JP2007207724A - Fuel cell system - Google Patents

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尚秀 泉谷
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system in which a circulating amount is suitably controlled and a gas liquid separation performance is maintained in a high status. <P>SOLUTION: The fuel cell system is provided with a driving means to circulate gas in an exhaust passage to a supply passage through a circulating passage, a separator to separate water from gas to be circulated, a storing unit to store water, a calculating means to calculate a residual water amount in the system based on an operation status of the fuel cell and an environmental status in which the fuel cell is operated, an exhausting means to exhaust water in the storing unit, a calculating means to calculate an operation time to drive the driving means to reduce a residual water amount based on the operation status and environment, a calculating means to calculate an operation time to operate the exhausting means to exhaust water in the storing unit, a calculating means to calculate an water amount stored in the storing unit, and a controlling means for the driving means to be operated till the end of the operation time and for the exhausting means to be operated till the end of the operation time. The controlling means operates the gas driving means at a different driving amount in accordance with whether the water amount exceeds a threshold value or not. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、発電時において水を発生させる燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system that generates water during power generation.

固体高分子型燃料電池(以下、燃料電池ともいう)システムの停止時に燃料電池内や経路内に必要以上の水分が存在している場合、長時間氷点下にさらされると水分が凍結する問題がある。そのため、燃料電池システムを氷点下でも安定的に運転する為には、燃料電池システムの経路内の水分を燃料電池システムの停止時に排出する必要がある。このため、循環系のガス経路を含む燃料電池では、気液分離器を含む経路でガスを循環させ(これを掃気という)、残水量を減少させている。しかし、燃料電池システムの経路内の掃気時間が長くなると、燃料電池システムの停止に必要な時間が長くなる等、使い勝手が悪くなる。すなわち、掃気や希釈空気の供給をポンプに頼る為、長時間の掃気には多量の電力が消費され、また、ポンプの駆動時の騒音が問題となる。さらに、イグニッションスイッチがOFFにされた後、燃料電池システムの停止処理に時間がかかると商品性を損なうという問題がある。   Solid polymer fuel cell (hereinafter also referred to as fuel cell) system has a problem that when water is more than necessary in the fuel cell or path when the system is stopped, the water freezes when exposed to freezing for a long time. . Therefore, in order to stably operate the fuel cell system even at a temperature below freezing point, it is necessary to discharge the water in the path of the fuel cell system when the fuel cell system is stopped. For this reason, in a fuel cell including a gas path in the circulation system, gas is circulated through a path including a gas-liquid separator (this is called scavenging) to reduce the amount of remaining water. However, if the scavenging time in the path of the fuel cell system becomes longer, the time required for stopping the fuel cell system becomes longer and the usability becomes worse. That is, since supply of scavenging and dilution air is relied on the pump, a long amount of scavenging consumes a large amount of power, and noise during driving of the pump becomes a problem. Furthermore, there is a problem in that the merchantability is impaired if it takes time to stop the fuel cell system after the ignition switch is turned off.

また、燃料電池における電解質膜内のプロトン(水素イオン)は、水分子により移動する。燃料電池の運転には、プロトン移動性を確保するため、燃料電池の電解質膜内やその近傍も湿潤させることが必要である。そのため、氷点下においても、燃料電池システムを円滑に始動させ、安定した運転状態を達成するためには、燃料電池内部にある程度の水分が必要である。
特開2003−297399号公報 特開2004−288491号公報 特開2005−141943号公報
In addition, protons (hydrogen ions) in the electrolyte membrane in the fuel cell move by water molecules. In the operation of the fuel cell, it is necessary to wet the electrolyte membrane of the fuel cell and the vicinity thereof in order to ensure proton mobility. Therefore, in order to smoothly start the fuel cell system and achieve a stable operation state even at a temperature below freezing point, a certain amount of moisture is required inside the fuel cell.
JP 2003-297399 A JP 2004-288491 A JP 2005-141943 A

燃料電池システム内を循環するガスから水分を分離する性能(気液分離性能)は、燃料電池システム内の残水量、循環量(燃料電池システム内を循環するガスの単位時間あたりの流量)及び気液分離器が分離した水分を貯留するタンクの水位により変化する。しかし、上記従来の技術は、気液分離性能の変化に応じて、循環量を適切な値に制御していない。そのため、気液分離性能を高い状態に維持することができない。本発明の目的は、循環量を適切な値に制御し、気液分離性能を高い状態に維持する技術を提供することにある。   The ability to separate moisture from the gas circulating in the fuel cell system (gas-liquid separation performance) is the amount of residual water in the fuel cell system, the amount of circulation (flow rate per unit time of gas circulating in the fuel cell system), and gas It changes depending on the water level of the tank that stores the water separated by the liquid separator. However, the above conventional technique does not control the circulation amount to an appropriate value according to the change in the gas-liquid separation performance. Therefore, the gas-liquid separation performance cannot be maintained in a high state. An object of the present invention is to provide a technique for controlling the amount of circulation to an appropriate value and maintaining a high gas-liquid separation performance.

本発明は、上述した課題を解決するために、以下の手段を採用する。すなわち、本発明は、燃料電池本体と、前記燃料電池本体にガスを供給するガス供給通路と、前記燃料電池本体からガスを排出するガス排出通路と、前記ガス排出通路を前記ガス供給通路に接続させるガス循環通路と、前記ガス循環通路を通じて前記ガス排出通路のガスを前記ガス供給通路に循環させるガス駆動手段と、前記循環させるガスから水分を分離する気液分離器と、前記分離した水分を貯留する貯留器と、前記貯留器内の水分を前記燃料電池システム外に排水する排水手段と、前記貯留器に貯留している水分量を算出する水分量算出手段と、前記水分量が所定の閾値以上であるか否かに応じて異なる駆動量で前記ガス駆動手段を作動させる制御手段とを備える燃料電池システムである。本発明では、貯留器に貯留している水分量に応じて異なる駆動量でガス駆動手段を作動させる。そのため、貯留器に貯留している水分量に応じた駆動量で燃料電池システム内の残水を掃気する。その結果、気液分離器の気液分離性能を高い状態に維持することができる。   The present invention employs the following means in order to solve the above-described problems. That is, the present invention relates to a fuel cell main body, a gas supply passage for supplying gas to the fuel cell main body, a gas discharge passage for discharging gas from the fuel cell main body, and the gas discharge passage connected to the gas supply passage. A gas circulation passage, gas driving means for circulating the gas in the gas discharge passage through the gas circulation passage to the gas supply passage, a gas-liquid separator for separating moisture from the circulated gas, and the separated moisture A reservoir for storing; drainage means for draining the water in the reservoir to the outside of the fuel cell system; moisture amount calculating means for calculating the amount of moisture stored in the reservoir; and And a control unit that operates the gas driving unit with a different driving amount depending on whether or not it is equal to or greater than a threshold value. In the present invention, the gas driving means is operated with different driving amounts according to the amount of water stored in the reservoir. Therefore, the remaining water in the fuel cell system is scavenged with a drive amount corresponding to the amount of water stored in the reservoir. As a result, the gas-liquid separation performance of the gas-liquid separator can be maintained in a high state.

また、上記燃料電池システムは、前記燃料電池本体の運転状態および前記燃料電池本体が運転される環境の状態を基に前記燃料電池本体、前記ガス供給通路、前記ガス排出通路、および前記ガス循環通路を含む燃料電池システム内の残水量を算出する手段と、前記運転状態および前記環境の状態にしたがって前記残水量を所定値まで減少させるために前記ガス駆動手段を作動させる作動時間を算出する作動時間算出手段と、前記貯留器内の水分を前記燃料電池システム外に排水するために前記排水手段を作動させる排水作動時間を算出する排水時間算出手段とを更に備え、前記制御手段が、前記ガス駆動手段を前記作動時間の終了まで作動させるとともに前記排水手段を前記排水作動時間の終了まで作動させてもよい。本発明では、燃料電池システム内の残水量に応じた適切な掃気時間により燃料電池システム内の残水を適切な量に制御できる。また、貯留器内の水分を適切な時間により排水する。その結果、気液分離器の気液分離性能を高い状態に維持することができる。   The fuel cell system includes the fuel cell main body, the gas supply passage, the gas discharge passage, and the gas circulation passage based on the operating state of the fuel cell main body and the state of the environment in which the fuel cell main body is operated. Means for calculating the amount of residual water in the fuel cell system, and an operating time for calculating an operating time for operating the gas driving means to reduce the amount of residual water to a predetermined value according to the operating state and the state of the environment A calculation means; and a drainage time calculation means for calculating a drainage operation time for operating the drainage means to drain the water in the reservoir outside the fuel cell system, and the control means includes the gas drive The means may be operated until the end of the operating time and the draining means may be operated until the end of the draining operating time. In the present invention, the remaining water in the fuel cell system can be controlled to an appropriate amount by an appropriate scavenging time corresponding to the remaining water amount in the fuel cell system. Also, drain the water in the reservoir at an appropriate time. As a result, the gas-liquid separation performance of the gas-liquid separator can be maintained in a high state.

また、上記燃料電池システムは、前記水分量が所定の閾値以上である場合、前記制御手段が、前記排水作動時間を所定時間延長させた時間の終了まで前記排水手段を作動させてもよい。本発明では、貯留器に貯留している水分を燃料電池システム外に排水する時間を調整することで、貯留器に貯留している水分量を適切な値に維持することができる。   In the fuel cell system, when the amount of water is equal to or greater than a predetermined threshold, the control unit may operate the drainage unit until the end of a time obtained by extending the drainage operation time by a predetermined time. In the present invention, the amount of water stored in the reservoir can be maintained at an appropriate value by adjusting the time for draining the water stored in the reservoir outside the fuel cell system.

また、上記燃料電池システムは、前記水分量が所定の閾値以上である場合、前記制御手段が、前記駆動量を所定値減少させてもよい。本発明では、ガス駆動手段の駆動量を減少させ、気液分離器の気液分離性能を高い状態に維持することができる。   In the fuel cell system, when the water content is equal to or greater than a predetermined threshold, the control unit may decrease the drive amount by a predetermined value. In the present invention, the driving amount of the gas driving means can be reduced, and the gas-liquid separation performance of the gas-liquid separator can be maintained in a high state.

本発明によれば、循環量を適切な値に制御し、気液分離性能を高い状態に維持できる。   According to the present invention, the circulation rate can be controlled to an appropriate value, and the gas-liquid separation performance can be maintained in a high state.

以下、図面を参照して本発明の実施をするための最良の形態(以下、実施形態という)に係る設計装置について説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成に限定されない。   Hereinafter, a design apparatus according to the best mode (hereinafter referred to as an embodiment) for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. The configuration of the following embodiment is an exemplification, and the present invention is not limited to the configuration of the embodiment.

本実施形態に係る燃料電池システムを図1および図2の図面に基いて説明する。図1は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成例を示す図である。図1において、燃料電池システムは、燃料電池スタック1、アノードガス通路2、アノードオフガス通路3、アノードオフガス循環通路4、カソードガス通路5、カソードオフガス通路6、水素タンク7、水素ポンプ8、ポンプ9、調圧弁10、11、フィルタ12、加湿器13、気液分離器14、ドレンタンク15、排水弁16、制御部17、残水量算出部18、パージ弁19及び水位検出部20を有する。   A fuel cell system according to this embodiment will be described with reference to the drawings of FIGS. FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a fuel cell system according to the present embodiment. 1, the fuel cell system includes a fuel cell stack 1, an anode gas passage 2, an anode off gas passage 3, an anode off gas circulation passage 4, a cathode gas passage 5, a cathode off gas passage 6, a hydrogen tank 7, a hydrogen pump 8, and a pump 9. , Pressure control valves 10 and 11, filter 12, humidifier 13, gas-liquid separator 14, drain tank 15, drain valve 16, control unit 17, residual water amount calculation unit 18, purge valve 19, and water level detection unit 20.

燃料電池スタック1は、複数のセルが積層されて構成されている。各セルは電解質膜、アノード(燃料極)、カソード(空気極)、及びセパレータとから構成される。アノードとカソードとの間には、水素及び空気の流路が形成されている。アノードガス通路2は、燃料電池スタック1のアノードに水素を含んだアノードガスを供給する通路である。カソードガス通路5は、燃料電池スタック1のカソードに空気を含んだカソードガスを供給する経路である。   The fuel cell stack 1 is configured by stacking a plurality of cells. Each cell includes an electrolyte membrane, an anode (fuel electrode), a cathode (air electrode), and a separator. Between the anode and the cathode, a flow path for hydrogen and air is formed. The anode gas passage 2 is a passage for supplying an anode gas containing hydrogen to the anode of the fuel cell stack 1. The cathode gas passage 5 is a passage for supplying cathode gas containing air to the cathode of the fuel cell stack 1.

水素タンク7は、アノードガス通路2にアノードガスを供給する。水素タンク7から供給されるアノードガスは、調圧弁10により所定圧力に調整される。また、アノードガスはアノードガス通路2から燃料電池スタック1のアノードに供給されている。ポンプ9(エアーコンプレッサともいう)が駆動することにより、燃料電池システム外から供給されるカソードガスが燃料電池スタック1のカソードに供給される。   The hydrogen tank 7 supplies anode gas to the anode gas passage 2. The anode gas supplied from the hydrogen tank 7 is adjusted to a predetermined pressure by the pressure regulating valve 10. The anode gas is supplied from the anode gas passage 2 to the anode of the fuel cell stack 1. When the pump 9 (also referred to as an air compressor) is driven, the cathode gas supplied from outside the fuel cell system is supplied to the cathode of the fuel cell stack 1.

燃料電池スタック1のアノードでは、アノードガスが供給されると、アノードガスに含まれる水素から水素イオンが生成される。また、燃料電池スタック1のカソードには、空気に含まれる酸素が供給される。そして、燃料電池スタック1では、水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギーが発生する。また、燃料電池スタック1のカソードでは、水素から生成した水素イオンと酸素とが結合することにより水が生成される。   In the anode of the fuel cell stack 1, when anode gas is supplied, hydrogen ions are generated from hydrogen contained in the anode gas. Further, oxygen contained in the air is supplied to the cathode of the fuel cell stack 1. In the fuel cell stack 1, an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen occurs to generate electric energy. Further, at the cathode of the fuel cell stack 1, water is generated by combining hydrogen ions generated from hydrogen and oxygen.

加湿器13は、燃料電池スタック1に供給される空気を加湿する。燃料電池スタック1内で電気化学反応が適切に行われるためには、燃料電池スタック1内の電解質膜は、水分を含んだ湿潤状態である必要があるため、空気を加湿している。また、電解質膜の水分は細かいクラスタに分離し、電解質膜内のスルホン酸基と結びついて電解膜質内の水分は氷結しにくい。   The humidifier 13 humidifies the air supplied to the fuel cell stack 1. In order for an electrochemical reaction to be appropriately performed in the fuel cell stack 1, the electrolyte membrane in the fuel cell stack 1 needs to be in a wet state containing moisture, and thus humidifies the air. In addition, the water in the electrolyte membrane is separated into fine clusters and is combined with sulfonic acid groups in the electrolyte membrane, so that the water in the electrolyte membrane hardly freezes.

アノードに供給されたアノードガスのうち未反応の水素及びカソードから透過する窒素等を含むガス(以下、アノードオフガスと表記する)は、燃料電池スタック1からアノードオフガス通路3に送出される。   Of the anode gas supplied to the anode, a gas containing unreacted hydrogen and nitrogen permeating from the cathode (hereinafter referred to as anode off gas) is sent from the fuel cell stack 1 to the anode off gas passage 3.

また、カソードに供給されたカソードガスのうち未反応のガス(以下、カソードオフガスと表記する)は、燃料電池スタック1からカソードオフガス通路6に排出される。カソードから排出されたカソードオフガスは、カソードオフガス通路6を通り、燃料電池システム外に排出される。   Further, unreacted gas (hereinafter referred to as cathode offgas) among the cathode gas supplied to the cathode is discharged from the fuel cell stack 1 to the cathode offgas passage 6. The cathode off gas discharged from the cathode passes through the cathode off gas passage 6 and is discharged out of the fuel cell system.

燃料電池スタック1のアノードから排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス通路3及びアノードオフガス循環通路4を通り、水素タンク7からのアノードガスとともに再び燃料電池スタック1のアノードへ供給される。そのため、アノードオフガス通路3は、燃料電池スタック1のアノードから排出されたアノードオフガスを気液分離器14に供給する。   The anode off gas discharged from the anode of the fuel cell stack 1 passes through the anode off gas passage 3 and the anode off gas circulation passage 4 and is supplied again to the anode of the fuel cell stack 1 together with the anode gas from the hydrogen tank 7. Therefore, the anode off gas passage 3 supplies the anode off gas discharged from the anode of the fuel cell stack 1 to the gas-liquid separator 14.

気液分離器14は、燃料電池スタック1のアノードから排出されたアノードオフガスに含まれる水分と水素を分離する。気液分離器14で水分を分離された水素は水素ポンプ8によりアノードガスとしてアノードオフガス循環通路4を通り、アノードガス通路2に供給される。アノードオフガス循環通路4は、水素ポンプ8から送出されるアノードガスをアノードガス通路2に循環させるための通路である。アノードオフガス循環通路4により、アノード側の循環経路が構成されている。   The gas-liquid separator 14 separates water and hydrogen contained in the anode offgas discharged from the anode of the fuel cell stack 1. The hydrogen from which the water has been separated by the gas-liquid separator 14 is supplied to the anode gas passage 2 through the anode off-gas circulation passage 4 as the anode gas by the hydrogen pump 8. The anode off-gas circulation passage 4 is a passage for circulating the anode gas delivered from the hydrogen pump 8 to the anode gas passage 2. The anode off gas circulation passage 4 constitutes a circulation path on the anode side.

ドレンタンク15は、気液分離器14が分離した水分を貯留する。排水弁16の開閉を行うことにより、ドレンタンク15に貯留されている水は循環経路外に排出される。また、排水弁16は、ドレンタンク15に貯留される水が溢れないように適度に開閉される。   The drain tank 15 stores the water separated by the gas-liquid separator 14. By opening and closing the drain valve 16, the water stored in the drain tank 15 is discharged out of the circulation path. Further, the drain valve 16 is appropriately opened and closed so that the water stored in the drain tank 15 does not overflow.

また、制御部17は、水素ポンプ8及び排水弁16と電気的に接続されており、水素ポンプ8及び排水弁16の駆動を制御する。制御部17は、排水弁16の駆動を制御することにより、排水弁16の開閉時間を制御することができる。   The control unit 17 is electrically connected to the hydrogen pump 8 and the drain valve 16 and controls the driving of the hydrogen pump 8 and the drain valve 16. The control unit 17 can control the opening / closing time of the drain valve 16 by controlling the driving of the drain valve 16.

残水量算出部18は、燃料電池システム内の残水量を推定する。燃料電池システム内の残水量は、燃料電池スタック1、アノードガス通路2、アノードオフガス通路3、アノードオフガス循環通路4、水素ポンプ8、気液分離器14及びドレンタンク15内に存在する水などの燃料電池システム内の残水の凍結及びドライアップに影響する水分の量をいう。   The remaining water amount calculation unit 18 estimates the remaining water amount in the fuel cell system. The amount of remaining water in the fuel cell system is the amount of water present in the fuel cell stack 1, the anode gas passage 2, the anode offgas passage 3, the anode offgas circulation passage 4, the hydrogen pump 8, the gas-liquid separator 14, and the drain tank 15. The amount of water that affects freezing and dry-up of residual water in the fuel cell system.

パージ弁19は、アノードから排出されるアノードオフガス中に窒素などの不純物が増
加したときに、不図示の希釈器を介してアノードオフガス(および水素ポンプ8で循環されるアノードガス)を循環経路外に排出する。水位検出部20は、ドレンタンク15に貯留されている水の水位を検出し、測定する。
When impurities such as nitrogen increase in the anode off gas discharged from the anode, the purge valve 19 passes the anode off gas (and the anode gas circulated by the hydrogen pump 8) through a diluter (not shown) outside the circulation path. To discharge. The water level detection unit 20 detects and measures the water level of the water stored in the drain tank 15.

図2は、本実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池システムに対して発電停止の処理が行われた場合に図2の処理を実行する。例えば、イグニッションスイッチがOFFにされた場合、燃料電池システムの停止の指令があったと判断し、図2の処理が行われる。   FIG. 2 is a flowchart for explaining the operation of the fuel cell system according to the present embodiment. The fuel cell system according to the present embodiment executes the process of FIG. 2 when the power generation stop process is performed on the fuel cell system. For example, when the ignition switch is turned off, it is determined that there has been a command to stop the fuel cell system, and the process of FIG. 2 is performed.

まず、燃料電池スタック1の発電停止の処理が行われる(S01)。具体的には、水素タンク7に備え付けられている図示しないシャット弁が閉じられ、水素タンク7からのアノードガスの供給が遮断されることにより発電を停止させる。本実施形態に係る燃料電池システムでは、燃料電池システム内の残水を掃気するために、燃料電池システム内をアノードガス及びアノードオフガスが循環している。そして、燃料電池スタック1の発電停止の処理が行われた後も燃料電池システム内の残水は水素ポンプ8の駆動により掃気される。   First, power generation stop processing of the fuel cell stack 1 is performed (S01). Specifically, a shut valve (not shown) provided in the hydrogen tank 7 is closed, and the supply of anode gas from the hydrogen tank 7 is shut off to stop power generation. In the fuel cell system according to the present embodiment, anode gas and anode off gas circulate in the fuel cell system in order to scavenge residual water in the fuel cell system. Even after the power generation stop processing of the fuel cell stack 1 is performed, the remaining water in the fuel cell system is scavenged by driving the hydrogen pump 8.

具体的には、制御部17は、水素ポンプ8の駆動を制御し、アノードガス経路2及び燃料電池スタック1内にアノードガスを循環させる。そして、燃料電池スタック1のアノードから排出されたアノードオフガスに含まれる水と水素が気液分離器14により分離される。そして、制御部17は、排水弁16の駆動を制御し、分離した水を循環経路外に排出する。本実施形態においては、燃料電池スタック1の発電停止後の燃料電池システム内の残水を気液分離器14から排出させるための処理を掃気・循環処理という。   Specifically, the control unit 17 controls the drive of the hydrogen pump 8 to circulate the anode gas in the anode gas path 2 and the fuel cell stack 1. Then, water and hydrogen contained in the anode off-gas discharged from the anode of the fuel cell stack 1 are separated by the gas-liquid separator 14. And the control part 17 controls the drive of the drain valve 16, and discharges the isolate | separated water out of a circulation path. In the present embodiment, the process for discharging the remaining water in the fuel cell system after the power generation stop of the fuel cell stack 1 from the gas-liquid separator 14 is referred to as a scavenging / circulation process.

つぎに、残水量算出部18は、発電停止の処理が行われた直前の状態量から発電停止時の燃料電池システム内の残水量を推定する(S02)。例えば、残水量算出部18は、発電停止時の燃料電池システム内の残水量を推定する処理として、残水量Qiniを算出する。残水量Qiniは、発電停止の処理が行われた直前の状態量から求まる発電停止時の燃料電池システム内の残水量の推定値である。   Next, the remaining water amount calculation unit 18 estimates the remaining water amount in the fuel cell system when power generation is stopped from the state amount immediately before the power generation stop processing is performed (S02). For example, the remaining water amount calculation unit 18 calculates the remaining water amount Qini as a process of estimating the remaining water amount in the fuel cell system when power generation is stopped. The remaining water amount Qini is an estimated value of the remaining water amount in the fuel cell system when power generation is stopped, which is obtained from the state amount immediately before the power generation stop process is performed.

状態量には、燃料電池スタック1の電極間のインピーダンス(膜抵抗)、負荷積算値(電流積算値)、運転時間、冷媒温度又は冷媒温度の変化量、外気温度、湿度等がある。燃料電池スタック1の電極間のインピーダンスを測定することにより、燃料電池スタック1内の電解質膜の湿潤状態を知ることができる。インピーダンスは、燃料電池スタック1の電極間に高圧電気系からある周波数の交流を加えて、その応答から測定することができる。インピーダンスは、発電停止の処理を行った直前の値を使用する。発電停止の処理を行う直前までインピーダンスを常時測定しておくことにより、発電停止の処理を行った直前のインピーダンスの値を使用することができる。   The state quantity includes impedance between the electrodes of the fuel cell stack 1 (membrane resistance), load integrated value (current integrated value), operation time, refrigerant temperature or amount of change in refrigerant temperature, outside air temperature, humidity, and the like. By measuring the impedance between the electrodes of the fuel cell stack 1, the wet state of the electrolyte membrane in the fuel cell stack 1 can be known. Impedance can be measured from the response when an alternating current of a certain frequency is applied from the high voltage electrical system between the electrodes of the fuel cell stack 1. As the impedance, the value immediately before the power generation stop processing is used. By always measuring the impedance until immediately before the power generation stop process, the impedance value immediately before the power generation stop process can be used.

負荷積算値(電流積算値)は、総発電量であり、負荷積算値を測定することにより燃料電池内での総生成水量を知ることができる。運転時間は、燃料電池システムの発電時間である。燃料電池システムの発電が短時間の場合と、燃料電池システムの発電が長時間の場合とでは、発電量が同程度でも燃料電池システムの発電が短時間の方が経路内の温度が低い。このため、短時間の発電の場合、長時間の発電の場合に比較して液体となっている水の量が多い。   The load integrated value (current integrated value) is the total power generation amount, and the total amount of generated water in the fuel cell can be known by measuring the load integrated value. The operation time is the power generation time of the fuel cell system. In the case where the power generation of the fuel cell system is a short time and the case where the power generation of the fuel cell system is a long time, the temperature in the path is lower when the power generation of the fuel cell system is short even if the power generation amount is about the same. For this reason, in the case of short-time power generation, the amount of water that is liquid is larger than in the case of long-time power generation.

冷媒温度又は冷媒温度の変化量は、絶対値よりもどれだけ温まったのかという相対的な変化量が重要となる。燃料電池スタック1内の温度が高い場合は、燃料電池スタック1内の水分は蒸気となり燃料量電池システム外に出ていきやすい。一方、燃料電池スタック1内の温度が低い場合は、燃料電池スタック1内の水分は蒸気とならず燃料電池システム内
に留まりやすい。
As for the refrigerant temperature or the amount of change in the refrigerant temperature, the relative amount of change of how much the temperature has risen rather than the absolute value is important. When the temperature in the fuel cell stack 1 is high, the water in the fuel cell stack 1 becomes vapor and tends to go out of the fuel cell system. On the other hand, when the temperature in the fuel cell stack 1 is low, the water in the fuel cell stack 1 does not become vapor but tends to stay in the fuel cell system.

燃料電池スタック1からの放熱は外気温度によって変化するので、外気温度は冷媒温度又は冷媒温度の変化量に影響する。また、外気の湿度は、経路内の湿度に影響し、したがって、残水量に影響する。上記状態量は、発電停止直後の所定時間内の状態量を使用することもできる。また、上記状態量の複数を組み合わせて、発電停止時の燃料電池システム内の残水量を推定することもできる。   Since the heat radiation from the fuel cell stack 1 varies depending on the outside air temperature, the outside air temperature affects the refrigerant temperature or the amount of change in the refrigerant temperature. Further, the humidity of the outside air affects the humidity in the path, and thus affects the amount of remaining water. As the state quantity, a state quantity within a predetermined time immediately after stopping power generation can be used. In addition, the remaining amount of water in the fuel cell system when power generation is stopped can be estimated by combining a plurality of the state quantities.

図3及び図4は、状態量と燃料電池システム内の残水量の関係の例を示した図である。図3において、負荷積算値が小さい場合、燃料電池システム内の残水量は少ない値を示し、負荷積算値が大きい場合、燃料電池システム内の残水量は多い値を示している。また、図4において、冷媒温度が高い場合、燃料電池システム内の残水量は少ない値を示し、冷媒温度が低い場合、燃料電池システム内の残水量は多い値を示している。   3 and 4 are diagrams showing examples of the relationship between the state quantity and the remaining water amount in the fuel cell system. In FIG. 3, when the load integrated value is small, the remaining water amount in the fuel cell system shows a small value, and when the load integrated value is large, the remaining water amount in the fuel cell system shows a large value. In FIG. 4, when the refrigerant temperature is high, the remaining water amount in the fuel cell system shows a small value, and when the refrigerant temperature is low, the remaining water amount in the fuel cell system shows a large value.

このような、燃料電池スタック1の電極間のインピーダンス(膜抵抗)、負荷積算値(電流積算値)、運転時間、冷媒温度又は冷媒温度の変化量、外気温度、湿度等と燃料電池システム内の残水量との関係は、実験式として求めることができる。また、燃料電池スタック1の電極間のインピーダンス(膜抵抗)、負荷積算値(電流積算値)、運転時間、冷媒温度又は冷媒温度の変化量、外気温度、湿度等と燃料電池システム内の残水量との関係をマップ化しておき、そのマップ(テーブル)を参照することにより燃料電池システム内の残水量を求めてもよい。残水量算出部18は、この実験式又はマップにしたがって、残水量Qiniを算出する。例えば、状態量のうち、燃料電池スタック1の電極間のインピーダンス(膜抵抗)、負荷積算値(電流積算値)、運転時間、冷媒温度又は冷媒温度の変化量等は運転履歴又は運転状態とも呼ばれる。また、状態量のうち、外気温度、湿度等は使用環境又は運転環境とも呼ばれる。   Such an impedance (membrane resistance) between electrodes of the fuel cell stack 1, load integrated value (current integrated value), operation time, refrigerant temperature or refrigerant temperature change amount, outside air temperature, humidity and the like in the fuel cell system The relationship with the remaining water amount can be obtained as an empirical formula. Further, the impedance (membrane resistance) between the electrodes of the fuel cell stack 1, the load integrated value (current integrated value), the operation time, the refrigerant temperature or the change amount of the refrigerant temperature, the outside air temperature, the humidity, etc., and the remaining water amount in the fuel cell system And the remaining water amount in the fuel cell system may be obtained by referring to the map (table). The remaining water amount calculation unit 18 calculates the remaining water amount Qini according to this empirical formula or map. For example, among the state quantities, the impedance between the electrodes of the fuel cell stack 1 (membrane resistance), the load integrated value (current integrated value), the operation time, the refrigerant temperature or the amount of change in the refrigerant temperature, etc. are also called the operation history or the operation state. . Further, among the state quantities, the outside air temperature, the humidity, and the like are also called a use environment or an operating environment.

さらに、制御部17は、目標残水量Qreqを算出する(S03)。目標残水量Qreqとは、燃料電池システムを動作する上で燃料電池スタック1内の電解質膜が適度な湿潤状態となるために必要な燃料電池システム内の残水量であり、燃料電池システム内の残水の凍結を回避できる残水量である。したがって、目標残水量Qreqは、燃料電池システム内の残水の凍結及びドライアップを回避するために適切な値が求められる。   Further, the control unit 17 calculates a target remaining water amount Qreq (S03). The target remaining water amount Qreq is the remaining water amount in the fuel cell system that is necessary for the electrolyte membrane in the fuel cell stack 1 to be in a moderately wet state in operating the fuel cell system. This is the amount of residual water that can avoid water freezing. Accordingly, the target residual water amount Qreq is required to be an appropriate value in order to avoid freezing and dry-up of residual water in the fuel cell system.

また、目標残水量Qreqは、MEA(Membrane Electrode Assembly)や構成部品に依存する。さらに、目標残水量Qreqの値は、本実施形態に係る燃料電池システムの動作環境が寒冷地や温暖地などの仕向先によって変化する値である。   In addition, the target residual water amount Qreq depends on MEA (Mebrane Electrode Assembly) and components. Furthermore, the value of the target remaining water amount Qreq is a value at which the operating environment of the fuel cell system according to the present embodiment varies depending on the destination such as a cold region or a warm region.

次に、制御部17は、必要掃気時間T、循環量初期値Q及び排水弁開時間初期値Tvを算出する(S04)。必要掃気時間Tは、燃料電池システム内の残水量を目標残水量Qreqにまで減少させるために必要な掃気・循環処理の実行時間を推定した値である。すなわち、燃料電池システム内の残水量Qiniが目標残水量Qreqに達するのに必要な掃気・循環処理の推定時間である。この推定時間は秒で求めてもよい。具体的には、予め、燃料電池システム内の残水量Qiniと燃料電池システム内の残水を目標残水量Qreqまで掃気するのに必要な掃気・循環処理の時間との関係をマップ化しておく。そして、燃料電池システム内の残水量Qiniの値に対応する必要掃気時間Tをマップより求める。   Next, the control unit 17 calculates the necessary scavenging time T, the circulation amount initial value Q, and the drain valve opening time initial value Tv (S04). The necessary scavenging time T is a value obtained by estimating the execution time of the scavenging / circulation processing necessary for reducing the remaining water amount in the fuel cell system to the target remaining water amount Qreq. That is, this is the estimated time of the scavenging / circulation processing necessary for the remaining water amount Qini in the fuel cell system to reach the target remaining water amount Qreq. This estimated time may be obtained in seconds. Specifically, the relationship between the remaining water amount Qini in the fuel cell system and the scavenging / circulation processing time required to scavenge the remaining water in the fuel cell system to the target remaining water amount Qreq is previously mapped. Then, the necessary scavenging time T corresponding to the value of the remaining water amount Qini in the fuel cell system is obtained from the map.

循環量初期値Qは、発電停止時の循環量(L/min)の値である。循環量は、水素ポンプ8の回転数を増加することや、水素ポンプ8の駆動を脈動にすることにより循環量を多くすることができる。また、循環量は、水素ポンプ8の回転数を減少させることや、水素ポンプ8の駆動を脈動から通常の駆動に戻すことにより循環量を少なくすることができ
る。この循環量初期値Qの値は、実測(又はシミュレーション)により求めることができる。
The circulation amount initial value Q is a value of the circulation amount (L / min) when power generation is stopped. The circulation amount can be increased by increasing the number of revolutions of the hydrogen pump 8 or by pulsing the drive of the hydrogen pump 8. Further, the circulation rate can be reduced by reducing the rotation speed of the hydrogen pump 8 or returning the drive of the hydrogen pump 8 from pulsation to normal drive. The value of the circulation amount initial value Q can be obtained by actual measurement (or simulation).

排水弁開時間初期値Tvは、発電停止時の排水弁16の開放時間をいう。排水弁16の開放時間は、ドレンタンク15に貯留されている水を排出するために排水弁16が開かれる時間である。排水弁16が開かれる時間は、制御部17によって制御される。排水弁16の開閉は、発電時のみならず発電停止後もバッファー水位が所定値以上である場合は、所定時間行なわれる。   The drain valve opening time initial value Tv is the opening time of the drain valve 16 when power generation is stopped. The opening time of the drain valve 16 is a time during which the drain valve 16 is opened in order to discharge water stored in the drain tank 15. The time during which the drain valve 16 is opened is controlled by the control unit 17. The drain valve 16 is opened and closed for a predetermined time when the buffer water level is not less than a predetermined value not only during power generation but also after power generation is stopped.

排水弁16の開放時間は発電開始時に予め設定されている。そのため、発電中に排水弁16の開放時間が変更されなければ、発電開始時に設定された時間が発電停止時の排水弁16の開放時間となる。また、排水弁16の開放時間は発電中に変更することができる。そのため、発電中に排水弁16の開放時間に変更があれば、変更後の時間が発電停止時の排水弁16の開放時間となる。発電停止時の排水弁16の開放時間を記憶しておき、制御部17は、記憶されている発電停止時の排水弁16の開放時間を取得し、算出する。排水弁16の開放時間は、バッファー容量(L)、気液分離器14の気液分離性能及び循環量等に基づいて決定する。バッファー容量とは、ドレンタンク15に貯留できる水の容量である。また、バッファー容量は、設計要件によって決定される。さらに、この排水弁16の開放時間の値は、実測(又はシミュレーション)により求めることができる。   The opening time of the drain valve 16 is preset at the start of power generation. Therefore, if the opening time of the drain valve 16 is not changed during power generation, the time set at the start of power generation becomes the opening time of the drain valve 16 when power generation is stopped. The opening time of the drain valve 16 can be changed during power generation. Therefore, if there is a change in the opening time of the drain valve 16 during power generation, the time after the change becomes the opening time of the drain valve 16 when power generation is stopped. The opening time of the drain valve 16 when power generation is stopped is stored, and the control unit 17 acquires and calculates the stored opening time of the drain valve 16 when power generation is stopped. The opening time of the drain valve 16 is determined based on the buffer capacity (L), the gas-liquid separation performance of the gas-liquid separator 14, the circulation amount, and the like. The buffer capacity is the capacity of water that can be stored in the drain tank 15. Further, the buffer capacity is determined by design requirements. Further, the value of the opening time of the drain valve 16 can be obtained by actual measurement (or simulation).

そして、制御部17は、水位検出部20からバッファー水位を取得する(S05)。バッファー水位は、ドレンタンク15に貯留されている水の水位(mm)である。水位検出部20は、ドレンタンク15に水が存在しないときを基準として、バッファー水位を測定する。また、水位検出部20は、バッファー水位を常時測定しておく。ここで、制御部17が水位検出部20から取得したバッファー水位をバッファー水位aとする。   And the control part 17 acquires a buffer water level from the water level detection part 20 (S05). The buffer water level is the water level (mm) of water stored in the drain tank 15. The water level detection unit 20 measures the buffer water level with reference to the time when no water is present in the drain tank 15. The water level detection unit 20 always measures the buffer water level. Here, the buffer water level acquired by the control unit 17 from the water level detection unit 20 is defined as a buffer water level a.

次に、制御部17は、水位検出部20から取得したバッファー水位aが所定の閾値A以上であるかを判定する(S06)。アノードから送出されたアノードオフガスは、気液分離器14に入り、水素と水に分離される。水の水位が高い場合、ドレンタンク15に貯留されている水面付近の水が分離された水素とともに再びアノードオフガス通路3に送出される可能性が高くなる。そのため、ドレンタンク15に貯留されている水の水位が高い場合、気液分離器14の気液分離性能は低くなる。ここで、気液分離器14の回収水量(ドレンタンク15に貯留している水量)を導入水量(気液分離器14の入り口部分に入る水量)で割った値を気液分離率(%)という。   Next, the control part 17 determines whether the buffer water level a acquired from the water level detection part 20 is more than the predetermined threshold value A (S06). The anode off gas delivered from the anode enters the gas-liquid separator 14 and is separated into hydrogen and water. When the water level is high, there is a high possibility that the water near the water surface stored in the drain tank 15 is sent again to the anode offgas passage 3 together with the separated hydrogen. Therefore, when the water level of the water stored in the drain tank 15 is high, the gas-liquid separation performance of the gas-liquid separator 14 is lowered. Here, the value obtained by dividing the amount of recovered water (the amount of water stored in the drain tank 15) of the gas-liquid separator 14 by the amount of introduced water (the amount of water entering the inlet portion of the gas-liquid separator 14) is the gas-liquid separation rate (%). That's it.

図5は、バッファー水位と気液分離率との関係を示した図である。図5の横軸は、バッファー水位(mm)を示しており、図5の縦軸は、気液分離率(%)を示している。図5の曲線Xは、循環量が少ない場合におけるバッファー水位に対する気液分離率の変化を示したものである。図5の曲線Yは、循環量が多い場合におけるバッファー水位に対する気液分離率の変化を示したものである。図5で示すように、曲線Y(循環量が多い場合)に比べて、曲線X(循環量が少ない場合)の方が気液分離率は高い値を維持している。   FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the buffer water level and the gas-liquid separation rate. The horizontal axis in FIG. 5 indicates the buffer water level (mm), and the vertical axis in FIG. 5 indicates the gas-liquid separation rate (%). Curve X in FIG. 5 shows changes in the gas-liquid separation rate with respect to the buffer water level when the circulation rate is small. Curve Y in FIG. 5 shows the change in the gas-liquid separation rate with respect to the buffer water level when the circulation amount is large. As shown in FIG. 5, the gas-liquid separation rate is maintained at a higher value in the curve X (when the circulation amount is small) than in the curve Y (when the circulation amount is large).

循環量が多い場合、気液分離率はバッファー水位がある値以上(図5のA)になると急激に下がる傾向がある。本実施形態では、バッファー水位が上昇すると気液分離率が下がり始める、そのようなバッファー水位の値を所定の閾値Aとする。所定の閾値Aは、実測(又はシミュレーション)によって求めておけばよい。   When the amount of circulation is large, the gas-liquid separation rate tends to drop sharply when the buffer water level exceeds a certain value (A in FIG. 5). In this embodiment, when the buffer water level increases, the gas-liquid separation rate starts to decrease. The predetermined threshold A may be obtained by actual measurement (or simulation).

バッファー水位aが所定の閾値A以上である場合、制御部17は、水素ポンプ8の駆動を制御し、循環量を現在の値から所定値減少させる(S07)。具体的には、制御部17は、水素ポンプ8の駆動を制御し、水素ポンプ8の回転数を現在の値から所定値減少させ
る。また、水素ポンプ8の駆動が脈動に切り替わっている場合、制御部17は、水素ポンプ8の駆動を制御する。そして、制御部17は、水素ポンプ8の駆動を脈動から通常の駆動に切り替える。これにより、循環量を現在の値から所定値減少させることができる。
When the buffer water level a is equal to or greater than the predetermined threshold A, the control unit 17 controls the driving of the hydrogen pump 8 and decreases the circulation amount by a predetermined value from the current value (S07). Specifically, the control unit 17 controls the driving of the hydrogen pump 8 and decreases the rotational speed of the hydrogen pump 8 from the current value by a predetermined value. When the drive of the hydrogen pump 8 is switched to pulsation, the control unit 17 controls the drive of the hydrogen pump 8. Then, the control unit 17 switches the driving of the hydrogen pump 8 from pulsation to normal driving. Thereby, the circulation amount can be decreased from the current value by a predetermined value.

この場合、循環量は回転効率が高効率となる値とする。回転効率は、ガスが燃料電池システム内を1回循環した場合に対して、液水(液体の水)が燃料電池システム内を循環した回数を百分率で表したものである。図6は、循環量と回転効率との関係を示した図である。図6の横軸は、循環量(L/min)を示しており、縦軸は回転効率(%)を示している。図6では、循環量が0付近で回転効率が最も低い値を示している。そして、循環量が図6のBの値まで増加するとともに回転効率も上昇している。しかし、循環量が図6のBの値から図6のCの値まで増加しても、回転効率は一定の高い値を維持している。このような回転効率が一定の高い値を維持する場合の循環量を高効率領域という。循環量が高効率領域となる値は、実測(又はシミュレーション)によって求めておく。また、水素ポンプ8の回転数を減少させる所定値(すなわち、水素ポンプ8の回転数の現在の値と循環量が高効率領域となる水素ポンプ8の回転数の値の差分)は、実測(又はシミュレーション)によって求めてもよい。   In this case, the circulation amount is set to a value at which the rotation efficiency is high. Rotational efficiency is a percentage of the number of times liquid water (liquid water) circulates in the fuel cell system compared to when gas circulates in the fuel cell system once. FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the circulation amount and the rotation efficiency. The horizontal axis in FIG. 6 indicates the circulation amount (L / min), and the vertical axis indicates the rotation efficiency (%). FIG. 6 shows the lowest rotation efficiency when the circulation amount is near zero. The circulation rate increases to the value B in FIG. 6 and the rotation efficiency also increases. However, even if the circulation amount increases from the value B in FIG. 6 to the value C in FIG. 6, the rotation efficiency maintains a constant high value. The amount of circulation when the rotation efficiency maintains a constant high value is called a high efficiency region. The value at which the circulation amount is in the high efficiency region is obtained by actual measurement (or simulation). In addition, a predetermined value for reducing the rotation speed of the hydrogen pump 8 (that is, the difference between the current value of the rotation speed of the hydrogen pump 8 and the rotation speed value of the hydrogen pump 8 in which the circulation amount is in the high efficiency region) is actually measured ( Alternatively, it may be obtained by simulation.

また、水素ポンプ8の回転数を減少させるように水素ポンプ8の駆動を制御した場合、制御部17は、水素ポンプ8の回転数を減少させた後の必要掃気時間Tを再度算出してもよい。さらに、水素ポンプ8の駆動を脈動から通常の駆動に切り替えるように制御した場合、制御部17は、水素ポンプ8の駆動を脈動から通常の駆動に切り替えた後の必要掃気時間Tを再度算出してもよい。これらの場合、再度算出した必要掃気時間Tを用いて以降の処理(図2のS08からS10の処理)を行ってもよい。   In addition, when the drive of the hydrogen pump 8 is controlled so as to reduce the rotation speed of the hydrogen pump 8, the control unit 17 may calculate the necessary scavenging time T after reducing the rotation speed of the hydrogen pump 8 again. Good. Further, when the driving of the hydrogen pump 8 is controlled to be switched from the pulsation to the normal driving, the control unit 17 recalculates the necessary scavenging time T after the driving of the hydrogen pump 8 is switched from the pulsation to the normal driving. May be. In these cases, subsequent processing (processing from S08 to S10 in FIG. 2) may be performed using the necessary scavenging time T calculated again.

次に、制御部17は、排水弁開時間初期値Tvを所定時間増加させる(S08)。この所定時間は、バッファー容量、気液分離器14の気液分離性能及び現在の循環量(S07の処理で減少させた循環量)等に基づいて決定する。また、排水弁開時間初期値Tvを増加させる所定時間の値は、実測(又はシミュレーション)により求めることができる。   Next, the control unit 17 increases the drain valve opening time initial value Tv for a predetermined time (S08). This predetermined time is determined based on the buffer capacity, the gas-liquid separation performance of the gas-liquid separator 14, the current circulation amount (circulation amount reduced by the processing of S07), and the like. Further, the value of the predetermined time for increasing the drain valve opening time initial value Tv can be obtained by actual measurement (or simulation).

また、本実施形態では、排水弁開時間初期値Tvを所定時間増加させる場合の例を示した。しかし、本発明の実施はこのような構成に限定されず、例えば、排水弁開時間初期値Tvを所定時間増加させずに図2に示す処理を行うようにしてもよい。その場合、水素ポンプ8の駆動を制御し、循環量を減少させる処理(S07の処理)を行った後、排水弁開時間初期値Tvを所定時間増加させる処理(S08の処理)を行わずにS09の処理を行うようにすればよい。   Moreover, in this embodiment, the example in the case of increasing the drain valve opening time initial value Tv for a predetermined time was shown. However, the implementation of the present invention is not limited to such a configuration. For example, the process shown in FIG. 2 may be performed without increasing the drain valve opening time initial value Tv for a predetermined time. In that case, after controlling the drive of the hydrogen pump 8 and performing the process of reducing the circulation amount (process of S07), the process of increasing the drain valve opening time initial value Tv for a predetermined time (the process of S08) is not performed. The process of S09 may be performed.

一方、バッファー水位aが所定の閾値A以上でない場合(S06において否定と判定した場合)、S09の処理を行う。   On the other hand, when the buffer water level a is not equal to or greater than the predetermined threshold A (when it is determined negative in S06), the process of S09 is performed.

そして、制御部17は、掃気・循環処理の時間が必要掃気時間Tに達したか否かを判定する(S09)。具体的には、制御部17は、掃気・循環処理の時間をカウントするタイマー(図示せず)から掃気・循環処理の経過時間を取得し、必要掃気時間Tと比較する。そして、制御部17は、取得した掃気・循環処理の経過時間が必要掃気時間Tと同じ値、あるいはそれ以上の値であるかを判定する。   Then, the control unit 17 determines whether or not the scavenging / circulation processing time has reached the necessary scavenging time T (S09). Specifically, the control unit 17 acquires the elapsed time of the scavenging / circulation process from a timer (not shown) that counts the time of the scavenging / circulation process, and compares it with the required scavenging time T. Then, the control unit 17 determines whether the acquired elapsed time of the scavenging / circulation process is the same value as the necessary scavenging time T or a value greater than that.

制御部17は、掃気・循環処理の時間が必要掃気時間Tに達していないと判定した場合、掃気・循環処理を続行し、S05の処理に制御を戻す。そして、S05からS09の処理を再度行う。   When it is determined that the scavenging / circulation processing time has not reached the required scavenging time T, the control unit 17 continues the scavenging / circulation processing and returns control to the processing of S05. Then, the processes from S05 to S09 are performed again.

一方、制御部17は、掃気・循環処理の時間が必要掃気時間Tに達したと判定した場合
、水素ポンプ8の駆動を停止するよう制御するとともに、排水弁16の駆動を停止するよう制御する(S10)。制御部17が排水弁16の駆動を停止するように制御した場合、排水弁16の開閉が停止する。上記の場合、水素ポンプ8の駆動の停止と同時に、排水弁16の開閉を停止してもよい。また、水素ポンプ8の駆動の停止とは別個に、排水弁16の開閉を停止してもよい。例えば、制御部17が水素ポンプ8の駆動を停止させたときに、排水弁16の開放時間が終了していない場合、排水弁16の開放時間の終了後に排水弁16の開閉を停止させてもよい。そして、制御部17が、水素ポンプ8の駆動を停止するよう制御するとともに、排水弁16の駆動を停止するよう制御した場合、燃料電池システムの動作を停止する。
On the other hand, when it is determined that the scavenging / circulation processing time has reached the required scavenging time T, the control unit 17 controls to stop driving the hydrogen pump 8 and to stop driving the drain valve 16. (S10). When the control unit 17 performs control so as to stop the driving of the drain valve 16, the opening and closing of the drain valve 16 is stopped. In the above case, the opening / closing of the drain valve 16 may be stopped simultaneously with the stop of the driving of the hydrogen pump 8. In addition, the opening / closing of the drain valve 16 may be stopped separately from stopping the driving of the hydrogen pump 8. For example, when the control unit 17 stops driving the hydrogen pump 8 and the opening time of the drain valve 16 has not ended, the opening and closing of the drain valve 16 may be stopped after the opening time of the drain valve 16 ends. Good. And when the control part 17 controls to stop the drive of the hydrogen pump 8, and it controls to stop the drive of the drain valve 16, the operation | movement of a fuel cell system is stopped.

本実施形態によれば、バッファー水位aが所定の閾値A以上であるとき、制御部17は、水素ポンプ8の駆動を制御し循環量を少なくする。また、その循環量を高効率領域とする。そのため、気液分離器14の気液分離性能を高い状態に維持することができる。そして、気液分離器14の気液分離性能が高い状態で燃料電池システム内の掃気・循環処理を行うことができる。その結果、燃料電池システム内の掃気・循環処理の時間を短縮することができる。また、燃料電池システム内の残水の凍結を防止することがきる。さらに、燃料電池システム内の掃気・循環処理の時間の短縮と燃料電池システム内の残水の凍結防止との両立が可能となる。また、燃料電池システム内の残水の凍結により、燃料電池の安定的な発電を阻害したり、補機が損失する可能性を低減することが可能となる。   According to the present embodiment, when the buffer water level a is equal to or greater than the predetermined threshold A, the control unit 17 controls the driving of the hydrogen pump 8 to reduce the circulation amount. Further, the circulation amount is set as a high efficiency region. Therefore, the gas-liquid separation performance of the gas-liquid separator 14 can be maintained in a high state. Then, scavenging / circulation processing in the fuel cell system can be performed with the gas-liquid separator 14 having high gas-liquid separation performance. As a result, the scavenging / circulation processing time in the fuel cell system can be shortened. In addition, freezing of residual water in the fuel cell system can be prevented. Furthermore, it is possible to reduce both the time for scavenging and circulation processing in the fuel cell system and the prevention of freezing of the remaining water in the fuel cell system. In addition, freezing of residual water in the fuel cell system can inhibit the stable power generation of the fuel cell and reduce the possibility of loss of auxiliary equipment.

〈変形例〉
上記実施形態では、燃料電池システムは、水素ポンプ8及び気液分離器14を有している。例えば、カソード側のポンプ9を水素ポンプ8のように、燃料電池システム内の残水の掃気を行うために使用してもよい。また、アノードオフガス通路3の気液分離器14をカソードオフガス通路6に設けるようにしてもよい。さらに、その場合の気液分離器14にドレンタンク15及び排水弁16を設けるようにしてもよい。
<Modification>
In the above embodiment, the fuel cell system has the hydrogen pump 8 and the gas-liquid separator 14. For example, the cathode-side pump 9 may be used to scavenge residual water in the fuel cell system, like the hydrogen pump 8. Further, the gas-liquid separator 14 of the anode off gas passage 3 may be provided in the cathode off gas passage 6. Further, a drain tank 15 and a drain valve 16 may be provided in the gas-liquid separator 14 in that case.

また、カソードオフガス循環通路を設け、カソードオフガス通路6に排出される空気がカソードオフガス循環通路を通り、燃料電池システム外から供給されるカソードガスとともに再び燃料電池スタック1のカソードへ供給されるようにしてもよい。このカソードオフガス循環通路により、カソード側の循環経路が構成される。ポンプ9及び気液分離器14の駆動を制御することにより、燃料電池システム内の残水を循環経路外に排出することが可能となる。   Also, a cathode offgas circulation passage is provided so that air discharged to the cathode offgas passage 6 passes through the cathode offgas circulation passage and is supplied again to the cathode of the fuel cell stack 1 together with the cathode gas supplied from outside the fuel cell system. May be. A cathode-side circulation path is configured by the cathode off-gas circulation path. By controlling the driving of the pump 9 and the gas-liquid separator 14, the remaining water in the fuel cell system can be discharged out of the circulation path.

また、例えば、アノードガス通路2に水素ポンプ8及び気液分離器14を備えた状態で、ポンプ9を燃料電池システム内の残水の掃気を行うために使用し、カソードオフガス通路6にカソード気液分離器を設けるようにしてもよい。さらに、その場合のカソード気液分離器にドレンタンク15及び排水弁16を設けるようにしてもよい。   Further, for example, in a state where the hydrogen pump 8 and the gas-liquid separator 14 are provided in the anode gas passage 2, the pump 9 is used for scavenging the remaining water in the fuel cell system, and the cathode off-gas passage 6 is provided with the cathode gas. A liquid separator may be provided. Further, a drain tank 15 and a drain valve 16 may be provided in the cathode gas-liquid separator in that case.

また、カソードオフガス循環通路を設け、カソードオフガス通路6に排出される空気がカソードオフガス循環通路を通り、燃料電池システム外から供給されるカソードガスとともに再び燃料電池スタック1のカソードへ供給されるようにしてもよい。このカソードオフガス循環通路により、カソード側の循環経路が構成される。水素ポンプ8、ポンプ9、気液分離器14及びカソード気液分離器のいずれか又はすべてを制御することにより、燃料電池システム内の残水を循環経路外に排出することが可能となる。   Also, a cathode offgas circulation passage is provided so that air discharged to the cathode offgas passage 6 passes through the cathode offgas circulation passage and is supplied again to the cathode of the fuel cell stack 1 together with the cathode gas supplied from outside the fuel cell system. May be. A cathode-side circulation path is configured by the cathode off-gas circulation path. By controlling any or all of the hydrogen pump 8, the pump 9, the gas / liquid separator 14, and the cathode gas / liquid separator, the remaining water in the fuel cell system can be discharged out of the circulation path.

本実施形態に係る燃料電池システムの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the fuel cell system which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining operation | movement of the fuel cell system which concerns on this embodiment. 状態量と燃料電池システム内の残水量の関係の例を示した図である。It is the figure which showed the example of the relationship between a state quantity and the amount of residual water in a fuel cell system. 状態量と燃料電池システム内の残水量の関係の例を示した図である。It is the figure which showed the example of the relationship between a state quantity and the amount of residual water in a fuel cell system. バッファー水位と気液分離率との関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between a buffer water level and a gas-liquid separation rate. 循環量と回転効率との関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between circulation amount and rotation efficiency.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池スタック
2 アノードガス通路
3 アノードオフガス通路
4 アノードオフガス循環通路
5 カソードガス通路
6 カソードオフガス通路
7 水素タンク
8 水素ポンプ
9 ポンプ
10、11 調圧弁
12 フィルタ
13 加湿器
14 気液分離器
15 ドレンタンク
16 排水弁
17 制御部
18 残水量算出部
19 パージ弁
20 水位検出部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell stack 2 Anode gas passage 3 Anode off gas passage 4 Anode off gas circulation passage 5 Cathode gas passage 6 Cathode off gas passage 7 Hydrogen tank 8 Hydrogen pump 9 Pump 10, 11 Pressure regulating valve 12 Filter 13 Humidifier 14 Gas-liquid separator 15 Drain Tank 16 Drain valve 17 Control unit 18 Remaining water amount calculation unit 19 Purge valve 20 Water level detection unit

Claims (4)

燃料電池本体と、
前記燃料電池本体にガスを供給するガス供給通路と、
前記燃料電池本体からガスを排出するガス排出通路と、
前記ガス排出通路を前記ガス供給通路に接続させるガス循環通路と、
前記ガス循環通路を通じて前記ガス排出通路のガスを前記ガス供給通路に循環させるガス駆動手段と、
前記循環させるガスから水分を分離する気液分離器と、
前記分離した水分を貯留する貯留器と、
前記貯留器内の水分を前記燃料電池システム外に排水する排水手段と、
前記貯留器に貯留している水分量を算出する水分量算出手段と、
前記水分量が所定の閾値以上であるか否かに応じて異なる駆動量で前記ガス駆動手段を作動させる制御手段と、を備える燃料電池システム。
A fuel cell body;
A gas supply passage for supplying gas to the fuel cell body;
A gas discharge passage for discharging gas from the fuel cell body;
A gas circulation passage connecting the gas discharge passage to the gas supply passage;
Gas driving means for circulating the gas in the gas discharge passage through the gas circulation passage to the gas supply passage;
A gas-liquid separator for separating moisture from the circulating gas;
A reservoir for storing the separated water;
Drainage means for draining the water in the reservoir outside the fuel cell system;
Moisture amount calculating means for calculating the amount of moisture stored in the reservoir;
And a control unit that operates the gas driving unit with a different driving amount depending on whether or not the water content is equal to or greater than a predetermined threshold value.
前記燃料電池本体の運転状態および前記燃料電池本体が運転される環境の状態を基に前記燃料電池本体、前記ガス供給通路、前記ガス排出通路、および前記ガス循環通路を含む燃料電池システム内の残水量を算出する手段と、
前記運転状態および前記環境の状態にしたがって前記残水量を所定値まで減少させるために前記ガス駆動手段を作動させる作動時間を算出する作動時間算出手段と、
前記貯留器内の水分を前記燃料電池システム外に排水するために前記排水手段を作動させる排水作動時間を算出する排水時間算出手段と、を更に備え、
前記制御手段は、前記ガス駆動手段を前記作動時間の終了まで作動させるとともに前記排水手段を前記排水作動時間の終了まで作動させる請求項1に記載の燃料電池システム。
The remaining in the fuel cell system including the fuel cell body, the gas supply passage, the gas discharge passage, and the gas circulation passage based on the operating state of the fuel cell body and the state of the environment in which the fuel cell body is operated. Means for calculating the amount of water;
An operation time calculating means for calculating an operation time for operating the gas driving means in order to reduce the residual water amount to a predetermined value according to the operating state and the environmental state;
Drainage time calculating means for calculating drainage operation time for operating the drainage means to drain the water in the reservoir outside the fuel cell system; and
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit operates the gas driving unit until the end of the operation time and operates the drainage unit until the end of the drainage operation time.
前記制御手段は、前記水分量が所定の閾値以上である場合、前記排水作動時間を所定時間延長させた時間の終了まで前記排水手段を作動させる請求項2に記載の燃料電池システム。   3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the control unit operates the drainage unit until the end of a time obtained by extending the drainage operation time by a predetermined time when the moisture amount is equal to or greater than a predetermined threshold. 前記制御手段は、前記水分量が所定の閾値以上である場合、前記駆動量を所定値減少させる請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池システム。   4. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit decreases the drive amount by a predetermined value when the moisture amount is equal to or greater than a predetermined threshold value. 5.
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