JP2021190189A

JP2021190189A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2021190189A
Application number: JP2020091397A
Authority: JP
Inventors: 剛丸尾; Tsuyoshi Maruo; 真洋伊藤; Masahiro Ito; 宗平中村; Sohei Nakamura; 修浜野井; Osamu Hamanoi; 俊秀山田; Toshihide Yamada
Original assignee: Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Priority date: 2020-05-26
Filing date: 2020-05-26
Publication date: 2021-12-13

Abstract

To provide a fuel cell system capable of suppressing reduction in performance of a fuel cell at initiation below freezing.SOLUTION: The fuel cell system used by being mounted on a vehicle has: a fuel cell; a reaction gas supply unit that supplies a reaction gas to the fuel cell; a recovery flow channel for recovering a fuel off-gas discharged from a fuel electrode of the fuel cell; a gas-liquid separator that is arranged on the recovery flow channel and that has a filter for removing impurities to separate the fuel off-gas into gas and liquid; a drainage flow channel that is connected with the gas-liquid separator and that has a drainage valve for draining the separated liquid water; and a control unit that controls the flow rate of the reaction gas. The control unit estimates a water storage amount of the gas-liquid separator at the power generation stop of the fuel cell. In a case where the water storage amount is equal to or more than a predetermined threshold, the control unit performs first scavenging for a predetermined time period. After a lapse of the predetermined time period, the control unit performs second scavenging with a gas flow rate larger than that for the first scavenging.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本開示は、燃料電池システムに関する。 The present disclosure relates to a fuel cell system.

燃料電池（ＦＣ）は、複数の単セル（以下、セルと記載する場合がある）を積層した燃料電池スタック（以下、単にスタックと記載する場合がある）に、燃料ガスとしての水素（Ｈ_２）と酸化剤ガスとしての酸素（Ｏ_２）との電気化学反応によって電気エネルギーを取り出す発電装置である。なお、以下では、燃料ガスや酸化剤ガスを、特に区別することなく単に「反応ガス」あるいは「ガス」と呼ぶ場合もある。
この燃料電池の単セルは、通常、膜電極接合体（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）と、必要に応じて当該膜電極接合体の両面を挟持する２枚のセパレータにより構成される。
膜電極接合体は、プロトン（Ｈ^＋）伝導性を有する固体高分子型電解質膜（以下、単に「電解質膜」とも呼ぶ）の両面に、それぞれ、触媒層及びガス拡散層が順に形成された構造を有している。そのため、膜電極接合体は、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）と称される場合がある。
セパレータは、通常、ガス拡散層に接する面に反応ガスの流路としての溝が形成された構造を有している。なお、このセパレータは発電した電気の集電体としても機能する。
燃料電池の燃料極（アノード）では、ガス流路及びガス拡散層から供給される水素が触媒層の触媒作用によりプロトン化し、電解質膜を通過して酸化剤極（カソード）へと移動する。同時に生成した電子は、外部回路を通って仕事をし、カソードへと移動する。カソードに供給される酸素は、カソード上でプロトンおよび電子と反応し、水を生成する。
生成した水は、電解質膜に適度な湿度を与え、余剰な水はガス拡散層を透過して、系外へと排出される。 A fuel cell (FC) is a fuel cell stack (hereinafter, may be simply referred to as a stack) in which a plurality of single cells (hereinafter, may be referred to as a cell) are laminated, and hydrogen (H _{2) as a fuel gas is used.} ) And oxygen (O ₂ ) as an oxidant gas to extract electrical energy through an electrochemical reaction. In the following, the fuel gas and the oxidant gas may be simply referred to as "reaction gas" or "gas" without particular distinction.
A single cell of this fuel cell is usually composed of a membrane electrode assembly (MEA: Membrane Electrode Assembly) and, if necessary, two separators sandwiching both sides of the membrane electrode assembly.
The membrane electrode assembly has a structure in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are sequentially formed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane having ^{proton (H +) conductivity (hereinafter, also simply referred to as “electrolyte membrane”), respectively.} have. Therefore, the membrane electrode assembly may be referred to as a membrane electrode gas diffusion layer assembly (MEGA).
The separator usually has a structure in which a groove as a flow path of the reaction gas is formed on the surface in contact with the gas diffusion layer. This separator also functions as a current collector for the generated electricity.
At the fuel electrode (anode) of the fuel cell, hydrogen supplied from the gas flow path and the gas diffusion layer is protonated by the catalytic action of the catalyst layer, passes through the electrolyte membrane, and moves to the oxidizing agent electrode (cathode). The simultaneously generated electrons work through an external circuit and move to the cathode. Oxygen supplied to the cathode reacts with protons and electrons on the cathode to produce water.
The generated water gives an appropriate humidity to the electrolyte membrane, and the excess water permeates the gas diffusion layer and is discharged to the outside of the system.

燃料電池車両（以下車両と記載する場合がある）に車載されて用いられる燃料電池システムに関して種々の研究がなされている。
例えば特許文献１では、気液分離器内に不純物を取り除くフィルタを有する燃料電池システムが開示されている。 Various studies have been conducted on fuel cell systems used in vehicles of fuel cell vehicles (hereinafter sometimes referred to as vehicles).
For example, Patent Document 1 discloses a fuel cell system having a filter for removing impurities in a gas-liquid separator.

また、特許文献２では、第２の掃気運転の掃気ガス流量を第１の掃気運転の掃気ガス流量よりも小さくする燃料電池システムが開示されている。 Further, Patent Document 2 discloses a fuel cell system in which the scavenging gas flow rate of the second scavenging operation is made smaller than the scavenging gas flow rate of the first scavenging operation.

また、特許文献３では、移動体に搭載されている燃料電池の排水性を高める燃料電池システムが開示されている。 Further, Patent Document 3 discloses a fuel cell system that enhances the drainage property of a fuel cell mounted on a moving body.

また、特許文献４では、排出弁が開放される際に、水素循環ポンプの入口の圧力を大気圧よりも高くし、アノード排ガスを十分に排出することができる燃料電池システムが開示されている。 Further, Patent Document 4 discloses a fuel cell system capable of sufficiently discharging the anode exhaust gas by making the pressure at the inlet of the hydrogen circulation pump higher than the atmospheric pressure when the discharge valve is opened.

特開２０１４−１２７４５４号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-127454 特開２０１４−１９７４８１号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-197481 特開２０１６−０９６０５８号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-096058 特開２０１８−０５５８７２号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2018-055872

不純物を除去するフィルタを有する気液分離器を備える燃料電池システムの場合、高い圧力でガスの掃気をすると液水が気液分離器壁面に押し付けられ、フィルタと気液分離器壁面との間に液水が溜まりやすく、大流量のガスの一定掃気では当該液水を取り除くことが困難である。ガスの掃気後に水の液だれが発生すると排水弁に水が付着し、燃料電池の氷点下始動時に燃料電池の性能が低下する可能性がある。 In the case of a fuel cell system equipped with a gas-liquid separator with a filter that removes impurities, when gas is scavenged at high pressure, liquid water is pressed against the wall of the gas-liquid separator, and between the filter and the wall of the gas-liquid separator. Liquid water tends to accumulate, and it is difficult to remove the liquid water by constant scavenging of a large flow of gas. If water drips after scavenging the gas, water may adhere to the drain valve and the performance of the fuel cell may deteriorate when the fuel cell is started below freezing.

本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、氷点下始動時に燃料電池の性能が低下することを抑制することができる燃料電池システムを提供することを主目的とする。 The present disclosure has been made in view of the above circumstances, and an object of the present disclosure is to provide a fuel cell system capable of suppressing deterioration of fuel cell performance during sub-zero starting.

本開示においては、車両に搭載されて用いられる燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給部と、
前記燃料電池の燃料極から排出された燃料オフガスを回収する回収流路と、
前記回収流路に配置され、不純物を除去するフィルタを有し前記燃料オフガスを気液に分離する気液分離器と、
前記気液分離器と接続され、分離後の液水を排水するための排水弁を有する排水流路と、
前記反応ガスの流量を制御する制御部と、を有し、
前記制御部は、前記燃料電池の発電停止時に、前記気液分離器の貯水量を推定し、前記貯水量が所定の閾値以上であれば、所定の時間第１掃気を行い、所定の時間経過後は当該第１掃気よりもガス流量が大きい第２掃気を行うことを特徴とする燃料電池システムを提供する。 In the present disclosure, it is a fuel cell system mounted on a vehicle and used.
With a fuel cell
A reaction gas supply unit that supplies the reaction gas to the fuel cell,
A recovery flow path for recovering the fuel off gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell, and
A gas-liquid separator which is arranged in the recovery flow path and has a filter for removing impurities and separates the fuel-off gas into gas and liquid.
A drainage channel connected to the gas-liquid separator and having a drain valve for draining the separated liquid water.
It has a control unit that controls the flow rate of the reaction gas, and has.
The control unit estimates the amount of water stored in the gas-liquid separator when the power generation of the fuel cell is stopped, and if the amount of water stored is equal to or higher than a predetermined threshold, performs the first scavenging for a predetermined time and elapses a predetermined time. After that, a fuel cell system characterized by performing a second scavenging having a gas flow rate larger than that of the first scavenging is provided.

本開示の燃料電池システムによれば、まず小さいガス流量で掃気することで、フィルタと気液分離器の壁面との間の残水を除去し、その後大きなガス流量で掃気することで、氷点下始動時に燃料電池の性能が低下することを抑制することができる。 According to the fuel cell system of the present disclosure, scavenging with a small gas flow rate first removes residual water between the filter and the wall surface of the gas-liquid separator, and then scavenging with a large gas flow rate causes sub-freezing start. It is possible to prevent the performance of the fuel cell from deteriorating at times.

フィルタと気液分離器と当該フィルタと当該気液分離器壁面との隙間の残水の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the residual water of the gap between a filter, a gas-liquid separator, the filter, and the wall surface of the gas-liquid separator. 本開示の燃料電池システムの一例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows an example of the fuel cell system of this disclosure. 本開示の燃料電池システムの制御方法の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the control method of the fuel cell system of this disclosure.

排水弁（排気排水弁等を含む）を掃気するためには、予め気液分離器内を十分排水しておき、燃料ガス（水素等）の圧力を高めた上で掃気をする必要がある。
図１は、フィルタと気液分離器と当該フィルタと当該気液分離器壁面との隙間の残水の一例を示す模式図である。
圧力が高い状態で気液分離器内の液水を排水しようとするとフィルタと気液分離器壁面との隙間に排水残水ができ、掃気後に残水が排水弁等に液だれし、液だれした残水が凍結する恐れがある。
そこで、本開示では、ガス流量の小さい第１掃気（低い圧力）で気液分離器内の液水を排水後、ガス流量の大きい第２掃気（高い圧力）で排水弁付近等に移動した液水を掃気することで、フィルタと気液分離器壁面との隙間に残留する液水量を低減し、排水弁等への残水の液だれを抑制し、氷点下での排水弁等での残水の凍結を抑制し、氷点下始動時に燃料電池の性能が低下することを抑制する。 In order to scaveng the drain valve (including the exhaust drain valve, etc.), it is necessary to thoroughly drain the inside of the gas-liquid separator in advance and increase the pressure of the fuel gas (hydrogen, etc.) before scavenging.
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of residual water in a gap between a filter, a gas-liquid separator, the filter, and the wall surface of the gas-liquid separator.
If you try to drain the liquid water in the gas-liquid separator under high pressure, residual drainage water will be created in the gap between the filter and the wall surface of the gas-liquid separator. There is a risk that the residual water will freeze.
Therefore, in the present disclosure, after draining the liquid water in the gas-liquid separator with the first scavenging air (low pressure) with a small gas flow rate, the liquid moved to the vicinity of the drain valve with the second scavenging air (high pressure) with a large gas flow rate. By sweeping the water, the amount of liquid water remaining in the gap between the filter and the wall surface of the gas-liquid separator is reduced, the residual water dripping on the drain valve, etc. is suppressed, and the residual water in the drain valve, etc. below the freezing point is suppressed. It suppresses the freezing of the fuel cell and suppresses the deterioration of the performance of the fuel cell at the time of starting below the freezing point.

図２は、本開示の燃料電池システムの一例を示す概略構成図である。
図２に示す燃料電池システム１００は、燃料電池１１と、循環流路１２と、気液分離器２０と、排水流路２１と、排水弁２２と、燃料ガス供給部３０と、燃料ガス供給流路３１と、酸化剤ガス供給部４０と、酸化剤ガス供給流路４１と、酸化剤ガス排出流路４２と、制御部５０と、合流流路５１と、掃気弁５２と、を備える。
気液分離器２０、排水弁２２、燃料ガス供給部３０、酸化剤ガス供給部４０、掃気弁５２は、それぞれ制御部５０と電気的に接続され制御部５０によって制御される。 FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing an example of the fuel cell system of the present disclosure.
The fuel cell system 100 shown in FIG. 2 includes a fuel cell 11, a circulation flow path 12, a gas-liquid separator 20, a drainage flow path 21, a drain valve 22, a fuel gas supply unit 30, and a fuel gas supply flow. It includes a passage 31, an oxidant gas supply unit 40, an oxidant gas supply flow path 41, an oxidant gas discharge flow path 42, a control unit 50, a merging flow path 51, and a scavenging valve 52.
The gas-liquid separator 20, the drain valve 22, the fuel gas supply unit 30, the oxidant gas supply unit 40, and the scavenging valve 52 are each electrically connected to the control unit 50 and controlled by the control unit 50.

本開示の燃料電池システムは、少なくとも燃料電池と、反応ガス供給部と、回収流路と、気液分離器と、排水流路と、制御部と、を有する。 The fuel cell system of the present disclosure includes at least a fuel cell, a reaction gas supply unit, a recovery flow path, a gas-liquid separator, a drainage flow path, and a control unit.

本開示の燃料電池システムは、通常、駆動源を電動機（モータ）とする燃料電池車両に搭載されて用いられる。
また、本開示の燃料電池システムは、二次電池の電力でも走行可能な車両に搭載されて用いられてもよい。
電動機は、特に限定されず、従来公知の駆動モータであってもよい。 The fuel cell system of the present disclosure is usually mounted and used in a fuel cell vehicle whose drive source is an electric motor (motor).
Further, the fuel cell system of the present disclosure may be mounted on and used in a vehicle that can run on the power of a secondary battery.
The electric motor is not particularly limited, and may be a conventionally known drive motor.

燃料電池は、燃料電池の単セルを複数積層した燃料電池スタックであってもよい。
単セルの積層数は特に限定されず、例えば、２〜数百個であってもよく、２〜２００個であってもよい。
燃料電池スタックは、単セルの積層方向の両端にエンドプレートを備えていてもよい。
燃料電池の単セルは、少なくとも酸化剤極、電解質膜、及び、燃料極を含む膜電極接合体を備え、必要に応じて当該膜電極接合体の両面を挟持する２枚のセパレータを備えてもよい。 The fuel cell may be a fuel cell stack in which a plurality of single cells of the fuel cell are stacked.
The number of stacked single cells is not particularly limited, and may be, for example, 2 to several hundreds or 2 to 200.
The fuel cell stack may include end plates at both ends of the single cell stacking direction.
A single cell of a fuel cell may include at least a membrane electrode assembly containing an oxidant electrode, an electrolyte membrane, and a fuel electrode, and optionally two separators sandwiching both sides of the membrane electrode assembly. good.

セパレータは、ガス拡散層に接する面に反応ガス流路を有していてもよい。また、セパレータは、ガス拡散層に接する面とは反対側の面に燃料電池の温度を一定に保つための冷媒流路を有していてもよい。
セパレータは、反応ガス及び冷媒を単セルの積層方向に流通させるための供給孔及び排出孔を有していてもよい。
供給孔は、燃料ガス供給孔、酸化剤ガス供給孔、及び、冷媒供給孔等が挙げられる。
排出孔は、燃料ガス排出孔、酸化剤ガス排出孔、及び、冷媒排出孔等が挙げられる。
セパレータは、ガス不透過の導電性部材等であってもよい。導電性部材としては、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、及び、プレス成形した金属（例えば、鉄、アルミニウム、及び、ステンレス等）板等であってもよい。また、セパレータが集電機能を備えるものであってもよい。
燃料電池スタックは、各供給孔が連通した入口マニホールド、及び、各排出孔が連通した出口マニホールド等のマニホールドを有していてもよい。
入口マニホールドは、アノード入口マニホールド、カソード入口マニホールド、及び、冷媒入口マニホールド等が挙げられる。
出口マニホールドは、アノード出口マニホールド、カソード出口マニホールド、及び、冷媒出口マニホールド等が挙げられる。 The separator may have a reaction gas flow path on the surface in contact with the gas diffusion layer. Further, the separator may have a refrigerant flow path for keeping the temperature of the fuel cell constant on the surface opposite to the surface in contact with the gas diffusion layer.
The separator may have a supply hole and a discharge hole for allowing the reaction gas and the refrigerant to flow in the stacking direction of the single cell.
Examples of the supply hole include a fuel gas supply hole, an oxidant gas supply hole, a refrigerant supply hole, and the like.
Examples of the discharge hole include a fuel gas discharge hole, an oxidant gas discharge hole, a refrigerant discharge hole, and the like.
The separator may be a gas-impermeable conductive member or the like. The conductive member may be, for example, a dense carbon obtained by compressing carbon to make it impermeable to gas, a press-molded metal (for example, iron, aluminum, stainless steel, etc.) plate or the like. Further, the separator may have a current collecting function.
The fuel cell stack may have a manifold such as an inlet manifold in which each supply hole communicates and an outlet manifold in which each discharge hole communicates.
Examples of the inlet manifold include an anode inlet manifold, a cathode inlet manifold, and a refrigerant inlet manifold.
Examples of the outlet manifold include an anode outlet manifold, a cathode outlet manifold, and a refrigerant outlet manifold.

酸化剤極は、酸化剤極触媒層及びガス拡散層を含む。
燃料極は、燃料極触媒層及びガス拡散層を含む。
酸化剤極触媒層及び燃料極触媒層は、例えば、電気化学反応を促進する触媒金属、プロトン伝導性を有する電解質、及び、電子伝導性を有するカーボン粒子等を備えていてもよい。
触媒金属としては、例えば、白金（Ｐｔ）、及び、Ｐｔと他の金属とから成る合金（例えばコバルト、及び、ニッケル等を混合したＰｔ合金）等を用いることができる。
電解質としては、フッ素系樹脂等であってもよい。フッ素系樹脂としては、例えば、ナフィオン溶液等を用いてもよい。
上記触媒金属はカーボン粒子上に担持されており、各触媒層では、触媒金属を担持したカーボン粒子（触媒粒子）と電解質とが混在していてもよい。
触媒金属を担持するためのカーボン粒子（担持用カーボン粒子）は、例えば、一般に市販されているカーボン粒子（カーボン粉末）を加熱処理することにより自身の撥水性が高められた撥水化カーボン粒子等を用いてもよい。 The oxidant electrode includes an oxidant electrode catalyst layer and a gas diffusion layer.
The fuel electrode includes a fuel electrode catalyst layer and a gas diffusion layer.
The oxidant electrode catalyst layer and the fuel electrode catalyst layer may include, for example, a catalyst metal that promotes an electrochemical reaction, an electrolyte having proton conductivity, carbon particles having electron conductivity, and the like.
As the catalyst metal, for example, platinum (Pt), an alloy composed of Pt and another metal (for example, a Pt alloy in which cobalt, nickel and the like are mixed) and the like can be used.
The electrolyte may be a fluororesin or the like. As the fluororesin, for example, a Nafion solution or the like may be used.
The catalyst metal is supported on carbon particles, and carbon particles (catalyst particles) carrying the catalyst metal and an electrolyte may be mixed in each catalyst layer.
The carbon particles for supporting the catalyst metal (supporting carbon particles) are, for example, water-repellent carbon particles whose water repellency is enhanced by heat-treating commercially available carbon particles (carbon powder). May be used.

ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性部材等であってもよい。
導電性部材としては、例えば、カーボンクロス、及びカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、並びに、金属メッシュ、及び、発泡金属などの金属多孔質体等が挙げられる。 The gas diffusion layer may be a conductive member or the like having gas permeability.
Examples of the conductive member include a carbon porous body such as carbon cloth and carbon paper, a metal mesh, and a metal porous body such as foamed metal.

電解質膜は、固体高分子電解質膜であってもよい。固体高分子電解質膜としては、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜等のフッ素系電解質膜、及び、炭化水素系電解質膜等が挙げられる。電解質膜としては、例えば、ナフィオン膜（デュポン社製）等であってもよい。 The electrolyte membrane may be a solid polymer electrolyte membrane. Examples of the solid polymer electrolyte membrane include a fluorine-based electrolyte membrane such as a thin film of perfluorosulfonic acid containing water, a hydrocarbon-based electrolyte membrane, and the like. The electrolyte membrane may be, for example, a Nafion membrane (manufactured by DuPont) or the like.

燃料電池システムは、燃料電池の電極に反応ガスを供給する反応ガス供給部を有していてもよい。
反応ガス供給部は、燃料電池に反応ガスを供給する。
反応ガスは、燃料ガス及び酸化剤ガスを含む概念である。
反応ガス供給部としては、燃料ガス供給部及び酸化剤ガス供給部等が挙げられ、燃料電池システムは、これらの供給部のいずれか一方を有していてもよく、これらの供給部の両方を有していてもよい。 The fuel cell system may have a reaction gas supply unit that supplies the reaction gas to the electrodes of the fuel cell.
The reaction gas supply unit supplies the reaction gas to the fuel cell.
The reaction gas is a concept including a fuel gas and an oxidant gas.
Examples of the reaction gas supply unit include a fuel gas supply unit, an oxidant gas supply unit, and the like, and the fuel cell system may have one of these supply units, and both of these supply units may be used. You may have.

燃料電池システムは、燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部を有していてもよい。
燃料ガスは、主に水素を含有するガスであり、例えば、水素ガスであってもよい。
燃料ガス供給部としては、例えば、燃料タンク等が挙げられ、具体的には、液体水素タンク、圧縮水素タンク等が挙げられる。 The fuel cell system may have a fuel gas supply unit that supplies fuel gas to the fuel electrode of the fuel cell.
The fuel gas is a gas mainly containing hydrogen, and may be, for example, hydrogen gas.
Examples of the fuel gas supply unit include a fuel tank and the like, and specific examples thereof include a liquid hydrogen tank and a compressed hydrogen tank.

燃料電池システムは、燃料ガス供給流路を備えていてもよい。
燃料ガス供給流路は、燃料電池と燃料ガス供給部を接続し、燃料ガスの燃料ガス供給部からの燃料電池の燃料極への供給を可能にする。 The fuel cell system may include a fuel gas supply channel.
The fuel gas supply channel connects the fuel cell and the fuel gas supply unit, and enables the fuel gas to be supplied from the fuel gas supply unit to the fuel electrode of the fuel cell.

燃料電池システムは、回収流路を備えていてもよい。
回収流路は、燃料電池の燃料極から排出された燃料オフガスを回収する。
回収流路は、循環流路であってもよく、燃料オフガス排出流路であってもよい。
循環流路は、燃料電池の燃料極から排出された燃料オフガスを回収し、循環ガスとして燃料電池の燃料極に戻すことを可能にする。
燃料オフガスは、燃料極において未反応のまま通過した燃料ガス、酸化剤極で生成した生成水が燃料極に到達した水分、及び、掃気時に燃料極に供給されてもよい酸化剤ガス等を含む。 The fuel cell system may include a recovery channel.
The recovery channel recovers the fuel off gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell.
The recovery flow path may be a circulation flow path or a fuel off-gas discharge flow path.
The circulation flow path makes it possible to recover the fuel off gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell and return it as the circulating gas to the fuel electrode of the fuel cell.
The fuel off gas includes fuel gas that has passed unreacted at the fuel electrode, moisture at which the generated water generated at the oxidant electrode has reached the fuel electrode, and oxidant gas that may be supplied to the fuel electrode during scavenging. ..

燃料電池システムは、必要に応じて、循環流路上に循環ガスの流量を調整する水素ポンプ等の循環用ポンプ、及び、エジェクタ等を備えていてもよい。
循環用ポンプは、制御部と電気的に接続され、制御部によって循環用ポンプの駆動のオン・オフ及び回転数等を制御されることにより、循環ガスの流量を調整してもよい。
エジェクタは、例えば、燃料ガス供給流路と循環流路の合流部に配置され、燃料ガスと循環ガスとを含む混合ガスを燃料電池の燃料極に供給する。エジェクタとしては、従来公知のエジェクタを採用することができる。 If necessary, the fuel cell system may include a circulation pump such as a hydrogen pump for adjusting the flow rate of the circulating gas on the circulation flow path, an ejector, and the like.
The circulation pump may be electrically connected to the control unit, and the flow rate of the circulation gas may be adjusted by controlling the on / off of the drive of the circulation pump, the rotation speed, and the like by the control unit.
The ejector is arranged, for example, at the confluence of the fuel gas supply flow path and the circulation flow path, and supplies a mixed gas containing the fuel gas and the circulation gas to the fuel electrode of the fuel cell. As the ejector, a conventionally known ejector can be adopted.

気液分離器は、燃料オフガスを気液に分離する。
気液分離器は、不純物を除去するフィルタを有する。フィルタは、気液分離器において、流入口と流出口との間に配置されていてもよい。フィルタは、従来公知のフィルタを用いることができる。
気液分離器は、回収流路に配置されていてもよい。 The gas-liquid separator separates the fuel off gas into gas and liquid.
The gas-liquid separator has a filter that removes impurities. The filter may be placed between the inlet and outlet in the gas-liquid separator. As the filter, a conventionally known filter can be used.
The gas-liquid separator may be arranged in the recovery flow path.

排水流路は、気液分離器と接続され、分離後の液（液水）を排水するための排水弁を有する。
排水弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によって排水弁の開閉を制御されることにより、液水の排水量を調整してもよい。
排水弁は、液水を排水し、且つ、燃料オフガスを系外に排気する排気排水弁であってもよい。
排水流路は、気液分離器によって回収流路から分岐されていてもよい。
気液分離器において、燃料オフガス中から分離された水分は、排水弁の開放によって排出してもよい。 The drainage channel is connected to a gas-liquid separator and has a drain valve for draining the separated liquid (liquid water).
The drain valve may be electrically connected to the control unit, and the opening and closing of the drain valve may be controlled by the control unit to adjust the drainage amount of the liquid water.
The drain valve may be an exhaust drain valve that drains liquid water and exhausts fuel off gas to the outside of the system.
The drainage channel may be branched from the recovery channel by a gas-liquid separator.
In the gas-liquid separator, the water separated from the fuel off gas may be discharged by opening the drain valve.

燃料電池システムは、燃料オフガス排出部を備えていてもよい。
燃料オフガス排出部は、燃料オフガスを外部（系外）に排出することを可能にする。なお、外部とは、燃料電池システムの外部であってもよく、車両の外部であってもよい。
燃料オフガス排出部は、燃料オフガス排出弁を備えていてもよく、必要に応じ、燃料オフガス排出流路をさらに備えていてもよい。
燃料オフガス排出弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によって燃料オフガス排出弁の開閉を制御されることにより、燃料オフガスの排出流量を調整してもよい。
燃料オフガス排出流路は、例えば、回収流路であってもよく、循環流路から分岐されていてもよく、燃料オフガス中の水素濃度が低くなりすぎた場合に当該燃料オフガスを外部に排出可能にする。 The fuel cell system may include a fuel off-gas emission unit.
The fuel off gas discharge unit makes it possible to discharge the fuel off gas to the outside (outside the system). The outside may be the outside of the fuel cell system or the outside of the vehicle.
The fuel off-gas discharge unit may be provided with a fuel-off gas discharge valve, and may be further provided with a fuel-off gas discharge flow path, if necessary.
The fuel off-gas discharge valve may be electrically connected to the control unit, and the fuel-off gas discharge valve may be controlled to open and close by the control unit to adjust the fuel off-gas discharge flow rate.
The fuel off-gas discharge channel may be, for example, a recovery channel or a branch from the circulation channel, and the fuel-off gas can be discharged to the outside when the hydrogen concentration in the fuel-off gas becomes too low. To.

燃料電池システムは、酸化剤ガス供給部、酸化剤ガス供給流路、及び、酸化剤ガス排出流路を備えていてもよい。
酸化剤ガス供給部は、少なくとも燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する。
酸化剤ガス供給部としては、例えば、エアコンプレッサー等を用いることができる。エアコンプレッサーは、制御部からの制御信号に従って駆動され、酸化剤ガスを燃料電池のカソード側（酸化剤極、カソード入口マニホールド等）に導入する。
酸化剤ガス供給流路は、酸化剤ガス供給部と燃料電池を接続し、酸化剤ガス供給部から燃料電池の酸化剤極への酸化剤ガスの供給を可能にする。
酸化剤ガスは、酸素含有ガスであり、空気、乾燥空気、及び、純酸素等であってもよい。
酸化剤ガス排出流路は、燃料電池の酸化剤極からの酸化剤ガスの排出を可能にする。
酸化剤ガス排出流路には、酸化剤ガス圧力調整弁が設けられていてもよい。
酸化剤ガス圧力調整弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によって酸化剤ガス圧力調整弁が開弁されることにより、反応済みのカソードオフガスを酸化剤ガス排出流路から排出する。また、酸化剤ガス圧力調整弁の開度を調整することにより、酸化剤極に供給される酸化剤ガス圧力（カソード圧力）を調整することができる。 The fuel cell system may include an oxidant gas supply unit, an oxidant gas supply flow path, and an oxidant gas discharge flow path.
The oxidant gas supply unit supplies the oxidant gas to at least the oxidant electrode of the fuel cell.
As the oxidant gas supply unit, for example, an air compressor or the like can be used. The air compressor is driven according to a control signal from the control unit, and introduces the oxidant gas into the cathode side (oxidizer electrode, cathode inlet manifold, etc.) of the fuel cell.
The oxidant gas supply channel connects the oxidant gas supply unit and the fuel cell, and enables the oxidant gas to be supplied from the oxidant gas supply unit to the oxidant electrode of the fuel cell.
The oxidant gas is an oxygen-containing gas, and may be air, dry air, pure oxygen, or the like.
The oxidant gas discharge channel allows the oxidant gas to be discharged from the oxidant electrode of the fuel cell.
An oxidant gas pressure regulating valve may be provided in the oxidant gas discharge flow path.
The oxidant gas pressure control valve is electrically connected to the control unit, and the oxidant gas pressure control valve is opened by the control unit to discharge the reacted cathode off gas from the oxidant gas discharge flow path. Further, by adjusting the opening degree of the oxidant gas pressure adjusting valve, the oxidant gas pressure (cathode pressure) supplied to the oxidant electrode can be adjusted.

また、燃料ガス供給流路と酸化剤ガス供給流路は合流流路を介して接続されていてもよい。合流流路には掃気弁が設けられていてもよい。
掃気弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によって掃気弁が開弁されることにより、酸化剤ガス供給部の酸化剤ガスを掃気ガスとして燃料ガス供給流路内に流入させるようになっていてもよい。
掃気に用いられる掃気ガスは、反応ガスであってもよく、反応ガスは、燃料ガスであってもよく、酸化剤ガスであってもよく、これらの両方のガスを含む混合反応ガスであってもよい。 Further, the fuel gas supply flow path and the oxidant gas supply flow path may be connected via a confluence flow path. A scavenging valve may be provided in the merging flow path.
The scavenging valve is electrically connected to the control unit, and the scavenging valve is opened by the control unit so that the oxidant gas in the oxidant gas supply unit flows into the fuel gas supply flow path as scavenging gas. It may be.
The scavenging gas used for scavenging may be a reaction gas, the reaction gas may be a fuel gas, an oxidant gas, or a mixed reaction gas containing both of these gases. May be good.

燃料電池システムは、燃料電池の冷却系として、冷媒供給部、及び、冷媒循環流路を備えていてもよい。
冷媒循環流路は、燃料電池に設けられる冷媒供給孔及び冷媒排出孔に連通し、冷媒供給部から供給される冷媒を燃料電池内外で循環させ、燃料電池の冷却を可能にする。
冷媒供給部は、例えば、冷却水ポンプ等が挙げられる。
冷媒循環流路には、冷却水の熱を放熱するラジエータが設けられていてもよい。
冷却水（冷媒）としては、低温時の凍結を防止するために例えばエチレングリコールと水との混合溶液を用いることができる。 The fuel cell system may include a refrigerant supply unit and a refrigerant circulation flow path as a cooling system for the fuel cell.
The refrigerant circulation flow path communicates with the refrigerant supply hole and the refrigerant discharge hole provided in the fuel cell, circulates the refrigerant supplied from the refrigerant supply unit inside and outside the fuel cell, and enables cooling of the fuel cell.
Examples of the refrigerant supply unit include a cooling water pump and the like.
The refrigerant circulation flow path may be provided with a radiator that dissipates heat from the cooling water.
As the cooling water (refrigerant), for example, a mixed solution of ethylene glycol and water can be used in order to prevent freezing at a low temperature.

燃料電池システムは、二次電池を備えていてもよい。
二次電池（バッテリ）は、充放電可能なものであればよく、例えば、ニッケル水素二次電池、及び、リチウムイオン二次電池等の従来公知の二次電池が挙げられる。また、二次電池は、電気二重層コンデンサ等の蓄電素子を含むものであってもよい。二次電池は、複数個を直列に接続した構成であってもよい。二次電池は、電動機及びエアコンプレッサー等の酸化剤ガス供給部等に電力を供給する。二次電池は、車両の外部の電源、例えば、家庭用電源から充電可能になっていてもよい。二次電池は、燃料電池の出力により充電されてもよい。
燃料電池システムは、バッテリを電源とする補機類を備えていてもよい。
補機類としては、例えば車両の照明機器、及び、空調機器等が挙げられる。
制御部は、二次電池の充放電を制御してもよい。 The fuel cell system may include a secondary battery.
The secondary battery (battery) may be any as long as it can be charged and discharged, and examples thereof include a nickel hydrogen secondary battery and a conventionally known secondary battery such as a lithium ion secondary battery. Further, the secondary battery may include a power storage element such as an electric double layer capacitor. The secondary battery may have a configuration in which a plurality of secondary batteries are connected in series. The secondary battery supplies electric power to an oxidant gas supply unit such as an electric motor and an air compressor. The secondary battery may be rechargeable from a power source external to the vehicle, such as a household power source. The secondary battery may be charged by the output of the fuel cell.
The fuel cell system may include accessories powered by the battery.
Examples of auxiliary equipment include vehicle lighting equipment, air conditioning equipment, and the like.
The control unit may control the charging / discharging of the secondary battery.

制御部は、燃料電池システムを制御し、少なくとも反応ガスの流量を制御する。
制御部は、気液分離器、排水弁、燃料オフガス排出弁、酸化剤ガス圧力調整弁、掃気弁、燃料ガス供給部、酸化剤ガス供給部、二次電池等と入出力インターフェースを介して接続されていてもよい。
制御部は、物理的には、例えば、ＣＰＵ（中央演算処理装置）等の演算処理装置と、ＣＰＵで処理される制御プログラム及び制御データ等を記憶するＲＯＭ（リードオンリーメモリー）、並びに、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭ（ランダムアクセスメモリー）等の記憶装置と、入出力インターフェースとを有するものである。また、制御部は、例えば、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）等の制御装置であってもよい。
制御部は、車両に搭載されていてもよいイグニッションスイッチと電気的に接続されていてもよい。制御部はイグニッションスイッチが切られていても外部電源により動作可能である。 The control unit controls the fuel cell system and at least controls the flow rate of the reaction gas.
The control unit is connected to the gas-liquid separator, drain valve, fuel off-gas exhaust valve, oxidizer gas pressure control valve, scavenging valve, fuel gas supply unit, oxidizer gas supply unit, secondary battery, etc. via the input / output interface. It may have been done.
The control unit physically includes, for example, an arithmetic processing unit such as a CPU (central processing unit), a ROM (read-only memory) that stores control programs and control data processed by the CPU, and mainly controls. It has a storage device such as a RAM (random access memory) used as various work areas for processing, and an input / output interface. Further, the control unit may be, for example, a control device such as an ECU (engine control unit).
The control unit may be electrically connected to an ignition switch which may be mounted on the vehicle. The control unit can be operated by an external power supply even when the ignition switch is turned off.

図３は、本開示の燃料電池システムの制御方法の一例を示すフローチャートである。なお、本開示は、必ずしも本典型例のみに限定されるものではない。 FIG. 3 is a flowchart showing an example of the control method of the fuel cell system of the present disclosure. The present disclosure is not necessarily limited to this typical example.

（１）貯水量の推定
イグニッションスイッチがＯＮからＯＦＦに切り換わって（ＩＧ−ＯＦＦ）、制御部に運転停止信号が入力されると、制御部は、燃料ガス供給部からの燃料極への燃料ガスの供給を停止することによって燃料電池の発電を停止する。
制御部は、燃料電池の発電停止時に、気液分離器の貯水量を推定する。
気液分離器の貯水量は、燃料電池の発電量から推測してもよいし、気液分離器に水位計を設置して、水位計を用いて貯水量を計測してもよい。 (1) Estimating the amount of stored water When the ignition switch is switched from ON to OFF (IG-OFF) and an operation stop signal is input to the control unit, the control unit receives fuel from the fuel gas supply unit to the fuel electrode. By stopping the supply of gas, the power generation of the fuel cell is stopped.
The control unit estimates the amount of water stored in the gas-liquid separator when the fuel cell power generation is stopped.
The amount of water stored in the gas-liquid separator may be estimated from the amount of power generated by the fuel cell, or a water level gauge may be installed in the gas-liquid separator and the amount of water stored may be measured using the water level gauge.

（２）貯水量が所定の閾値以上か否かの判断
制御部は、推定した貯水量が所定の閾値以上であれば、所定の時間第１掃気を行う。
一方、制御部は、貯水量が所定の閾値未満であれば、第２掃気を行ってもよいし、制御を終了してもよい。
貯水量の所定の閾値は、例えば、気液分離器のフィルタに達する水位等を基準に適宜設定してもよい。
第１掃気を行う所定の時間は、特に限定されず、例えば、予め掃気時間と気液分離器の貯水量との相関関係を示すデータ群を準備し、推定した貯水量を当該データ群と照らして掃気時間を決定してもよい。
第１掃気のガス流量は、第２掃気のガス流量よりも小さければ特に限定されず、例えば、予めフィルタと気液分離器壁面との隙間に残留する液水量と、ガス流量との相関関係を示すデータ群を用意し、当該データ群から、燃費及び掃気時間等を考慮して適宜設定することができる。
ガス流量の制御方法は特に限定されず、従来公知の方法を採用することができ、例えば、燃料ガス供給部からの燃料ガスの供給流量を制御してもよいし、循環流路に設けた水素ポンプの回転数を制御してもよいし、酸化剤ガス供給部からの酸化剤ガスの供給流量を制御してもよいし、酸化剤ガス圧力調整弁の開度を制御してもよいし、これらの制御を併用してもよい。 (2) Determining whether or not the amount of stored water is equal to or greater than a predetermined threshold If the estimated amount of stored water is equal to or greater than a predetermined threshold, the control unit performs the first scavenging for a predetermined time.
On the other hand, if the amount of water stored is less than a predetermined threshold value, the control unit may perform the second scavenging or may end the control.
The predetermined threshold value of the stored water amount may be appropriately set based on, for example, the water level reaching the filter of the gas-liquid separator.
The predetermined time for performing the first scavenging is not particularly limited. For example, a data group showing the correlation between the scavenging time and the water storage amount of the gas-liquid separator is prepared in advance, and the estimated water storage amount is compared with the data group. The scavenging time may be determined.
The gas flow rate of the first scavenging is not particularly limited as long as it is smaller than the gas flow rate of the second scavenging. The indicated data group can be prepared and appropriately set from the data group in consideration of fuel consumption, scavenging time, and the like.
The method for controlling the gas flow rate is not particularly limited, and a conventionally known method can be adopted. For example, the supply flow rate of the fuel gas from the fuel gas supply unit may be controlled, or hydrogen provided in the circulation flow path may be controlled. The rotation speed of the pump may be controlled, the supply flow rate of the oxidant gas from the oxidant gas supply unit may be controlled, or the opening degree of the oxidant gas pressure adjusting valve may be controlled. These controls may be used in combination.

（３）第２掃気の実施
制御部は、所定の時間経過後は当該第１掃気よりもガス流量が大きい第２掃気を行う。
第２掃気のガス流量は、第１掃気のガス流量よりも大きければ特に限定されず、燃費及び掃気時間等を考慮して適宜設定することができる。
第２掃気を行う時間は、特に限定されず、燃費等を考慮して適宜設定することができる。
本開示では、ガス流量の小さい第１掃気（低い圧力）で気液分離器内の液水を排水後、ガス流量の大きい第２掃気（高い圧力）で排水弁等に移動してきた液水を掃気することで、フィルタと気液分離器壁面との隙間に残留する液水量を低減し、掃気後の排水弁等への残水の液だれを抑制し、氷点下での排水弁等での残水の凍結を抑制し、氷点下始動時に燃料電池の性能が低下することを抑制することができる。 (3) Implementation of the second scavenging After a predetermined time elapses, the control unit performs the second scavenging in which the gas flow rate is larger than that of the first scavenging.
The gas flow rate of the second scavenging is not particularly limited as long as it is larger than the gas flow rate of the first scavenging, and can be appropriately set in consideration of fuel consumption, scavenging time, and the like.
The time for performing the second scavenging is not particularly limited and can be appropriately set in consideration of fuel consumption and the like.
In the present disclosure, after draining the liquid water in the gas-liquid separator with the first scavenging air (low pressure) with a small gas flow rate, the liquid water moved to the drain valve or the like with the second scavenging air (high pressure) with a large gas flow rate is discharged. By scavenging, the amount of liquid water remaining in the gap between the filter and the wall surface of the gas-liquid separator is reduced, the residual water dripping on the drain valve after scavenging is suppressed, and the residual water remains on the drain valve etc. below the freezing point. It is possible to suppress the freezing of water and prevent the performance of the fuel cell from deteriorating at the time of starting below the freezing point.

１１燃料電池
１２循環流路
２０気液分離器
２１排水流路
２２排水弁
３０燃料ガス供給部
３１燃料ガス供給流路
４０酸化剤ガス供給部
４１酸化剤ガス供給流路
４２酸化剤ガス排出流路
５０制御部
５１合流流路
５２掃気弁
１００燃料電池システム 11 Fuel cell 12 Circulation flow path 20 Gas-liquid separator 21 Drainage flow path 22 Drainage valve 30 Fuel gas supply section 31 Fuel gas supply flow path 40 Oxidation agent gas supply section 41 Oxidation agent gas supply flow path 42 Oxidation agent gas discharge flow path 50 Control unit 51 Confluence flow path 52 Sweep valve 100 Fuel cell system

Claims

A fuel cell system installed in a vehicle and used.
With a fuel cell
A reaction gas supply unit that supplies the reaction gas to the fuel cell,
A recovery flow path for recovering the fuel off gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell, and
A gas-liquid separator which is arranged in the recovery flow path and has a filter for removing impurities and separates the fuel-off gas into gas and liquid.
A drainage channel connected to the gas-liquid separator and having a drain valve for draining the separated liquid water.
It has a control unit that controls the flow rate of the reaction gas, and has.
The control unit estimates the amount of water stored in the gas-liquid separator when the power generation of the fuel cell is stopped, and if the amount of water stored is equal to or higher than a predetermined threshold, performs the first scavenging for a predetermined time and elapses a predetermined time. After that, a fuel cell system characterized by performing a second scavenging in which the gas flow rate is larger than that of the first scavenging.