JP2018101594A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of determining a freezing state in a fuel cell stack with good accuracy.SOLUTION: A fuel cell system comprises: a water storing part 72 provided in a fuel cell stack and connected to an oxidant gas exhaust manifold 30 and arranged for storing generated water discharged from a plurality of single cells; an oxidant gas exhaust path 64 provided outside the fuel cell stack and connected to the oxidant gas exhaust manifold, and arranged for discharging an oxidant exhaust gas; a pressure-control valve 68 provided in the oxidant gas exhaust path; a bypass flow path 74 connected between the water storing part and the oxidant gas exhaust path downstream of the water storing part and the pressure-control valve; a bypass valve 76 provided in the bypass flow path; a pressure sensor 70 provided in the oxidant gas exhaust path upstream of the pressure-control valve; and a freezing determination part which uses a pressure value obtained from the pressure sensor with the pressure-control valve closed and the bypass valve opened at the time of fuel cell activation to determine a freezing state in the fuel cell stack.SELECTED DRAWING: Figure 3

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.

固体高分子型燃料電池は、電解質膜の両側に触媒電極層が配置された膜電極接合体を備える。膜電極接合体では電気化学反応が進行し、水が生成されることから、燃料電池スタック内部には水が存在する。このため、燃料電池が寒冷地などで使用される場合では、運転停止後に、燃料電池スタック内の水が凍結することがある。燃料電池スタック内の水が凍結するとガス流路が閉塞した状態になり、起動時における出力が低下することがある。そこで、燃料ガス及び酸化剤ガスの排ガスを排出する反応ガス排出配管に、燃料電池スタックから排出された水を捕集し保持する貯水部を設けることで、凍結起動時に高圧運転による起動を可能とする技術が提案されている(例えば、特許文献1)。   A polymer electrolyte fuel cell includes a membrane electrode assembly in which catalyst electrode layers are disposed on both sides of an electrolyte membrane. In the membrane electrode assembly, an electrochemical reaction proceeds and water is generated, so water exists in the fuel cell stack. For this reason, when the fuel cell is used in a cold region, the water in the fuel cell stack may freeze after the operation is stopped. When the water in the fuel cell stack freezes, the gas flow path is blocked, and the output at the start-up may decrease. Therefore, by providing a water storage part that collects and holds the water discharged from the fuel cell stack in the reaction gas discharge pipe that discharges the exhaust gas of fuel gas and oxidant gas, it is possible to start by high pressure operation at the time of freezing start The technique which performs is proposed (for example, patent document 1).

特開2010−250947号公報JP 2010-250947 A

しかしながら、特許文献1では、貯水部が燃料電池スタックの外部にあるため、貯水部の凍結状態と燃料電池スタック内部の凍結状態とが異なる場合がある。つまり、特許文献1の技術では、燃料電池スタック内部の凍結状態を精度良く把握することが難しい。   However, in Patent Document 1, since the water reservoir is outside the fuel cell stack, the frozen state of the water reservoir and the frozen state inside the fuel cell stack may be different. That is, with the technique of Patent Document 1, it is difficult to accurately grasp the frozen state inside the fuel cell stack.

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、燃料電池スタック内部の凍結状態を精度良く判断することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to accurately determine the frozen state inside the fuel cell stack.

本発明は、複数の単セルが積層された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの内部に設けられ、前記複数の単セルから排出される酸化剤排ガスが流通する内部流路と、前記燃料電池スタックの内部に前記内部流路に接続されて設けられ、前記複数の単セルから排出される生成水を貯水する貯水部と、前記燃料電池スタックの外部に前記内部流路に接続されて設けられ、前記酸化剤排ガスを排出する外部流路と、前記外部流路に設けられた調圧バルブと、前記貯水部と、前記調圧バルブよりも下流側における前記外部流路と、の間に接続されたバイパス流路と、前記バイパス流路に設けられたバイパスバルブと、前記調圧バルブよりも上流側における前記外部流路に設けられた圧力センサと、燃料電池の起動時に、前記調圧バルブが閉じ且つ前記バイパスバルブが開いた状態で前記圧力センサから取得した圧力値を用いて、前記燃料電池スタックの内部の凍結状態を判断する凍結判断部と、を備える、燃料電池システムである。   The present invention includes a fuel cell stack in which a plurality of single cells are stacked, an internal flow path provided inside the fuel cell stack, through which an oxidant exhaust gas discharged from the plurality of single cells flows, and the fuel cell Provided inside the stack connected to the internal flow path, a water storage section for storing generated water discharged from the plurality of single cells, and connected to the internal flow path outside the fuel cell stack. A connection between the external flow path for discharging the oxidant exhaust gas, the pressure regulating valve provided in the external flow path, the water storage section, and the external flow path downstream of the pressure regulating valve. A bypass flow path, a bypass valve provided in the bypass flow path, a pressure sensor provided in the external flow path on the upstream side of the pressure control valve, and the pressure regulating valve when the fuel cell is started Closed One the bypass valve with the pressure values obtained from the pressure sensor in a state of open, and a freezing judgment section for determining the frozen state of the interior of the fuel cell stack, a fuel cell system.

本発明によれば、燃料電池スタック内部の凍結状態を精度良く判断することができる。   According to the present invention, it is possible to accurately determine the frozen state inside the fuel cell stack.

図1は、実施例1に係る燃料電池システムの構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration of the fuel cell system according to the first embodiment. 図2(a)は、燃料電池スタックの斜視図、図2(b)は、単セルの断面図である。2A is a perspective view of a fuel cell stack, and FIG. 2B is a cross-sectional view of a single cell. 図3は、燃料電池スタックのうちのエンドプレートにおける酸化剤ガス排出マニホールド近傍の図である。FIG. 3 is a view of the vicinity of the oxidant gas discharge manifold in the end plate of the fuel cell stack. 図4は、実施例1において、制御装置による凍結判断処理の一例を示すフローチャートである。FIG. 4 is a flowchart illustrating an example of freezing determination processing by the control device in the first embodiment. 図5は、バイパスバルブを開いた後に圧力センサで検出される圧力値の変動を示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating fluctuations in the pressure value detected by the pressure sensor after the bypass valve is opened. 図6は、実施例2において、制御装置による凍結判断処理の一例を示すフローチャートである。FIG. 6 is a flowchart illustrating an example of freezing determination processing by the control device in the second embodiment. 図7は、入口バルブ及びバイパスバルブを開いた後に圧力センサで検出される圧力の変動を示す図である。FIG. 7 is a diagram illustrating a change in pressure detected by the pressure sensor after the inlet valve and the bypass valve are opened. 図8は、実施例3に係る燃料電池システムの構成を示す図である。FIG. 8 is a diagram illustrating the configuration of the fuel cell system according to the third embodiment. 図9は、実施例3において、制御装置による凍結判断処理の一例を示すフローチャートである。FIG. 9 is a flowchart illustrating an example of freezing determination processing by the control device in the third embodiment. 図10は、入口バルブ及びバイパスバルブを開いた後の圧力損失の変動を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the fluctuation of the pressure loss after the inlet valve and the bypass valve are opened. 図11(a)は、貯水部の他の例を示す図、図11(b)は、図11(a)をA方向から見た場合の図である。Fig.11 (a) is a figure which shows the other example of a water storage part, FIG.11 (b) is a figure at the time of seeing Fig.11 (a) from A direction.

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は、実施例1に係る燃料電池システムの構成を示す図である。燃料電池システム100は、駆動用電源を供給するためのシステムとして、例えば燃料電池自動車や電気自動車などに搭載される。図1のように、燃料電池システム100は、燃料電池スタック10、酸化剤ガス配管系60、及び制御装置80を含む。なお、燃料電池システム100は、燃料ガス配管系及び冷媒配管系も含むが、図1では図示を省略している。   FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration of the fuel cell system according to the first embodiment. The fuel cell system 100 is mounted on, for example, a fuel cell vehicle or an electric vehicle as a system for supplying driving power. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 100 includes a fuel cell stack 10, an oxidant gas piping system 60, and a control device 80. The fuel cell system 100 also includes a fuel gas piping system and a refrigerant piping system, which are not shown in FIG.

酸化剤ガス配管系60は、燃料電池スタック10に酸化剤ガス(例えば空気)を供給する。燃料ガス配管系(不図示)は、燃料電池スタック10に燃料ガス(例えば水素)を供給する。冷媒配管系(不図示)は、燃料電池スタック10に冷媒を供給する。燃料電池スタック10は、固体高分子電解質型であり、複数の単セルを積層したスタック構造をしている。単セルは、酸化剤ガスと燃料ガスの供給を受けて発電を行い、発電に伴う電力を発生する。   The oxidant gas piping system 60 supplies an oxidant gas (for example, air) to the fuel cell stack 10. A fuel gas piping system (not shown) supplies fuel gas (for example, hydrogen) to the fuel cell stack 10. The refrigerant piping system (not shown) supplies the refrigerant to the fuel cell stack 10. The fuel cell stack 10 is of a solid polymer electrolyte type and has a stack structure in which a plurality of single cells are stacked. The single cell generates power by receiving supply of oxidant gas and fuel gas, and generates electric power accompanying power generation.

図2(a)は、燃料電池スタックの斜視図、図2(b)は、単セルの断面図である。図2(a)のように、燃料電池スタック10は、反応ガスの電気化学反応により発電する単セル12と、単セル12が複数積層されて形成されるセル積層体14と、セル積層体14の積層方向両端を挟持する不図示の一対のターミナル、一対のインシュレータ16、及び一対のエンドプレート18と、両端のエンドプレート18同士を繋ぐテンションプレート20と、一端側のエンドプレート18とインシュレータ16との間に配置され、弾性体を単セル12の積層方向から挟持する一対のプレッシャプレート22と、を備える。   2A is a perspective view of a fuel cell stack, and FIG. 2B is a cross-sectional view of a single cell. As shown in FIG. 2A, the fuel cell stack 10 includes a single cell 12 that generates power by an electrochemical reaction of a reaction gas, a cell stack 14 formed by stacking a plurality of single cells 12, and a cell stack 14. A pair of terminals (not shown), a pair of insulators 16 and a pair of end plates 18, a tension plate 20 connecting the end plates 18 at both ends, an end plate 18 on one end side, and the insulator 16 And a pair of pressure plates 22 that sandwich the elastic body from the stacking direction of the single cells 12.

他端側のエンドプレート18には、燃料ガス用の燃料ガス供給マニホールド24及び燃料ガス排出マニホールド26と、酸化剤ガス用の酸化剤ガス供給マニホールド28及び酸化剤ガス排出マニホールド30と、冷媒用の冷媒供給マニホールド32及び冷媒排出マニホールド34と、が設けられている。   The end plate 18 on the other end side includes a fuel gas supply manifold 24 and a fuel gas discharge manifold 26 for fuel gas, an oxidant gas supply manifold 28 and an oxidant gas discharge manifold 30 for oxidant gas, and a refrigerant gas supply manifold. A refrigerant supply manifold 32 and a refrigerant discharge manifold 34 are provided.

図2(b)のように、単セル12は、電解質膜42の一方の面にアノード触媒層44aが設けられ、他方の面にカソード触媒層44cが設けられた膜電極接合体40を備える。膜電極接合体40の両側には、一対のガス拡散層(アノードガス拡散層46a及びカソードガス拡散層46c)と、一対のセパレータ(アノード側セパレータ48a及びカソード側セパレータ48c)と、が配置されている。アノード側セパレータ48a及びカソード側セパレータ48cは、表面にガスが流通するガス流路を形成するための凹凸を有する。アノード側セパレータ48aは、アノードガス拡散層46aとの間に、燃料ガスが流通するアノードガス流路50aを形成する。カソード側セパレータ48cは、カソードガス拡散層46cとの間に、酸化剤ガスが流通するカソードガス流路50cを形成する。   As shown in FIG. 2B, the single cell 12 includes a membrane electrode assembly 40 in which an anode catalyst layer 44a is provided on one surface of an electrolyte membrane 42 and a cathode catalyst layer 44c is provided on the other surface. A pair of gas diffusion layers (anode gas diffusion layer 46a and cathode gas diffusion layer 46c) and a pair of separators (anode side separator 48a and cathode side separator 48c) are arranged on both sides of the membrane electrode assembly 40. Yes. The anode-side separator 48a and the cathode-side separator 48c have irregularities for forming a gas flow path through which gas flows on the surface. The anode side separator 48a forms an anode gas flow path 50a through which fuel gas flows, between the anode gas diffusion layer 46a. The cathode separator 48c forms a cathode gas flow path 50c through which the oxidant gas flows, between the cathode gas diffusion layer 46c.

図1のように、酸化剤ガス配管系60は、酸化剤ガス供給路62と酸化剤ガス排出路64を備える。酸化剤ガス供給路62は、不図示のコンプレッサを介して、酸化剤ガスを燃料電池スタック10に供給する。燃料電池スタック10に供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給マニホールド28及びカソードガス流路50cを介して複数の単セル12のカソード極に導かれる。酸化剤ガス供給路62には、酸化剤ガスを燃料電池スタック10に供給する又は供給を遮断する入口バルブ66が設けられている。入口バルブ66は、例えば電磁弁である。   As shown in FIG. 1, the oxidant gas piping system 60 includes an oxidant gas supply path 62 and an oxidant gas discharge path 64. The oxidant gas supply path 62 supplies oxidant gas to the fuel cell stack 10 via a compressor (not shown). The oxidant gas supplied to the fuel cell stack 10 is guided to the cathode electrodes of the plurality of single cells 12 via the oxidant gas supply manifold 28 and the cathode gas flow path 50c. The oxidant gas supply path 62 is provided with an inlet valve 66 that supplies the oxidant gas to the fuel cell stack 10 or shuts off the supply. The inlet valve 66 is, for example, an electromagnetic valve.

酸化剤ガス排出路64は、複数の単セル12のカソード極からカソードガス流路50c及び酸化剤ガス排出マニホールド30を介して排出された酸化剤排ガスをシステム外に排出する。酸化剤ガス排出路64には、調圧バルブ68が設けられている。燃料電池スタック10から排出される酸化剤排ガスの圧力は、調圧バルブ68によって調圧される。酸化剤ガス排出路64における燃料電池スタック10と調圧バルブ68との間に、圧力センサ70が設けられている。すなわち、圧力センサ70は、調圧バルブ68よりも上流側における酸化剤ガス排出路64に設けられている。   The oxidant gas discharge path 64 discharges the oxidant exhaust gas discharged from the cathode electrodes of the plurality of single cells 12 via the cathode gas flow path 50c and the oxidant gas discharge manifold 30 to the outside of the system. A pressure regulating valve 68 is provided in the oxidant gas discharge path 64. The pressure of the oxidant exhaust gas discharged from the fuel cell stack 10 is regulated by the pressure regulating valve 68. A pressure sensor 70 is provided between the fuel cell stack 10 and the pressure regulating valve 68 in the oxidant gas discharge path 64. That is, the pressure sensor 70 is provided in the oxidant gas discharge path 64 on the upstream side of the pressure regulating valve 68.

図3は、燃料電池スタックのうちのエンドプレートにおける酸化剤ガス排出マニホールド近傍の図である。なお、図3では、インシュレータ16を省略している。図3のように、燃料電池スタック10の内部に酸化剤ガス排出マニホールド30に接続した貯水部72が設けられている。貯水部72は、例えばエンドプレート18内に設けられている。貯水部72は、酸化剤ガス排出マニホールド30よりも重力方向で下側に設けられていて、複数の単セル12で反応ガスの電気化学反応によって生成され、酸化剤ガス排出マニホールド30に排出された水94を貯水する。   FIG. 3 is a view of the vicinity of the oxidant gas discharge manifold in the end plate of the fuel cell stack. In FIG. 3, the insulator 16 is omitted. As shown in FIG. 3, a water reservoir 72 connected to the oxidant gas discharge manifold 30 is provided inside the fuel cell stack 10. The water reservoir 72 is provided in the end plate 18, for example. The water storage unit 72 is provided below the oxidant gas discharge manifold 30 in the direction of gravity, is generated by an electrochemical reaction of the reaction gas in the plurality of single cells 12, and is discharged to the oxidant gas discharge manifold 30. Water 94 is stored.

酸化剤ガス排出マニホールド30は、例えばエンドプレート18内で重力方向に階段状に曲がっている。貯水部72は、階段の下側において、酸化剤ガス排出マニホールド30に接続されている。このように、酸化剤ガス排出マニホールド30を階段形状とし、階段の下側で貯水部72を接続させることで、貯水部72に溜まった水94が単セル12側に逆流することを抑制でき、貯水部72が満水になると、酸化剤ガス排出マニホールド30に接続された酸化剤ガス排出路64に排水できる。   The oxidant gas discharge manifold 30 is bent stepwise in the direction of gravity in the end plate 18, for example. The water reservoir 72 is connected to the oxidant gas discharge manifold 30 on the lower side of the stairs. In this way, the oxidant gas discharge manifold 30 is formed in a staircase shape, and by connecting the water storage section 72 at the lower side of the staircase, the water 94 accumulated in the water storage section 72 can be prevented from flowing back to the single cell 12 side, When the water reservoir 72 is full, the water can be drained to the oxidant gas discharge path 64 connected to the oxidant gas discharge manifold 30.

貯水部72の容量は、適宜設定することができるが、例えば100mL以下の場合が好ましい。また、貯水部72の上面は、単セル12の下端よりも上側に位置することが好ましい。   Although the capacity | capacitance of the water storage part 72 can be set suitably, the case of 100 mL or less is preferable, for example. In addition, the upper surface of the water storage unit 72 is preferably located above the lower end of the single cell 12.

図1及び図3のように、貯水部72と、調圧バルブ68よりも下流側における酸化剤ガス排出路64と、の間を接続するバイパス流路74が設けられている。バイパス流路74には、バイパスバルブ76が設けられている。バイパスバルブ76は、例えば電磁弁である。バイパスバルブ76は、単セル12が発電している間は閉じている。このため、貯水部72には電気化学反応によって生成された水94が貯水される。   As shown in FIGS. 1 and 3, a bypass flow path 74 is provided to connect between the water storage section 72 and the oxidant gas discharge path 64 on the downstream side of the pressure regulating valve 68. A bypass valve 76 is provided in the bypass flow path 74. The bypass valve 76 is, for example, an electromagnetic valve. The bypass valve 76 is closed while the single cell 12 is generating power. For this reason, water 94 generated by an electrochemical reaction is stored in the water storage section 72.

制御装置80は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、及びRAM(Random Access Memory)などを備えるマイクロコンピュータを含んで構成されている。制御装置80は、ROMに記憶されたプログラムに従って、システムの運転を制御する。ROMには、上記プログラムの他に、システムの制御に用いられるマップや閾値なども記憶されている。制御装置80は、後述する凍結判断処理を含むシステムの運転を制御する。制御装置80は、凍結判断処理において、バルブ制御部82、圧力取得部84、及び凍結判断部86として機能する。バルブ制御部82は、入口バルブ66、調圧バルブ68、及びバイパスバルブ76の開閉を制御する。圧力取得部84は、圧力センサ70から圧力値を取得する。凍結判断部86は、圧力取得部84で取得した圧力値を用いて、燃料電池スタック10内部の凍結状態を判断する。   The control device 80 includes a microcomputer including a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), and the like. The control device 80 controls the operation of the system according to a program stored in the ROM. In addition to the above programs, the ROM stores a map and threshold values used for system control. The control device 80 controls the operation of the system including freezing determination processing described later. The control device 80 functions as a valve control unit 82, a pressure acquisition unit 84, and a freezing determination unit 86 in the freezing determination process. The valve control unit 82 controls the opening / closing of the inlet valve 66, the pressure regulating valve 68, and the bypass valve 76. The pressure acquisition unit 84 acquires a pressure value from the pressure sensor 70. The freezing determination unit 86 determines the freezing state inside the fuel cell stack 10 using the pressure value acquired by the pressure acquisition unit 84.

図4は、実施例1において、制御装置による凍結判断処理の一例を示すフローチャートである。図4のように、制御装置80は、イグニッションオフ信号を検出した後、調圧バルブ68及び入口バルブ66を閉じて、燃料電池の運転を停止する(ステップS10)。バイパスバルブ76は発電中において閉じていることから、調圧バルブ68及び入口バルブ66を閉じることで、燃料電池スタック10内の酸化剤ガスが流れる流路は封止される。調圧バルブ68及び入口バルブ66を閉じた後も、燃料電池スタック10内に残留する燃料ガスと酸化剤ガスとによって電気化学反応が進行する。これにより、燃料電池スタック10内の圧力が低下する。また、燃料電池スタック10の温度低下によって燃料電池スタック10内に残留するガスの体積が変化することによっても燃料電池スタック10内の圧力が低下する。これらのために、燃料電池スタック10内は負圧になる。   FIG. 4 is a flowchart illustrating an example of freezing determination processing by the control device in the first embodiment. As shown in FIG. 4, the control device 80 detects the ignition off signal, and then closes the pressure regulating valve 68 and the inlet valve 66 to stop the operation of the fuel cell (step S10). Since the bypass valve 76 is closed during power generation, the flow path through which the oxidizing gas in the fuel cell stack 10 flows is sealed by closing the pressure regulating valve 68 and the inlet valve 66. Even after the pressure regulating valve 68 and the inlet valve 66 are closed, the electrochemical reaction proceeds by the fuel gas and the oxidant gas remaining in the fuel cell stack 10. As a result, the pressure in the fuel cell stack 10 decreases. In addition, the pressure in the fuel cell stack 10 also decreases due to a change in the volume of gas remaining in the fuel cell stack 10 due to a temperature decrease in the fuel cell stack 10. For these reasons, the fuel cell stack 10 has a negative pressure.

次いで、制御装置80は、燃料電池を始動させるイグニッションオン信号を検出するまで待機する(ステップS12)。制御装置80は、イグニッションオン信号を検出した後(ステップS12:Yes)、圧力センサ70で検出された圧力値を圧力センサ70から取得する(ステップS14)。   Next, the control device 80 waits until it detects an ignition on signal that starts the fuel cell (step S12). After detecting the ignition on signal (step S12: Yes), the control device 80 acquires the pressure value detected by the pressure sensor 70 from the pressure sensor 70 (step S14).

次いで、制御装置80は、バイパスバルブ76を開く(ステップS16)。燃料電池スタック10内は負圧になっているため、バイパスバルブ76が開かれることで、外気がバイパス流路74を介して燃料電池スタック10内に流れ込もうとするが、貯水部72に溜まった水94の状態によって外気の流れ込み方が変化する。すなわち、貯水部72に溜まった水94の状態によって、圧力センサ70で検出される圧力値が変化する。   Next, the control device 80 opens the bypass valve 76 (step S16). Since the inside of the fuel cell stack 10 has a negative pressure, when the bypass valve 76 is opened, outside air tries to flow into the fuel cell stack 10 via the bypass flow path 74, but is accumulated in the water storage portion 72. Depending on the state of the water 94, the flow of outside air changes. That is, the pressure value detected by the pressure sensor 70 varies depending on the state of the water 94 accumulated in the water storage unit 72.

図5は、バイパスバルブを開いた後に圧力センサで検出される圧力値の変動を示す図である。図5の横軸は時間、縦軸は圧力である。図5のように、貯水部72に溜まった水94が全て凍結して氷となって存在している場合、外気が燃料電池スタック10内に流れ込むことができないため、圧力センサ70で検出される圧力値はほとんど変化しない。貯水部72に溜まった水94が全て液水の状態で存在している場合、外気は液水中を気泡となって通過して燃料電池スタック10内に流れ込むため、圧力センサ70で検出される圧力値は大気圧より低い圧力値まで短い時間で上昇する。貯水部72に溜まった水94が氷と液水の両方で存在している場合、外気は液水の部分のみを気泡となって通過して燃料電池スタック10内に流れ込むため、圧力センサ70で検出される圧力値はゆっくりと上昇する。   FIG. 5 is a diagram illustrating fluctuations in the pressure value detected by the pressure sensor after the bypass valve is opened. The horizontal axis in FIG. 5 is time, and the vertical axis is pressure. As shown in FIG. 5, when all of the water 94 accumulated in the water storage unit 72 is frozen and present as ice, the outside air cannot flow into the fuel cell stack 10 and is detected by the pressure sensor 70. The pressure value hardly changes. When all of the water 94 accumulated in the water storage part 72 exists in the state of liquid water, the outside air passes through the liquid water as bubbles and flows into the fuel cell stack 10, so the pressure detected by the pressure sensor 70. The value rises in a short time to a pressure value below atmospheric pressure. When the water 94 accumulated in the water storage section 72 exists as both ice and liquid water, the outside air passes only as a bubble through the liquid water portion and flows into the fuel cell stack 10. The detected pressure value rises slowly.

したがって、バイパスバルブ76を開いてから所定時間経過した後に圧力センサ70から取得した圧力値を用いることで、貯水部72に溜まった水94が凍結しているか否かを判断できる。ここで、貯水部72は燃料電池スタック10の内部に設けられているため、貯水部72の温度と燃料電池スタック10内部の温度とはほぼ同じである。すなわち、貯水部72の凍結状態と燃料電池スタック10内部の凍結状態とはほぼ同じである。したがって、貯水部72に溜まった水94が凍結しているか否かを判断することで、燃料電池スタック10内部の凍結状態を精度良く判断できる。   Therefore, by using the pressure value acquired from the pressure sensor 70 after a predetermined time has elapsed since the bypass valve 76 was opened, it can be determined whether or not the water 94 accumulated in the water storage section 72 is frozen. Here, since the water storage unit 72 is provided inside the fuel cell stack 10, the temperature of the water storage unit 72 and the temperature inside the fuel cell stack 10 are substantially the same. That is, the frozen state of the water storage unit 72 and the frozen state inside the fuel cell stack 10 are substantially the same. Therefore, by determining whether or not the water 94 accumulated in the water storage section 72 is frozen, it is possible to accurately determine the frozen state inside the fuel cell stack 10.

そこで、図4のように、制御装置80は、バイパスバルブ76を開いてから所定時間経過した後に、圧力センサ70で検出された圧力値を圧力センサ70から取得する(ステップS18)。そして、制御装置80は、ステップS14及びステップS18で取得した圧力値を用いて貯水部72に溜まった水94が凍結しているか否かを判断することで、燃料電池スタック10内部の凍結状態を判断する(ステップS20)。例えば、バイパスバルブ76を開いてから所定時間経過した後の圧力値(ステップS18で取得した圧力値)とバイパスバルブ76を開く前の圧力値(ステップS14で取得した圧力値)との差が所定値以下の場合には、貯水部72に溜まった水94の少なくとも一部は凍結していると判断し、燃料電池スタック10内部は凍結状態にあると判断する。   Therefore, as shown in FIG. 4, the control device 80 acquires the pressure value detected by the pressure sensor 70 from the pressure sensor 70 after a predetermined time has elapsed since the bypass valve 76 was opened (step S18). Then, the control device 80 determines whether or not the water 94 accumulated in the water storage section 72 is frozen by using the pressure values acquired in Step S14 and Step S18, thereby determining the frozen state inside the fuel cell stack 10. Judgment is made (step S20). For example, the difference between the pressure value after a predetermined time has elapsed since opening the bypass valve 76 (pressure value acquired in step S18) and the pressure value before opening the bypass valve 76 (pressure value acquired in step S14) is predetermined. When the value is less than the value, it is determined that at least a part of the water 94 accumulated in the water storage section 72 is frozen, and the inside of the fuel cell stack 10 is determined to be frozen.

燃料電池スタック10内部が凍結していると出力が低下することから、凍結状態にあると判断した場合(ステップS20:Yes)、制御装置80は、氷点下始動モードで燃料電池の運転を開始する(ステップS22)。氷点下始動モードは、例えば酸化剤ガスの供給量を通常モードよりも少なくして、各単セル12のセル電圧が通常モードよりも低くなるように運転するモードである。これにより、発電損失分が多くなり、多くの熱が発生するため、燃料電池スタック10の温度上昇を促進させることができる。   When the inside of the fuel cell stack 10 is frozen, the output is reduced. Therefore, when it is determined that the fuel cell stack 10 is in a frozen state (step S20: Yes), the control device 80 starts the operation of the fuel cell in the sub-freezing start mode ( Step S22). The sub-freezing start mode is a mode in which, for example, the supply amount of the oxidant gas is made smaller than that in the normal mode, and the operation is performed so that the cell voltage of each single cell 12 becomes lower than that in the normal mode. As a result, the amount of power generation loss increases and a large amount of heat is generated, so that the temperature rise of the fuel cell stack 10 can be promoted.

次いで、制御装置80は、燃料電池スタック10に供給される冷媒の温度が所定値以上になったか否かを判断する(ステップS24)。冷媒の温度が所定値よりも低い場合(ステップS24:No)、制御装置80は、氷点下始動モードを継続する(ステップS22)。冷媒の温度が所定値以上になった場合(ステップS24:Yes)、制御装置80は、氷点下始動モードを止めて、通常モードで燃料電池の運転を開始する(ステップS26)。   Next, the control device 80 determines whether or not the temperature of the refrigerant supplied to the fuel cell stack 10 has reached a predetermined value (step S24). When the temperature of the refrigerant is lower than the predetermined value (step S24: No), the control device 80 continues the below-freezing start mode (step S22). When the temperature of the refrigerant becomes equal to or higher than the predetermined value (step S24: Yes), the control device 80 stops the below-freezing start mode and starts the operation of the fuel cell in the normal mode (step S26).

ステップS20において、燃料電池スタック10内部が凍結状態になっていないと判断した場合(ステップS20:No)、制御装置80は、通常モードで燃料電池の運転を開始する(ステップS26)。   In step S20, when it is determined that the inside of the fuel cell stack 10 is not frozen (step S20: No), the control device 80 starts the operation of the fuel cell in the normal mode (step S26).

実施例1によれば、燃料電池システム100は、燃料電池スタック10の内部に設けられた貯水部72と、貯水部72と調圧バルブ68よりも下流側における酸化剤ガス排出路64との間に接続されたバイパス流路74と、バイパス流路74に設けられたバイパスバルブ76と、を備える。制御装置80は、燃料電池の起動時に、調圧バルブ68が閉じ且つバイパスバルブ76が開いた状態で調圧バルブ68よりも上流側における酸化剤ガス排出路64に配置された圧力センサ70から圧力値を取得し(ステップS18)、取得した圧力値を用いて燃料電池スタック10内部の凍結状態を判断する(ステップS20)。これにより、燃料電池スタック10の内部に設けられた貯水部72に溜まった水94によって燃料電池スタック10内部の凍結状態を判断できるため、凍結状態の判断を精度良く行える。   According to the first embodiment, the fuel cell system 100 includes a water storage unit 72 provided inside the fuel cell stack 10 and an oxidant gas discharge path 64 on the downstream side of the water storage unit 72 and the pressure regulating valve 68. And a bypass valve 76 provided in the bypass channel 74. When the fuel cell is started up, the control device 80 receives pressure from the pressure sensor 70 disposed in the oxidant gas discharge path 64 upstream of the pressure regulating valve 68 with the pressure regulating valve 68 closed and the bypass valve 76 opened. A value is acquired (step S18), and the frozen state inside the fuel cell stack 10 is determined using the acquired pressure value (step S20). As a result, the frozen state inside the fuel cell stack 10 can be determined by the water 94 accumulated in the water storage portion 72 provided inside the fuel cell stack 10, so that the frozen state can be accurately determined.

また、実施例1によれば、貯水部72はエンドプレート18内に設けられている。燃料電池スタック10は端に位置する単セル12から凍結が進んでいく。したがって、スタックの端に位置する単セル12に近いエンドプレート18内に貯水部72を設けることで、燃料電池スタック10内部の凍結状態を精度良く判断できる。また、エンドプレート18は厚みがあるため、貯水部72を形成するのに適している。なお、貯水部72は、エンドプレート18以外の燃料電池スタック10内、例えばインシュレータ16に設けられていてもよい。   Further, according to the first embodiment, the water reservoir 72 is provided in the end plate 18. Freezing of the fuel cell stack 10 proceeds from the single cell 12 located at the end. Therefore, by providing the water reservoir 72 in the end plate 18 near the single cell 12 located at the end of the stack, it is possible to accurately determine the frozen state inside the fuel cell stack 10. Further, since the end plate 18 has a thickness, it is suitable for forming the water reservoir 72. The water reservoir 72 may be provided in the fuel cell stack 10 other than the end plate 18, for example, in the insulator 16.

また、実施例1によれば、温度センサやセル電圧を測定するセルモニタを用いることなく燃料電池スタック10内部の凍結状態を判断できるため、部品点数の削減及びコストの低減が図れる。   Further, according to the first embodiment, the frozen state inside the fuel cell stack 10 can be determined without using a temperature sensor or a cell monitor that measures the cell voltage, so that the number of parts and the cost can be reduced.

なお、実施例1では、バイパスバルブ76を開いてから所定時間経過した後の圧力値とバイパスバルブ76を開く前の圧力値との差を用いて凍結状態を判断する場合を例に示したが、この場合に限られる訳ではない。例えば、バイパスバルブ76を開いてから所定時間経過した後の圧力値そのものによって凍結状態を判断してもよいし、バイパスバルブ76を開いてから所定時間経過した後の圧力値がバイパスバルブ76を開く前の圧力値からどの程度上昇したかの上昇率や上昇の速度によって凍結状態を判断してもよい。   In the first embodiment, the case where the frozen state is determined using the difference between the pressure value after a predetermined time has elapsed after the bypass valve 76 is opened and the pressure value before the bypass valve 76 is opened is shown as an example. This is not the only case. For example, the frozen state may be determined based on the pressure value itself after a predetermined time has elapsed since the bypass valve 76 was opened, or the pressure value after the predetermined time has elapsed since the bypass valve 76 was opened. The frozen state may be determined based on the rate of increase or the rate of increase in how much the pressure value has increased from the previous pressure value.

なお、実施例1では、貯水部72に溜まった水94の少なくとも一部が凍結している場合に燃料電池スタック10内部は凍結状態にあると判断しているが、この場合に限られない。貯水部72に溜まった水94の一部のみが凍結している場合では燃料電池スタック10内部は凍結状態にないと判断し、貯水部72に溜まった水94の全てが凍結している場合にのみ燃料電池スタック10内部は凍結状態にあると判断する場合でもよい。   In the first embodiment, it is determined that the inside of the fuel cell stack 10 is in a frozen state when at least a part of the water 94 accumulated in the water storage section 72 is frozen, but this is not a limitation. When only a part of the water 94 collected in the water storage part 72 is frozen, it is determined that the inside of the fuel cell stack 10 is not frozen, and when all the water 94 collected in the water storage part 72 is frozen. Only when it is determined that the inside of the fuel cell stack 10 is in a frozen state.

実施例2に係る燃料電池システムの構成は実施例1の図1と同じであり、エンドプレート18内に貯水部72が設けられていることも実施例1の図3と同じであるため図示及び説明を省略する。図6は、実施例2において、制御装置による凍結判断処理の一例を示すフローチャートである。図6のように、制御装置80は、まずステップS40〜ステップS44において、実施例1の図4で説明したステップS10〜ステップS14と同じ処理を行う。   The configuration of the fuel cell system according to the second embodiment is the same as that of FIG. 1 of the first embodiment, and the fact that the water storage section 72 is provided in the end plate 18 is the same as that of FIG. Description is omitted. FIG. 6 is a flowchart illustrating an example of freezing determination processing by the control device in the second embodiment. As shown in FIG. 6, the control device 80 first performs the same processes as steps S <b> 10 to S <b> 14 described in FIG. 4 of the first embodiment in steps S <b> 40 to S <b> 44.

次いで、制御装置80は、入口バルブ66及びバイパスバルブ76を開くと供に、コンプレッサを稼働させて、燃料電池スタック10内に酸化剤ガスを供給する(ステップS46)。この際、貯水部72に溜まった水94の状態によって、酸化剤ガスのバイパス流路74への流れ込み方が変化し、圧力センサ70で検出される圧力値が変化する。   Next, the control device 80 opens the inlet valve 66 and the bypass valve 76, operates the compressor, and supplies the oxidant gas into the fuel cell stack 10 (step S46). At this time, the way in which the oxidant gas flows into the bypass flow path 74 changes depending on the state of the water 94 accumulated in the water storage section 72, and the pressure value detected by the pressure sensor 70 changes.

図7は、入口バルブ及びバイパスバルブを開いた後に圧力センサで検出される圧力値の変動を示す図である。図7の横軸は時間、縦軸は圧力である。図7のように、貯水部72に溜まった水94が全て凍結して氷となって存在している場合、酸化剤ガスはバイパス流路74に流れ込むことができないため、圧力センサ70で検出される圧力値は上昇していく。貯水部72に溜まった水94が全て液水で存在している場合、酸化剤ガスによって液水をバイパス流路74側に押し出した後に、酸化剤ガスがバイパス流路74に流れ込むようになる。このため、液水の排水中は圧力センサ70で検出される圧力値は上昇するが、排水後は低下していく。貯水部72に溜まった水94が氷と液水の両方で存在している場合、貯水部72に溜まった水94が全て液水で存在している場合と同様に、酸化剤ガスによって液水をバイパス流路74側に押し出した後に、酸化剤ガスがバイパス流路74に流れ込むようになる。このため、液水の排水中は圧力センサ70で検出される圧力値は上昇し、排水後は低下していくが、氷によって酸化剤ガスの流路が狭められているため、圧力の低下は全て液水で存在している場合(破線の場合)に比べて小さくなる。   FIG. 7 is a diagram illustrating fluctuations in the pressure value detected by the pressure sensor after the inlet valve and the bypass valve are opened. In FIG. 7, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents pressure. As shown in FIG. 7, when all the water 94 accumulated in the water reservoir 72 is frozen and present as ice, the oxidant gas cannot be flown into the bypass flow path 74 and is detected by the pressure sensor 70. The pressure value increases. When all the water 94 accumulated in the water reservoir 72 is liquid water, the oxidant gas flows into the bypass channel 74 after the liquid water is pushed out to the bypass channel 74 side by the oxidant gas. For this reason, the pressure value detected by the pressure sensor 70 increases during drainage of liquid water, but decreases after drainage. When the water 94 collected in the water storage part 72 exists as both ice and liquid water, the liquid water is generated by the oxidant gas in the same manner as when all the water 94 stored in the water storage part 72 exists as liquid water. After being pushed out to the bypass flow path 74 side, the oxidant gas flows into the bypass flow path 74. For this reason, the pressure value detected by the pressure sensor 70 increases during the drainage of the liquid water and decreases after the drainage, but since the flow path of the oxidant gas is narrowed by ice, the pressure drop does not occur. Compared to the case where all of the liquid water exists (in the case of a broken line), it becomes smaller.

したがって、入口バルブ66及びバイパスバルブ76を開いてから所定時間経過した後に圧力センサ70から取得した圧力値を用いることで、貯水部72に溜まった水94が凍結しているか否かを判断でき、その結果、燃料電池スタック10内部が凍結状態か否かを判断できる。   Therefore, by using the pressure value acquired from the pressure sensor 70 after a predetermined time has elapsed after opening the inlet valve 66 and the bypass valve 76, it can be determined whether or not the water 94 accumulated in the water reservoir 72 is frozen, As a result, it can be determined whether or not the inside of the fuel cell stack 10 is in a frozen state.

そこで、図6のように、制御装置80は、入口バルブ66及びバイパスバルブ76を開いてから所定時間経過した後に、圧力センサ70で検出された圧力値を圧力センサ70から取得する(ステップS48)。そして、制御装置80は、ステップS44及びステップS48で取得した圧力値を用いて貯水部72に溜まった水94が凍結しているか否かを判断することで、燃料電池スタック10内部の凍結状態を判断する(ステップS50)。例えば、入口バルブ66及びバイパスバルブ76を開いてから所定時間経過した後の圧力値(ステップS48で取得した圧力値)と入口バルブ66及びバイパスバルブ76を開く前の圧力値(ステップS44で取得した圧力値)の差が所定値以上である場合に、貯水部72に溜まった水94の少なくとも一部は凍結していると判断し、燃料電池スタック10内部は凍結状態にあると判断する。   Therefore, as shown in FIG. 6, the control device 80 acquires the pressure value detected by the pressure sensor 70 from the pressure sensor 70 after a predetermined time has elapsed since the inlet valve 66 and the bypass valve 76 were opened (step S48). . Then, the control device 80 determines whether or not the water 94 accumulated in the water storage unit 72 is frozen by using the pressure values acquired in Step S44 and Step S48, thereby determining the frozen state inside the fuel cell stack 10. Judgment is made (step S50). For example, the pressure value after a predetermined time has elapsed after opening the inlet valve 66 and the bypass valve 76 (the pressure value acquired in step S48) and the pressure value before opening the inlet valve 66 and the bypass valve 76 (obtained in step S44). When the difference in pressure value is equal to or greater than a predetermined value, it is determined that at least a part of the water 94 accumulated in the water storage section 72 is frozen, and the fuel cell stack 10 is determined to be frozen.

凍結状態にあると判断した場合(ステップS50:Yes)、実施例1の図4で説明したステップS22〜ステップS26と同じ処理であるステップS52〜ステップS56を行う。凍結状態にないと判断した場合(ステップS50:No)、ステップS56を行う。   If it is determined that it is in a frozen state (step S50: Yes), steps S52 to S56, which are the same processes as steps S22 to S26 described in FIG. When it is determined that it is not in a frozen state (step S50: No), step S56 is performed.

実施例1では、イグニッションオン信号を検出した後にバイパスバルブ76のみを開き、圧力センサ70から取得した圧力値を用いて燃料電池スタック10内部の凍結状態を判断したが、実施例2のように、イグニッションオン信号を検出した後に入口バルブ66とバイパスバルブ76を開き、圧力センサ70から取得した圧力値を用いて燃料電池スタック10内部の凍結状態を判断してもよい。   In the first embodiment, after detecting the ignition on signal, only the bypass valve 76 is opened, and the freezing state inside the fuel cell stack 10 is determined using the pressure value acquired from the pressure sensor 70. As in the second embodiment, After detecting the ignition-on signal, the inlet valve 66 and the bypass valve 76 may be opened and the frozen state inside the fuel cell stack 10 may be determined using the pressure value acquired from the pressure sensor 70.

なお、実施例2では、入口バルブ66及びバイパスバルブ76を開いてから所定時間経過した後の圧力値と、入口バルブ66及びバイパスバルブ76を開く前の圧力値と、の差を用いて凍結状態を判断する場合を例に示したが、この場合に限られない。例えば、入口バルブ66及びバイパスバルブ76を開いてから所定時間経過した後の圧力値そのものによって凍結状態を判断してもよいし、入口バルブ66及びバイパスバルブ76を開いてから所定時間経過した後の圧力値が、入口バルブ66及びバイパスバルブ76を開く前の圧力値からどの程度上昇したかの上昇率によって凍結状態を判断してもよい。   In the second embodiment, the frozen state is determined by using the difference between the pressure value after a predetermined time has elapsed after opening the inlet valve 66 and the bypass valve 76 and the pressure value before opening the inlet valve 66 and the bypass valve 76. The case of determining is shown as an example, but is not limited to this case. For example, the frozen state may be determined based on the pressure value itself after a predetermined time has elapsed after opening the inlet valve 66 and the bypass valve 76, or after a predetermined time has elapsed since the inlet valve 66 and the bypass valve 76 were opened. The frozen state may be determined by the rate of increase in how much the pressure value has increased from the pressure value before opening the inlet valve 66 and the bypass valve 76.

図8は、実施例3に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図8のように、実施例3の燃料電池システム300は、バイパスバルブ76よりも下流側におけるバイパス流路74に圧力センサ78が設けられている。制御装置80は、凍結判断処理において、バルブ制御部82、圧力取得部84、凍結判断部86に加えて、圧力損失算出部88としても機能する。圧力損失算出部88は、圧力取得部84が圧力センサ70及び圧力センサ78から取得した圧力値を用いて圧力損失を計算する。その他の構成は、実施例1と同じであり説明を省略する。   FIG. 8 is a diagram illustrating the configuration of the fuel cell system according to the third embodiment. As shown in FIG. 8, in the fuel cell system 300 according to the third embodiment, the pressure sensor 78 is provided in the bypass flow path 74 on the downstream side of the bypass valve 76. The control device 80 also functions as a pressure loss calculation unit 88 in addition to the valve control unit 82, the pressure acquisition unit 84, and the freezing determination unit 86 in the freezing determination process. The pressure loss calculation unit 88 calculates the pressure loss using the pressure values acquired by the pressure acquisition unit 84 from the pressure sensor 70 and the pressure sensor 78. Other configurations are the same as those in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.

図9は、実施例3において、制御装置による凍結判断処理の一例を示すフローチャートである。図9のように、制御装置80は、まずステップS70、S72において、実施例1の図4で説明したステップS10、S12と同じ処理を行う。   FIG. 9 is a flowchart illustrating an example of freezing determination processing by the control device in the third embodiment. As shown in FIG. 9, the control device 80 first performs the same processes as steps S <b> 10 and S <b> 12 described in FIG. 4 of the first embodiment in steps S <b> 70 and S <b> 72.

次いで、制御装置80は、イグニッションオン信号を検出した後(ステップS72:Yes)、入口バルブ66及びバイパスバルブ76を開くと供に、コンプレッサを稼働させて、燃料電池スタック10内に酸化剤ガスを供給する(ステップS74)。次いで、制御装置80は、入口バルブ66及びバイパスバルブ76を開いてから所定時間経過した後に、圧力センサ70及び圧力センサ78から圧力値を取得する(ステップS76)。次いで、制御装置80は、取得した圧力値を用いて圧力損失を算出する(ステップS78)。圧力損失は、例えば圧力センサ70から取得した圧力値(第1圧力値)と圧力センサ78から取得した圧力値(第2圧力値)との差(第1圧力値−第2圧力値)を計算することで算出する。   Next, after detecting the ignition on signal (step S72: Yes), the control device 80 opens the inlet valve 66 and the bypass valve 76, operates the compressor, and supplies the oxidant gas into the fuel cell stack 10. Supply (step S74). Next, the control device 80 acquires a pressure value from the pressure sensor 70 and the pressure sensor 78 after a predetermined time has elapsed since the inlet valve 66 and the bypass valve 76 were opened (step S76). Next, the control device 80 calculates a pressure loss using the acquired pressure value (step S78). For the pressure loss, for example, the difference (first pressure value−second pressure value) between the pressure value (first pressure value) acquired from the pressure sensor 70 and the pressure value (second pressure value) acquired from the pressure sensor 78 is calculated. To calculate.

図10は、入口バルブ及びバイパスバルブを開いた後の圧力損失の変動を示す図である。図10の横軸は時間、縦軸は圧力損失である。実施例2の図7で説明したように、貯水部72に溜まった水94の状態によって酸化剤ガスのバイパス流路74への流れ込み方が変化する。このため、入口バルブ66及びバイパスバルブ76を開いた後の圧力損失の変動は図10のようになる。すなわち、貯水部72に溜まった水94が全て凍結して氷となって存在している場合は、圧力損失は上昇していく。貯水部72に溜まった水94が全て液水で存在している場合は、液水の排水中は圧力損失が上昇するが、排水後は低下していく。貯水部72に溜まった水94が氷と液水の両方で存在している場合は、液水の排水中は圧力損失が上昇し、排水後は低下していくが、氷によって酸化剤ガスの流路が狭められているため、圧力損失の低下は全て液水で存在している場合に比べて小さくなる。   FIG. 10 is a diagram showing the fluctuation of the pressure loss after the inlet valve and the bypass valve are opened. In FIG. 10, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents pressure loss. As described with reference to FIG. 7 of the second embodiment, the way in which the oxidizing gas flows into the bypass flow path 74 varies depending on the state of the water 94 accumulated in the water storage section 72. For this reason, the fluctuation of the pressure loss after opening the inlet valve 66 and the bypass valve 76 is as shown in FIG. That is, when all of the water 94 accumulated in the water reservoir 72 is frozen and present as ice, the pressure loss increases. When all the water 94 accumulated in the water storage part 72 is present as liquid water, the pressure loss increases during drainage of the liquid water, but decreases after drainage. When the water 94 accumulated in the water storage part 72 exists in both ice and liquid water, the pressure loss increases during the drainage of the liquid water and decreases after the drainage. Since the flow path is narrowed, the decrease in pressure loss is smaller than when all liquid water is present.

このように、入口バルブ66及びバイパスバルブ76を開いてから所定時間経過した後の圧力損失を用いて、貯水部72に溜まった水94が凍結しているか否かを判断でき、その結果、燃料電池スタック10内部が凍結状態か否かを判断できる。   As described above, it is possible to determine whether or not the water 94 accumulated in the water storage section 72 is frozen by using the pressure loss after a predetermined time has passed since the inlet valve 66 and the bypass valve 76 are opened. It can be determined whether or not the inside of the battery stack 10 is frozen.

そこで、図9のように、制御装置80は、ステップS78で算出した圧力損失を用いて、貯水部72に溜まった水94が凍結しているか否かを判断することで、燃料電池スタック10内部の凍結状態を判断する(ステップS80)。例えば、圧力損失が所定値以上である場合に、貯水部72に溜まった水94の少なくとも一部は凍結していると判断し、燃料電池スタック10内部は凍結状態にあると判断する。   Therefore, as shown in FIG. 9, the control device 80 determines whether or not the water 94 accumulated in the water storage section 72 is frozen by using the pressure loss calculated in step S <b> 78. The frozen state is determined (step S80). For example, when the pressure loss is equal to or greater than a predetermined value, it is determined that at least a part of the water 94 accumulated in the water storage section 72 is frozen, and the inside of the fuel cell stack 10 is determined to be frozen.

凍結状態にあると判断した場合(ステップS80:Yes)、実施例1の図4で説明したステップS22〜ステップS26と同じ処理であるステップS82〜ステップS86を行う。凍結状態にないと判断した場合(ステップS80:No)、ステップS86を行う。   If it is determined that it is in a frozen state (step S80: Yes), steps S82 to S86, which are the same processes as steps S22 to S26 described in FIG. 4 of the first embodiment, are performed. When it is determined that it is not in the frozen state (step S80: No), step S86 is performed.

実施例3によれば、制御装置80は、入口バルブ66及びバイパスバルブ76を開いてから所定時間経過した後に圧力センサ70及び圧力センサ78から取得した圧力値から圧力損失を算出し、圧力損失によって燃料電池スタック10内部の凍結状態を判断している。これにより、実施例2の場合に比べて、燃料電池スタック10内部の凍結状態をより正確に判断することができる。   According to the third embodiment, the control device 80 calculates the pressure loss from the pressure values acquired from the pressure sensor 70 and the pressure sensor 78 after a predetermined time has elapsed after opening the inlet valve 66 and the bypass valve 76, and The frozen state inside the fuel cell stack 10 is determined. Thereby, compared with the case of Example 2, the frozen state inside the fuel cell stack 10 can be determined more accurately.

実施例1から実施例3において、貯水部72は直方体の形状をしている場合を例に示したが、円柱や三角柱などその他の形状をしていてもよい。図11(a)は、貯水部の他の例を示す図、図11(b)は、図11(a)をA方向から見た場合の図である。図11(a)及び図11(b)のように、貯水部72aは、酸化剤ガス排出マニホールド30に接続する部分の断面積が反対側よりも大きく、断面積が大きい太径部90と断面積が小さい細径部92とが下向きの傾斜面で接続されていてもよい。太径部90及び細径部92の断面は、例えば円形形状をしているが、楕円形形状や矩形形状など、その他の形状をしていてもよい。   In the first to third embodiments, the case where the water storage unit 72 has a rectangular parallelepiped shape has been described as an example, but may have another shape such as a cylinder or a triangular prism. Fig.11 (a) is a figure which shows the other example of a water storage part, FIG.11 (b) is a figure at the time of seeing Fig.11 (a) from A direction. As shown in FIGS. 11 (a) and 11 (b), the water storage portion 72a is separated from the large-diameter portion 90 where the cross-sectional area of the portion connected to the oxidant gas discharge manifold 30 is larger than the opposite side and the cross-sectional area is large. The small diameter part 92 with a small area may be connected by the downward inclined surface. The cross sections of the large diameter portion 90 and the small diameter portion 92 have a circular shape, for example, but may have other shapes such as an elliptical shape or a rectangular shape.

細径部92の直径は3mm以下の場合が好ましく、1mm以下の場合がより好ましい。例えば、細径部92の断面積を、カソードガス流路50cを構成する複数の溝のうちの1本の断面積と同等にしてもよい。細径部92の断面積をカソードガス流路50cの断面積と同等にすることで、貯水部72aに溜まった水94の凍結状態をカソードガス流路50cに残存した水の凍結状態に近づけることができる。   The diameter of the small diameter portion 92 is preferably 3 mm or less, and more preferably 1 mm or less. For example, the cross-sectional area of the small-diameter portion 92 may be made equal to the cross-sectional area of one of the plurality of grooves constituting the cathode gas flow path 50c. By making the cross-sectional area of the small-diameter portion 92 equal to the cross-sectional area of the cathode gas flow channel 50c, the frozen state of the water 94 accumulated in the water storage portion 72a is brought closer to the frozen state of the water remaining in the cathode gas flow channel 50c. Can do.

酸化剤ガス排出マニホールド30に接続する部分を太径部90として断面積を大きくすることで、酸化剤ガス排出マニホールド30から貯水部72aに水を流れ込みやすくできる。また、太径部90と細径部92との間を下向きの傾斜面とすることで、細径部92に水が溜まり易いようにできる。   By increasing the cross-sectional area of the portion connected to the oxidant gas discharge manifold 30 as the large-diameter portion 90, water can easily flow from the oxidant gas discharge manifold 30 to the water storage portion 72a. Further, by forming a downward inclined surface between the large-diameter portion 90 and the small-diameter portion 92, water can be easily collected in the small-diameter portion 92.

細径部92は、1本だけ設けられていてもよいが、複数本設けられていてもよい。複数の細径部92を設けることで、例えば1本の細径部92が凍結以外の何らかの理由によって閉塞した場合でも凍結状態を判断することが可能となる。   Although only one small diameter portion 92 may be provided, a plurality of small diameter portions 92 may be provided. By providing the plurality of small-diameter portions 92, for example, even when one small-diameter portion 92 is blocked for some reason other than freezing, it is possible to determine the frozen state.

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to such specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.

10 燃料電池スタック
12 単セル
16 インシュレータ
18 エンドプレート
28 酸化剤ガス供給マニホールド
30 酸化剤ガス排出マニホールド
60 酸化剤ガス配管系
62 酸化剤ガス供給路
64 酸化剤ガス排出路
66 入口バルブ
68 調圧バルブ
70 圧力センサ
72、72a 貯水部
74 バイパス流路
76 バイパスバルブ
78 圧力センサ
80 制御装置
82 バルブ制御部
84 圧力取得部
86 凍結判断部
88 圧力損失算出部
90 太径部
92 細径部
94 水
100、300 燃料電池システム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell stack 12 Single cell 16 Insulator 18 End plate 28 Oxidant gas supply manifold 30 Oxidant gas discharge manifold 60 Oxidant gas piping system 62 Oxidant gas supply path 64 Oxidant gas discharge path 66 Inlet valve 68 Pressure regulating valve 70 Pressure sensor 72, 72a Water storage part 74 Bypass flow path 76 Bypass valve 78 Pressure sensor 80 Control device 82 Valve control part 84 Pressure acquisition part 86 Freezing judgment part 88 Pressure loss calculation part 90 Large diameter part 92 Small diameter part 94 Water 100, 300 Fuel cell system

Claims (1)

複数の単セルが積層された燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの内部に設けられ、前記複数の単セルから排出される酸化剤排ガスが流通する内部流路と、
前記燃料電池スタックの内部に前記内部流路に接続されて設けられ、前記複数の単セルから排出される生成水を貯水する貯水部と、
前記燃料電池スタックの外部に前記内部流路に接続されて設けられ、前記酸化剤排ガスを排出する外部流路と、
前記外部流路に設けられた調圧バルブと、
前記貯水部と、前記調圧バルブよりも下流側における前記外部流路と、の間に接続されたバイパス流路と、
前記バイパス流路に設けられたバイパスバルブと、
前記調圧バルブよりも上流側における前記外部流路に設けられた圧力センサと、
燃料電池の起動時に、前記調圧バルブが閉じ且つ前記バイパスバルブが開いた状態で前記圧力センサから取得した圧力値を用いて、前記燃料電池スタックの内部の凍結状態を判断する凍結判断部と、を備える、燃料電池システム。
A fuel cell stack in which a plurality of single cells are stacked;
An internal flow path provided inside the fuel cell stack and through which an oxidant exhaust gas discharged from the plurality of single cells flows;
A water storage section that is provided in the fuel cell stack and connected to the internal flow path, and stores the generated water discharged from the plurality of single cells;
An external flow path that is connected to the internal flow path outside the fuel cell stack and discharges the oxidant exhaust gas;
A pressure regulating valve provided in the external flow path;
A bypass flow path connected between the water storage section and the external flow path on the downstream side of the pressure regulating valve;
A bypass valve provided in the bypass flow path;
A pressure sensor provided in the external flow path upstream of the pressure regulating valve;
A freezing determination unit for determining a freezing state inside the fuel cell stack using a pressure value acquired from the pressure sensor in a state where the pressure regulating valve is closed and the bypass valve is opened at the time of starting the fuel cell; A fuel cell system comprising:
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