JP2009224179A - Fuel cell system - Google Patents

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Koichi Shiraishi
剛一 白石
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve reduction of a thawing time of water in a water tank, and saving of thawing energy by controlling so that a water amount in the water tank becomes less. <P>SOLUTION: In the case the outside temperature is low, water recovery capacity by a condenser 51 becomes higher. In this case, since water is optionally replenishable, the water amount in the water tank 53 can be set low. In order to adjust the water amount of this water tank 53, the number of rotation of an air cooling fan 511 is controlled, and the water recovery capacity of the condenser 51 is adjusted. Like this, by reducing the water amount in the water tank 53, energy and time consumed for thawing at the time of freezing can be suppressed. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

この発明は、燃料電池システムにかかり、詳しくは、燃料電池システム内の水の貯水量を調整可能な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, and more particularly to a fuel cell system capable of adjusting the amount of water stored in the fuel cell system.

燃料電池システムにおいては、発電時に発生する反応熱を排出するとともに、イオン交換膜を湿潤させるため、水を酸素極に供給する方式のものがある。このような方式では、水をタンク内に収容し、タンク内の水を燃料電池スタックへ霧状にして吹きかけ、さらに吹きかけられた水をタンクに回収して循環させることにより、燃料電池スタックを冷却する構成が採られている。
上記構成において使用される水は、寒冷地では凍結する恐れがあり、水の凍結による燃料電池装置の破損防止や、凍結した水を、始動時に解凍するためのエネルギーを節約する目的から、下記特許文献1に示されているように、発電運転終了時には、タンクや配管内にある水を全て排出するといった燃料電池装置が提案されていた。
特開平11−273704号
Some fuel cell systems supply water to the oxygen electrode in order to discharge reaction heat generated during power generation and to wet the ion exchange membrane. In such a system, water is stored in a tank, the water in the tank is sprayed into the fuel cell stack in a mist, and the sprayed water is collected and circulated in the tank to cool the fuel cell stack. The structure to do is taken.
The water used in the above configuration may freeze in cold regions. The following patents are used to prevent damage to the fuel cell device due to water freezing and to save energy for thawing the frozen water at start-up. As shown in Document 1, a fuel cell device has been proposed in which all water in a tank or piping is discharged at the end of power generation operation.
JP-A-11-273704

しかし、上記従来の燃料電池装置では、多量の水が外部に排出されるため、排出された水が、凍結する恐れがある。また、従来の燃料電池装置は、定位置に設置されて使用されるため、予め排水を処理する設備を整えることが可能である。しかし、車両等の移動体に搭載される燃料電池装置では、駐車される場所は特定の場所とは限らず、排水設備の整っていない場所も多数あり、その様な場所では、車両が駐車される場所が排水によって汚されるといった問題が生じる。
また、発電終了時に水を排出しない場合には、始動する際に凍結した水を解凍するためにエネルギが必要となり、システム全体のエネルギ効率が悪化する。また、解凍時間は水を循環させることができず、燃料電池を発電駆動させるまでの準備時間が長くなり、利便性を欠くといった問題もあった。
However, in the conventional fuel cell device, a large amount of water is discharged to the outside, and thus the discharged water may be frozen. Moreover, since the conventional fuel cell apparatus is installed and used in a fixed position, it is possible to prepare facilities for treating wastewater in advance. However, in a fuel cell device mounted on a moving body such as a vehicle, the place where the vehicle is parked is not limited to a specific place, and there are many places where drainage facilities are not provided. In such a place, the vehicle is parked. The problem is that the place where the water is discharged is polluted by drainage.
Further, when water is not discharged at the end of power generation, energy is required to thaw frozen water at the time of starting, and the energy efficiency of the entire system is deteriorated. In addition, during the thawing time, water cannot be circulated, and the preparation time until the fuel cell is driven to generate electricity becomes longer, resulting in a lack of convenience.

この発明は、水タンク内の水量が少量となるよう制御することにより、水タンク内水の解凍時間の短縮や、解凍エネルギの節約を図ることの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。   An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of shortening the thawing time of water in the water tank and saving thawing energy by controlling the amount of water in the water tank to be small. .

以上のような問題を解決する本発明は、以下のような構成を有する。
(1) 複数の燃料電池を導電性のあるセパレータを介して積層した燃料電池スタックと、 前記燃料電池の酸素極に接触して空気が流通する空気流通路と、 前記燃料電池スタックに対して供給される冷却水を蓄える貯水手段と、 外気温を検出する外気温検出手段と、 前記貯水手段内の水量を検出する水量検出手段と、 前記空気流通路において燃料電池の下流側に設けられ、燃料電池から排出される空気から水を回収し前記貯水手段へ回収した水を供給する水回収手段と、 前記水回収手段による回収水量を調節する回収水量調節手段と、 前記外気温検出手段で検出された外気温と、前記水量検出手段で検出された水量とに基づき、前記回収水量調節手段の回収水量を調節することにより前記貯水手段の水量を調節する貯水量調節手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
The present invention for solving the above problems has the following configuration.
(1) A fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked via a conductive separator, an air flow passage through which air flows in contact with the oxygen electrode of the fuel cell, and supply to the fuel cell stack A storage means for storing the cooling water to be cooled, an outside air temperature detection means for detecting an outside air temperature, a water amount detection means for detecting the amount of water in the water storage means, and provided on the downstream side of the fuel cell in the air flow passage, Water recovery means for recovering water from the air discharged from the battery and supplying the recovered water to the water storage means; recovered water amount adjusting means for adjusting the amount of recovered water by the water recovery means; and detected by the outside air temperature detection means And a water storage amount adjusting means for adjusting the water amount of the water storage means by adjusting the recovered water amount of the recovered water amount adjusting means based on the outside air temperature and the water amount detected by the water amount detecting means. A fuel cell system.

(2) 前記貯水量調節手段は、外気温が高い程、前記貯水手段の水量を多く、外気温が低い程、前記貯水手段の水量を少なく設定する上記(1)に記載の燃料電池システム。   (2) The fuel cell system according to (1), wherein the water storage amount adjustment unit sets the water amount of the water storage unit to be larger as the outside air temperature is higher, and the water amount of the water storage unit to be smaller as the outside air temperature is lower.

請求項1記載の発明によれば、空気流通路から水回収手段が回収した水は貯水手段に供給され、冷却水として燃料電池スタックへ再度供給される。水回収手段による水の回収能力は、外気温が低い程高くなるので、貯水手段に供給できる水量は、外気温に応じて変化する。水回収手段の水供給能の変化に応じて、貯水手段の水量を適正な量に調整することにより、余剰分の水を貯水手段内に溜めておくことが抑制され、最小量の水量を貯水手段内に残すことが可能となる。このように、貯水手段内に残っている水の量が少なくなっているので、凍結した場合の解凍エネルギの節約と、解凍までの時間を短縮することが可能となる。
請求項2記載の発明によれば、外気温が低い程、水の回収効率が高くなるので、貯水手段に溜めておく必要のある水は、少量で済むこととなり、凍結した水を解凍する時のエネルギを節約することが可能となる。
According to the first aspect of the present invention, the water recovered by the water recovery means from the air flow passage is supplied to the water storage means and supplied again to the fuel cell stack as cooling water. Since the water recovery capability of the water recovery means increases as the outside air temperature decreases, the amount of water that can be supplied to the water storage means changes according to the outside air temperature. By adjusting the amount of water in the water storage means to an appropriate amount according to the change in the water supply capacity of the water recovery means, it is possible to suppress the accumulation of excess water in the water storage means, and to store the minimum amount of water. It can be left in the means. In this way, since the amount of water remaining in the water storage means is reduced, it is possible to save thawing energy when frozen and to shorten the time until thawing.
According to the second aspect of the invention, the lower the outside air temperature, the higher the water recovery efficiency. Therefore, only a small amount of water needs to be stored in the water storage means, and when thawing frozen water. Energy can be saved.

次にこの発明の好適実施形態について説明する。この実施形態は、電気自動車に搭載される燃料電池システムである。図1は、この発明の燃料電池システム1の構成例を示すブロック図である。図1に示されているように、この燃料電池システム1は燃料電池スタック100、水素貯蔵タンク11を含む燃料供給系10、空気供給系12、水供給系50、負荷系7とに大略構成される。   Next, a preferred embodiment of the present invention will be described. This embodiment is a fuel cell system mounted on an electric vehicle. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of a fuel cell system 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 is roughly configured by a fuel cell stack 100, a fuel supply system 10 including a hydrogen storage tank 11, an air supply system 12, a water supply system 50, and a load system 7. The

燃料電池スタック100は、燃料電池を構成する膜−電極接合体(単位セル)とセパレータ(集電体)とを積層して構成され、積層された燃料電池の燃料極に燃料ガスとしての水素を、酸化極に酸化ガスとしての空気を供給し、固体高分子電解質層を介して発電反応を生じさせ、発電させる。以下、燃料電池スタック100の構成について説明する。図2は、燃料電池スタック100を構成するセパレータと膜−電極接合体の積層構成を示している。図3は、図2に示される積層構成の上面図である。固体高分子電解質層15aが酸素極15b及び燃料極15cで挟持され、膜−電極接合体15が形成されている。表裏面にリブ32、42を有するカーボンバイポーラープレート3aのリブ32、42が金属多孔体3b、3cに熱圧着され、カーボンバイポーラープレート3aと金属多孔体3b、3cが一体化されて、セパレータとしての集電体13が形成されている。集電体13の金属多孔体側が、膜−電極接合体15の酸素極側及び燃料極側に当接されている。また、リブ32、32の間の空間によって水素流路302が形成され、リブ42、42の間の空間によって空気流路40が形成される。図2では、空気流路40中の空気は上下方向に流れ、水素流路302中の水素は、図面に対し垂直方向に流れている。図3では、リブで仕切られた空気流路40中の空気が、図に対し垂直方向に流れ、水素流路302中の水素は、図の左右方向に流れている。空気流路40中の空気及び水素流路302中の水素は、金属多孔体3b、3cを通過し、酸素極15b及び燃料極15cに到達する。酸素極15bに供給される酸素は、空気流路40を通過する空気中に含有される酸素である。   The fuel cell stack 100 is configured by laminating a membrane-electrode assembly (unit cell) and a separator (current collector) constituting a fuel cell, and hydrogen as a fuel gas is applied to the fuel electrode of the laminated fuel cell. Then, air as an oxidizing gas is supplied to the oxidation electrode to generate a power generation reaction through the solid polymer electrolyte layer to generate power. Hereinafter, the configuration of the fuel cell stack 100 will be described. FIG. 2 shows a laminated structure of the separator and membrane-electrode assembly constituting the fuel cell stack 100. FIG. 3 is a top view of the stacked configuration shown in FIG. The solid polymer electrolyte layer 15a is sandwiched between the oxygen electrode 15b and the fuel electrode 15c, and the membrane-electrode assembly 15 is formed. The ribs 32 and 42 of the carbon bipolar plate 3a having the ribs 32 and 42 on the front and back surfaces are thermocompression bonded to the metal porous bodies 3b and 3c, and the carbon bipolar plate 3a and the metal porous bodies 3b and 3c are integrated to form a separator. A current collector 13 is formed. The metal porous body side of the current collector 13 is in contact with the oxygen electrode side and the fuel electrode side of the membrane-electrode assembly 15. Further, the hydrogen flow path 302 is formed by the space between the ribs 32 and 32, and the air flow path 40 is formed by the space between the ribs 42 and 42. In FIG. 2, the air in the air channel 40 flows in the vertical direction, and the hydrogen in the hydrogen channel 302 flows in the direction perpendicular to the drawing. In FIG. 3, the air in the air flow path 40 partitioned by the ribs flows in the direction perpendicular to the figure, and the hydrogen in the hydrogen flow path 302 flows in the left-right direction in the figure. The air in the air channel 40 and the hydrogen in the hydrogen channel 302 pass through the metal porous bodies 3b and 3c and reach the oxygen electrode 15b and the fuel electrode 15c. The oxygen supplied to the oxygen electrode 15 b is oxygen contained in the air passing through the air flow path 40.

空気流路40には、空気とともに、後述する噴射ノズル55から噴射された霧状の水が流入し、酸素極15bを湿潤状態に維持させるとともに、潜熱冷却により燃料電池スタック100の温度上昇が抑制される。水素流路302には、ガス取入口201BINから供給された燃料ガスとしての水素が流通し、水素流路302を通過した水素は、ガス排出口202OUTから排出される。   Along with air, mist-like water ejected from a later-described ejection nozzle 55 flows into the air flow path 40 to maintain the oxygen electrode 15b in a wet state and suppress the temperature rise of the fuel cell stack 100 by latent heat cooling. Is done. Hydrogen as fuel gas supplied from the gas inlet 201BIN flows through the hydrogen flow path 302, and the hydrogen that has passed through the hydrogen flow path 302 is discharged from the gas discharge port 202OUT.

燃料供給系10の構成について、説明する。燃料ガスボンベである水素貯蔵タンク11には、燃料ガス供給流路201A、201Bを介して燃料電池スタック100のガス取入口201BINに接続されている。燃料ガス供給流路201Aには、水素充填用開閉弁18、一次センサS0、レギュレータ21、水素供給電磁弁22、二次圧センサS2が順に設けられ、この燃料ガス供給流路201Aは、燃料ガス供給流路201Bに接続している。燃料ガス供給流路201Bは、燃料電池スタック100のガス取入口201BINに接続されている。燃料電池スタック100のガス排出口202OUTには、ガス排出流路202の一端が接続され、その他端は、トラップ24に接続されている。トラップ24には、循環流路204の一端と、ガス導出路203の一端がそれぞれ接続されている。ガス導出路203の他端は、後述する空気排出路124に接続されている。ガス導出路203には、排気電磁弁27が設けられている。   The configuration of the fuel supply system 10 will be described. A hydrogen storage tank 11 that is a fuel gas cylinder is connected to a gas inlet 201BIN of the fuel cell stack 100 via fuel gas supply channels 201A and 201B. The fuel gas supply channel 201A is provided with a hydrogen filling on-off valve 18, a primary sensor S0, a regulator 21, a hydrogen supply electromagnetic valve 22, and a secondary pressure sensor S2 in this order. It is connected to the supply flow path 201B. The fuel gas supply channel 201B is connected to the gas inlet 201BIN of the fuel cell stack 100. One end of the gas discharge channel 202 is connected to the gas discharge port 202 OUT of the fuel cell stack 100, and the other end is connected to the trap 24. One end of the circulation flow path 204 and one end of the gas outlet path 203 are connected to the trap 24. The other end of the gas outlet path 203 is connected to an air discharge path 124 described later. An exhaust solenoid valve 27 is provided in the gas outlet passage 203.

循環流路204の他端は、外気流入路206に接続されている。循環流路204には、循環ポンプ25と、循環電磁弁26が設けられており、循環ポンプ25と循環電磁弁26の間には、減圧排出路205の一端が接続されている。減圧排出路205の他端は、空気排出路124内に開口した減圧排出口205OUTとなっており、さらに減圧排出路205には、減圧電磁弁23が設けられている。外気流入路206の他端は、外部に開口し、開口側からフィルタ29、外気導入電磁弁28の順に設けられている。燃料ガス供給流路201B、ガス排出流路202、循環流路204、外気流入路206により、ガスの循環経路が形成される。   The other end of the circulation channel 204 is connected to the outside air inflow channel 206. The circulation flow path 204 is provided with a circulation pump 25 and a circulation electromagnetic valve 26, and one end of a decompression discharge path 205 is connected between the circulation pump 25 and the circulation electromagnetic valve 26. The other end of the reduced pressure discharge path 205 is a reduced pressure discharge port 205OUT opened in the air discharge path 124, and the reduced pressure discharge path 205 is provided with a reduced pressure electromagnetic valve 23. The other end of the outside air inflow path 206 opens to the outside, and the filter 29 and the outside air introduction electromagnetic valve 28 are provided in this order from the opening side. The fuel gas supply channel 201B, the gas discharge channel 202, the circulation channel 204, and the outside air inflow channel 206 form a gas circulation channel.

燃料電池システム1の駆動停止時には、水素供給電磁弁22、循環電磁弁26、排気電磁弁27、外気導入電磁弁28が閉じられ、減圧電磁弁23が開放される。そして、循環ポンプ25を駆動させることにより、燃料電池スタック100内の水素流路302(燃料室)内のガスを吸引し、減圧排出口205OUTから排出する。内部気圧をセンサS2で検出し、所定値(負圧)以下となった時点で、減圧電磁弁23を閉じ、外気導入電磁弁28を開放することにより、外気を水素流路302内に流入させ、水素を空気に置換する。   When driving of the fuel cell system 1 is stopped, the hydrogen supply solenoid valve 22, the circulation solenoid valve 26, the exhaust solenoid valve 27, and the outside air introduction solenoid valve 28 are closed, and the pressure reducing solenoid valve 23 is opened. Then, by driving the circulation pump 25, the gas in the hydrogen flow path 302 (fuel chamber) in the fuel cell stack 100 is sucked and discharged from the reduced pressure discharge port 205OUT. When the internal air pressure is detected by the sensor S2 and becomes equal to or lower than a predetermined value (negative pressure), the pressure reducing solenoid valve 23 is closed and the outside air introduction solenoid valve 28 is opened, so that the outside air flows into the hydrogen flow path 302. Replace hydrogen with air.

次に空気供給系12について説明する。空気供給系12は、空気導入路123と、空気マニホールド54と、空気排出路124とを備えている。空気導入路123には、フィルタ121、外気湿度検出手段としての外気湿度センサS10、外気温検出手段としての外気温度センサS6、空気ファン122、ヒータH、空気入口温度センサS5、空気マニホールド54の順で流入方向に沿って設けられている。空気マニホールド54は、燃料電池スタック100の鉛直上側に設けられ、その内部には、冷却水を噴射するノズル55が設けられている。空気マニホールド54は、燃料電池スタック100の各空気流路40に空気を分割して流入させる。   Next, the air supply system 12 will be described. The air supply system 12 includes an air introduction path 123, an air manifold 54, and an air discharge path 124. In the air introduction path 123, a filter 121, an outside air humidity sensor S10 as outside air humidity detecting means, an outside air temperature sensor S6 as outside air temperature detecting means, an air fan 122, a heater H, an air inlet temperature sensor S5, and an air manifold 54 are arranged in this order. It is provided along the inflow direction. The air manifold 54 is provided vertically above the fuel cell stack 100, and a nozzle 55 for injecting cooling water is provided therein. The air manifold 54 divides and flows air into each air flow path 40 of the fuel cell stack 100.

空気排出路124は、燃料電池スタック100の空気流路40の排出側(下側)に接続され、空気流路40から流出した空気を合流させ、外部へ導流する。空気排出路124には、熱交換を促進する空冷ファン511が取り付けられた凝縮器51が設けられ、続いてフィルタ125が接続されている。水回収手段である凝縮器51は、空気と水分を分離する。また、ノズル55から供給された水も、ここで、回収される。空気排出路124には、排気温度センサS9が設けられ、燃料電池スタック100の温度が間接的に検出される。なお、凝縮器51には、回収水量調節手段としての空冷ファン511が設けられており、外気を凝縮器51内に取り入れて、燃料電池スタック100から排出された空気と外気とを熱交換させる構成となっている。空冷ファン511によって取り入れた外気は、さらに凝縮器51の外側に排出される。空冷ファン511の回転数を調節することによって、凝縮器51の水回収能力が調節される。即ち、空冷ファン511の回転数を上げることで、水回収能力が上がり、回転数を下げることで、水回収能力が下がる。空気導入路123、空気流路40、空気排出路124によって、空気流通路が構成される。   The air discharge path 124 is connected to the discharge side (lower side) of the air flow path 40 of the fuel cell stack 100, joins the air that has flowed out of the air flow path 40, and guides it to the outside. The air discharge path 124 is provided with a condenser 51 to which an air cooling fan 511 that promotes heat exchange is attached, and then a filter 125 is connected. The condenser 51, which is a water recovery means, separates air and moisture. The water supplied from the nozzle 55 is also collected here. An exhaust temperature sensor S9 is provided in the air discharge path 124, and the temperature of the fuel cell stack 100 is indirectly detected. The condenser 51 is provided with an air-cooling fan 511 as a recovery water amount adjusting means, and the outside air is taken into the condenser 51 to exchange heat between the air discharged from the fuel cell stack 100 and the outside air. It has become. The outside air taken in by the air cooling fan 511 is further discharged to the outside of the condenser 51. By adjusting the rotational speed of the air cooling fan 511, the water recovery capability of the condenser 51 is adjusted. That is, increasing the number of rotations of the air cooling fan 511 increases the water recovery capability, and decreasing the number of rotations decreases the water recovery capability. The air introduction passage 123, the air passage 40, and the air discharge passage 124 constitute an air flow passage.

次に、水供給系について説明する。水供給系50は、貯水手段である水タンク53と、凝縮器51で回収した水を水タンク53へ導く導水路52と、水タンク53の水を水供給ポンプ61の吸引口へ導く給水路56と、水供給ポンプ61の吐出口と噴射ノズル55とを接続する排出路561とを有する。導水路52には、回収ポンプ62が設けられている。給水路56には、フィルタ64、送水手段である水供給ポンプ61が順に設けられ、排出路561には水供給電磁弁631と噴射ノズル55とが順に設けられている。   Next, the water supply system will be described. The water supply system 50 includes a water tank 53 that is a water storage means, a water conduit 52 that guides the water collected by the condenser 51 to the water tank 53, and a water supply passage that guides the water in the water tank 53 to the suction port of the water supply pump 61. 56 and a discharge path 561 that connects the discharge port of the water supply pump 61 and the spray nozzle 55. A collection pump 62 is provided in the water conduit 52. The water supply passage 56 is provided with a filter 64 and a water supply pump 61 as water supply means in this order, and the discharge passage 561 is provided with a water supply electromagnetic valve 631 and an injection nozzle 55 in order.

給水路56には、外気取入路54が接続され、該導入路54には、外気取入電磁弁65が設けられている。水タンク53には、水温センサS7と、水量検出手段であるタンク水量センサS8が設けられている。水タンク53には、水タンクヒータ53Hが設けられ、水タンク53内の水が凍結した場合には、該水タンクヒータ53Hで解凍する。凝縮器51と、導水路52と、回収ポンプ62とによって、水回収手段が構成される。凝縮器51には、冷却風としての外気の温度を検出する冷却風温度センサS11と、同じく冷却風としての外気の湿度を検出する冷却風湿度センサS12が設けられている。   An outside air intake passage 54 is connected to the water supply passage 56, and an outside air intake electromagnetic valve 65 is provided in the introduction passage 54. The water tank 53 is provided with a water temperature sensor S7 and a tank water amount sensor S8 which is a water amount detecting means. The water tank 53 is provided with a water tank heater 53H, and when the water in the water tank 53 is frozen, the water tank heater 53H is used for thawing. The condenser 51, the water conduit 52, and the recovery pump 62 constitute water recovery means. The condenser 51 is provided with a cooling air temperature sensor S11 that detects the temperature of outside air as cooling air and a cooling air humidity sensor S12 that detects the humidity of outside air as cooling air.

燃料電池スタック100には、負荷系7が接続されており、燃料電池スタック100で出力される電力は、この負荷系7に供給される。燃料電池スタック100の電極は、配線71を介してリレー72、72に接続され、さらに、リレー72、72は、インバータ73を介してモータ74に接続されている。また、インバータ73には、出力制御装置75を介して補助電源76が接続されている。   A load system 7 is connected to the fuel cell stack 100, and electric power output from the fuel cell stack 100 is supplied to the load system 7. The electrodes of the fuel cell stack 100 are connected to relays 72 and 72 via a wiring 71, and the relays 72 and 72 are further connected to a motor 74 via an inverter 73. In addition, an auxiliary power source 76 is connected to the inverter 73 via an output control device 75.

この負荷系7には、燃料電池スタック100の出力電圧を検出する電圧センサS4と、同じく出力電流を検出する電流センサS3が設けられている。図1に示されるように、燃料電池システム1の制御系は、各センサS0、S2〜S12の検出値が入力され、レギュレータ21、各電磁弁22、23、26〜28、631、632、65、各ポンプ25、62、61、ファン122、ファン511の回転数、ヒータH、水タンクヒータ53H、インバータ73、出力制御装置75を制御する制御装置(FC ECU)200を備えている。この制御装置200には、図示しないイグニッションスイッチが接続され、モータ74の駆動や停止の指示信号が入力される。   The load system 7 is provided with a voltage sensor S4 for detecting the output voltage of the fuel cell stack 100 and a current sensor S3 for detecting the output current. As shown in FIG. 1, the control system of the fuel cell system 1 receives the detection values of the sensors S0, S2 to S12, the regulator 21, the solenoid valves 22, 23, 26 to 28, 631, 632, 65. , Each pump 25, 62, 61, fan 122, rotation number of fan 511, heater H, water tank heater 53 H, inverter 73, and control device (FC ECU) 200 for controlling output control device 75 are provided. An ignition switch (not shown) is connected to the control device 200, and an instruction signal for driving or stopping the motor 74 is input.

以下、本発明の燃料電池システム1の作用について説明する。図4は、燃料電池システム1の駆動終了時の動作を示すフローチャートである。燃料電池システム1の発電起動(駆動開始)を意味する車両のイグニッションスイッチON操作を検出すると(ステップS101)、燃料電池システム1の起動処理(ステップS103)が開始される。
この起動処理は、例えば、既述のような、燃料電池スタック100の水素流路302から置換ガス(空気)を排出し、水素に置換する動作などが行なわれる。
Hereinafter, the operation of the fuel cell system 1 of the present invention will be described. FIG. 4 is a flowchart showing the operation at the end of driving of the fuel cell system 1. When the ignition switch ON operation of the vehicle, which means power generation start (drive start) of the fuel cell system 1, is detected (step S101), start processing (step S103) of the fuel cell system 1 is started.
In this activation process, for example, as described above, a replacement gas (air) is discharged from the hydrogen flow path 302 of the fuel cell stack 100 and replaced with hydrogen.

上記起動処理(ステップS103)に平行して、また、通常発電駆動時において、下記ステップS105〜S119で示される、水量制御処理が実行される。
水温センサS7によって水タンク53内の水温T3を検出し、この水温が設定温度より高いか否か判断する(ステップS105)。このステップは、水が凍結しているか否かを判断するものである。したがって、設定温度よりも低い場合には、解凍する必要があるため、ヒータ53Hをオンし、設定温度よりも高くなるまで水を温める。
水温T3が設定温度以上となった場合には、外気温センサS6又はS11によって外気温T1を、外気湿度センサS10又はS12によって外気湿度H1を、水量センサS8によって水タンク53の水量を、それぞれ検出する(ステップS109)。
In parallel with the start-up process (step S103) and during normal power generation driving, the water amount control process shown in steps S105 to S119 below is executed.
A water temperature T3 in the water tank 53 is detected by the water temperature sensor S7, and it is determined whether or not the water temperature is higher than a set temperature (step S105). This step determines whether or not the water is frozen. Therefore, when it is lower than the set temperature, it is necessary to defrost, so the heater 53H is turned on and the water is warmed until it becomes higher than the set temperature.
When the water temperature T3 is equal to or higher than the set temperature, the outside air temperature sensor S6 or S11 detects the outside air temperature T1, the outside air humidity sensor S10 or S12 detects the outside air humidity H1, and the water amount sensor S8 detects the amount of water in the water tank 53. (Step S109).

次に、図5に示されているマップに基づき、水タンク53内に溜められる水量を決定する(ステップS111)。図5は、検出された外気温T1から水量を決定するマップである。外気温が摂氏A度以下の場合には、水量はL0に維持される。これは、水を噴射ノズル55から噴射してから水タンク53に水が回収されるまでの時間遅れに対して、水タンク53の水が不足しない程度の量である。また、最高値L1は、凝縮器51による水の回収量が最も低い場合に設定される量である。   Next, the amount of water stored in the water tank 53 is determined based on the map shown in FIG. 5 (step S111). FIG. 5 is a map for determining the amount of water from the detected outside air temperature T1. When the outside air temperature is not more than A degrees Celsius, the amount of water is maintained at L0. This is an amount that does not run out of water in the water tank 53 with respect to a time delay from when the water is injected from the injection nozzle 55 to when the water is collected in the water tank 53. The maximum value L1 is an amount set when the amount of water collected by the condenser 51 is the lowest.

さらに、図5のマップ中のグラフ線N0は、外気湿度の年間平均値である場合の外気温と水量の関係を示すものである。外気温が低くなるに応じて、凝縮器51により回収される水の量は多くなるので、水タンク53内の水量は少なく設定することができる。これは、必要に応じて、水タンク53に、水を補給することが可能であるからである。このため、図5のマップ中のグラフ線N0は、外気温が低くなるに従って、水量は少なくなるよう設定されている。   Furthermore, the graph line N0 in the map of FIG. 5 shows the relationship between the outside air temperature and the amount of water in the case of the annual average value of the outside air humidity. As the outside air temperature decreases, the amount of water collected by the condenser 51 increases, so that the amount of water in the water tank 53 can be set small. This is because the water tank 53 can be replenished with water as necessary. For this reason, the graph line N0 in the map of FIG. 5 is set so that the amount of water decreases as the outside air temperature decreases.

外気湿度が、平均値よりも湿度が高い場合には、回収量が平均湿度の場合よりも多く見込まれるので、水タンク53内の水量は少な目に設定されるよう下側のグラフ線N2が採用される。同様に、外気湿度が平均値よりも低い場合には、回収量が平均湿度の場合よりも少なく見込まれるので、水タンク53内の水量は多目に設定されるよう上側のグラフ線N1が採用される。これらの湿度に応じたグラフ線は、検出される湿度値に応じて複数設定されていてもよい。グラフ線N0は、必ずしも直線である必要はなく、曲線、或いは段階的に水量を変化させる構成であってもよい。このように、外気湿度が高い程、水の回収効率が高くなるので、貯水手段に溜めておく必要のある水は、さらに少量で済むこととなり、凍結した水を解凍する時のエネルギを一層節約することが可能となる。   When the outside air humidity is higher than the average value, the recovered amount is expected to be higher than the average humidity, so the lower graph line N2 is adopted so that the amount of water in the water tank 53 is set to be small. Is done. Similarly, when the outside air humidity is lower than the average value, the recovered amount is expected to be smaller than the average humidity, so the upper graph line N1 is adopted so that the amount of water in the water tank 53 is set to a large number. Is done. A plurality of graph lines corresponding to the humidity may be set according to the detected humidity value. The graph line N0 is not necessarily a straight line, and may be a curve or a configuration in which the amount of water is changed stepwise. In this way, the higher the outside air humidity, the higher the water recovery efficiency, so that a smaller amount of water needs to be stored in the water storage means, which saves energy when thawing frozen water. It becomes possible to do.

ステップS111で決定された設定水量に対して、ステップS109で検出された水量が少ないか否か判断する(ステップS113)。少ない場合には、水タンク53内の水量を増やす必要があるので、水の回収量を増やすため、水の回収能力を上げる(ステップS115)。具体的には、凝縮器51の空冷ファン511をオンする。既にオンしている場合には、回転数を上げ、冷却風の風量を上げて冷却能力を上げる。これにより、凝縮器55で回収される水の量が上がり、水タンク53内の水量が増加する。   It is determined whether or not the amount of water detected in step S109 is less than the set amount of water determined in step S111 (step S113). When the amount is small, it is necessary to increase the amount of water in the water tank 53, so that the water recovery capability is increased in order to increase the amount of water recovery (step S115). Specifically, the air cooling fan 511 of the condenser 51 is turned on. If it is already on, increase the number of revolutions and increase the cooling capacity by increasing the cooling air volume. As a result, the amount of water collected by the condenser 55 increases, and the amount of water in the water tank 53 increases.

水タンク53内の水量が設定水量よりも多い場合には、水タンク53内の水量を減らすことができるので、水の回収量を減らすため、水の回収能力を下げる(ステップS117)。具体的には、凝縮器51の空冷ファン511をオフする。又は、回転数を下げ、冷却風の風量を下げて冷却能力を下げる。これにより、凝縮器55で回収される水の量が下がり、噴射ノズル55から排出された水の一部は外気と共に外部に排出され、水タンク53内の水量が減少する。なお、ステップS115、S117での、空冷ファン511の回転数制御は、検出した水量と設定値との差の大きさに応じて変更してもよい。このように、水回収手段は、空冷式凝縮器であるので、空冷ファンの回転数を制御することによって、容易に水の回収量を制御することができる。   When the amount of water in the water tank 53 is larger than the set amount of water, the amount of water in the water tank 53 can be reduced, so that the water collection capacity is lowered in order to reduce the amount of collected water (step S117). Specifically, the air cooling fan 511 of the condenser 51 is turned off. Alternatively, the cooling capacity is lowered by lowering the number of revolutions and lowering the amount of cooling air. As a result, the amount of water collected by the condenser 55 is reduced, and a part of the water discharged from the injection nozzle 55 is discharged together with the outside air to reduce the amount of water in the water tank 53. Note that the rotation speed control of the air cooling fan 511 in steps S115 and S117 may be changed according to the magnitude of the difference between the detected water amount and the set value. Thus, since the water recovery means is an air-cooled condenser, the amount of water recovered can be easily controlled by controlling the rotational speed of the air-cooling fan.

次に、発電停止操作としてのイグニッションスイッチOFF操作がされたか否か判断する(ステップS119)。発電停止操作がなされていない場合には、ステップS109〜S117の動作が繰り返され、外気温と外気湿度に応じて、水タンク53内の水量が調節される。ステップS109〜S117によって、貯水量調節手段が構成される。
発電停止操作がなされた場合には、水タンク53内の水量調節制御は終了し、燃料電池を停止する処理が開始される(ステップS121)。この時点で、停止操作時点での外気温に応じた水量が水タンク53内に溜められており、従来の水量L1より少ない量の水が水タンク53内に溜められることとなる。凍結した場合には、より少ないエネルギで解凍することができる。
Next, it is determined whether or not an ignition switch OFF operation as a power generation stop operation has been performed (step S119). When the power generation stop operation is not performed, the operations in steps S109 to S117 are repeated, and the amount of water in the water tank 53 is adjusted according to the outside air temperature and the outside air humidity. A stored water amount adjusting means is configured by steps S109 to S117.
When the power generation stop operation is performed, the water amount adjustment control in the water tank 53 is finished, and the process of stopping the fuel cell is started (step S121). At this time, the amount of water corresponding to the outside air temperature at the time of the stop operation is stored in the water tank 53, and a smaller amount of water than the conventional water amount L1 is stored in the water tank 53. When frozen, it can be thawed with less energy.

本発明の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the fuel cell system of this invention. 燃料電池スタックを構成するセパレータと膜−電極接合体の積層構成を示す内部透視斜視図である。It is an internal perspective view which shows the laminated structure of the separator and membrane-electrode assembly which comprise a fuel cell stack. 図2に示される積層構成の上面図である。FIG. 3 is a top view of the stacked configuration shown in FIG. 2. 燃料電池システムの駆動終了時の動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation | movement at the time of completion | finish of a drive of a fuel cell system. 外気温と水タンクの水量の設定値との関係を示すマップである。It is a map which shows the relationship between external temperature and the setting value of the amount of water of a water tank.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池システム
100 燃料電池スタック
12 空気供給系
122 空気ファン
123 空気導入路
124 空気排出路
53 水タンク
55 噴射ノズル
552 第2排出口
51 凝縮器
511 空冷ファン
61 水供給ポンプ
S6 外気温センサ
S8 水量センサ
S10 外気湿度センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system 100 Fuel cell stack 12 Air supply system 122 Air fan 123 Air introduction path 124 Air discharge path 53 Water tank 55 Injection nozzle 552 Second discharge port 51 Condenser 511 Air cooling fan 61 Water supply pump S6 Outside air temperature sensor S8 Water quantity Sensor S10 Outside air humidity sensor

Claims (2)

複数の燃料電池を導電性のあるセパレータを介して積層した燃料電池スタックと、
前記燃料電池の酸素極に接触して空気が流通する空気流通路と、
前記燃料電池スタックに対して供給される冷却水を蓄える貯水手段と、
外気温を検出する外気温検出手段と、
前記貯水手段内の水量を検出する水量検出手段と、
前記空気流通路において燃料電池の下流側に設けられ、燃料電池から排出される空気から水を回収し前記貯水手段へ回収した水を供給する水回収手段と、
前記水回収手段による回収水量を調節する回収水量調節手段と、
前記外気温検出手段で検出された外気温と、前記水量検出手段で検出された水量とに基づき、前記回収水量調節手段の回収水量を調節することにより前記貯水手段の水量を調節する貯水量調節手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked via a conductive separator;
An air flow passage through which air flows in contact with the oxygen electrode of the fuel cell;
Water storage means for storing cooling water supplied to the fuel cell stack;
An outside air temperature detecting means for detecting the outside air temperature;
Water amount detection means for detecting the amount of water in the water storage means;
Water recovery means provided on the downstream side of the fuel cell in the air flow passage, for recovering water from the air discharged from the fuel cell and supplying the recovered water to the water storage means;
Recovered water amount adjusting means for adjusting the amount of recovered water by the water recovery means;
Reservoir amount adjustment for adjusting the water amount of the water storage means by adjusting the recovered water amount of the recovered water amount adjusting means based on the outside air temperature detected by the outside air temperature detecting means and the water amount detected by the water amount detecting means. And a fuel cell system.
前記貯水量調節手段は、外気温が高い程、前記貯水手段の水量を多く、外気温が低い程、前記貯水手段の水量を少なく設定する請求項1に記載の燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the water storage amount adjusting unit sets a larger amount of water in the water storage unit as the outside air temperature is higher, and sets a smaller amount of water in the water storage unit as the outside air temperature is lower.
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