JP2008282778A - Fuel cell system and scavenging processing method for fuel cell - Google Patents

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武史 長澤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enable the amount of water of a fuel cell to be accurately ascertained in the case of an antifreeze liquid being used for cooling the fuel cell. <P>SOLUTION: The system includes: an antifreeze liquid temperature measurement device 44 for measuring a temperature of an antifreeze liquid; an antifreeze liquid concentration measurement device 45 for measuring a concentration of the antifreeze liquid; and an arithmetic processing section 7a for calculating a weight of the antifreeze liquid in a fuel cell 2 from the results of the temperature and concentration of the antifreeze liquid, wherein scavenging processing is started after operational halt of the fuel cell 2, and the scavenging processing is stopped when the remaining amount of water in the fuel cell 2 is less than a predetermined amount. The remaining amount of water of the fuel cell 2 can be obtained by subtracting a stack weight of the fuel cell 2 and the calculated weight of the antifreeze liquid from the total weight. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システム、および燃料電池の掃気処理方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池システムにおける制御の改良に関する。   The present invention relates to a fuel cell system and a scavenging method for a fuel cell. More specifically, the present invention relates to improved control in a fuel cell system.

一般に、燃料電池(例えば固体高分子電解質型燃料電池)は電解質をセパレータで挟んだセルを複数積層することによって構成されている。   In general, a fuel cell (for example, a solid polymer electrolyte fuel cell) is configured by stacking a plurality of cells each having an electrolyte sandwiched between separators.

このような燃料電池においては、生成水や凝縮水がセパレータ内の流路等に残っていると低温時に凍結して場合によっては電解質膜やセパレータ、配管、弁などを破損してしまうことがある。さらには、凍結した水がガス流路を塞いでしまうと、次回の起動時にガス供給が妨げられて電気化学反応が十分に進行しなくなるという問題も起こりうる。そこで、例えば運転終了の際には乾燥した空気を送り込む等して燃料電池内に水分が残らないようにするいわゆる掃気処理を実施し、燃料電池内の水分量を最適にするようにしている。   In such a fuel cell, if generated water or condensed water remains in the flow path in the separator, it freezes at a low temperature and may damage the electrolyte membrane, separator, piping, valve, etc. . Furthermore, if the frozen water blocks the gas flow path, there may be a problem that the gas supply is hindered at the next startup and the electrochemical reaction does not proceed sufficiently. Therefore, for example, at the end of the operation, a so-called scavenging process is performed so that moisture does not remain in the fuel cell by sending dry air or the like so as to optimize the amount of moisture in the fuel cell.

このような掃気処理を実施するにあたっては、燃料電池の含水量をできるだけ正確に把握することが望まれる。従来、含水量を把握するための技術としては、掃気時に燃料電池スタックの重量を歪みゲージにより検出し、燃料電池内の水分量が適切になったと判断したら掃気を停止させるものがある。また、ガスの圧力と温度に応じて燃料電池内のガス重量分を補正するといったものもある(例えば特許文献1参照)。
特開2004−158274号公報
In carrying out such a scavenging process, it is desired to grasp the water content of the fuel cell as accurately as possible. Conventionally, as a technique for grasping the moisture content, there is a technique in which the weight of the fuel cell stack is detected by a strain gauge during scavenging, and the scavenging is stopped when it is determined that the moisture content in the fuel cell is appropriate. Further, there is a technique for correcting the gas weight in the fuel cell in accordance with the gas pressure and temperature (see, for example, Patent Document 1).
JP 2004-158274 A

しかしながら、燃料電池の冷却に不凍液が利用されている場合、燃料電池内の水分量を正確に把握することが困難な場合がある。   However, when antifreeze is used for cooling the fuel cell, it may be difficult to accurately grasp the amount of water in the fuel cell.

そこで、本発明は、燃料電池の冷却に不凍液が利用されている場合に当該燃料電池の水分量をより正確に把握できるようにした燃料電池システム、および燃料電池の掃気処理方法を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention provides a fuel cell system and a scavenging method for a fuel cell that can more accurately grasp the water content of the fuel cell when antifreeze is used for cooling the fuel cell. Objective.

かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討をし、新たな知見を得るに至った。本発明はかかる知見に基づくもので、反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、該燃料電池用の冷却媒体としての不凍液と、を含む燃料電池システムにおいて、不凍液の温度を計測する不凍液温度計測装置と、当該不凍液の濃度を計測する不凍液濃度計測装置と、不凍液の温度および濃度の計測結果から燃料電池内における当該不凍液の重量を算出する演算処理部と、を備え、燃料電池の運転停止後に掃気処理を開始し、該燃料電池内の残水量が所定量よりも少なくなったら当該掃気処理を停止するというものである。   In order to solve this problem, the present inventor has made various studies and obtained new knowledge. The present invention is based on such knowledge, and in a fuel cell system including a fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction of a reaction gas and an antifreeze liquid as a cooling medium for the fuel cell, an antifreeze liquid temperature for measuring the temperature of the antifreeze liquid A measurement device; an antifreeze concentration measuring device that measures the concentration of the antifreeze; and an arithmetic processing unit that calculates the weight of the antifreeze in the fuel cell from the temperature and concentration measurement results of the antifreeze. The scavenging process is started later, and the scavenging process is stopped when the remaining water amount in the fuel cell becomes smaller than a predetermined amount.

また、本発明は、冷却媒体として不凍液が用いられている燃料電池に対して実施される当該燃料電池の運転停止後の掃気処理方法であって、当該掃気処理の開始後、不凍液の温度と濃度とを計測し、当該不凍液の温度および濃度の計測結果から燃料電池内における当該不凍液の重量を算出し、燃料電池内の残水量が所定量よりも少なくなったら当該掃気処理を停止するというものである。   The present invention also relates to a scavenging method after stopping the operation of the fuel cell, which is performed on a fuel cell in which an antifreeze is used as a cooling medium, and the temperature and concentration of the antifreeze after the scavenging process is started. The weight of the antifreeze liquid in the fuel cell is calculated from the measurement results of the temperature and concentration of the antifreeze liquid, and the scavenging process is stopped when the remaining water amount in the fuel cell becomes less than a predetermined amount. is there.

燃料電池を冷却するための媒体には、氷点下環境での運転も考慮して不凍液が用いられることがある。ただし、不凍液の重量は温度、濃度によって変化することから、燃料電池内の水分量を重量のみで管理しようとすると誤差(ずれ)が生じることがある。この点に着目した本発明者は、これら温度や濃度といったパラメータを利用して燃料電池内の残水量を把握する技術に想到するに至った。すなわち、本発明においては、これらパラメータを利用して不凍液の重量を算出し、この算出結果から燃料電池内の残水量が求められるようにしている。このように温度や濃度といったパラメータを考慮することにより、不凍液自体の重量分を補正して残水量をより正確に管理することが可能となる。燃料電池内の残水量は例えば
燃料電池の残水量=全体重量−(スタック重量+不凍液重量)
という式で求めることができる。
An antifreeze liquid may be used as a medium for cooling the fuel cell in consideration of operation in a sub-freezing environment. However, since the weight of the antifreeze solution changes depending on the temperature and concentration, an error (shift) may occur if the amount of water in the fuel cell is managed only by weight. The inventor who has focused on this point has come up with a technique for grasping the amount of remaining water in the fuel cell by using parameters such as temperature and concentration. That is, in the present invention, the weight of the antifreeze liquid is calculated using these parameters, and the remaining water amount in the fuel cell is obtained from the calculation result. Thus, by considering parameters such as temperature and concentration, it becomes possible to correct the weight of the antifreeze liquid itself and manage the remaining water amount more accurately. The amount of remaining water in the fuel cell is, for example, the amount of remaining water in the fuel cell = the total weight-(stack weight + antifreeze liquid weight)
It can be calculated by the formula.

本発明によれば、燃料電池の冷却に不凍液が利用されている場合に当該燃料電池の水分量をより正確に把握することが可能となる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, when the antifreeze is utilized for cooling of a fuel cell, it becomes possible to grasp | ascertain the moisture content of the said fuel cell more correctly.

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail based on an example of an embodiment shown in the drawings.

図1〜図3に本発明にかかる燃料電池システム、および燃料電池の掃気処理方法の実施形態を示す。本発明にかかる燃料電池システム1は、反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、該燃料電池用の冷却媒体としての不凍液と、を含んだ構成のシステムである。また本実施形態の燃料電池システム1は、不凍液の温度を計測する不凍液温度計測装置と、当該不凍液の濃度を計測する不凍液濃度計測装置と、不凍液の温度および濃度の計測結果から燃料電池内における当該不凍液の重量を算出する演算処理部7aとを備え、燃料電池2の運転停止後に掃気処理を開始し、該燃料電池2内の残水量が所定量よりも少なくなったら当該掃気処理を停止するものとなっている。   1 to 3 show an embodiment of a fuel cell system and a scavenging method for a fuel cell according to the present invention. A fuel cell system 1 according to the present invention is a system that includes a fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction of a reaction gas, and an antifreeze as a cooling medium for the fuel cell. Further, the fuel cell system 1 of the present embodiment includes an antifreeze liquid temperature measurement device that measures the temperature of the antifreeze liquid, an antifreeze liquid concentration measurement device that measures the concentration of the antifreeze liquid, and the measurement result of the temperature and concentration of the antifreeze liquid. An arithmetic processing unit 7a for calculating the weight of the antifreeze liquid, and starts the scavenging process after the operation of the fuel cell 2 is stopped, and stops the scavenging process when the remaining water amount in the fuel cell 2 becomes smaller than a predetermined amount. It has become.

以下においては、まず燃料電池システム1の全体構成について説明し、その後、この燃料電池2を掃気処理するための構成とその制御内容について説明する。   In the following, the overall configuration of the fuel cell system 1 will be described first, and then the configuration for scavenging the fuel cell 2 and the control contents will be described.

図1、図2に燃料電池車両に搭載されている燃料電池システム1の概略構成を示す。なお、ここでは燃料電池車両(Fuel Cell Hybrid Vehicle)の車載発電システムとして適用可能なシステムの一例を示すが、かかる燃料電池システム1は各種移動体(例えば船舶や飛行機など)やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、さらには定置の発電システムとしても利用することが可能である。   1 and 2 show a schematic configuration of a fuel cell system 1 mounted on a fuel cell vehicle. Here, an example of a system applicable as an on-vehicle power generation system of a fuel cell vehicle (Fuel Cell Hybrid Vehicle) is shown, but the fuel cell system 1 is self-propelled such as various mobile bodies (for example, ships and airplanes) and robots. It can also be used as a power generation system mounted on a possible one, or as a stationary power generation system.

本実施形態における燃料電池システム1は、反応ガス(酸化ガスおよび燃料ガス)の供給を受けて電気化学反応により電力を発生する燃料電池2と、酸化ガスとしての空気を燃料電池2に供給する酸化ガス配管系3と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池2に供給する燃料ガス配管系4と、燃料電池2に冷媒を供給して当該燃料電池2を冷却する冷媒配管系5と、システムの電力を充放電する電力系6と、システム全体を統括制御する制御部7と、を備えている。   The fuel cell system 1 in the present embodiment includes a fuel cell 2 that generates electric power by an electrochemical reaction upon receiving supply of reaction gas (oxidation gas and fuel gas), and an oxidation that supplies air as the oxidation gas to the fuel cell 2. A gas piping system 3, a fuel gas piping system 4 for supplying hydrogen gas as a fuel gas to the fuel cell 2, a refrigerant piping system 5 for supplying a refrigerant to the fuel cell 2 and cooling the fuel cell 2, and a system An electric power system 6 that charges and discharges electric power and a control unit 7 that performs overall control of the entire system are provided.

燃料電池2は例えば固体高分子電解質型燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有した構造となっている。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、さらにこれら各反応ガスが化学反応を生じることによって電力が発生する。この燃料電池2には、発電中の電流を検出する電流センサ2aが取り付けられている。   The fuel cell 2 is, for example, a solid polymer electrolyte fuel cell, and has a stack structure in which a large number of single cells are stacked. The single cell has an air electrode on one surface of an electrolyte composed of an ion exchange membrane, a fuel electrode on the other surface, and a pair of separators so that the air electrode and the fuel electrode are sandwiched from both sides. It has become. The fuel gas is supplied to the fuel gas flow path of one separator, the oxidizing gas is supplied to the oxidizing gas flow path of the other separator, and further, each of these reaction gases generates a chemical reaction, thereby generating electric power. The fuel cell 2 is provided with a current sensor 2a for detecting a current during power generation.

酸化ガス配管系3は、燃料電池2に供給される酸化ガスが流れる空気供給流路11と、燃料電池2から排出された酸化オフガスが流れる排気流路12と、を有している。空気供給流路11には、フィルタ13を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ14と、コンプレッサ14により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器15と、が設けられている。コンプレッサ14は、図示されていないモータの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。また、排気流路12を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁16を通って加湿器15で水分交換に供された後、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。   The oxidizing gas piping system 3 has an air supply passage 11 through which oxidizing gas supplied to the fuel cell 2 flows, and an exhaust passage 12 through which oxidizing off-gas discharged from the fuel cell 2 flows. The air supply flow path 11 is provided with a compressor 14 that takes in the oxidizing gas via the filter 13 and a humidifier 15 that humidifies the oxidizing gas fed by the compressor 14. The compressor 14 takes in the oxidizing gas in the atmosphere by driving a motor (not shown). Further, the oxidizing off gas flowing through the exhaust passage 12 passes through the back pressure regulating valve 16 and is subjected to moisture exchange by the humidifier 15, and is finally exhausted into the atmosphere outside the system as exhaust gas.

燃料ガス配管系4は、水素供給源としての燃料タンク21と、燃料タンク21から燃料電池2に供給される水素ガスが流れる水素供給流路22と、燃料電池2から排出された水素オフガス(燃料オフガス)を水素供給流路22の合流点A1に戻すための循環流路23と、循環流路23内の水素オフガスを水素供給流路22に圧送する水素ポンプ24と、循環流路23に分岐接続された排気排水流路25と、を有している。   The fuel gas piping system 4 includes a fuel tank 21 as a hydrogen supply source, a hydrogen supply passage 22 through which hydrogen gas supplied from the fuel tank 21 to the fuel cell 2 flows, and hydrogen off-gas (fuel) discharged from the fuel cell 2. Off-gas) to the junction A1 of the hydrogen supply flow path 22, a hydrogen pump 24 for pumping the hydrogen off-gas in the circulation flow path 23 to the hydrogen supply flow path 22, and a branch to the circulation flow path 23 And an exhaust drainage flow path 25 connected thereto.

燃料タンク21は例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成されて本実施形態における燃料電池車両に複数搭載されているものであり、例えば35MPaまたは70MPaの水素ガスを貯留可能に構成されている。後述する遮断弁26を開くと、燃料タンク21から水素供給流路22へと水素ガスが流出する。水素ガスは、後述するレギュレータ27やインジェクタ28により最終的に例えば200kPa程度まで減圧され、燃料電池2に供給される。なお、本実施形態ではこのような燃料タンク21を水素供給源としているが、この他、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、によって水素供給源を構成することも可能である。   The fuel tank 21 is composed of, for example, a high-pressure tank or a hydrogen storage alloy and is mounted on the fuel cell vehicle in the present embodiment, and is configured to be able to store, for example, 35 MPa or 70 MPa of hydrogen gas. When a shut-off valve 26 described later is opened, hydrogen gas flows out from the fuel tank 21 to the hydrogen supply passage 22. The hydrogen gas is finally depressurized to about 200 kPa, for example, by a regulator 27 and an injector 28 described later, and supplied to the fuel cell 2. In this embodiment, such a fuel tank 21 is used as a hydrogen supply source. In addition, a reformer that generates hydrogen-rich reformed gas from a hydrocarbon-based fuel, and a reformer that is generated by this reformer. It is also possible to configure the hydrogen supply source by a high-pressure gas tank that stores the reformed gas in a high-pressure state.

水素供給流路22には、燃料タンク21からの水素ガスの供給を遮断または許容する遮断弁26と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ27と、インジェクタ28と、が設けられている。また、インジェクタ28の下流側であって水素供給流路22と循環流路23との合流部A1の上流側には、水素供給流路22内の水素ガスの圧力を検出する圧力センサ29が設けられている。さらに、インジェクタ28の上流側には、水素供給流路22内の水素ガスの圧力および温度を検出する圧力センサおよび温度センサ(図示省略)が設けられている。圧力センサ29等で検出された水素ガスのガス状態(圧力、温度)に関する情報は、後述するインジェクタ28のフィードバック制御やパージ制御に用いられる。   The hydrogen supply channel 22 is provided with a shutoff valve 26 that shuts off or allows the supply of hydrogen gas from the fuel tank 21, a regulator 27 that adjusts the pressure of the hydrogen gas, and an injector 28. A pressure sensor 29 that detects the pressure of the hydrogen gas in the hydrogen supply flow path 22 is provided on the downstream side of the injector 28 and upstream of the junction A1 between the hydrogen supply flow path 22 and the circulation flow path 23. It has been. Further, a pressure sensor and a temperature sensor (not shown) for detecting the pressure and temperature of the hydrogen gas in the hydrogen supply flow path 22 are provided on the upstream side of the injector 28. Information regarding the gas state (pressure, temperature) of the hydrogen gas detected by the pressure sensor 29 or the like is used for feedback control and purge control of an injector 28 described later.

レギュレータ27は、その上流側圧力(一次圧)を、予め設定した二次圧に調圧する装置である。本実施形態においては、一次圧を減圧する機械式の減圧弁をレギュレータ27として採用している。機械式の減圧弁の構成としては、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする公知の構成を採用することができる。   The regulator 27 is a device that regulates the upstream pressure (primary pressure) to a preset secondary pressure. In this embodiment, a mechanical pressure reducing valve that reduces the primary pressure is employed as the regulator 27. The mechanical pressure reducing valve has a structure in which a back pressure chamber and a pressure adjusting chamber are formed with a diaphragm therebetween, and the primary pressure is reduced to a predetermined pressure in the pressure adjusting chamber by the back pressure in the back pressure chamber. Thus, a publicly known configuration for the secondary pressure can be employed.

インジェクタ28は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ28は、水素ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向(気体流れ方向)に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体と、を備えている。例えば本実施形態においては、インジェクタ28の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、噴射孔の開口面積を2段階、多段階、または無段階に切り替えることができるようになっている。さらに、制御部7から出力される制御信号によって、インジェクタ28のガス噴射時間およびガス噴射時期が制御されることにより、水素ガスの流量および圧力が高精度に制御される。このように、インジェクタ28は、弁(弁体および弁座)を電磁駆動力で直接開閉駆動するものであり、その駆動周期が高応答の領域まで制御可能であるため、高い応答性を有する。   The injector 28 is an electromagnetically driven on-off valve capable of adjusting the gas flow rate and gas pressure by driving the valve body directly with a predetermined driving cycle with an electromagnetic driving force and separating it from the valve seat. The injector 28 includes a valve seat having an injection hole for injecting gaseous fuel such as hydrogen gas, a nozzle body for supplying and guiding the gaseous fuel to the injection hole, and an axial direction (gas flow direction) with respect to the nozzle body. And a valve body that is movably accommodated and opens and closes the injection hole. For example, in the present embodiment, the valve body of the injector 28 is driven by a solenoid that is an electromagnetic drive device, and the opening area of the injection hole is increased in two stages by turning on and off the pulsed excitation current supplied to the solenoid. , Or can be switched steplessly. Furthermore, the flow rate and pressure of hydrogen gas are controlled with high accuracy by controlling the gas injection time and gas injection timing of the injector 28 by the control signal output from the control unit 7. Thus, the injector 28 directly opens and closes the valves (valve body and valve seat) with an electromagnetic driving force, and has a high responsiveness because its driving cycle can be controlled to a highly responsive region.

なお、インジェクタ28の弁体の開閉によりガス流量が調整されるとともに、インジェクタ28の下流に供給されるガス圧力がインジェクタ28上流のガス圧力より減圧されるため、インジェクタ28を調圧弁(減圧弁、レギュレータ)と解釈することもできる。また、本実施形態では、ガス要求に応じて所定の圧力範囲の中で要求圧力に一致するようにインジェクタ28の上流ガス圧の調圧量(減圧量)を変化させることが可能な可変調圧弁と解釈することもできる。   Since the gas flow rate is adjusted by opening and closing the valve body of the injector 28 and the gas pressure supplied downstream of the injector 28 is reduced from the gas pressure upstream of the injector 28, the injector 28 is controlled by a pressure regulating valve (pressure reducing valve, Regulator). Further, in the present embodiment, a variable pressure control valve capable of changing the pressure adjustment amount (pressure reduction amount) of the upstream gas pressure of the injector 28 so as to match the required pressure within a predetermined pressure range according to the gas requirement. Can also be interpreted.

本実施形態においては、このようなインジェクタ28を、水素供給流路22と循環流路23との合流部A1より上流側に配置している(図1参照)。また、図1に破線で示すように、燃料供給源として複数の燃料タンク21が用いられている場合には、これら燃料タンク21から供給される水素ガスが合流する部分(水素ガス合流部A2)よりも下流側に当該インジェクタ28を配置するようにする。   In the present embodiment, such an injector 28 is arranged on the upstream side of the junction A1 between the hydrogen supply channel 22 and the circulation channel 23 (see FIG. 1). In addition, as shown by a broken line in FIG. 1, when a plurality of fuel tanks 21 are used as a fuel supply source, a portion where hydrogen gas supplied from these fuel tanks 21 merges (hydrogen gas joining portion A2). The injector 28 is arranged on the downstream side.

循環流路23には、気液分離器30および排気排水弁31を介して、排気排水流路25が接続されている。気液分離器30は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁31は、制御部7の指令を受けて作動することにより、気液分離器30で回収した水分と、循環流路23内の不純物を含む水素オフガス(燃料オフガス)と、を外部に排出(パージ)するものである。この排気排水弁31を開放すると、循環流路23内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。排気排水弁31の上流位置(循環流路23上)および下流位置(排気排水流路25上)には、各々、水素オフガスの圧力を検出する上流側圧力センサ32および下流側圧力センサ33が設けられている。   An exhaust / drain channel 25 is connected to the circulation channel 23 via a gas / liquid separator 30 and an exhaust / drain valve 31. The gas-liquid separator 30 collects moisture from the hydrogen off gas. The exhaust / drain valve 31 operates in response to a command from the control unit 7, so that moisture collected by the gas-liquid separator 30 and hydrogen off-gas (fuel off-gas) containing impurities in the circulation channel 23 are externally provided. It is to be discharged (purged). When the exhaust / drain valve 31 is opened, the concentration of impurities in the hydrogen off-gas in the circulation passage 23 decreases and the concentration of hydrogen in the hydrogen off-gas supplied in circulation increases. An upstream pressure sensor 32 and a downstream pressure sensor 33 for detecting the pressure of the hydrogen off gas are provided at the upstream position (on the circulation flow path 23) and the downstream position (on the exhaust drain flow path 25) of the exhaust drain valve 31, respectively. It has been.

また、特に詳しく図示していないが、排気排水弁31および排気排水流路25を介して排出される水素オフガスは、希釈器(図示省略)によって希釈されて排気流路12内の酸化オフガスと合流するようになっている。水素ポンプ24は、モータ(図示省略)の駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池2に循環供給する。水素ガスの循環系は、水素供給流路22の合流点A1の下流側流路と、燃料電池2のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環流路23と、によって構成されることとなる。   Although not shown in detail, the hydrogen off-gas discharged through the exhaust / drain valve 31 and the exhaust / drain passage 25 is diluted by a diluter (not shown) and merges with the oxidizing off-gas in the exhaust passage 12. It is supposed to be. The hydrogen pump 24 circulates and supplies the hydrogen gas in the circulation system to the fuel cell 2 by driving a motor (not shown). The hydrogen gas circulation system is constituted by a downstream channel of the junction A1 of the hydrogen supply channel 22, a fuel gas channel formed in the separator of the fuel cell 2, and a circulation channel 23. Become.

冷媒配管系5は、燃料電池2内の冷却流路に連通する冷媒流路41と、冷媒流路41に設けられた冷却ポンプ42と、燃料電池2から排出される冷媒を冷却するラジエータ43と、燃料電池2から排出される冷媒の温度を検出する温度センサ44と、を有している。冷却ポンプ42は、モータ(図示省略)の駆動により、冷媒流路41内の冷媒を燃料電池2に循環供給する。温度センサ44で検出された冷媒の温度(=燃料電池2から排出される水素オフガスの温度)は、後述するパージ制御に用いられる。   The refrigerant piping system 5 includes a refrigerant channel 41 communicating with the cooling channel in the fuel cell 2, a cooling pump 42 provided in the refrigerant channel 41, and a radiator 43 that cools the refrigerant discharged from the fuel cell 2. And a temperature sensor 44 for detecting the temperature of the refrigerant discharged from the fuel cell 2. The cooling pump 42 circulates and supplies the refrigerant in the refrigerant passage 41 to the fuel cell 2 by driving a motor (not shown). The temperature of the refrigerant detected by the temperature sensor 44 (= temperature of hydrogen off-gas discharged from the fuel cell 2) is used for purge control described later.

電力系6は、高圧DC/DCコンバータ61、バッテリ62、トラクションインバータ63、トラクションモータ64、図示されていない各種の補機インバータ等を備えている。高圧DC/DCコンバータ61は、直流の電圧変換器であり、バッテリ62から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ63側に出力する機能と、燃料電池2またはトラクションモータ64から入力された直流電圧を調整してバッテリ62に出力する機能と、を有する。このような高圧DC/DCコンバータ61の機能により、バッテリ62の充放電が実現される。また、高圧DC/DCコンバータ61により、燃料電池2の出力電圧が制御される。   The power system 6 includes a high-voltage DC / DC converter 61, a battery 62, a traction inverter 63, a traction motor 64, various auxiliary machine inverters not shown, and the like. The high-voltage DC / DC converter 61 is a direct-current voltage converter, which adjusts the direct-current voltage input from the battery 62 and outputs it to the traction inverter 63 side, and the direct-current input from the fuel cell 2 or the traction motor 64. And a function of adjusting the voltage and outputting it to the battery 62. With such a function of the high voltage DC / DC converter 61, charging / discharging of the battery 62 is realized. Further, the output voltage of the fuel cell 2 is controlled by the high voltage DC / DC converter 61.

バッテリ62は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。トラクションインバータ63は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ64に供給する。トラクションモータ64は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム1が搭載される燃料電池車両の主動力源を構成する。   The battery 62 is configured such that battery cells are stacked and a constant high voltage is used as a terminal voltage, and surplus power can be charged or power can be supplementarily supplied under the control of a battery computer (not shown). The traction inverter 63 converts a direct current into a three-phase alternating current and supplies it to the traction motor 64. The traction motor 64 is, for example, a three-phase AC motor, and constitutes a main power source of a fuel cell vehicle on which the fuel cell system 1 is mounted.

補機インバータは、各モータの駆動を制御する電動機制御部であり、直流電流を三相交流に変換して各モータに供給する。補機インバータは、例えばパルス幅変調方式のPWMインバータであり、制御部7からの制御指令に従って燃料電池2またはバッテリ62から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータで発生する回転トルクを制御する。   The auxiliary inverter is an electric motor control unit that controls driving of each motor, converts a direct current into a three-phase alternating current, and supplies the three-phase alternating current to each motor. The auxiliary inverter is, for example, a pulse width modulation type PWM inverter, which converts a DC voltage output from the fuel cell 2 or the battery 62 into a three-phase AC voltage in accordance with a control command from the control unit 7 and is generated by each motor. To control the rotational torque.

制御部7は、車両に設けられた加速用の操作部材(アクセル等)の操作量を検出し、加速要求値(例えばトラクションモータ64等の負荷装置からの要求発電量)等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷装置には、トラクションモータ64のほかに、燃料電池2を作動させるために必要な補機装置(例えばコンプレッサ14、水素ポンプ24、冷却ポンプ42の各モータ等)、車両の走行に関与する各種装置(変速機、車輪制御部、操舵装置、懸架装置等)で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置(エアコン)、照明、オーディオ等を含む電力消費装置が含まれうる。   The control unit 7 detects an operation amount of an operation member (accelerator or the like) for acceleration provided in the vehicle, and receives control information such as an acceleration request value (for example, a required power generation amount from a load device such as the traction motor 64). To control the operation of various devices in the system. In addition to the traction motor 64, the load device includes auxiliary devices (for example, motors for the compressor 14, the hydrogen pump 24, and the cooling pump 42) necessary for operating the fuel cell 2, and is involved in the running of the vehicle. Power consumption devices including actuators used in various devices (transmissions, wheel control units, steering devices, suspension devices, etc.), air conditioning devices (air conditioners) for passenger spaces, lighting, audio, and the like can be included.

このような制御部7は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、CPU、ROM、RAM、HDD、入出力インタフェースおよびディスプレイ等を備えるものであり、ROMに記録された各種制御プログラムをCPUが読み込んで所望の演算を実行することによりフィードバック制御やパージ制御など種々の処理や制御を行う。   Such a control part 7 is comprised by the computer system which is not shown in figure. Such a computer system is provided with a CPU, ROM, RAM, HDD, input / output interface, display, and the like. The CPU reads various control programs recorded in the ROM and executes desired calculations to perform feedback control and purge. Various processes and controls such as control are performed.

続いて、燃料電池2の冷却に不凍液が利用されている場合に当該燃料電池の水分量をより正確に把握できるようにするための構成および制御について説明する(図2、図3参照)。   Next, a description will be given of the configuration and control for making it possible to more accurately grasp the moisture content of the fuel cell when antifreeze is used for cooling the fuel cell 2 (see FIGS. 2 and 3).

燃料電池2においては、発電の際の化学反応により水分および熱が発生するが、このとき当該燃料電池2の高い発電効率を実現するには運転中は適正温度(例えば80℃程度)に維持されている必要がある。本実施形態においては上述した冷媒配管系5を利用し、燃料電池2で発生した熱を系外に放出して冷却する。   In the fuel cell 2, moisture and heat are generated by a chemical reaction during power generation. At this time, in order to achieve high power generation efficiency of the fuel cell 2, it is maintained at an appropriate temperature (for example, about 80 ° C.) during operation. Need to be. In the present embodiment, the refrigerant piping system 5 described above is used to cool the heat generated in the fuel cell 2 by releasing it out of the system.

ここで、本実施形態の冷媒配管系5において使用されている冷却媒体には、低温時に凍結するのを抑えるべく溶剤を添加した不凍液、またはこのような不凍液を含む液体が用いられている。不凍液の一例としては例えばエチレングリコールなどの氷点降下剤あるいはこれを含む冷却水などを用いることができる。   Here, as the cooling medium used in the refrigerant piping system 5 of the present embodiment, an antifreeze liquid added with a solvent or a liquid containing such an antifreeze liquid is used to prevent freezing at low temperatures. As an example of the antifreeze, for example, a freezing point depressant such as ethylene glycol or cooling water containing the same can be used.

ここで、冷媒配管系5に設けられている上述した温度センサ44は、不凍液の温度を計測可能な不凍液温度計測装置として機能する(図1、図2参照)。また、冷媒配管系5の例えば冷媒タンク46にはさらに濃度センサ45が設けられている(図2参照)。この濃度センサ45は不凍液の濃度を計測する不凍液濃度計測装置として機能する。   Here, the temperature sensor 44 provided in the refrigerant piping system 5 functions as an antifreeze liquid temperature measuring device capable of measuring the temperature of the antifreeze liquid (see FIGS. 1 and 2). Further, a concentration sensor 45 is further provided, for example, in the refrigerant tank 46 of the refrigerant piping system 5 (see FIG. 2). The concentration sensor 45 functions as an antifreeze concentration measuring device that measures the concentration of the antifreeze.

演算処理部7aは、これら温度センサ44や濃度センサ45による不凍液の温度および濃度の計測結果から、燃料電池2内における当該不凍液の重量を算出する。演算処理部7aは例えば制御部7に内蔵されているCPUで構成されている。   The arithmetic processing unit 7 a calculates the weight of the antifreeze liquid in the fuel cell 2 from the measurement result of the temperature and concentration of the antifreeze liquid by the temperature sensor 44 and the concentration sensor 45. The arithmetic processing unit 7a is constituted by a CPU built in the control unit 7, for example.

次に、フローチャートを用いて本実施形態における燃料電池2の運転停止後の早期処理方法の内容について説明する(図3参照)。   Next, the content of the early processing method after stopping the operation of the fuel cell 2 in the present embodiment will be described using a flowchart (see FIG. 3).

燃料電池システム1の不凍液の温度および濃度は、上述した温度センサ44および濃度センサ45により随時計測される(ステップS11、ステップS12)。また、演算処理部7aが温度および濃度の計測結果から当該不凍液の重量を算出する(ステップS13)。   The temperature and concentration of the antifreeze liquid in the fuel cell system 1 are measured at any time by the temperature sensor 44 and the concentration sensor 45 described above (steps S11 and S12). In addition, the arithmetic processing unit 7a calculates the weight of the antifreeze liquid from the temperature and concentration measurement results (step S13).

一方で、燃料電池2の運転が停止したら(ステップS1)、掃気処理を開始する(ステップS2)。この際、上述した不凍液の重量算出結果を利用して燃料電池3内における残水量を計算する(ステップS3)。一般に、不凍液の重量は温度、濃度によって変化することから燃料電池2内の水分量を重量のみで把握・管理しようとすると誤差が生じうるが、本実施形態においてはこれら温度や濃度といったパラメータを考慮して不凍液の重量を算出しているため、温度変化や濃度変化に伴う影響を補正してより精度よく燃料電池2内の残水量を算出することができる。   On the other hand, when the operation of the fuel cell 2 is stopped (step S1), the scavenging process is started (step S2). At this time, the amount of remaining water in the fuel cell 3 is calculated using the above-described weight calculation result of the antifreeze (step S3). In general, since the weight of the antifreeze varies depending on the temperature and concentration, an error may occur when trying to grasp and manage the amount of water in the fuel cell 2 only by weight. In the present embodiment, these parameters such as temperature and concentration are considered. Since the weight of the antifreeze is calculated, the amount of remaining water in the fuel cell 2 can be calculated with higher accuracy by correcting the influence due to temperature change and concentration change.

続いて、計算して得られた残水量が所定量よりも少なくなったかどうかを判定する(ステップS4)。いまだ所定量よりも多ければ掃気処理を継続し(ステップS4でNo)、所定量よりも少なくなっていれば(ステップS4でYes)、掃気処理を停止する(ステップS5)。燃料電池内の残水量は例えば
燃料電池の残水量=全体重量−(スタック重量+不凍液重量)
という式で求めることができる。また、所定量はある目標値として予め設定されているものである。
Subsequently, it is determined whether or not the remaining water amount obtained by the calculation is less than a predetermined amount (step S4). If it is still greater than the predetermined amount, the scavenging process is continued (No in step S4), and if it is less than the predetermined amount (Yes in step S4), the scavenging process is stopped (step S5). The amount of remaining water in the fuel cell is, for example, the amount of remaining water in the fuel cell = total weight-(stack weight + antifreeze liquid weight)
It can be calculated by the formula. The predetermined amount is preset as a certain target value.

以上説明したように、本実施形態によれば、燃料電池2の冷却に不凍液が利用されている燃料電池システム1において、掃気時の残水量を重量により管理している場合に、当該残水量の管理を最適化することが可能である。すなわち、燃料電池2の含水量を重量から算出する場合に、不凍液の温度および濃度に応じて重量を補正することから、燃料電池2の運転停止時の温度に関係なく掃気時の残水量をより正確に把握し、掃気処理の終了判断を精度よく行うことができる。   As described above, according to this embodiment, in the fuel cell system 1 in which the antifreeze is used for cooling the fuel cell 2, when the remaining water amount during scavenging is managed by weight, Management can be optimized. That is, when the water content of the fuel cell 2 is calculated from the weight, the weight is corrected according to the temperature and concentration of the antifreeze, so that the remaining water amount during scavenging can be further increased regardless of the temperature when the fuel cell 2 is shut down. It is possible to accurately grasp and accurately determine the end of the scavenging process.

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。   The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

本発明の一実施形態におけ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 in one Embodiment of this invention. 本実施形態における燃料電池システムの主要部の構成を概略的に示す図である。It is a figure which shows schematically the structure of the principal part of the fuel cell system in this embodiment. 掃気処理の流れの一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the flow of a scavenging process.

符号の説明Explanation of symbols

1…燃料電池システム、2…燃料電池、7a…演算処理部、44…温度センサ(不凍液温度計測装置)、45…濃度センサ(不凍液濃度計測装置) DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system, 2 ... Fuel cell, 7a ... Arithmetic processing part, 44 ... Temperature sensor (antifreeze liquid temperature measuring device), 45 ... Concentration sensor (antifreeze liquid concentration measuring device)

Claims (4)

反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、該燃料電池用の冷却媒体としての不凍液と、を含む燃料電池システムにおいて、
前記不凍液の温度を計測する不凍液温度計測装置と、
当該不凍液の濃度を計測する不凍液濃度計測装置と、
前記不凍液の温度および濃度の計測結果から前記燃料電池内における当該不凍液の重量を算出する演算処理部と、
を備え、前記燃料電池の運転停止後に掃気処理を開始し、該燃料電池内の残水量が所定量よりも少なくなったら当該掃気処理を停止する
ことを特徴とする燃料電池システム。
In a fuel cell system including a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction of a reaction gas, and an antifreeze as a cooling medium for the fuel cell,
An antifreeze liquid temperature measuring device for measuring the temperature of the antifreeze liquid;
An antifreeze concentration measuring device for measuring the concentration of the antifreeze,
An arithmetic processing unit that calculates the weight of the antifreeze liquid in the fuel cell from the measurement results of the temperature and concentration of the antifreeze liquid;
A scavenging process is started after the fuel cell is stopped, and the scavenging process is stopped when the amount of remaining water in the fuel cell becomes smaller than a predetermined amount.
前記燃料電池の残水量を、全体重量から当該燃料電池のスタック重量と前記算出した不凍液の重量とを引いて求めることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the remaining water amount of the fuel cell is obtained by subtracting the stack weight of the fuel cell and the calculated weight of the antifreeze from the total weight. 冷却媒体として不凍液が用いられている燃料電池に対して実施される当該燃料電池の運転停止後の掃気処理方法であって、
当該掃気処理の開始後、前記不凍液の温度と濃度とを計測し、
当該不凍液の温度および濃度の計測結果から前記燃料電池内における当該不凍液の重量を算出し、
前記燃料電池内の残水量が所定量よりも少なくなったら当該掃気処理を停止する
ことを特徴とする燃料電池の掃気処理方法。
A scavenging method after stopping the operation of the fuel cell, which is performed on a fuel cell in which antifreeze is used as a cooling medium,
After the start of the scavenging process, measure the temperature and concentration of the antifreeze,
From the measurement results of the temperature and concentration of the antifreeze, calculate the weight of the antifreeze in the fuel cell,
A scavenging process method for a fuel cell, wherein the scavenging process is stopped when the amount of remaining water in the fuel cell becomes smaller than a predetermined amount.
前記燃料電池の残水量を、全体重量から当該燃料電池のスタック重量と前記算出した不凍液の重量とを引いて求めることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池の掃気処理方法。   The scavenging method for a fuel cell according to claim 3, wherein the remaining water amount of the fuel cell is obtained by subtracting the stack weight of the fuel cell and the calculated weight of the antifreeze from the total weight.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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