JP2010198786A - Fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system Download PDF

Info

Publication number
JP2010198786A
JP2010198786A JP2009039658A JP2009039658A JP2010198786A JP 2010198786 A JP2010198786 A JP 2010198786A JP 2009039658 A JP2009039658 A JP 2009039658A JP 2009039658 A JP2009039658 A JP 2009039658A JP 2010198786 A JP2010198786 A JP 2010198786A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
temperature
scavenging
decrease rate
temperature decrease
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2009039658A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Junpei Ogawa
純平 小河
Kazuhiro Wake
千大 和氣
Koichiro Miyata
幸一郎 宮田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Honda Motor Co Ltd
Original Assignee
Honda Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Honda Motor Co Ltd filed Critical Honda Motor Co Ltd
Priority to JP2009039658A priority Critical patent/JP2010198786A/en
Publication of JP2010198786A publication Critical patent/JP2010198786A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of suppressing deterioration of starting performance at the next starting time. <P>SOLUTION: When the calculated temperature fall rate is less than a prescribed temperature fall rate in which the generated water inside the fuel cell 10 becomes an excessive cooled state during the operation shutdown of a fuel cell system 1, a heater 51 is controlled so that the temperature fall rate may be the prescribed temperature fall rate or more. This control is carried out when the temperature of the fuel cell 10 is a first prescribed temperature higher than a freezing point established below the freezing point (0°C or less). Furthermore, when the temperature of the fuel cell 10 is a second prescribed temperature or more sufficiently higher than 0°C, excessive cooling control is not carried out. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池内部での生成水の凍結を防止する燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system that prevents freezing of produced water inside a fuel cell.

氷点下(0℃以下)における環境下で燃料電池システムを使用すると、燃料電池システムの運転停止時に燃料電池内部で生成水が凍結してしまい、発電有効面積が減少して次回起動時における発電性能が低下するおそれがある。また、燃料電池の各セルを構成するMEA(Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体)が凍結すると、電解質膜の損傷などによって燃料電池の劣化を招くおそれもある。そこで、燃料電池システムの運転停止時に予め燃料電池内部を乾燥したガスで掃気を行い、燃料電池内部に残留する生成水の除去を行うという技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。   If the fuel cell system is used in an environment below freezing (0 ° C or below), the generated water will freeze inside the fuel cell when the fuel cell system is shut down, reducing the effective power generation area and improving the power generation performance at the next startup. May decrease. Moreover, when MEA (Membrane Electrode Assembly) constituting each cell of the fuel cell freezes, the fuel cell may be deteriorated due to damage to the electrolyte membrane. Therefore, a technique has been proposed in which when the fuel cell system is stopped, the inside of the fuel cell is scavenged with a gas that has been dried in advance, and the generated water remaining in the fuel cell is removed (see, for example, Patent Document 1).

特開2002−208422号公報(段落0044〜0047、図3)JP 2002-208422 (paragraphs 0044 to 0047, FIG. 3)

しかしながら、特許文献1に記載の従来の燃料電池システムでは、燃料電池内部の生成水が凍結してから掃気を行ったのでは遅いため、掃気を開始するタイミングとして、凍結する温度に至る前に行う必要がある。これにより、実際に氷点下(0℃以下)にならないような場合でも掃気を行ってしまうことがあったため、掃気を無駄に実行してしまうという問題があった。   However, in the conventional fuel cell system described in Patent Document 1, it is slow that scavenging is performed after the generated water in the fuel cell has been frozen, so the scavenging is started before reaching the freezing temperature. There is a need. As a result, scavenging may be performed even when the temperature does not actually fall below the freezing point (0 ° C. or lower), and thus scavenging is performed wastefully.

また、掃気を行ったとしても完全に水分を排出できていない場合(掃気後に結露等により水分が新たに発生する場合を含む)などにおいては、その水分が掃気後に凍結してしまい、起動性能を低下させるおそれもあった。   In addition, even when scavenging is performed, if the moisture has not been completely discharged (including the case where water is newly generated due to condensation after scavenging), the water freezes after scavenging, and the startup performance is reduced. There was also a risk of lowering.

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、起動時における起動性能の低下を抑制できる燃料電池システムを提供することを目的とする。   The present invention solves the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system that can suppress a decrease in startup performance during startup.

本発明は、反応ガスが供給されて発電を行なう燃料電池と、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、前記燃料電池の温度低下レートを算出する温度低下レート算出手段と、を有する燃料電池システムであって、前記燃料電池の温度を制御する温度制御手段と、前記燃料電池システムの運転停止中に、前記温度低下レート算出手段により算出された前記温度低下レートが、前記燃料電池内部の生成水が過冷却状態となる所定の温度低下レート未満である際には、前記温度低下レートが所定の温度低下レート以上となるように前記温度制御手段を制御する過冷却制御手段と、を有し、前記過冷却制御手段による制御は、前記燃料電池の温度が、過冷却状態の生成水が凍結する氷点よりも高い第1所定温度となるまで実行することを特徴とする。   The present invention provides a fuel cell comprising a fuel cell that is supplied with a reaction gas to generate power, a temperature detection unit that detects a temperature of the fuel cell, and a temperature decrease rate calculation unit that calculates a temperature decrease rate of the fuel cell. A temperature control means for controlling the temperature of the fuel cell; and the temperature decrease rate calculated by the temperature decrease rate calculation means during the stoppage of the operation of the fuel cell. Supercooling control means for controlling the temperature control means so that the temperature reduction rate is equal to or higher than the predetermined temperature reduction rate when the generated water is less than the predetermined temperature reduction rate at which the product water enters a supercooling state. The control by the supercooling control means is executed until the temperature of the fuel cell reaches a first predetermined temperature higher than the freezing point at which the supercooled product water freezes. That.

これによれば、燃料電池内部の生成水が過冷却状態(過冷却水)となるように現在の温度低下レートを制御するため、通常の氷点下(0℃以下)の温度領域においても生成水の凍結を防止でき、次回起動性の低下を抑制することが可能になる。すなわち、燃料電池の温度が所定の温度低下レート以上となるようにゆっくりと低下させることで、生成水が通常の氷点下(0℃以下)でも凍らない過冷却状態を生成することが可能になる。なお、第1所定温度は、0℃以下で過冷却水が凍結する氷点(例えば、マイナス5℃〜マイナス10℃)よりも高い温度(例えばマイナス4℃)に設定される。   According to this, since the current temperature decrease rate is controlled so that the generated water in the fuel cell is in a supercooled state (supercooled water), the generated water is also in a normal temperature range below freezing (0 ° C. or lower). Freezing can be prevented, and it is possible to suppress a decrease in startability next time. That is, it is possible to generate a supercooled state in which the generated water does not freeze even when the generated water is below normal freezing point (0 ° C. or lower) by slowly decreasing the temperature of the fuel cell so as to be equal to or higher than a predetermined temperature decrease rate. The first predetermined temperature is set to a temperature (eg, minus 4 ° C.) higher than the freezing point (eg, minus 5 ° C. to minus 10 ° C.) at which the supercooled water is frozen at 0 ° C. or less.

なお、本発明では、算出された温度低下レートが所定の温度低下レート未満であるとは、燃料電池の温度が急激に低下して生成水を過冷却状態にできないレートであることを意味している。一方、算出された温度低下レートが所定の温度低下レート以上であるとは、燃料電池の温度がゆっくりと(徐々に)低下して生成水を過冷却状態にできるレートであることを意味している。   In the present invention, the calculated temperature decrease rate being less than the predetermined temperature decrease rate means that the temperature of the fuel cell is rapidly decreased and the generated water cannot be brought into a supercooled state. Yes. On the other hand, that the calculated temperature decrease rate is equal to or higher than the predetermined temperature decrease rate means that the temperature of the fuel cell decreases slowly (gradually) and the generated water can be brought into a supercooled state. Yes.

また、前記燃料電池に掃気ガスを導入して前記燃料電池を掃気する掃気手段を有し、前記生成水が過冷却状態である場合に前記掃気手段による掃気を実行することを特徴とする。   Further, scavenging means for scavenging the fuel cell by introducing scavenging gas into the fuel cell is provided, and scavenging by the scavenging means is executed when the generated water is in a supercooled state.

これによれば、生成水が過冷却状態のときに掃気を実行することで、掃気の実行タイミングを従来よりも遅らせることが可能となり、掃気の実行頻度を低減できる。しかも、掃気はバッテリなどの電源を電力として動作させるため、掃気の実行頻度を低減できることにより、エネルギ効率を向上できる。   According to this, by performing scavenging when the generated water is in a supercooled state, it is possible to delay the scavenging execution timing as compared with the prior art, and the scavenging execution frequency can be reduced. In addition, since scavenging operates using a power source such as a battery as power, the efficiency of scavenging can be reduced, thereby improving energy efficiency.

また、前記燃料電池に掃気ガスを導入して前記燃料電池を掃気する掃気手段を有し、前記掃気手段による掃気後に、前記過冷却制御手段による制御を実行することを特徴とする。   The fuel cell further includes scavenging means for introducing a scavenging gas into the fuel cell to scavenge the fuel cell, and after the scavenging by the scavenging means, the control by the supercooling control means is executed.

これによれば、掃気で除去できなかった水分や、掃気後に結露によって生じた水分などの凍結を防止できるため、次回起動性の低下や膜(MEA)劣化を抑制できる。   According to this, since it is possible to prevent freezing of moisture that could not be removed by scavenging or moisture caused by dew condensation after scavenging, it is possible to suppress a decrease in next-time activation and membrane (MEA) degradation.

また、前記温度制御手段は、前記燃料電池を加熱する加熱手段を備えることを特徴とする。   The temperature control means includes a heating means for heating the fuel cell.

これによれば、低温環境下において燃料電池の温度が急激に下がる場合であっても、燃料電池を加熱することによって制御するため、温度低下レートを所定の温度低下レートに維持することが容易になる。   According to this, even when the temperature of the fuel cell is drastically lowered in a low temperature environment, since the control is performed by heating the fuel cell, it is easy to maintain the temperature decrease rate at a predetermined temperature decrease rate. Become.

また、前記温度制御手段は、前記燃料電池の内部に冷媒を循環させる冷媒循環手段を備えることを特徴とする。   Further, the temperature control means includes a refrigerant circulation means for circulating a refrigerant inside the fuel cell.

これによれば、冷媒を循環させることにより、燃料電池の面内および単セルの積層方向の温度の均一化が図れ、局所的に温度低下レートが維持できなくなるのを防止することが可能になる。   According to this, by circulating the refrigerant, the temperature in the plane of the fuel cell and in the stacking direction of the single cells can be made uniform, and it is possible to prevent the temperature decrease rate from being locally maintained. .

また、前記燃料電池の温度が第2所定温度以下ではない場合、前記過冷却制御手段による制御を行わないことを特徴とする。   Further, when the temperature of the fuel cell is not lower than the second predetermined temperature, the control by the supercooling control means is not performed.

これによれば、燃料電池の温度が高い領域における温度低下レートは過冷却状態とは関連性が低いため、第2所定温度を超えている場合に過冷却制御を行わないようにしたことにより、エネルギ効率を向上できる。なお、第2所定温度は、燃料電池が凍結するおそれがなく、過冷却状態にする制御が不要と判断される温度(例えば10℃)に設定される。   According to this, since the temperature decrease rate in the region where the temperature of the fuel cell is high is not related to the supercooling state, the supercooling control is not performed when the temperature exceeds the second predetermined temperature. Energy efficiency can be improved. Note that the second predetermined temperature is set to a temperature (for example, 10 ° C.) at which it is determined that the control to bring the fuel cell into a supercooled state is unnecessary, without fear of freezing.

本発明によれば、起動時における起動性能の低下を抑制できる燃料電池システムを提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell system which can suppress the fall of the starting performance at the time of starting can be provided.

本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。It is a whole lineblock diagram showing the fuel cell system of this embodiment. 本実施形態の燃料電池システムの運転停止時における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 the driving | operation stop of the fuel cell system of this embodiment. 燃料電池の温度変化を示す図であり、(a)は実施例、(b)は比較例である。It is a figure which shows the temperature change of a fuel cell, (a) is an Example, (b) is a comparative example. 本実施形態の燃料電池システムの運転停止時における動作を示す別のフローチャートである。6 is another flowchart showing the operation of the fuel cell system according to the present embodiment when the operation is stopped. 燃料電池の温度変化を示す図である。It is a figure which shows the temperature change of a fuel cell.

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下では、本実施形態の燃料電池システム1を自動車(図示せず)に適用した場合を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、船舶や航空機など、または業務用や家庭用で定置式のものなど電気を必要とするあらゆるものに適用できる。   Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the following, a case where the fuel cell system 1 of the present embodiment is applied to an automobile (not shown) will be described as an example. However, the present invention is not limited to this, and is not limited to this, for ships, airplanes, etc. It can be applied to anything that needs electricity, such as a stationary type for home use.

本実施形態の燃料電池システム1は、燃料電池10、アノード系20、カソード系30、冷媒循環系40、温度制御系50、制御系60などで構成されている。   The fuel cell system 1 according to this embodiment includes a fuel cell 10, an anode system 20, a cathode system 30, a refrigerant circulation system 40, a temperature control system 50, a control system 60, and the like.

燃料電池10は、例えば固体高分子型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell:PEFC)であり、MEA(Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体)を図示しない導電性のセパレータ(図示せず)で挟持してなる単セルを厚み方向に複数積層し、各単セルを電気的に直列に接続した構造を有している。   The fuel cell 10 is, for example, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), and a MEA (Membrane Electrode Assembly) is sandwiched between conductive separators (not shown). A plurality of unit cells are stacked in the thickness direction, and each unit cell is electrically connected in series.

MEAは、電解質膜(固体高分子膜)を、触媒を含むアノードおよびカソード等で挟持した構造を有している。セパレータには、水素(反応ガス、燃料ガス)が通流するアノード流路11、空気(反応ガス、酸化剤ガス)が通流するカソード流路12、および冷媒が通流する冷媒流路13がそれぞれ形成されている。   The MEA has a structure in which an electrolyte membrane (solid polymer membrane) is sandwiched between an anode and a cathode containing a catalyst. The separator has an anode channel 11 through which hydrogen (reactant gas, fuel gas) flows, a cathode channel 12 through which air (reactant gas, oxidant gas) flows, and a refrigerant channel 13 through which refrigerant flows. Each is formed.

アノード流路11は、単セルの積層方向に貫通して各アノードに水素を分配供給する水素導入連通路と、アノードに対向する面に形成された流路と、単セルの積層方向に貫通して各アノードからアノードオフガス(水素など)を集合排出する水素導出連通路とで構成されている。   The anode flow path 11 penetrates in the stacking direction of the single cells, penetrates in the stacking direction of the single cells, the hydrogen introduction communication path for supplying and distributing hydrogen to each anode, the flow path formed on the surface facing the anode, And a hydrogen lead-out communication passage that collects and discharges anode off-gas (such as hydrogen) from each anode.

カソード流路12は、単セルの積層方向に貫通して各カソードに空気を分配供給する空気導入連通路と、カソードに対向する面に形成された流路と、各単セルの積層方向に貫通して各カソードからカソードオフガス(湿潤な空気など)を集合排出する空気導出連通路とで構成されている。   The cathode flow path 12 penetrates in the stacking direction of the single cells, the air introduction communication path for supplying and distributing air to each cathode, the flow path formed on the surface facing the cathode, and the stacking direction of the single cells. Thus, the cathode off-gas (wet air or the like) is collectively discharged from each cathode.

冷媒流路13は、単セルの積層方向に貫通して隣接するセパレータ間に冷媒を分配供給する冷媒導入連通路と、隣接するセパレータ間に形成された流路と、各単セルの積層方向に貫通して隣接するセパレータ間から冷媒を集合排出する冷媒導出連通路とで構成されている。   The refrigerant flow path 13 includes a refrigerant introduction communication path that distributes and supplies refrigerant between adjacent separators penetrating in the stacking direction of the single cells, a flow path formed between the adjacent separators, and a stacking direction of the single cells. It is comprised with the refrigerant | coolant derivation | leading-out passage which collects and discharges a refrigerant | coolant from between the separators which penetrate and adjoin.

このような燃料電池10では、アノードに水素が供給され、カソードに酸素を含む空気が供給されることにより、アノードおよびカソードに含まれる触媒上で電極反応が起こり、燃料電池10が発電可能な状態となる。   In such a fuel cell 10, hydrogen is supplied to the anode and air containing oxygen is supplied to the cathode, so that an electrode reaction occurs on the catalyst included in the anode and the cathode, and the fuel cell 10 can generate power. It becomes.

また、燃料電池10は、図示しない外部負荷と電気的に接続され、外部負荷によって電流が取り出されると、燃料電池10が発電するようになっている。なお、外部負荷とは、走行用のモータ、バッテリやキャパシタなどの充放電可能な蓄電装置、後記するエアコンプレッサ31、ウォータポンプ43などである。   The fuel cell 10 is electrically connected to an external load (not shown), and the fuel cell 10 generates power when current is taken out by the external load. The external load includes a traveling motor, a chargeable / dischargeable power storage device such as a battery and a capacitor, an air compressor 31 and a water pump 43 described later.

アノード系20は、燃料電池10のアノードに対して水素を給排する系であり、水素タンク21、遮断弁22、エゼクタ23、パージ弁24、掃気弁25、配管a1〜a6などで構成されている。   The anode system 20 is a system that supplies and discharges hydrogen to and from the anode of the fuel cell 10, and includes a hydrogen tank 21, a shutoff valve 22, an ejector 23, a purge valve 24, a scavenging valve 25, pipes a1 to a6, and the like. Yes.

水素タンク21は、高純度の水素を高圧で圧縮した容器であり、配管a1を介して下流側の遮断弁22と接続されている。   The hydrogen tank 21 is a container in which high-purity hydrogen is compressed at a high pressure, and is connected to a downstream shut-off valve 22 via a pipe a1.

遮断弁22は、例えば電磁弁作動式のものであり、配管a2を介して下流側のエゼクタ23と接続されている。   The shut-off valve 22 is, for example, an electromagnetic valve actuated type, and is connected to the downstream ejector 23 via a pipe a2.

エゼクタ23は、燃料電池10から排出された未反応の水素を吸引してアノードに戻して再循環させるポンプの一種であり、配管a3を介してアノード流路11の入口と接続されている。また、エゼクタ23の戻りポートは、配管a4を介してアノード流路11の出口と接続されている。   The ejector 23 is a kind of pump that sucks unreacted hydrogen discharged from the fuel cell 10 and returns it to the anode and recirculates it. The ejector 23 is connected to the inlet of the anode channel 11 via a pipe a3. Further, the return port of the ejector 23 is connected to the outlet of the anode flow path 11 via the pipe a4.

パージ弁24は、例えば電磁作動式のものであり、配管a4から分岐して設けられた配管a5に接続されている。このパージ弁24は、例えば燃料電池10の発電中に定期的に開弁して、水素循環路(配管a3,a4、アノード流路11)に蓄積した不純物を排出するとともに、水素タンク21から新鮮な水素を供給して、発電性能の低下を防止するようになっている。   The purge valve 24 is, for example, an electromagnetically operated type, and is connected to a pipe a5 provided by branching from the pipe a4. For example, the purge valve 24 is periodically opened during power generation of the fuel cell 10 to discharge impurities accumulated in the hydrogen circulation paths (pipings a3 and a4, the anode flow path 11) and fresh from the hydrogen tank 21. By supplying fresh hydrogen, the power generation performance is prevented from deteriorating.

掃気弁25は、配管a4から分岐して設けられた配管a6に接続され、燃料電池10の発電停止時に燃料電池10内のアノードを掃気する際に開弁して、燃料電池10内部に残留する生成水を車外に排出するようになっている。   The scavenging valve 25 is connected to a pipe a6 that is branched from the pipe a4. The scavenging valve 25 is opened when scavenging the anode in the fuel cell 10 when power generation of the fuel cell 10 is stopped, and remains inside the fuel cell 10. The generated water is discharged outside the vehicle.

カソード系30は、燃料電池10のカソードに対して空気(酸素)を給排する系であり、エアコンプレッサ31、背圧弁32、掃気ガス導入弁33、配管b1,b2、掃気ガス導入配管b3,b4などで構成されている。   The cathode system 30 is a system for supplying and discharging air (oxygen) to and from the cathode of the fuel cell 10, and includes an air compressor 31, a back pressure valve 32, a scavenging gas introduction valve 33, pipes b1 and b2, and a scavenging gas introduction pipe b3. b4 and the like.

エアコンプレッサ31は、例えば、モータ(図示せず)で駆動される機械式の過給器であり、車外から取り込んだ外気(空気)を圧縮して燃料電池10のカソードに供給する。このエアコンプレッサ31は、配管b1を介してカソード流路12の入口と接続されている。   The air compressor 31 is, for example, a mechanical supercharger that is driven by a motor (not shown), compresses outside air (air) taken from the outside of the vehicle, and supplies the compressed air to the cathode of the fuel cell 10. The air compressor 31 is connected to the inlet of the cathode channel 12 via a pipe b1.

背圧弁32は、例えばバタフライ弁などの開度調節可能な弁で構成され、燃料電池10のカソードに供給される空気の圧力を適宜調節する機能を有する。この背圧弁32は、配管b2を介してカソード流路12の出口と接続されている。   The back pressure valve 32 is configured by a valve whose opening degree can be adjusted, such as a butterfly valve, and has a function of appropriately adjusting the pressure of air supplied to the cathode of the fuel cell 10. The back pressure valve 32 is connected to the outlet of the cathode channel 12 via the pipe b2.

配管b1には、掃気ガス導入配管b3が分岐して接続され、掃気ガス導入配管b3、掃気ガス導入弁33および掃気ガス導入配管b4を介してアノード側の配管a3と接続されている。   A scavenging gas introduction pipe b3 is branched and connected to the pipe b1, and is connected to the anode side pipe a3 via the scavenging gas introduction pipe b3, the scavenging gas introduction valve 33, and the scavenging gas introduction pipe b4.

掃気ガス導入弁33は、掃気ガス導入配管b3,b4の流路を開閉する開閉弁であり、燃料電池システム1の運転停止時においてアノードを掃気する際に後記するECU61によって開弁制御される。   The scavenging gas introduction valve 33 is an on-off valve that opens and closes the flow passages of the scavenging gas introduction pipes b3 and b4, and is controlled to be opened by the ECU 61 described later when scavenging the anode when the operation of the fuel cell system 1 is stopped.

なお、図示していないが、パージ弁24、掃気弁25の下流および背圧弁32の下流は、希釈器に接続されている。そして、希釈器は、アノード流路11から排出されたアノードオフガスとカソード流路12から排出されたカソードオフガスとを混合し、アノードオフガスに含まれる水素を、カソードオフガス(空気等)で希釈するようになっている。希釈後のガスは車外に排出される。   Although not shown, the downstream of the purge valve 24 and the scavenging valve 25 and the downstream of the back pressure valve 32 are connected to a diluter. The diluter mixes the anode off-gas discharged from the anode channel 11 and the cathode off-gas discharged from the cathode channel 12 to dilute hydrogen contained in the anode off-gas with cathode off-gas (air or the like). It has become. The diluted gas is discharged outside the vehicle.

また、図示していないが、カソード系30の配管b1には、加湿器が設けられている。加湿器は、エアコンプレッサ31からの空気を加湿して、燃料電池10のカソードに供給するようになっている。なお、配管b3の上流側の端部は、加湿器の上流側に接続されている。   Moreover, although not shown in figure, the humidifier is provided in the piping b1 of the cathode system 30. FIG. The humidifier humidifies the air from the air compressor 31 and supplies it to the cathode of the fuel cell 10. Note that the upstream end of the pipe b3 is connected to the upstream side of the humidifier.

冷媒循環系40は、燃料電池10を冷却する冷媒循環手段を構成し、ラジエータ41、サーモスタット弁42、ウォータポンプ43、配管c1〜c5などで構成されている。   The refrigerant circulation system 40 constitutes a refrigerant circulation means for cooling the fuel cell 10 and includes a radiator 41, a thermostat valve 42, a water pump 43, pipes c1 to c5, and the like.

ラジエータ41は、燃料電池10の発電時に発生する熱で温められた冷媒を放熱させる機能を有し、配管c1を介して上流側の冷媒流路13の出口と接続されている。   The radiator 41 has a function of dissipating the refrigerant warmed by the heat generated during the power generation of the fuel cell 10, and is connected to the outlet of the upstream refrigerant passage 13 via the pipe c1.

サーモスタット弁42の一方の導入口は、ラジエータ41の冷媒出口と配管c2を介して接続され、他方の導入口は、ラジエータ41をバイパスする配管c3を介して配管c1と接続されている。このサーモスタット弁42は、例えば、ワックスが温度によって体積が変化することにより、ラジエータ41を通る流路とラジエータ41をバイパスする流路との間で切り替わるようになっている。なお、サーモスタット弁42は、後記するECU61からの電気信号により電気的に切り替わるものであってもよい。   One inlet of the thermostat valve 42 is connected to the refrigerant outlet of the radiator 41 via a pipe c <b> 2, and the other inlet is connected to the pipe c <b> 1 via a pipe c <b> 3 that bypasses the radiator 41. The thermostat valve 42 switches between a flow path passing through the radiator 41 and a flow path bypassing the radiator 41, for example, when the volume of the wax changes with temperature. The thermostat valve 42 may be electrically switched by an electric signal from the ECU 61 described later.

ウォータポンプ(W/P)43は、モータ(図示せず)を駆動して冷媒を循環させるものであり、配管c4を介して上流側のサーモスタット弁42の導出口と接続され、配管c5を介して冷媒流路13の入口と接続されている。   The water pump (W / P) 43 drives a motor (not shown) to circulate the refrigerant. The water pump (W / P) 43 is connected to the outlet of the thermostat valve 42 on the upstream side via a pipe c4 and passes through the pipe c5. And connected to the inlet of the refrigerant flow path 13.

温度制御系50は、燃料電池10の温度を制御する系であり、燃料電池10を加熱する手段であるヒータ51(温度制御手段、加熱手段)を備えている。ヒータ51は、例えば、電気式のものであり、電気を熱に変えて燃料電池10を外部から加熱するものである。このヒータ51としては、例えば、発熱体(ニクロム線など)が絶縁粉末を介してさや(シース)に収容されたシースヒータからなり、燃料電池10の周囲を取り囲むように配設することにより構成される。   The temperature control system 50 is a system that controls the temperature of the fuel cell 10 and includes a heater 51 (temperature control means, heating means) that is a means for heating the fuel cell 10. The heater 51 is, for example, an electric type, and heats the fuel cell 10 from the outside by converting electricity into heat. The heater 51 is constituted by, for example, a sheath heater in which a heating element (such as nichrome wire) is accommodated in a sheath (sheath) via insulating powder, and is disposed so as to surround the periphery of the fuel cell 10. .

なお、ヒータ51は、燃料電池システム1の運転停止時に、後記するECU61の制御によって、図示しない蓄電装置の電力を用いて作動するようになっている。ヒータ51が作動することにより、燃料電池10が温められ、燃料電池10の温度が低下する際の温度低下レート(低下速度)が低減、つまり燃料電池10の温度をゆっくり下げて、生成水が過冷却状態となるように制御される。   The heater 51 is operated by using electric power of a power storage device (not shown) under the control of the ECU 61 described later when the operation of the fuel cell system 1 is stopped. By operating the heater 51, the fuel cell 10 is warmed, and the temperature decrease rate (decrease rate) when the temperature of the fuel cell 10 decreases is reduced, that is, the temperature of the fuel cell 10 is slowly decreased, and the generated water is excessive. It is controlled to be in a cooling state.

制御系60は、ECU61、温度センサ62、タイマ63などで構成されている。   The control system 60 includes an ECU 61, a temperature sensor 62, a timer 63, and the like.

ECU61は、CPU(Central Processing Unit)、プログラムを記憶したROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)などで構成され、遮断弁22、パージ弁24、掃気弁25および掃気ガス導入弁33を開閉し、背圧弁32の開度を調節し、エアコンプレッサ31およびウォータポンプ43の各モータの回転速度を調節する。   The ECU 61 includes a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory) that stores a program, a RAM (Random Access Memory), and the like. The ECU 61 includes a shutoff valve 22, a purge valve 24, a scavenging valve 25, and a scavenging gas introduction valve 33. It opens and closes, the opening degree of the back pressure valve 32 is adjusted, and the rotational speed of each motor of the air compressor 31 and the water pump 43 is adjusted.

また、ECU61は、温度低下レート算出手段と過冷却制御手段を備えている。   Further, the ECU 61 includes a temperature decrease rate calculation unit and a supercooling control unit.

温度低下レート算出手段は、燃料電池10の温度が低下する際の温度低下レートを算出する手段である。温度低下レートとは、例えば単位時間当たりの燃料電池10の温度の低下量(温度差)を意味している。   The temperature decrease rate calculating means is a means for calculating a temperature decrease rate when the temperature of the fuel cell 10 decreases. The temperature decrease rate means, for example, a decrease amount (temperature difference) of the temperature of the fuel cell 10 per unit time.

過冷却制御手段は、温度低下レート算出手段により算出された温度低下レートが、燃料電池10の内部の生成水が過冷却状態(過冷却水)となるように制御する手段である。つまり、算出した温度低下レートが、所定の温度低下レート未満である際には、ヒータ51により燃料電池10を加熱して、温度低下レートを所定の温度低下レート以上となるように制御する。この過冷却制御手段による制御は、燃料電池10の温度が、過冷却状態の生成水が凍結する氷点(例えば、マイナス5℃〜マイナス10℃)より高い温度である第1所定温度になるまで実行する。   The supercooling control means is a means for controlling the temperature reduction rate calculated by the temperature reduction rate calculation means so that the generated water in the fuel cell 10 is in a supercooled state (supercooled water). That is, when the calculated temperature decrease rate is less than the predetermined temperature decrease rate, the fuel cell 10 is heated by the heater 51 and the temperature decrease rate is controlled to be equal to or higher than the predetermined temperature decrease rate. The control by the supercooling control means is executed until the temperature of the fuel cell 10 reaches a first predetermined temperature that is higher than the freezing point (eg, minus 5 ° C. to minus 10 ° C.) at which the supercooled product water is frozen. To do.

温度センサ62(温度検出手段)は、燃料電池10の温度を検出するものであり、冷媒流路13の出口近傍に設けられている。なお、温度センサ62は、燃料電池10の温度を検出できるものであれば、その位置は限定されず、アノード流路11の出入口、カソード流路12の出入口などであってもよく、あるいは燃料電池10を直接に測定するものであってもよい。   The temperature sensor 62 (temperature detection means) detects the temperature of the fuel cell 10 and is provided in the vicinity of the outlet of the refrigerant flow path 13. The position of the temperature sensor 62 is not limited as long as it can detect the temperature of the fuel cell 10, and may be an inlet / outlet of the anode channel 11, an inlet / outlet of the cathode channel 12, or the fuel cell. 10 may be measured directly.

タイマ63は、燃料電池10の温度の定期的な監視、後記する温度低下レートを算出する際の経過時間(単位時間)を測定するのに用いられる。   The timer 63 is used to periodically monitor the temperature of the fuel cell 10 and measure an elapsed time (unit time) when calculating a temperature decrease rate which will be described later.

次に本実施形態の燃料電池システム1の動作について図2および図3を参照して説明する。まず、車両のイグニッションスイッチ(図示せず)がオン(以下、IG−ONと表記する)されて、燃料電池システム1が運転中である場合、ECU61は、掃気ガス導入弁33を閉じた状態において、遮断弁22を開弁して、水素タンク21から燃料電池10のアノードに水素を供給し、またエアコンプレッサ31を駆動して、燃料電池10のカソードに空気(酸素)を供給することによって発電が行われている。   Next, the operation of the fuel cell system 1 of the present embodiment will be described with reference to FIGS. First, when the ignition switch (not shown) of the vehicle is turned on (hereinafter referred to as IG-ON) and the fuel cell system 1 is in operation, the ECU 61 closes the scavenging gas introduction valve 33. Then, the shutoff valve 22 is opened, hydrogen is supplied from the hydrogen tank 21 to the anode of the fuel cell 10, and the air compressor 31 is driven to supply air (oxygen) to the cathode of the fuel cell 10. Has been done.

また、発電時においては、燃料電池10のカソードで生成された水は、背圧弁32を通って車外に排出されるとともに、電解質膜を介してアノードに透過する。アノードに残留する水分が過剰になると発電性能が低下するので、ECU61は、パージ弁24を適宜開弁して、生成水を車外に排出する。   During power generation, water generated at the cathode of the fuel cell 10 is discharged outside the vehicle through the back pressure valve 32 and permeates to the anode through the electrolyte membrane. When the moisture remaining on the anode becomes excessive, the power generation performance is lowered. Therefore, the ECU 61 opens the purge valve 24 as appropriate, and discharges generated water to the outside of the vehicle.

また、発電時において、ECU61は、ウォータポンプ43を駆動して、冷媒を循環させることにより、燃料電池10が過剰に高い温度にならないように制御している。なお、冷媒の温度が所定値以下のときには、冷媒がラジエータ41をバイパスする配管c3を通るようにサーモスタット弁42が切り替えられ、所定値を超えたときには、冷媒がラジエータ41側に通流するようにサーモスタット弁42が切り替えられる。   Further, during power generation, the ECU 61 controls the fuel cell 10 so as not to become excessively high temperature by driving the water pump 43 and circulating the refrigerant. When the temperature of the refrigerant is equal to or lower than the predetermined value, the thermostat valve 42 is switched so that the refrigerant passes through the pipe c3 that bypasses the radiator 41. When the temperature exceeds the predetermined value, the refrigerant flows to the radiator 41 side. The thermostat valve 42 is switched.

そして、イグニッションスイッチがオフ(IG−OFF)されて、燃料電池システム1の運転が停止されると、ステップS100において、ECU61は、燃料電池10(FC:Fuel Cell)の温度検出を開始する。このFC温度の検出は、タイマ63を用いて定期的に行われるものであり、IG−OFF後において予め設定された所定時間が経過したときに温度センサ62からFC温度を取得するようになっている。FC温度の検出後、ECU61は、タイマ63をリセットして、再び所定時間が経過したときに温度センサ62によりFC温度を取得する。   When the ignition switch is turned off (IG-OFF) and the operation of the fuel cell system 1 is stopped, in step S100, the ECU 61 starts detecting the temperature of the fuel cell 10 (FC: Fuel Cell). The detection of the FC temperature is periodically performed using the timer 63, and the FC temperature is acquired from the temperature sensor 62 when a predetermined time has elapsed after the IG-OFF. Yes. After detecting the FC temperature, the ECU 61 resets the timer 63 and acquires the FC temperature by the temperature sensor 62 when a predetermined time has passed again.

そして、ステップS110に進み、ECU61は、FC温度が第2所定温度以下であるか否かを判断する。この第2所定温度とは、過冷却制御手段による制御を実行するか否かを判断する閾値であり、0℃よりも十分に高い温度、例えば10℃に設定される。   And it progresses to step S110 and ECU61 judges whether FC temperature is below 2nd predetermined temperature. The second predetermined temperature is a threshold value for determining whether or not the control by the supercooling control means is executed, and is set to a temperature sufficiently higher than 0 ° C., for example, 10 ° C.

ステップS110において、ECU61は、FC温度が第2所定温度以下であると判断した場合には(Yes)、ステップS120に進み、FC温度が第2所定温度以下ではないと判断した場合には(No)、ステップS200に進む。   In step S110, if the ECU 61 determines that the FC temperature is equal to or lower than the second predetermined temperature (Yes), the ECU 61 proceeds to step S120, and if the ECU 61 determines that the FC temperature is not equal to or lower than the second predetermined temperature (No) ), Go to step S200.

ステップS200において、ECU61は、IG−ONされたか否かを判断し、IG−ONされていないと判断した場合には(No)、ステップS110に戻り、またIG−ONされたと判断した場合には(Yes)、図2に示す一連の処理を終了する。IG−ONされると、燃料電池10が発電を開始してFC温度が上昇を開始するので、生成水が凍結することがなくなる。   In step S200, the ECU 61 determines whether or not it is IG-ON. If it is determined that it is not IG-ON (No), it returns to step S110, and if it is determined that it is IG-ON. (Yes), the series of processing shown in FIG. When the IG-ON is turned on, the fuel cell 10 starts power generation and the FC temperature starts to rise, so that the generated water does not freeze.

ステップS120において、ECU61は、温度低下レートを算出する(温度低下レート算出手段)。温度低下レートとは、低温環境下におけるFC温度の低下の速さを示すものであり、単位時間当たりの温度低下量(−ΔT/t)によって求められる。つまり、温度低下レートが低すぎる(所定未満である)とFC温度の低下速度が急激であり、0℃以下において生成水が過冷却状態とはならずに0℃において直ちに凍結する。一方、温度低下レートが高い場合(所定以上である場合)、FC温度の低下速度が緩やかになり、0℃以下でも生成水が凍らない過冷却状態にすることができる。   In step S120, the ECU 61 calculates a temperature decrease rate (temperature decrease rate calculation means). The temperature decrease rate indicates the speed of decrease in the FC temperature under a low temperature environment, and is determined by the temperature decrease amount per unit time (−ΔT / t). That is, if the rate of temperature decrease is too low (less than a predetermined value), the rate of FC temperature decrease is rapid, and the generated water freezes immediately at 0 ° C. without being supercooled at 0 ° C. or lower. On the other hand, when the temperature decrease rate is high (when it is above a predetermined value), the FC temperature decrease rate becomes gradual, and a supercooled state in which the generated water does not freeze even at 0 ° C. or less can be achieved.

そして、ステップS130に進み、ECU61は、算出した温度低下レートが所定未満(所定の温度低下レート未満)であるか否かを判断する。なお、所定の温度低下レートとは、燃料電池10内の生成水を過冷却状態に維持するのに必要な温度低下レートであり、実験やシミュレーションなどによって予め決められる。   In step S130, the ECU 61 determines whether or not the calculated temperature decrease rate is less than a predetermined value (less than a predetermined temperature decrease rate). The predetermined temperature decrease rate is a temperature decrease rate necessary for maintaining the generated water in the fuel cell 10 in a supercooled state, and is determined in advance by experiments or simulations.

ステップS130において、ECU61は、算出した温度低下レートが所定未満、つまりFC温度の低下速度が速すぎて生成水を過冷却状態にできないと判断した場合には(Yes)、ステップS140に進み、図示しない蓄電装置(バッテリなど)の電力を利用してヒータ51をオン(ON)にする。   In step S130, if the ECU 61 determines that the calculated temperature decrease rate is less than a predetermined value, that is, the FC temperature decrease rate is too fast (Yes), the process proceeds to step S140. The heater 51 is turned on using the power of the power storage device (battery or the like) that is not used.

なお、ヒータ51をオンにする際の燃料電池10に与える熱量は、検出したFC温度に基づいて適宜設定することができる。すなわち、温度低下レートが非常に低い(温度低下速度が急激である)場合には、燃料電池10に与える熱量が増し、温度低下レートが比較的高い(温度低下速度がゆっくりである)場合には、燃料電池10に与える熱量が少なくなるように制御する。   The amount of heat given to the fuel cell 10 when the heater 51 is turned on can be set as appropriate based on the detected FC temperature. That is, when the temperature decrease rate is very low (the temperature decrease rate is abrupt), the amount of heat applied to the fuel cell 10 increases, and when the temperature decrease rate is relatively high (the temperature decrease rate is slow). The amount of heat given to the fuel cell 10 is controlled to be small.

ヒータ51がオンにされることにより、ヒータ51によって燃料電池10が加熱され、冷媒が温められる。これにより、FC温度の低下速度が遅くなり、温度低下レートが所定の温度低下レート以上となるように(所定の温度低下レートを維持するように)制御される。   When the heater 51 is turned on, the fuel cell 10 is heated by the heater 51 and the refrigerant is warmed. As a result, the FC temperature decrease rate is reduced, and the temperature decrease rate is controlled to be equal to or higher than the predetermined temperature decrease rate (to maintain the predetermined temperature decrease rate).

また、ステップS130において、ECU61は、算出した温度低下レートが所定以上である、つまり生成水を過冷却状態にできると判断した場合には(No)、ステップS150に進み、ヒータ51をオフにする。   In step S130, when the ECU 61 determines that the calculated temperature decrease rate is equal to or higher than the predetermined value, that is, the generated water can be in a supercooled state (No), the ECU 61 proceeds to step S150 and turns off the heater 51. .

なお、本実施形態では、ステップS130ないしS150が、過冷却制御手段が実行する処理に相当する。   In the present embodiment, steps S130 to S150 correspond to the processing executed by the supercooling control means.

そして、ステップS160に進み、ECU61は、温度センサ62によってFC温度を検出して、FC温度が0℃以下であるか否かを判断する。ステップS160において、ECU61は、FC温度が0℃以下であると判断した場合には(Yes)、ステップS170に進み、FC温度が0℃以下ではないと判断した場合には(No)、ステップS180に進む。   In step S160, the ECU 61 detects the FC temperature with the temperature sensor 62, and determines whether the FC temperature is 0 ° C. or less. In step S160, when the ECU 61 determines that the FC temperature is 0 ° C. or lower (Yes), the ECU 61 proceeds to step S170, and when it is determined that the FC temperature is not 0 ° C. or lower (No), step S180. Proceed to

そして、ステップS170において、ECU61は、FC温度が第1所定温度であるか否かを判断する。第1所定温度は、生成水の過冷却状態が維持できず、FC温度が過冷却状態の生成水が凍結する氷点に下がって、この後まもなく凍結すると判断する閾値であり、過冷却状態の生成水が凍結する氷点よりも高い温度に設定される。   In step S170, the ECU 61 determines whether or not the FC temperature is the first predetermined temperature. The first predetermined temperature is a threshold value for determining that the supercooled state of the generated water cannot be maintained, the FC temperature falls to the freezing point at which the supercooled product water is frozen, and that the product is frozen soon thereafter. The temperature is set higher than the freezing point at which water freezes.

なお、第1所定温度は、実験やシミュレーションなどに基づいて予め決められ、例えば氷点がマイナス5℃〜マイナス10℃である場合には、マイナス4℃に設定される。また、第1所定温度は、過冷却状態の生成水が凍結する氷点よりも高い温度であればよく、マイナス2℃やマイナス3℃などであってもよい。   The first predetermined temperature is determined in advance based on experiments, simulations, and the like. For example, when the freezing point is minus 5 ° C. to minus 10 ° C., the first predetermined temperature is set to minus 4 ° C. Further, the first predetermined temperature may be a temperature higher than the freezing point at which the supercooled product water freezes, and may be minus 2 ° C, minus 3 ° C, or the like.

ステップS170において、ECU61は、FC温度が第1所定温度である、つまり過冷却状態の生成水がこの後まもなく(または所定時間で)凍結すると判断した場合には(Yes)、ステップS190に進み、生成水が過冷却の状態において掃気が実行される。なお、本実施形態では、エアコンプレッサ31、掃気ガス導入弁33、掃気ガス導入配管b3,b4およびECU61によって掃気手段が構成されている。   In step S170, when the ECU 61 determines that the FC temperature is the first predetermined temperature, that is, the supercooled water is frozen soon (or in a predetermined time) (Yes), the ECU 61 proceeds to step S190. Scavenging is performed in a state where the produced water is supercooled. In the present embodiment, the air compressor 31, the scavenging gas introduction valve 33, the scavenging gas introduction pipes b3 and b4, and the ECU 61 constitute scavenging means.

掃気とは、燃料電池10の内部に掃気ガスを導入して、燃料電池10内部に残留する生成水を車外に排出する処理である。すなわち、ECU61は、図示しない蓄電装置の電力を利用してエアコンプレッサ31を駆動するとともに背圧弁32を全開にした状態において、燃料電池10のカソード側に所定量の空気を導入し、カソード流路12に残留している生成水を吹き飛ばしながら車外に排出する。   Scavenging is a process of introducing scavenging gas into the fuel cell 10 and discharging generated water remaining inside the fuel cell 10 to the outside of the vehicle. That is, the ECU 61 drives the air compressor 31 using electric power of a power storage device (not shown) and introduces a predetermined amount of air to the cathode side of the fuel cell 10 in a state where the back pressure valve 32 is fully opened. 12 is discharged outside the vehicle while blowing off the remaining generated water.

そして、ECU61は、背圧弁32の開度を閉状態にするとともに、掃気弁25および掃気ガス導入弁33を開弁した状態において、エアコンプレッサ31から所定量の空気を導入する。エアコンプレッサ31から導入された空気は、掃気ガス導入配管b3,b4を通ってアノード流路11に供給され、アノード流路11に残留している生成水を吹き飛ばしながら掃気弁25を通って車外に排出される。   The ECU 61 closes the opening of the back pressure valve 32 and introduces a predetermined amount of air from the air compressor 31 with the scavenging valve 25 and the scavenging gas introduction valve 33 opened. The air introduced from the air compressor 31 is supplied to the anode flow path 11 through the scavenging gas introduction pipes b3 and b4, and is blown out of the vehicle through the scavenging valve 25 while blowing off the generated water remaining in the anode flow path 11. Discharged.

なお、前記した実施形態では、カソードを掃気した後にアノードを掃気するように片側ずつ掃気を実行する場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、アノードを掃気した後にカソードを掃気してもよく、あるいはカソードとアノードを同時に掃気してもよい。   In the above-described embodiment, the case where scavenging is performed one side at a time so as to scavenge the anode after scavenging the cathode is described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the cathode is scavenged after scavenging the anode. Or the cathode and anode may be scavenged simultaneously.

掃気実行後、ECU61は、FC温度の定期的な監視を終了し、図2に示す一連の処理を終了する。   After the scavenging is executed, the ECU 61 ends the regular monitoring of the FC temperature and ends the series of processes shown in FIG.

また、ステップS170において、ECU61は、FC温度が第1所定温度ではない、つまり生成水がまだしばらく凍結しないと判断した場合には(No)、ステップS180に進み、IG−ONされたか否かを判断する。   In step S170, if the ECU 61 determines that the FC temperature is not the first predetermined temperature, that is, the generated water is not frozen for a while (No), the ECU 61 proceeds to step S180 and determines whether or not the IG-ON has been performed. to decide.

ステップS180において、ECU61は、IG−ONされていないと判断した場合には(No)、ステップS120に戻り、またIG−ONされたと判断した場合には(Yes)、図2に示す一連の処理を終了する。なお、IG−ONされることにより、燃料電池10の発電が開始され、FC温度が上昇するので、生成水が凍結することがなくなる。   In step S180, if the ECU 61 determines that the IG-ON is not performed (No), the ECU 61 returns to step S120. If the ECU 61 determines that the IG-ON is determined (Yes), the series of processes shown in FIG. Exit. Note that when the IG-ON is performed, power generation of the fuel cell 10 is started and the FC temperature rises, so that the generated water is not frozen.

なお、ステップS180ではIG−ONがされたか否かで判断したが、これに限定されるものではなく、FC温度が上昇したかどうかで判断してもよい。例えば、朝になって気温が上昇してFC温度が上昇した場合には一連の処理を終了し、FC温度が上昇していない場合には、ステップS120に戻る。   In step S180, the determination is made based on whether or not the IG-ON has been performed. However, the determination is not limited to this, and the determination may be made based on whether or not the FC temperature has increased. For example, when the temperature rises in the morning and the FC temperature rises, a series of processing ends, and when the FC temperature does not rise, the process returns to step S120.

また、図3(a)に示すように、ECU61によって、FC温度が第2所定温度(10℃)以下と判断された場合には(S110、Yes)、温度低下レートを算出する処理を開始する(S120)。このとき算出した温度低下レート(−ΔT1/t)が所定未満(所定の温度低下レート未満)であると判断したときには(S130、Yes)、ヒータ51をオンにする(S140)。これにより、温度低下レートが上昇し、所定の温度低下レート以上となるように制御される。なお、0℃以下において、算出した温度低下レート(−ΔT2/t)が所定以上(所定の温度低下レート以上)となるように、ヒータ51をオンオフ制御する。   Further, as shown in FIG. 3A, when the ECU 61 determines that the FC temperature is equal to or lower than the second predetermined temperature (10 ° C.) (S110, Yes), a process of calculating the temperature decrease rate is started. (S120). When it is determined that the temperature decrease rate (−ΔT1 / t) calculated at this time is less than a predetermined value (less than a predetermined temperature decrease rate) (S130, Yes), the heater 51 is turned on (S140). As a result, the temperature decrease rate is increased and controlled to be equal to or higher than a predetermined temperature decrease rate. Note that the heater 51 is on / off controlled so that the calculated temperature decrease rate (−ΔT2 / t) is not less than a predetermined value (not less than a predetermined temperature decrease rate) at 0 ° C. or less.

このように過冷却状態の生成水が凍結する氷点より高い温度である第1所定温度(例えば、マイナス4℃)になるまで、温度低下レートが所定以上となるように、つまりFC温度が、温度制御されない場合と比べてゆっくり低下するように制御する。これにより、燃料電池10内部に残留する生成水が、0℃以下でも凍結しない過冷却状態となる。   In this way, until the first predetermined temperature (for example, minus 4 ° C.) that is higher than the freezing point of the supercooled product water becomes a temperature higher than the predetermined temperature, that is, the FC temperature is the temperature. It controls so that it falls slowly compared with the case where it is not controlled. As a result, the generated water remaining in the fuel cell 10 enters a supercooled state in which it does not freeze even at 0 ° C. or lower.

なお、図3(a)では、0℃と、過冷却状態の生成水が凍結する氷点よりも高い温度に設定された第1所定温度との間で生成水が過冷却状態となっている。氷点は、過冷却状態の生成水が凍結する温度であり、例えば、マイナス5℃〜マイナス10℃である。   In FIG. 3A, the generated water is in a supercooled state between 0 ° C. and a first predetermined temperature set to a temperature higher than the freezing point at which the supercooled generated water is frozen. The freezing point is a temperature at which the supercooled water is frozen, and is, for example, minus 5 ° C. to minus 10 ° C.

例えば、生成水が過冷却状態である時刻t1においてIG−ONされたときには(S180、Yes)、燃料電池10が発電を開始することによって温度が上昇するので(二点鎖線参照)、それ以上過冷却制御手段による制御が不要になり、図2に示す一連の処理を終了する。   For example, when the generated water is IG-ON at the time t1 when it is in a supercooled state (S180, Yes), the temperature rises as the fuel cell 10 starts generating power (see the two-dot chain line). The control by the cooling control means becomes unnecessary, and the series of processes shown in FIG.

また、生成水が過冷却状態を維持しながらFC温度が低下する場合、FC温度が第1所定温度(例えば、マイナス4℃)に至る時刻t2において、掃気が実行される(S190)。なお、図3(b)の比較例に示すように、過冷却制御手段による制御を実行しない場合では、FC温度が急激に低下するので、生成水を過冷却状態にすることができない。また、掃気タイミングについても、0℃より高い温度に対応した時刻t3で実行する必要があるので、図3(a)に示す実施例よりも早期に掃気を実行する必要がある。   Further, when the FC temperature decreases while the generated water is maintained in the supercooled state, scavenging is executed at time t2 when the FC temperature reaches the first predetermined temperature (for example, minus 4 ° C.) (S190). Note that, as shown in the comparative example of FIG. 3B, when the control by the supercooling control means is not executed, the generated water cannot be brought into a supercooled state because the FC temperature rapidly decreases. Moreover, since it is necessary to execute the scavenging timing at time t3 corresponding to a temperature higher than 0 ° C., it is necessary to execute scavenging earlier than the embodiment shown in FIG.

なお、本実施形態では、FC温度が第2所定温度以下になった場合に温度低下レートの算出を開始しているが、これに限定されるものではなく、生成水を過冷却状態にできるのであれば、例えば、FC温度が0℃になる直前に開始してもよい。   In the present embodiment, the calculation of the temperature decrease rate is started when the FC temperature is equal to or lower than the second predetermined temperature. However, the present invention is not limited to this, and the generated water can be in a supercooled state. If there is, for example, it may be started immediately before the FC temperature reaches 0 ° C.

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム1によれば、燃料電池システム1の運転停止時(燃料電池10の発電停止時)に燃料電池10内部に残留する生成水が過冷却状態(過冷却水)となるように温度低下レートを制御するので、氷点下(0℃以下)の領域においても生成水の凍結を防止でき、次回の起動性の低下を抑制できる。   As described above, according to the fuel cell system 1 of the present embodiment, the generated water remaining in the fuel cell 10 when the operation of the fuel cell system 1 is stopped (when the power generation of the fuel cell 10 is stopped) is supercooled ( Since the temperature decrease rate is controlled so that it becomes supercooled water), the generated water can be prevented from freezing even in the region below the freezing point (0 ° C. or lower), and the next decrease in startability can be suppressed.

また、本実施形態によれば、生成水が過冷却状態のときに掃気を実行するので、掃気の実行タイミングを従来よりも遅らせることが可能になり、掃気を実行する頻度を減らすことができる。よって、掃気時に必要なエネルギを削減できるので、エネルギ効率を向上させることができる。   Further, according to the present embodiment, scavenging is executed when the generated water is in a supercooled state, so that it is possible to delay the scavenging execution timing as compared with the prior art and reduce the frequency of scavenging. Therefore, energy required for scavenging can be reduced, so that energy efficiency can be improved.

また、本実施形態によれば、ヒータ51(温度制御手段)を用いて燃料電池10を加熱するので、低温環境下においてFC温度が急激に低下する場合であっても、温度低下レートを所定の温度低下レートに維持することが容易になる。   Further, according to the present embodiment, since the fuel cell 10 is heated using the heater 51 (temperature control means), the temperature decrease rate is set to a predetermined value even when the FC temperature rapidly decreases in a low temperature environment. It becomes easy to maintain the temperature decrease rate.

また、FC温度が高い領域での温度低下レートは過冷却状態とは関連性が低いため、本実施形態のように、FC温度が第2所定温度を超える場合には、過冷却制御手段による制御を行わないようにすることで、過冷却制御手段に伴うエネルギが不要になり、エネルギ効率を向上できる。   In addition, since the temperature decrease rate in the region where the FC temperature is high has low relevance to the supercooling state, when the FC temperature exceeds the second predetermined temperature as in this embodiment, control by the supercooling control means By not performing the above, energy associated with the supercooling control means becomes unnecessary, and energy efficiency can be improved.

図4は本実施形態の燃料電池システムにおける動作を示す別のフローチャート、図5は燃料電池の温度変化を示す図である。なお、図2のフローチャートと同一の処理については、同一のステップを付して重複した説明を省略する。図4に示すフローチャートによる制御は、先に掃気を実行し、その後生成水が過冷却状態を維持するように制御するものである。図4に示すステップS115の処理は、図2に示すステップS190の処理と同様である。   FIG. 4 is another flowchart showing the operation of the fuel cell system of the present embodiment, and FIG. 5 is a diagram showing the temperature change of the fuel cell. In addition, about the process same as the flowchart of FIG. 2, the same step is attached | subjected and the overlapping description is abbreviate | omitted. The control according to the flowchart shown in FIG. 4 is performed so that scavenging is performed first and then the generated water is maintained in a supercooled state. The process of step S115 shown in FIG. 4 is the same as the process of step S190 shown in FIG.

すなわち、ステップS115において、ECU61は、掃気を実行することにより、燃料電池10内部に残留する生成水(液滴)が車外に排出される。   That is, in step S115, the ECU 61 executes scavenging, thereby discharging generated water (droplets) remaining inside the fuel cell 10 to the outside of the vehicle.

また、ECU61は、FC温度が0℃以下である場合において(S160、Yes)、ステップS170に進み、FC温度が第1所定温度に到達したと判断したときには(Yes)、ステップS171に進む。   Further, when the FC temperature is 0 ° C. or lower (S160, Yes), the ECU 61 proceeds to step S170, and when it is determined that the FC temperature has reached the first predetermined temperature (Yes), the ECU 61 proceeds to step S171.

ステップS171において、ECU61は、図示しない蓄電装置の電力を利用してヒータ51をONにする。ヒータ51をONにすることにより、FC温度が過冷却状態の生成水(過冷却水)が凍結する温度(氷点)に至る前に上昇し(図5参照)、過冷却状態の生成水が凍結するのを防止できる。   In step S171, the ECU 61 turns on the heater 51 using the power of the power storage device (not shown). When the heater 51 is turned on, the FC temperature rises before reaching the temperature (freezing point) at which the supercooled product water (supercooled water) freezes (see FIG. 5), and the supercooled product water freezes. Can be prevented.

そして、ステップS172に進み、ECU61は、FC温度が0℃以上であるか否かを判断し、FC温度が0℃以上であると判断した場合には(Yes)、ステップS173に進み、FC温度が0℃以上でないと判断した場合には(No)、ステップS172の処理を繰り返す。   Then, the process proceeds to step S172, where the ECU 61 determines whether or not the FC temperature is 0 ° C. or higher. If it is determined that the FC temperature is 0 ° C. or higher (Yes), the ECU 61 proceeds to step S173 and determines the FC temperature. If it is determined that the temperature is not 0 ° C. or higher (No), the process of step S172 is repeated.

なお、図4において図示していないが、FC温度が0℃以上でないと判断された場合において(S172、No)、IG−ONされた場合には、図4に示す一連の処理を終了する。   Although not shown in FIG. 4, when it is determined that the FC temperature is not equal to or higher than 0 ° C. (No at S <b> 172), when the IG-ON is performed, the series of processes illustrated in FIG. 4 is terminated.

ステップS173において、ECU61は、ヒータ51をOFFにする。ヒータ51をOFFにすることにより、FC温度の上昇が停止し、FC温度が低下し始める(図5参照)。   In step S173, the ECU 61 turns off the heater 51. By turning off the heater 51, the increase in the FC temperature stops and the FC temperature starts to decrease (see FIG. 5).

そして、ステップS180に進み、IG−ONされたか否かを判断し、IG−ONされたと判断した場合には(Yes)、過冷却状態を維持する制御を終了し、IG−ONされていないと判断した場合には(No)、ステップS120に戻る。そして、温度低下レートの算出を再度開始して(S120)、温度低下レートが所定以上(所定の温度低下レート以上)となるようにFC温度を制御する。   And it progresses to step S180, it is judged whether it was IG-ON, and when it is judged that it was IG-ON (Yes), the control which maintains a supercooling state is complete | finished, and it is not IG-ON. If it is determined (No), the process returns to step S120. Then, the calculation of the temperature decrease rate is started again (S120), and the FC temperature is controlled so that the temperature decrease rate is not less than a predetermined value (not less than a predetermined temperature decrease rate).

このように、掃気を実行した後に過冷却制御手段による制御を行い、温度低下レートが所定以上となるようにヒータ51を制御して、生成水を過冷却状態に維持することにより、掃気により除去できなかった水分や、掃気後に結露により生じた水分などの凍結を防止でき、次回起動性の低下やMEAの劣化を抑制できる。   In this way, after the scavenging is performed, the control by the supercooling control means is performed, and the heater 51 is controlled so that the temperature decrease rate becomes a predetermined value or more, and the generated water is maintained in the supercooled state, thereby removing by scavenging. Freezing of moisture that could not be performed or moisture caused by dew condensation after scavenging can be prevented, and deterioration of startability next time and deterioration of MEA can be suppressed.

なお、本実施形態では、温度制御手段としてヒータ51を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、冷媒循環手段を制御、つまり図示しない蓄電装置の電力によりウォータポンプ43を駆動して、冷媒を燃料電池10内に循環させて燃料電池10の温度を制御するようにしてもよい。冷媒を循環させることにより、温かい状態のままで残っている冷媒を燃料電池10内部に循環させることが可能になり、燃料電池10の温度制御が可能になる。   In the present embodiment, the heater 51 has been described as an example of the temperature control unit. However, the temperature control unit is not limited to this example. And the temperature of the fuel cell 10 may be controlled by circulating the refrigerant in the fuel cell 10. By circulating the refrigerant, it is possible to circulate the refrigerant that remains in a warm state inside the fuel cell 10 and control the temperature of the fuel cell 10.

また、冷媒を循環させることにより、燃料電池10の面内および単セルの積層方向の温度の均一化が図れ、局所的に温度低下レートが維持できなくなるのを防止することが可能になる。なお、この冷媒を循環させる冷媒循環手段と、ヒータ51による加熱手段とを併用して温度制御手段を構成してもよい。   Further, by circulating the refrigerant, the temperature in the plane of the fuel cell 10 and in the stacking direction of the single cells can be made uniform, and it is possible to prevent the temperature decrease rate from being locally maintained. It should be noted that the temperature control means may be configured by combining the refrigerant circulation means for circulating the refrigerant and the heating means by the heater 51.

1 燃料電池システム
10 燃料電池
31 エアコンプレッサ
33 掃気ガス導入弁
43 ウォータポンプ
51 ヒータ(温度制御手段、加熱手段)
61 ECU(温度低下レート算出手段、過冷却制御手段)
62 温度センサ(温度検出手段)
63 タイマ
b3,b4 掃気ガス導入配管
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system 10 Fuel cell 31 Air compressor 33 Scavenging gas introduction valve 43 Water pump 51 Heater (temperature control means, heating means)
61 ECU (temperature reduction rate calculation means, supercooling control means)
62 Temperature sensor (temperature detection means)
63 Timer b3, b4 Scavenging gas introduction piping

Claims (6)

反応ガスが供給されて発電を行なう燃料電池と、
前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記燃料電池の温度低下レートを算出する温度低下レート算出手段と、を有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池の温度を制御する温度制御手段と、
前記燃料電池システムの運転停止中に、前記温度低下レート算出手段により算出された前記温度低下レートが、前記燃料電池内部の生成水が過冷却状態となる所定の温度低下レート未満である際には、前記温度低下レートが所定の温度低下レート以上となるように前記温度制御手段を制御する過冷却制御手段と、を有し、
前記過冷却制御手段による制御は、前記燃料電池の温度が、過冷却状態の生成水が凍結する氷点よりも高い第1所定温度となるまで実行することを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell that is supplied with a reaction gas to generate power;
Temperature detecting means for detecting the temperature of the fuel cell;
A temperature decrease rate calculating means for calculating a temperature decrease rate of the fuel cell, and a fuel cell system comprising:
Temperature control means for controlling the temperature of the fuel cell;
When the temperature decrease rate calculated by the temperature decrease rate calculation means is less than a predetermined temperature decrease rate at which the generated water inside the fuel cell is in a supercooled state while the fuel cell system is stopped. And a supercooling control means for controlling the temperature control means so that the temperature decrease rate is equal to or higher than a predetermined temperature decrease rate,
The control by the supercooling control means is executed until the temperature of the fuel cell reaches a first predetermined temperature higher than the freezing point at which the supercooled product water freezes.
前記燃料電池に掃気ガスを導入して前記燃料電池を掃気する掃気手段を有し、
前記生成水が過冷却状態である場合に前記掃気手段による掃気を実行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。
Scavenging means for introducing a scavenging gas into the fuel cell to scavenge the fuel cell;
The fuel cell system according to claim 1, wherein scavenging by the scavenging means is executed when the generated water is in a supercooled state.
前記燃料電池に掃気ガスを導入して前記燃料電池を掃気する掃気手段を有し、
前記掃気手段による掃気後に、前記過冷却制御手段による制御を実行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。
Scavenging means for introducing a scavenging gas into the fuel cell to scavenge the fuel cell;
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein after the scavenging by the scavenging means, control by the supercooling control means is executed.
前記温度制御手段は、前記燃料電池を加熱する加熱手段を備え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。   4. The fuel cell system according to claim 1, wherein the temperature control unit includes a heating unit that heats the fuel cell. 5. 前記温度制御手段は、前記燃料電池の内部に冷媒を循環させる冷媒循環手段を備え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。   5. The fuel cell system according to claim 1, wherein the temperature control unit includes a refrigerant circulation unit that circulates a refrigerant inside the fuel cell. 6. 前記燃料電池の温度が第2所定温度以下ではない場合、前記過冷却制御手段による制御を行わないことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。   6. The fuel cell system according to claim 1, wherein when the temperature of the fuel cell is not equal to or lower than a second predetermined temperature, control by the supercooling control unit is not performed.
JP2009039658A 2009-02-23 2009-02-23 Fuel cell system Pending JP2010198786A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009039658A JP2010198786A (en) 2009-02-23 2009-02-23 Fuel cell system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009039658A JP2010198786A (en) 2009-02-23 2009-02-23 Fuel cell system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2010198786A true JP2010198786A (en) 2010-09-09

Family

ID=42823336

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009039658A Pending JP2010198786A (en) 2009-02-23 2009-02-23 Fuel cell system

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2010198786A (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5382627B2 (en) * 2009-07-21 2014-01-08 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system
DE102015117485A1 (en) 2014-11-07 2016-05-12 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Residual water scavenging process in a fuel cell system and fuel cell system
JP2018527714A (en) * 2015-09-19 2018-09-20 ダイムラー・アクチェンゲゼルシャフトDaimler AG How to shut down and store fuel cell systems at temperatures below freezing
JP2022167387A (en) * 2021-04-23 2022-11-04 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system and air vehicle

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5382627B2 (en) * 2009-07-21 2014-01-08 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system
DE102015117485A1 (en) 2014-11-07 2016-05-12 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Residual water scavenging process in a fuel cell system and fuel cell system
US10312532B2 (en) 2014-11-07 2019-06-04 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Residual water scavenging processing method in fuel cell system and fuel cell system
DE102015117485B4 (en) 2014-11-07 2020-01-23 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Residual water flushing process in a fuel cell system and fuel cell system
JP2018527714A (en) * 2015-09-19 2018-09-20 ダイムラー・アクチェンゲゼルシャフトDaimler AG How to shut down and store fuel cell systems at temperatures below freezing
JP2022167387A (en) * 2021-04-23 2022-11-04 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system and air vehicle
JP7416011B2 (en) 2021-04-23 2024-01-17 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system and aircraft

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8394546B2 (en) Fuel cell system and control method thereof
JP5273415B2 (en) Fuel cell system and start-up control method in fuel cell system
US8900766B2 (en) Automated cold storage protection for a fuel cell system
US8168343B2 (en) Humidification control during shutdown of a fuel cell system
JP4328324B2 (en) Fuel cell system
JP5790705B2 (en) Fuel cell system and control method thereof
JP6597973B2 (en) Fuel cell system
JP2004185968A (en) Fuel cell system
JP5074669B2 (en) Fuel cell system
US10290880B2 (en) Fuel cell cathode balance of plant freeze strategy
JP4432603B2 (en) Fuel cell device for vehicles
JP2010198786A (en) Fuel cell system
JP2007305334A (en) Fuel cell system
JP2009054427A (en) Fuel cell system
JP2005285610A (en) Fuel cell system
JP5065655B2 (en) Fuel cell system
JP2008210646A (en) Fuel cell system
JP2007012565A (en) Fuel cell system
JP5060105B2 (en) Fuel cell system
JP5262520B2 (en) Heating control device
JP2010153067A (en) Fuel cell system
JP5323392B2 (en) Fuel cell system and method for starting fuel cell system
JP5276329B2 (en) FUEL CELL SYSTEM AND METHOD FOR OPERATING FUEL CELL SYSTEM
JP4945938B2 (en) Fuel cell system
JP2007073490A (en) Fuel cell system