JP2009151999A

JP2009151999A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2009151999A
Application number: JP2007327352A
Authority: JP
Inventors: Hidetaka Nishimura; 英高西村; Tetsuya Uehara; 哲也上原; Ken Nakayama; 謙中山; Hisashi Niioka; 久新岡
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2007-12-19
Filing date: 2007-12-19
Publication date: 2009-07-09

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enable liquid water accumulated in a pipe downstream of a water separator to be guided to the water separator and discharged without performing an operation such as forcibly operating a circulation pump. <P>SOLUTION: A branch unit 10 is provided at an appropriate location on a pipe between the water separator 6 and an anode entrance of a fuel cell stack 1. The branch unit 10 and the water separator 6 are connected through a branch pipe 11. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池スタックから排出された未反応の排出燃料ガスを循環させて再利用するアノード循環型の燃料電池システムに関する。 The present invention relates to an anode circulation fuel cell system that circulates and reuses an unreacted exhaust fuel gas discharged from a fuel cell stack.

燃料電池システムは、燃料電池スタックのアノード（燃料極）側に水素含有の燃料ガス、カソード（酸化剤極）側に空気などの酸化剤ガスを供給し、燃料電池スタック内部で水素と酸素との電気化学反応を生じさせて発電電力を得る発電システムである。この種の燃料電池システムとしては、燃料ガスの利用率を高めるために、燃料電池スタックのアノード出口から排出された未反応の排出燃料ガスを燃料電池スタックのアノード入口側へと循環させて再利用するようにした、いわゆるアノード循環型の燃料電池システムが知られている。 The fuel cell system supplies hydrogen-containing fuel gas to the anode (fuel electrode) side of the fuel cell stack and oxidant gas such as air to the cathode (oxidant electrode) side. It is a power generation system that generates electrochemical power by generating an electrochemical reaction. In this type of fuel cell system, in order to increase the utilization rate of fuel gas, the unreacted exhaust fuel gas discharged from the anode outlet of the fuel cell stack is circulated to the anode inlet side of the fuel cell stack for reuse. A so-called anode circulation type fuel cell system is known.

ところで、アノード循環型の燃料電池システムでは、燃料電池スタックのアノード出口から排出される未反応の排出燃料ガスが水蒸気を多く含む高湿度ガスであるため、循環の過程で水分が凝縮して液水が発生しやすい。そして、この液水が配管内に滞留すると急激な圧損変動により燃料電池スタックの発電制御に悪影響を与える懸念があり、また、液水の状態で燃料電池スタックに流入するとフラッディング（水詰まり）の要因となるため、通常は、排出燃料ガスが流れるアノード循環ラインに水セパレータを設けて、この水セパレータにより排出燃料ガスから液水を分離して排出させるようにしている。 By the way, in the anode circulation type fuel cell system, the unreacted exhaust fuel gas discharged from the anode outlet of the fuel cell stack is a high-humidity gas containing a large amount of water vapor. Is likely to occur. If this liquid water stays in the piping, there is a concern that it may adversely affect the power generation control of the fuel cell stack due to sudden pressure loss fluctuations, and if it flows into the fuel cell stack in the state of liquid water, it will cause flooding Therefore, normally, a water separator is provided in the anode circulation line through which the discharged fuel gas flows, and the liquid water is separated from the discharged fuel gas by this water separator and discharged.

しかしながら、水セパレータよりも下流側において排出燃料ガス中の水分が凝縮することもあり、この場合、凝縮した液水が配管内に滞留していると、燃料電池スタックへの供給ガス流量増加時などにこの液水が燃料電池スタックに流入してフラッディングを招くことも想定される。このような問題の解決策としては、例えば特許文献１に記載されているように、アノード循環ラインに設けた循環ポンプを強制的に作動させ、滞留している液水を排出燃料ガスとともに水セパレータに導いて、水セパレータにより液水を分離して排出させるといったオペレーションを実施することが考えられる。
特開２００７−１９４０４２号公報 However, moisture in the exhaust fuel gas may condense on the downstream side of the water separator. In this case, if the condensed liquid water stays in the pipe, the flow rate of the supply gas to the fuel cell stack increases. It is also assumed that this liquid water flows into the fuel cell stack and causes flooding. As a solution to such a problem, for example, as described in Patent Document 1, a circulation pump provided in the anode circulation line is forcibly operated, and the remaining liquid water together with the discharged fuel gas is separated into a water separator. It is conceivable that the liquid water is separated and discharged by a water separator.
JP 2007-194042 A

しかしながら、循環ポンプを強制的に作動させて滞留している液水を水セパレータに導いて排出させるといったオペレーションでは、循環ポンプの作動に伴う騒音や振動の発生や、消費電力増大による燃費の悪化などの問題があり、改善が求められている。 However, in operations such as forcibly operating the circulation pump to discharge the remaining liquid water to the water separator, noise and vibration associated with the operation of the circulation pump, deterioration of fuel consumption due to increased power consumption, etc. There is a problem and improvement is demanded.

本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて創案されたものであって、循環ポンプを強制的に作動させるといったオペレーションを行うことなく、水セパレータの下流側の配管内に滞留している液水を水セパレータに導いて排出させる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している。 The present invention was devised in view of the conventional situation as described above, and stays in the pipe on the downstream side of the water separator without performing an operation of forcibly operating the circulation pump. An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of guiding liquid water to a water separator and discharging it.

本発明は、燃料電池スタックと、燃料電池スタックのアノード出口から排出された未反応の排出燃料ガスを燃料電池スタックのアノード入口側へと循環させるアノード循環ラインと、アノード循環ラインを流れる排出燃料ガスから液水を分離して排出する水セパレータと、を備える燃料電池システムにおいて、水セパレータと燃料電池スタックのアノード入口との間の配管に分岐部を設け、当該分岐部と水セパレータとの間を分岐配管により接続した構成とする。このような構成とすることで、水セパレータの下流側で滞留する液水を分岐部から分岐配管を介して水セパレータに導いて排出させることができる。 The present invention relates to a fuel cell stack, an anode circulation line that circulates unreacted exhaust fuel gas discharged from the anode outlet of the fuel cell stack to the anode inlet side of the fuel cell stack, and exhaust fuel gas that flows through the anode circulation line And a water separator that separates and discharges liquid water from the fuel cell system, a branch portion is provided in a pipe between the water separator and the anode inlet of the fuel cell stack, and the space between the branch portion and the water separator is provided. The connection is made by branch piping. By setting it as such a structure, the liquid water which retains in the downstream of a water separator can be guide | induced to a water separator via a branch pipe from a branch part, and can be discharged | emitted.

本発明の燃料電池システムによれば、循環ポンプを強制的に作動させるといったオペレーションを行うことなく、水セパレータの下流側の配管内に滞留している液水を水セパレータに導いて排出させることができるので、循環ポンプの作動に伴う騒音や振動の発生や、消費電力増大による燃費の悪化などの問題を生じさせることなく、液水を効率よく排出させて、燃料電池スタックでの発電を安定化させることができる。 According to the fuel cell system of the present invention, the liquid water staying in the pipe on the downstream side of the water separator can be guided to the water separator and discharged without performing an operation of forcibly operating the circulation pump. As a result, it is possible to efficiently discharge liquid water and stabilize power generation in the fuel cell stack without causing problems such as noise and vibration associated with the operation of the circulation pump and fuel consumption deterioration due to increased power consumption. Can be made.

以下、本発明を適用した燃料電池システムの具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, specific embodiments of a fuel cell system to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.

［第１の実施形態］
＜構成＞
第１の実施形態の燃料電池システムの要部構成を図１に示す。本実施形態の燃料電池システムは、例えば燃料電池車両に搭載されて車両駆動用モータの動力源として用いられるものであり、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池スタック１を備える。 [First Embodiment]
<Configuration>
FIG. 1 shows the main configuration of the fuel cell system according to the first embodiment. The fuel cell system of the present embodiment is mounted on a fuel cell vehicle and used as a power source for a vehicle drive motor, for example, and includes a fuel cell stack 1 that generates power by receiving supply of fuel gas and oxidant gas. Prepare.

燃料電池スタック１は、燃料ガスが供給されるアノード（燃料極）と酸化剤ガスが供給されるカソード（酸化剤極）とを電解質を挟んで重ね合わせた発電セルを多段に積層して構成されたものである。この燃料電池スタック１の各発電セルでは、アノードに供給された燃料ガス中の水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、カソード側にそれぞれ移動する。カソードでは、供給された酸化剤ガス中の酸素と電解質を通って移動した水素イオン及び電子が反応して水が生成される。このカソード側で発生した生成水は、例えば、アノードとカソードとの間の水蒸気濃度の差による逆拡散現象などによって、一部がカソード側からアノード側へと移動する。 The fuel cell stack 1 is configured by stacking power generation cells in multiple stages in which an anode (fuel electrode) supplied with fuel gas and a cathode (oxidant electrode) supplied with oxidant gas are sandwiched with an electrolyte interposed therebetween. It is a thing. In each power generation cell of the fuel cell stack 1, a reaction occurs in which hydrogen in the fuel gas supplied to the anode is separated into hydrogen ions and electrons. The hydrogen ions pass through the electrolyte, and the electrons pass through an external circuit to generate power. And move to the cathode side. At the cathode, the oxygen in the supplied oxidant gas reacts with the hydrogen ions and electrons that have moved through the electrolyte to produce water. Part of the generated water generated on the cathode side moves from the cathode side to the anode side due to, for example, a reverse diffusion phenomenon caused by a difference in water vapor concentration between the anode and the cathode.

燃料電池スタック１の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。 As the electrolyte of the fuel cell stack 1, for example, a solid polymer electrolyte membrane is used in consideration of high energy density, low cost, light weight, and the like. The solid polymer electrolyte membrane is made of an ion (proton) conductive polymer membrane such as a fluororesin ion exchange membrane, and functions as an ion conductive electrolyte when saturated with water.

以上のように、燃料電池スタック１で発電を行うには、この燃料電池スタック１のアノードに燃料ガス、カソードに酸化剤ガスをそれぞれ供給する必要があり、そのための機構として、燃料電池システムには燃料ガス供給系および酸化剤ガス供給系が設けられている。また、燃料電池スタック１は動作時の発熱により温度上昇するため適宜冷却して適正な動作温度に保つ必要があり、そのための機構として、燃料電池システムには冷却系が設けられている。 As described above, in order to generate power in the fuel cell stack 1, it is necessary to supply the fuel gas to the anode of the fuel cell stack 1 and the oxidant gas to the cathode, respectively. A fuel gas supply system and an oxidant gas supply system are provided. Further, since the temperature of the fuel cell stack 1 rises due to heat generated during operation, it is necessary to appropriately cool it and maintain it at an appropriate operating temperature. As a mechanism for this, the fuel cell system is provided with a cooling system.

なお、酸化剤ガス供給系および冷却系については、本発明に直接かかわる部分ではないので、ここでは図示及び詳細な説明を省略するが、これら酸化剤ガス供給系および冷却系としては、この種の燃料電池システムにおいて公知の構成がいずれも採用可能である。 Since the oxidant gas supply system and the cooling system are not directly related to the present invention, illustration and detailed description thereof will be omitted here, but these oxidant gas supply system and cooling system are of this kind. Any known configuration can be employed in the fuel cell system.

燃料ガス供給系は、例えば、燃料電池スタック１に供給する燃料ガスを貯蔵する燃料タンク２を備え、この燃料タンク２から取り出した燃料ガスを、燃料ガス供給ライン３を介して燃料電池スタック１のアノード入口へと供給する構成である。燃料ガス供給ライン３には燃料ガス圧力調整弁４が設けられており、燃料電池スタック１のアノード入口に供給される燃料ガスの圧力や流量は、この燃料ガス圧力調整弁４を制御することで調整される。なお、燃料ガスの供給源としては、燃料タンク２以外にも、例えば改質器を用いて生成した燃料ガスを供給する燃料供給装置など、他の燃料ガス供給源を用いるようにしてもよい。 The fuel gas supply system includes, for example, a fuel tank 2 that stores fuel gas supplied to the fuel cell stack 1, and the fuel gas extracted from the fuel tank 2 is supplied to the fuel cell stack 1 via the fuel gas supply line 3. It is the structure which supplies to an anode inlet_port | entrance. The fuel gas supply line 3 is provided with a fuel gas pressure adjusting valve 4. The pressure and flow rate of the fuel gas supplied to the anode inlet of the fuel cell stack 1 are controlled by controlling the fuel gas pressure adjusting valve 4. Adjusted. In addition to the fuel tank 2, other fuel gas supply sources such as a fuel supply device that supplies fuel gas generated using a reformer may be used as the fuel gas supply source.

また、本実施形態の燃料電池システムは、いわゆるアノード循環型の燃料電池システムとして構成されており、燃料電池スタック１のアノード出口側はアノード循環ライン５に接続されている。アノード循環ライン５は、燃料電池スタック１のアノード出口から排出された未反応の排出燃料ガスを燃料電池スタック１のアノード入口側へと循環させるものであり、その下流側において燃料ガス供給ライン３と合流して、燃料電池スタック１のアノード入口に接続されている。このアノード循環ライン５には、排出燃料ガスから液水を分離して排出する水セパレータ６と、排出燃料ガスを燃料電池スタック１のアノード入口側へと圧送する循環ポンプ７とが設けられている。 The fuel cell system of the present embodiment is configured as a so-called anode circulation type fuel cell system, and the anode outlet side of the fuel cell stack 1 is connected to the anode circulation line 5. The anode circulation line 5 circulates the unreacted exhaust fuel gas discharged from the anode outlet of the fuel cell stack 1 to the anode inlet side of the fuel cell stack 1, and the fuel gas supply line 3 on the downstream side thereof. It joins and is connected to the anode inlet of the fuel cell stack 1. The anode circulation line 5 is provided with a water separator 6 that separates and discharges liquid water from the discharged fuel gas, and a circulation pump 7 that pumps the discharged fuel gas to the anode inlet side of the fuel cell stack 1. .

燃料電池スタック１のアノード出口から排出された未反応の排出燃料ガスは、循環ポンプ７の作動によってアノード循環ライン５を流通し、燃料タンク２から新たに供給される燃料ガスと混合されて、再度、燃料電池スタック１のアノード入口へと供給される。このとき、排出燃料ガスに水蒸気として混合されていた水分が凝縮して液水となると、この液水は水セパレータ６において排出燃料ガスから分離されて、貯留される。水セパレータ６に貯留された液水は、排水バルブ８が開放されることにより水排出配管９からシステム外部に排出される。 The unreacted discharged fuel gas discharged from the anode outlet of the fuel cell stack 1 flows through the anode circulation line 5 by the operation of the circulation pump 7 and is mixed with the fuel gas newly supplied from the fuel tank 2. , And supplied to the anode inlet of the fuel cell stack 1. At this time, when the water mixed as water vapor in the discharged fuel gas is condensed into liquid water, the liquid water is separated from the discharged fuel gas in the water separator 6 and stored. The liquid water stored in the water separator 6 is discharged from the water discharge pipe 9 to the outside of the system when the drain valve 8 is opened.

なお、ここでは排出燃料ガスを循環させる手段として循環ポンプ７を用いているが、この循環ポンプ７を用いる代わりに、或いはこの循環ポンプ７と併用して、アノード循環ライン５と燃料ガス供給ライン３との合流位置にエゼクタを設置することで、排出燃料ガスを循環させる構成としてもよい。 Here, the circulation pump 7 is used as a means for circulating the exhaust fuel gas. However, instead of using this circulation pump 7 or in combination with this circulation pump 7, the anode circulation line 5 and the fuel gas supply line 3 are used. It is good also as a structure which circulates exhaust fuel gas by installing an ejector in the merge position.

ここで、本実施形態の燃料電池システムにおいては、水セパレータ６の下流側で滞留する液水を燃料電池スタック１を迂回させて水セパレータ６に導けるようにするために、水セパレータ６と燃料電池スタック１のアノード入口との間の配管における適所に分岐部１０を設け、この分岐部１０と水セパレータ９との間を分岐配管１１によって接続している。また、分岐配管１１の中途位置には、開閉状態を電気的に制御可能な電磁バルブ１２を設けている。そして、電磁バルブ１２を開状態としたときに、分岐部１０から分岐配管１１を通って水セパレータ６に至る燃料ガスの流れを生じさせ、この燃料ガスの流れにより、水セパレータ６の下流側で滞留する液水が燃料電池スタック１を迂回して水セパレータ６に直接導かれるようにしている。 Here, in the fuel cell system of the present embodiment, the water separator 6 and the fuel cell are arranged so that the liquid water staying downstream of the water separator 6 can be led to the water separator 6 by bypassing the fuel cell stack 1. A branch portion 10 is provided at an appropriate position in the pipe between the anode inlet of the stack 1 and the branch portion 10 and the water separator 9 are connected by a branch pipe 11. In addition, an electromagnetic valve 12 capable of electrically controlling the open / close state is provided in the middle of the branch pipe 11. When the electromagnetic valve 12 is opened, a flow of fuel gas from the branch portion 10 through the branch pipe 11 to the water separator 6 is generated, and this fuel gas flow causes a downstream of the water separator 6 to flow. The staying liquid water bypasses the fuel cell stack 1 and is guided directly to the water separator 6.

なお、電磁バルブ１２を開状態としたときには、液水だけでなく燃料ガスも燃料電池スタック１を迂回して水セパレータ６に導かれるため、電磁バルブ１２を必要以上に開状態にすると効率悪化を招くことが懸念される。そこで、電磁バルブ１２は通常は閉状態としておき、水セパレータ６と燃料電池スタック１のアノード入口との間の配管内に液水が溜まったと推定されるときのみ電磁バルブ１２を開状態から閉状態に切り換える。この電磁バルブ１２の動作制御については、詳細を後述する。 When the electromagnetic valve 12 is opened, not only liquid water but also fuel gas bypasses the fuel cell stack 1 and is guided to the water separator 6. Therefore, if the electromagnetic valve 12 is opened more than necessary, efficiency deteriorates. There is concern about inviting. Therefore, the electromagnetic valve 12 is normally closed, and the electromagnetic valve 12 is closed from the open state only when it is estimated that liquid water has accumulated in the pipe between the water separator 6 and the anode inlet of the fuel cell stack 1. Switch to. Details of the operation control of the electromagnetic valve 12 will be described later.

分岐部１０の位置は、特に一定の場所に限定されるものではなく、排出燃料ガスの循環によって水セパレータ６との間で圧力差が発生する場所であればよいが、液水が燃料ガスの流速で飛ばしにくい、例えば下凸形状となっている部位やＬ字構造の部位などに設けることが効果的である。また、分岐部１０となる配管部位に例えば窪みなどの水溜り部を設けて、液水がこの分岐部１０の水溜り部に溜まりやすくすることも有効である。なお、ここでは、水セパレータ６と燃料電池スタック１のアノード入口との間の配管における一箇所に分岐部１０を設けているが、水セパレータ６と燃料電池スタック１のアノード入口との間の配管における複数箇所に分岐部１０を設けて、各分岐部１０と水セパレータ６とをそれぞれ分岐配管１１により接続する構成としてもよい。また、分岐配管１１としては、アノード循環ライン５の配管や燃料ガス供給ライン３の配管と比べて径の小さい配管を用いることが望ましい。分岐配管１１として径の小さいものを用いれば、滞留している液水を効率よく水セパレータ６に導きながら、分岐配管１１を流れる燃料ガスの流量を抑えることができる。 The position of the branching section 10 is not particularly limited to a certain place, and may be any place where a pressure difference is generated between the water separator 6 and the liquid fuel when the exhaust gas is circulated. For example, it is effective to provide it at a part that is difficult to fly at a flow rate, such as a part having a downward convex shape or a part having an L-shaped structure. It is also effective to provide a water reservoir such as a depression at the piping site that becomes the branch 10 so that liquid water can easily accumulate in the water reservoir of the branch 10. Here, the branch portion 10 is provided at one place in the pipe between the water separator 6 and the anode inlet of the fuel cell stack 1, but the pipe between the water separator 6 and the anode inlet of the fuel cell stack 1 is provided. It is good also as a structure which provides the branch part 10 in several places in and connects each branch part 10 and the water separator 6 by the branch piping 11, respectively. Moreover, as the branch pipe 11, it is desirable to use a pipe having a smaller diameter than the pipe of the anode circulation line 5 and the pipe of the fuel gas supply line 3. If a pipe having a small diameter is used as the branch pipe 11, the flow rate of the fuel gas flowing through the branch pipe 11 can be suppressed while efficiently guiding the remaining liquid water to the water separator 6.

また、本実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック１の温度を計測するスタック温度センサ１３と、外気温（環境温度）を計測する環境温度センサ１４と、燃料タンク２から燃料電池スタック１のアノード入口に新たに供給される燃料ガスの温度を計測する燃料ガス温度センサ１５とが設けられている。そして、これらの各温度センサ１３，１４，１５の計測値が、システム動作を統括的に制御するコントローラ２０によりモニタリングされている。なお、スタック温度センサ１３としては、燃料電池スタック１の温度を直接計測するものに限らず、燃料電池スタック１の温度を間接的に計測するもの、例えば、燃料電池スタック１を冷却する冷却液の温度を計測する温度センサを用いてもよい。 Further, in the fuel cell system of the present embodiment, the stack temperature sensor 13 that measures the temperature of the fuel cell stack 1, the environmental temperature sensor 14 that measures the outside air temperature (environmental temperature), and the fuel cell stack 1 from the fuel tank 2. And a fuel gas temperature sensor 15 for measuring the temperature of the fuel gas newly supplied to the anode inlet. And the measured value of each of these temperature sensors 13, 14, 15 is monitored by the controller 20 which controls the system operation comprehensively. The stack temperature sensor 13 is not limited to the one that directly measures the temperature of the fuel cell stack 1, but the one that indirectly measures the temperature of the fuel cell stack 1, for example, a coolant that cools the fuel cell stack 1. You may use the temperature sensor which measures temperature.

また、本実施形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１で発電された電力はコントローラ２０の制御のもとでパワーマネージャ１６により取り出され、燃料電池車両の駆動用モータなどに供給されるが、このパワーマネージャ１６により取り出される電力量、つまり燃料電池スタック１の発電量もコントローラ２０によりモニタリングされている。さらに、アノード循環ライン５に設けられた循環ポンプ７の回転数や、燃料ガス供給ライン３に設けられた燃料ガス圧力調整弁４の開度などもコントローラ２０によりモニタリングされている。 In the fuel cell system of the present embodiment, the electric power generated by the fuel cell stack 1 is taken out by the power manager 16 under the control of the controller 20 and supplied to the drive motor of the fuel cell vehicle. The controller 20 also monitors the amount of power extracted by the power manager 16, that is, the amount of power generated by the fuel cell stack 1. Further, the controller 20 monitors the rotational speed of the circulation pump 7 provided in the anode circulation line 5 and the opening degree of the fuel gas pressure adjusting valve 4 provided in the fuel gas supply line 3.

本実施形態の燃料電池システムにおいて、コントローラ２０は、通常のシステム動作の制御のほかに、以上の各温度センサ１３，１４，１５の計測値や、燃料電池スタック１の発電量、循環ポンプ７の回転数、燃料ガス圧力調整弁４の開度などのモニタリング結果を用いて、分岐配管１１の中途位置に設けた電磁バルブ１２の動作を制御している。以下、このコントローラ２０による電磁バルブ１２の動作制御の具体例について、詳しく説明する。 In the fuel cell system of the present embodiment, the controller 20 controls the measured values of the temperature sensors 13, 14, and 15, the power generation amount of the fuel cell stack 1, the circulation pump 7 in addition to the control of the normal system operation. The operation of the electromagnetic valve 12 provided at the midway position of the branch pipe 11 is controlled using monitoring results such as the rotational speed and the opening degree of the fuel gas pressure regulating valve 4. Hereinafter, a specific example of the operation control of the electromagnetic valve 12 by the controller 20 will be described in detail.

＜電磁バルブの動作制御＞
本実施形態では、電磁バルブ１２としてノーマルオープンバルブを用いており、通常はこの電磁バルブ１２に通電することで、電磁バルブ１２を閉状態にしている。そして、コントローラ２０は、システム運転中、水セパレータ６と燃料電池スタック１のアノード入口との間の配管内に滞留する滞留液水量を推定して、この滞留液水量の推定値が所定の閾値以上となったときに、電磁バルブ１２への通電を一時的に遮断して電磁バルブ１２を閉状態から開状態へと切り換えるようにしている。また、コントローラ２０は、分岐部１０と水セパレータ６内部との圧力差を推定して、その推定した圧力差に応じて電磁バルブ１２の開時間を制御している。また、コントローラ２０は、システム停止時においては、電磁バルブ１２を閉状態から開状態へと切り換えるとともに、循環ポンプ７を一時的に作動させるようにしている。また、コントローラ２０は、システム起動時においては、所定時間の間は電磁バルブ１２に通電せずに開状態が維持されるようにしている。 <Operation control of electromagnetic valve>
In the present embodiment, a normally open valve is used as the electromagnetic valve 12. Normally, the electromagnetic valve 12 is closed by energizing the electromagnetic valve 12. Then, the controller 20 estimates the amount of staying liquid water staying in the pipe between the water separator 6 and the anode inlet of the fuel cell stack 1 during system operation, and the estimated value of this staying liquid water amount is equal to or greater than a predetermined threshold value. At this time, the energization of the electromagnetic valve 12 is temporarily interrupted to switch the electromagnetic valve 12 from the closed state to the open state. Moreover, the controller 20 estimates the pressure difference between the branch part 10 and the water separator 6 and controls the opening time of the electromagnetic valve 12 according to the estimated pressure difference. Further, the controller 20 switches the electromagnetic valve 12 from the closed state to the open state when the system is stopped, and temporarily operates the circulation pump 7. In addition, the controller 20 maintains the open state without energizing the electromagnetic valve 12 for a predetermined time when the system is started.

<システム運転中の制御ロジック>
図２は、システム運転中における電磁バルブ１２の動作制御の概要を示すフローチャートである。以下、このフローチャートに沿って、システム運転中における電磁バルブ１２の動作制御の制御ロジックについて、具体的に説明する。 <Control logic during system operation>
FIG. 2 is a flowchart showing an outline of operation control of the electromagnetic valve 12 during system operation. Hereinafter, the control logic of the operation control of the electromagnetic valve 12 during system operation will be specifically described along this flowchart.

本実施形態では、水セパレータ６と燃料電池スタック１のアノード入口との間の配管内に滞留する滞留液水量を推定するためのパラメータとして、パワーマネージャ１６の取り出し電流量から分かる燃料電池スタック１の発電量、スタック温度センサ１３により計測される燃料電池スタック１の温度、環境温度センサ１４により計測される環境温度（外気温）、燃料ガス温度センサ１５により計測される供給燃料ガスの温度が用いられる。 In the present embodiment, as a parameter for estimating the amount of staying liquid water staying in the pipe between the water separator 6 and the anode inlet of the fuel cell stack 1, The amount of power generation, the temperature of the fuel cell stack 1 measured by the stack temperature sensor 13, the environmental temperature (outside temperature) measured by the environmental temperature sensor 14, and the temperature of the supplied fuel gas measured by the fuel gas temperature sensor 15 are used. .

通常、燃料電池スタック１の発電量が小さいと燃料電池スタック１において発生する水量も少ないが、アノード循環ライン５で循環される排出燃料ガスの流速も小さいため、配管内に液水が溜まりやすい。すなわち、生成水発生量に対して、液水を配管から飛ばすだけの十分の流速がない条件が、配管に液水が溜まりやすい状態となり、それ以上の発電量になると循環される排出燃料ガスの流速の増大に伴って配管内に溜まる液水量が減少していく。また、燃料電池スタック１のアノード側に発生する水量は、燃料電池スタック１の温度に感度を持っていることが知られている。つまり、燃料電池スタック１の温度が高いほどカソード側で発生した生成水が逆拡散によりアノード側へと多く移動することになり、アノード側における水量が増大する。この関係を図３に示す。 Usually, when the power generation amount of the fuel cell stack 1 is small, the amount of water generated in the fuel cell stack 1 is small, but the flow rate of the exhaust fuel gas circulated in the anode circulation line 5 is also small, so liquid water tends to accumulate in the piping. That is, the condition that there is not enough flow rate to fly liquid water from the pipe with respect to the amount of generated water becomes a state where liquid water tends to accumulate in the pipe, and when the amount of power generation exceeds that, As the flow rate increases, the amount of liquid water that accumulates in the piping decreases. Further, it is known that the amount of water generated on the anode side of the fuel cell stack 1 is sensitive to the temperature of the fuel cell stack 1. That is, the higher the temperature of the fuel cell stack 1, the more generated water generated on the cathode side moves to the anode side by back diffusion, and the amount of water on the anode side increases. This relationship is shown in FIG.

コントローラ２０は、この図３に示す関係を用い、燃料電池スタック１の単位時間当たりの平均発電量、燃料電池スタック１の単位時間当たりの平均温度をモニタリングして、水セパレータ６と燃料電池スタック１のアノード入口との間の配管内に滞留する滞留液水量を推定する。ここで、本実施形態では、滞留液水量の推定値を排水カウンタのカウンタ値として扱う。つまり、コントローラ２０は、例えば図４に示すように、液水が溜まりやすい条件ほど排水カウンタが加算され、滞留している液水が飛ばされてしまうほどのガス流速となる条件では排水カウンタが減算されるように定めた排水カウンタ加減算マップを用いて、モニタリングしている燃料電池スタック１の発電量および温度に応じて、排水カウンタを加減算していく（図２のステップＳ１）。 The controller 20 monitors the average power generation per unit time of the fuel cell stack 1 and the average temperature per unit time of the fuel cell stack 1 using the relationship shown in FIG. The amount of staying liquid water staying in the pipe between the anode inlet and the anode inlet is estimated. Here, in this embodiment, the estimated value of the amount of staying liquid water is handled as the counter value of the drainage counter. That is, as shown in FIG. 4, for example, the controller 20 adds the drainage counter to conditions where liquid water is likely to accumulate, and subtracts the drainage counter under conditions where the gas flow rate is high enough to cause the remaining liquid water to fly away. Using the drain counter addition / subtraction map determined as described above, the drain counter is added / subtracted according to the power generation amount and temperature of the fuel cell stack 1 being monitored (step S1 in FIG. 2).

また、アノード循環ライン５で循環される排出燃料ガスは高湿度ガスであるため、循環の過程で外気温によって冷やされることで、排出燃料ガス中の水分が凝縮する。この凝縮水の水量は、排出燃料ガスの温度と外気温（環境温度）との温度差に依存するので、水セパレータ６と燃料電池スタック１のアノード入口との間の配管内に滞留する滞留液水量も、この排出燃料ガスの温度と外気温（環境温度）との温度差に応じて変動することになる。なお、排出燃料ガスの温度は燃料電池スタック１の温度と同等であることが知られているので、燃料電池スタック１の温度を排出燃料ガスの温度とみなすことができる。そこで、コントローラ２０は、例えば図５に示すように、燃料電池スタック１の温度と外気温との温度差が大きいほど排水カウンタが加算される排水カウンタ加算マップを用いて、スタック温度センサ１３により計測される燃料電池スタック１の温度と、環境温度センサ１４により計測される外気温との温度差に応じて、排水カウンタを加算していく（図２のステップＳ２）。 Further, since the exhaust fuel gas circulated in the anode circulation line 5 is a high-humidity gas, the water in the exhaust fuel gas is condensed by being cooled by the outside air temperature during the circulation process. Since the amount of this condensed water depends on the temperature difference between the temperature of the discharged fuel gas and the outside air temperature (environmental temperature), the retained liquid stays in the pipe between the water separator 6 and the anode inlet of the fuel cell stack 1. The amount of water also varies depending on the temperature difference between the temperature of the exhaust fuel gas and the outside air temperature (environmental temperature). Since the temperature of the exhaust fuel gas is known to be equivalent to the temperature of the fuel cell stack 1, the temperature of the fuel cell stack 1 can be regarded as the temperature of the exhaust fuel gas. Therefore, for example, as shown in FIG. 5, the controller 20 measures the stack temperature sensor 13 using a drain counter addition map in which the drain counter is added as the temperature difference between the temperature of the fuel cell stack 1 and the outside air temperature increases. The drainage counter is added according to the temperature difference between the temperature of the fuel cell stack 1 and the outside air temperature measured by the environmental temperature sensor 14 (step S2 in FIG. 2).

さらに、高湿度で比較的高温（５０℃から８０℃程度）の状態で循環される排出燃料ガスは、比較的低温の状態で燃料タンク２から新たに供給される供給燃料ガスと混合されて燃料電池スタック１のアノード入口に供給されるので、この供給燃料ガスと混合される際にこの供給燃料ガスによって冷やされることで、排出燃料ガス中の水分が凝縮する。この凝縮水の水量は、排出燃料ガスの温度と供給燃料ガスとの温度差に依存するので、水セパレータ６と燃料電池スタック１のアノード入口との間の配管内に滞留する滞留液水量も、この排出燃料ガスの温度と供給燃料ガスとの温度差に応じて変動することになる。なお、排出燃料ガスの温度は、上述したように、燃料電池スタック１の温度で代替することが可能である。そこで、コントローラ２０は、例えば図６に示すように、燃料電池スタック１の温度と供給燃料ガスの温度との温度差が大きいほど排水カウンタが加算される排水カウンタ加算マップを用いて、スタック温度センサ１３により計測される燃料電池スタック１の温度と、燃料ガス温度センサ１５により計測される供給燃料ガスの温度との温度差に応じて、排水カウンタを加算していく（図２のステップＳ３）。 Further, the exhaust fuel gas circulated in a high humidity and relatively high temperature state (about 50 ° C. to 80 ° C.) is mixed with a supply fuel gas newly supplied from the fuel tank 2 in a relatively low temperature state to produce fuel. Since it is supplied to the anode inlet of the battery stack 1, the water in the discharged fuel gas is condensed by being cooled by the supplied fuel gas when mixed with the supplied fuel gas. Since the amount of the condensed water depends on the temperature difference between the temperature of the discharged fuel gas and the supplied fuel gas, the amount of retained liquid water staying in the pipe between the water separator 6 and the anode inlet of the fuel cell stack 1 is also It fluctuates according to the temperature difference between the temperature of the discharged fuel gas and the supplied fuel gas. The temperature of the exhaust fuel gas can be replaced by the temperature of the fuel cell stack 1 as described above. Therefore, for example, as shown in FIG. 6, the controller 20 uses a drain counter addition map in which the drain counter is added as the temperature difference between the temperature of the fuel cell stack 1 and the temperature of the supplied fuel gas increases. The drainage counter is incremented according to the temperature difference between the temperature of the fuel cell stack 1 measured by 13 and the temperature of the supplied fuel gas measured by the fuel gas temperature sensor 15 (step S3 in FIG. 2).

本実施形態の燃料電池システムでは、コントローラ２０が以上説明した手法で排水カウンタの加減算を行い、カウンタ値が所定の閾値以上となったとき（図２のステップＳ４でＹＥＳの判定の場合）に、電磁バルブ１２を閉状態から開状態へと切り換える制御を行う（図２のステップＳ５）。これにより、水セパレータ６と燃料電池スタック１のアノード入口との間の配管内に滞留している液水が、燃料ガスとともに、分岐部１０から分岐配管１１を介して水セパレータ６へと導かれ、水セパレータ６からシステム外部に排出されることになる。 In the fuel cell system of the present embodiment, when the controller 20 performs addition / subtraction of the drainage counter by the method described above and the counter value becomes equal to or greater than a predetermined threshold value (in the case of YES determination in step S4 in FIG. 2), Control for switching the electromagnetic valve 12 from the closed state to the open state is performed (step S5 in FIG. 2). As a result, the liquid water staying in the pipe between the water separator 6 and the anode inlet of the fuel cell stack 1 is guided to the water separator 6 from the branch part 10 through the branch pipe 11 together with the fuel gas. The water separator 6 is discharged outside the system.

ここで、電磁バルブ１２を開状態に維持する時間（開時間）は、配管内に滞留している液水が水セパレータ６に到達するまでの所要時間に応じて設定すればよいが、この所要時間は、分岐部１０と水セパレータ６内部との圧力差によって変動する。したがって、電磁バルブ１２の開時間は、分岐部１０と水セパレータ６内部との圧力差に応じて制御することが望まれる。本実施形態では、コントローラ２０が、循環ポンプ７の回転数と燃料ガス圧力調整弁４の開度とから燃料電池スタック１のアノード入口におけるガス流量を求め、このアノード入口ガス流量から分岐部１０と水セパレータ６内部との圧力差を推定して、この推定した圧力差に応じて電磁バルブ１２の開時間を制御するようにしている。図７に、燃料電池スタック１のアノード入口における燃料ガス流量と、分岐部１０と水セパレータ６内部との圧力差、電磁バルブ１２の開時間との関係のマップを示す。コントローラ２０は、この図７に示すようなマップを用い、モニタリングしている循環ポンプ７の回転数と燃料ガス圧力調整弁４の開度とに応じて電磁バルブ１２の開時間を設定し、電磁バルブ１２をこの設定した開時間の間だけ開状態にした後、電磁バルブ１２を閉状態に戻して、上述した排水カウンタをリセットする（図２のステップＳ６）。 Here, the time for maintaining the electromagnetic valve 12 in the open state (open time) may be set according to the time required for the liquid water staying in the pipe to reach the water separator 6. The time varies depending on the pressure difference between the branch portion 10 and the water separator 6. Therefore, it is desirable to control the opening time of the electromagnetic valve 12 according to the pressure difference between the branch portion 10 and the water separator 6. In the present embodiment, the controller 20 obtains the gas flow rate at the anode inlet of the fuel cell stack 1 from the rotational speed of the circulation pump 7 and the opening degree of the fuel gas pressure regulating valve 4, and from the anode inlet gas flow rate, The pressure difference with the inside of the water separator 6 is estimated, and the opening time of the electromagnetic valve 12 is controlled according to the estimated pressure difference. FIG. 7 shows a map of the relationship between the fuel gas flow rate at the anode inlet of the fuel cell stack 1, the pressure difference between the branch 10 and the water separator 6, and the opening time of the electromagnetic valve 12. The controller 20 uses the map as shown in FIG. 7 to set the open time of the electromagnetic valve 12 according to the rotational speed of the circulating pump 7 being monitored and the opening degree of the fuel gas pressure regulating valve 4. After the valve 12 is opened for the set opening time, the electromagnetic valve 12 is returned to the closed state, and the above-described drainage counter is reset (step S6 in FIG. 2).

<システム停止時の制御ロジック>
次に、システム停止時における電磁バルブ１２の動作制御の制御ロジックについて説明する。 <Control logic at system stop>
Next, the control logic of the operation control of the electromagnetic valve 12 when the system is stopped will be described.

例えば燃料電池車両が寒冷地に停車した場合などにおいては、燃料電池システムは低温環境下で動作を停止する。このとき、配管内に液水が滞留している状態で動作が停止されると、停止後の放置期間の間にこの滞留した液水が凍結してしまい、次のシステム起動後に適切な排水が行えなくなることも想定される。このため、システム停止時には、滞留液水量が所定の閾値に達していない場合でも、この滞留する液水を水セパレータ６へと導いておくことが望まれる。 For example, when the fuel cell vehicle stops in a cold region, the fuel cell system stops operating in a low temperature environment. At this time, if the operation is stopped with liquid water remaining in the piping, the liquid water stays frozen during the standing period after the stop, and appropriate drainage occurs after the next system startup. It may be impossible to do so. For this reason, when the system is stopped, it is desirable to guide the staying liquid water to the water separator 6 even when the amount of the staying liquid water does not reach the predetermined threshold value.

そこで、本実施形態の燃料電池システムにおいては、コントローラ２０が、システム停止処理の一環として、配管内に滞留している液水を水セパレータ６に導く処理を行うようにしている。具体的には、コントローラ２０は、燃料電池車両のイグニッションスイッチがオフすると、電磁バルブ１２を閉状態から開状態へと切換える。そして、電磁バルブ１２が開いた状態で、循環ポンプ７を一時的に作動させ、配管内に存在する液水を水セパレータ６へと導くのに十分な時間が経過した後、循環ポンプ７の作動を停止させて、排水カウンタをリセットする。 Therefore, in the fuel cell system of the present embodiment, the controller 20 performs a process of guiding the liquid water staying in the pipe to the water separator 6 as part of the system stop process. Specifically, when the ignition switch of the fuel cell vehicle is turned off, the controller 20 switches the electromagnetic valve 12 from the closed state to the open state. Then, after the electromagnetic pump 12 is opened, the circulation pump 7 is temporarily operated, and after a sufficient time has passed to guide the liquid water existing in the pipe to the water separator 6, the operation of the circulation pump 7 is performed. To reset the drain counter.

なお、電磁バルブ１２としてノーマルオープンバルブを用いた場合、システム停止処理において開状態へと切換えられた電磁バルブ１２は、システム停止後の放置期間の間、開状態が維持される。一方、電磁バルブ１２としてノーマルクローズバルブを用いる場合には、システム停止処理において開状態へと切換えられた電磁バルブ１２は、閉状態へと再度切り換えられることになるが、このときの電磁バルブ１２の開時間は、排水カウンタの値、つまり滞留液水量の推定値に応じて決定すればよい。 In addition, when a normally open valve is used as the electromagnetic valve 12, the electromagnetic valve 12 switched to the open state in the system stop process is maintained in the open state during the leaving period after the system stop. On the other hand, when a normally closed valve is used as the electromagnetic valve 12, the electromagnetic valve 12 switched to the open state in the system stop process is switched again to the closed state. The opening time may be determined according to the value of the drainage counter, that is, the estimated value of the amount of retained liquid water.

<システム起動時の制御ロジック>
次に、システム起動時における電磁バルブ１２の動作制御の制御ロジックについて説明する。 <Control logic at system startup>
Next, the control logic of the operation control of the electromagnetic valve 12 when the system is started will be described.

上述したシステム停止処理により、配管内に滞留している液水を排水させてシステムを停止させたとしても、システム停止後の放置期間が長いと、高湿度の状態で放置された排出燃料ガス中の水分が凝縮して、配管内に徐々に液水が溜まっていくことが想定される。その一方で、排水カウンタはシステム停止時にリセットされているので、次のシステム起動時においては、実際の滞留液水量が排水カウンタのカウンタ値から乖離し、滞留液水量の推定精度が悪化することが懸念される。 Even if the system is shut down by draining the liquid water staying in the pipe by the system shutdown process described above, if the standing time after the system shutdown is long, the exhausted fuel gas left in a high humidity state It is assumed that the water is condensed and liquid water is gradually accumulated in the pipe. On the other hand, since the drainage counter is reset when the system is stopped, the actual amount of accumulated liquid water deviates from the counter value of the drainage counter at the next system startup, and the estimated accuracy of the accumulated liquid water amount may deteriorate. Concerned.

そこで、本実施形態の燃料電池システムにおいては、コントローラ２０が、システム起動時に、所定時間の間は電磁バルブ１２を開状態とする制御を行う。つまり、電磁バルブ１２としてノーマルオープンバルブを用いた場合には、システム起動後の所定時間の間、電磁バルブ１２に対する通電は行わずに開状態を維持させるようにする。一方、電磁バルブ１２としてノーマルクローズバルブを用いる場合には、システム起動時に電磁バルブ１２に通電して閉状態から開状態に切り換え、所定時間が経過した後に電磁バルブ１２を閉状態に戻す制御を行う。これにより、システム停止期間中に滞留した液水をシステム起動時に水セパレータ６に導くことができ、その後のシステム運転時における制御において、実際の滞留液水量と排水カウンタのカウンタ値とを整合させて、滞留液水量の推定を精度よく行うことが可能となる。 Therefore, in the fuel cell system of the present embodiment, the controller 20 performs control to open the electromagnetic valve 12 for a predetermined time when the system is activated. That is, when a normally open valve is used as the electromagnetic valve 12, the electromagnetic valve 12 is not energized for a predetermined time after the system is started, and the open state is maintained. On the other hand, when a normally closed valve is used as the electromagnetic valve 12, the electromagnetic valve 12 is energized to switch from the closed state to the open state when the system is started, and control is performed to return the electromagnetic valve 12 to the closed state after a predetermined time has elapsed. . As a result, the liquid water retained during the system stop period can be guided to the water separator 6 at the time of system startup, and the actual retained liquid water amount and the counter value of the drainage counter are matched in the control during the subsequent system operation. In addition, it is possible to accurately estimate the amount of staying liquid water.

＜効果＞
以上、具体的な例を挙げながら詳細に説明したように、本実施形態の燃料電池システムによれば、水セパレータ６と燃料電池スタック１のアノード入口との間の配管における適所に分岐部１０を設け、この分岐部１０と水セパレータ９との間を分岐配管１１によって接続した構成としているので、水セパレータ９の下流側に滞留している液水を燃料電池スタック１を迂回させて水セパレータ６に導き、水セパレータ６からシステム外部に排出することができる。したがって、配管内の急激な圧損変動を低減できるとともに、燃料電池スタック１内部に液水が流入することに起因したフラッディングの発生を抑制でき、燃料電池スタック１の発電性能を安定化させることができる。さらに、循環ポンプ７を強制的に作動させるといったオペレーションを行うことなく、水セパレータ６の下流側の配管内に滞留している液水を水セパレータ６に導いて排出させることができるので、循環ポンプ７の作動に伴う騒音や振動の発生や、消費電力増大による燃費の悪化などの問題を有効に回避することができる。 <Effect>
As described above in detail with specific examples, according to the fuel cell system of the present embodiment, the branch portion 10 is provided at a proper position in the pipe between the water separator 6 and the anode inlet of the fuel cell stack 1. Since the branch portion 10 and the water separator 9 are connected by the branch pipe 11, the liquid water staying downstream of the water separator 9 is bypassed the fuel cell stack 1 to bypass the water separator 6. And can be discharged from the water separator 6 to the outside of the system. Therefore, rapid pressure loss fluctuation in the pipe can be reduced, and generation of flooding caused by liquid water flowing into the fuel cell stack 1 can be suppressed, and the power generation performance of the fuel cell stack 1 can be stabilized. . Furthermore, since the liquid water staying in the pipe on the downstream side of the water separator 6 can be guided to the water separator 6 and discharged without performing an operation of forcibly operating the circulation pump 7, the circulation pump Thus, problems such as generation of noise and vibration accompanying the operation of 7 and deterioration of fuel consumption due to increased power consumption can be effectively avoided.

また、本実施形態の燃料電池システムによれば、分岐部１０となる配管部位に例えば窪みなどの水溜り部を設けて、液水がこの分岐部１０の水溜り部に溜まりやすくなる構成とすることにより、液水の排水をさらに効率よく行うことができるととともに、燃料電池スタック１内部に流入する液水量をさらに低減させてフラッディングの発生をより効果的に抑制することができる。 In addition, according to the fuel cell system of the present embodiment, a water reservoir such as a depression is provided in the piping portion that becomes the branch portion 10, and the liquid water is easily collected in the water reservoir of the branch portion 10. As a result, liquid water can be drained more efficiently, and the amount of liquid water flowing into the fuel cell stack 1 can be further reduced to more effectively suppress the occurrence of flooding.

また、本実施形態の燃料電池システムによれば、分岐配管１１に電磁バルブ１２を設置し、コントローラ２０による電磁バルブ１２の開閉制御により、配管内に滞留している液水の排水を制御するようにしているので、液水の排水を効率よく行うことができる。 Moreover, according to the fuel cell system of this embodiment, the electromagnetic valve 12 is installed in the branch pipe 11, and the drainage of the liquid water staying in the pipe is controlled by the opening / closing control of the electromagnetic valve 12 by the controller 20. Therefore, drainage of liquid water can be performed efficiently.

また、本実施形態の燃料電池システムによれば、コントローラ２０が、水セパレータ６と燃料電池スタック１のアノード入口との間の配管内に滞留する滞留液水量を推定して、この滞留液水量の推定値が所定の閾値以上となったときに、電磁バルブ１２を閉状態から開状態へと切り換えるようにしているので、燃料電池スタック１を迂回して分岐配管１１から水セパレータ６へと流れる燃料ガスの流量を必要最小限にとどめながら、効率よく液水の排水を行うことができる。 Further, according to the fuel cell system of the present embodiment, the controller 20 estimates the amount of retained liquid water remaining in the pipe between the water separator 6 and the anode inlet of the fuel cell stack 1, and When the estimated value exceeds a predetermined threshold value, the electromagnetic valve 12 is switched from the closed state to the open state. Therefore, the fuel that bypasses the fuel cell stack 1 and flows from the branch pipe 11 to the water separator 6. Liquid water can be drained efficiently while keeping the gas flow rate to the minimum necessary.

また、本実施形態の燃料電池システムによれば、コントローラ２０が、燃料電池スタック１の発電量、燃料電池スタック１の温度、環境温度（外気温）と燃料電池スタック１の温度から推定される排出燃料ガスの温度との温度差、燃料タンク２からの供給燃料ガスの温度と燃料電池スタック１の温度から推定される排出燃料ガスの温度との温度差、に基づいて、水セパレータ６と燃料電池スタック１のアノード入口との間の配管内に滞留する滞留液水量を推定するようにしているので、滞留液水量を高精度に推定することができる。 Further, according to the fuel cell system of the present embodiment, the controller 20 estimates the discharge estimated from the power generation amount of the fuel cell stack 1, the temperature of the fuel cell stack 1, the environmental temperature (outside temperature) and the temperature of the fuel cell stack 1. Based on the temperature difference between the temperature of the fuel gas and the temperature difference between the temperature of the fuel gas supplied from the fuel tank 2 and the temperature of the discharged fuel gas estimated from the temperature of the fuel cell stack 1, the water separator 6 and the fuel cell. Since the amount of staying liquid water staying in the piping between the stack 1 and the anode inlet is estimated, the amount of staying liquid water can be estimated with high accuracy.

なお、滞留液水量の推定は、必ずしも上述した全てのパラメータに基づいて行う必要はなく、上述したパラメータの少なくとも１つに基づいて行うようにすればよい。滞留液水量を推定するためのパラメータを少なくすれば、滞留液水量の推定精度は低下するものの、コントローラ２０による処理負荷を低減できるという利点が得られる。 The amount of staying liquid water does not necessarily have to be calculated based on all the parameters described above, and may be determined based on at least one of the parameters described above. If the number of parameters for estimating the amount of staying liquid water is reduced, the estimation accuracy of the amount of staying liquid water is reduced, but the processing load imposed by the controller 20 can be reduced.

また、本実施形態の燃料電池システムによれば、コントローラ２０が、循環ポンプ７の回転数と燃料ガス圧力調整弁４の開度とから燃料電池スタック１のアノード入口におけるガス流量を求め、このアノード入口ガス流量から分岐部１０と水セパレータ６内部との圧力差を推定して、この推定した圧力差に応じて電磁バルブ１２の開時間を制御するようにしているので、燃料電池スタック１を迂回して分岐配管１１から水セパレータ６へと流れる燃料ガスの流量を必要最小限にとどめながら、効率よく液水の排水を行うことができる。 Further, according to the fuel cell system of the present embodiment, the controller 20 obtains the gas flow rate at the anode inlet of the fuel cell stack 1 from the rotational speed of the circulation pump 7 and the opening degree of the fuel gas pressure regulating valve 4, and this anode Since the pressure difference between the branch portion 10 and the water separator 6 is estimated from the inlet gas flow rate, and the open time of the electromagnetic valve 12 is controlled according to the estimated pressure difference, the fuel cell stack 1 is bypassed. Thus, the liquid water can be efficiently drained while the flow rate of the fuel gas flowing from the branch pipe 11 to the water separator 6 is kept to the minimum necessary.

また、本実施形態の燃料電池システムによれば、システム停止時には、コントローラ２０が循環ポンプ７を一時的に作動させるとともに電磁バルブ１２を閉状態から開状態へと切換えて、配管内に滞留している液水を水セパレータ６に導く処理を行うようにしているので、停止後の放置期間の間に配管内に滞留した液水が凍結してしまい、次のシステム起動後に適切な排水が行えなくなるといった不都合を有効に抑制することができる。 Further, according to the fuel cell system of the present embodiment, when the system is stopped, the controller 20 temporarily operates the circulation pump 7 and switches the electromagnetic valve 12 from the closed state to the open state, so that it stays in the pipe. Since the process of guiding the liquid water to the water separator 6 is performed, the liquid water staying in the pipe during the standing period after the stop freezes, and it becomes impossible to properly drain after the next system startup. Such inconveniences can be effectively suppressed.

また、本実施形態の燃料電池システムによれば、コントローラ２０がシステム起動後の所定時間の間は電磁バルブ１２を開状態のままで維持するようにしているので、システム停止後の放置期間の間に滞留する液水をシステム起動時に排水することができ、その後の滞留液水量の推定も正確に行うことができる。 Further, according to the fuel cell system of the present embodiment, the controller 20 keeps the electromagnetic valve 12 open for a predetermined time after the system is started. The liquid water staying in the water can be drained when the system is started, and the amount of the remaining liquid water can be estimated accurately thereafter.

また、本実施形態の燃料電池システムによれば、電磁バルブ１２としてノーマルオープンバルブを用いるようにしているので、例えば、寒冷地などの低温環境下でのシステム起動後時に電磁バルブ１２が凍結閉固着して開状態に切換えられなくなる不都合を有効に抑制することができる。 Further, according to the fuel cell system of the present embodiment, since the normally open valve is used as the electromagnetic valve 12, for example, the electromagnetic valve 12 is frozen and closed after the system is started in a low temperature environment such as a cold region. Thus, the inconvenience of being unable to be switched to the open state can be effectively suppressed.

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態の燃料電池システムは、電磁バルブ１２の開時間を制御する手法が第１の実施形態と異なるものである。すなわち、上述した第１の実施形態では、循環ポンプ７の回転数と燃料ガス圧力調整弁４の開度とから燃料電池スタック１のアノード入口におけるガス流量を求め、このアノード入口ガス流量から分岐部１０と水セパレータ６内部との圧力差を推定して、この推定した圧力差に応じて電磁バルブ１２の開時間を制御するようにしているが、本実施形態では、分岐部１０の圧力と水セパレータ６内部の圧力とを計測し、これら計測した分岐部１０と水セパレータ６内部との圧力差に応じて電磁バルブ１２の開時間を制御するようにしている。 [Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The fuel cell system of this embodiment is different from the first embodiment in the method for controlling the opening time of the electromagnetic valve 12. That is, in the first embodiment described above, the gas flow rate at the anode inlet of the fuel cell stack 1 is obtained from the rotational speed of the circulation pump 7 and the opening degree of the fuel gas pressure regulating valve 4, and the branching portion is obtained from this anode inlet gas flow rate. 10 and the inside of the water separator 6 are estimated, and the opening time of the electromagnetic valve 12 is controlled in accordance with the estimated pressure difference. In this embodiment, the pressure and water in the branch portion 10 are controlled. The pressure inside the separator 6 is measured, and the opening time of the electromagnetic valve 12 is controlled according to the pressure difference between the measured branching portion 10 and the water separator 6.

本実施形態の燃料電池システムの要部構成を図８に示す。本実施形態の燃料電池システムでは、図８に示すように、分岐部１０における圧力を計測する第１圧力センサ１７と、水セパレータ６内部の圧力を計測する第２圧力センサ１８とが設けられている。そして、これら第１圧力センサ１７および第２圧力センサ１８の計測値が、コントローラ２０によりモニタリングされている。 FIG. 8 shows a main configuration of the fuel cell system according to the present embodiment. In the fuel cell system of the present embodiment, as shown in FIG. 8, a first pressure sensor 17 that measures the pressure in the branch portion 10 and a second pressure sensor 18 that measures the pressure inside the water separator 6 are provided. Yes. The measured values of the first pressure sensor 17 and the second pressure sensor 18 are monitored by the controller 20.

コントローラ２０は、システム運転中における電磁バルブ１２の動作制御として、電磁バルブ１２を閉状態から開状態へと切換える制御については第１の実施形態と同様の制御を行い、電磁バルブ１２の開時間を制御する際に、第１圧力センサ１７により計測される分岐部１０の圧力と第２圧力センサ１８により計測される水セパレータ６内部の圧力との圧力差を求め、その圧力差に応じて電磁バルブ１２の開時間を制御する。 As the operation control of the electromagnetic valve 12 during system operation, the controller 20 performs the same control as in the first embodiment for controlling the electromagnetic valve 12 from the closed state to the open state, and sets the open time of the electromagnetic valve 12. When controlling, a pressure difference between the pressure of the branching section 10 measured by the first pressure sensor 17 and the pressure inside the water separator 6 measured by the second pressure sensor 18 is obtained, and an electromagnetic valve is determined according to the pressure difference. 12 open times are controlled.

図９に、分岐部１０と水セパレータ６内部の圧力差と、電磁バルブ１２の開時間との関係のマップを示す。コントローラ２０は、この図９に示すようなマップを用い、第１圧力センサ１７により計測される分岐部１０の圧力と第２圧力センサ１８により計測される水セパレータ６内部の圧力との圧力差に応じて電磁バルブ１２の開時間を設定し、電磁バルブ１２をこの設定した開時間の間だけ開状態に制御する。なお、ここでは、第１圧力センサ１７の計測値と第２圧力センサ１８の計測値との差分から分岐部１０とセパレータ６内部との圧力差を求めるようにしているが、差圧センサなどを用いて分岐部１０とセパレータ６内部との圧力差を直接計測することも可能である。 In FIG. 9, the map of the relationship between the pressure difference inside the branch part 10 and the water separator 6 and the open time of the electromagnetic valve 12 is shown. The controller 20 uses the map as shown in FIG. 9 to calculate the pressure difference between the pressure of the branching section 10 measured by the first pressure sensor 17 and the pressure inside the water separator 6 measured by the second pressure sensor 18. Accordingly, the opening time of the electromagnetic valve 12 is set, and the electromagnetic valve 12 is controlled to be open only during the set opening time. Here, the pressure difference between the branch portion 10 and the inside of the separator 6 is obtained from the difference between the measurement value of the first pressure sensor 17 and the measurement value of the second pressure sensor 18, but a differential pressure sensor or the like is used. It is also possible to directly measure the pressure difference between the branching portion 10 and the inside of the separator 6 by using it.

以上のように、本実施形態の燃料電池システムによれば、分岐部１０の圧力と水セパレータ６内部の圧力とを計測してその圧力差に応じて電磁バルブ１２の開時間を制御するようにしているので、電磁バルブ１２の開時間をより正確に制御することができ、液水の排水をさらに効率よく行うことができる。 As described above, according to the fuel cell system of the present embodiment, the pressure in the branch portion 10 and the pressure in the water separator 6 are measured, and the opening time of the electromagnetic valve 12 is controlled according to the pressure difference. Therefore, the opening time of the electromagnetic valve 12 can be controlled more accurately, and liquid water can be drained more efficiently.

［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態の燃料電池システムは、電磁バルブ１２を閉状態から開状態へと切換える制御の手法が第１の実施形態と異なるものである。すなわち、上述した第１の実施形態では、燃料電池スタック１の発電量と、燃料電池スタック１の温度と、環境温度（外気温）と、供給燃料ガスの温度とをパラメータとして用い、水セパレータ６と燃料電池スタック１のアノード入口との間の配管内に滞留する滞留液水量を推定して、推定した滞留液水量が所定の閾値以上となったときに、電磁バルブ１２を閉状態から開状態へと切り換えるようにしているが、本実施形態では、滞留液水量を実際に計測して、計測した滞留液水量が所定の閾値以上となったときに、電磁バルブ１２を閉状態から開状態へと切り換えるようにしている。 [Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. The fuel cell system of this embodiment is different from the first embodiment in the control method for switching the electromagnetic valve 12 from the closed state to the open state. That is, in the first embodiment described above, the water separator 6 uses the power generation amount of the fuel cell stack 1, the temperature of the fuel cell stack 1, the environmental temperature (outside temperature), and the temperature of the supplied fuel gas as parameters. The amount of staying liquid water staying in the pipe between the fuel cell stack 1 and the anode inlet of the fuel cell stack 1 is estimated, and the electromagnetic valve 12 is opened from the closed state when the estimated staying liquid water amount exceeds a predetermined threshold value. However, in this embodiment, when the amount of staying liquid water is actually measured and the measured amount of staying liquid water exceeds a predetermined threshold, the electromagnetic valve 12 is changed from the closed state to the open state. And switching.

本実施形態の燃料電池システムの要部構成を図１０に示す。本実施形態の燃料電池システムは、第１の実施形態で説明したように、水セパレータ６と燃料電池スタック１のアノード入口との間の配管内で液水が滞留しやすい部位に分岐部１０を設ける、或いは分岐部１０に水溜り部を設けて液水が溜まりやすくすることを前提としている。そして、本実施形態の燃料電池システムでは、図１０に示すように、分岐部１０に水位センサ１９を設け、この水位センサ１９によって滞留液水量を計測できるようにしている。この水位センサ１９の計測値は、コントローラ２０によってモニタリングされている。 The principal part structure of the fuel cell system of this embodiment is shown in FIG. As described in the first embodiment, the fuel cell system according to the present embodiment includes the branching portion 10 at a site where liquid water tends to stay in the pipe between the water separator 6 and the anode inlet of the fuel cell stack 1. It is presupposed that it is provided or that a water reservoir is provided in the branching portion 10 so that liquid water is easily collected. In the fuel cell system according to the present embodiment, as shown in FIG. 10, a water level sensor 19 is provided in the branch portion 10, and the amount of staying liquid water can be measured by the water level sensor 19. The measured value of the water level sensor 19 is monitored by the controller 20.

コントローラ２０は、システム運転中に水位センサ１９の計測値を常時モニタリングし、この水位センサ１９の計測値が所定の閾値以上となったときに、電磁バルブ１２を閉状態から開状態へと切換える。なお、水位センサ１９の代わりに水面検知スイッチを設け、分岐部１０の水位が上昇して水面検知スイッチがオンしたときに、コントローラ２０が電磁バルブ１２を閉状態から開状態へと切換えるようにしてもよい。また、電磁バルブ１２の開時間については、上述した第２の実施形態のように、第１圧力センサ１７により計測される分岐部１０の圧力と第２圧力センサ１８により計測される水セパレータ６内部の圧力との圧力差に応じて制御するようにしてもよいし、第１の実施形態のように、燃料電池スタック１のアノード入口におけるガス流量から分岐部１０と水セパレータ６内部との圧力差を推定して、推定した圧力差に応じて電磁バルブ１２の開時間を制御するようにしてもよい。 The controller 20 constantly monitors the measured value of the water level sensor 19 during the system operation, and switches the electromagnetic valve 12 from the closed state to the opened state when the measured value of the water level sensor 19 exceeds a predetermined threshold value. A water level detection switch is provided in place of the water level sensor 19, and the controller 20 switches the electromagnetic valve 12 from the closed state to the open state when the water level of the branching section 10 rises and the water level detection switch is turned on. Also good. As for the opening time of the electromagnetic valve 12, as in the second embodiment described above, the pressure in the branch portion 10 measured by the first pressure sensor 17 and the inside of the water separator 6 measured by the second pressure sensor 18 are used. The pressure difference between the branch portion 10 and the water separator 6 may be determined from the gas flow rate at the anode inlet of the fuel cell stack 1 as in the first embodiment. And the opening time of the electromagnetic valve 12 may be controlled according to the estimated pressure difference.

以上のように、本実施形態の燃料電池システムによれば、滞留液水量を実際に計測して、計測した滞留液水量が所定の閾値以上となったときに、電磁バルブ１２を閉状態から開状態へと切り換えるようにしているので、滞留液水量に応じた電磁バルブ１２の開閉制御をより高精度に行うことができ、液水の排水をさらに効率よく行うことができる。 As described above, according to the fuel cell system of this embodiment, when the amount of staying liquid water is actually measured and the measured amount of staying liquid water exceeds a predetermined threshold, the electromagnetic valve 12 is opened from the closed state. Since the switching to the state is performed, the opening / closing control of the electromagnetic valve 12 according to the amount of staying liquid water can be performed with higher accuracy, and the liquid water can be drained more efficiently.

以上、本発明を適用した燃料電池システムの具体例として第１乃至第３の実施形態を例示して説明したが、以上の各実施形態は本発明の一適用例であり、本発明の技術的範囲が以上の各実施形態で説明した内容に限定されることを意図するものではない。つまり、本発明の技術的範囲は、以上の各実施形態で開示した具体的な技術事項に限らず、この開示から容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。 The first to third embodiments have been illustrated and described as specific examples of the fuel cell system to which the present invention is applied. However, each of the above embodiments is an application example of the present invention, and the technical aspects of the present invention are described. It is not intended that the scope be limited to the contents described in the above embodiments. That is, the technical scope of the present invention is not limited to the specific technical matters disclosed in the above embodiments, but includes various modifications, changes, alternative techniques, and the like that can be easily derived from this disclosure.

第１の実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す図である。It is a figure which shows the principal part structure of the fuel cell system of 1st Embodiment. システム運転中における電磁バルブの動作制御の概要を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the outline | summary of operation | movement control of the electromagnetic valve during system operation. 燃料電池スタックの発電量および燃料電池スタックの温度と滞留液水量との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the electric power generation amount of a fuel cell stack, the temperature of a fuel cell stack, and the amount of stagnant liquid water. 図３に対応した排水カウンタの加減算マップを示す図である。It is a figure which shows the addition / subtraction map of the drainage counter corresponding to FIG. 燃料電池スタックの温度と外気温との温度差に対応した排水カウンタの加算マップを示す図である。It is a figure which shows the addition map of the drainage counter corresponding to the temperature difference of the temperature of a fuel cell stack, and external temperature. 燃料電池スタックの温度と供給燃料ガスの温度との温度差に対応した排水カウンタの加算マップを示す図である。It is a figure which shows the addition map of the waste_water | drain counter corresponding to the temperature difference of the temperature of a fuel cell stack, and the temperature of supply fuel gas. 燃料電池スタックのアノード入口における燃料ガス流量と、分岐部と水セパレータ内部との圧力差、電磁バルブの開時間との関係のマップを示す図である。It is a figure which shows the map of the relationship between the fuel gas flow volume in the anode inlet_port | entrance of a fuel cell stack, the pressure difference between a branch part and the inside of a water separator, and the open time of an electromagnetic valve. 第２の実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す図である。It is a figure which shows the principal part structure of the fuel cell system of 2nd Embodiment. 分岐部と水セパレータ内部の圧力差と、電磁バルブの開時間との関係のマップを示す図である。It is a figure which shows the map of the relationship between the pressure difference inside a branch part and a water separator, and the open time of an electromagnetic valve. 第３の実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す図である。It is a figure which shows the principal part structure of the fuel cell system of 3rd Embodiment.

Explanation of symbols

１燃料電池スタック
５アノード循環ライン
６水セパレータ
７循環ポンプ
１０分岐部
１１分岐配管
１２電磁バルブ
１３スタック温度センサ（スタック温度計測手段）
１４環境温度センサ（環境温度計測手段）
１５燃料ガス温度センサ（燃料ガス温度計測手段）
１６パワーマネージャ（発電量計測手段）
１７第１圧力センサ
１８第２圧力センサ
１９水位センサ（滞留液水量計測手段）
２０コントローラ（制御手段） DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell stack 5 Anode circulation line 6 Water separator 7 Circulation pump 10 Branch part 11 Branch piping 12 Electromagnetic valve 13 Stack temperature sensor (stack temperature measurement means)
14 Environmental temperature sensor (environmental temperature measurement means)
15 Fuel gas temperature sensor (Fuel gas temperature measuring means)
16 Power manager (power generation measurement means)
17 1st pressure sensor 18 2nd pressure sensor 19 Water level sensor (Residual liquid water amount measuring means)
20 controller (control means)

Claims

A fuel cell stack;
An anode circulation line for circulating unreacted exhaust gas discharged from the anode outlet of the fuel cell stack to the anode inlet side of the fuel cell stack;
In a fuel cell system comprising: a water separator that separates and discharges liquid water from exhaust fuel gas flowing through the anode circulation line;
A fuel cell system, wherein a branch portion is provided in a pipe between the water separator and an anode inlet of the fuel cell stack, and the branch section and the water separator are connected by a branch pipe.

The fuel cell system according to claim 1, wherein a water reservoir portion in which liquid water is accumulated is provided in the branch portion.

The fuel cell system according to claim 1, wherein an electromagnetic valve is provided in the branch pipe.

4. The fuel cell system according to claim 3, further comprising control means for controlling the operation of the electromagnetic valve.

The control means estimates the amount of staying liquid water remaining in the pipe between the water separator and the anode inlet of the fuel cell stack, and the electromagnetic wave when the estimated value of the staying liquid water amount exceeds a threshold value. The fuel cell system according to claim 4, wherein the valve is switched from a closed state to an open state.

A power generation amount measuring means for measuring the power generation amount of the fuel cell stack;
The fuel cell system according to claim 5, wherein the control unit estimates the amount of staying liquid water using a measurement value of the power generation amount measurement unit.

A stack temperature measuring means for directly or indirectly measuring the temperature of the fuel cell stack;
7. The fuel cell system according to claim 5, wherein the control unit estimates the amount of staying liquid water using a measurement value of the stack temperature measurement unit.

It further comprises an environmental temperature measuring means for measuring the temperature of the system installation environment,
The fuel cell system according to claim 7, wherein the control unit estimates the amount of staying liquid water using a difference between a measurement value of the stack temperature measurement unit and a measurement value of the environmental temperature measurement unit.

Fuel gas temperature measuring means for measuring the temperature of the fuel gas newly supplied to the anode inlet of the fuel cell stack,
The fuel according to claim 7 or 8, wherein the control means estimates the amount of staying liquid water using a difference between a measurement value of the stack temperature measurement means and a measurement value of the fuel gas temperature measurement means. Battery system.

A retained liquid water amount measuring means for measuring the amount of retained liquid water remaining in a pipe between the water separator and the anode inlet of the fuel cell stack;
5. The fuel cell system according to claim 4, wherein the control unit switches the electromagnetic valve from a closed state to an open state when a measured value of the staying liquid water amount measuring unit is equal to or greater than a threshold value.

The control means estimates a pressure difference between the pressure at the branching portion and the pressure at the water separator from the gas flow rate at the anode inlet of the fuel cell stack, and controls the opening time of the electromagnetic valve according to the estimation result The fuel cell system according to claim 4, wherein the fuel cell system is a fuel cell system.

A first pressure sensor for measuring a pressure in the branch part;
A second pressure sensor for measuring the pressure in the water separator,
The said control means controls the open time of the said electromagnetic valve according to the difference of the measured value by the said 1st pressure sensor, and the measured value by the said 2nd pressure sensor. The fuel cell system according to claim 1.

A circulation pump installed in the anode circulation line and pumping exhaust fuel gas;
The fuel cell according to any one of claims 4 to 12, wherein the control means switches the electromagnetic valve from a closed state to an open state when the system is stopped, and temporarily operates the circulation pump. system.

The fuel cell system according to any one of claims 4 to 13, wherein the control means opens the electromagnetic valve for a predetermined time when the system is started.

The fuel cell system according to claim 3, wherein a normal open valve is used as the electromagnetic valve.