JP2010192251A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system preventing a back pressure valve formed downstream of an oxidant gas flow passage from freezing. <P>SOLUTION: The fuel cell system 1 is equipped with a fuel cell stack 10 possessing an anode flow passage 11 and a cathode flow passage 12, an oxidant gas supply passage, an oxidant gas exhaust passage, the back pressure valve 36, a scavenging gas supply means, and an ECU 50 (Electronic Control Unit) controlling the scavenging gas supply means. While the fuel cell stack 10 stops power generation, the scavenging gas supply means supplies the scavenging gas to the cathode passage 12 and scavenges the cathode passage 12. The system is further equipped with a first bypass passage which connects the oxidant gas supply passage to the oxidant gas exhaust passage and bypasses the cathode passage 12, and a first control valve 37 which controls gas passage in the first bypass passage. In the case of scavenging the back pressure valve 36, the ECU 50 controls the first control valve 37 so that the scavenging gas from the scavenging gas supply means is supplied to the back pressure valve 36 through the first bypass passage bypassing the cathode passage 12. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system.

近年、水素(燃料ガス)と、酸素を含む空気(酸化剤ガス)とが供給されることで発電する燃料電池の開発が進められ、例えば、燃料電池車(移動体)の電力源として期待されている。   In recent years, the development of fuel cells that generate electricity by supplying hydrogen (fuel gas) and oxygen-containing air (oxidant gas) has been promoted. For example, it is expected as a power source for fuel cell vehicles (moving bodies). ing.

ところが、このような燃料電池が発電すると、そのカソードで水分(水蒸気)を生成する。したがって、燃料電池の発電停止後、低温環境下(例えば0℃以下)に曝されてしまうと、燃料電池が凍結してしまう虞がある。   However, when such a fuel cell generates power, moisture (water vapor) is generated at the cathode. Therefore, if the fuel cell is exposed to a low-temperature environment (for example, 0 ° C. or less) after power generation is stopped, the fuel cell may freeze.

そこで、発電停止後、燃料電池に掃気ガスを供給し、この掃気ガスによって、内部に残留する水分(水蒸気、結露水等)を燃料電池から押し出し、燃料電池を掃気する技術が提案されている(特許文献1参照)。   Therefore, a technique has been proposed in which scavenging gas is supplied to the fuel cell after power generation is stopped, and moisture (water vapor, condensed water, etc.) remaining inside the fuel cell is pushed out from the fuel cell by the scavenging gas to scavenge the fuel cell ( Patent Document 1).

特開2002−208422号公報JP 2002-208422 A

ところで、燃料電池のカソード流路(酸化剤ガス流路)における空気の圧力は、外部からの発電要求量(例えば燃料電池車のアクセル開度)に対応して、制御する必要がある。そこで、カソード流路の下流に背圧弁を設け、この背圧弁の開度を発電要求量に基づいて制御することで、カソード流路における空気の圧力を制御する技術が考えられる。   By the way, it is necessary to control the pressure of air in the cathode flow path (oxidant gas flow path) of the fuel cell in accordance with the amount of power generation required from the outside (for example, the accelerator opening of the fuel cell vehicle). Therefore, a technique for controlling the air pressure in the cathode flow path by providing a back pressure valve downstream of the cathode flow path and controlling the opening of the back pressure valve based on the required power generation amount can be considered.

ところが、前記した燃料電池の掃気によって、燃料電池は掃気されたものの、燃料電池から押し出された水分が背圧弁に残留・付着し、その後、低温環境下に曝されると、背圧弁が凍結する虞がある。このように背圧弁が凍結した状態では、カソード流路における空気の圧力を適切に制御できず、次回のシステム起動時において、凍結を解消する必要があり、システム起動に時間を要してしまう。   However, although the fuel cell is scavenged by the scavenging of the fuel cell described above, the water pushed out from the fuel cell remains and adheres to the back pressure valve, and then the back pressure valve freezes when exposed to a low temperature environment. There is a fear. When the back pressure valve is frozen as described above, the air pressure in the cathode flow path cannot be appropriately controlled, and it is necessary to eliminate the freezing at the next system startup, which takes time for system startup.

そこで、本発明は、酸化剤ガス流路の下流に設けられた背圧弁の凍結を防止する燃料電池システムを提供することを課題とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell system that prevents freezing of a back pressure valve provided downstream of an oxidant gas flow path.

前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが、それぞれ供給されることで発電する燃料電池と、前記酸化剤ガス流路に向かう酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス供給流路と、前記酸化剤ガス流路から排出された酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス排出流路と、前記酸化剤ガス排出流路に設けられ、前記酸化剤ガス流路における酸化剤ガスの圧力を制御する背圧弁と、掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段と、前記掃気ガス供給手段を制御する制御手段と、を備え、前記燃料電池の発電停止中(システム停止中)、前記掃気ガス供給手段が前記酸化剤ガス供給流路を介して前記酸化剤ガス流路に掃気ガスを供給し、前記酸化剤ガス流路を掃気する燃料電池システムであって、前記酸化剤ガス供給流路と、前記背圧弁の上流の前記酸化剤ガス排出流路とを接続し、前記酸化剤ガス流路をバイパスする第1バイパス流路と、前記第1バイパス流路のガスの通流を制御する第1制御弁と、を備え、前記背圧弁を掃気する場合、前記制御手段は、前記掃気ガス供給手段からの掃気ガスが、前記酸化剤ガス流路をバイパスし、前記第1バイパス流路を介して、前記背圧弁に供給されるように、前記第1制御弁を制御することを特徴とする燃料電池システムである。   As means for solving the above problems, the present invention has a fuel gas flow path and an oxidant gas flow path, the fuel gas in the fuel gas flow path, the oxidant gas in the oxidant gas flow path, A fuel cell that generates electric power by being supplied, an oxidant gas supply channel through which an oxidant gas directed to the oxidant gas channel flows, and an oxidant gas discharged from the oxidant gas channel pass therethrough. An oxidant gas discharge channel that flows; a back pressure valve that is provided in the oxidant gas discharge channel and controls the pressure of the oxidant gas in the oxidant gas channel; and a scavenging gas supply unit that supplies scavenging gas; Control means for controlling the scavenging gas supply means, and when the power generation of the fuel cell is stopped (system stopped), the scavenging gas supply means passes the oxidant gas flow through the oxidant gas supply flow path. Supply scavenging gas to the road, and the oxidant gas A fuel cell system for scavenging a passage, wherein the oxidant gas supply flow path and the oxidant gas discharge flow path upstream of the back pressure valve are connected to bypass the oxidant gas flow path. And a first control valve that controls the flow of gas in the first bypass flow path, and when scavenging the back pressure valve, the control means is configured so that the scavenging gas from the scavenging gas supply means The fuel cell system is characterized in that the first control valve is controlled to bypass the oxidant gas flow path and to be supplied to the back pressure valve via the first bypass flow path.

このような燃料電池システムによれば、背圧弁を掃気する場合、掃気ガス供給手段からの掃気ガスが、酸化剤ガス流路をバイパスし、第1バイパス流路を介して、背圧弁に供給される。つまり、掃気ガスが、燃料電池内の多湿である酸化剤ガス流路をバイパスし、乾燥状態のまま、背圧弁に供給される。これにより、背圧弁を速やかに掃気でき、次回のシステム起動時において、背圧弁の凍結により、起動時間が長くなることはなく、速やかに起動できる。   According to such a fuel cell system, when scavenging the back pressure valve, the scavenging gas from the scavenging gas supply means bypasses the oxidant gas flow path and is supplied to the back pressure valve via the first bypass flow path. The That is, the scavenging gas bypasses the humid oxidant gas flow path in the fuel cell and is supplied to the back pressure valve in a dry state. As a result, the back pressure valve can be quickly scavenged, and at the next system start-up, the start time does not become longer due to the freezing of the back pressure valve, and the back pressure valve can be started quickly.

また、掃気ガスが、一般に流路断面積が小さく、圧力損失(流路抵抗)の大きい酸化剤ガス流路をバイパスするので、掃気ガス供給手段に酸化剤ガス流路から大きな負荷が作用することもない。これにより、掃気ガス供給手段は、エネルギ(後記する実施形態では電力)消費を抑えつつ、滑らかに作動できる。   In addition, since the scavenging gas generally bypasses the oxidant gas channel having a small channel cross-sectional area and a large pressure loss (channel resistance), a large load acts on the scavenging gas supply means from the oxidant gas channel. Nor. Thus, the scavenging gas supply means can operate smoothly while suppressing energy consumption (electric power in the embodiment described later).

また、前記燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記酸化剤ガス流路の掃気後、前記背圧弁を掃気し、当該背圧弁を掃気する場合、前記掃気ガス供給手段からの掃気ガスが、前記酸化剤ガス流路をバイパスし、前記第1バイパス流路を介して、前記背圧弁に供給されるように、前記第1制御弁を制御することを特徴とする。   In the fuel cell system, when the control means scavenges the back pressure valve after scavenging the oxidant gas flow path and scavenges the back pressure valve, the scavenging gas from the scavenging gas supply means The first control valve is controlled to bypass the oxidant gas flow path and to be supplied to the back pressure valve via the first bypass flow path.

このような燃料電池システムによれば、酸化剤ガス流路の掃気後、背圧弁を掃気するので、酸化剤ガス流路から押し出された水分が、仮に背圧弁に留まっていたとしても、この水分が背圧弁から押し出され、背圧弁が掃気される。
また、酸化剤ガス流路の掃気後、背圧弁を掃気する場合も、掃気ガスが酸化剤ガス流路をバイパスするので、背圧弁を速やかに掃気できる。
According to such a fuel cell system, since the back pressure valve is scavenged after scavenging the oxidant gas flow path, even if the water pushed out from the oxidant gas flow path remains in the back pressure valve, Is pushed out of the back pressure valve and the back pressure valve is purged.
Also, when scavenging the back pressure valve after scavenging the oxidant gas flow path, the scavenging gas bypasses the oxidant gas flow path, so that the back pressure valve can be scavenged quickly.

また、前記燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガス供給流路に設けられた冷却装置と、前記冷却装置をバイパスする第2バイパス流路と、前記第2バイパス流路のガスの通流を制御する第2制御弁と、を備え、前記背圧弁を掃気する場合、前記制御手段は、前記掃気ガス供給手段からの掃気ガスが、前記冷却装置をバイパスするように、前記第2制御弁を制御することを特徴とする。   Further, in the fuel cell system, a cooling device provided in the oxidant gas supply channel, a second bypass channel that bypasses the cooling device, and a gas flow in the second bypass channel are controlled. A second control valve, and when scavenging the back pressure valve, the control means controls the second control valve so that the scavenging gas from the scavenging gas supply means bypasses the cooling device It is characterized by that.

このような燃料電池システムによれば、背圧弁を掃気する場合、掃気ガスが、第2バイパス流路を通り、冷却装置で冷却されずに、背圧弁に供給される。すなわち、冷却されていない掃気ガスで背圧弁を掃気することで、背圧弁を速やかに乾燥できる。   According to such a fuel cell system, when scavenging the back pressure valve, the scavenging gas passes through the second bypass flow path and is supplied to the back pressure valve without being cooled by the cooling device. That is, the back pressure valve can be quickly dried by scavenging the back pressure valve with uncooled scavenging gas.

また、前記燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガス供給流路に設けられ、前記酸化剤ガス流路に向かう酸化剤ガスを加湿する加湿器を備え、前記第1バイパス流路は、前記加湿器よりも上流の前記酸化剤ガス供給流路に接続されており、前記背圧弁を掃気する場合、前記掃気ガス供給手段からの掃気ガスが、前記加湿器をバイパスすることを特徴とする。   The fuel cell system further includes a humidifier that is provided in the oxidant gas supply flow path and humidifies the oxidant gas toward the oxidant gas flow path, and the first bypass flow path is provided by the humidifier. Further, the scavenging gas from the scavenging gas supply means bypasses the humidifier when scavenging the back pressure valve.

このような燃料電池システムによれば、背圧弁を掃気する場合、掃気ガスが加湿器をバイパスする。すなわち、掃気ガスが、加湿器で加湿されず、乾燥したまま背圧弁に供給される。このような乾燥したままの掃気ガスによって背圧弁を掃気することで、背圧弁を速やかに乾燥できる。   According to such a fuel cell system, when scavenging the back pressure valve, the scavenging gas bypasses the humidifier. That is, the scavenging gas is not humidified by the humidifier and is supplied to the back pressure valve while being dried. The back pressure valve can be quickly dried by scavenging the back pressure valve with such dry scavenging gas.

また、前記燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、システム温度が前記背圧弁は凍結すると判断される第1温度以下である場合、前記背圧弁のみを掃気し、システム温度が前記燃料電池は凍結すると判断される温度であって、前記第1温度よりも低い第2温度以下である場合、前記酸化剤ガス流路を掃気し、当該酸化剤ガス流路の掃気後、前記背圧弁を掃気することを特徴とする。   In the fuel cell system, when the system temperature is equal to or lower than a first temperature at which the back pressure valve is determined to be frozen, the control means scavenges only the back pressure valve, and the system temperature is frozen at the fuel cell. When the temperature is determined and is equal to or lower than a second temperature lower than the first temperature, scavenging the oxidant gas flow path, and scavenging the back pressure valve after scavenging the oxidant gas flow path It is characterized by.

ここで、背圧弁は、燃料電池よりも熱マスが小さく、温度低下しやすい。
このような燃料電池システムによれば、システム温度が第1温度以下であり、背圧弁は凍結すると判断される場合、背圧弁のみを掃気し、酸化剤ガス流路を掃気しないので、掃気に要するエネルギ(後記する実施形態では電力)の消費を抑えることができる。
また、酸化剤ガス流路の掃気後、背圧弁を再度掃気するので、酸化剤ガス流路から押し出された水分によって背圧弁が凍結することはない。
Here, the back pressure valve has a smaller thermal mass than the fuel cell, and the temperature tends to decrease.
According to such a fuel cell system, when it is determined that the system temperature is equal to or lower than the first temperature and the back pressure valve is frozen, only the back pressure valve is scavenged and the oxidant gas flow path is not scavenged. Energy consumption (electric power in the embodiment described later) can be suppressed.
Further, since the back pressure valve is again scavenged after scavenging the oxidant gas flow path, the back pressure valve is not frozen by moisture pushed out from the oxidant gas flow path.

また、前記燃料電池システムにおいて、前記第1バイパス流路の接続位置よりも下流の前記酸化剤ガス供給流路に設けられ、前記燃料電池の発電停止後に閉状態となる第1封鎖弁と、前記第1バイパス流路の接続位置よりも上流の前記酸化剤ガス排出流路に設けられ、前記燃料電池の発電停止後に閉状態となる第2封鎖弁と、を備え、システム温度が前記第2温度以下となるまで、前記第1封鎖弁及び前記第2封鎖弁が閉状態であり、前記酸化剤ガス流路が封鎖された状態で、前記背圧弁が掃気され、システム温度が前記第2温度以下となった場合、前記第1封鎖弁及び前記第2封鎖弁が開状態となり、前記酸化剤ガス流路が掃気されることを特徴とする。   Further, in the fuel cell system, a first blocking valve that is provided in the oxidant gas supply channel downstream from the connection position of the first bypass channel and is closed after power generation of the fuel cell is stopped, A second blocking valve that is provided in the oxidant gas discharge flow channel upstream of the connection position of the first bypass flow channel and is closed after power generation of the fuel cell is stopped, and the system temperature is the second temperature The back pressure valve is scavenged with the first blocking valve and the second blocking valve closed, the oxidant gas flow path is blocked, and the system temperature is equal to or lower than the second temperature. In this case, the first blocking valve and the second blocking valve are opened, and the oxidant gas flow path is scavenged.

このような燃料電池システムによれば、システム温度が第2温度以下となるまで、第1封鎖弁及び前記第2封鎖弁が閉状態であり、酸化剤ガス流路が封鎖された状態で、前記背圧弁が掃気され、第2温度以下となった場合、第1封鎖弁及び第2封鎖弁が開状態となり、酸化剤ガス流路が掃気される。
すなわち、システム温度が第2温度以下となるまで、酸化剤ガス流路が封鎖された状態で維持されるので、外部から酸化剤ガス流路に空気等が侵入することはなく、燃料電池が劣化しにくくなる。
According to such a fuel cell system, the first blocking valve and the second blocking valve are closed until the system temperature becomes equal to or lower than the second temperature, and the oxidant gas flow path is blocked, When the back pressure valve is scavenged and becomes the second temperature or lower, the first block valve and the second block valve are opened, and the oxidant gas flow path is scavenged.
In other words, since the oxidant gas flow path is kept sealed until the system temperature becomes the second temperature or lower, air or the like does not enter the oxidant gas flow path from the outside, and the fuel cell is deteriorated. It becomes difficult to do.

本発明によれば、酸化剤ガス流路の下流に設けられた背圧弁の凍結を防止する燃料電池システムを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell system which prevents the freezing of the back pressure valve provided downstream of the oxidant gas flow path can be provided.

本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell system which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of the fuel cell system which concerns on this embodiment. 掃気時における背圧弁の開度を段階的に示す図であり、(a)は掃気の初期段階、(b)は掃気の中期段階、(c)は掃気の後期段階を示す。It is a figure which shows the opening degree of the back pressure valve at the time of scavenging in steps, (a) shows the initial stage of scavenging, (b) shows the middle stage of scavenging, and (c) shows the latter stage of scavenging. 変形例に係る掃気時における背圧弁の開度を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the opening degree of the back pressure valve at the time of the scavenging which concerns on a modification.

以下、本発明の一実施形態について、図1〜図4を参照して説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

≪燃料電池システムの構成≫
図1に示す本実施形態に係る燃料電池システム1は、図示しない燃料電池車(移動体)に搭載されている。燃料電池システム1は、燃料電池スタック10と、燃料電池スタック10のアノードに対して水素(燃料ガス、反応ガス)を給排するアノード系と、燃料電池スタック10のカソードに対して酸素を含む空気(酸化剤ガス、反応ガス)を給排するカソード系と、これらを電子制御するECU50(Electronic Control Unit、電子制御装置)と、を備えている。
≪Configuration of fuel cell system≫
A fuel cell system 1 according to this embodiment shown in FIG. 1 is mounted on a fuel cell vehicle (moving body) (not shown). The fuel cell system 1 includes a fuel cell stack 10, an anode system that supplies and discharges hydrogen (fuel gas and reaction gas) to and from the anode of the fuel cell stack 10, and air that contains oxygen with respect to the cathode of the fuel cell stack 10. A cathode system for supplying and discharging (oxidant gas and reaction gas) and an ECU 50 (Electronic Control Unit) for electronically controlling them are provided.

<燃料電池スタック>
燃料電池スタック10は、複数(例えば200〜400枚)の固体高分子型の単セルが積層して構成されたスタックであり、複数の単セルは直列で接続されている。単セルは、MEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)と、これを挟む2枚の導電性を有するセパレータと、を備えている。MEAは、1価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜(固体高分子膜)と、これを挟むアノード及びカソード(電極)とを備えている。
<Fuel cell stack>
The fuel cell stack 10 is a stack formed by stacking a plurality of (eg, 200 to 400) solid polymer type single cells, and the plurality of single cells are connected in series. The single cell includes an MEA (Membrane Electrode Assembly) and two conductive separators sandwiching the MEA. The MEA includes an electrolyte membrane (solid polymer membrane) made of a monovalent cation exchange membrane or the like, and an anode and a cathode (electrode) that sandwich the membrane.

アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体と、これに担持され、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒(Pt、Ru等)と、を含んでいる。   The anode and the cathode include a conductive porous material such as carbon paper, and a catalyst (Pt, Ru, etc.) that is supported on the porous body and causes an electrode reaction in the anode and the cathode.

各セパレータには、各MEAの全面に水素又は空気を供給するための溝や、全単セルに水素又は空気を給排するための貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がアノード流路11(燃料ガス流路)、カソード流路12(酸化剤ガス流路)として機能している。   Each separator is formed with a groove for supplying hydrogen or air to the entire surface of each MEA, and through holes for supplying and discharging hydrogen or air to all single cells. It functions as a channel 11 (fuel gas channel) and a cathode channel 12 (oxidant gas channel).

そして、アノード流路11を介して各アノードに水素が供給されると、式(1)の電極反応が起こり、カソード流路12を介して各カソードに空気が供給されると、式(2)の電極反応が起こり、各単セルで電位差(OCV(Open Circuit Voltage)、開回路電圧)が発生するようになっている。次いで、燃料電池スタック10と走行モータ等の外部回路とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック10が発電するようになっている。
このようにカソードで水分(水蒸気)を生成するため、カソードから排出されるカソードオフガスは、多湿となり、水分(水蒸気、結露水等)を含む。
2H→4H+4e …(1)
+4H+4e→2HO …(2)
When hydrogen is supplied to each anode via the anode flow path 11, the electrode reaction of Formula (1) occurs, and when air is supplied to each cathode via the cathode flow path 12, Formula (2) Thus, a potential difference (OCV (Open Circuit Voltage), open circuit voltage) is generated in each single cell. Next, when the fuel cell stack 10 and an external circuit such as a travel motor are electrically connected and a current is taken out, the fuel cell stack 10 generates power.
Since moisture (water vapor) is generated at the cathode in this way, the cathode off-gas discharged from the cathode becomes humid and contains moisture (water vapor, condensed water, etc.).
2H 2 → 4H + + 4e (1)
O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O (2)

また、各セパレータには、各MEAの全面に冷媒を通流させるための溝が形成されており、これら溝及び貫通孔が冷媒流路13として機能している。
冷媒流路13の入口には、ラジエータ(図示しない)で冷却された冷媒が通流する配管13aが接続されており、冷媒流路13の出口には、冷媒流路13から排出され、前記ラジエータに向かう冷媒が通流する配管13bが接続されている。
Each separator is formed with grooves for allowing the refrigerant to flow through the entire surface of each MEA. These grooves and through holes function as the refrigerant flow path 13.
A pipe 13 a through which a refrigerant cooled by a radiator (not shown) flows is connected to the inlet of the refrigerant flow path 13. The outlet of the refrigerant flow path 13 is discharged from the refrigerant flow path 13, and the radiator A pipe 13b through which the refrigerant directed to the flow passes is connected.

そして、配管13bには、温度センサ14が取り付けられており、温度センサ14は、配管13b内の冷媒の温度をシステム温度として検出し、ECU50に出力するようになっている。
ただし、システム温度を検出する温度センサ14の位置はこれに限定されず、例えば、燃料電池スタック10や背圧弁36に取り付けてもよいし、複数使用してもよい。
And the temperature sensor 14 is attached to the piping 13b, and the temperature sensor 14 detects the temperature of the refrigerant | coolant in the piping 13b as system temperature, and outputs it to ECU50.
However, the position of the temperature sensor 14 for detecting the system temperature is not limited to this. For example, the temperature sensor 14 may be attached to the fuel cell stack 10 or the back pressure valve 36, or a plurality of them may be used.

<アノード系>
アノード系は、水素タンク21と、常閉型の遮断弁22と、を備えている。
水素タンク21は、配管21a、遮断弁22、配管22aを介して、アノード流路11の入口に接続されている。そして、燃料電池スタック10を発電させるため、ECU50からの指令によって遮断弁22が開かれると、水素が、水素タンク21から遮断弁22等を通って、アノード流路11に供給されるようになっている。
<Anode system>
The anode system includes a hydrogen tank 21 and a normally closed shut-off valve 22.
The hydrogen tank 21 is connected to the inlet of the anode flow path 11 via a pipe 21a, a shutoff valve 22, and a pipe 22a. When the shutoff valve 22 is opened by a command from the ECU 50 to generate power in the fuel cell stack 10, hydrogen is supplied from the hydrogen tank 21 to the anode flow path 11 through the shutoff valve 22 and the like. ing.

アノード流路11の出口には、配管22bが接続されている。そして、アノード流路11から排出されたアノードオフガスが、配管22bを通って、車外に排出されるようになっている。   A pipe 22 b is connected to the outlet of the anode channel 11. And the anode off gas discharged | emitted from the anode flow path 11 is discharged | emitted outside the vehicle through the piping 22b.

<カソード系>
カソード系は、コンプレッサ31(酸化剤ガス供給手段、掃気ガス供給手段)と、インタークーラ32(I/C、冷却装置)と、常閉型(又は常開型)の第1封鎖弁33と、加湿器34と、常閉型(又は常開型)の第2封鎖弁35と、常開型の背圧弁36とを備えている。
<Cathode system>
The cathode system includes a compressor 31 (oxidant gas supply means, scavenging gas supply means), an intercooler 32 (I / C, cooling device), a normally closed (or normally open) first block valve 33, A humidifier 34, a normally closed (or normally open) second sealing valve 35, and a normally open back pressure valve 36 are provided.

コンプレッサ31は、配管31a、インタークーラ32、配管32a、第1封鎖弁33と、配管33a、加湿器34、配管34aを介して、カソード流路12の入口に接続されている。そして、コンプレッサ31は、ECU50の指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、配管31a等を介して、カソード流路12に供給するようになっている。   The compressor 31 is connected to the inlet of the cathode channel 12 via a pipe 31a, an intercooler 32, a pipe 32a, a first blocking valve 33, a pipe 33a, a humidifier 34, and a pipe 34a. When the compressor 31 operates in accordance with a command from the ECU 50, the compressor 31 takes in air containing oxygen and supplies the air to the cathode flow path 12 through the piping 31a and the like.

なお、コンプレッサ31は、燃料電池スタック10、背圧弁36の掃気時には、掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段として機能する。また、コンプレッサ31、第1封鎖弁33、第2封鎖弁35、遮断弁22、及び、その他の弁は、燃料電池スタック10及び/又はこの電力を蓄えるバッテリ(図示しない)を電源としている。   The compressor 31 functions as a scavenging gas supply means for supplying a scavenging gas when scavenging the fuel cell stack 10 and the back pressure valve 36. Further, the compressor 31, the first blocking valve 33, the second blocking valve 35, the shutoff valve 22, and other valves are powered by the fuel cell stack 10 and / or a battery (not shown) that stores this electric power.

よって、カソード流路12(酸化剤ガス流路)に向かう空気(酸化剤ガス)が通流する酸化剤ガス供給流路は、配管31aと配管32aと配管33aと配管34aとを備えて構成されている。そして、第1封鎖弁33は、後記する第1バイパス流路を構成する配管37aの接続位置よりも下流であって、加湿器34よりも上流の酸化剤ガス供給流路に設けられている。インタークーラ32は、配管37aの接続位置よりも上流の酸化剤供給流路に設けられている。   Therefore, the oxidant gas supply channel through which air (oxidant gas) toward the cathode channel 12 (oxidant gas channel) flows is configured to include the pipe 31a, the pipe 32a, the pipe 33a, and the pipe 34a. ing. The first blocking valve 33 is provided in the oxidant gas supply flow path downstream of the connection position of the pipe 37 a constituting the first bypass flow path described later and upstream of the humidifier 34. The intercooler 32 is provided in the oxidant supply channel upstream of the connection position of the pipe 37a.

インタークーラ32は、コンプレッサ31で圧縮されることで高温となった空気を冷却するものであり、例えば空冷式、水冷式で構成される。インタークーラ32の上流の配管31aは、配管38a、ECU50によって適宜開かれる常閉型の第2制御弁38、配管38bを介して、配管32aに接続されている。そして、背圧弁36の掃気時に、第2制御弁38が開かれると、コンプレッサ31からの掃気ガスが、インタークーラ32をバイパスするようになっている。   The intercooler 32 cools the air that has been heated to a high temperature by being compressed by the compressor 31. The pipe 31a upstream of the intercooler 32 is connected to the pipe 32a via a pipe 38a and a normally closed second control valve 38 and a pipe 38b that are appropriately opened by the ECU 50. When the second control valve 38 is opened during the scavenging of the back pressure valve 36, the scavenging gas from the compressor 31 bypasses the intercooler 32.

よって、掃気ガスがインタークーラ32をバイパスする第2バイパス流路は、配管38aと配管38bとを備えて構成され、第2バイパス流路に設けられた第2制御弁38が、第2バイパス流路のガスの通流を制御するようになっている。
なお、第2制御弁38に代えて、例えば、配管38aと配管31aとの接続位置に、三方弁(第2制御弁)を設ける構成でもよい。
Therefore, the second bypass flow path in which the scavenging gas bypasses the intercooler 32 is configured to include the pipe 38a and the pipe 38b, and the second control valve 38 provided in the second bypass flow path has the second bypass flow. It controls the flow of gas in the road.
Instead of the second control valve 38, for example, a configuration in which a three-way valve (second control valve) is provided at a connection position between the pipe 38a and the pipe 31a may be employed.

第1封鎖弁33は、ECU50によって制御される常閉型の電磁弁であり、燃料電池スタック10の発電中(システム作動中)は開状態となり、発電停止後、つまり、発電停止中(システム停止中)は閉状態となる。   The first closing valve 33 is a normally closed solenoid valve controlled by the ECU 50, and is open during power generation (system operation) of the fuel cell stack 10, and after power generation is stopped, that is, power generation is stopped (system stop). Middle) is closed.

カソード流路12の出口は、配管34b、加湿器34、配管34c、第2封鎖弁35、配管35a、背圧弁36、配管36aが順に接続されている。そして、カソード流路12から排出されたカソードオフガス(酸化剤ガス)は、配管34b等を介して、車外に排出されるようになっている。   A pipe 34b, a humidifier 34, a pipe 34c, a second blocking valve 35, a pipe 35a, a back pressure valve 36, and a pipe 36a are sequentially connected to the outlet of the cathode channel 12. And the cathode off gas (oxidant gas) discharged | emitted from the cathode flow path 12 is discharged | emitted outside the vehicle via piping 34b etc. As shown in FIG.

よって、カソード流路12(酸化剤ガス流路)から排出された空気(酸化剤ガス)が通流する酸化剤ガス排出流路は、配管34bと配管34cと配管35aと配管36aとを備えて構成されている。そして、第2封鎖弁35は、後記する第1バイパス流路を構成する配管37bの接続位置よりも上流であって、加湿器34よりも下流の酸化剤ガス排出流路に設けられている。   Therefore, the oxidant gas discharge flow path through which the air (oxidant gas flow) discharged from the cathode flow path 12 (oxidant gas flow path) flows includes the pipe 34b, the pipe 34c, the pipe 35a, and the pipe 36a. It is configured. The second blocking valve 35 is provided in the oxidant gas discharge channel upstream of the connection position of the pipe 37b constituting the first bypass channel described later and downstream of the humidifier 34.

加湿器34は、水分透過性を有する中空糸膜34dを複数本内蔵し、この中空糸膜34dを介して、カソード流路12に向かう空気と、カソード流路12から排出された多湿のカソードオフガスとの間で水分交換させ、カソード流路12に向かう空気を加湿するものである。
ただし、加湿方式はこれに限定されず、例えば、カソード流路12に向かう空気を、バブリング方式で加湿するものでもよい。
The humidifier 34 incorporates a plurality of hollow fiber membranes 34d having moisture permeability, and through this hollow fiber membrane 34d, air toward the cathode channel 12 and the humid cathode offgas discharged from the cathode channel 12 Moisture is exchanged between the two and the air toward the cathode channel 12 is humidified.
However, the humidification method is not limited to this, and for example, air that is directed to the cathode flow path 12 may be humidified by a bubbling method.

第2封鎖弁35は、ECU50によって制御される常閉型の電磁弁であり、燃料電池スタック10の発電中(システム作動中)は開状態となり、発電停止後、つまり、発電停止中(システム停止中)は閉状態となる。   The second closing valve 35 is a normally closed electromagnetic valve controlled by the ECU 50, and is open during power generation (system operation) of the fuel cell stack 10, and after power generation is stopped, that is, power generation is stopped (system stop). Middle) is closed.

背圧弁36は、アクセル等からの発電要求量(負荷要求量)に対応して、カソード流路12における空気の圧力を制御するものであり、その開度はECU50によって制御される。このような背圧弁36は、例えばバタフライ弁から構成され、駆動装置(ステッピングモータ等)によって回動軸周りに回動する弁体36bを備えている(図3参照)。
このような背圧弁36は、燃料電池スタック10に対して熱マスが小さく、また、その下流が車外と連通しているため、燃料電池スタック10よりも早期に温度低下し、弁体36bやその流路壁部36cに付着した結露水Wが凍結しやすいという特性を有している(図3参照)。
The back pressure valve 36 controls the air pressure in the cathode flow path 12 corresponding to the power generation request amount (load request amount) from the accelerator or the like, and its opening degree is controlled by the ECU 50. Such a back pressure valve 36 is composed of, for example, a butterfly valve, and includes a valve body 36b that is rotated around a rotation axis by a driving device (stepping motor or the like) (see FIG. 3).
Since such a back pressure valve 36 has a small thermal mass with respect to the fuel cell stack 10 and the downstream thereof communicates with the outside of the vehicle, the temperature drops earlier than the fuel cell stack 10, and the valve body 36 b and its The condensed water W adhering to the flow path wall portion 36c has a characteristic that it is easily frozen (see FIG. 3).

なお、背圧弁36の開度は、下流に向かう掃気ガスと直交する方向を基準(開度:0度)とし、この基準と弁体36bとの間の角度θで示される。また、前記駆動装置がOFFされている場合、弁体36bは2本のリターンスプリングによって、開度が略90度、つまり、全開となるように設計されている。   The opening of the back pressure valve 36 is indicated by an angle θ between the reference and the valve body 36b, with the direction orthogonal to the scavenging gas going downstream as a reference (opening: 0 degree). When the drive device is turned off, the valve body 36b is designed so that the opening degree is approximately 90 degrees, that is, fully opened by two return springs.

配管38bの接続位置よりも下流の配管32aは、配管37a、常閉型の第1制御弁37、配管37bを介して、配管35aに接続されている。
そして、(1)背圧弁36のみを掃気する場合、(2)カソード流路12の掃気後に背圧弁36を掃気する場合、ECU50によって第1制御弁37が開かれると、コンプレッサ31からの掃気ガスが、配管37a及び配管37bを通流することで、カソード流路12及び加湿器34をバイパスし、背圧弁36に供給されるようになっている。
The pipe 32a downstream from the connection position of the pipe 38b is connected to the pipe 35a via the pipe 37a, the normally closed first control valve 37, and the pipe 37b.
Then, (1) when scavenging only the back pressure valve 36, (2) when scavenging the back pressure valve 36 after scavenging the cathode flow path 12, and when the first control valve 37 is opened by the ECU 50, the scavenging gas from the compressor 31 However, by flowing the pipe 37a and the pipe 37b, the cathode flow path 12 and the humidifier 34 are bypassed and supplied to the back pressure valve 36.

よって、カソード流路12及び加湿器34をバイパスする第1バイパス流路は、配管37aと配管37bとを備えて構成され、第1バイパス流路に設けられた第1制御弁37が、第1バイパス流路のガスの通流を制御するようになっている。
なお、第1制御弁37に代えて、例えば、配管37aと配管32aとの接続位置に、三方弁(第1制御弁)を設ける構成でもよい。
Therefore, the first bypass flow path that bypasses the cathode flow path 12 and the humidifier 34 includes the pipe 37a and the pipe 37b, and the first control valve 37 provided in the first bypass flow path includes the first control valve 37. The gas flow in the bypass channel is controlled.
Instead of the first control valve 37, for example, a configuration in which a three-way valve (first control valve) is provided at a connection position between the pipe 37a and the pipe 32a may be employed.

<IG>
IG41は、燃料電池システム1(燃料電池車)の起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。また、IG41はECU50と接続されており、ECU50はIG41のON/OFF信号を検知するようになっている。
<IG>
The IG 41 is a start switch of the fuel cell system 1 (fuel cell vehicle), and is provided around the driver's seat. The IG 41 is connected to the ECU 50, and the ECU 50 detects an ON / OFF signal of the IG 41.

<ECU>
ECU50(制御手段)は、燃料電池システム1を電子制御する制御装置であり、CPU、ROM、RAM、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機能を発揮して、各種機器を制御するようになっている。
<ECU>
The ECU 50 (control means) is a control device that electronically controls the fuel cell system 1 and includes a CPU, a ROM, a RAM, various interfaces, an electronic circuit, and the like, and according to a program stored therein, Various functions are exhibited and various devices are controlled.

具体的には、ECU50は、第1封鎖弁33及び第2封鎖弁35を開閉し、カソード流路12を封鎖/開放する機能を備えている。
また、ECU50は、第1封鎖弁33、第2封鎖弁35、第1制御弁37、及び、第2制御弁38を制御し、コンプレッサ31からの掃気ガスの通流経路を切替制御する機能を備えている。
Specifically, the ECU 50 has a function of opening / closing the first blocking valve 33 and the second blocking valve 35 and blocking / opening the cathode flow path 12.
Further, the ECU 50 has a function of controlling the first blocking valve 33, the second blocking valve 35, the first control valve 37, and the second control valve 38, and switching and controlling the flow path of the scavenging gas from the compressor 31. I have.

<ECU−掃気判定機能>
さらに、ECU50は、IG41のOFF後(燃料電池スタック10の発電停止後)のシステム停止中において、温度センサ14から入力されるシステム温度が、第1温度(例えば10℃)以下である場合、背圧弁36の掃気が必要であると判定する機能を備えている。第1温度は、事前試験等によって求められる温度であって、この後、背圧弁36が凍結すると判断される温度である。
<ECU-scavenging determination function>
Furthermore, when the system temperature input from the temperature sensor 14 is equal to or lower than the first temperature (for example, 10 ° C.) while the system is stopped after the IG 41 is turned off (after the power generation of the fuel cell stack 10 is stopped), the ECU 50 A function for determining that scavenging of the pressure valve 36 is necessary is provided. The first temperature is a temperature obtained by a preliminary test or the like, and is a temperature at which it is determined that the back pressure valve 36 is frozen thereafter.

また、ECU50は、システム停止中において、システム温度が、第2温度(例えば5℃)以下である場合、カソード流路12(燃料電池スタック10)の掃気が必要であると判定する機能を備えている。第2温度は、事前試験等によって求められる温度であって、この後、燃料電池スタック10が凍結すると判断される温度である。なお、燃料電池スタック10は、背圧弁36よりも熱マスが大きく、温度低下しにくいので、第2温度は第1温度よりも低い温度に設定される。   Further, the ECU 50 has a function of determining that scavenging of the cathode flow path 12 (fuel cell stack 10) is necessary when the system temperature is equal to or lower than a second temperature (for example, 5 ° C.) while the system is stopped. Yes. The second temperature is a temperature obtained by a preliminary test or the like, and is a temperature at which the fuel cell stack 10 is determined to be frozen thereafter. The fuel cell stack 10 has a larger thermal mass than the back pressure valve 36 and is unlikely to decrease in temperature, so the second temperature is set to a temperature lower than the first temperature.

≪燃料電池システムの作用効果≫
次に、燃料電池システム1の作用効果について、図2を参照して説明する。
なお、IG41がOFFされると、図2のフローチャートに示す各処理が開始される。
≪Function and effect of fuel cell system≫
Next, the effect of the fuel cell system 1 will be described with reference to FIG.
When the IG 41 is turned off, each process shown in the flowchart of FIG. 2 is started.

ステップS101において、ECU50は、燃料電池スタック10の発電を停止する。
具体的には、ECU50は、燃料電池スタック10と外部負荷(走行用のモータ等)とを電気的に遮断した後、遮断弁22を閉じ、コンプレッサ31を停止する。
In step S101, the ECU 50 stops the power generation of the fuel cell stack 10.
Specifically, the ECU 50 electrically shuts off the fuel cell stack 10 and an external load (traveling motor or the like), then closes the shut-off valve 22 and stops the compressor 31.

ステップS102において、ECU50は、第1封鎖弁33及び第2封鎖弁35を閉じ、カソード流路12を封鎖する。
このようにして、燃料電池スタック10の発電停止後(システム停止後)、発電停止中(システム停止中)において、カソード流路12が封鎖されるので、車外の空気が、第1封鎖弁33又は第2封鎖弁35を通って、カソード流路12に新たに流入することはない。
これにより、MEAを構成するカソード又はアノードの電位の上昇や、OHラジカル等の発生が抑制され、カソード又はアノードの劣化や、電解質膜の分解が抑制される。その結果、燃料電池スタック10の劣化が抑制され、その耐久性が高められている。
In step S102, the ECU 50 closes the first blocking valve 33 and the second blocking valve 35, and blocks the cathode flow path 12.
In this way, the cathode flow path 12 is blocked after the fuel cell stack 10 stops generating power (after the system is stopped) and when power generation is stopped (when the system is stopped). There is no new flow into the cathode channel 12 through the second blocking valve 35.
Thereby, an increase in potential of the cathode or anode constituting the MEA, generation of OH radicals, and the like are suppressed, and deterioration of the cathode or anode and decomposition of the electrolyte membrane are suppressed. As a result, deterioration of the fuel cell stack 10 is suppressed and its durability is enhanced.

ステップS103において、ECU50は、温度センサ14から入力されるシステム温度が、第1温度(例えば10℃)以下であるか否か判定する。
システム温度が第1温度以下であると判定した場合(S103・Yes)、背圧弁36の掃気は必要であると判断し、ECU50の処理はステップS104に進む。一方、システム温度が第1温度以下でないと判定した場合(S103・No)、背圧弁36の掃気は必要でないと判断し、ECU50の処理はステップS105に進む。
In step S103, the ECU 50 determines whether or not the system temperature input from the temperature sensor 14 is equal to or lower than a first temperature (for example, 10 ° C.).
When it is determined that the system temperature is equal to or lower than the first temperature (S103 / Yes), it is determined that scavenging of the back pressure valve 36 is necessary, and the process of the ECU 50 proceeds to step S104. On the other hand, when it is determined that the system temperature is not equal to or lower than the first temperature (S103, No), it is determined that scavenging of the back pressure valve 36 is not necessary, and the process of the ECU 50 proceeds to step S105.

ステップS104において、ECU50は、背圧弁36を掃気する。
具体的には、ECU50は、第1封鎖弁33及び第2封鎖弁35を閉じたまま、第1制御弁37及び第2制御弁38を開いた後、コンプレッサ31を作動する。そうすると、コンプレッサ31からの掃気ガスは、第2制御弁38、第1制御弁37を順に通り、背圧弁36に供給され、背圧弁36が掃気される。
In step S104, the ECU 50 scavenges the back pressure valve 36.
Specifically, the ECU 50 operates the compressor 31 after opening the first control valve 37 and the second control valve 38 with the first block valve 33 and the second block valve 35 closed. Then, the scavenging gas from the compressor 31 passes through the second control valve 38 and the first control valve 37 in order, and is supplied to the back pressure valve 36, and the back pressure valve 36 is scavenged.

すなわち、第2制御弁38及び配管38a、38b(第2バイパス流路)を通り、インタークーラ32をバイパスすることで、コンプレッサ31での圧縮により高温である掃気ガスが、冷却されずそのまま、背圧弁36に供給される。
また、第1制御弁37及び配管37a、37b(第1バイパス流路)を通り、流路断面積が小さく圧力損失の大きいカソード流路12及び加湿器34をバイパスすることで、コンプレッサ31に大きな負荷が作用することなく、掃気ガスが乾燥状態で背圧弁36に供給される。
That is, by passing through the second control valve 38 and the pipes 38a and 38b (second bypass flow paths) and bypassing the intercooler 32, the scavenging gas that is hot due to compression by the compressor 31 is not cooled and is directly It is supplied to the pressure valve 36.
In addition, by bypassing the cathode flow path 12 and the humidifier 34 that pass through the first control valve 37 and the pipes 37a and 37b (first bypass flow paths) and have a small flow sectional area and a large pressure loss, The scavenging gas is supplied to the back pressure valve 36 in a dry state without the load acting.

このように高温かつ乾燥状態の掃気ガスが背圧弁36に供給されるので、背圧弁36内の水分(水蒸気、結露水W)は、掃気ガスによって下流に押し出されると共に、背圧弁36内の乾燥が進む。これにより、背圧弁36の凍結は好適に防止される。   Since scavenging gas in a high temperature and dry state is supplied to the back pressure valve 36 in this way, moisture (water vapor, condensed water W) in the back pressure valve 36 is pushed downstream by the scavenging gas and is dried in the back pressure valve 36. Advances. Thereby, freezing of the back pressure valve 36 is suitably prevented.

なお、このように背圧弁36を掃気する場合、図3(a)に示すように、掃気の初期段階では、開度(角度θ)を小さくし、流路壁部36cに付着した結露水Wを下流に吹き飛ばし、図3(b)に示すように、掃気の中期段階では、開度を全開とし(θ=90度)、弁体36bに付着した結露水Wを吹き飛ばし、図3(c)に示すように、掃気の後期段階では、再び開度を小さくし、流路壁部36cに付着した結露水Wを下流に吹き飛ばすことが好ましい。
この他、図4に示すように、背圧弁36の開度を連続的に変化させてもよい。
When scavenging the back pressure valve 36 in this way, as shown in FIG. 3 (a), at the initial stage of scavenging, the opening (angle θ) is reduced and the condensed water W adhering to the flow path wall 36c. As shown in FIG. 3B, in the middle stage of scavenging, the opening degree is fully opened (θ = 90 degrees), and the condensed water W adhering to the valve body 36b is blown away, and FIG. As shown in FIG. 5, it is preferable to reduce the opening degree again in the latter stage of scavenging, and to blow away the condensed water W adhering to the flow path wall 36c downstream.
In addition, as shown in FIG. 4, the opening degree of the back pressure valve 36 may be continuously changed.

このようにして、背圧弁36を掃気した後、ECU50は、コンプレッサ31を停止し、第1制御弁37及び第2制御弁38を閉じる。その後、ECU50の処理は、ステップS108に進む。   After scavenging the back pressure valve 36 in this way, the ECU 50 stops the compressor 31 and closes the first control valve 37 and the second control valve 38. Thereafter, the processing of the ECU 50 proceeds to step S108.

ステップS105において、ECU50は、ステップS103での判定後、所定時間(例えば30分〜1時間)経過したか否か判定する。
所定時間経過したと判定した場合(S105・Yes)、ECU50の処理はステップS103に進む。これにより、所定時間経過毎に、ステップS103の判定が繰り返されることになり、背圧弁36の凍結が防止される。一方、所定時間経過していないと判定した場合(S105・No)、ECU50の処理はステップS106に進む。
In step S105, the ECU 50 determines whether a predetermined time (for example, 30 minutes to 1 hour) has elapsed after the determination in step S103.
When it is determined that the predetermined time has elapsed (S105, Yes), the process of the ECU 50 proceeds to step S103. As a result, the determination in step S103 is repeated every time a predetermined time elapses, and freezing of the back pressure valve 36 is prevented. On the other hand, when it determines with predetermined time not having passed (S105 * No), the process of ECU50 progresses to step S106.

ステップS106において、ECU50は、IG41がONされたか否か判定する。
IG41はONされたと判定した場合(S106・Yes)、ECU50の処理はステップS107に進む。一方、IG41はONされていないと判定した場合(S106・No)、ECU50の処理はステップS105に進む。
In step S106, the ECU 50 determines whether or not the IG 41 is turned on.
When it is determined that the IG 41 is turned on (S106 / Yes), the process of the ECU 50 proceeds to step S107. On the other hand, when it is determined that the IG 41 is not turned on (No in S106), the process of the ECU 50 proceeds to Step S105.

ステップS107において、ECU50は、IG41がONされたことにより、運転者から起動要求があったと判断して、システムを起動させる。
具体的には、ECU50は、遮断弁22を開き、アノード流路11に水素を供給し、第1封鎖弁33及び第2封鎖弁35を開いた後、コンプレッサ31を作動し、カソード流路12に空気を供給する。その後、ECU50は、燃料電池スタック10と外部負荷とを電気的に接続し、アクセル等からの発電要求量に対応して燃料電池スタック10を発電させる。
In step S107, the ECU 50 determines that an activation request has been received from the driver due to the IG 41 being turned on, and activates the system.
Specifically, the ECU 50 opens the shutoff valve 22, supplies hydrogen to the anode flow path 11, opens the first blocking valve 33 and the second blocking valve 35, then operates the compressor 31, and the cathode flow path 12. To supply air. Thereafter, the ECU 50 electrically connects the fuel cell stack 10 and an external load, and causes the fuel cell stack 10 to generate power in response to a power generation request amount from an accelerator or the like.

ステップS108において、ECU50は、温度センサ14から入力されるシステム温度が、第2温度(例えば5℃)以下であるか否か判定する。
システム温度が第2温度以下であると判定した場合(S108・Yes)、カソード流路12の掃気は必要であると判断し、ECU50の処理はステップS109に進む。一方、システム温度が第2温度以下でないと判定した場合(S108・No)、カソード流路12の掃気は必要でないと判断し、ECU50の処理はステップS110に進む。
In step S108, the ECU 50 determines whether or not the system temperature input from the temperature sensor 14 is equal to or lower than a second temperature (for example, 5 ° C.).
When it is determined that the system temperature is equal to or lower than the second temperature (S108 / Yes), it is determined that scavenging of the cathode flow path 12 is necessary, and the process of the ECU 50 proceeds to step S109. On the other hand, when it is determined that the system temperature is not equal to or lower than the second temperature (S108, No), it is determined that scavenging of the cathode flow path 12 is not necessary, and the process of the ECU 50 proceeds to step S110.

ステップS109において、ECU50は、第1封鎖弁33及び第2封鎖弁35を開き、カソード流路12を車外に開放する。
すなわち、システム温度が第2温度以下となるまで、ステップS104における背圧弁36の掃気中もカソード流路12の封鎖状態を維持するので、車外からカソード流路12に空気が流入せず、燃料電池スタック10の劣化が抑制される。
In step S109, the ECU 50 opens the first blocking valve 33 and the second blocking valve 35, and opens the cathode channel 12 outside the vehicle.
That is, until the system temperature becomes equal to or lower than the second temperature, the closed state of the cathode flow path 12 is maintained even during the scavenging of the back pressure valve 36 in step S104, so that air does not flow into the cathode flow path 12 from the outside of the vehicle, and the fuel cell Deterioration of the stack 10 is suppressed.

ステップS110において、ECU50は、ステップS108での判定後、所定時間(例えば30分〜1時間)経過したか否か判定する。
所定時間経過したと判定した場合(S110・Yes)、ECU50の処理はステップS108に進む。これにより、所定時間経過毎に、ステップS108の判定が繰り返されることになり、燃料電池スタック10の凍結が防止される。一方、所定時間経過していないと判定した場合(S110・No)、ECU50の処理はステップS111に進む。
In step S110, the ECU 50 determines whether a predetermined time (for example, 30 minutes to 1 hour) has elapsed after the determination in step S108.
When it is determined that the predetermined time has elapsed (S110 / Yes), the process of the ECU 50 proceeds to step S108. As a result, the determination in step S108 is repeated every time the predetermined time elapses, and the fuel cell stack 10 is prevented from freezing. On the other hand, when it determines with predetermined time not having passed (S110 * No), the process of ECU50 progresses to step S111.

ステップS111において、ECU50は、IG41がONされたか否か判定する。
IG41はONされたと判定した場合(S111・Yes)、ECU50の処理はステップS107に進む。一方、IG41はONされていないと判定した場合(S111・No)、ECU50の処理はステップS110に進む。
In step S111, the ECU 50 determines whether or not the IG 41 is turned on.
When it is determined that the IG 41 is turned on (S111 / Yes), the processing of the ECU 50 proceeds to step S107. On the other hand, when it is determined that the IG 41 is not turned on (S111, No), the process of the ECU 50 proceeds to step S110.

ステップS112において、ECU50は、燃料電池スタック10のカソード流路12を掃気する。
具体的には、ECU50は、背圧弁36を全開とした後、コンプレッサ31を作動させる。そうすると、コンプレッサ31からの掃気ガスが、インタークーラ32、第1封鎖弁33、加湿器34を通って、カソード流路12に供給される。そして、掃気ガスによって、カソード流路12内の水分(水蒸気、結露水)が、カソード流路12から押し出され、背圧弁36に向かって流出する。これにより、カソード流路12(燃料電池スタック10)の凍結が防止される。
In step S112, the ECU 50 scavenges the cathode flow path 12 of the fuel cell stack 10.
Specifically, the ECU 50 operates the compressor 31 after fully opening the back pressure valve 36. Then, the scavenging gas from the compressor 31 is supplied to the cathode channel 12 through the intercooler 32, the first blocking valve 33, and the humidifier 34. Then, moisture (water vapor, condensed water) in the cathode channel 12 is pushed out of the cathode channel 12 by the scavenging gas and flows out toward the back pressure valve 36. Thereby, freezing of the cathode flow path 12 (fuel cell stack 10) is prevented.

なお、このようにカソード流路12を掃気する場合、掃気ガスがインタークーラ32を経由することにより、掃気ガスは適宜冷却される。これにより、燃料電池スタック10のMEAや、加湿器34の中空糸膜34dが過昇温せず、損傷することはない。
また、このようにカソード流路12を掃気する場合、配管32aと配管22aとを接続する配管(図示しない)を介して、掃気ガスをアノード流路11にも供給し、アノード流路11も掃気することが好ましい。
このようにしてカソード流路12を掃気した後、ECU50の処理は、ステップS113に進む。
In addition, when scavenging the cathode flow path 12 in this way, the scavenging gas is appropriately cooled as the scavenging gas passes through the intercooler 32. As a result, the MEA of the fuel cell stack 10 and the hollow fiber membrane 34d of the humidifier 34 do not overheat and are not damaged.
Further, when scavenging the cathode flow path 12 in this way, the scavenging gas is also supplied to the anode flow path 11 via a pipe (not shown) connecting the pipe 32a and the pipe 22a, and the anode flow path 11 is also scavenged. It is preferable to do.
After scavenging the cathode flow path 12 in this way, the process of the ECU 50 proceeds to step S113.

ステップS113において、ECU50は、第1封鎖弁33及び第2封鎖弁35を閉じ、カソード流路12を再び封鎖する。なお、カソード流路12を封鎖しない構成でもよい。   In step S113, the ECU 50 closes the first blocking valve 33 and the second blocking valve 35, and blocks the cathode channel 12 again. Note that the cathode channel 12 may not be blocked.

ステップS114において、ECU50は、ステップS104と同様に、背圧弁36を掃気する。
具体的には、ECU50は、第1制御弁37及び第2制御弁38を開く。そうすると、コンプレッサ31からの掃気ガスが、インタークーラ32、カソード流路12、及び、加湿器34をバイパスし、背圧弁36に供給される。これにより、カソード流路12から押し出された水分が、仮に背圧弁36に留まっていたとしても、この水分は背圧弁36の下流に押し出され、背圧弁36の凍結は防止される。この場合においても、図3、図4に示すように、背圧弁36の開度を変化させることが好ましい。
In step S114, the ECU 50 scavenges the back pressure valve 36 as in step S104.
Specifically, the ECU 50 opens the first control valve 37 and the second control valve 38. Then, the scavenging gas from the compressor 31 bypasses the intercooler 32, the cathode flow path 12, and the humidifier 34 and is supplied to the back pressure valve 36. Thereby, even if the water pushed out from the cathode flow path 12 stays in the back pressure valve 36, the water is pushed downstream of the back pressure valve 36, and the back pressure valve 36 is prevented from freezing. Also in this case, it is preferable to change the opening degree of the back pressure valve 36 as shown in FIGS.

このようにして、再度、背圧弁36を掃気した後、ECU50は、コンプレッサ31を停止し、第1制御弁37及び第2制御弁38を閉じる。
その後、ECU50の処理は、ステップS115(END)に進み、システム停止状態となる。
Thus, after scavenging the back pressure valve 36 again, the ECU 50 stops the compressor 31 and closes the first control valve 37 and the second control valve 38.
Thereafter, the processing of the ECU 50 proceeds to step S115 (END), and the system is stopped.

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更することができる。   As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, For example, it can change as follows in the range which does not deviate from the meaning of this invention.

前記した実施形態では、カソード流路12の掃気時、掃気ガスが加湿器34を経由する構成を例示したが、例えば、配管33aと配管34aとをバイパス配管(図示しない)で接続し、掃気ガスが加湿器34をバイパスする構成でもよい。   In the above-described embodiment, a configuration in which the scavenging gas passes through the humidifier 34 when scavenging the cathode flow path 12 is illustrated. For example, the piping 33a and the piping 34a are connected by a bypass piping (not shown), May be configured to bypass the humidifier 34.

前記した実施形態では、燃料電池システム1が燃料電池車に搭載された場合を例示したが、その他に例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された燃料電池システムでもよい。また、家庭用の据え置き型の燃料電池システムや、給湯システムに組み込まれた燃料電池システムに、本発明を適用してもよい。   In the above-described embodiment, the case where the fuel cell system 1 is mounted on a fuel cell vehicle has been illustrated. However, for example, a fuel cell system mounted on a motorcycle, a train, or a ship may be used. In addition, the present invention may be applied to a stationary fuel cell system for home use or a fuel cell system incorporated in a hot water supply system.

1 燃料電池システム
10 燃料電池スタック(燃料電池)
11 アノード流路(燃料ガス流路)
12 カソード流路(酸化剤ガス流路)
31 コンプレッサ(酸化剤ガス供給手段、掃気ガス供給手段)
31a、32a、33a、34a 配管(酸化剤ガス供給流路)
32 インタークーラ(冷却装置)
33 第1封鎖弁
34 加湿器
34b、34c、35a、36a 配管(酸化剤ガス排出流路)
35 第2封鎖弁
36 背圧弁
37 第1制御弁
37a、37b 配管(第1バイパス流路)
38 第2制御弁
38a、38b 配管(第2バイパス流路)
50 ECU(制御手段)
W 結露水
1 Fuel Cell System 10 Fuel Cell Stack (Fuel Cell)
11 Anode channel (fuel gas channel)
12 Cathode channel (oxidant gas channel)
31 Compressor (oxidant gas supply means, scavenging gas supply means)
31a, 32a, 33a, 34a Piping (oxidant gas supply flow path)
32 Intercooler (cooling device)
33 1st sealing valve 34 Humidifier 34b, 34c, 35a, 36a Piping (oxidant gas discharge flow path)
35 Second block valve 36 Back pressure valve 37 First control valve 37a, 37b Piping (first bypass flow path)
38 Second control valve 38a, 38b Piping (second bypass flow path)
50 ECU (control means)
W condensed water

Claims (6)

燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが、それぞれ供給されることで発電する燃料電池と、
前記酸化剤ガス流路に向かう酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス供給流路と、
前記酸化剤ガス流路から排出された酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス排出流路と、
前記酸化剤ガス排出流路に設けられ、前記酸化剤ガス流路における酸化剤ガスの圧力を制御する背圧弁と、
掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段と、
前記掃気ガス供給手段を制御する制御手段と、
を備え、前記燃料電池の発電停止中、前記掃気ガス供給手段が前記酸化剤ガス供給流路を介して前記酸化剤ガス流路に掃気ガスを供給し、前記酸化剤ガス流路を掃気する燃料電池システムであって、
前記酸化剤ガス供給流路と、前記背圧弁の上流の前記酸化剤ガス排出流路とを接続し、前記酸化剤ガス流路をバイパスする第1バイパス流路と、
前記第1バイパス流路のガスの通流を制御する第1制御弁と、
を備え、
前記背圧弁を掃気する場合、前記制御手段は、前記掃気ガス供給手段からの掃気ガスが、前記酸化剤ガス流路をバイパスし、前記第1バイパス流路を介して、前記背圧弁に供給されるように、前記第1制御弁を制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell having a fuel gas channel and an oxidant gas channel, wherein fuel gas is generated by supplying fuel gas to the fuel gas channel and oxidant gas to the oxidant gas channel;
An oxidant gas supply channel through which an oxidant gas directed to the oxidant gas channel flows;
An oxidant gas discharge channel through which the oxidant gas discharged from the oxidant gas channel flows;
A back pressure valve that is provided in the oxidant gas discharge channel and controls the pressure of the oxidant gas in the oxidant gas channel;
Scavenging gas supply means for supplying scavenging gas;
Control means for controlling the scavenging gas supply means;
The scavenging gas supply means supplies a scavenging gas to the oxidant gas flow path through the oxidant gas supply flow path and stops scavenging the oxidant gas flow path when the fuel cell is stopped in power generation. A battery system,
A first bypass flow path connecting the oxidant gas supply flow path and the oxidant gas discharge flow path upstream of the back pressure valve to bypass the oxidant gas flow path;
A first control valve for controlling the gas flow in the first bypass flow path;
With
When scavenging the back pressure valve, the control means allows the scavenging gas from the scavenging gas supply means to bypass the oxidant gas flow path and be supplied to the back pressure valve via the first bypass flow path. The fuel cell system, wherein the first control valve is controlled as described above.
前記制御手段は、
前記酸化剤ガス流路の掃気後、前記背圧弁を掃気し、
当該背圧弁を掃気する場合、前記掃気ガス供給手段からの掃気ガスが、前記酸化剤ガス流路をバイパスし、前記第1バイパス流路を介して、前記背圧弁に供給されるように、前記第1制御弁を制御する
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
The control means includes
After scavenging the oxidant gas flow path, scavenging the back pressure valve,
When scavenging the back pressure valve, the scavenging gas from the scavenging gas supply means bypasses the oxidant gas flow path and is supplied to the back pressure valve via the first bypass flow path. The fuel cell system according to claim 1, wherein the first control valve is controlled.
前記酸化剤ガス供給流路に設けられた冷却装置と、
前記冷却装置をバイパスする第2バイパス流路と、
前記第2バイパス流路のガスの通流を制御する第2制御弁と、
を備え、
前記背圧弁を掃気する場合、前記制御手段は、前記掃気ガス供給手段からの掃気ガスが、前記冷却装置をバイパスするように、前記第2制御弁を制御する
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。
A cooling device provided in the oxidant gas supply flow path;
A second bypass flow path that bypasses the cooling device;
A second control valve for controlling the gas flow in the second bypass flow path;
With
When scavenging the back pressure valve, the control means controls the second control valve such that the scavenging gas from the scavenging gas supply means bypasses the cooling device. The fuel cell system according to claim 2.
前記酸化剤ガス供給流路に設けられ、前記酸化剤ガス流路に向かう酸化剤ガスを加湿する加湿器を備え、
前記第1バイパス流路は、前記加湿器よりも上流の前記酸化剤ガス供給流路に接続されており、
前記背圧弁を掃気する場合、前記掃気ガス供給手段からの掃気ガスが、前記加湿器をバイパスする
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
A humidifier that is provided in the oxidant gas supply flow path and humidifies the oxidant gas toward the oxidant gas flow path;
The first bypass flow path is connected to the oxidant gas supply flow path upstream of the humidifier,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein when scavenging the back pressure valve, the scavenging gas from the scavenging gas supply means bypasses the humidifier.
前記制御手段は、
システム温度が前記背圧弁は凍結すると判断される第1温度以下である場合、前記背圧弁のみを掃気し、
システム温度が前記燃料電池は凍結すると判断される温度であって、前記第1温度よりも低い第2温度以下である場合、前記酸化剤ガス流路を掃気し、当該酸化剤ガス流路の掃気後、前記背圧弁を掃気する
ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The control means includes
If the system temperature is below a first temperature at which the back pressure valve is determined to freeze, only the back pressure valve is scavenged;
When the system temperature is a temperature at which the fuel cell is determined to be frozen and is equal to or lower than a second temperature lower than the first temperature, the oxidant gas passage is scavenged, and the oxidant gas passage is scavenged. Thereafter, the back pressure valve is scavenged. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the back pressure valve is scavenged.
前記第1バイパス流路の接続位置よりも下流の前記酸化剤ガス供給流路に設けられ、前記燃料電池の発電停止後に閉状態となる第1封鎖弁と、
前記第1バイパス流路の接続位置よりも上流の前記酸化剤ガス排出流路に設けられ、前記燃料電池の発電停止後に閉状態となる第2封鎖弁と、
を備え、
システム温度が前記第2温度以下となるまで、前記第1封鎖弁及び前記第2封鎖弁が閉状態であり、前記酸化剤ガス流路が封鎖された状態で、前記背圧弁が掃気され、
システム温度が前記第2温度以下となった場合、前記第1封鎖弁及び前記第2封鎖弁が開状態となり、前記酸化剤ガス流路が掃気される
ことを特徴とすることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システム。

A first blocking valve that is provided in the oxidant gas supply flow channel downstream from the connection position of the first bypass flow channel and is closed after power generation of the fuel cell is stopped;
A second blocking valve that is provided in the oxidant gas discharge flow channel upstream of the connection position of the first bypass flow channel and is closed after power generation of the fuel cell is stopped;
With
Until the system temperature becomes equal to or lower than the second temperature, the back-off valve is scavenged with the first and second blocking valves closed, and the oxidant gas flow path blocked.
When the system temperature becomes equal to or lower than the second temperature, the first blocking valve and the second blocking valve are opened, and the oxidant gas flow path is scavenged. Item 5. The fuel cell system according to Item 4.

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