JP2008140734A

JP2008140734A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2008140734A
Application number: JP2006328212A
Authority: JP
Inventors: Junpei Ogawa; 純平小河; Kazuhiro Wake; 千大和氣; Koichiro Miyata; 幸一郎宮田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2006-12-05
Filing date: 2006-12-05
Publication date: 2008-06-19
Anticipated expiration: 2026-12-05
Also published as: JP5080793B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of efficiently conducting a purge without exerting an unfavorable influence on a membrane of a fuel cell. SOLUTION: An inside moisture content generated by the fuel cell is calculated based on an accumulated generated current amount from a power generation start (S100) to a power generation stop (S150, Yes). A temperature starting permeation of generated water from a cathode to an anode of the fuel cell is represented by a prescribed temperature. When the fuel cell does not exceed the prescribed temperature T1 between the power generation start and the power generation stop, in a purge procedure determination process (S160), only the cathode side is purged, and when the fuel cell exceeds the prescribed temperature (S120, Yes), in the purge procedure deciding process (S160), both of the anode side and the cathode side are purged. COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料ガス流路を掃気する掃気手段を備えた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system including scavenging means for scavenging a fuel gas flow path.

燃料電池が発電すると燃料電池内部において水が生成するが、燃料電池の起動時にその生成水が残留していると、低温（氷点下）起動の際に凍結した生成水が燃料電池に悪影響を与えるという問題があった。そこで、従来、生成水が凍結するおそれがあると判断される場合、運転停止時に残留した生成水を掃気するようにした燃料電池システムが種々提案されている。また、固体高分子電解質膜を備えた燃料電池などでは、生成水が酸化ガス流路から燃料ガス流路に固体高分子電解質膜を介して透過するので、酸化ガス流路だけではなく、燃料ガス流路に残留した生成水を掃気することも種々提案されている。
そこで、燃料ガス流路を掃気する技術として、燃料電池の燃料極側の生成水（凝縮水）量を、運転時の燃料電池の出力等から算出して、燃料電池システムの運転停止時に掃気ガスで燃料ガス流路を掃気する技術が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００３−２９７３９９号公報（段落００３２） When the fuel cell generates electricity, water is generated inside the fuel cell. If the generated water remains at the start of the fuel cell, the product water frozen at the start of low temperature (below freezing point) will adversely affect the fuel cell. There was a problem. Therefore, conventionally, various fuel cell systems have been proposed in which the generated water remaining when the operation is stopped is scavenged when it is determined that the generated water may be frozen. Further, in a fuel cell or the like having a solid polymer electrolyte membrane, the generated water permeates from the oxidizing gas channel to the fuel gas channel through the solid polymer electrolyte membrane, so that not only the oxidizing gas channel but also the fuel gas Various proposals have been made to scavenge the generated water remaining in the flow path.
Therefore, as a technique for scavenging the fuel gas flow path, the amount of generated water (condensed water) on the fuel electrode side of the fuel cell is calculated from the output of the fuel cell during operation and the scavenging gas when the fuel cell system is stopped. A technique for scavenging the fuel gas flow path has been proposed (see Patent Document 1).
JP 2003-297399 A (paragraph 0032)

しかしながら、燃料電池に使用される固体高分子電解質膜では、燃料電池の温度が低温（氷点下）のときには生成水の膜透過性が低下し、燃料電池の温度が所定温度（例えば、常温）を超えたときに生成水の膜透過性が高まることがあるため、特許文献１に記載のように、燃料電池の出力等に基づいて生成水量を推定すると、燃料電池が低温起動されて、低温状態のまま運転が停止された場合でも、燃料ガス流路が掃気されることになり、膜が過乾燥になり、エネルギが無駄に消費されるという問題があった。 However, in solid polymer electrolyte membranes used in fuel cells, when the temperature of the fuel cell is low (below freezing point), the membrane permeability of the generated water decreases, and the temperature of the fuel cell exceeds a predetermined temperature (for example, room temperature). Therefore, when the amount of generated water is estimated based on the output of the fuel cell as described in Patent Document 1, the fuel cell is started at a low temperature and the low temperature state is reached. Even when the operation is stopped, the fuel gas passage is scavenged, the membrane is overdried, and there is a problem that energy is wasted.

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、燃料電池の膜に悪影響を与えることなく効率的な掃気を行うことができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a fuel cell system capable of performing efficient scavenging without adversely affecting the membrane of the fuel cell.

請求項１に係る発明は、酸化ガスと燃料ガスとが供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池内を含み前記酸化ガスが流通する酸化ガス流路と、前記燃料電池内を含み記燃料ガスが流通する燃料ガス流路と、前記燃料電池の発電停止後に、前記酸化ガス流路および燃料ガス流路の少なくとも一方を掃気ガスで掃気する掃気手法を有する掃気手段と、前記燃料電池に対して発電停止指令を発する発電停止指令手段と、を備え、前記発電停止指令手段が発電停止指令を発した場合、前記掃気手段により掃気を行う燃料電池システムであって、前記燃料電池の内部水分量を推定する燃料電池内部水分量推定手段と、前記燃料電池の内部水分量に基づいて掃気に必要な掃気ガスの体積流量を算出する掃気体積流量算出手段と、を備え、前記掃気体積流量算出手段により算出された体積流量に基づいて掃気を行うことを特徴とする。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a fuel cell that generates electricity by being supplied with an oxidizing gas and a fuel gas, an oxidizing gas passage that includes the inside of the fuel cell and through which the oxidizing gas flows, and a fuel that includes the inside of the fuel cell. A scavenging means having a scavenging method for scavenging at least one of the oxidizing gas passage and the fuel gas passage with scavenging gas after power generation of the fuel cell is stopped; A power generation stop command means for issuing a power generation stop command, and when the power generation stop command means issues a power generation stop command, the fuel cell system performs scavenging by the scavenging means, and the internal moisture content of the fuel cell And a scavenging volume flow rate calculating means for calculating a volume flow rate of the scavenging gas necessary for scavenging based on the internal moisture content of the fuel cell, and the scavenging volume. And performing scavenging based on the volume flow rate is calculated by the amount-calculating means.

請求項１に係る発明によれば、燃料電池内部で生成された水分量（内部水分量）に応じて掃気に必要な掃気ガスの体積流量（総流量）を正確に算出することができる。その結果、生成した内部水分量以上の掃気を行わないため、膜の過乾燥を防止することができ、掃気によるエネルギ消費を抑制できる。また、内部水分量に応じた掃気を行うことができるため、掃気不足による膜の凍結を防止することができる。 According to the first aspect of the present invention, the volume flow rate (total flow rate) of the scavenging gas required for scavenging can be accurately calculated according to the amount of water generated inside the fuel cell (internal moisture amount). As a result, since scavenging over the generated internal moisture amount is not performed, overdrying of the membrane can be prevented, and energy consumption due to scavenging can be suppressed. Further, since scavenging according to the amount of internal moisture can be performed, freezing of the membrane due to insufficient scavenging can be prevented.

請求項２に係る発明は、前記燃料電池の発電開始から発電停止までの積算発電電流量を算出する積算発電電流量算出手段を備え、前記燃料電池内部水分量推定手段は、前記積算発電電流量算出手段により求められた積算発電電流量に基づいて内部水分量を推定することを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, there is provided an integrated power generation current amount calculating means for calculating an integrated power generation current amount from a start of power generation to a stop of power generation of the fuel cell, wherein the fuel cell internal moisture amount estimation means includes the integrated power generation current amount. The internal moisture amount is estimated based on the accumulated power generation amount obtained by the calculating means.

請求項２に係る発明によれば、燃料電池の内部水分量を、高い相関関係にある積算発電電流量から推定することにより、正確に内部水分量を推定することが可能になる。 According to the invention which concerns on Claim 2, it becomes possible to estimate an internal moisture content correctly by estimating the internal moisture content of a fuel cell from the integrated power generation current amount which has a high correlation.

請求項３に係る発明は、前記燃料電池の発電中の温度を検出する燃料電池温度検出手段を備え、前記燃料電池温度検出手段により検出された燃料電池の温度に基づいて燃料ガス流路における水分発生有無を推定することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, there is provided fuel cell temperature detecting means for detecting a temperature during power generation of the fuel cell, and moisture in the fuel gas channel based on the temperature of the fuel cell detected by the fuel cell temperature detecting means. It is characterized by estimating occurrence or non-occurrence.

請求項３に係る発明によれば、燃料ガス流路と酸化ガス流路に発生する内部水分量が互いに変化しても、その変化に応じた掃気を行うことが可能になる。 According to the third aspect of the present invention, even when the amounts of internal moisture generated in the fuel gas channel and the oxidizing gas channel change with each other, it is possible to perform scavenging according to the change.

請求項４に係る発明は、前記燃料ガス流路に水分が発生したか否かを判定する燃料ガス流路水分発生有無判定手段を備え、前記燃料ガス流路水分発生有無手段により判定された水分発生有無に基づいて前記掃気手法を選択することを特徴とする。 The invention according to claim 4 includes a fuel gas flow path moisture generation presence / absence determining means for determining whether or not moisture has been generated in the fuel gas flow path, and the water determined by the fuel gas flow path moisture generation presence / absence means. The scavenging method is selected based on whether or not it occurs.

請求項４に係る発明によれば、算出された掃気ガスの体積流量と選択された掃気手法とから、それに応じた最適な掃気が可能になるので、燃料ガスの無駄を防ぎつつ、過剰な掃気による膜の過乾燥や掃気不足による発電性能の低下を防止するとともに、エネルギ消費を抑制することが可能になる。 According to the invention of claim 4, since the optimum scavenging according to the calculated volumetric flow rate of the scavenging gas and the selected scavenging technique is possible, excessive scavenging while preventing waste of fuel gas. It is possible to prevent the power generation performance from being deteriorated due to over-drying of the membrane and insufficient scavenging, and to suppress energy consumption.

請求項５に係る発明は、前記掃気体積流量算出手段により算出された体積流量と、選択された前記掃気手法に基づいて、掃気流量および掃気時間を算出することを特徴とする。 The invention according to claim 5 is characterized in that the scavenging flow rate and the scavenging time are calculated based on the volume flow rate calculated by the scavenging volume flow rate calculating means and the selected scavenging method.

請求項５に係る発明によれば、例えば、掃気流量を一定にして掃気時間を長くすることで騒音を低減することが可能になる。 According to the fifth aspect of the present invention, for example, noise can be reduced by making the scavenging flow rate constant and lengthening the scavenging time.

請求項６に係る発明は、酸化ガスと燃料ガスとが供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池内を含み前記酸化ガスが流通する酸化ガス流路と、前記燃料電池内を含み前記燃料ガスが流通する燃料ガス流路と、前記燃料電池の発電停止後に、前記酸化ガス流路および燃料ガス流路の少なくとも一方を掃気ガスで掃気する掃気手法を有する掃気手段と、前記燃料電池に対して発電停止指令を発する発電停止指令手段と、を備え、前記発電停止指令手段が発電停止指令を発した場合、前記掃気手段により掃気を行う燃料電池システムであって、前記燃料ガス流路に水分が発生したか否かを判定する燃料ガス流路水分発生有無判定手段を備え、前記燃料ガス流路水分発生有無手段により判定された水分発生有無に基づいて前記掃気手法を選択することを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a fuel cell that is supplied with an oxidant gas and a fuel gas to generate power, an oxidant gas passage that includes the inside of the fuel cell and through which the oxidant gas circulates, A scavenging means having a scavenging method for scavenging at least one of the oxidizing gas passage and the fuel gas passage with scavenging gas after power generation of the fuel cell is stopped; A power generation stop command means for issuing a power generation stop command, and when the power generation stop command means issues a power generation stop command, the scavenging means scavenges the fuel gas flow path, The fuel gas flow path moisture generation presence / absence determination means for determining whether or not the gas has occurred is selected, and the scavenging method is selected based on the moisture generation presence / absence determined by the fuel gas flow path moisture generation presence / absence means. And wherein the door.

請求項６に係る発明によれば、燃料ガス流路に水分が発生しているか否かに基づいて掃気手法を選択するため、例えば燃料ガス流路に水分が発生していない場合には燃料ガス流路を掃気することがないので、膜の過乾燥を防止でき、しかもエネルギ消費も抑えることができる。 According to the sixth aspect of the invention, since the scavenging method is selected based on whether or not moisture is generated in the fuel gas passage, for example, when no moisture is generated in the fuel gas passage, the fuel gas Since there is no scavenging of the flow path, overdrying of the membrane can be prevented and energy consumption can be suppressed.

請求項７に係る発明は、前記燃料電池の次回起動時に、低温起動を行うか否かを判定する低温起動判定手段を備え、前記低温起動判定手段により低温起動を行うと判定されたときに掃気を行うことを特徴とする。 The invention according to claim 7 is provided with a low temperature start determination means for determining whether or not to perform a low temperature start at the next start of the fuel cell, and scavenging when the low temperature start determination means determines that the low temperature start is performed. It is characterized by performing.

請求項７に係る発明によれば、次回の起動が低温起動であると判定された場合に掃気を行い、次回の起動が低温起動でないと判定された場合に掃気を行わないため、掃気によるエネルギ消費と膜の過乾燥を防止することができる。 According to the seventh aspect of the present invention, scavenging is performed when it is determined that the next startup is a low temperature startup, and scavenging is not performed when it is determined that the next startup is not a low temperature startup. Consumption and over-drying of the membrane can be prevented.

本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池の膜に悪影響を与えることなく効率的な掃気を行うことができる。 According to the fuel cell system of the present invention, efficient scavenging can be performed without adversely affecting the fuel cell membrane.

図１は本実施形態の燃料電池システムの全体構成図、図２は掃気制御を示すフローチャート、図３は掃気手法決定工程を示すサブフローチャート、図４は掃気時間および掃気流量決定工程を示すサブフローチャート、図５は低温起動時における燃料電池の温度に応じた積算発電電流と内部水分量との関係を示すグラフ、図６は常温起動時における燃料電池の温度に応じた積算発電電流と内部水分量との関係を示すグラフ、図７は内部水分量と体積流量との関係を示すマップである。なお、以下では、燃料電池自動車などの車両の制御を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、例えば、船舶や航空機に適用してもよく、あるいは定置式の家庭用電源に適用してもよい。 1 is an overall configuration diagram of the fuel cell system of the present embodiment, FIG. 2 is a flowchart showing scavenging control, FIG. 3 is a sub-flowchart showing a scavenging method determining step, and FIG. 4 is a sub-flowchart showing a scavenging time and scavenging flow rate determining step. FIG. 5 is a graph showing the relationship between the integrated power generation current according to the temperature of the fuel cell at the time of low temperature startup and the internal moisture content, and FIG. 6 is the integrated power generation current and internal moisture content according to the temperature of the fuel cell at the time of normal temperature startup. FIG. 7 is a map showing the relationship between the internal water content and the volume flow rate. In the following, control of a vehicle such as a fuel cell vehicle will be described as an example. However, the present invention is not limited to this, and may be applied to, for example, a ship or an aircraft, or a stationary household power source. You may apply to.

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池１０と、燃料電池１０に対して水素（燃料ガス）を供給・排出するアノード系２０と、燃料電池１０に対して酸素を含む空気（酸化ガス）を供給・排出するカソード系３０と、掃気ガスをアノード系２０およびカソード系３０を選択的に掃気する掃気系４０と、燃料電池１０の発電電力を消費する電力消費系５０と、これらを電子制御するＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ、電子制御装置）６０と、を主に備えている。 As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 of the present embodiment includes a fuel cell 10, an anode system 20 that supplies and discharges hydrogen (fuel gas) to the fuel cell 10, and oxygen to the fuel cell 10. System 30 for supplying and discharging air (oxidizing gas) containing gas, scavenging system 40 for selectively scavenging scavenging gas through anode system 20 and cathode system 30, and power consumption system for consuming generated power of fuel cell 10 50 and an ECU (Electronic Control Unit) 60 for electronically controlling these components.

前記燃料電池１０（燃料電池スタック）は、単セルが複数積層されることによって構成された固体高分子型燃料電池である。単セルは、電解質膜（固体高分子膜）１１の両面を触媒（Ｐｔ等）を含むアノード（燃料極）１２および触媒（Ｐｔ等）を含むカソード（空気極）１３で挟んでなるＭＥＡ（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ、膜電極構造体）と、このＭＥＡを挟む一対のセパレータ１４，１５と、を備えて構成されている。セパレータ１４には、単セルを構成するＭＥＡのアノード１２と対向する面に水素が流通する溝が形成され、各単セルの溝が貫通孔などを介して連通している。また、セパレータ１５には、単セルを構成するＭＥＡのカソード１３に対向する面に空気（酸素）が流通する溝が形成され、各単セルの溝が貫通孔などを介して連通している。これらの溝等がアノード流路１４ａ、カソード流路１５ａとして機能している。 The fuel cell 10 (fuel cell stack) is a solid polymer fuel cell configured by stacking a plurality of single cells. The single cell is an MEA (Membrane) formed by sandwiching both surfaces of an electrolyte membrane (solid polymer membrane) 11 with an anode (fuel electrode) 12 containing a catalyst (Pt or the like) and a cathode (air electrode) 13 containing a catalyst (Pt or the like). Electrode Assembly, a membrane electrode structure), and a pair of separators 14 and 15 sandwiching the MEA. In the separator 14, a groove through which hydrogen flows is formed on the surface facing the anode 12 of the MEA constituting the single cell, and the groove of each single cell communicates through a through hole or the like. Further, the separator 15 is formed with a groove through which air (oxygen) flows on the surface facing the cathode 13 of the MEA constituting the single cell, and the groove of each single cell communicates through a through hole or the like. These grooves and the like function as the anode channel 14a and the cathode channel 15a.

なお、本実施形態で用いられる電解質膜１１は、膜温度に応じてカソード１３からアノード１２への水透過性が変化する種類のものであり、例えば、低温（氷点下）では生成水がカソード１３からアノード１２へは透過せず、常温（例えば、１０℃や２０℃）では生成水がカソード１３からアノード１２へ透過する種類のものである。 The electrolyte membrane 11 used in the present embodiment is of a type in which the water permeability from the cathode 13 to the anode 12 changes according to the membrane temperature. For example, the generated water flows from the cathode 13 at a low temperature (below freezing point). It does not permeate the anode 12, and the generated water permeates from the cathode 13 to the anode 12 at room temperature (for example, 10 ° C. or 20 ° C.).

そして、燃料電池１０のアノード１２に水素が、カソード１３に酸素を含む空気が、それぞれ供給されると、アノード１２、カソード１３に含まれる触媒の作用によって電気化学反応が起こり、その結果、各単セルで電位差が発生するようになっている。そして、このように各単セルで電位差が発生した燃料電池１０に対して、走行モータ５１等の外部負荷から発電要求があり、後記するＶＣＵ５２が制御されると、燃料電池１０が前記発電要求に応じて発電するようになっている。 Then, when hydrogen is supplied to the anode 12 of the fuel cell 10 and air containing oxygen is supplied to the cathode 13, an electrochemical reaction occurs due to the action of the catalyst contained in the anode 12 and the cathode 13. A potential difference is generated in the cell. Then, when there is a power generation request from an external load such as the traveling motor 51 for the fuel cell 10 in which a potential difference has occurred in each single cell in this way, when the VCU 52 described later is controlled, the fuel cell 10 satisfies the power generation request. In response, it generates electricity.

前記アノード系２０は、高圧の水素が充填された水素タンク２１と、水素遮断弁２２と、エゼクタ２３と、パージ弁２４と、温度計２５と、を主に備えている。水素タンク２１は配管２１ａを介して水素遮断弁２２に接続されており、水素遮断弁２２は配管２２ａを介してエゼクタ２３に接続されている。エゼクタ２３は、配管２３ａを介してアノード流路１４ａに接続されている。配管２２ａには、減圧弁（図示せず）が設けられている。そして、ＥＣＵ６０によって水素遮断弁２２が開かれると、水素が前記減圧弁で減圧された後、アノード流路１４ａに供給されるようになっている。 The anode system 20 mainly includes a hydrogen tank 21 filled with high-pressure hydrogen, a hydrogen cutoff valve 22, an ejector 23, a purge valve 24, and a thermometer 25. The hydrogen tank 21 is connected to a hydrogen cutoff valve 22 via a pipe 21a, and the hydrogen cutoff valve 22 is connected to an ejector 23 via a pipe 22a. The ejector 23 is connected to the anode flow path 14a via the pipe 23a. The pipe 22a is provided with a pressure reducing valve (not shown). When the hydrogen cutoff valve 22 is opened by the ECU 60, hydrogen is depressurized by the pressure reducing valve and then supplied to the anode flow path 14a.

また、アノード流路１４ａの下流側は、配管２４ａ、ＥＣＵ６０により開閉されるパージ弁２４、配管２４ｂ、希釈器３３が順に接続されている。また、配管２４ａの途中は、配管２４ｃを介してエゼクタ２３と接続されている。ＥＣＵ６０によりパージ弁２４が閉じられると、アノード流路１４ａから排出された未反応の水素などを含むアノードオフガスが、エゼクタ２３に戻され、水素が循環するようになっている。一方、ＥＣＵ６０によりパージ弁２４が開かれると、アノードオフガスが希釈器３３に送られるようになっている。なお、パージ弁２４の開閉は、循環する水素に同伴する不純物を排出するために行われ、例えば、定期的に行われたり、燃料電池１０を構成する単セルの出力電圧（セル電圧）が低下した場合に行われる。 Further, on the downstream side of the anode flow path 14a, a pipe 24a, a purge valve 24 opened and closed by the ECU 60, a pipe 24b, and a diluter 33 are connected in order. The middle of the pipe 24a is connected to the ejector 23 through the pipe 24c. When the purge valve 24 is closed by the ECU 60, the anode off-gas containing unreacted hydrogen discharged from the anode flow path 14a is returned to the ejector 23, and hydrogen is circulated. On the other hand, when the purge valve 24 is opened by the ECU 60, the anode off gas is sent to the diluter 33. The purge valve 24 is opened and closed to discharge impurities accompanying the circulating hydrogen. For example, the purge valve 24 is periodically opened or the output voltage (cell voltage) of the single cell constituting the fuel cell 10 is lowered. Done if you do.

また、アノード流路１４ａの下流側では、燃料電池１０の出口付近の配管２４ａに温度計２５が設けられている。温度計２５は、燃料電池１０の温度を検出するセンサであり、ＥＣＵ６０と接続されている。なお、燃料電池１０の温度は、燃料電池１０のアノード１２の出口温度に限定されるものではなく、カソード１３の出口温度であってもよく、あるいは燃料電池１０を冷却する冷却液の出口温度であってもよい。 Further, a thermometer 25 is provided in a pipe 24a near the outlet of the fuel cell 10 on the downstream side of the anode flow path 14a. The thermometer 25 is a sensor that detects the temperature of the fuel cell 10 and is connected to the ECU 60. The temperature of the fuel cell 10 is not limited to the outlet temperature of the anode 12 of the fuel cell 10 but may be the outlet temperature of the cathode 13 or the outlet temperature of the coolant that cools the fuel cell 10. There may be.

なお、前記した配管２１ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａ，２４ｂ，２４ｃとアノード流路１４ａとで、本実施形態の燃料ガス流路が構成されている。 The above-described pipes 21a, 22a, 23a, 24a, 24b, 24c and the anode flow path 14a constitute the fuel gas flow path of the present embodiment.

前記カソード系３０は、コンプレッサ３１と、背圧弁３２、希釈器３３と、を主に備えている。コンプレッサ３１は、スーパーチャージャなどで構成され、外気を取り込んで圧縮し、酸化ガス（掃気時には掃気ガス）として燃料電池１０のカソード１３に向けて送る機器である。そして、コンプレッサ３１は、配管３１ａを介してカソード流路１５ａに接続されている。また、コンプレッサ３１は、ＥＣＵ６０により、その回転速度が適宜制御される。なお、コンプレッサ３１で圧縮された空気は、加湿器（図示せず）によって、発電に適した湿度に加湿された後に燃料電池１０のカソード１３に供給されるようになっている。このときの圧縮空気を加湿する加湿源としては、燃料電池１０から排出されるカソードオフガスに含まれる水（発電時に生成される水）が用いられる。 The cathode system 30 mainly includes a compressor 31, a back pressure valve 32, and a diluter 33. The compressor 31 is composed of a supercharger or the like, and is a device that takes in outside air, compresses it, and sends it to the cathode 13 of the fuel cell 10 as oxidizing gas (scavenging gas during scavenging). And the compressor 31 is connected to the cathode flow path 15a via the piping 31a. Further, the rotation speed of the compressor 31 is appropriately controlled by the ECU 60. The air compressed by the compressor 31 is supplied to the cathode 13 of the fuel cell 10 after being humidified to a humidity suitable for power generation by a humidifier (not shown). As a humidification source for humidifying the compressed air at this time, water (water generated during power generation) contained in the cathode offgas discharged from the fuel cell 10 is used.

また、カソード流路１５ａの下流側は、配管３２ａを介して、背圧弁３２に接続されている。背圧弁３２は、バタフライ弁などで構成され、ＥＣＵ６０によりその開度が適宜制御される。そして、背圧弁３２は、配管３２ｂを介して希釈器３３に接続されている。希釈器３３は、アノード系２０からのアノードオフガス中の水素を希釈するための機器であって、その内部に希釈空間を有している。この希釈空間には、アノード系２０からの水素を含むアノードオフガスと、カソード系３０からのカソードオフガス（空気、水など）とがそれぞれ導入されるようになっている。そして、アノードオフガス中の水素が、カソードオフガスで希釈され、所定水素濃度以下に低下した希釈ガスとなった後に排出されるようになっている。 Moreover, the downstream side of the cathode flow path 15a is connected to the back pressure valve 32 via the piping 32a. The back pressure valve 32 is configured by a butterfly valve or the like, and its opening degree is appropriately controlled by the ECU 60. And the back pressure valve 32 is connected to the diluter 33 via the piping 32b. The diluter 33 is a device for diluting hydrogen in the anode off-gas from the anode system 20 and has a dilution space therein. An anode off gas containing hydrogen from the anode system 20 and a cathode off gas (air, water, etc.) from the cathode system 30 are respectively introduced into the dilution space. The hydrogen in the anode off-gas is diluted with the cathode off-gas and becomes a diluted gas that is reduced below a predetermined hydrogen concentration, and then discharged.

なお、前記した配管３１ａ，３２ａ，３２ｂと、カソード流路１５ａとで、本実施形態の酸化ガス流路が構成されている。 The above-described pipes 31a, 32a, 32b and the cathode flow path 15a constitute the oxidizing gas flow path of this embodiment.

前記掃気系４０は、アノード系２０の配管２２ａとカソード系３０の配管３１ａとを接続する連通配管４１ａと、ＥＣＵ６０により開閉される掃気用遮断弁４１と、を備えている。掃気用遮断弁４１が開かれることにより、掃気ガスがカソード系３０からアノード系２０に導かれるようになっている。このとき、掃気用遮断弁４１が開かれるとともに、パージ弁２４および背圧弁３２が開かれることにより、掃気ガスがアノード系２０とカソード系３０の双方に導かれるようになっている。また、掃気用遮断弁４１が開かれるとともに、パージ弁２４が開かれ、かつ、背圧弁３２が閉じられることにより、掃気ガスがアノード系２０のみに導かれるようになっている。また、掃気用遮断弁４１が閉じられることにより、掃気ガスがカソード系３０のみに導かれるようになっている。なお、コンプレッサ３１と、掃気用遮断弁４１と、連通配管４１ａとで、本実施形態の掃気手段が構成されている。 The scavenging system 40 includes a communication pipe 41 a that connects the pipe 22 a of the anode system 20 and the pipe 31 a of the cathode system 30, and a scavenging shut-off valve 41 that is opened and closed by the ECU 60. The scavenging gas is guided from the cathode system 30 to the anode system 20 by opening the scavenging shut-off valve 41. At this time, the scavenging gas is guided to both the anode system 20 and the cathode system 30 by opening the purge valve 24 and the back pressure valve 32 while the scavenging shut-off valve 41 is opened. Further, the scavenging gas is guided only to the anode system 20 by opening the purge valve 24 and closing the back pressure valve 32 while the scavenging shut-off valve 41 is opened. Further, the scavenging gas is guided only to the cathode system 30 by closing the scavenging shut-off valve 41. The compressor 31, the scavenging shut-off valve 41, and the communication pipe 41a constitute the scavenging means of this embodiment.

前記電力消費系５０は、燃料電池１０の出力端子（図示せず）に接続されており、燃料電池１０で発生した電力を消費する系である。電力消費系５０は、燃料電池自動車を走行させる走行モータ（外部負荷）５１と、ＶＣＵ（ＶｏｌｔａｇｅＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）５２と、電流計５３と、を備えて構成されている。なお、外部負荷は、走行モータ５１に限定されず、バッテリなどの蓄電装置や各種補機（コンプレッサ３１を含む）などである。 The power consumption system 50 is connected to an output terminal (not shown) of the fuel cell 10 and is a system that consumes power generated in the fuel cell 10. The power consuming system 50 includes a travel motor (external load) 51 that travels the fuel cell vehicle, a VCU (Voltage Control Unit) 52, and an ammeter 53. Note that the external load is not limited to the traveling motor 51, but is a power storage device such as a battery, various auxiliary machines (including the compressor 31), or the like.

走行モータ５１は、ＶＣＵ５２を介して燃料電池１０の出力端子に接続されている。ＶＣＵ５２は、燃料電池１０の出力電流や出力電圧を制御する電流電圧制御器である。言い換えると、ＶＣＵ５２は、電流を適宜に取り出すことによって燃料電池１０を発電させる機器である。このようなＶＣＵ５２は、例えば、コンタクタ（リレー）、ＤＣ−ＤＣコンバータなどを備えている。そして、ＶＣＵ５２はＥＣＵ６０と接続されており、ＥＣＵ６０は出力電流および出力電圧を制御自在となっている。例えば、ＥＣＵ６０が出力電流を０にすれば、燃料電池１０は発電しない設定となっている。電流計５３は、燃料電池１０から取り出される電流値（発電電流値）を検出するセンサであり、燃料電池１０とＶＣＵ５２との間に接続されている。電流計５３は、ＥＣＵ６０と接続されており、ＥＣＵ６０は電流値を監視する。 The travel motor 51 is connected to the output terminal of the fuel cell 10 via the VCU 52. The VCU 52 is a current / voltage controller that controls the output current and output voltage of the fuel cell 10. In other words, the VCU 52 is a device that generates power from the fuel cell 10 by appropriately taking out current. Such a VCU 52 includes, for example, a contactor (relay), a DC-DC converter, and the like. The VCU 52 is connected to the ECU 60, and the ECU 60 can control the output current and the output voltage. For example, if the ECU 60 sets the output current to 0, the fuel cell 10 is set not to generate power. The ammeter 53 is a sensor that detects a current value (generated current value) extracted from the fuel cell 10, and is connected between the fuel cell 10 and the VCU 52. The ammeter 53 is connected to the ECU 60, and the ECU 60 monitors the current value.

また、ＥＣＵ６０は、イグニッションスイッチ（ＩＧ−ＳＷ、以下、ＩＧと略記する）７０と接続されている。ＩＧ７０は、運転者により操作される燃料電池自動車の起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。また、ＩＧ７０は、ＥＣＵ６０と接続されており、ＩＧ７０のＯＮ信号／ＯＦＦ信号を受けて、各制御をするようになっている。なお、ＩＧ７０が、本実施形態の発電停止指令手段に相当し、ＩＧ７０がＯＦＦされた場合にＥＣＵ６０に向けて発せられるＯＦＦ信号は発電停止指令に相当する。 The ECU 60 is connected to an ignition switch (IG-SW, hereinafter abbreviated as IG) 70. The IG 70 is a start switch for a fuel cell vehicle operated by a driver, and is provided around the driver's seat. Moreover, IG70 is connected with ECU60 and receives each ON signal / OFF signal of IG70, and controls each. The IG 70 corresponds to the power generation stop command means of the present embodiment, and the OFF signal that is issued to the ECU 60 when the IG 70 is turned OFF corresponds to the power generation stop command.

ＥＣＵ６０は、燃料電池システム１を電子制御するユニットであって、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（ＲａｎｄａｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）、各種インタフェイス、電子回路等から構成されている。なお、ＥＣＵ６０は、本実施形態の燃料電池内部水分量推定手段、掃気体積流量算出手段、積算発電電流算出手段、燃料ガス流路水分発生有無判定手段、低温起動判定手段を備えている。 The ECU 60 is a unit that electronically controls the fuel cell system 1 and includes a CPU (Central Control Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), various interfaces, an electronic circuit, and the like. The ECU 60 includes fuel cell internal moisture amount estimation means, scavenging volume flow rate calculation means, integrated power generation current calculation means, fuel gas flow path moisture generation presence / absence determination means, and low temperature activation determination means of the present embodiment.

次に、本実施形態の燃料電池システムの動作について図２ないし図４を参照して説明する。
まず、燃料電池システム１の運転停止時の状態について説明すると、ＩＧ７０がＯＦＦにされており、ＥＣＵ６０は、例えば、水素遮断弁２２、パージ弁２４、掃気用遮断弁４１を閉じ、コンプレッサ３１を停止するように制御している。 Next, the operation of the fuel cell system of this embodiment will be described with reference to FIGS.
First, the state when the operation of the fuel cell system 1 is stopped will be described. The IG 70 is turned off, and the ECU 60 closes the hydrogen cutoff valve 22, the purge valve 24, the scavenging cutoff valve 41, and stops the compressor 31, for example. You are in control.

そして、図２のステップＳ１００において、ＩＧ７０がＯＮされると、ＥＣＵ６０は、水素遮断弁２２を開き、水素タンク２１から燃料電池１０のアノード１２に水素が供給されるとともに、コンプレッサ３１を駆動し、燃料電池１０のカソード１３に酸素を含む空気が供給される。これにより、燃料電池１０のアノード１２では、触媒の作用によって水素イオン（プロトン）が電解質膜１１をカソード１３に向けて透過し、電子が外部負荷を通ってカソード１３に移動する。また、燃料電池１０のカソード１３では、触媒の作用によって水素イオンと酸素と電子との反応によって水が生成されるとともに発電が開始される。 In step S100 of FIG. 2, when the IG 70 is turned on, the ECU 60 opens the hydrogen cutoff valve 22, supplies hydrogen from the hydrogen tank 21 to the anode 12 of the fuel cell 10, and drives the compressor 31. Air containing oxygen is supplied to the cathode 13 of the fuel cell 10. Thereby, in the anode 12 of the fuel cell 10, hydrogen ions (protons) permeate through the electrolyte membrane 11 toward the cathode 13 by the action of the catalyst, and electrons move to the cathode 13 through the external load. Further, at the cathode 13 of the fuel cell 10, water is generated by the reaction of hydrogen ions, oxygen, and electrons by the action of the catalyst, and power generation is started.

そして、ステップＳ１１０に進み、ＥＣＵ６０は積算発電電流量を算出する処理を実行する。この積算発電電流量の算出は、発電開始から実行され、発電が停止するまで実行される。また、積算発電電流量は、例えば、電流計５３によって検出される電流値を加算しながらＲＡＭなどに記憶する。なお、このステップＳ１１０が、本実施形態の積算発電電流量算出手段に相当する。 And it progresses to step S110 and ECU60 performs the process which calculates the amount of integrated power generation electric currents. The calculation of the integrated power generation current amount is executed from the start of power generation until the power generation is stopped. Further, the accumulated power generation current amount is stored in a RAM or the like while adding the current value detected by the ammeter 53, for example. This step S110 corresponds to the integrated power generation current amount calculation means of the present embodiment.

そして、ステップＳ１２０に進み、ＥＣＵ６０は、温度計２５から得られる温度に基づいて燃料電池ＦＣの温度（ＦＣ温度）が所定温度以上であるか否かを判断する。なお、所定温度とは、発電時にカソード１３で生成した水がアノード１２に透過を始める温度であり、例えば、１０℃や２０℃に設定される。ただし、電解質膜１１の種類などによって適宜設定することができる。ステップＳ１２０において、ＥＣＵ６０は、燃料電池１０の温度が所定温度以上であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１３０に進み、フラグとして「１」を設定し、所定温度以上でないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１４０に進み、フラグとして「０」を設定する。 In step S120, the ECU 60 determines whether the temperature of the fuel cell FC (FC temperature) is equal to or higher than a predetermined temperature based on the temperature obtained from the thermometer 25. The predetermined temperature is a temperature at which water generated at the cathode 13 starts to permeate the anode 12 during power generation, and is set to 10 ° C. or 20 ° C., for example. However, it can be set as appropriate depending on the type of the electrolyte membrane 11 and the like. In step S120, when the ECU 60 determines that the temperature of the fuel cell 10 is equal to or higher than the predetermined temperature (Yes), the ECU 60 proceeds to step S130, sets “1” as a flag, and determines that the temperature is not higher than the predetermined temperature. (No), the process proceeds to step S140, and “0” is set as a flag.

そして、ステップＳ１５０に進み、ＥＣＵ６０は、ＩＧ７０がＯＦＦであるかを判断する。ステップＳ１５０において、ＥＣＵ６０は、ＩＧ７０がＯＦＦでないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１１０に戻り、ＩＧ７０がＯＦＦであると判断した場合には（Ｙｅｓ）、発電が停止されたと判断して、ステップＳ１６０に進む。ＩＧ７０がＯＦＦされることにより、ＥＣＵ６０は、水素遮断弁２２を閉じて、燃料電池１０への水素の供給を停止し、コンプレッサ３１を停止して、燃料電池１０への空気の供給を停止する。これにより、燃料電池１０において発電が停止され、水の生成が停止する。 And it progresses to step S150 and ECU60 judges whether IG70 is OFF. In step S150, if the ECU 60 determines that the IG 70 is not OFF (No), the ECU 60 returns to step S110. If the ECU 60 determines that the IG 70 is OFF (Yes), the ECU 60 determines that power generation is stopped. Proceed to step S160. When the IG 70 is turned off, the ECU 60 closes the hydrogen cutoff valve 22, stops the supply of hydrogen to the fuel cell 10, stops the compressor 31, and stops the supply of air to the fuel cell 10. Thereby, the power generation is stopped in the fuel cell 10 and the generation of water is stopped.

そして、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１６０において、掃気手法を決定する工程を実行する。掃気手法を決定する工程とは、例えば、燃料ガス流路を掃気ガス（空気）で掃気せず酸化ガス流路のみを掃気するか、燃料ガス流路と酸化ガス流路の双方を掃気ガスで掃気するかを決定する工程である。掃気手法決定工程では、図３に示すように、ステップＳ１６１において、発電停止後（ステップＳ１５０，Ｙｅｓ）において、ＥＣＵ６０は、燃料電池１０を次回起動する際に低温起動するかを判断する。低温起動とは、燃料電池システム１を搭載した燃料電池自動車を氷点下の環境下で起動する際に暖機が行われるようにした起動方法であり、常温で起動する場合の通常流量より多い流量、通常圧力より高い圧力で空気を供給して、自己発熱量を高めるような起動を意味している。なお、このステップＳ１６１が、本実施形態の低温起動判定手段に相当する。 And ECU60 performs the process of determining the scavenging method in step S160. The step of determining the scavenging method is, for example, scavenging only the oxidizing gas channel without scavenging the fuel gas channel with the scavenging gas (air) or scavenging both the fuel gas channel and the oxidizing gas channel. This is a step of determining whether to scavenge. In the scavenging method determination step, as shown in FIG. 3, in step S 161, after power generation is stopped (step S 150, Yes), the ECU 60 determines whether to start the fuel cell 10 at a low temperature when it is next started. Low temperature startup is a startup method in which warm-up is performed when a fuel cell vehicle equipped with the fuel cell system 1 is started in a sub-freezing environment, and a flow rate higher than a normal flow rate when starting at normal temperature, This means that the air is supplied at a pressure higher than the normal pressure to increase the amount of self-heating. In addition, this step S161 corresponds to the low temperature activation determination means of this embodiment.

また、Ｓ１６１における、次回低温起動するか否かは、温度計２５により得られる燃料電池１０の温度に基づいて判断することができる。例えば、燃料電池１０の温度が氷点下に至るおそれが生じたときに、次回の起動が低温起動であると判定する。なお、次回低温起動は、燃料電池１０の温度に限定されるものではなく、例えば、外気温度や天気予報データに基づいて判断してもよい。 Further, in S161, whether or not to start at a low temperature next time can be determined based on the temperature of the fuel cell 10 obtained by the thermometer 25. For example, when there is a possibility that the temperature of the fuel cell 10 may reach below freezing point, it is determined that the next activation is a low temperature activation. The next low temperature start-up is not limited to the temperature of the fuel cell 10, and may be determined based on, for example, the outside air temperature or weather forecast data.

そして、ステップＳ１６１において、ＥＣＵ６０は、次回低温起動すると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１６２に進み、フラグに「１」が設定されているか否かを判断する。ステップＳ１６２において、ＥＣＵ６０は、フラグが「１」に設定されていると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１６３に進み、両側掃気、つまり、酸化ガス流路と燃料ガス流路の双方を掃気するように設定する。これは、図５に示すように、燃料電池１０の温度が所定温度Ｔ１を超えているので、生成水がカソード１３からアノード１２に透過していることによる。 In step S161, if the ECU 60 determines that the cold start will be performed next time (Yes), the ECU 60 proceeds to step S162 and determines whether or not the flag is set to “1”. In step S162, when the ECU 60 determines that the flag is set to “1” (Yes), the ECU 60 proceeds to step S163 and scavenges both sides of the scavenging gas, that is, both the oxidizing gas channel and the fuel gas channel. Set to As shown in FIG. 5, this is because the temperature of the fuel cell 10 exceeds the predetermined temperature T 1, and thus generated water permeates from the cathode 13 to the anode 12.

また、ステップＳ１６２において、ＥＣＵ６０は、フラグに「１」が設定されていないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１６４に進み、片側掃気、つまり、燃料ガス流路を掃気せず酸化ガス流路のみを掃気するように設定する。これは、図５に示すように、燃料電池１０の温度が所定温度Ｔ１以上でないので、生成水がカソード１３からアノード１２に透過していないことによる。 In step S162, when the ECU 60 determines that “1” is not set in the flag (No), the ECU 60 proceeds to step S164 and performs one-side scavenging, that is, the oxidizing gas flow without scavenging the fuel gas passage. Set to scavenge only the road. As shown in FIG. 5, this is because the temperature of the fuel cell 10 is not equal to or higher than the predetermined temperature T 1, and thus generated water does not permeate from the cathode 13 to the anode 12.

そして、ステップＳ１６３，Ｓ１６４の後、リターンにより図２のフローに戻って、ステップＳ１７０に進み、ＥＣＵ６０は、掃気時間と掃気流量とを決定する工程に移行する。ステップＳ１７０の掃気時間および掃気流量決定工程では、図４に示すように、ステップＳ１７１において、ＥＣＵ６０は、掃気手法決定工程（Ｓ１６０）で両側掃気が設定されたか否かを判断する。ステップＳ１７１において、ＥＣＵ６０は、両側掃気が設定されたと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１７２に進み、フラグに「１」が設定された後の積算発電電流量を算出する。すなわち、アノード１２側の内部水分量については、燃料電池１０の温度が所定温度Ｔ１以上となった時点からの積算発電電流量に基づくので、所定温度Ｔ１以上となるまでの積算発電電流量を減算することにより求めることができる（図５参照）。そして、ステップＳ１７３に進み、ステップＳ１７２で算出された値（積算発電電流）に基づいて内部水分量を算出する。なお、内部水分量は、予め試験等で求められたマップ、関数などに基づいて算出できる。このステップＳ１７２とステップＳ１７３とが、アノード側の内部水分量を算出するための手段（燃料電池内部水分量推定手段）に相当する。 Then, after steps S163 and S164, the process returns to the flow of FIG. 2 by return, and proceeds to step S170. The ECU 60 proceeds to a step of determining the scavenging time and the scavenging flow rate. In the scavenging time and scavenging flow rate determining step in step S170, as shown in FIG. 4, in step S171, the ECU 60 determines whether or not both-side scavenging is set in the scavenging method determining step (S160). If the ECU 60 determines in step S171 that both-side scavenging has been set (Yes), the ECU 60 proceeds to step S172, and calculates the integrated power generation current amount after the flag is set to “1”. That is, since the internal moisture amount on the anode 12 side is based on the accumulated power generation amount from the time when the temperature of the fuel cell 10 becomes equal to or higher than the predetermined temperature T1, the accumulated power generation current until the temperature reaches the predetermined temperature T1 or less is subtracted. (See FIG. 5). Then, the process proceeds to step S173, and the internal moisture content is calculated based on the value (integrated power generation current) calculated in step S172. Note that the internal moisture content can be calculated based on a map, a function, or the like obtained in advance by a test or the like. Steps S172 and S173 correspond to means for calculating the internal moisture content on the anode side (fuel cell internal moisture content estimation means).

そして、ステップＳ１７４に進み、ＥＣＵ６０は、発電開始（起動）からの積算発電電流に基づいてカソード１３側の内部水分量を算出する。なお、内部水分量は、予め試験等で求められたマップ、関数などに基づいて算出できる。このステップＳ１７４が、カソード側の内部水分量を算出するための手段（燃料電池内部水分量推定手段）に相当する。 Then, the process proceeds to step S174, where the ECU 60 calculates the internal moisture content on the cathode 13 side based on the integrated power generation current from the start (start) of power generation. Note that the internal moisture content can be calculated based on a map, a function, or the like obtained in advance by a test or the like. This step S174 corresponds to means (fuel cell internal water content estimating means) for calculating the internal water content on the cathode side.

そして、ステップＳ１７５に進み、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１７３で算出されたアノード１２側の内部水分量と、ステップＳ１７４で算出されたカソード１３側の内部水分量とを加算して、アノード１２側とカソード１３側の合計の内部水分量を算出し、掃気に必要な掃気ガス（空気）の体積流量（総流量）を算出する。なお、このステップＳ１７５が、本実施形態の掃気体積流量算出手段に相当する。この掃気ガスの体積流量は、図７に示すように、内部水分量と体積流量との関係を示すマップに基づいて算出することができる。なお、体積流量の算出は、マップに限定されるものではなく、テーブルや関数などを用いて算出してもよい。 In step S175, the ECU 60 adds the internal moisture content on the anode 12 side calculated in step S173 and the internal moisture content on the cathode 13 side calculated in step S174, and the anode 12 side and the cathode 13 are added. The total internal moisture content on the side is calculated, and the volumetric flow rate (total flow rate) of the scavenging gas (air) required for scavenging is calculated. This step S175 corresponds to the scavenging volume flow rate calculation means of the present embodiment. The volume flow rate of the scavenging gas can be calculated based on a map showing the relationship between the internal water content and the volume flow rate, as shown in FIG. The calculation of the volume flow rate is not limited to the map, and may be calculated using a table or a function.

また、ステップＳ１７１において、ＥＣＵ６０は、両側掃気でないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１７４に進み、発電開始（起動）からの積算発電電流に基づいてカソード１３側の内部水分量のみを算出する。そして、ステップＳ１７５に進み、カソード１３側の内部水分量に基づいて掃気に必要な掃気ガスの体積流量（総流量）を算出する。 In Step S171, when the ECU 60 determines that the scavenging is not performed on both sides (No), the ECU 60 proceeds to Step S174, and calculates only the internal moisture amount on the cathode 13 side based on the integrated power generation current from the start (start) of power generation. To do. In step S175, the volume flow rate (total flow rate) of the scavenging gas required for scavenging is calculated based on the internal moisture content on the cathode 13 side.

そして、ステップＳ１７６に進み、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１７５において算出された体積流量に基づいて、掃気時間および掃気流量を決定する。掃気時の音（騒音）を重視して掃気を行うのであれば、掃気時間を長く設定して、掃気流量（量／時間、固定）を少なくすることにより、騒音を低減することができる。また、時間を重視して掃気を行うのであれば、掃気流量（量／時間）を多く設定して、掃気時間（固定）を短くすることにより、短時間で掃気を完了させることができる。また、効率を重視して掃気を行うのであれば、最も効率のよい掃気流量（固定）を設定することにより、高いエネルギ効率で掃気を行うことができる。このように、運転者の好みや周辺環境などに基づいて、最適な掃気タイプを選択することができるようになる。 Then, the process proceeds to step S176, where the ECU 60 determines the scavenging time and the scavenging flow rate based on the volume flow rate calculated in step S175. If scavenging is performed with an emphasis on sound (noise) during scavenging, the noise can be reduced by setting the scavenging time longer and reducing the scavenging flow rate (amount / time, fixed). If scavenging is performed with emphasis on time, scavenging can be completed in a short time by setting a large scavenging flow rate (amount / time) and shortening the scavenging time (fixed). If scavenging is performed with emphasis on efficiency, scavenging can be performed with high energy efficiency by setting the most efficient scavenging flow rate (fixed). In this way, the optimum scavenging type can be selected based on the driver's preference and the surrounding environment.

そして、掃気時間および掃気流量決定工程（Ｓ１７０）終了後、リターンにより図２のフローに戻って、ステップＳ１８０に進み、ＥＣＵ６０は、両側掃気に設定された場合には、パージ弁２４および掃気用遮断弁４１を開き、かつ、背圧弁３２の開度を大きくするとともに、コンプレッサ３１の駆動を開始して、燃料ガス流路および酸化ガス流路を空気で掃気する。これにより、燃料ガス流路および酸化ガス流路に残留している生成水が吹き飛ばされて車外へ排出される。またこの掃気により、ＭＥＡ内に浸透している生成水が空気に取り込まれて、また生成水が溜まり易くなっている場所の生成水が吹き飛ばされて、それぞれ車外へ排出される。また、ステップＳ１８０において、ＥＣＵ６０は、片側掃気に設定された場合には、掃気用遮断弁４１を閉じ、かつ、背圧弁３２の開度を大きくするとともに、コンプレッサ３１の駆動を開始して、酸化ガス流路のみを空気で掃気する。掃気が終了したら処理を終了する。 Then, after completion of the scavenging time and scavenging flow rate determination step (S170), the process returns to the flow of FIG. 2 by return and proceeds to step S180, and when the two-side scavenging is set, the ECU 60 shuts off the purge valve 24 and scavenging for scavenging. While opening the valve 41 and increasing the opening of the back pressure valve 32, the compressor 31 is started to scavenge the fuel gas passage and the oxidizing gas passage with air. Thereby, the generated water remaining in the fuel gas channel and the oxidizing gas channel is blown off and discharged outside the vehicle. Further, by this scavenging, the generated water permeating into the MEA is taken into the air, and the generated water in the place where the generated water is easily accumulated is blown off and discharged to the outside of the vehicle. In step S180, when the one-side scavenging is set, the ECU 60 closes the scavenging shut-off valve 41, increases the opening of the back pressure valve 32, starts driving the compressor 31, and oxidizes. Only the gas flow path is scavenged with air. When scavenging is completed, the process is terminated.

また、ステップＳ１６１において、ＥＣＵ６０は、次回低温起動を検出していないと判断した場合には（Ｎｏ）、低温起動（暖機）する必要がないと判断して、ステップＳ１６５に進み、ＩＧ７０がＯＮであるか否かを判断する。ステップＳ１６５において、ＥＣＵ６０は、ＩＧ７０がＯＮでないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１６１に戻り、ＩＧ７０がＯＮであると判断した場合には（Ｙｅｓ）、掃気処理を実行せずに処理を終了する。 In step S161, if the ECU 60 determines that the next cold start is not detected (No), the ECU 60 determines that there is no need to start cold (warm up), and proceeds to step S165 to turn on the IG 70. It is determined whether or not. In step S165, when the ECU 60 determines that the IG 70 is not ON (No), the ECU 60 returns to step S161, and when it is determined that the IG 70 is ON (Yes), the ECU 60 performs the process without executing the scavenging process. finish.

このように、ステップＳ１６１およびステップＳ１６５を設けることにより、例えば、ＩＧ７０がＯＦＦされたときに（Ｓ１５０、Ｙｅｓ）、次回低温起動が直ちに検出された場合には（Ｓ１６１，Ｙｅｓ）、ＩＧ７０のＯＦＦ直後に掃気が実行される。また、ＩＧ７０がＯＦＦされたときには（Ｓ１５０、Ｙｅｓ）、次回低温起動を検出しなかったが、時間の経過とともに燃料電池１０の温度や外気温度が低下して、次回低温起動が必要であると判断されたとき、つまりＩＧ７０のＯＦＦからある程度の時間が経過したときに掃気が実行されるようになる。 Thus, by providing step S161 and step S165, for example, when the IG 70 is turned off (S150, Yes), and when the next low temperature start is detected immediately (S161, Yes), immediately after the IG 70 is turned off. The scavenging is performed. Further, when the IG 70 is turned off (S150, Yes), the next low temperature start-up is not detected, but it is determined that the next low-temperature start-up is necessary because the temperature of the fuel cell 10 and the outside air temperature are reduced with the passage of time. When this is done, that is, when a certain amount of time has passed since the IG 70 is turned off, scavenging is executed.

さらに、図５を参照して説明すると、燃料電池１０の温度が低い（氷点下）状態で発電が開始されて、燃料電池１０の温度が所定温度Ｔ１を超える前に発電が停止された場合には（積算発電電流ＩＡ）、カソード１３からアノード１２に生成水が電解質膜１１を透過していないので、カソード１３側のみに生成水が存在している。このようなとき、本実施形態では、片側掃気（カソードのみ）に設定されるので、燃料電池１０を次回に低温起動する必要がある場合には、燃料ガス流路は掃気されず、電解質膜１１が過乾燥になるといった不都合を防止できる。また、アノード１２側を無駄に掃気することがないので、コンプレッサ３１の駆動に伴うエネルギ消費を抑制できる。 Further, referring to FIG. 5, when power generation is started in a state where the temperature of the fuel cell 10 is low (below freezing point) and the power generation is stopped before the temperature of the fuel cell 10 exceeds the predetermined temperature T1, (Integrated power generation current IA) Since the generated water does not permeate the electrolyte membrane 11 from the cathode 13 to the anode 12, the generated water exists only on the cathode 13 side. In such a case, in this embodiment, since the one-side scavenging (only the cathode) is set, when it is necessary to start the fuel cell 10 at a low temperature next time, the fuel gas passage is not scavenged, and the electrolyte membrane 11 Inconveniences such as overdrying can be prevented. Moreover, since the anode 12 side is not scavenged, energy consumption associated with the driving of the compressor 31 can be suppressed.

一方、燃料電池１０の温度が低い（氷点下）状態で発電が開始されて、燃料電池１０の温度が所定温度Ｔ１以上となって発電が停止された場合には（積算発電電流ＩＢ）、カソード１３からアノード１２に生成水が電解質膜１１を透過しているので、アノード１２側とカソード１３側の双方に生成水が存在している。このようなとき、本実施形態では、両側掃気に設定されるので、燃料電池１０を次回に低温起動する必要がある場合には、燃料ガス流路と酸化ガス流路の双方を掃気して、掃気不足による電解質膜１１の凍結を防止することができる。 On the other hand, when the power generation is started in a state where the temperature of the fuel cell 10 is low (below freezing point) and the temperature of the fuel cell 10 is equal to or higher than the predetermined temperature T1 and the power generation is stopped (integrated power generation current IB), the cathode 13 Since the produced water permeates the electrolyte membrane 11 from the anode 12 to the anode 12, the produced water exists on both the anode 12 side and the cathode 13 side. In such a case, in this embodiment, since both-side scavenging is set, when it is necessary to start the fuel cell 10 at a low temperature next time, scavenging both the fuel gas channel and the oxidizing gas channel, Freezing of the electrolyte membrane 11 due to insufficient scavenging can be prevented.

また、図６に示すように、燃料電池１０の温度が所定温度Ｔ１よりも高い状態で発電が開始された場合には、発電開始の時点において、カソード１３からアノード１２に生成水が電解質膜１１を透過しているので、アノード１２側とカソード１３側の双方に生成水が存在している。このようなとき、本実施形態では、両側掃気に設定されるので、燃料電池１０を次回に低温起動する必要がある場合には、燃料ガス流路と酸化ガス流路の双方を掃気して、掃気不足による電解質膜１１の凍結を防止することができる。なお、図６の場合、燃料電池１０を次回に常温起動する場合には、掃気を行わない。 As shown in FIG. 6, when power generation is started in a state where the temperature of the fuel cell 10 is higher than the predetermined temperature T1, the generated water is transferred from the cathode 13 to the anode 12 at the start of power generation. Therefore, generated water exists on both the anode 12 side and the cathode 13 side. In such a case, in this embodiment, since both-side scavenging is set, when it is necessary to start the fuel cell 10 at a low temperature next time, scavenging both the fuel gas channel and the oxidizing gas channel, Freezing of the electrolyte membrane 11 due to insufficient scavenging can be prevented. In the case of FIG. 6, scavenging is not performed when the fuel cell 10 is started at room temperature next time.

また、本実施形態では、内部水分量を、これと高い相関関係にある積算発電電流から算出しているので、内部水分量をより正確に算出することができるようになる。 In the present embodiment, the internal moisture content is calculated from the integrated power generation current that is highly correlated with the internal moisture content, so that the internal moisture content can be calculated more accurately.

また、本実施形態では、燃料電池１０の温度に基づいて、アノード１２側の内部水分量を推定して、掃気手法（両側掃気、片側掃気）を選択することにより、温度によってアノード１２側とカソード１３側にそれぞれに発生する内部水分量が変化しても、それに応じた効率的な掃気を行うことが可能になる。 In the present embodiment, the internal moisture amount on the anode 12 side is estimated based on the temperature of the fuel cell 10 and a scavenging method (both sides scavenging, one side scavenging) is selected. Even if the amount of internal moisture generated on the 13th side changes, efficient scavenging can be performed accordingly.

また、本実施形態では、燃料ガス流路水分発生有無判定手段を備えているので、アノード１２側を無駄に掃気することがなくなるので燃費が悪化するのを防止できる。また、アノード１２側を過剰に掃気することがなくなるので、電解質膜１１の過乾燥を防止することができる。また、アノード１２側の掃気不足を防止できるので、電解質膜１１の凍結による発電性能の低下を防止できる。 Further, in the present embodiment, since the fuel gas flow passage moisture generation presence / absence determining means is provided, it is possible to prevent the anode 12 from being scavenged and prevent the fuel consumption from deteriorating. Further, excessive scavenging of the anode 12 side is prevented, so that overdrying of the electrolyte membrane 11 can be prevented. In addition, since scavenging shortage on the anode 12 side can be prevented, a decrease in power generation performance due to freezing of the electrolyte membrane 11 can be prevented.

また、本実施形態では、低温起動判定手段を備えているので、次回の起動が低温起動であると検出された場合に掃気を実行し、次回の起動が低温起動でないと検出された場合には掃気を実行しないため、掃気によるエネルギ消費を低減し、電解質膜１１の過乾燥を防止できるようになる。 Further, in the present embodiment, since it is provided with a cold start determination means, scavenging is executed when it is detected that the next start is a low temperature start, and when it is detected that the next start is not a low temperature start Since scavenging is not executed, energy consumption due to scavenging can be reduced, and overdrying of the electrolyte membrane 11 can be prevented.

なお、本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば、両側掃気が必要な場合に必ずしも両側を掃気する必要はなく、アノード１２側のみを掃気するようにしてもよい。また、両側掃気をする場合には、アノード１２側とカソード１３側を同時に掃気する必要はなく、カソード１３側を掃気した後にアノード１２側を掃気するというようにアノード１２とカソード１３と時間差を設けて掃気してもよい。 The present invention is not limited to the above-described embodiment. For example, when both-side scavenging is required, it is not always necessary to scavenge both sides, and only the anode 12 side may be scavenged. Also, when scavenging on both sides, it is not necessary to scavenge the anode 12 side and the cathode 13 side at the same time. You may scavenge.

また、パージ処理時や加速時などの運転状態を考慮して内部水分量を算出するようにしてもよい。例えば、パージ処理直後であれば内部水分量が減少するので、その分体積流量を低く設定できるので、エネルギ消費を抑制できるようになる。また、加速時であれば内部水分量が増加するので、その分体積流量を高く設定できるので、掃気不足による発電性能の低下を防止できるようになる。 Further, the internal moisture amount may be calculated in consideration of the operation state such as during the purge process or acceleration. For example, since the amount of internal moisture decreases immediately after the purge process, the volumetric flow rate can be set lower accordingly, so that energy consumption can be suppressed. Further, since the amount of internal moisture increases during acceleration, the volumetric flow rate can be set higher accordingly, so that it is possible to prevent a decrease in power generation performance due to insufficient scavenging.

また、内部水分量は、積算発電電流に替えて電力（ｋＷ；キロワット、積算発電電力）に基づいて算出してもよい。また、積算発電電流に替えて、燃料電池１０の膜抵抗、圧力損失（入れたガス圧と出たガス圧の差）、重さなどに基づいて内部水分量を算出してもよい。 Further, the internal moisture amount may be calculated based on electric power (kW; kilowatts, integrated generated power) instead of the integrated generated current. Further, instead of the integrated power generation current, the internal moisture amount may be calculated based on the membrane resistance, pressure loss (difference between the input gas pressure and the output gas pressure), the weight, and the like of the fuel cell 10.

また、単純に、燃料ガス流路水分発生有無判定手段のみを備えて、アノード１２側に生成水が存在しているか否かを判断して、掃気手法（両側掃気、片側掃気）を選択する構成であってもよい。 In addition, a configuration in which only the fuel gas flow path moisture generation presence / absence determination unit is provided, and it is determined whether or not generated water exists on the anode 12 side, and a scavenging method (both side scavenging, one side scavenging) is selected. It may be.

本実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。It is a whole block diagram of the fuel cell system of this embodiment. 掃気制御を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows scavenging control. 掃気手法決定工程を示すサブフローチャートである。It is a sub-flowchart which shows a scavenging method determination process. 掃気時間および掃気流量決定工程を示すサブフローチャートである。5 is a sub-flowchart showing a scavenging time and scavenging flow rate determination step. 低温起動時における燃料電池の温度に応じた積算発電電流と内部水分量との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the integrated electric power generation current according to the temperature of the fuel cell at the time of low temperature starting, and an internal moisture content. 常温起動時における燃料電池の温度に応じた積算発電電流と内部水分量との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the integrated electric power generation current according to the temperature of the fuel cell at the time of normal temperature starting, and internal moisture content. 内部水分量と体積流量との関係を示すマップである。It is a map which shows the relationship between an internal moisture content and a volume flow rate.

Explanation of symbols

１燃料電池システム
１０燃料電池
１４ａアノード流路（燃料ガス流路）
１５ａカソード流路（酸化ガス流路）
２１ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａ〜２４ｃ配管（燃料ガス流路）
３１コンプレッサ
３１ａ，３２ａ，３２ｂ配管（酸化ガス流路）
２５温度計（燃料電池温度検出手段）
４０連通配管
４１掃気用遮断弁
６０ＥＣＵ
７０イグニッションスイッチ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system 10 Fuel cell 14a Anode flow path (fuel gas flow path)
15a Cathode channel (oxidizing gas channel)
21a, 22a, 23a, 24a-24c Piping (fuel gas flow path)
31 Compressor 31a, 32a, 32b Piping (oxidizing gas flow path)
25 Thermometer (Fuel cell temperature detection means)
40 communication pipe 41 scavenging shutoff valve 60 ECU
70 Ignition switch

Claims

A fuel cell that is supplied with oxidizing gas and fuel gas to generate electricity;
An oxidizing gas passage including the inside of the fuel cell and through which the oxidizing gas flows;
A fuel gas flow path through which the fuel gas flows, including inside the fuel cell;
Scavenging means having a scavenging method of scavenging at least one of the oxidizing gas flow path and the fuel gas flow path with a scavenging gas after stopping the power generation of the fuel cell;
Power generation stop command means for issuing a power generation stop command to the fuel cell,
When the power generation stop command means issues a power generation stop command, the fuel cell system performs scavenging by the scavenging means,
A fuel cell internal moisture content estimating means for estimating the internal moisture content of the fuel cell;
Scavenging volume flow rate calculating means for calculating the volume flow rate of the scavenging gas necessary for scavenging based on the internal moisture content of the fuel cell, and
A fuel cell system characterized in that scavenging is performed based on the volume flow rate calculated by the scavenging volume flow rate calculation means.

An integrated power generation current amount calculating means for calculating an integrated power generation current amount from power generation start to power generation stop of the fuel cell;
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell internal moisture amount estimation unit estimates the internal moisture amount based on the integrated generation current amount obtained by the integrated generation current amount calculation unit.

A fuel cell temperature detecting means for detecting a temperature during power generation of the fuel cell;
The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the presence or absence of moisture generation in the fuel gas flow path is estimated based on the temperature of the fuel cell detected by the fuel cell temperature detecting means.

A fuel gas channel moisture generation presence / absence judging means for judging whether or not moisture is generated in the fuel gas channel;
3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the scavenging method is selected based on the presence / absence of moisture generation determined by the fuel gas flow path moisture generation presence / absence means.

5. The fuel cell system according to claim 4, wherein a scavenging flow rate and a scavenging time are calculated based on the volume flow rate calculated by the scavenging volume flow rate calculation means and the selected scavenging technique.

A fuel cell that is supplied with oxidizing gas and fuel gas to generate electricity;
An oxidizing gas passage including the inside of the fuel cell and through which the oxidizing gas flows;
A fuel gas flow path through which the fuel gas flows, including inside the fuel cell;
Scavenging means having a scavenging method of scavenging at least one of the oxidizing gas flow path and the fuel gas flow path with a scavenging gas after stopping the power generation of the fuel cell;
Power generation stop command means for issuing a power generation stop command to the fuel cell,
When the power generation stop command means issues a power generation stop command, the fuel cell system performs scavenging by the scavenging means,
A fuel gas channel moisture generation presence / absence judging means for judging whether or not moisture is generated in the fuel gas channel;
The fuel cell system, wherein the scavenging method is selected based on the presence or absence of moisture generation determined by the fuel gas passage moisture generation presence / absence means.

At the next start-up of the fuel cell, comprising low-temperature start determination means for determining whether to perform a low-temperature start,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, wherein scavenging is performed when it is determined by the low temperature start determination means that the low temperature start is performed.