JP2018060688A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of more reliably removing impurity adhered to an electrode of a fuel cell.SOLUTION: A fuel cell system comprises: a fuel cell 10, provided with a cathode and an anode, which supplies power to a secondary battery 102; a blower 20; a fuel gas tank 30; a first inlet-side valve 51; a second inlet-side valve 52; a first outlet-side valve 61; a second outlet-side valve 62; and an ECU 100. The ECU 100 carries out charge control, discharge control, and purge control one or more times. In the charge control, the ECU 100 opens the first inlet-side valve 51, the second inlet-side valve 52, the first outlet-side valve 61, and the second outlet-side valve 62 so as to electrically connect the fuel cell 10 to the secondary battery 102. In the discharge control, the ECU 100 closes the first inlet-side valve 51, the second inlet-side valve 52, the first outlet-side valve 61, and the second outlet-side valve 62 so as to electrically cut off the fuel cell 10 from the secondary battery 102. In the purge control, the ECU 100 opens the first inlet-side valve 51, the second inlet-side valve 52, the first outlet-side valve 61, and the second outlet-side valve 62.SELECTED DRAWING: Figure 1

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.

燃料電池システムの燃料電池としては、アノードとカソードとで固体高分子電解質膜を挟んだ接合体を形成し、その接合体の外側を一対のセパレータで挟持して形成したセルを複数積層して構成したスタックを備えたものがある。そして、アノードに燃料ガスとして水素、カソードに酸化ガスとして空気を供給することで燃料電池に発電させている。   A fuel cell of a fuel cell system is configured by forming a joined body in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between an anode and a cathode, and stacking a plurality of cells formed by sandwiching the outside of the joined body with a pair of separators. Some of them have a stack. Then, the fuel cell is caused to generate power by supplying hydrogen as a fuel gas to the anode and air as an oxidizing gas to the cathode.

燃料電池では、外部から空気を取り込むため、空気中の硫黄化合物などの不純物が燃料電池内に入り込む虞がある。また、アノード及びカソードの劣化に伴い不純物が生じる虞もある。このような不純物は、アノード及びカソードの電極やセパレータを腐食させる原因となる。   In a fuel cell, since air is taken in from the outside, impurities such as sulfur compounds in the air may enter the fuel cell. Moreover, there is a possibility that impurities are generated with the deterioration of the anode and the cathode. Such impurities cause corrosion of the anode and cathode electrodes and separators.

このような問題に対し、燃料電池の二次電池を高めたり、燃料電池の温度を下げたり、酸化ガスを加湿するなどの手段により、燃料電池の電極から排出される水の量を増大させ、その水で不純物を除去することで、電極の触媒の劣化を防止する燃料電池システムが提案されている(例えば、特許文献1参照)。   For such a problem, the amount of water discharged from the electrode of the fuel cell is increased by means such as increasing the secondary battery of the fuel cell, lowering the temperature of the fuel cell, or humidifying the oxidizing gas, A fuel cell system that prevents deterioration of the electrode catalyst by removing impurities with water has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

しかしながら、特許文献1に係る燃料電池システムでは、水が燃料電池内に残ると、水分だけが蒸発して燃料電池の外部に排出され、水の溶け込んでいた不純物が電極の触媒に付着してしまう。   However, in the fuel cell system according to Patent Document 1, when water remains in the fuel cell, only water is evaporated and discharged to the outside of the fuel cell, and impurities dissolved in the water adhere to the electrode catalyst. .

特開2008−77911号公報JP 2008-77911 A

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、燃料電池の電極に付着した不純物をより確実に除去することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a fuel cell system that can more reliably remove impurities adhering to the electrode of the fuel cell.

上記課題を解決する本発明の第1の態様は、カソード及びアノードを備え、二次電池に電力を供給する燃料電池と、前記カソードに酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記酸化ガス供給手段と前記カソードの入口とを接続する配管、及び前記燃料ガス供給手段と前記アノードの入口とを接続する配管のそれぞれに設けられた第1入口側弁及び第2入口側弁と、前記カソードの出口と外部とを接続する配管、及び前記アノードの出口と外部とを接続する配管のそれぞれに設けられた第1出口側弁及び第2出口側弁と、前記第1入口側弁、前記第2入口側弁、前記第1出口側弁及び前記第2出口側弁の開閉を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記燃料電池への停止指令又は起動指令があったとき、前記第1入口側弁、前記第2入口側弁、前記第1出口側弁及び前記第2出口側弁を開放し、前記燃料電池を前記二次電池に電気的に接続する充電制御と、前記第1入口側弁、前記第2入口側弁、前記第1出口側弁及び前記第2出口側弁を閉鎖し、前記燃料電池を前記二次電池から電気的に切断する放電制御と、前記第1入口側弁、前記第2入口側弁、前記第1出口側弁及び前記第2出口側弁を開放するパージ制御と、を一回以上実行することを特徴とする燃料電池システムにある。   A first aspect of the present invention that solves the above problems includes a fuel cell that includes a cathode and an anode, supplies power to a secondary battery, oxidizing gas supply means that supplies an oxidizing gas to the cathode, and fuel to the anode. A fuel gas supply means for supplying gas, a pipe connecting the oxidizing gas supply means and the inlet of the cathode, and a pipe connecting the fuel gas supply means and the inlet of the anode, respectively. A first outlet side valve and a second outlet provided in each of an inlet side valve and a second inlet side valve, a pipe connecting the cathode outlet and the outside, and a pipe connecting the anode outlet and the outside A side valve, and a control means for controlling opening and closing of the first inlet side valve, the second inlet side valve, the first outlet side valve and the second outlet side valve, the control means comprising the fuel cell Stop command to When the activation command is issued, the first inlet side valve, the second inlet side valve, the first outlet side valve, and the second outlet side valve are opened, and the fuel cell is electrically connected to the secondary battery. Charging control to be connected to the fuel cell, and closing the first inlet side valve, the second inlet side valve, the first outlet side valve and the second outlet side valve, and electrically connecting the fuel cell from the secondary battery The discharge control for cutting and the purge control for opening the first inlet side valve, the second inlet side valve, the first outlet side valve, and the second outlet side valve are executed at least once. In the fuel cell system.

第1の態様では、充電制御を実行することで酸化ガス及び燃料ガスを電気化学反応させ、燃料電池内での水量を増量させる。そして、放電制御を実行することで、セル電圧を低下させ、電極やセパレータに付着した不純物を還元除去し、水に溶解させる。その後、パージ制御を実行することで、不純物が溶解した水を燃料電池の外部へ排出することができる。このように燃料電池の電極やセパレータに付着した不純物を水に溶解させて外部へより確実に除去することができる。これにより、燃料電池の電極やセパレータが腐食することを抑制し、発電性能を回復することができる。   In the first aspect, the charge control is executed to cause the oxidizing gas and the fuel gas to undergo an electrochemical reaction, thereby increasing the amount of water in the fuel cell. And by performing discharge control, a cell voltage is reduced, the impurities adhering to an electrode or a separator are reduced and removed, and it dissolves in water. Thereafter, by performing purge control, water in which impurities are dissolved can be discharged to the outside of the fuel cell. Thus, impurities adhering to the electrode and separator of the fuel cell can be dissolved in water and removed more reliably to the outside. Thereby, it can suppress that the electrode and separator of a fuel cell corrode, and can recover electric power generation performance.

本発明の第2の態様は、第1の態様に記載する燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記充電制御、前記放電制御、及び前記パージ制御を複数回実行することを特徴とする燃料電池システムにある。   According to a second aspect of the present invention, in the fuel cell system according to the first aspect, the control means executes the charge control, the discharge control, and the purge control a plurality of times. In the system.

第2の態様では、燃料電池の不純物をより確実に除去することができる。   In the second aspect, the fuel cell impurities can be more reliably removed.

本発明の第3の態様は、第1又は第2の態様に記載する燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記充電制御を実行しているときの前記燃料電池のセル電圧と、前回の前記充電制御を実行したときの前記燃料電池のセル電圧との差が所定の閾値以下であることを条件に、前記充電制御、前記放電制御及び前記パージ制御の実行を停止することを特徴とする燃料電池システムにある。   According to a third aspect of the present invention, in the fuel cell system according to the first or second aspect, the control means includes the cell voltage of the fuel cell when the charge control is being executed, and the previous time. A fuel characterized in that execution of the charge control, the discharge control, and the purge control is stopped on condition that a difference from a cell voltage of the fuel cell when the charge control is executed is equal to or less than a predetermined threshold value. In the battery system.

第3の態様では、燃料電池に生じていた不純物をより確実に除去することができる。   In the third aspect, impurities generated in the fuel cell can be more reliably removed.

本発明の第4の態様は、第1から第3の何れか一つの態様に記載する燃料電池システムにおいて、前記パージ制御では、前記第1入口側弁及び前記第2入口側弁を開放した後、前記第1出口側弁及び前記第2出口側弁を開放することを特徴とする燃料電池システムにある。   According to a fourth aspect of the present invention, in the fuel cell system according to any one of the first to third aspects, in the purge control, the first inlet side valve and the second inlet side valve are opened. In the fuel cell system, the first outlet side valve and the second outlet side valve are opened.

第4の態様では、負圧を利用して加勢した酸化ガス及び燃料ガスによって、不純物が溶解した水をより確実に燃料電池から外部に排出することができる。   In the fourth aspect, water in which impurities are dissolved can be more reliably discharged from the fuel cell to the outside by the oxidizing gas and the fuel gas energized using the negative pressure.

本発明の第5の態様は、第1から第4の何れか一つの態様に記載する燃料電池システムにおいて、前記燃料ガスを加湿する加湿手段を備えることを特徴とする燃料電池システムにある。   According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the fuel cell system according to any one of the first to fourth aspects, further comprising humidifying means for humidifying the fuel gas.

第5の態様では、燃料ガスが加湿され、水分を多く含む燃料ガスとなる。これにより、燃料電池において充電制御及び放電制御をする際に発生する水量を増大させることができる。このように燃料電池で発生する水量を増大させるので、より多くの不純物を水に溶解させて燃料電池から除去することができる。   In the fifth aspect, the fuel gas is humidified to become a fuel gas containing a large amount of moisture. Thereby, the amount of water generated when performing charge control and discharge control in the fuel cell can be increased. Since the amount of water generated in the fuel cell is increased in this way, more impurities can be dissolved in water and removed from the fuel cell.

本発明によれば、燃料電池の電極に付着した不純物をより確実に除去することができる燃料電池システムが提供される。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell system which can remove the impurity adhering to the electrode of a fuel cell more reliably is provided.

実施形態1に係る燃料電池システムの概略図である。1 is a schematic diagram of a fuel cell system according to Embodiment 1. FIG. 放電制御を実行しているときの燃料電池システムを示す概略図である。It is the schematic which shows a fuel cell system when performing discharge control. パージ制御を実行しているときの燃料電池システムを示す概略図である。It is the schematic which shows a fuel cell system when performing purge control. 充電制御、放電制御及びパージ制御を実行しているときにおける、燃料電池のセル電圧及び燃料電池内に発生する水量を示したグラフである。6 is a graph showing the cell voltage of the fuel cell and the amount of water generated in the fuel cell when charge control, discharge control, and purge control are executed. 燃料電池システムの停止時の動作を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the operation | movement at the time of a stop of a fuel cell system. 燃料電池システムの不純物の除去処理の動作を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the operation | movement of the removal process of the impurity of a fuel cell system. 実施形態2に係る燃料電池システムの概略図である。4 is a schematic diagram of a fuel cell system according to Embodiment 2. FIG.

以下、本発明を実施するための形態について説明する。なお、実施形態の説明は例示であり、本発明は以下の説明に限定されない。   Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described. In addition, description of embodiment is an illustration and this invention is not limited to the following description.

〈実施形態1〉
図1は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。本実施形態の燃料電池システム1は、電動車両(図示せず)に搭載されており、運転者の要求に応じて、主に電動車両の駆動力として用いられる電力を出力する。
<Embodiment 1>
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of the fuel cell system according to the present embodiment. The fuel cell system 1 of this embodiment is mounted on an electric vehicle (not shown), and outputs electric power mainly used as a driving force of the electric vehicle in response to a driver's request.

燃料電池システム1は、燃料電池10(図ではFCと略記している)と、ブロア20と、燃料ガスタンク30と、第1入口側弁51と、第2入口側弁52と、第1出口側弁61と、第2出口側弁62と、制御手段の一例であるECU100と、を備えている。さらに、本実施形態の燃料電池システム1は、駆動モータ101と、二次電池102と、放電装置103とを備えている。   The fuel cell system 1 includes a fuel cell 10 (abbreviated as FC in the figure), a blower 20, a fuel gas tank 30, a first inlet side valve 51, a second inlet side valve 52, and a first outlet side. The valve 61, the 2nd exit side valve 62, and ECU100 which is an example of a control means are provided. Furthermore, the fuel cell system 1 of this embodiment includes a drive motor 101, a secondary battery 102, and a discharge device 103.

燃料電池10は、燃料ガスとして水素と、酸化ガスとして空気が供給され、酸素と水素の電気化学反応によって発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池10の具体的な構成は特に限定はないが、ここでは、複数のセル(図示せず)が積層されたスタック構造を有する。各セルは、固体高分子電解質膜の両面にアノードとカソードとを配置した膜電極接合体と、膜電極接合体の外側に設けられたガス拡散層とを備えている。また、各セルのアノード及びカソードには、触媒として白金が含まれている。   The fuel cell 10 is a polymer electrolyte fuel cell that is supplied with hydrogen as a fuel gas and air as an oxidizing gas, and generates power by an electrochemical reaction between oxygen and hydrogen. Although the specific configuration of the fuel cell 10 is not particularly limited, the fuel cell 10 has a stack structure in which a plurality of cells (not shown) are stacked. Each cell includes a membrane electrode assembly in which an anode and a cathode are arranged on both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane, and a gas diffusion layer provided outside the membrane electrode assembly. Moreover, the anode and cathode of each cell contain platinum as a catalyst.

カソード側のセパレータには、カソードに酸化ガスを供給する流路が設けられている。また、カソード側のセパレータの流路の入口には、酸化ガス配管21が接続され、当該流路の出口には第1排気管80が接続されている。酸化ガス配管21は、請求項に記載する酸化ガス供給手段とカソードの入口とを接続する配管の一例である。第1排気管80は、請求項に記載するカソードの出口と外部とを接続する配管の一例である。   The cathode separator is provided with a flow path for supplying an oxidizing gas to the cathode. An oxidizing gas pipe 21 is connected to the inlet of the flow path of the cathode side separator, and a first exhaust pipe 80 is connected to the outlet of the flow path. The oxidant gas pipe 21 is an example of a pipe that connects the oxidant gas supply means described in the claims to the inlet of the cathode. The 1st exhaust pipe 80 is an example of piping which connects the exit and the exterior of the cathode which are described in a claim.

アノード側のセパレータには、アノードに燃料ガスを供給する流路が設けられている。また、アノード側のセパレータの流路の入口には、燃料ガス配管31が接続され、当該流路の出口には第2排気管90が接続されている。燃料ガス配管31は、請求項に記載する燃料ガス供給手段とアノードの入口とを接続する配管の一例である。第2排気管90は、請求項に記載するアノードの出口と外部とを接続する配管の一例である。   The anode-side separator is provided with a flow path for supplying fuel gas to the anode. A fuel gas pipe 31 is connected to the inlet of the flow path of the anode-side separator, and a second exhaust pipe 90 is connected to the outlet of the flow path. The fuel gas pipe 31 is an example of a pipe connecting the fuel gas supply means described in the claims and the inlet of the anode. The 2nd exhaust pipe 90 is an example of piping which connects the exit of the anode described in a claim, and the exterior.

このようなセルがセパレータを介して複数積層されることでスタック構造の燃料電池10が形成されている。なお、特に図示しないが、一本の酸化ガス配管21がセル数に応じて複数に分岐し、各セルのセパレータに酸化ガスを供給している。燃料ガス配管31についても同様である。また、一本の第1排気管80がセル数に応じて複数に分岐し、各セルのセパレータから排出された排ガス及び水を第1貯留部41へ導く。第2排気管90についても同様に各セルのセパレータから排出された排ガス及び水を第2貯留部42へ導く。   A plurality of such cells are stacked via a separator to form a fuel cell 10 having a stack structure. Although not particularly illustrated, one oxidizing gas pipe 21 branches into a plurality according to the number of cells, and the oxidizing gas is supplied to the separator of each cell. The same applies to the fuel gas pipe 31. One first exhaust pipe 80 branches into a plurality according to the number of cells, and guides exhaust gas and water discharged from the separator of each cell to the first reservoir 41. Similarly, with respect to the second exhaust pipe 90, the exhaust gas and water discharged from the separator of each cell are guided to the second reservoir 42.

ブロア20は、酸化ガス供給手段の一例であり、酸化ガスとして外気を取り込んで圧縮した空気を燃料電池10のカソードに供給する装置である。ブロア20と、カソードとを接続する酸化ガス配管21には、第1入口側弁51が設けられている。   The blower 20 is an example of an oxidizing gas supply unit, and is an apparatus that supplies compressed air by taking outside air as an oxidizing gas to the cathode of the fuel cell 10. A first inlet side valve 51 is provided in the oxidizing gas pipe 21 that connects the blower 20 and the cathode.

第1入口側弁51は、通常、閉じた状態であり、ブロア20から所定の圧力を有する空気が酸化ガス配管21に供給されたときに開く。このような構成により、ブロア20から燃料電池10のカソードに、酸化ガスが一定圧力で供給される。第1入口側弁51は、ECU100によって開閉制御が可能となっている。   The first inlet side valve 51 is normally in a closed state and opens when air having a predetermined pressure is supplied from the blower 20 to the oxidizing gas pipe 21. With such a configuration, the oxidizing gas is supplied from the blower 20 to the cathode of the fuel cell 10 at a constant pressure. The first inlet side valve 51 can be controlled to open and close by the ECU 100.

燃料ガスタンク30は、燃料ガス供給手段の一例であり、燃料ガスとして高圧で貯蔵した水素を燃料電池10のアノードに供給する装置である。燃料ガスタンク30と、アノードとを接続する燃料ガス配管31には、第2入口側弁52が設けられている。   The fuel gas tank 30 is an example of a fuel gas supply unit, and is a device that supplies hydrogen stored at high pressure as fuel gas to the anode of the fuel cell 10. The fuel gas pipe 31 connecting the fuel gas tank 30 and the anode is provided with a second inlet side valve 52.

第2入口側弁52は、燃料ガスタンク30に高圧で貯蔵された水素を所定の圧力まで減圧させ、一定圧力にするための弁である。このような構成により、燃料ガスタンク30から燃料電池10のアノードに、燃料ガスが一定圧力で供給される。もちろん、燃料ガス配管31を閉じて水素の供給を停止することも可能である。第2入口側弁52は、ECU100によって開閉制御が可能となっている。   The second inlet side valve 52 is a valve for reducing the hydrogen stored in the fuel gas tank 30 at a high pressure to a predetermined pressure to obtain a constant pressure. With such a configuration, the fuel gas is supplied from the fuel gas tank 30 to the anode of the fuel cell 10 at a constant pressure. Of course, it is also possible to stop the supply of hydrogen by closing the fuel gas pipe 31. The second inlet side valve 52 can be controlled to open and close by the ECU 100.

第1排気管80には、第1出口側弁61が設けられている。第1出口側弁61は、ECU100により開閉制御が可能となっている。また、第1排気管80から分岐した第1循環用配管81がブロア20の上流側の一部分に接続されている。さらに、第1排気管80には第1出口側弁61よりも下流側(燃料電池10とは反対側)に、第1貯留部41が設けられている。   A first outlet side valve 61 is provided in the first exhaust pipe 80. The first outlet side valve 61 can be controlled to open and close by the ECU 100. A first circulation pipe 81 branched from the first exhaust pipe 80 is connected to a part on the upstream side of the blower 20. Further, the first exhaust pipe 80 is provided with a first reservoir 41 on the downstream side (the side opposite to the fuel cell 10) from the first outlet side valve 61.

第1貯留部41は、燃料電池10のカソードから排出された排ガス中の水分を貯留する容器である。燃料電池10のカソードは、第1排気管80を介して外部に接続されている。カソードが外部に接続されているとは、カソードから排出された排ガス及び水を外部に排出できることをいう。本実施形態のように、カソードから排出された水を第1貯留部41に一度貯留し、第1貯留部41から外部へ排出する構成であってもよい。   The first storage unit 41 is a container that stores moisture in the exhaust gas discharged from the cathode of the fuel cell 10. The cathode of the fuel cell 10 is connected to the outside via the first exhaust pipe 80. That the cathode is connected to the outside means that exhaust gas and water discharged from the cathode can be discharged to the outside. As in the present embodiment, the water discharged from the cathode may be stored once in the first storage portion 41 and discharged from the first storage portion 41 to the outside.

燃料電池10のカソードから排出された排ガス及び水は、図示しない気液分離機により気液分離され、排ガス中の水分が水として第1貯留部41に貯留され、排ガスは第1循環用配管81を介してブロア20の上流側へ導かれる。   Exhaust gas and water discharged from the cathode of the fuel cell 10 are gas-liquid separated by a gas-liquid separator (not shown), moisture in the exhaust gas is stored in the first storage unit 41 as water, and the exhaust gas is the first circulation pipe 81. To the upstream side of the blower 20.

第2排気管90には、第2出口側弁62が設けられている。第2出口側弁62は、ECU100により開閉制御が可能となっている。また、第2排気管90から分岐した第2循環用配管91が燃料ガスタンク30の下流側の一部分に接続されている。さらに、第2排気管90には第2出口側弁62よりも下流側(燃料電池10とは反対側)に、第2貯留部42が設けられている。   A second outlet side valve 62 is provided in the second exhaust pipe 90. The second outlet side valve 62 can be opened and closed by the ECU 100. A second circulation pipe 91 branched from the second exhaust pipe 90 is connected to a part of the downstream side of the fuel gas tank 30. Furthermore, the second exhaust pipe 90 is provided with a second reservoir 42 on the downstream side (opposite to the fuel cell 10) of the second outlet side valve 62.

第2貯留部42は、燃料電池10のアノードから排出された排ガス中の水分を貯留する容器である。燃料電池10のアノードは、第2排気管90を介して外部に接続されている。アノードが外部に接続されているとは、アノードから排出された排ガス及び水を外部に排出できることをいう。本実施形態のように、アノードから排出された水を第2貯留部42に一度貯留し、第2貯留部42から外部へ排出する構成であってもよい。   The second reservoir 42 is a container that stores moisture in the exhaust gas discharged from the anode of the fuel cell 10. The anode of the fuel cell 10 is connected to the outside through the second exhaust pipe 90. The fact that the anode is connected to the outside means that exhaust gas and water discharged from the anode can be discharged to the outside. As in the present embodiment, the configuration may be such that the water discharged from the anode is once stored in the second storage part 42 and discharged from the second storage part 42 to the outside.

燃料電池10のアノードから排出された排ガス及び水は、図示しない気液分離機により気液分離され、排ガス中の水分が水として第2貯留部42に貯留され、排ガス(未燃の水素)は第2循環用配管91を介して燃料ガスタンク30の下流側へ循環用ポンプ95により昇圧されて導かれる。   The exhaust gas and water discharged from the anode of the fuel cell 10 are gas-liquid separated by a gas-liquid separator (not shown), the water in the exhaust gas is stored in the second storage unit 42 as water, and the exhaust gas (unburned hydrogen) is The pressure is boosted by the circulation pump 95 to the downstream side of the fuel gas tank 30 via the second circulation pipe 91.

駆動モータ101は、燃料電池10及び二次電池102からの電力によって、電動車両の駆動輪(図示せず)を駆動するためのプラス側の駆動力(トルク)を発生する。また、駆動モータ101は、減速時等には発電機として作動しマイナス側の回生力(トルク)を発生する。駆動モータ101は、インバータ(図示せず)を介して燃料電池10及び二次電池102に接続されている。インバータは、燃料電池10で発電された直流電力や、二次電池102に充電された直流電力を交流電力に変換して駆動モータ101に供給する。また、駆動モータ101で発電された回生電力は、インバータにより直流電力に変換され二次電池102に充電されるようになっている。   The drive motor 101 generates a positive drive force (torque) for driving drive wheels (not shown) of the electric vehicle by the electric power from the fuel cell 10 and the secondary battery 102. Further, the drive motor 101 operates as a generator during deceleration or the like, and generates a negative regenerative force (torque). The drive motor 101 is connected to the fuel cell 10 and the secondary battery 102 via an inverter (not shown). The inverter converts DC power generated by the fuel cell 10 or DC power charged in the secondary battery 102 into AC power and supplies the AC power to the drive motor 101. Further, the regenerative power generated by the drive motor 101 is converted into DC power by an inverter and charged in the secondary battery 102.

二次電池102は、例えばリチウムイオン電池であり、燃料電池10で発電された電力や駆動モータ101で発電された回生電力を充電する。この二次電池102により充電された電力は、主として駆動モータ101の駆動に用いられる。ECU100により、二次電池102は燃料電池10に電気的に接続され、又は燃料電池10から電気的に切断される。   The secondary battery 102 is, for example, a lithium ion battery, and charges the electric power generated by the fuel cell 10 or the regenerative electric power generated by the drive motor 101. The electric power charged by the secondary battery 102 is mainly used for driving the drive motor 101. The secondary battery 102 is electrically connected to the fuel cell 10 or disconnected from the fuel cell 10 by the ECU 100.

放電装置103は、燃料電池10が発電した電力を放電する装置であり、例えば、アノードとカソードとに電気的に接続する放電抵抗である。ECU100により、放電装置103は燃料電池10に電気的に接続され、又は燃料電池10から電気的に切断される。   The discharge device 103 is a device that discharges the electric power generated by the fuel cell 10, and is, for example, a discharge resistor that is electrically connected to an anode and a cathode. The discharge device 103 is electrically connected to the fuel cell 10 or disconnected from the fuel cell 10 by the ECU 100.

ECU100は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピューターによって構成されている。ECU100は、各種センサから読み込んだ検知信号、出力要求、及び主記憶装置上のプログラムに基づいて、第1入口側弁51及び第2入口側弁52の開閉を制御したり、ブロア20から供給される空気の流量を調整することに燃料電池10による発電を制御する。   ECU100 is comprised by the microcomputer provided with a central processing unit and a main memory. The ECU 100 controls opening / closing of the first inlet side valve 51 and the second inlet side valve 52 based on detection signals read from various sensors, output requests, and programs on the main storage device, and is supplied from the blower 20. The power generation by the fuel cell 10 is controlled by adjusting the flow rate of air.

燃料電池10の通常運転させるときの制御について説明する。図1の燃料電池システム1は通常運転時の状態を表しており、白塗りで表された第1入口側弁51、第2入口側弁52、第1出口側弁61及び第2出口側弁62は開放した状態を示している。以後の図においても、これらの弁が白塗りで表された場合は開放した状態をしめし、また、黒塗りで表された場合は閉鎖した状態を示す。   The control when the fuel cell 10 is normally operated will be described. The fuel cell system 1 of FIG. 1 represents a state during normal operation, and the first inlet side valve 51, the second inlet side valve 52, the first outlet side valve 61, and the second outlet side valve, which are represented in white, are shown in white. 62 shows an open state. In the subsequent drawings, when these valves are expressed in white, they are in an open state, and when they are expressed in black, they are in a closed state.

通常運転時においては、ECU100は、燃料電池10へ燃料ガス及び酸化ガスを供給し、燃料電池10を駆動モータ101や二次電池102に接続する制御を行う。具体的には、ECU100は、アクセルの踏み込み量に応じて、二次電池102に電力を駆動モータ101に供給させ、駆動モータ101を駆動させる。   During normal operation, the ECU 100 supplies fuel gas and oxidizing gas to the fuel cell 10 and performs control to connect the fuel cell 10 to the drive motor 101 and the secondary battery 102. Specifically, the ECU 100 causes the secondary battery 102 to supply power to the drive motor 101 in accordance with the amount of accelerator depression, and drives the drive motor 101.

ECU100は、出力要求に対して、二次電池102の電力だけでは足りない場合、第1入口側弁51や第2入口側弁52を開放し、ブロア20から供給される空気の流量を制御して、燃料電池10を運転状態とし発電させる。また、第1出口側弁61や第2出口側弁62も開放し、燃料電池10からの排ガス及び水を循環させ、又は第1貯留部41及び第2貯留部42に排出させる。   In response to the output request, the ECU 100 opens the first inlet side valve 51 and the second inlet side valve 52 and controls the flow rate of air supplied from the blower 20 when the power of the secondary battery 102 is insufficient. Thus, the fuel cell 10 is brought into an operating state to generate power. Further, the first outlet side valve 61 and the second outlet side valve 62 are also opened, and the exhaust gas and water from the fuel cell 10 are circulated or discharged to the first reservoir 41 and the second reservoir 42.

そして、ECU100は、燃料電池10が発電した電力を駆動モータ101に供給させる。ECU100が二次電池102のSOCが所定値以下であることを検知したとき、燃料電池10が発電した電力を二次電池102へ電力を供給させる。   Then, the ECU 100 causes the drive motor 101 to supply the power generated by the fuel cell 10. When the ECU 100 detects that the SOC of the secondary battery 102 is equal to or less than a predetermined value, the power generated by the fuel cell 10 is supplied to the secondary battery 102.

さらに、ECU100は、燃料電池10の停止指令又は起動指令が与えられたとき、充電制御、放電制御、及びパージ制御からなる一連の制御を一回以上実行する。以後、この一連の制御を除去処理と称する。燃料電池10の停止指令としては、例えば、電動車両のイグニションスイッチがオフにされたことが挙げられる。また、燃料電池10の起動指令としては、例えば、電動車両のイグニションスイッチがオンにされたことが挙げられる。   Further, the ECU 100 executes a series of controls including charge control, discharge control, and purge control one or more times when a stop command or start command for the fuel cell 10 is given. Hereinafter, this series of control is referred to as removal processing. An example of the stop command for the fuel cell 10 is that an ignition switch of an electric vehicle is turned off. Moreover, as a starting command of the fuel cell 10, for example, an ignition switch of an electric vehicle is turned on.

充電制御は、第1入口側弁51、第2入口側弁52、第1出口側弁61及び第2出口側弁62を開放し、燃料電池10を二次電池102に電気的に接続する制御である。ECU100は、図1に示すように第1入口側弁51、第2入口側弁52、第1出口側弁61及び第2出口側弁62を開放する制御を行う。通常運転時とは異なるのは、燃料電池10で発電した電力を駆動モータ101へ供給せず、二次電池102に供給して充電させる点が異なる。   In the charge control, the first inlet side valve 51, the second inlet side valve 52, the first outlet side valve 61, and the second outlet side valve 62 are opened, and the fuel cell 10 is electrically connected to the secondary battery 102. It is. The ECU 100 performs control to open the first inlet side valve 51, the second inlet side valve 52, the first outlet side valve 61, and the second outlet side valve 62 as shown in FIG. The difference from the normal operation is that the power generated by the fuel cell 10 is not supplied to the drive motor 101 but supplied to the secondary battery 102 for charging.

通常運転をしているときは、第1入口側弁51、第2入口側弁52、第1出口側弁61及び第2出口側弁62を開放させているので、イグニションスイッチがオフにされたときは、実質的には、燃料電池10の電力を二次電池102のみに供給する制御を行うことになる。   During normal operation, since the first inlet side valve 51, the second inlet side valve 52, the first outlet side valve 61 and the second outlet side valve 62 are opened, the ignition switch is turned off. In some cases, the control of supplying the power of the fuel cell 10 only to the secondary battery 102 is practically performed.

燃料電池10が停止しているときは、第1入口側弁51、第2入口側弁52、第1出口側弁61及び第2出口側弁62は閉鎖している。したがって、イグニションスイッチがオンにされたときは、これらの弁を開放し、燃料電池10の電力を二次電池102のみに供給させる制御を行うことになる。   When the fuel cell 10 is stopped, the first inlet side valve 51, the second inlet side valve 52, the first outlet side valve 61, and the second outlet side valve 62 are closed. Therefore, when the ignition switch is turned on, these valves are opened, and control is performed so that the power of the fuel cell 10 is supplied only to the secondary battery 102.

図2は、放電制御を実行しているときの燃料電池システムを示す概略図である。
放電制御は、第1入口側弁51、第2入口側弁52、第1出口側弁61及び第2出口側弁62を閉鎖し、燃料電池10を駆動モータ101、二次電池102、放電装置103から電気的に切断する制御である。
FIG. 2 is a schematic diagram showing the fuel cell system when the discharge control is executed.
In the discharge control, the first inlet side valve 51, the second inlet side valve 52, the first outlet side valve 61 and the second outlet side valve 62 are closed, and the fuel cell 10 is driven by the drive motor 101, the secondary battery 102, and the discharge device. This is a control for electrically disconnecting from 103.

第1入口側弁51から燃料電池10のカソード、カソードから第1出口側弁61までの流路は閉空間(以後、カソード側閉空間と称する)となる。このカソード側閉空間は、外部から遮断された密閉空間となり、それらの弁を閉じた後では、酸化ガスが残留している。   The flow path from the first inlet side valve 51 to the cathode of the fuel cell 10 and from the cathode to the first outlet side valve 61 is a closed space (hereinafter referred to as a cathode side closed space). The cathode-side closed space becomes a sealed space that is blocked from the outside, and the oxidizing gas remains after the valves are closed.

同様に、第2入口側弁52から燃料電池10のアノード、アノードから第2出口側弁62までの流路は閉空間(以後、アノード側閉空間と称する)となる。このアノード側閉空間は、外部から遮断された密閉空間となり、それらの弁を閉じた後では、燃料ガスが残留している。   Similarly, the flow path from the second inlet side valve 52 to the anode of the fuel cell 10 and from the anode to the second outlet side valve 62 is a closed space (hereinafter referred to as an anode side closed space). This anode side closed space becomes a sealed space blocked from the outside, and the fuel gas remains after these valves are closed.

燃料電池10は、二次電池102とは電気的に接続されていないが、カソード側閉空間及びアノード側閉空間に残留した酸化ガス及び燃料ガスが電気化学反応する。このため、次第に酸化ガス及び燃料ガスは減少し、これに伴いセル電圧も減少する。   Although the fuel cell 10 is not electrically connected to the secondary battery 102, the oxidizing gas and the fuel gas remaining in the cathode side closed space and the anode side closed space undergo an electrochemical reaction. For this reason, the oxidizing gas and the fuel gas gradually decrease, and the cell voltage also decreases accordingly.

このような放電制御を行うと、カソード側閉空間及びアノード側閉空間は、酸化ガス及び燃料ガスが減少するので、負圧となる。さらに閉空間内の温度が低下するので、閉空間内に存在していた水蒸気は凝縮して水となる。この凝縮水がセルのセパレータに設けられた流路や電極を満たすので、それらの流路や電極に付着していた不純物が凝縮水に溶解する。   When such discharge control is performed, the cathode side closed space and the anode side closed space have negative pressure because the oxidizing gas and the fuel gas are reduced. Furthermore, since the temperature in the closed space is lowered, the water vapor existing in the closed space is condensed into water. Since this condensed water fills the flow paths and electrodes provided in the separator of the cell, impurities adhering to those flow paths and electrodes are dissolved in the condensed water.

図3は、パージ制御を実行しているときの燃料電池システムを示す概略図である。
パージ制御は、第1入口側弁51、第2入口側弁52、第1出口側弁61及び第2出口側弁62を開放する制御である。放電制御で燃料電池10を二次電池102から電気的に切断したが、そのままの状態で、上記弁の開放を行う。
FIG. 3 is a schematic diagram showing the fuel cell system when the purge control is executed.
The purge control is control for opening the first inlet side valve 51, the second inlet side valve 52, the first outlet side valve 61, and the second outlet side valve 62. The fuel cell 10 is electrically disconnected from the secondary battery 102 by the discharge control, but the valve is opened as it is.

具体的には、図3(a)に示すように、ECU100は、まず、第1入口側弁51及び第2入口側弁52を開放する。カソード側閉空間及びアノード側閉空間は負圧であるので、予め稼動させていたブロア20からの空気、及び燃料ガスタンク30からの燃料ガスが、カソード及びアノードに流入する。   Specifically, as shown in FIG. 3A, the ECU 100 first opens the first inlet side valve 51 and the second inlet side valve 52. Since the cathode side closed space and the anode side closed space have negative pressure, the air from the blower 20 and the fuel gas from the fuel gas tank 30 that have been operated in advance flow into the cathode and the anode.

次に、図3(b)に示すように、ECU100は、第1出口側弁61及び第2出口側弁62を開放する。これにより、図3(a)で、負圧により加勢されてカソード及びアノードに流入した酸化ガス及び燃料ガスは、その勢いで、第1出口側弁61及び第2出口側弁62へ流出しやすくなっている。このため、これらの酸化ガス及び燃料ガスがカソード及びアノードにある凝縮水を押し出す力が強くなり、凝縮水はカソード及びアノードから排出され、第1貯留部41及び第2貯留部42側へ導かれる。   Next, as shown in FIG. 3 (b), the ECU 100 opens the first outlet side valve 61 and the second outlet side valve 62. Thus, in FIG. 3A, the oxidizing gas and the fuel gas that are energized by the negative pressure and flow into the cathode and the anode easily flow out to the first outlet side valve 61 and the second outlet side valve 62 by that momentum. It has become. For this reason, the force which pushes out the condensed water which these oxidizing gas and fuel gas in a cathode and an anode becomes strong, and condensed water is discharged | emitted from a cathode and an anode, and is guide | induced to the 1st storage part 41 and the 2nd storage part 42 side. .

このようなパージ制御によれば、負圧を利用して加勢した酸化ガス及び燃料ガスによって、カソード及びアノードに溜まった凝縮水を外部に排出することができる。上述したように、凝縮水には、燃料電池10内の不純物が溶解しているので、燃料電池10の流路や電極に付着していた不純物を燃料電池10の外部へ排出することができる。   According to such purge control, the condensed water accumulated in the cathode and the anode can be discharged to the outside by the oxidizing gas and the fuel gas energized using the negative pressure. As described above, since the impurities in the fuel cell 10 are dissolved in the condensed water, the impurities attached to the flow paths and electrodes of the fuel cell 10 can be discharged to the outside of the fuel cell 10.

なお、第1入口側弁51及び第2入口側弁52を開放してから、第1出口側弁61及び第2出口側弁62を開放するまでの時間は、第1入口側弁51及び第2入口側弁52に流入した酸化ガス及び燃料ガスが第1出口側弁61及び第2出口側弁62に到達するのに要する時間とすることが好ましい。このような時間は、酸化ガス及び燃料ガスの流速や燃料電池10に設けられた流路の形状、長さ等に基づいて定めることができる。   The time from opening the first inlet side valve 51 and the second inlet side valve 52 to opening the first outlet side valve 61 and the second outlet side valve 62 is the same as that of the first inlet side valve 51 and the second outlet valve 52. The time required for the oxidizing gas and fuel gas flowing into the two inlet side valve 52 to reach the first outlet side valve 61 and the second outlet side valve 62 is preferably set. Such a time can be determined based on the flow rates of the oxidizing gas and the fuel gas, the shape and length of the flow path provided in the fuel cell 10, and the like.

次に充電制御を行う際には、パージ制御において第1入口側弁51、第2入口側弁52、第1出口側弁61及び第2出口側弁62が開放されているので、実質的には、燃料電池10を二次電池102に電気的に接続する制御を行えばよい。   Next, when performing the charge control, the first inlet side valve 51, the second inlet side valve 52, the first outlet side valve 61, and the second outlet side valve 62 are opened in the purge control. May be controlled to electrically connect the fuel cell 10 to the secondary battery 102.

ECU100は、上述した充電制御、放電制御及びパージ制御からなる一連の制御を一回以上実行する。   The ECU 100 executes a series of controls including the above-described charging control, discharging control, and purge control one or more times.

図4は、充電制御、放電制御及びパージ制御を実行しているときにおける、燃料電池のセル電圧及び燃料電池内に発生する水量を示したグラフである。横軸は時間であり、縦軸は、それぞれ燃料電池10のセル電圧、燃料電池10内で発生する水量である。   FIG. 4 is a graph showing the cell voltage of the fuel cell and the amount of water generated in the fuel cell when charge control, discharge control, and purge control are executed. The horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the cell voltage of the fuel cell 10 and the amount of water generated in the fuel cell 10, respectively.

同図に示すように、1回目の充電制御(図では充電と表記してある)の前の時点Aにおいて、イグニションスイッチがオフにされたとする。充電制御を行っている間は、燃料電池10に酸化ガス及び燃料ガスが供給され、発電を行っているので、水量が増加している。また、燃料電池10は、二次電池102に充電を行っているので、セル電圧は開回路電圧(例えば1.0V)よりも低い電圧(例えば0.8V)となっている。   As shown in the figure, it is assumed that the ignition switch is turned off at time A before the first charge control (indicated as charge in the figure). While the charge control is being performed, the amount of water is increasing because the oxidizing gas and the fuel gas are supplied to the fuel cell 10 to generate power. Further, since the fuel cell 10 charges the secondary battery 102, the cell voltage is lower than the open circuit voltage (eg, 1.0V) (eg, 0.8V).

次に1回目の充電制御後、放電制御(図では放電と表記してある)を行う。放電制御を行うタイミングについては特に限定はないが、例えば、充電制御を所定時間行ったときに、充電制御から放電制御に切り替えてもよい。他にも、充電制御を行っている際のセル電圧の変動が所定値以下となったときに、充電制御から放電制御に切り替えてもよい。セル電圧の変動は、過去の所定の時間内におけるセル電圧の最大値と最小値との差として求めることができる。   Next, after the first charge control, discharge control (shown as discharge in the figure) is performed. The timing for performing the discharge control is not particularly limited. For example, when the charge control is performed for a predetermined time, the charge control may be switched to the discharge control. In addition, the charging control may be switched to the discharging control when the fluctuation of the cell voltage during the charging control becomes a predetermined value or less. The fluctuation of the cell voltage can be obtained as a difference between the maximum value and the minimum value of the cell voltage within a predetermined time in the past.

放電制御を行っている間は、カソード閉空間及びアノード閉空間に残留した酸化ガス及び燃料ガスが消費されているのでセル電圧は減少し、水量は増加している。放電制御では、残留した酸化ガス及び燃料ガスの分だけしか水が増量しない。しかしながら、放電制御の前に、充電制御を行うことで、ブロア20及び燃料ガスタンク30から供給される酸化ガス及び燃料ガスにより、水量を増量させる。これにより、放電制御時に生じる水量に加えて、充電制御時に生じる水量の水で、燃料電池10の電極やセパレータに付着した不純物を溶解することができる。つまり、放電制御の前に充電制御を行う本実施形態の燃料電池システム1は、放電制御のみを行って水に不純物を溶解させるよりも、より多くの不純物を水に溶解させることができる。   During the discharge control, the oxidizing gas and fuel gas remaining in the cathode closed space and the anode closed space are consumed, so that the cell voltage decreases and the amount of water increases. In the discharge control, the amount of water is increased only for the remaining oxidizing gas and fuel gas. However, the amount of water is increased by the oxidizing gas and the fuel gas supplied from the blower 20 and the fuel gas tank 30 by performing the charge control before the discharge control. Thereby, in addition to the amount of water generated at the time of discharge control, impurities attached to the electrodes and separator of the fuel cell 10 can be dissolved by the amount of water generated at the time of charge control. That is, the fuel cell system 1 of the present embodiment that performs charge control before discharge control can dissolve more impurities in water than performing only discharge control to dissolve impurities in water.

次に、放電制御後に、パージ制御(図ではパージと表記してある)を行う。パージ制御を行うタイミングについては特に限定はない。例えば、放電制御によりセル電圧が降下して閾値以下(例えば0.6V以下)となったときに、放電制御からパージ制御に切り替えてもよい。セル電圧が低いと、電極の触媒(白金)に付着した不純物や酸化物が還元除去される。したがって、このような還元除去が生じるような電圧を閾値として設定することが好ましい。   Next, after the discharge control, purge control (denoted as purge in the figure) is performed. There is no particular limitation on the timing for performing the purge control. For example, the discharge control may be switched to the purge control when the cell voltage drops due to the discharge control and falls below a threshold (for example, 0.6 V or less). When the cell voltage is low, impurities and oxides adhering to the electrode catalyst (platinum) are reduced and removed. Therefore, it is preferable to set a voltage that causes such reduction and removal as a threshold value.

パージ制御により、不純物等が溶解した水を燃料電池10内から外部へ排出することができる。   By purging control, water in which impurities and the like are dissolved can be discharged from the fuel cell 10 to the outside.

なお、通常運転時にイグニションスイッチがオフになったときは、放電制御から開始してもよい。同図に示す時点Bにおいてイグニションスイッチがオフになったとする。このようなときは、イグニションスイッチがオフになる前は、通常運転において燃料電池10が二次電池102を充電しているので、これを充電制御とみなす。したがって、イグニションスイッチがオフになったときに放電制御から開始しても、イグニションスイッチをオフにする前後では、充電制御から放電制御を行っていることになる。   Note that, when the ignition switch is turned off during normal operation, the discharge control may be started. Assume that the ignition switch is turned off at time B shown in FIG. In such a case, since the fuel cell 10 is charging the secondary battery 102 in the normal operation before the ignition switch is turned off, this is regarded as charge control. Therefore, even if the ignition control is started when the ignition switch is turned off, the discharge control is performed from the charge control before and after the ignition switch is turned off.

上述した一連の充電制御、放電制御及びパージ制御をECU100は一回以上実行する。同図に示した例では、3回行っており、4回目の放電を行った後には、これらの制御を行わず、燃料電池10を完全停止させている。完全停止とは、酸化ガス及び燃料ガスの供給を停止した状態である。このような制御を複数回実行することで、燃料電池10の不純物をより確実に除去することができる。   The ECU 100 executes the series of charge control, discharge control, and purge control described above once or more. In the example shown in the figure, the operation is performed three times, and after the fourth discharge, these controls are not performed and the fuel cell 10 is completely stopped. The complete stop is a state in which the supply of the oxidizing gas and the fuel gas is stopped. By executing such control a plurality of times, impurities in the fuel cell 10 can be more reliably removed.

また、充電時のセル電圧に基づいて充電制御、放電制御及びパージ制御を終了させてもよい。例えば、一回目の充電制御を行っているときのセル電圧は0.8Vである。そして、二回目の充電制御を行っているときのセル電圧はそれよりも高い0.85Vである。これは、充電制御、放電制御及びパージ制御により電極やセパレータから不純物が相当量除去されたため、燃料電池の発電性能が回復したためである。   Moreover, you may complete | finish charge control, discharge control, and purge control based on the cell voltage at the time of charge. For example, the cell voltage during the first charge control is 0.8V. And the cell voltage at the time of performing charge control of the 2nd time is 0.85V higher than it. This is because the power generation performance of the fuel cell has been restored because a considerable amount of impurities have been removed from the electrodes and separator by charge control, discharge control and purge control.

このように、二回目とその前回である一回目のセル電圧の差が同一でない、もしくは一定以上の差が開いているときは、除去処理を終了せずに、もう一回実行する。   As described above, when the difference between the second time and the previous cell voltage is not the same or when a difference of a certain level or more is opened, the removal process is not finished and the process is executed once again.

次に、三回目の充電制御を行っているときのセル電圧は、二回目のセル電圧と同じ0.85Vである。不純物を除去するための除去処理を実行したにも関わらず、セル電圧に変化がないということは、燃料電池10からほぼ不純物を除去しきったといえる。   Next, the cell voltage during the third charge control is 0.85 V, which is the same as the second cell voltage. The fact that the cell voltage does not change despite the removal process for removing the impurities can be said that the impurities have been almost completely removed from the fuel cell 10.

このように、三回目(今回)と二回目(前回)のセル電圧の差は同一又は差が所定の閾値以下であるときは、除去処理を終了する。すなわち、四回目の除去処理は実行せず、放電制御を実行した後、燃料電池10を完全停止させる。   As described above, when the difference between the third (current) and second (previous) cell voltages is the same or when the difference is equal to or less than the predetermined threshold, the removal process is terminated. That is, the fourth removal process is not executed, and after the discharge control is executed, the fuel cell 10 is completely stopped.

このように、除去処理を終了する条件として、充電制御時のセル電圧に変化がなくなったことを適用するので、燃料電池10に生じていた不純物等をより確実に除去することができる。   As described above, as the condition for terminating the removal process, the fact that the change in the cell voltage during the charge control is applied is applied, so that impurities and the like generated in the fuel cell 10 can be more reliably removed.

図5は、本実施形態の燃料電池システム1の停止時の動作を示すフロー図である。以下の処理は、ECU100により実行される。
まず、燃料電池(図ではFCと略記)の停止指示があったかを判定する(ステップS1)。停止指示がない場合(ステップS1:No)、RETURNする(例えば一定時間経過後にSTARTから実行する)。
FIG. 5 is a flowchart showing the operation of the fuel cell system 1 according to this embodiment when stopped. The following processing is executed by the ECU 100.
First, it is determined whether or not there has been an instruction to stop the fuel cell (abbreviated as FC in the figure) (step S1). When there is no stop instruction (step S1: No), RETURN is performed (for example, execution is performed from START after a predetermined time elapses).

停止指示があった場合(ステップS1:Yes)、二次電池102のSOC検出を行う(ステップS2)。次に、運転時間が閾値a以上であるかを判定する(ステップS3)。運転時間は、例えば、前回に、充電制御、放電制御、及びパージ制御からなる一連の制御を実行して燃料電池10から不純物を除去したときからの積算時間である。閾値aに特に限定はないが、例えば、数百時間を設定する。運転時間が閾値a未満の場合(ステップS3:No)、RETURNする。すなわち、前回に不純物を除去してから、あまり時間が経過していないので、不純物の除去を必要としない、と判断する。   When there is a stop instruction (step S1: Yes), SOC detection of the secondary battery 102 is performed (step S2). Next, it is determined whether the operation time is equal to or greater than the threshold value a (step S3). The operation time is, for example, an accumulated time from when impurities are removed from the fuel cell 10 by executing a series of controls including charge control, discharge control, and purge control last time. Although there is no particular limitation on the threshold value a, for example, several hundred hours are set. When the operation time is less than the threshold value a (step S3: No), RETURN is performed. That is, it has been determined that it is not necessary to remove impurities since the time has not passed since the last time impurities were removed.

次に、運転時間が閾値a以上であるならば(ステップS3:Yes)、SOCが閾値b以下であるかを判定する(ステップS4)。閾値bは、充電制御で二次電池102に充電を行うが、このときに充電した電力を受け入れるのに十分な空きがあるかを判定するための閾値である。例えば、閾値bを50%とする。   Next, if the operation time is equal to or greater than the threshold value a (step S3: Yes), it is determined whether the SOC is equal to or less than the threshold value b (step S4). The threshold value b is a threshold value for determining whether or not there is enough free space to accept the power charged at this time when the secondary battery 102 is charged by the charge control. For example, the threshold value b is set to 50%.

SOCが閾値bより大きい場合(ステップS4:No)、すなわち二次電池102が電力を十分に受け入れられない場合は、RETURNする。SOCが閾値b以下である場合(ステップS4:Yes)、上述した充電制御、放電制御及びパージ制御からなる一連の制御により不純物の除去処理を実行する(ステップS5)。   When the SOC is larger than the threshold value b (step S4: No), that is, when the secondary battery 102 cannot sufficiently accept the power, RETURN is performed. When the SOC is equal to or less than the threshold value b (step S4: Yes), the impurity removal process is executed by a series of controls including the above-described charge control, discharge control, and purge control (step S5).

なお、運転時間として、不純物の除去を実行した頻度としてもよい。例えば、閾値aとして半年に1回など適宜設定し、それよりも頻度が大きい場合には、不純物の除去処理を実行しない。さらに、運転時間に限らず、所定の電流密度におけるセル電圧が所定値より低下したことを条件に、不純物の除去処理を実行してもよい。他にも、定期的に不純物の除去処理を実行してもよい。   The operating time may be the frequency at which impurities are removed. For example, the threshold value a is set as appropriate, such as once every six months, and if the frequency is higher than that, the impurity removal process is not executed. Further, not only the operation time but also the impurity removal process may be executed on the condition that the cell voltage at a predetermined current density has decreased below a predetermined value. In addition, impurity removal processing may be performed periodically.

また、特に図示しないが、イグニションスイッチをオンにするなどにより燃料電池10の起動指示があったときのフローとしては、例えば次のように行うことができる。   Although not particularly illustrated, the flow when the start instruction of the fuel cell 10 is given by turning on the ignition switch or the like can be performed as follows, for example.

まず、ECU100は、燃料電池の起動指示があったときに、燃料電池10を起動する。具体的には、図1に示したように、各弁を開放し、酸化ガス及び燃料ガスを燃料電池10に供給する。
その後、図5に示したステップS2からステップS4と同じ処理を実行する。そして、燃料電池10に対する出力要求がない時間が一定時間(例えば10分)経過したかを判定する。一定時間経過しているならば、しばらくは発進しないと推定できる。そして、電動車両の車内の表示装置に、除去処理を行うか否かを確認する画面を表示し、運転者が除去処理をしてよいという入力をしたとき、不純物の除去処理を実行してもよい。
First, the ECU 100 starts the fuel cell 10 when an instruction to start the fuel cell is given. Specifically, as shown in FIG. 1, each valve is opened, and oxidizing gas and fuel gas are supplied to the fuel cell 10.
Thereafter, the same processing as in steps S2 to S4 shown in FIG. 5 is executed. Then, it is determined whether a certain time (for example, 10 minutes) elapses when there is no output request for the fuel cell 10. If a certain time has elapsed, it can be estimated that the vehicle will not start for a while. Then, a screen for confirming whether or not to perform the removal process is displayed on the display device in the vehicle of the electric vehicle, and when the driver inputs that the removal process may be performed, the impurity removal process may be executed. Good.

図6は、本実施形態の燃料電池システム1の不純物の除去処理の動作を示すフロー図である。以下の処理は、ECU100により実行される。   FIG. 6 is a flowchart showing an operation of removing impurities in the fuel cell system 1 of the present embodiment. The following processing is executed by the ECU 100.

ECU100は、燃料電池10のセル電圧を検出する(ステップS10)。次に、ECU100は、充電制御を行い(ステップS11)、放電制御を行う(ステップS12)。充電制御から放電制御へ切り替える条件は、上述したように、一定時間経過後でもよいし、セル電圧の変動が閾値以下であるなどの条件を採用することができる。   ECU 100 detects the cell voltage of fuel cell 10 (step S10). Next, the ECU 100 performs charge control (step S11) and performs discharge control (step S12). As described above, the condition for switching from the charge control to the discharge control may be after a certain period of time has elapsed, or a condition such that the cell voltage fluctuation is equal to or less than a threshold value may be employed.

次に、燃料電池10のセル電圧が閾値e以下であるかを判定する(ステップS13)。閾値eは、電極の触媒(白金)に付着した不純物や酸化物が還元除去されるのに十分に低い電圧とする。例えば、0.6Vとする。   Next, it is determined whether the cell voltage of the fuel cell 10 is equal to or less than the threshold value e (step S13). The threshold value e is set to a sufficiently low voltage so that impurities and oxides attached to the electrode catalyst (platinum) are reduced and removed. For example, it is 0.6V.

セル電圧が閾値eより大きいならば(ステップS13:No)、まだ不純物が十分に還元除去されていないと推定されるので、放電制御を継続する(ステップS12)。   If the cell voltage is larger than the threshold value e (step S13: No), it is estimated that the impurities have not been sufficiently reduced and removed, and thus the discharge control is continued (step S12).

セル電圧が閾値e以下であるならば(ステップS13:Yes)、不純物が十分に還元除去されたと推定されるので、放電制御を終了し、パージ制御を実行する(ステップS14)。   If the cell voltage is equal to or lower than the threshold value e (step S13: Yes), it is estimated that the impurities have been sufficiently reduced and removed, so the discharge control is terminated and the purge control is executed (step S14).

次に、ECU100は、終了条件を判定する。ここでは、前回の除去処理において充電制御をしているときのセル電圧をfとし、今回の除去処理において充電制御をしているときのセル電圧をgとする。そして、セル電圧fとセル電圧gとが等しい又は、負圧パージを実行した回数が閾値h以上であることを終了条件とする。   Next, the ECU 100 determines an end condition. Here, it is assumed that the cell voltage when the charge control is performed in the previous removal process is f, and the cell voltage when the charge control is performed in the current removal process is g. Then, the end condition is that the cell voltage f and the cell voltage g are equal or the number of times of performing the negative pressure purge is equal to or greater than the threshold value h.

例えば、図4の一回目と二回目の充電制御を行っているときのセル電圧は異なっている。すなわち、セル電圧fとセル電圧gとが異なるので(ステップS15:No)、除去処理を終了せず、ステップS10に戻って次の除去処理を実行する。   For example, the cell voltages when the first and second charge control in FIG. 4 are performed are different. That is, since the cell voltage f and the cell voltage g are different (step S15: No), the removal process is not terminated, and the process returns to step S10 to execute the next removal process.

図4の二回目と三回目の充電制御を行っているときのセル電圧は同じである。すなわち、セル電圧fとセル電圧gとが等しいので(ステップS15:Yes)、除去処理を終了する。または、セル電圧fとセル電圧gとが異なっていても、パージ制御を実行した回数が閾値h以上であるならば(ステップS15:Yes)、除去処理を終了する。   The cell voltage is the same when the second and third charge control of FIG. 4 is performed. That is, since the cell voltage f and the cell voltage g are equal (step S15: Yes), the removal process is terminated. Alternatively, even if the cell voltage f and the cell voltage g are different, if the number of times purge control is executed is equal to or greater than the threshold value h (step S15: Yes), the removal process is terminated.

以上に説明した本実施形態に係る燃料電池システム1によれば、充電制御を実行することで酸化ガス及び燃料ガスを電気化学反応させ、燃料電池10内での水量を増量させる。そして、放電制御を実行することで、セル電圧を低下させ、電極やセパレータに付着した不純物を還元除去し、水に溶解させる。その後、パージ制御を実行することで、不純物が溶解した水を燃料電池10の外部へ排出することができる。このように燃料電池10の電極やセパレータに付着した不純物を外部へより確実に除去することができる。これにより、燃料電池10の電極やセパレータが腐食することを抑制し、発電性能を回復することができる。   According to the fuel cell system 1 according to this embodiment described above, the charge control is executed to cause the oxidizing gas and the fuel gas to undergo an electrochemical reaction, thereby increasing the amount of water in the fuel cell 10. And by performing discharge control, a cell voltage is reduced, the impurities adhering to an electrode or a separator are reduced and removed, and it dissolves in water. Thereafter, by performing purge control, water in which impurities are dissolved can be discharged to the outside of the fuel cell 10. In this way, impurities attached to the electrode and separator of the fuel cell 10 can be more reliably removed to the outside. Thereby, it can suppress that the electrode and separator of the fuel cell 10 corrode, and can recover electric power generation performance.

また、放電制御時に生じる水量に加えて、充電制御時に生じる水量の水で、燃料電池10の電極やセパレータに付着した不純物を溶解することができる。つまり、放電制御の前に充電制御を行う本実施形態の燃料電池システム1は、放電制御のみを行って水に不純物を溶解させるよりも、より多くの不純物を水に溶解させることができる。これにより、より多くの不純物を燃料電池10の外部へ除去することができる。   In addition to the amount of water generated during discharge control, the amount of water generated during charge control can dissolve impurities adhering to the electrodes and separator of the fuel cell 10. That is, the fuel cell system 1 of the present embodiment that performs charge control before discharge control can dissolve more impurities in water than performing only discharge control to dissolve impurities in water. Thereby, more impurities can be removed to the outside of the fuel cell 10.

本実施形態に係る燃料電池システム1は、充電制御、放電制御及びパージ制御からなる除去処理を複数回実行する。これにより、燃料電池10の不純物をより確実に除去することができる。   The fuel cell system 1 according to the present embodiment executes a removal process including charge control, discharge control, and purge control a plurality of times. Thereby, the impurities of the fuel cell 10 can be more reliably removed.

本実施形態に係る燃料電池システム1は、前回と今回の除去処理における充電制御時のセル電圧との差が所定の閾値以内であることを条件として、除去処理を終了する。このような条件が成立するときは、燃料電池10からほぼ不純物を除去しきった場合である。したがって、そのような条件によって除去処理を終了するので、燃料電池10に生じていた不純物等をより確実に除去することができる。   The fuel cell system 1 according to the present embodiment ends the removal process on condition that the difference between the cell voltage at the time of charge control in the previous and current removal processes is within a predetermined threshold. When such a condition is satisfied, the impurities are almost completely removed from the fuel cell 10. Therefore, since the removal process is terminated under such conditions, impurities and the like generated in the fuel cell 10 can be more reliably removed.

本実施形態に係る燃料電池システム1は、パージ制御を行う際に、第1入口側弁51及び第2入口側弁52を先に開放し、その後、第1出口側弁61及び第2出口側弁62を開放する。このようなパージ制御によれば、負圧を利用して加勢した酸化ガス及び燃料ガスによって、カソード及びアノードに溜まった凝縮水をより確実に外部に排出することができる。   When performing the purge control, the fuel cell system 1 according to the present embodiment first opens the first inlet side valve 51 and the second inlet side valve 52, and then the first outlet side valve 61 and the second outlet side. The valve 62 is opened. According to such purge control, the condensed water accumulated in the cathode and the anode can be more reliably discharged to the outside by the oxidizing gas and the fuel gas energized using the negative pressure.

〈実施形態2〉
本実施形態では、加湿手段を備えた燃料電池システム1Aについて説明する。図7は、本実施形態に係る燃料電池システムの概略図である。なお、実施形態1と同一のものには同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
<Embodiment 2>
In the present embodiment, a fuel cell system 1A provided with humidifying means will be described. FIG. 7 is a schematic diagram of the fuel cell system according to the present embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same thing as Embodiment 1, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

本実施形態の燃料電池システム1Aは、加湿装置110を備えている。加湿装置110は、加湿手段の一例であり、燃料ガスを加湿する装置である。具体的には、加湿装置110は、内部の空間を二つに仕切る膜111が設けられている。この膜111は、気体を透過せず、水は透過させる。   The fuel cell system 1 </ b> A of the present embodiment includes a humidifier 110. The humidifier 110 is an example of a humidifier and is a device that humidifies the fuel gas. Specifically, the humidifier 110 is provided with a film 111 that partitions an internal space into two. The membrane 111 does not transmit gas but allows water to pass therethrough.

このような膜に仕切られた一方の空間112には、第2排気管90から排ガスに含まれる水が流入する。空間112に流入した水は、第2貯留部42へ送られるようになっている。また、膜111に仕切られた他方の空間113には、燃料ガス配管31から分岐した加湿用配管114a及び加湿用配管114bが接続されている。   Water contained in the exhaust gas flows into the one space 112 partitioned by such a film from the second exhaust pipe 90. The water that has flowed into the space 112 is sent to the second reservoir 42. Further, a humidifying pipe 114 a and a humidifying pipe 114 b branched from the fuel gas pipe 31 are connected to the other space 113 partitioned by the membrane 111.

燃料ガス配管31を流れる燃料ガスは、加湿用配管114aを通って空間113に流入する。そして、燃料ガスは膜111を透過した水と接し、水分を含む燃料ガスとなり、加湿用配管114bを通って燃料ガス配管31に戻される。   The fuel gas flowing through the fuel gas pipe 31 flows into the space 113 through the humidifying pipe 114a. Then, the fuel gas comes into contact with the water that has permeated through the membrane 111, becomes a fuel gas containing moisture, and returns to the fuel gas pipe 31 through the humidifying pipe 114b.

このような加湿装置110によれば、燃料ガスが加湿され、水分を多く含む燃料ガスとなる。これにより、燃料電池10において充電制御及び放電制御をする際に発生する水量を増大させることができる。このように加湿装置110を設けた燃料電池システム1Aによれば、燃料電池10で発生する水量を増大させるので、より多くの不純物を水に溶解させて燃料電池10から除去することができる。   According to such a humidifier 110, the fuel gas is humidified to become a fuel gas containing a large amount of moisture. Thereby, the amount of water generated when performing charge control and discharge control in the fuel cell 10 can be increased. According to the fuel cell system 1A provided with the humidifier 110 as described above, the amount of water generated in the fuel cell 10 is increased, so that more impurities can be dissolved in water and removed from the fuel cell 10.

なお、加湿手段はこのような態様に限定されず、燃料ガスを加湿できる構成であればよい。   In addition, a humidification means is not limited to such an aspect, What is necessary is just a structure which can humidify fuel gas.

〈他の実施形態〉
以上、本発明の一実施形態について説明したが、勿論、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。
<Other embodiments>
As mentioned above, although one embodiment of the present invention has been described, of course, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and addition, omission, replacement, etc., of a configuration is possible without departing from the spirit of the present invention. And other changes are possible.

例えば、燃料ガスタンク30の出口部とブロア20の入口部には、負圧発生制御の実行時にガスの流入を防止する弁を有してもよい。   For example, the outlet of the fuel gas tank 30 and the inlet of the blower 20 may have a valve that prevents inflow of gas when the negative pressure generation control is executed.

実施形態1に係る燃料電池システム1では、除去処理を三回実行する例を説明したが、回数はこれに限定されず、一回以上であれば何回であってもよい。   In the fuel cell system 1 according to Embodiment 1, the example in which the removal process is executed three times has been described, but the number of times is not limited to this, and may be any number of times as long as it is one or more times.

実施形態1に係る燃料電池システム1では、カソード及びアノードの両方について、第1貯留部41及び第2貯留部42がそれぞれ接続されていたが、このような態様に限定されない。例えば、カソード及びアノードの双方に共通の貯留部を設けてもよい。   In the fuel cell system 1 according to Embodiment 1, the first storage unit 41 and the second storage unit 42 are connected to both the cathode and the anode, but the present invention is not limited to such a mode. For example, a common reservoir may be provided for both the cathode and the anode.

実施形態1に係る燃料電池システム1では、パージ制御の際に、第1入口側弁51及び第2入口側弁52を先に開放し、その後、第1出口側弁61及び第2出口側弁62を開放したが、このような態様に限定されず、順序が逆でもよいし、それらの弁をほぼ同時に開放してもよい。   In the fuel cell system 1 according to Embodiment 1, during the purge control, the first inlet side valve 51 and the second inlet side valve 52 are first opened, and then the first outlet side valve 61 and the second outlet side valve are opened. Although 62 is opened, the present invention is not limited to such an embodiment, and the order may be reversed, or the valves may be opened almost simultaneously.

実施形態1に係る燃料電池システム1では、電動車両に搭載されていたが、このような態様に限定されず、電源として任意の用途に適用することができる。   Although the fuel cell system 1 according to Embodiment 1 is mounted on an electric vehicle, the present invention is not limited to such an embodiment, and can be applied to any application as a power source.

1、1A 燃料電池システム
10 燃料電池
20 ブロア(酸化ガス供給手段)
30 燃料ガスタンク(燃料ガス供給手段)
51 第1入口側弁
52 第2入口側弁
61 第1出口側弁
62 第2出口側弁
101 駆動モータ
102 二次電池
103 放電装置
110 加湿装置(加湿手段)
1, 1A Fuel cell system 10 Fuel cell 20 Blower (oxidizing gas supply means)
30 Fuel gas tank (fuel gas supply means)
51 First inlet side valve 52 Second inlet side valve 61 First outlet side valve 62 Second outlet side valve 101 Drive motor 102 Secondary battery 103 Discharge device 110 Humidifier (humidifier)

Claims (5)

カソード及びアノードを備え、二次電池に電力を供給する燃料電池と、
前記カソードに酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記酸化ガス供給手段と前記カソードの入口とを接続する配管、及び前記燃料ガス供給手段と前記アノードの入口とを接続する配管のそれぞれに設けられた第1入口側弁及び第2入口側弁と、
前記カソードの出口と外部とを接続する配管、及び前記アノードの出口と外部とを接続する配管のそれぞれに設けられた第1出口側弁及び第2出口側弁と、
前記第1入口側弁、前記第2入口側弁、前記第1出口側弁及び前記第2出口側弁の開閉を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記燃料電池への停止指令又は起動指令があったとき、
前記第1入口側弁、前記第2入口側弁、前記第1出口側弁及び前記第2出口側弁を開放し、前記燃料電池を前記二次電池に電気的に接続する充電制御と、
前記第1入口側弁、前記第2入口側弁、前記第1出口側弁及び前記第2出口側弁を閉鎖し、前記燃料電池を前記二次電池から電気的に切断する放電制御と、
前記第1入口側弁、前記第2入口側弁、前記第1出口側弁及び前記第2出口側弁を開放するパージ制御と、を一回以上実行する
ことを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell comprising a cathode and an anode and supplying power to the secondary battery;
An oxidizing gas supply means for supplying an oxidizing gas to the cathode;
Fuel gas supply means for supplying fuel gas to the anode;
A first inlet side valve and a second inlet side valve provided in each of a pipe connecting the oxidizing gas supply means and the cathode inlet, and a pipe connecting the fuel gas supply means and the anode inlet; ,
A first outlet side valve and a second outlet side valve provided in each of a pipe connecting the cathode outlet and the outside, and a pipe connecting the anode outlet and the outside;
Control means for controlling opening and closing of the first inlet side valve, the second inlet side valve, the first outlet side valve, and the second outlet side valve;
The control means, when there is a stop command or start command to the fuel cell,
Charging control for opening the first inlet side valve, the second inlet side valve, the first outlet side valve, and the second outlet side valve and electrically connecting the fuel cell to the secondary battery;
A discharge control for closing the first inlet side valve, the second inlet side valve, the first outlet side valve and the second outlet side valve, and electrically disconnecting the fuel cell from the secondary battery;
The fuel cell system, wherein the first inlet side valve, the second inlet side valve, the first outlet side valve, and the purge control for opening the second outlet side valve are executed at least once.
請求項1に記載する燃料電池システムにおいて、
前記制御手段は、
前記充電制御、前記放電制御、及び前記パージ制御を複数回実行する
ことを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1, wherein
The control means includes
The fuel cell system, wherein the charge control, the discharge control, and the purge control are executed a plurality of times.
請求項1又は請求項2に記載する燃料電池システムにおいて、
前記制御手段は、
前記充電制御を実行しているときの前記燃料電池のセル電圧と、前回の前記充電制御を実行したときの前記燃料電池のセル電圧との差が所定の閾値以下であることを条件に、前記充電制御、前記放電制御及び前記パージ制御の実行を停止する
ことを特徴とする燃料電池システム。
In the fuel cell system according to claim 1 or 2,
The control means includes
On the condition that the difference between the cell voltage of the fuel cell when executing the charge control and the cell voltage of the fuel cell when executing the previous charge control is equal to or less than a predetermined threshold. The fuel cell system, wherein execution of charge control, discharge control, and purge control is stopped.
請求項1から請求項3の何れか一項に記載する燃料電池システムにおいて、
前記パージ制御では、前記第1入口側弁及び前記第2入口側弁を開放した後、前記第1出口側弁及び前記第2出口側弁を開放する
ことを特徴とする燃料電池システム。
In the fuel cell system according to any one of claims 1 to 3,
In the purge control, after opening the first inlet side valve and the second inlet side valve, the first outlet side valve and the second outlet side valve are opened.
請求項1〜請求項4の何れか一項に記載する燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガスを加湿する加湿手段を備える
ことを特徴とする燃料電池システム。



In the fuel cell system according to any one of claims 1 to 4,
A fuel cell system comprising humidifying means for humidifying the fuel gas.



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