water storage detected by the second liquid water amount detection means 111 is determined. It is determined whether or not the liquid water amount of the means 106 is equal to or smaller than a second predetermined value (step S84). Here, the second predetermined value is set to the same value as in the first embodiment.

判別の結果、以下でない場合には、第3液水排出手段108cを開放し(ステップS85)、開放した第3液水排出手段108cを介してシステム外に液水貯蔵手段106に貯蔵された液水を排出し、以下になった場合には、第3液水排出手段108cを遮断して排水を停止する(ステップS86)。   If the result of determination is not below, the third liquid water discharge means 108c is opened (step S85), and the liquid stored in the liquid water storage means 106 outside the system via the opened third liquid water discharge means 108c. When the water is discharged and the following condition is reached, the third liquid water discharging means 108c is shut off and the drainage is stopped (step S86).

このように、上記実施例3においては、液水の解凍手段として、燃料電池100のアノード電極側の出口から排出されて、気液分離手段105で分離された高温の液水を利用することで、先の実施例2と同様の効果を得ることができる。   As described above, in the third embodiment, the high-temperature liquid water discharged from the outlet on the anode electrode side of the fuel cell 100 and separated by the gas-liquid separation means 105 is used as the thawing means for liquid water. The same effects as those of the second embodiment can be obtained.

なお、上記各実施例1〜3では、システムの起動後に液水貯蔵手段106内の液水が凍結していると判別された場合には、システム起動後に凍結水を解凍する処理を実行しているが、システムの起動後であってシステムの運転を停止する際に、凍結しているか否かを判別し、凍結していると判別した場合には、凍結水を解凍した後システムの運転を停止するようにしてもよい。   In each of the first to third embodiments, when it is determined that the liquid water in the liquid water storage means 106 is frozen after the system is started, a process for thawing the frozen water after the system is started is executed. However, when the system operation is stopped after the system is started, it is determined whether or not the system is frozen.If it is determined that the system is frozen, the system is operated after the frozen water is thawed. You may make it stop.

燃料電池システム停止時に液水貯蔵手段106内で液水が凍結していた場合には、液水貯蔵手段106から液水を排出できないおそれがあり、気液分離手段105から液水をすべて排出することなく燃料電池システムを停止してしまうおそれがあった。このため、液水解凍手段を作用させることで液水貯蔵手段106内の凍結水を解凍することで、気液分離手段105から液水をすべて排出してシステムを停止することが可能となる。   If the liquid water is frozen in the liquid water storage means 106 when the fuel cell system is stopped, there is a possibility that the liquid water cannot be discharged from the liquid water storage means 106, and all the liquid water is discharged from the gas-liquid separation means 105. There was a risk that the fuel cell system would stop without any failure. For this reason, by thawing the frozen water in the liquid water storage means 106 by operating the liquid water thawing means, it is possible to discharge all liquid water from the gas-liquid separation means 105 and stop the system.

この結果、燃料電池システム停止後に低温環境下で放置しても気液分離手段105に液水が残留していないため、気液分離手段105が凍結することを防止することができるので、気液分離手段105が凍結したことにより燃料電池システムが再起動できなくなることを防止することができる。   As a result, since liquid water does not remain in the gas-liquid separation means 105 even if left in a low temperature environment after the fuel cell system is stopped, the gas-liquid separation means 105 can be prevented from freezing. It can be prevented that the fuel cell system cannot be restarted due to the separation means 105 being frozen.

本発明の実施例1に係る燃料電池システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell system which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例1に係る制御処理の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of the control processing which concerns on Example 1 of this invention. 図2に示す一処理の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of one process shown in FIG. 第3液水排出手段の開放後の時間と液水貯蔵手段の液水量との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the time after opening of a 3rd liquid water discharge means, and the amount of liquid water of a liquid water storage means. 図2に示す一処理の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of one process shown in FIG. 本発明の実施例2に係る燃料電池システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell system which concerns on Example 2 of this invention. 本発明の実施例2に係る制御処理の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of the control processing which concerns on Example 2 of this invention. 本発明の実施例3に係る制御処理の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of the control processing which concerns on Example 3 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

100…燃料電池
101…高圧燃料ガス供給装置
102…水素循環配管
103…燃料ガス加圧手段
104…エゼクタ
105…気液分離手段
106…液水貯蔵手段
107…電気ヒータ
108a…第1液水排出手段
108b…第2液水排出手段
108c…第3液水排出手段
109…コントローラ
110…第1液水量検出手段
111…第2液水量検出手段
112…温度センサ
113…エア抜き手段
600…冷却装置
601…冷却水配管
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Fuel cell 101 ... High pressure fuel gas supply apparatus 102 ... Hydrogen circulation piping 103 ... Fuel gas pressurization means 104 ... Ejector 105 ... Gas-liquid separation means 106 ... Liquid water storage means 107 ... Electric heater 108a ... 1st liquid water discharge means 108b ... second liquid water discharging means 108c ... third liquid water discharging means 109 ... controller 110 ... first liquid water amount detecting means 111 ... second liquid water amount detecting means 112 ... temperature sensor 113 ... air venting means 600 ... cooling device 601 ... Cooling water piping

Claims (9)

燃料ガスと酸化剤ガスとの反応ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池のアノード極側から排出されるオフガスに含まれる水分を分離し、得られた液水を一時的に溜める気液分離手段と、
前記気液分離手段に溜められた液水が流入し、流入した液水を貯蔵し、前記燃料電池システムの起動時ならびに運転時に反応ガスが流通しない液水貯蔵手段と、
前記気液分離手段に溜められた液水を前記液水貯蔵手段に選択的に排水制御する第2液水排出手段と、
前記燃料電池システムの運転停止時に、前記第2液水排出手段を介して前記気液分離手段に溜められた液水を前記液水貯蔵手段に排水制御する制御手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。
In a fuel cell system including a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction of a reaction gas between a fuel gas and an oxidant gas,
Gas-liquid separation means for separating the water contained in the off-gas discharged from the anode side of the fuel cell and temporarily storing the obtained liquid water;
Liquid water stored in the gas-liquid separation means flows in, stores the liquid water that has flowed in, and liquid water storage means in which no reaction gas flows during startup and operation of the fuel cell system,
Second liquid water discharge means for selectively controlling drainage of the liquid water stored in the gas-liquid separation means to the liquid water storage means;
And control means for controlling the drainage of the liquid water stored in the gas-liquid separation means to the liquid water storage means via the second liquid water discharge means when the operation of the fuel cell system is stopped. Fuel cell system.
前記気液分離手段に溜められた液水を前記燃料電池システム外に選択的に排水制御する第1液水排出手段と、
前記気液分離手段に溜められた液水の液水量を検出する第1液水量検出手段と、
前記液水貯蔵手段に貯蔵された液水の液水量を検出する第2液水量検出手段と
を備え、
前記制御手段は、前記第1液水量検出手段で検出された前記気液分離手段に溜められた液水量と、前記第2液水量検出手段で検出された前記液水貯蔵手段に貯蔵された液水量とに基づいて、前記第1液水排出手段と前記第2液水排出手段の排水を制御する
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
First liquid water discharge means for selectively controlling drainage of liquid water stored in the gas-liquid separation means to the outside of the fuel cell system;
First liquid water amount detection means for detecting the amount of liquid water stored in the gas-liquid separation means;
A second liquid water amount detection means for detecting the liquid water amount stored in the liquid water storage means,
The control means includes an amount of liquid water stored in the gas-liquid separation means detected by the first liquid water amount detection means, and a liquid stored in the liquid water storage means detected by the second liquid water amount detection means. 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein drainage of the first liquid water discharge unit and the second liquid water discharge unit is controlled based on a water amount.
前記液水貯蔵手段に貯蔵された液水を前記燃料電池システム外に選択的に排水制御する第3液水排出手段を備え、
前記制御手段は、前記第2液水量検出手段で検出された前記液水貯蔵手段に貯蔵された液水量に基づいて、前記第3液水排出手段の排水を制御し、前記液水貯蔵手段に貯蔵される液水量を所定の液水量に設定する
ことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。
A third liquid water discharging means for selectively controlling drainage of the liquid water stored in the liquid water storage means outside the fuel cell system;
The control means controls the drainage of the third liquid water discharge means based on the liquid water amount stored in the liquid water storage means detected by the second liquid water amount detection means, and the liquid water storage means 3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the amount of liquid water stored is set to a predetermined amount of liquid water.
前記液水貯蔵手段に貯蔵された液水が凍結しているか否かを判断する凍結判断手段と、
前記液水貯蔵手段内の凍結した液水を解凍する解凍手段と
を備え、
前記制御手段は、前記凍結判断手段で前記液水貯蔵手段に貯蔵された液水が凍結しているものと判断した場合には、前記燃料電池システム起動後に前記解凍手段で凍結した液水を解凍する
ことを特徴とする請求項1,2及び3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
Freezing judgment means for judging whether or not the liquid water stored in the liquid water storage means is frozen,
Thawing means for thawing frozen liquid water in the liquid water storage means,
When the control means judges that the liquid water stored in the liquid water storage means is frozen by the freezing judgment means, the liquid water frozen by the thawing means after starting the fuel cell system is thawed. The fuel cell system according to any one of claims 1, 2, and 3, wherein:
前記凍結判断手段は、前記液水貯蔵手段内に設置された温度センサで構成され、
前記温度センサで検出された温度が所定値以下の場合には、前記液水貯蔵手段に貯蔵された液水が凍結しているものと判断する
ことを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システム。
The freezing judgment means is composed of a temperature sensor installed in the liquid water storage means,
5. The fuel cell according to claim 4, wherein when the temperature detected by the temperature sensor is equal to or less than a predetermined value, it is determined that the liquid water stored in the liquid water storage means is frozen. system.
前記解凍手段は、前記液水貯蔵手段に設置された電気ヒータで構成され、
前記制御手段は、前記凍結判断手段で前記液水貯蔵手段に貯蔵された液水が凍結しているものと判断した場合には、前記燃料電池システム起動後に前記電気ヒータを駆動して、前記液水貯蔵手段を加熱して凍結した液水を解凍する
ことを特徴とする請求項4または5に記載の燃料電池システム。
The thawing means is composed of an electric heater installed in the liquid water storage means,
If the freezing determination means determines that the liquid water stored in the liquid water storage means is frozen, the control means drives the electric heater after the fuel cell system is started to 6. The fuel cell system according to claim 4, wherein the frozen water is thawed by heating the water storage means.
前記解凍手段は、前記燃料電池を冷却する冷却手段で構成され、
前記冷却手段は、前記燃料電池と熱交換して冷却する冷却水を前記燃料電池に供給する冷却装置と、
前記燃料電池に供給される冷却水が流通し、配管の一部が前記液水貯蔵手段と接触して配置された冷却水配管とで構成され、
前記燃料電池と熱交換された冷却水が前記冷却水配管を流通して前記液水貯蔵手段と熱交換し、冷却水の熱で凍結した液水を解凍する
ことを特徴とする請求項4または5に記載の燃料電池システム。
The thawing means is constituted by a cooling means for cooling the fuel cell,
The cooling means includes a cooling device that supplies cooling water to be cooled by exchanging heat with the fuel cell to the fuel cell;
Cooling water supplied to the fuel cell circulates, and a part of the piping is configured with cooling water piping arranged in contact with the liquid water storage means,
5. The cooling water heat-exchanged with the fuel cell flows through the cooling water pipe and exchanges heat with the liquid water storage means, and thaws the liquid water frozen by the cooling water heat. 6. The fuel cell system according to 5.
前記解凍手段は、前記燃料電池のアノード極出口側から排出されて前記気液分離手段で分離された液水であり、
前記第2液水排出手段を介して前記解凍手段の液水を前記液水貯蔵手段に排水し、排水した液水の熱で凍結した液水を解凍する
ことを特徴とする請求項4または5に記載の燃料電池システム。
The thawing means is liquid water discharged from the anode electrode outlet side of the fuel cell and separated by the gas-liquid separation means,
6. The liquid water of the thawing means is drained to the liquid water storage means via the second liquid water discharging means, and the frozen liquid water is thawed by the heat of the drained liquid water. The fuel cell system described in 1.
前記制御手段は、前記燃料電池システムを停止する際に、前記凍結判断手段で前記液水貯蔵手段に貯蔵された液水が凍結しているものと判断した場合には、前記解凍手段で凍結した液水を解凍する
ことを特徴とする請求項4,5,6,7及び8のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
When the control unit determines that the liquid water stored in the liquid water storage unit is frozen by the freezing determination unit when the fuel cell system is stopped, the control unit freezes by the thawing unit. The fuel cell system according to any one of claims 4, 5, 6, 7 and 8, wherein the liquid water is thawed.
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