JP2009110684A

JP2009110684A - Fuel cell system

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Publication number: JP2009110684A
Application number: JP2007278629A
Authority: JP
Inventors: Takashi Yamamoto; 隆士山本; Yuichi Sakagami; 祐一坂上; Masanori Tabayashi; 政則田林; Naoto Hotta; 直人堀田; Hironori Noto; 博則能登
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2007-10-26
Filing date: 2007-10-26
Publication date: 2009-05-21

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To quickly start power generation startup for a fuel cell stack by preventing freezing of product water and a cooling medium inside under a low-temperature environment below freezing point. <P>SOLUTION: An air guide-in channel 6 branched from an air supply channel 21 reaching an air compressor 23 is connected to a cooling water supply channel 41 of a cooling water circulation system 4 for cooling a fuel cell stack 1 through a flow channel switching valve 63. To a cooling water exhaust channel 42 of the cooling water circulation channel 4, a cooling water recovery channel reaching a cooling water tank 71 is connected through a flow channel switching valve 72. At stoppage of operation, at the same time as a scavenging treatment, air pressurized by the air compressor 23 is guided in from the air guide-in channel 6 into a cooling water flow channel 45 in the fuel cell stack 1 to recover cooling water to the cooling water tank 71. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスの化学反応により発電する燃料電池システムに関し、特に氷点下での始動性に優れた燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system that generates electric power by a chemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas, and more particularly to a fuel cell system excellent in startability at below freezing point.

固体高分子型燃料電池は、複数のセルを積層した燃料電池スタックに、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスを供給して化学反応させることにより電気エネルギーを発生させている。基本単位となるセルは、一般に、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)と呼ばれる膜電極接合体を燃料ガス側セパレータ、酸化剤側セパレータで挟んだ構造を有しており、アノード電極に供給される水素がイオン化して電解質膜を透過し、カソード電極に供給される酸素と反応する。 In the polymer electrolyte fuel cell, electric energy is generated by supplying a hydrogen-containing fuel gas and an oxygen-containing oxidant gas to a fuel cell stack in which a plurality of cells are stacked to cause a chemical reaction. The basic unit cell generally has a structure in which a membrane electrode assembly called MEA (Membrane Electrode Assembly) is sandwiched between a fuel gas side separator and an oxidant side separator, and the hydrogen supplied to the anode electrode is ionized. Then, it passes through the electrolyte membrane and reacts with oxygen supplied to the cathode electrode.

燃料電池スタックには、燃料ガス供給系と酸化剤ガス供給系が接続され、水素と酸素の反応により水が生成するとともに、反応熱が発生する。燃料電池スタックは、この反応熱を利用して、セル温度を運転に適切な温度まで上昇させるが、低温環境下、特に氷点以下では、発電により生成した水が凍結して、始動を妨げたり、発電効率を悪化させたりするおそれがあった。 A fuel gas supply system and an oxidant gas supply system are connected to the fuel cell stack, and water is generated by reaction of hydrogen and oxygen, and reaction heat is generated. The fuel cell stack uses this reaction heat to raise the cell temperature to an appropriate temperature for operation, but in a low-temperature environment, especially below freezing, water generated by power generation freezes, preventing startup, There was a risk of deteriorating power generation efficiency.

発電を阻害する要因の１つに、システム内の残留水がある。燃料電池スタックの運転停止時に、システム内に生成水が残留していると、停車中に凍結して始動ができなくなる。その対策として、通常は、運転停止時に掃気処理を行っており、ガス流路に溜まった生成水を、掃気ガスとともに車外へ排出している。 One of the factors that hinders power generation is residual water in the system. If the generated water remains in the system when the fuel cell stack is stopped, the fuel cell stack freezes while the vehicle is stopped and cannot be started. As a countermeasure, normally, scavenging processing is performed when the operation is stopped, and the generated water accumulated in the gas flow path is discharged out of the vehicle together with the scavenging gas.

一方、他の要因として、燃料電池スタックの冷却装置がある。通常運転時には、反応熱による燃料電池スタックの過度の温度上昇を抑制するため、燃料電池スタックのセル間に冷却媒体通路を設けて、冷却媒体を循環させている。ところが、低温始動時には、冷却媒体通路に保持される冷却媒体の熱容量が大きいために、反応熱が吸収されてしまう。 On the other hand, there is a fuel cell stack cooling device as another factor. During normal operation, in order to suppress an excessive temperature rise of the fuel cell stack due to reaction heat, a coolant passage is provided between the cells of the fuel cell stack to circulate the coolant. However, when starting at a low temperature, the heat capacity of the cooling medium held in the cooling medium passage is large, so that the reaction heat is absorbed.

このため、特許文献１には、氷点下始動時に、燃料電池スタックの中の冷却液（例えば、不凍液等）を一旦タンクに回収して、燃料電池スタックの熱容量を減少させることが提案されている。特許文献１のシステムは、冷却液の循環系に電磁弁を介して冷却液の回収路を接続したもので、始動時に検出温度が設定温度以下（冷却が必要な温度以下）であると、燃料電池スタックより上方位置に設けた外気導入用の電磁弁を開く。この時、燃料電池スタック内に外気を導入されて、冷却液がより比熱の小さい空気と置換される。冷却液は、燃料電池スタックより下方位置に配置したタンクに、自重により回収される。 For this reason, Patent Document 1 proposes that the cooling liquid (for example, antifreeze liquid) in the fuel cell stack is once collected in a tank and the heat capacity of the fuel cell stack is reduced at the time of starting below the freezing point. In the system of Patent Document 1, a coolant recovery path is connected to a coolant circulation system via an electromagnetic valve. When the detected temperature is less than a set temperature at startup (less than the temperature that requires cooling), the fuel Open the electromagnetic valve for introducing outside air provided at a position above the battery stack. At this time, outside air is introduced into the fuel cell stack, and the coolant is replaced with air having a smaller specific heat. The coolant is recovered by its own weight in a tank disposed below the fuel cell stack.

その後、発電始動を開始し、発電による反応熱により通常運転時の温度に達したら、再度不凍液を充填して、冷却系を駆動させる。
特開２００３−２５７４６０号公報 Thereafter, power generation is started, and when the temperature during normal operation is reached by reaction heat generated by power generation, the antifreeze is filled again to drive the cooling system.
JP 2003-257460 A

しかしながら、特許文献１のシステムでは、タンクへの回収は冷却液の自重によって行われるので、燃料電池スタック内の冷却液を空気で置換するのに時間がかかり、また、冷却液通路内に冷却液が残りやすい。しかも、発電始動時に冷却液の充填を行うため、速やかに始動を開始することができず、冷却液として不凍液の代りに水を用いる場合には、停車中の冷却水の凍結が問題となる。回収通路やタンクを燃料電池スタックより下方に配置する必要があり、設置スペースが制約される等の不具合がある。 However, in the system of Patent Document 1, since the recovery to the tank is performed by the weight of the coolant, it takes time to replace the coolant in the fuel cell stack with air, and the coolant is placed in the coolant passage. Tends to remain. In addition, since the coolant is charged at the time of power generation start, the start cannot be started promptly, and when water is used instead of the antifreeze as the coolant, freezing of the coolant while stopped is a problem. It is necessary to dispose the recovery passageway and tank below the fuel cell stack, and there are problems such as limited installation space.

本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、燃料電池スタックの冷却装置を備えたシステムにおいて、氷点以下の低温環境にて、発電により生成する水および冷却媒体の凍結を防止して、発電始動を速やかに開始することができ、しかも簡単な構成でスペース上の制約を受けることのない燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and in a system equipped with a cooling device for a fuel cell stack, water generated by power generation and a cooling medium are prevented from freezing in a low temperature environment below the freezing point. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system that can start quickly and that is not subject to space restrictions with a simple configuration.

請求項１の発明における燃料電池システムは、
燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により発電する燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックにコンプレッサにて加圧した酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給路および反応後のガスを排出するための酸化剤ガス排出路と、
上記燃料電池スタックに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路および反応後のガスを排出するための燃料ガス排出路と、
上記燃料電池スタックを冷却するための冷却媒体をポンプで循環させる冷却媒体循環路を備え、
上記冷却媒体循環路に、上記酸化剤ガス供給路から分岐する酸化剤ガス導入路を接続するとともに、冷却媒体タンクへ至る冷却媒体回収路を接続し、加圧した酸化剤ガスを上記冷却媒体供給路から上記燃料電池スタック内の冷却媒体流路に導入することにより、上記燃料電池スタック内の冷却媒体を上記冷却媒体回収路から上記冷却媒体タンクへ回収する回収手段を設けたことを特徴とする。 The fuel cell system according to the invention of claim 1 comprises:
A fuel cell stack that generates electricity by a chemical reaction between the fuel gas and the oxidant gas;
An oxidant gas supply path for supplying oxidant gas pressurized by a compressor to the fuel cell stack, and an oxidant gas discharge path for discharging the gas after reaction;
A fuel gas supply path for supplying fuel gas to the fuel cell stack and a fuel gas discharge path for discharging the gas after reaction;
A cooling medium circulation path for circulating a cooling medium for cooling the fuel cell stack with a pump;
An oxidant gas introduction path branched from the oxidant gas supply path is connected to the cooling medium circulation path, and a cooling medium recovery path to the cooling medium tank is connected to supply pressurized oxidant gas to the cooling medium. A recovery means is provided for recovering the cooling medium in the fuel cell stack from the cooling medium recovery path to the cooling medium tank by introducing the cooling medium in the fuel cell stack from the path. .

本発明によれば、運転停止時に冷却媒体の循環を停止し、コンプレッサで加圧した酸化剤ガスを冷却媒体循環路から送り込むことで、燃料電池スタック内の冷却媒体を容易に排出し、冷却媒体タンクへ回収することができる。このため自重で回収する従来技術のように回収に時間がかからず、また、運転停止時に回収すれば、停車中に冷却媒体が燃料電池スタック内で凍結することも回避できる。よって、既存の構成を利用して、冷却媒体を短時間で効率よく回収でき、氷点下での発電始動を速やかに開始することができる。 According to the present invention, when the operation is stopped, the circulation of the cooling medium is stopped, and the oxidant gas pressurized by the compressor is sent from the cooling medium circulation path so that the cooling medium in the fuel cell stack is easily discharged. It can be collected in the tank. For this reason, it does not take time for the recovery as in the conventional technique for recovering by its own weight, and if it is recovered when the operation is stopped, the cooling medium can be prevented from freezing in the fuel cell stack while the vehicle is stopped. Therefore, the cooling medium can be efficiently recovered in a short time using the existing configuration, and the power generation start below freezing point can be started quickly.

請求項２の発明では、上記燃料電池スタックの運転停止に伴い、加圧した酸化剤ガスを上記酸化剤ガス供給路から上記燃料電池スタック内のガス流路に導入する掃気処理を行う時に、上記回収手段を作動させる。 In the invention of claim 2, when the scavenging process for introducing the pressurized oxidant gas from the oxidant gas supply path to the gas flow path in the fuel cell stack with the operation stop of the fuel cell stack is performed, Activate the recovery means.

好適には、運転停止時に掃気処理を行って、燃料電池スタック内に溜まった水分を除去する際に、冷却媒体の回収を行う。 Preferably, the scavenging process is performed when the operation is stopped, and the cooling medium is recovered when the water accumulated in the fuel cell stack is removed.

請求項３の発明では、上記掃気処理時に、通常運転時よりも低効率で発電を行い発熱量を増加させる発電制御手段を備える。 According to a third aspect of the present invention, the scavenging process includes power generation control means for generating power at a lower efficiency than in normal operation and increasing the heat generation amount.

掃気の際には、補機類を稼働させるのに必要な電力が供給できればよいので、発電の効率点を必要最低限に抑え、発熱量を増やすことができる。これにより、掃気中の水の凝縮に伴う温度低下を抑制し、燃料電池スタック温度を上昇させて、掃気による水分の除去を毎回確実に行うことができる。 During scavenging, it is sufficient if the power necessary to operate the auxiliary machines can be supplied, so that the efficiency point of power generation can be minimized and the amount of heat generated can be increased. Thereby, the temperature drop accompanying the condensation of water during scavenging can be suppressed, the fuel cell stack temperature can be raised, and the water removal by scavenging can be reliably performed every time.

請求項４の発明では、上記冷却媒体循環路が、上記ポンプを経て上記燃料電池スタックへ冷却媒体を供給するための冷却媒体供給路および冷却後の冷却媒体を排出するための冷却媒体排出路を有し、上記冷却媒体供給路の途中に、流路切換弁を介して上記酸化剤ガス導入路を接続するとともに、上記冷却媒体排出路の途中に、流路切換弁を介して上記冷却媒体回収路を接続している。 In the invention of claim 4, the cooling medium circulation path includes a cooling medium supply path for supplying the cooling medium to the fuel cell stack via the pump and a cooling medium discharge path for discharging the cooled cooling medium. And connecting the oxidant gas introduction path through a flow path switching valve in the middle of the cooling medium supply path, and collecting the cooling medium through the flow path switching valve in the middle of the cooling medium discharge path. The road is connected.

具体的には、掃気時に流路切換弁を切換えて、コンプレッサからの加圧した酸化剤ガスを燃料電池スタック内へ導入する一方、冷却媒体排出路と冷却媒体回収路を連通させることで、容易に冷却媒体を冷却媒体タンクに回収することができる。 Specifically, by switching the flow path switching valve during scavenging and introducing the pressurized oxidant gas from the compressor into the fuel cell stack, the cooling medium discharge path and the cooling medium recovery path are communicated easily. The cooling medium can be collected in the cooling medium tank.

請求項５の発明では、上記燃料電池スタックの始動後、上記冷却媒体タンクの冷却媒体を上記冷却媒体循環路から上記燃料電池スタック内の冷却媒体流路に再充填する充填手段を備える。 According to a fifth aspect of the present invention, the fuel cell stack is provided with filling means for refilling the coolant in the coolant tank from the coolant circulation path into the coolant flow path in the fuel cell stack after the fuel cell stack is started.

氷点下の始動時には、燃料電池スタック内に冷却媒体は存在しないので、容易に始動できる。その後、燃料電池スタックの温度が上昇し、通常発電が可能になったところで、再び冷却媒体タンクの冷却媒体を冷却媒体循環路から燃料電池スタックに送り込むことで、通常の冷却を行う。 When starting below freezing point, there is no cooling medium in the fuel cell stack, so it can be started easily. Thereafter, when the temperature of the fuel cell stack rises and normal power generation is possible, the cooling medium in the cooling medium tank is sent again from the cooling medium circulation path to the fuel cell stack to perform normal cooling.

以下、本発明に基づく燃料電池システムについて図面により説明する。
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す概略図、図１（ｂ）は、その要部拡大図である。燃料電池システムは、燃料電池車両（例えば燃料電池自動車）の動力源となるもので、燃料電池スタック１と、酸化剤ガスとなる空気を供給するための空気供給系２、および燃料ガスとなる水素を供給するための水素供給系３を備えている。また、燃料電池スタック１を冷却するための冷却媒体となる冷却水を循環させる冷却水循環系４を備える。 Hereinafter, a fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1A is a schematic diagram showing the overall configuration of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is an enlarged view of a main part thereof. The fuel cell system is a power source of a fuel cell vehicle (for example, a fuel cell vehicle), and is a fuel cell stack 1, an air supply system 2 for supplying air as an oxidant gas, and hydrogen as a fuel gas. Is provided with a hydrogen supply system 3. In addition, a cooling water circulation system 4 that circulates cooling water serving as a cooling medium for cooling the fuel cell stack 1 is provided.

図１（ａ）において、空気供給系２は、燃料電池スタック１のカソード電極に空気を供給するための空気供給路（酸化剤ガス供給路）２１と、反応後の排ガス（空気）を排出するための空気排出路（酸化剤ガス排出路）２２を有する。空気供給路２１には、エアコンプレッサ２３が設けられ、空気を加圧して燃料電池スタック１に供給するようになっている。水素供給系３は、水素タンク３３からの水素を燃料電池スタック１のアノード電極に供給するための水素供給路（燃料ガス供給路）３１と、反応後の排ガス（未反応水素）を排出するための水素排出路（燃料ガス排出路）３２を備えている。 In FIG. 1A, an air supply system 2 discharges an air supply path (oxidant gas supply path) 21 for supplying air to the cathode electrode of the fuel cell stack 1 and exhaust gas (air) after reaction. The air discharge path (oxidant gas discharge path) 22 is provided. An air compressor 23 is provided in the air supply path 21 so that air is pressurized and supplied to the fuel cell stack 1. The hydrogen supply system 3 discharges a hydrogen supply path (fuel gas supply path) 31 for supplying hydrogen from the hydrogen tank 33 to the anode electrode of the fuel cell stack 1 and exhaust gas after reaction (unreacted hydrogen). The hydrogen discharge path (fuel gas discharge path) 32 is provided.

冷却水循環系４は、冷却水を燃料電池スタック１内に供給するための冷却水供給路（冷却媒体供給路）４１と、冷却に使用された冷却水を排出するための冷却水排出路（冷却媒体供給路）４２と、冷却水を循環させるためのウォータポンプ４３とを有している。冷却水供給路４０１と冷却水排出路４０２は、ファン付きのラジエータ４４を介して接続され、冷却水循環路（冷却媒体循環路）を構成している。冷却水排出路４２の冷却水は、ラジエータ４４内の流路を通過する間に空冷され、冷却水供給路４１に設置したウォータポンプ４３によって、再び燃料電池スタック１内に送り込まれる。 The cooling water circulation system 4 includes a cooling water supply path (cooling medium supply path) 41 for supplying cooling water into the fuel cell stack 1 and a cooling water discharge path (cooling) for discharging the cooling water used for cooling. Medium supply path) 42 and a water pump 43 for circulating the cooling water. The cooling water supply path 401 and the cooling water discharge path 402 are connected via a radiator 44 with a fan to constitute a cooling water circulation path (cooling medium circulation path). The cooling water in the cooling water discharge path 42 is air-cooled while passing through the flow path in the radiator 44, and is sent again into the fuel cell stack 1 by the water pump 43 installed in the cooling water supply path 41.

燃料電池スタック１は、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生するもので、図１（ｂ）に示すように、多数のセルＣを積層して電気的に直列接続した固体高分子電解質膜型の燃料電池スタックが好適に用いられる。基本単位構造となるセルＣは、通常公知の構成で、電解質膜の両側面に電極が配置されたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly ）と呼ばれる膜電極接合体を、空気側セパレータＳ１および水素側セパレータＳ２の間に挟んだ構成を有している。ＭＥＡは、ナフィオンに代表される高分子電解質膜の両面に触媒層が形成され、さらにガス拡散層で両面を挟んで一体化されている。 The fuel cell stack 1 generates electric power by utilizing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. As shown in FIG. 1B, a solid cell in which a large number of cells C are stacked and electrically connected in series. A polymer electrolyte membrane type fuel cell stack is preferably used. The cell C, which is a basic unit structure, has a generally known configuration, and a membrane electrode assembly called MEA (Membrane Electrode Assembly) in which electrodes are arranged on both side surfaces of an electrolyte membrane is formed by combining an air-side separator S1 and a hydrogen-side separator S2. It has a configuration sandwiched between them. MEA has a catalyst layer formed on both sides of a polymer electrolyte membrane represented by Nafion, and is further integrated with a gas diffusion layer sandwiching both sides.

ＭＥＡを挟持する空気側セパレータＳ１および水素側セパレータＳ２は、例えばカーボン材または導電性金属よりなる板状部材であり、その両面にはそれぞれ複数の溝が形成されている。これにより、ＭＥＡの両端面と、これに接する空気側セパレータＳ１および水素側セパレータＳ２との間に、それぞれ空気流路２４および水素流路３４が形成される。また、隣合う空気側セパレータＳ１および水素側セパレータＳ２の間には、冷却水流路４５が形成されている。 The air-side separator S1 and the hydrogen-side separator S2 that sandwich the MEA are plate-like members made of, for example, a carbon material or a conductive metal, and a plurality of grooves are formed on both surfaces thereof. Thereby, the air flow path 24 and the hydrogen flow path 34 are formed between the both end surfaces of the MEA and the air-side separator S1 and the hydrogen-side separator S2 in contact therewith, respectively. A cooling water channel 45 is formed between the adjacent air side separator S1 and hydrogen side separator S2.

燃料電池スタック１内の空気流路２４および水素流路３４は、図１（ａ）の空気供給系２、水素供給系３の流路にそれぞれ接続されている。空気供給系２の空気供給路２１から各セルＣの空気流路２４に、水素供給系３の水素供給路３１から各セルＣの水素流路３４に、空気と水素がそれぞれ導入されると、ＭＥＡの両電極において下記式で表される電気化学反応が起こる。
アノード電極（水素極）Ｈ₂ →２Ｈ⁺＋２ｅ^-・・・（１）
カソード電極（空気極）２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂ ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂ Ｏ・・・（２） The air flow path 24 and the hydrogen flow path 34 in the fuel cell stack 1 are respectively connected to the flow paths of the air supply system 2 and the hydrogen supply system 3 in FIG. When air and hydrogen are respectively introduced from the air supply path 21 of the air supply system 2 to the air flow path 24 of each cell C and from the hydrogen supply path 31 of the hydrogen supply system 3 to the hydrogen flow path 34 of each cell C, An electrochemical reaction represented by the following formula occurs in both electrodes of the MEA.
Anode electrode (hydrogen electrode) H ₂ → 2H ⁺ + 2e ⁻ (1)
Cathode electrode (air electrode) 2H ⁺ + 1 / 2O ₂ ⁺ + 2e ⁻ → H ₂ O (2)

なお、ＭＥＡでの良好な電気化学反応のために、通常は図示しない加湿装置にて空気を加湿した状態で供給している。反応に用いられなかった未反応空気および未反応水素は、空気排出路２２および水素排出路３２から排出される。水素排出路３２は、通常、図示しない流路によって水素供給路３１に接続され、未反応水素を循環再利用している。 For good electrochemical reaction in MEA, air is normally supplied in a humidified state by a humidifier (not shown). Unreacted air and unreacted hydrogen that have not been used for the reaction are discharged from the air discharge path 22 and the hydrogen discharge path 32. The hydrogen discharge path 32 is normally connected to the hydrogen supply path 31 by a flow path (not shown), and unreacted hydrogen is circulated and reused.

燃料電池スタック１の電気出力は図示しないＤＣ／ＤＣコンバータに送られ、電圧調整の後、自動車駆動用のモータや各種補機類の駆動、２次電池の充電等に用いられる。必要な電力は運転状況によって変化し、制御手段（ＥＣＵ）５が、図示しない各種センサからの検出結果を基に燃料電池システム全体を制御する。 The electric output of the fuel cell stack 1 is sent to a DC / DC converter (not shown), and after voltage adjustment, is used for driving a motor for driving an automobile and various auxiliary machines, charging a secondary battery, and the like. Necessary electric power varies depending on the driving situation, and the control means (ECU) 5 controls the entire fuel cell system based on detection results from various sensors (not shown).

次に、本発明の特徴部分について説明する。
上記式（２）のように、空気流路２４側では、発電の際の化学反応により水が生成する。この水分は、燃料電池スタック１の空気流路２４を通過した未反応空気とともに空気排出路２２に排出されるが、一部は燃料電池スタック１内に残留する。この残留水が停車中に凍結すると始動が困難になるため、運転停止時に乾燥空気を導入して空気流路２４を掃気する掃気処理を実施している。ただし、燃料電池スタック１内には、冷却系４に接続される冷却水流路４５に冷却水が充填されているので、掃気中の水分の凝縮が起きやすく、これに伴う温度低下で掃気効率が低下する。また、氷点以下の低温環境下では、冷却系４内の冷却水自体が凍結するおそれがある。 Next, features of the present invention will be described.
As in the above equation (2), water is generated on the air flow path 24 side by a chemical reaction during power generation. The moisture is discharged into the air discharge path 22 together with the unreacted air that has passed through the air flow path 24 of the fuel cell stack 1, but a part of the moisture remains in the fuel cell stack 1. If this residual water freezes while the vehicle is stopped, it becomes difficult to start. Therefore, a scavenging process is performed in which dry air is introduced to scavenge the air flow path 24 when the operation is stopped. However, since the cooling water channel 45 connected to the cooling system 4 is filled with cooling water in the fuel cell stack 1, moisture condensation during the scavenging is likely to occur, and the scavenging efficiency is reduced due to the temperature drop associated therewith. descend. Moreover, in a low temperature environment below the freezing point, the cooling water itself in the cooling system 4 may be frozen.

そこで、本実施形態では、冷却水循環系４の冷却水を運転停止時に回収する回収手段を設けている。具体的には、図１（ａ）において、冷却水循環路に、空気供給路２１から分岐する空気導入路（酸化剤ガス導入路）６を接続して、エアコンプレッサ２３からの加圧した空気を導入する一方、冷却水回収路７を接続して冷却水タンク（冷却媒体タンク）７１へ冷却水を回収可能とする。 Therefore, in the present embodiment, a recovery unit that recovers the cooling water of the cooling water circulation system 4 when the operation is stopped is provided. Specifically, in FIG. 1A, an air introduction path (oxidant gas introduction path) 6 branched from the air supply path 21 is connected to the cooling water circulation path, and the pressurized air from the air compressor 23 is supplied. On the other hand, the cooling water recovery path 7 is connected to enable the cooling water to be recovered to the cooling water tank (cooling medium tank) 71.

空気導入路６には、空気供給路２１との連通・遮断を切換える開閉弁６１と、流量調整用のバタフライ弁６２が設けられ、ウォータポンプ４３下流の冷却水供給路４１に流路切換弁６３を介して接続される。流路切換弁６３は３方弁構造で、燃料電池スタック１内の冷却水流路４５に連通させる流路を、ウォータポンプ４３へ至る冷却水供給路４１または空気導入路６に切換える。 The air introduction path 6 is provided with an on-off valve 61 for switching communication / blocking with the air supply path 21 and a butterfly valve 62 for adjusting the flow rate. The flow path switching valve 63 is connected to the cooling water supply path 41 downstream of the water pump 43. Connected through. The flow path switching valve 63 has a three-way valve structure, and switches the flow path communicating with the cooling water flow path 45 in the fuel cell stack 1 to the cooling water supply path 41 or the air introduction path 6 leading to the water pump 43.

冷却水回収路７は、冷却水排出路４２に流路切換弁７２を介して接続される。流路切換弁７２は３方弁構造で、燃料電池スタック１内の冷却水流路４５に連通させる流路を、ラジエータ４４へ至る冷却水排出路４２または冷却水タンク７１への冷却水回収路７に切換える。冷却水タンク７１の頂部には、冷却水とともに流入する空気を抜くための圧抜き弁７３が設けられる。また、充填手段として、冷却水循環路に冷却水を戻すための冷却水導出路７４が設けられて、冷却水タンク７１の底部と流路切換弁７２下流の冷却水排出路４１とを接続している。冷却水導出路７４には開閉弁７５が設けられている。 The cooling water recovery path 7 is connected to the cooling water discharge path 42 via a flow path switching valve 72. The flow path switching valve 72 has a three-way valve structure, and the flow path communicating with the cooling water flow path 45 in the fuel cell stack 1 is a cooling water discharge path 42 leading to the radiator 44 or the cooling water recovery path 7 leading to the cooling water tank 71. Switch to. A pressure relief valve 73 is provided at the top of the cooling water tank 71 for extracting air that flows in along with the cooling water. Further, as a filling means, a cooling water lead-out path 74 for returning the cooling water to the cooling water circulation path is provided to connect the bottom of the cooling water tank 71 and the cooling water discharge path 41 downstream of the flow path switching valve 72. Yes. An opening / closing valve 75 is provided in the cooling water outlet path 74.

回収手段を構成する流路切換弁６３と流路切換弁７２、空気導入路６の開閉弁６１とバタフライ弁６２、冷却水導出路７４の圧抜き弁７３と開閉弁７５の駆動は、制御手段５によって制御される。制御手段５は、また、エアコンプレッサ２３やウォータポンプ４３、ラジエータ４４のファンといった補機類に制御信号を出力し、これら補機類の駆動と流路の開閉および切換を制御することで、冷却水の回収を行う。 The drive of the flow path switching valve 63 and the flow path switching valve 72, the open / close valve 61 and the butterfly valve 62 of the air introduction path 6 and the pressure release valve 73 and the open / close valve 75 of the cooling water outlet path 74 constituting the recovery means are controlled by the control means. 5 is controlled. The control means 5 also outputs a control signal to auxiliary devices such as the air compressor 23, the water pump 43, and the fan of the radiator 44, and controls the driving of these auxiliary devices and the opening / closing and switching of the flow path. Collect water.

図２（ａ）に、通常運転時の反応ガスおよび冷却水の流れを示す。通常の発電運転時には、エアコンプレッサ２３で加圧した空気を、空気供給路２１から燃料電池スタック１内の空気流路２４に供給し、水素タンク３３の水素を、水素供給路３１から燃料電池スタック１内の水素流路３４に供給して、アノード電極およびカソード電極にて上記式（１）、（２）の発電反応を生起する。反応後の排ガス（未反応ガスや加湿用の水蒸気、生成水等を含む）は、空気排出路２２または水素排出路３２から排出される。 FIG. 2A shows the flow of reaction gas and cooling water during normal operation. During normal power generation operation, air pressurized by the air compressor 23 is supplied from the air supply path 21 to the air flow path 24 in the fuel cell stack 1, and hydrogen in the hydrogen tank 33 is supplied from the hydrogen supply path 31 to the fuel cell stack. 1 is supplied to the hydrogen flow path 34 in the power generation system 1, and the power generation reaction of the above formulas (1) and (2) occurs at the anode electrode and the cathode electrode. Exhaust gas after reaction (including unreacted gas, steam for humidification, generated water, etc.) is discharged from the air discharge path 22 or the hydrogen discharge path 32.

冷却水循環系４は、ラジエータ４４と燃料電池スタック１が冷却水供給路４１および冷却水排出路４２を介して連通するように、流路切換弁６３と流路切換弁７２を切換え、ウォータポンプ４３を作動させる。空気導入路６の開閉弁６１と、冷却水導出路７４の圧抜き弁７３と開閉弁７５は閉弁している。この時、冷却水排出路４２および冷却水供給路４１を経由して、ラジエータ４４と燃料電池スタック１の間を冷却水が循環する冷却水循環路が形成する。燃料電池スタック１の発電反応によって発生する熱は、燃料電池スタック１内の空気流路２４および水素流路３４と隣接する冷却水流路４５との熱交換によって、冷却水流路４５を流通する冷却水に放熱される。制御手段５は、ウォータポンプ４３による冷却水の循環量を調整して、燃料電池スタック１が最適な温度範囲（例えば８０℃程度）に維持されるように制御する。 The cooling water circulation system 4 switches the flow path switching valve 63 and the flow path switching valve 72 so that the radiator 44 and the fuel cell stack 1 communicate with each other via the cooling water supply path 41 and the cooling water discharge path 42. Is activated. The on-off valve 61 of the air introduction path 6 and the pressure release valve 73 and on-off valve 75 of the cooling water outlet path 74 are closed. At this time, a cooling water circulation path is formed through which the cooling water circulates between the radiator 44 and the fuel cell stack 1 via the cooling water discharge path 42 and the cooling water supply path 41. The heat generated by the power generation reaction of the fuel cell stack 1 is the cooling water flowing through the cooling water passage 45 by heat exchange between the air passage 24 and the hydrogen passage 34 in the fuel cell stack 1 and the adjacent cooling water passage 45. Heat is dissipated. The control means 5 adjusts the circulation amount of the cooling water by the water pump 43 to control the fuel cell stack 1 so as to be maintained in an optimum temperature range (for example, about 80 ° C.).

発電運転を停止する時には、掃気処理を実施するとともに、冷却水の回収を行う。図２（ｂ）に、この場合の反応ガスおよび冷却水の流れを示す。掃気処理は、空気供給路２１から燃料電池スタック１内に空気を導入することによって行い、燃料電池スタック１内の空気流路２４に溜まった水分を除去する。この時、エアコンプレッサ２３からの空気を加湿せずに用いることで、掃気処理が容易になる。 When the power generation operation is stopped, scavenging processing is performed and cooling water is collected. FIG. 2B shows the flow of reaction gas and cooling water in this case. The scavenging process is performed by introducing air into the fuel cell stack 1 from the air supply path 21 to remove moisture accumulated in the air flow path 24 in the fuel cell stack 1. At this time, the scavenging process is facilitated by using the air from the air compressor 23 without humidification.

図３は、回収時の制御手段５による制御動作を示すフローチャートであり、まず冷却水循環系４のウォータポンプ４３を停止し（ステップＳ１）、流路切換弁６３と流路切換弁７２を切換える（ステップＳ２）。これにより、燃料電池スタック１が、冷却水供給路４１および流路切換弁６３を介して冷却水導入路６と連通し、冷却水排出路４２および流路切換弁７２を介して冷却水回収路７と連通するように切換えられる。次いで、エアコンプレッサ２３を作動させて、冷却水導入路６の開閉弁６１を開弁し、バタフライ弁６２の流量を調整して（ステップＳ３）、空気供給路２１の加圧空気を冷却水導入路６に導入し、冷却水供給路４１から燃料電池スタック１内の冷却水流路４５に供給する。同時に、圧抜き弁７３を開弁して（ステップＳ４）、燃料電池スタック１内の冷却水流路４５を、冷却水排出路４２および冷却水回収路７を介して大気に開放された冷却水タンク７１と連通させる。 FIG. 3 is a flowchart showing the control operation by the control means 5 at the time of recovery. First, the water pump 43 of the cooling water circulation system 4 is stopped (step S1), and the flow path switching valve 63 and the flow path switching valve 72 are switched ( Step S2). As a result, the fuel cell stack 1 communicates with the cooling water introduction path 6 via the cooling water supply path 41 and the flow path switching valve 63, and the cooling water recovery path via the cooling water discharge path 42 and the flow path switching valve 72. 7 to be communicated with. Next, the air compressor 23 is operated to open the on-off valve 61 of the cooling water introduction path 6, adjust the flow rate of the butterfly valve 62 (step S 3), and introduce the pressurized air from the air supply path 21 into the cooling water. The refrigerant is introduced into the passage 6 and supplied from the cooling water supply passage 41 to the cooling water passage 45 in the fuel cell stack 1. At the same time, the pressure relief valve 73 is opened (step S4), and the cooling water passage 45 in the fuel cell stack 1 is opened to the atmosphere via the cooling water discharge passage 42 and the cooling water recovery passage 7. Communicate with 71.

この時、エアコンプレッサ２３からの加圧空気と大気開放とした冷却水タンク７１との圧力差によって、冷却水供給路４１から燃料電池スタック１内に空気が流入するのに伴い、燃料電池スタック１の冷却水流路４５に充填されていた冷却水が、冷却水排出路４２から冷却水回収路７に導出し、速やかに冷却水タンク７１に回収される。ここで、エアコンプレッサ２３の回転数は、掃気処理に必要な空気流量と、冷却水の回収に必要な空気流量が得られるように適宜調整される。冷却水タンク７１に流入する空気は、圧抜き弁７３から大気に放出される。 At this time, as the air flows into the fuel cell stack 1 from the cooling water supply path 41 due to the pressure difference between the pressurized air from the air compressor 23 and the cooling water tank 71 opened to the atmosphere, the fuel cell stack 1 The cooling water filled in the cooling water flow path 45 is led out from the cooling water discharge path 42 to the cooling water recovery path 7 and quickly recovered in the cooling water tank 71. Here, the rotation speed of the air compressor 23 is appropriately adjusted so as to obtain an air flow rate necessary for the scavenging process and an air flow rate necessary for the recovery of the cooling water. The air flowing into the cooling water tank 71 is released from the pressure relief valve 73 to the atmosphere.

次いで、回収した冷却水量から回収が完了したかどうかを判断する（ステップＳ５）。回収した冷却水量は、例えば、冷却水タンク４１内にレベル計４６を設けておき、燃料電池スタック１内の冷却水量に相当する上限レベルに達したら、回収を停止する（ステップＳ６）。 Next, it is determined whether or not the recovery is completed from the recovered cooling water amount (step S5). For example, a level meter 46 is provided in the cooling water tank 41 and the recovered cooling water amount is stopped when it reaches an upper limit level corresponding to the cooling water amount in the fuel cell stack 1 (step S6).

このように、エアコンプレッサ２３からの加圧空気を利用することで、冷却水タンク７１に燃料電池スタック１内の冷却水のみを、容易に回収することができる。そして、冷却水が回収される結果、掃気処理時に燃料電池スタック１の熱容量が大幅に低減することになり、掃気時の放熱が抑えられて掃気処理の効率が向上する。また、運転停止時の掃気処理と同時に、冷却水の回収が実施されるので、回収を効率よく行うことができ、既存の装置を利用するので、システムが大型化することがない。 Thus, by using the pressurized air from the air compressor 23, only the cooling water in the fuel cell stack 1 can be easily recovered in the cooling water tank 71. As a result of the recovery of the cooling water, the heat capacity of the fuel cell stack 1 is greatly reduced during the scavenging process, and heat dissipation during the scavenging is suppressed, thereby improving the efficiency of the scavenging process. In addition, since the cooling water is collected at the same time as the scavenging process when the operation is stopped, the collection can be performed efficiently, and the existing apparatus is used, so that the system is not enlarged.

好適には、掃気処理時に冷却水を回収しながら、少量の発電を行うことで、燃料電池スタック１を発熱させるのがよい。従来、掃気処理をする場合は発電せず、例えば燃料電池スタック１のインピーダンスを計測する時にのみ行っている。これは、掃気時に必要以上に乾燥することを防止するため、燃料電池スタック１内部のインピーダンスと流路の水分量とに相関があることを利用して、インピーダンスに基づく掃気終了の判断を行っている場合で、基本的には発電せず、空気のみを送っている。また、エアコンプレッサ２３で加圧された空気は高温であることから、通常は、冷却水を循環させて燃料電池スタック１を冷やしながら、液滴と水蒸気で水分を持ち去っている。ところが、従来の制御では、特に半暖機が繰り返し行われた時には、燃料電池スタック１の温度が低下しやすく、掃気を行ってもセル中の水分を除去することが難しい。 Preferably, the fuel cell stack 1 is heated by generating a small amount of power while collecting the cooling water during the scavenging process. Conventionally, when the scavenging process is performed, power generation is not performed, for example, only when measuring the impedance of the fuel cell stack 1. In order to prevent unnecessarily drying during scavenging, the end of scavenging is determined based on the impedance by utilizing the correlation between the impedance inside the fuel cell stack 1 and the amount of water in the flow path. In the case where there is, basically it does not generate electricity and sends only air. In addition, since the air pressurized by the air compressor 23 is at a high temperature, the water is usually removed by droplets and water vapor while cooling the cooling water to cool the fuel cell stack 1. However, in the conventional control, particularly when semi-warm-up is repeatedly performed, the temperature of the fuel cell stack 1 tends to decrease, and it is difficult to remove moisture in the cell even if scavenging is performed.

そこで、本実施形態では、発電制御手段としての制御手段５により、掃気処理時に低効率発電を行い、反応熱で燃料電池スタック１の温度を上昇させる。掃気の際は、補機類を作動させるための電力さえ供給できればよいので、発電の効率点を必要最小限に抑えて発熱量を増やすことで、掃気中の水分の凝縮に伴う温度低下を抑制し、さらに掃気効率を向上できる。図４は、一般的な燃料電池の出力（ＩＶ）特性を示す図で、損失電圧Ｖｉ−Ｖ（Ｖｉ：理論起電力、Ｖ：セル電圧）が発熱量に相当する。定電流制御した場合には、セル電圧が低下するほど、すなわち発電効率が低下するほど、発熱量が増加する。発電の効率点を低下させるには、例えば反応ガスの供給量を低減し、ＩＶ特性を故意に悪化させた低効率発電を行って、補機類に必要なエネルギーを確保しながら、発熱量を積極的に増やすことができる。 Therefore, in the present embodiment, the control means 5 as the power generation control means performs low-efficiency power generation during the scavenging process, and raises the temperature of the fuel cell stack 1 with reaction heat. When scavenging, it is only necessary to be able to supply power to operate the auxiliary machinery, so by suppressing the efficiency point of power generation to the minimum necessary and increasing the amount of heat generation, temperature drop due to moisture condensation during scavenging is suppressed In addition, the scavenging efficiency can be further improved. FIG. 4 is a diagram showing an output (IV) characteristic of a general fuel cell, and a loss voltage Vi−V (Vi: theoretical electromotive force, V: cell voltage) corresponds to a heat generation amount. When constant current control is performed, the amount of heat generation increases as the cell voltage decreases, that is, as the power generation efficiency decreases. In order to reduce the efficiency point of power generation, for example, by reducing the amount of reaction gas supplied and performing low-efficiency power generation that intentionally deteriorates IV characteristics, while securing the energy required for auxiliary equipment, It can be actively increased.

従って、半暖機が繰り返し行われても、運転停止時の掃気処理において燃料電池スタック１の温度を上昇させるので、掃気による水分の除去を毎回確実に行うことができる。また、発電により水が生成するので、掃気と同時に冷却水を回収しても過度の乾燥が生じることがなく、燃料電池スタック１に水が残留しないので、停車中に燃料電池スタック１内で水が凍結するおそれがない。加えて、氷点下での始動時には、燃料電池スタック１内に冷却水が存在しないので、発電による反応熱が奪われることがなく、容易に始動できる。 Therefore, even if the semi-warm-up is repeatedly performed, the temperature of the fuel cell stack 1 is raised in the scavenging process when the operation is stopped, so that it is possible to reliably remove moisture by scavenging every time. Further, since water is generated by power generation, excessive drying does not occur even if the cooling water is collected at the same time as scavenging, and water does not remain in the fuel cell stack 1. There is no risk of freezing. In addition, since there is no cooling water in the fuel cell stack 1 at the time of starting below the freezing point, reaction heat due to power generation is not lost and the starting can be easily performed.

図２（ｃ）に、始動時の反応ガスおよび冷却水の流れを示す。氷点以下の低温環境下で始動する場合は、冷却水循環系４を作動させずに、エアコンプレッサ２３で加圧した空気を、空気供給路２１から燃料電池スタック１内の空気流路２４に供給し、水素タンク３３の水素を、水素供給路３１から燃料電池スタック１内の水素流路３４に供給して反応させる。この状態では、燃料電池スタック１内の冷却水流路４５に冷却水が充填されておらず、前回の掃気処理が効率よく行われて、残留水の凍結も生じていないので、発生する反応熱で燃料電池スタック１の温度が速やかに上昇し、氷点以下でも容易に発電始動を開始することができる。 FIG. 2C shows the flow of the reaction gas and the cooling water at the time of starting. When starting in a low temperature environment below the freezing point, air pressurized by the air compressor 23 is supplied from the air supply path 21 to the air flow path 24 in the fuel cell stack 1 without operating the cooling water circulation system 4. Then, hydrogen in the hydrogen tank 33 is supplied from the hydrogen supply path 31 to the hydrogen flow path 34 in the fuel cell stack 1 to be reacted. In this state, the cooling water flow path 45 in the fuel cell stack 1 is not filled with cooling water, the previous scavenging process is performed efficiently, and the residual water is not frozen. The temperature of the fuel cell stack 1 rises quickly, and power generation start can be easily started even below the freezing point.

燃料電池スタック１の温度が十分上昇したら、冷却水タンク７１の冷却水を再充填して、冷却水循環系４を作動させる。図５は、再充填時の制御手段５による制御動作を示すフローチャートであり、まず、燃料電池スタック１の温度を計測し、通常運転可能な温度まで上昇したかどうかを判断する（ステップＳ１１）。通常運転可能であれば、燃料電池スタック１がラジエータ４４と冷却水供給路４１を介して連通するとともに、冷却水回収路７を介して冷却水タンク７１と連通するように、流路切換弁６３および流路切換弁７２を切換える（ステップＳ１２）。次いで、冷却水導出路７４の開閉弁７５を開弁して、ウォータポンプ４３を作動させる（ステップＳ１３）。これにより、冷却水タンク７１の冷却水が、冷却水導出路７４からラジエータ４４および冷却水供給路４１を介して、燃料電池スタック１に送り込まれる。 When the temperature of the fuel cell stack 1 rises sufficiently, the cooling water in the cooling water tank 71 is refilled and the cooling water circulation system 4 is operated. FIG. 5 is a flowchart showing the control operation by the control means 5 at the time of refilling. First, the temperature of the fuel cell stack 1 is measured to determine whether or not the temperature has risen to a temperature at which normal operation is possible (step S11). If the normal operation is possible, the flow path switching valve 63 is connected so that the fuel cell stack 1 communicates with the radiator 44 via the cooling water supply path 41 and communicates with the cooling water tank 71 via the cooling water recovery path 7. Then, the flow path switching valve 72 is switched (step S12). Next, the opening / closing valve 75 of the cooling water outlet path 74 is opened, and the water pump 43 is operated (step S13). As a result, the cooling water in the cooling water tank 71 is sent from the cooling water outlet path 74 to the fuel cell stack 1 via the radiator 44 and the cooling water supply path 41.

次いで、冷却水タンク４１の水量から、燃料電池スタック１に冷却水流路４５が再充填されたかどうかを判断する（ステップＳ１４）。充填された冷却水量は、例えば、冷却水タンク４１内に設けたレベル計４６を基に計測することができ、冷却水タンク４１の水量レベルが低下して、再充填に必要な冷却水量に相当する下限レベルに達したら、充填完了とする。流路切換弁７２を切換えて（ステップＳ１５）、燃料電池スタック１からの冷却水排出路４１をラジエータ４４に連通させる。その後、冷却水導出路７４の開閉弁７５を閉弁して（ステップＳ１６）、通常の冷却水循環を行う。 Next, it is determined from the amount of water in the cooling water tank 41 whether or not the cooling water channel 45 is refilled in the fuel cell stack 1 (step S14). The amount of cooling water filled can be measured based on, for example, a level meter 46 provided in the cooling water tank 41, and the amount of cooling water in the cooling water tank 41 is lowered, corresponding to the amount of cooling water required for refilling. When the lower limit level is reached, filling is completed. The flow path switching valve 72 is switched (step S15), and the cooling water discharge path 41 from the fuel cell stack 1 is communicated with the radiator 44. Thereafter, the on-off valve 75 of the cooling water outlet path 74 is closed (step S16), and normal cooling water circulation is performed.

このように、本実施形態の構成によれば、冷却水の回収を容易に行い、氷点以下の低温環境下において燃料電池スタックを容易に始動させることができる。また、前回の運転停止時に行う掃気処理とともに冷却水の回収を行うことにより、掃気の効率を高めることができるので、掃気時間が短縮できる。 Thus, according to the configuration of the present embodiment, the cooling water can be easily recovered, and the fuel cell stack can be easily started in a low temperature environment below the freezing point. Further, by collecting the cooling water together with the scavenging process performed at the previous stop of operation, the scavenging efficiency can be increased, so that the scavenging time can be shortened.

なお、生成水の凍結のおそれのない環境条件であれば、運転停止の度に冷却水の回収を行う必要はなく、燃料電池スタックの温度や外気温度等に基づいて、冷却水の回収の要否を判断するようにしてもよい。また、図１のシステム構成は概略を示したもので、空気供給系２や水素供給系３、冷却水循環系４に、通常公知の装置やセンサその他を追加したり、流路構成等を変更することも可能である。 Note that it is not necessary to collect the cooling water every time the operation is stopped if the environmental conditions are such that the generated water does not freeze, and it is necessary to collect the cooling water based on the temperature of the fuel cell stack or the outside air temperature. You may make it judge NO. Further, the system configuration of FIG. 1 is an outline, and generally known devices and sensors are added to the air supply system 2, the hydrogen supply system 3, and the cooling water circulation system 4, and the flow path configuration and the like are changed. It is also possible.

本発明の第１実施形態を示し、（ａ）は燃料電池システムの全体概略構成図、（ｂ）は、（ａ）の要部である燃料電池スタックの拡大断面図である。1A and 1B show a first embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is an overall schematic configuration diagram of a fuel cell system, and FIG. 1B is an enlarged cross-sectional view of a fuel cell stack as a main part of FIG. 本発明の作用効果を説明するための図で、（ａ）は通常運転時、（ｂ）は冷却水回収時、（ｃ）は冷却水充填時の反応ガスおよび冷却水の流れを示す燃料電池システムの全体概略構成図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram for explaining the operational effects of the present invention, in which FIG. 1 is an overall schematic configuration diagram of a system. 制御手段による冷却水回収時の制御動作を示すフローチャートである。燃料電池スタックの出力特性図である。It is a flowchart which shows the control action at the time of the cooling water collection | recovery by a control means. It is an output characteristic figure of a fuel cell stack. 燃料電池スタックの出力特性図である。It is an output characteristic figure of a fuel cell stack. 制御手段による冷却水充填時の制御動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control action at the time of the cooling water filling by a control means.

Explanation of symbols

１燃料電池スタック
２空気供給系
２１空気供給路（酸化剤ガス供給路）
２２空気排出路（酸化剤ガス排出路）
２３エアコンプレッサ（コンプレッサ）
２４空気流路（酸化剤ガス流路）
３水素供給系
３１水素供給路（燃料ガス供給路）
３２水素排出路（燃料ガス排出路）
３３水素タンク
３４水素流路（燃料ガス流路）
４冷却水循環系
４１冷却水供給路（冷却媒体供給路）
４２冷却水排出路（冷却媒体排出路）
４３ウォータポンプ（ポンプ）
４４ラジエータ
４５冷却水流路（冷却媒体流路）
５制御手段
６空気導入路（酸化剤ガス導入路）
６１開閉弁
６２バタフライ弁
６３流路切換弁
７冷却水回収路（冷却媒体回収路）
７１冷却水タンク
７２流路切換弁
７３圧抜き弁
７４冷却水導出路（冷却媒体導出路）
７５開閉弁 1 Fuel cell stack 2 Air supply system 21 Air supply path (oxidant gas supply path)
22 Air discharge path (oxidant gas discharge path)
23 Air compressor (compressor)
24 Air channel (oxidant gas channel)
3 Hydrogen supply system 31 Hydrogen supply path (fuel gas supply path)
32 Hydrogen discharge passage (fuel gas discharge passage)
33 Hydrogen tank 34 Hydrogen flow path (fuel gas flow path)
4 Cooling water circulation system 41 Cooling water supply path (cooling medium supply path)
42 Cooling water discharge path (cooling medium discharge path)
43 Water pump (pump)
44 Radiator 45 Cooling water flow path (cooling medium flow path)
5 Control means 6 Air introduction path (oxidant gas introduction path)
61 On-off valve 62 Butterfly valve 63 Flow path switching valve 7 Cooling water recovery path (cooling medium recovery path)
71 Cooling water tank 72 Flow path switching valve 73 Pressure release valve 74 Cooling water outlet path (cooling medium outlet path)
75 On-off valve

Claims

A fuel cell stack that generates electricity by a chemical reaction between the fuel gas and the oxidant gas;
An oxidant gas supply path for supplying oxidant gas pressurized by a compressor to the fuel cell stack, and an oxidant gas discharge path for discharging the gas after reaction;
A fuel gas supply path for supplying fuel gas to the fuel cell stack and a fuel gas discharge path for discharging the gas after reaction;
In a fuel cell system comprising a cooling medium circulation path for circulating a cooling medium for cooling the fuel cell stack with a pump,
An oxidant gas introduction path branched from the oxidant gas supply path is connected to the cooling medium circulation path, and a cooling medium recovery path to the cooling medium tank is connected to supply pressurized oxidant gas to the cooling medium. A recovery means is provided for recovering the cooling medium in the fuel cell stack from the cooling medium recovery path to the cooling medium tank by introducing the cooling medium in the fuel cell stack from the path. Fuel cell system.

The recovery means is operated when a scavenging process is performed to introduce a pressurized oxidant gas from the oxidant gas supply path into the gas flow path in the fuel cell stack as the fuel cell stack is shut down. 1. The fuel cell system according to 1.

3. The fuel cell system according to claim 2, further comprising power generation control means for generating power at a lower efficiency and increasing the amount of heat generated during the scavenging process than during normal operation.

The cooling medium circulation path has a cooling medium supply path for supplying the cooling medium to the fuel cell stack via the pump and a cooling medium discharge path for discharging the cooled cooling medium;
In the middle of the cooling medium supply path, the oxidant gas introduction path is connected via a flow path switching valve,
3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the cooling medium recovery path is connected to the cooling medium discharge path through a flow path switching valve.

5. The charging device according to claim 1, further comprising a filling unit that refills the cooling medium in the cooling medium tank from the cooling medium circulation path into the cooling medium flow path in the fuel cell stack after the fuel cell stack is started. Fuel cell system.