JP5061464B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は、発電時において水を発生させる燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system that generates water during power generation.

固体高分子型燃料電池(以下、燃料電池ともいう)システムの停止時に燃料電池内や経路内に必要以上の水分が存在している場合、長時間氷点下にさらされると水分が凍結する問題がある。そのため、燃料電池システムを氷点下でも安定的に運転する為には、燃料電池システムの経路内の水分を燃料電池システムの停止時に排出する必要がある。このため、循環系のガス経路を含む燃料電池では、気液分離器を含む経路でガスを循環させ(これを掃気という)、残水量を減少させている。しかし、燃料電池システムの経路内の掃気時間が長くなると、燃料電池システムの停止に必要な時間が長くなる等、使い勝手が悪くなる。すなわち、掃気や希釈空気の供給をポンプに頼る為、長時間の掃気には多量の電力が消費され、また、ポンプの駆動時の騒音が問題となる。さらに、イグニッションスイッチがOFFにされた後、燃料電池システムの停止処理に時間がかかると商品性を損なうという問題がある。   Solid polymer fuel cell (hereinafter also referred to as fuel cell) system has a problem that when water is more than necessary in the fuel cell or path when the system is stopped, the water freezes when exposed to freezing for a long time. . Therefore, in order to stably operate the fuel cell system even at a temperature below freezing point, it is necessary to discharge the water in the path of the fuel cell system when the fuel cell system is stopped. For this reason, in a fuel cell including a gas path in the circulation system, gas is circulated through a path including a gas-liquid separator (this is called scavenging) to reduce the amount of remaining water. However, if the scavenging time in the path of the fuel cell system becomes longer, the time required for stopping the fuel cell system becomes longer and the usability becomes worse. That is, since supply of scavenging and dilution air is relied on the pump, a long amount of scavenging consumes a large amount of power, and noise during driving of the pump becomes a problem. Furthermore, there is a problem in that the merchantability is impaired if it takes time to stop the fuel cell system after the ignition switch is turned off.

また、燃料電池における電解質膜内のプロトン(水素イオン)は、水分子により移動する。燃料電池の運転には、プロトン移動性を確保するため、燃料電池の電解質膜内やその近傍も湿潤させることが必要である。そのため、氷点下においても、燃料電池システムを円滑に始動させ、安定した運転状態を達成するためには、燃料電池内部にある程度の水分が必要である。   In addition, protons (hydrogen ions) in the electrolyte membrane in the fuel cell move by water molecules. In the operation of the fuel cell, it is necessary to wet the electrolyte membrane of the fuel cell and the vicinity thereof in order to ensure proton mobility. Therefore, in order to smoothly start the fuel cell system and achieve a stable operation state even at a temperature below freezing point, a certain amount of moisture is required inside the fuel cell.

なお、下記の特許文献1は、燃料電池の運転状態に応じた掃気時間で掃気する技術を開示している。また、下記の特許文献2は、外気温の推移を予測し、凍結が予測される場合に凍結防止処理を行う技術を開示している。また、下記の特許文献3は、発電停止後に燃料電池内部で発生する水を排出する技術を開示しており、また、燃料電池の内部の水量と相関関係を有する特定の状態量を計測し、その状態量に応じて排水する技術を開示している。
特開2003−297399号公報 特開2004−22198号公報 特開2005−141943号公報
Patent Document 1 below discloses a technique for scavenging with a scavenging time corresponding to the operating state of the fuel cell. Patent Document 2 below discloses a technique for predicting a transition of the outside air temperature and performing a freeze prevention process when freezing is predicted. Patent Document 3 below discloses a technique for discharging water generated inside the fuel cell after power generation is stopped, and measures a specific state quantity that has a correlation with the amount of water inside the fuel cell. The technique which drains according to the state quantity is disclosed.
JP 2003-297399 A Japanese Patent Laid-Open No. 2004-22198 JP 2005-141943 A

しかし、上記従来の技術は、燃料電池システムの経路内や補助機械内に残留した水は凍結防止の為、極力排出しなければならないという要求と、燃料電池内部にある程度の水分を残すという要求とを両立できていない。本発明の目的は、適切な掃気時間により燃料電池システム内の残水を適切な量に制御する技術を提供することにある。   However, the above-mentioned conventional technology has a requirement that water remaining in the fuel cell system path and auxiliary machinery must be discharged as much as possible to prevent freezing, and a requirement to leave a certain amount of moisture inside the fuel cell. Are not compatible. An object of the present invention is to provide a technique for controlling the residual water in the fuel cell system to an appropriate amount with an appropriate scavenging time.

本発明は、上述した課題を解決するために、以下の手段を採用する。すなわち、本発明は、燃料電池本体と、前記燃料電池本体にガスを供給するガス供給通路と、前記燃料電池本体からガスを排出するガス排出通路と、前記ガス排出通路を前記ガス供給通路に接続させるガス循環通路と、前記ガス循環経路を通じて前記ガス排出通路のガスを前記ガス供給通路に循環させるガス駆動手段と、前記循環させるガスから水分を分離する気液分離器と、前記燃料電池本体の運転状態および前記燃料電池本体が運転される環境の状態を基に前記燃料電池本体、ガス供給通路、ガス排出通路、およびガス循環通路を含む燃料電池シス
テム内の残水量を算出する手段と、前記気液分離器の分離性能および前記循環させるときのガスの状態量にしたがって前記残水量を所定値まで減少させるために前記ガス駆動手段を作動させる作動時間を算出する算出手段と、前記ガス駆動手段を前記作動時間の終了まで作動させる制御手段とを備える燃料電池システムである。
The present invention employs the following means in order to solve the above-described problems. That is, the present invention relates to a fuel cell main body, a gas supply passage for supplying gas to the fuel cell main body, a gas discharge passage for discharging gas from the fuel cell main body, and the gas discharge passage connected to the gas supply passage. A gas circulation passage, gas driving means for circulating the gas in the gas discharge passage through the gas circulation passage to the gas supply passage, a gas-liquid separator for separating moisture from the circulated gas, and a fuel cell body Means for calculating a residual water amount in the fuel cell system including the fuel cell main body, a gas supply passage, a gas discharge passage, and a gas circulation passage based on an operating state and an environmental state in which the fuel cell main body is operated; The gas driving means is operated to reduce the residual water amount to a predetermined value according to the separation performance of the gas-liquid separator and the state quantity of the gas when circulating. Calculation means for calculating the operating time is a fuel cell system and a control device for activating the gas sending apparatus until the end of the operation time.

本発明では、燃料電池本体の運転状態および燃料電池本体が運転される環境の状態から燃料電池システム内の残水量を算出し、気液分離器の分離性能および循環させるときのガスの状態量にしたがってガス駆動手段を作動させる作動時間を算出する。そして、その算出した作動時間の終了までガス駆動手段を作動させる。これにより、本発明によれば、燃料電池システム内の残水量に応じた適切な掃気時間により燃料電池システム内の残水を適切な量に制御できる。すなわち、燃料電池システムの通路内の残水を掃気することができ、かつ、燃料電池本体内部には適切な量の水分を残すことができる。   In the present invention, the remaining water amount in the fuel cell system is calculated from the operating state of the fuel cell main body and the environment in which the fuel cell main body is operated, and the separation performance of the gas-liquid separator and the state quantity of gas when circulating are calculated. Therefore, the operating time for operating the gas driving means is calculated. Then, the gas driving means is operated until the calculated operation time is finished. Thus, according to the present invention, the remaining water in the fuel cell system can be controlled to an appropriate amount by the appropriate scavenging time corresponding to the remaining water amount in the fuel cell system. That is, the remaining water in the passage of the fuel cell system can be scavenged, and an appropriate amount of moisture can be left inside the fuel cell body.

また、上記燃料電池システムは、前記循環させるガスの状態量が、ガス循環速度とガス循環速度に対する水分の循環速度の比率とを含むものであってもよい。本発明では、ガス循環速度とガス循環速度に対する水分の循環速度の比率とを含むガスの状態量に基づいて、燃料電池システム内の残水量に応じた適切な掃気時間により燃料電池システム内の残水を適切な量に制御できる。   In the fuel cell system, the state quantity of the gas to be circulated may include a gas circulation rate and a ratio of a moisture circulation rate to a gas circulation rate. In the present invention, based on the gas state quantity including the gas circulation rate and the ratio of the moisture circulation rate to the gas circulation rate, the remaining amount in the fuel cell system is determined by the appropriate scavenging time according to the remaining water amount in the fuel cell system. Water can be controlled to an appropriate amount.

また、上記燃料電池システムは、前記作動時間が所定の閾値以上である場合、前記算出手段が前記ガス駆動手段のガス駆動量を所定値増加させた後の前記ガス駆動手段を作動させる第2の作動時間を新たに算出し、前記制御手段が前記ガス駆動手段のガス駆動量を所定値増加させるとともに、前記ガス駆動手段を前記第2の作動時間の終了まで作動させてもよい。本発明では、ガス駆動手段を作動させる作動時間が所定の閾値以上である場合にはガス駆動手段のガス駆動量を増加させることにより、ガス駆動手段の作動時間を短縮することができる。また、ガス駆動手段の作動時間を短縮した後に、燃料電池システム内の残水量に応じた適切な掃気時間により燃料電池システム内の残水を適切な量に制御できる。   In the fuel cell system, when the operation time is equal to or greater than a predetermined threshold, the calculation unit operates the gas driving unit after the gas driving amount of the gas driving unit is increased by a predetermined value. The operation time may be newly calculated, and the control unit may increase the gas drive amount of the gas drive unit by a predetermined value and operate the gas drive unit until the end of the second operation time. In the present invention, when the operating time for operating the gas driving means is equal to or greater than a predetermined threshold, the operating time of the gas driving means can be shortened by increasing the gas driving amount of the gas driving means. Further, after shortening the operation time of the gas driving means, the remaining water in the fuel cell system can be controlled to an appropriate amount by an appropriate scavenging time corresponding to the remaining water amount in the fuel cell system.

また、上記燃料電池システムは、前記作動時間が所定の閾値以上である場合、前記算出手段が前記ガス駆動手段の駆動を脈動にした後の前記ガス駆動手段を作動させる第2の作動時間を新たに算出し、前記制御手段が前記ガス駆動手段を脈動させて、前記ガス駆動手段を前記第2の作動時間の終了まで作動させてもよい。本発明では、ガス駆動手段を作動させる作動時間が所定の閾値以上である場合にはガス駆動手段を脈動にすることにより、ガス駆動手段の作動時間を短縮することができる。また、ガス駆動手段の作動時間を短縮した後に、燃料電池システム内の残水量に応じた適切な掃気時間により燃料電池システム内の残水を適切な量に制御できる。   In the fuel cell system, when the operation time is equal to or greater than a predetermined threshold, the calculation unit newly sets a second operation time for operating the gas drive unit after pulsating the drive of the gas drive unit. And the control means may cause the gas driving means to pulsate and operate the gas driving means until the end of the second operating time. In the present invention, when the operating time for operating the gas driving means is equal to or greater than a predetermined threshold, the operating time of the gas driving means can be shortened by pulsating the gas driving means. Further, after shortening the operation time of the gas driving means, the remaining water in the fuel cell system can be controlled to an appropriate amount by an appropriate scavenging time corresponding to the remaining water amount in the fuel cell system.

また、上記燃料電池システムは、前記ガス駆動手段が、ポンプであり、前記作動時間が所定の閾値以上である場合、前記算出手段が前記ポンプの回転数を所定値増加させた後の前記ポンプを作動させる第2の作動時間を新たに算出し、前記制御手段が前記ポンプの回転数を所定値増加させるとともに、前記ポンプを前記第2の作動時間の終了まで作動させてもよい。本発明では、ポンプを作動させる作動時間が所定の閾値以上である場合にはポンプの回転数を増加することにより、ポンプの作動時間を短縮することができる。また、ポンプの作動時間を短縮した後に、燃料電池システム内の残水量に応じた適切な掃気時間により燃料電池システム内の残水を適切な量に制御できる。   In the fuel cell system, when the gas driving unit is a pump and the operation time is equal to or greater than a predetermined threshold, the calculation unit increases the rotation speed of the pump by a predetermined value. A second operation time to be operated may be newly calculated, and the control unit may increase the rotation speed of the pump by a predetermined value and operate the pump until the end of the second operation time. In the present invention, when the operating time for operating the pump is equal to or greater than a predetermined threshold, the operating time of the pump can be shortened by increasing the rotational speed of the pump. Further, after shortening the pump operation time, the remaining water in the fuel cell system can be controlled to an appropriate amount by the appropriate scavenging time corresponding to the remaining water amount in the fuel cell system.

また、上記燃料電池システムは、前記作動時間が所定の閾値以上である場合、前記算出手段が前記ポンプの回転数を所定値増加した後及び前記ポンプの駆動を脈動にした後の前記ポンプを作動させる第2の作動時間を新たに算出し、前記制御手段が前記ポンプの回転
数を所定値増加させるとともに前記ポンプの駆動を脈動させて、前記ポンプを前記第2の作動時間の終了まで作動させてもよい。本発明では、ポンプを作動させる作動時間が所定の閾値以上である場合にはポンプの回転数を増加し、ポンプの駆動を脈動にすることにより、ポンプの作動時間を短縮することができる。また、ポンプの作動時間を短縮した後に、燃料電池システム内の残水量に応じた適切な掃気時間により燃料電池システム内の残水を適切な量に制御できる。
Further, the fuel cell system operates the pump after the calculation means increases the rotation speed of the pump by a predetermined value and pulsates the driving of the pump when the operation time is equal to or greater than a predetermined threshold. A second operating time is newly calculated, and the control means increases the rotational speed of the pump by a predetermined value and pulsates the driving of the pump to operate the pump until the end of the second operating time. May be. In the present invention, when the operating time for operating the pump is equal to or greater than a predetermined threshold, the pump operating time can be shortened by increasing the number of rotations of the pump and causing the pump to pulsate. Further, after shortening the pump operation time, the remaining water in the fuel cell system can be controlled to an appropriate amount by the appropriate scavenging time corresponding to the remaining water amount in the fuel cell system.

本発明によれば、適切な掃気時間により燃料電池システム内の残水を掃気できる。   According to the present invention, the remaining water in the fuel cell system can be scavenged with an appropriate scavenging time.

以下、図面を参照して本発明の実施をするための最良の形態(以下、実施形態という)に係る設計装置について説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成に限定されない。
〈第1実施形態〉
本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムを図1および図2の図面に基いて説明する。図1は、本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムの構成例を示す図である。図1において、燃料電池システムは、燃料電池スタック1、アノードガス通路2、アノードオフガス通路3、アノードオフガス循環通路4、カソードガス通路5、カソードオフガス通路6、水素タンク7、水素ポンプ8、ポンプ9、調圧弁10、11、フィルタ12、加湿器13、気液分離器14、ドレンタンク15、排水弁16、制御部17、残水量算出部18及びパージ弁19を有する。
Hereinafter, a design apparatus according to the best mode (hereinafter referred to as an embodiment) for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. The configuration of the following embodiment is an exemplification, and the present invention is not limited to the configuration of the embodiment.
<First Embodiment>
A fuel cell system according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a fuel cell system according to the first embodiment of the present invention. 1, the fuel cell system includes a fuel cell stack 1, an anode gas passage 2, an anode off gas passage 3, an anode off gas circulation passage 4, a cathode gas passage 5, a cathode off gas passage 6, a hydrogen tank 7, a hydrogen pump 8, and a pump 9. , Pressure control valves 10 and 11, filter 12, humidifier 13, gas-liquid separator 14, drain tank 15, drain valve 16, control unit 17, residual water amount calculation unit 18, and purge valve 19.

燃料電池スタック1は、複数のセルが積層されて構成されている。各セルは電解質膜、アノード(燃料極)、カソード(空気極)、及びセパレータとから構成される。アノードとカソードとの間には、水素及び空気の流路が形成されている。   The fuel cell stack 1 is configured by stacking a plurality of cells. Each cell includes an electrolyte membrane, an anode (fuel electrode), a cathode (air electrode), and a separator. Between the anode and the cathode, a flow path for hydrogen and air is formed.

アノードガス通路2は、燃料電池スタック1のアノードに水素を含んだアノードガスを供給する通路である。カソードガス通路5は、燃料電池スタック1のカソードに空気を含んだカソードガスを供給する経路である。   The anode gas passage 2 is a passage for supplying an anode gas containing hydrogen to the anode of the fuel cell stack 1. The cathode gas passage 5 is a passage for supplying cathode gas containing air to the cathode of the fuel cell stack 1.

水素タンク7は、アノードガス通路2にアノードガスを供給する。水素タンク7から供給されるアノードガスは、調圧弁10により所定圧力に調整される。また、アノードガスはアノードガス通路2から燃料電池スタック1のアノードに供給されている。   The hydrogen tank 7 supplies anode gas to the anode gas passage 2. The anode gas supplied from the hydrogen tank 7 is adjusted to a predetermined pressure by the pressure regulating valve 10. The anode gas is supplied from the anode gas passage 2 to the anode of the fuel cell stack 1.

ポンプ9(エアーコンプレッサともいう)が駆動することにより、燃料電池システム外から供給されるカソードガスが燃料電池スタック1のカソードに供給される。   When the pump 9 (also referred to as an air compressor) is driven, the cathode gas supplied from outside the fuel cell system is supplied to the cathode of the fuel cell stack 1.

燃料電池スタック1のアノードでは、アノードガスが供給されると、アノードガスに含まれる水素から水素イオンが生成される。また、燃料電池スタック1のカソードには、空気に含まれる酸素が供給される。そして、燃料電池スタック1では、水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギーが発生する。また、燃料電池スタック1のカソードでは、水素から生成した水素イオンと酸素とが結合することにより水が生成される。   In the anode of the fuel cell stack 1, when anode gas is supplied, hydrogen ions are generated from hydrogen contained in the anode gas. Further, oxygen contained in the air is supplied to the cathode of the fuel cell stack 1. In the fuel cell stack 1, an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen occurs to generate electric energy. Further, at the cathode of the fuel cell stack 1, water is generated by combining hydrogen ions generated from hydrogen and oxygen.

加湿器13は、燃料電池スタック1に供給される空気を加湿する。燃料電池スタック1内で電気化学反応が適切に行われるためには、燃料電池スタック1内の電解質膜は、水分を含んだ湿潤状態である必要があるため、空気を加湿している。また、電解質膜の水分は細かいクラスタに分離し、電解質膜内のスルホン酸基と結びついて電解膜質内の水分は氷結しにくい。   The humidifier 13 humidifies the air supplied to the fuel cell stack 1. In order for an electrochemical reaction to be appropriately performed in the fuel cell stack 1, the electrolyte membrane in the fuel cell stack 1 needs to be in a wet state containing moisture, and thus humidifies the air. In addition, the water in the electrolyte membrane is separated into fine clusters and is combined with sulfonic acid groups in the electrolyte membrane, so that the water in the electrolyte membrane hardly freezes.

アノードに供給されたアノードガスのうち未反応の水素及びカソードから透過する窒素等を含むガス(以下、アノードオフガスと表記する)は、燃料電池スタック1からアノードオフガス通路3に送出される。   Of the anode gas supplied to the anode, a gas containing unreacted hydrogen and nitrogen permeating from the cathode (hereinafter referred to as anode off gas) is sent from the fuel cell stack 1 to the anode off gas passage 3.

また、カソードに供給されたカソードガスのうち未反応のガス(以下、カソードオフガスと表記する)は、燃料電池スタック1からカソードオフガス通路6に排出される。カソードから排出されたカソードオフガスは、カソードオフガス通路6を通り、燃料電池システム外に排出される。   Further, unreacted gas (hereinafter referred to as cathode offgas) among the cathode gas supplied to the cathode is discharged from the fuel cell stack 1 to the cathode offgas passage 6. The cathode off gas discharged from the cathode passes through the cathode off gas passage 6 and is discharged out of the fuel cell system.

燃料電池スタック1のアノードから排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス通路3及びアノードオフガス循環通路4を通り、水素タンク7からのアノードガスとともに再び燃料電池スタック1のアノードへ供給される。そのため、アノードオフガス通路3は、燃料電池スタック1のアノードから排出されたアノードオフガスを気液分離器14に供給する。   The anode off gas discharged from the anode of the fuel cell stack 1 passes through the anode off gas passage 3 and the anode off gas circulation passage 4 and is supplied again to the anode of the fuel cell stack 1 together with the anode gas from the hydrogen tank 7. Therefore, the anode off gas passage 3 supplies the anode off gas discharged from the anode of the fuel cell stack 1 to the gas-liquid separator 14.

気液分離器14は、燃料電池スタック1のアノードから排出されたアノードオフガスに含まれる水分と水素を分離する。気液分離器14で水分を分離された水素は水素ポンプ8によりアノードガスとしてアノードオフガス循環通路4を通り、アノードガス通路2に供給される。アノードオフガス循環通路4は、水素ポンプ8から送出されるアノードガスをアノードガス通路2に供給するための通路である。アノードオフガス循環通路4により、アノード側の循環経路が構成されている。   The gas-liquid separator 14 separates water and hydrogen contained in the anode offgas discharged from the anode of the fuel cell stack 1. The hydrogen from which the water has been separated by the gas-liquid separator 14 is supplied to the anode gas passage 2 through the anode off-gas circulation passage 4 as the anode gas by the hydrogen pump 8. The anode off-gas circulation passage 4 is a passage for supplying the anode gas sent from the hydrogen pump 8 to the anode gas passage 2. The anode off gas circulation passage 4 constitutes a circulation path on the anode side.

ドレンタンク15は、気液分離器14が分離した水分を貯留する。排水弁16の開閉を行うことにより、ドレンタンク15に貯留されている水は循環経路外に排出される。また、排水弁16は、ドレンタンク15に貯留される水が溢れないように適度に開閉される。   The drain tank 15 stores the water separated by the gas-liquid separator 14. By opening and closing the drain valve 16, the water stored in the drain tank 15 is discharged out of the circulation path. Further, the drain valve 16 is appropriately opened and closed so that the water stored in the drain tank 15 does not overflow.

また、制御部17は、水素ポンプ8及び排水弁16と電気的に接続されており、水素ポンプ8及び排水弁16の駆動を制御する。残水量算出部18は、燃料電池システム内の残水量を推定する。燃料電池システム内の残水量は、燃料電池スタック1、アノードガス通路2、アノードオフガス通路3、アノードオフガス循環通路4、水素ポンプ8、気液分離器14及びドレンタンク15内に存在する水などの燃料電池システム内の残水の凍結及びドライアップに影響する水分の量をいう。   The control unit 17 is electrically connected to the hydrogen pump 8 and the drain valve 16 and controls the driving of the hydrogen pump 8 and the drain valve 16. The remaining water amount calculation unit 18 estimates the remaining water amount in the fuel cell system. The amount of remaining water in the fuel cell system is the amount of water present in the fuel cell stack 1, the anode gas passage 2, the anode offgas passage 3, the anode offgas circulation passage 4, the hydrogen pump 8, the gas-liquid separator 14, and the drain tank 15. The amount of water that affects freezing and dry-up of residual water in the fuel cell system.

パージ弁19は、アノードから排出されるアノードオフガス中に窒素などの不純物が増加したときに、不図示の希釈器を介してアノードオフガス(および水素ポンプ8で循環されるアノードガス)を循環経路外に排出する。   When impurities such as nitrogen increase in the anode off gas discharged from the anode, the purge valve 19 passes the anode off gas (and the anode gas circulated by the hydrogen pump 8) through a diluter (not shown) outside the circulation path. To discharge.

図2は、本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池システムに対して発電停止の処理が行われた場合に図2の処理を実行する。例えば、イグニッションスイッチがOFFにされた場合、燃料電池システムの停止の指令があったと判断し、図2の処理が行われる。   FIG. 2 is a flowchart for explaining the operation of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention. The fuel cell system according to the first embodiment of the present invention executes the process of FIG. 2 when a power generation stop process is performed on the fuel cell system. For example, when the ignition switch is turned off, it is determined that there has been a command to stop the fuel cell system, and the process of FIG. 2 is performed.

まず、燃料電池スタック1の発電停止の処理が行われる(S01)。具体的には、水素タンク7に備え付けられている図示しないシャット弁が閉じられ、水素タンク7からのアノードガスの供給が遮断されることにより発電を停止させる。本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムでは、燃料電池システム内の残水を掃気するために、燃料電池システム内をアノードガス及びアノードオフガスが循環している。そして、燃料電池スタック1の発電停止の処理が行われた後も燃料電池システム内の残水は水素ポンプ8の駆動により掃気される。   First, power generation stop processing of the fuel cell stack 1 is performed (S01). Specifically, a shut valve (not shown) provided in the hydrogen tank 7 is closed, and the supply of anode gas from the hydrogen tank 7 is shut off to stop power generation. In the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention, anode gas and anode off gas are circulated in the fuel cell system in order to scavenge residual water in the fuel cell system. Even after the power generation stop processing of the fuel cell stack 1 is performed, the remaining water in the fuel cell system is scavenged by driving the hydrogen pump 8.

具体的には、制御部17は、水素ポンプ8の駆動を制御し、アノードガス経路2及び燃料電池スタック1内にアノードガスを供給する。そして、燃料電池スタック1のアノードから排出されたアノードオフガスに含まれる水と水素が気液分離器14により分離される。そして、制御部17は、排水弁16の駆動を制御し、分離した水を循環経路外に排出する。本実施形態においては、燃料電池スタック1の発電停止後の燃料電池システム内の残水の掃気を掃気・循環処理という。   Specifically, the control unit 17 controls driving of the hydrogen pump 8 to supply anode gas into the anode gas path 2 and the fuel cell stack 1. Then, water and hydrogen contained in the anode off-gas discharged from the anode of the fuel cell stack 1 are separated by the gas-liquid separator 14. And the control part 17 controls the drive of the drain valve 16, and discharges the isolate | separated water out of a circulation path. In the present embodiment, scavenging of the remaining water in the fuel cell system after the power generation stop of the fuel cell stack 1 is referred to as scavenging / circulation processing.

つぎに、残水量算出部18は、発電停止の処理が行われた直前の状態量から発電停止時の燃料電池システム内の残水量を推定する(S02)。例えば、残水量算出部18は、発電停止時の燃料電池システム内の残水量を推定する処理として、Qiniを算出する。Qiniは、発電停止の処理が行われた直前の状態量から求まる発電停止時の燃料電池システム内の残水量の推定値である。   Next, the remaining water amount calculation unit 18 estimates the remaining water amount in the fuel cell system when power generation is stopped from the state amount immediately before the power generation stop processing is performed (S02). For example, the remaining water amount calculation unit 18 calculates Qini as a process for estimating the remaining water amount in the fuel cell system when power generation is stopped. Qini is an estimated value of the remaining water amount in the fuel cell system at the time of power generation stop, which is obtained from the state quantity immediately before the power generation stop processing is performed.

状態量には、燃料電池スタック1の電極間のインピーダンス(膜抵抗)、負荷積算値(電流積算値)、運転時間、冷媒温度又は冷媒温度の変化量、外気温度、湿度等がある。   The state quantity includes impedance between the electrodes of the fuel cell stack 1 (membrane resistance), load integrated value (current integrated value), operation time, refrigerant temperature or amount of change in refrigerant temperature, outside air temperature, humidity, and the like.

燃料電池スタック1の電極間のインピーダンスを測定することにより、燃料電池スタック1内の電解質膜の湿潤状態を知ることができる。インピーダンスは、燃料電池スタック1の電極間に高圧電気系からある周波数の交流を加えて、その応答から測定することができる。インピーダンスは、発電停止の処理を行った直前の値を使用する。発電停止の処理を行う直前までインピーダンスを常時測定しておくことにより、発電停止の処理を行った直前のインピーダンスの値を使用することができる。   By measuring the impedance between the electrodes of the fuel cell stack 1, the wet state of the electrolyte membrane in the fuel cell stack 1 can be known. Impedance can be measured from the response when an alternating current of a certain frequency is applied from the high voltage electrical system between the electrodes of the fuel cell stack 1. As the impedance, the value immediately before the power generation stop processing is used. By always measuring the impedance until immediately before the power generation stop process, the impedance value immediately before the power generation stop process can be used.

負荷積算値(電流積算値)は、総発電量であり、負荷積算値を測定することにより燃料電池内での総生成水量を知ることができる。   The load integrated value (current integrated value) is the total power generation amount, and the total amount of generated water in the fuel cell can be known by measuring the load integrated value.

運転時間は、燃料電池システムの発電時間である。燃料電池システムの発電が短時間の場合と、燃料電池システムの発電が長時間の場合とでは、発電量が同程度でも燃料電池システムの発電が短時間の方が経路内の温度が低い。このため、短時間の発電の場合、長時間の発電の場合に比較して液体となっている水の量が多い。   The operation time is the power generation time of the fuel cell system. In the case where the power generation of the fuel cell system is a short time and the case where the power generation of the fuel cell system is a long time, the temperature in the path is lower when the power generation of the fuel cell system is short even if the power generation amount is about the same. For this reason, in the case of short-time power generation, the amount of water that is liquid is larger than in the case of long-time power generation.

冷媒温度又は冷媒温度の変化量は、絶対値よりもどれだけ温まったのかという相的な変化量が重要となる。燃料電池スタック1内の温度が高い場合は、燃料電池スタック1内の水分は蒸気となり燃料量電池システム外に出ていきやすい。一方、燃料電池スタック1内の温度が低い場合は、燃料電池スタック1内の水分は蒸気とならず燃料電池システム内に留まりやすい。 The amount of change in the coolant temperature or coolant temperature, relative change amount of how warmed much than the absolute value is important. When the temperature in the fuel cell stack 1 is high, the water in the fuel cell stack 1 becomes vapor and tends to go out of the fuel cell system. On the other hand, when the temperature in the fuel cell stack 1 is low, the water in the fuel cell stack 1 does not become vapor but tends to stay in the fuel cell system.

燃料電池スタック1からの放熱は外気温度によって変化するので、外気温度は冷媒温度又は冷媒温度の変化量に影響する。また、湿度も冷媒温度又は冷媒温度の変化量に影響を及ぼす。   Since the heat radiation from the fuel cell stack 1 varies depending on the outside air temperature, the outside air temperature affects the refrigerant temperature or the amount of change in the refrigerant temperature. Humidity also affects the refrigerant temperature or the amount of change in refrigerant temperature.

上記状態量は、発電停止直後の所定時間内の状態量を使用することもできる。また、上記状態量の複数を組み合わせて、発電停止時の燃料電池システム内の残水量を推定することもできる。   As the state quantity, a state quantity within a predetermined time immediately after stopping power generation can be used. In addition, the remaining amount of water in the fuel cell system when power generation is stopped can be estimated by combining a plurality of the state quantities.

図3及び図4は、状態量と燃料電池システム内の残水量の関係の例を示した図である。図3において、負荷積算値が小さい場合、燃料電池システム内の残水量は少ない値を示し、負荷積算値が大きい場合、燃料電池システム内の残水量は多い値を示している。また、図4において、冷媒温度が高い場合、燃料電池システム内の残水量は少ない値を示し、冷
媒温度が低い場合、燃料電池システム内の残水量は多い値を示している。
3 and 4 are diagrams showing examples of the relationship between the state quantity and the remaining water amount in the fuel cell system. In FIG. 3, when the load integrated value is small, the remaining water amount in the fuel cell system shows a small value, and when the load integrated value is large, the remaining water amount in the fuel cell system shows a large value. In FIG. 4, when the refrigerant temperature is high, the remaining water amount in the fuel cell system shows a small value, and when the refrigerant temperature is low, the remaining water amount in the fuel cell system shows a large value.

このような、燃料電池スタック1の電極間のインピーダンス(膜抵抗)、負荷積算値(電流積算値)、運転時間、冷媒温度又は冷媒温度の変化量、外気温度、湿度等と燃料電池システム内の残水量との関係は、実験式として求めることができる。また、燃料電池スタック1の電極間のインピーダンス(膜抵抗)、負荷積算値(電流積算値)、運転時間、冷媒温度又は冷媒温度の変化量、外気温度、湿度等と燃料電池システム内の残水量との関係をマップ化しておき、そのマップ(テーブル)を参照することにより求めてもよい。残水量算出部18は、この実験式又はマップにしたがって、Qiniを算出する。例えば、状態量のうち、燃料電池スタック1の電極間のインピーダンス(膜抵抗)、負荷積算値(電流積算値)、運転時間、冷媒温度又は冷媒温度の変化量等は運転履歴又は運転状態とも呼ばれる。また、状態量のうち、外気温度、湿度等は使用環境又は運転環境とも呼ばれる。   Such an impedance (membrane resistance) between electrodes of the fuel cell stack 1, load integrated value (current integrated value), operation time, refrigerant temperature or refrigerant temperature change amount, outside air temperature, humidity and the like in the fuel cell system The relationship with the remaining water amount can be obtained as an empirical formula. Further, the impedance (membrane resistance) between the electrodes of the fuel cell stack 1, the load integrated value (current integrated value), the operation time, the refrigerant temperature or the change amount of the refrigerant temperature, the outside air temperature, the humidity, etc., and the remaining water amount in the fuel cell system It is also possible to obtain the relationship by mapping it and referencing the map (table). The remaining water amount calculation unit 18 calculates Qini according to this empirical formula or map. For example, among the state quantities, the impedance between the electrodes of the fuel cell stack 1 (membrane resistance), the load integrated value (current integrated value), the operation time, the refrigerant temperature or the amount of change in the refrigerant temperature, etc. are also called the operation history or the operation state. . In addition, among the state quantities, the outside air temperature, humidity, and the like are also referred to as a use environment or an operating environment.

さらに、制御部17は、目標残水量Qreqを算出する(S03)。目標残水量Qreqとは、燃料電池システムを動作する上で燃料電池スタック1内の電解質膜が適度な湿潤状態となるために必要な燃料電池システム内の残水量であり、燃料電池システム内の残水の凍結を回避できる残水量である。したがって、目標残水量Qreqは、燃料電池システム内の残水の凍結及びドライアップを回避するために適切な値が求められる。   Further, the control unit 17 calculates a target remaining water amount Qreq (S03). The target remaining water amount Qreq is the remaining water amount in the fuel cell system that is necessary for the electrolyte membrane in the fuel cell stack 1 to be in a moderately wet state in operating the fuel cell system. This is the amount of residual water that can avoid water freezing. Accordingly, the target residual water amount Qreq is required to be an appropriate value in order to avoid freezing and dry-up of residual water in the fuel cell system.

また、目標残水量Qreqは、MEA(Membrane Electrode Assembly)や構成部品に依存する。さらに、目標残水量Qreqの値は、本実施形態に係る燃料電池システムの動作環境が寒冷地や温暖地などの仕向先によって変化する値である。   In addition, the target residual water amount Qreq depends on MEA (Mebrane Electrode Assembly) and components. Furthermore, the value of the target remaining water amount Qreq is a value at which the operating environment of the fuel cell system according to the present embodiment varies depending on the destination such as a cold region or a warm region.

次に、制御部17は、発電停止時の燃料電池システム内の残水量Q(0)、気液分離性能α、ガスの循環速度β、水の循環速度とガスの循環速度の比γから下記条件式に基いて必要掃気時間Tを算出する(S04)。   Next, the control unit 17 determines the following from the remaining water amount Q (0) in the fuel cell system when power generation is stopped, the gas-liquid separation performance α, the gas circulation rate β, and the ratio γ of the water circulation rate and the gas circulation rate. The required scavenging time T is calculated based on the conditional expression (S04).

Q(t)=Q(0)×(1−α)βγt
必要掃気時間Tは、燃料電池システム内の残水量を目標残水量Qreqにまで減少させるために必要となる掃気・循環処理を行うための時間を推定した値である。すなわち、燃料電池システム内の残水量Q(t)が目標残水量Qreqに達するのに必要な掃気・循環処理の推定時間である。この推定時間は秒で求めてもよい。
Q (t) = Q (0) × (1-α) β · γ · t
The necessary scavenging time T is a value obtained by estimating a time for performing the scavenging / circulation processing necessary for reducing the remaining water amount in the fuel cell system to the target remaining water amount Qreq. That is, this is the estimated time for the scavenging / circulation processing necessary for the remaining water amount Q (t) in the fuel cell system to reach the target remaining water amount Qreq. This estimated time may be obtained in seconds.

気液分離性能αは、燃料電池スタック1のアノードから排出されたアノードガスに含まれる水分と水素を分離する性能をいう。例えば、気液分離器14の回収水量(ドレンタンク15に貯留している水量)を導入水量(気液分離器14の入り口部分に入る水量)で割った値を用いることができる。   The gas-liquid separation performance α refers to the performance of separating water and hydrogen contained in the anode gas discharged from the anode of the fuel cell stack 1. For example, a value obtained by dividing the amount of recovered water (the amount of water stored in the drain tank 15) of the gas-liquid separator 14 by the amount of introduced water (the amount of water entering the inlet portion of the gas-liquid separator 14) can be used.

ガスの循環速度βは、燃料電池システム内を循環するアノードガスの速度である。ガスの循環速度βは、水素ポンプ8の回転数に依存し、水素ポンプ8の回転数を上げるとガスの循環速度βも上がる。   The gas circulation speed β is the speed of the anode gas circulating in the fuel cell system. The gas circulation speed β depends on the rotation speed of the hydrogen pump 8, and when the rotation speed of the hydrogen pump 8 is increased, the gas circulation speed β also increases.

Q(t)は、発電停止後からt秒後の燃料電池システム内の残水量である。また、発電停止時の燃料電池システム内の残水量としてQiniを用いる。したがって、制御部17は、上記条件式のQ(0)にQiniの値を代入して必要掃気時間Tを算出する。   Q (t) is the amount of remaining water in the fuel cell system t seconds after power generation is stopped. Further, Qini is used as the amount of remaining water in the fuel cell system when power generation is stopped. Therefore, the control unit 17 calculates the necessary scavenging time T by substituting the value of Qini for Q (0) in the above conditional expression.

すなわち、制御部17は、上記条件式に、Qini、気液分離性能α、ガスの循環速度β、水の循環速度とガスの循環速度の比γのそれぞれの値を代入し、Q(t)がQreqと同じ値となるtを算出する。そして、制御部17は、前記算出したtの値を必要掃気時
間Tとして決定する。
That is, the control unit 17 substitutes the values of Qini, gas-liquid separation performance α, gas circulation rate β, water circulation rate and gas circulation rate ratio γ into the conditional expression, and Q (t) T is calculated such that becomes the same value as Qreq. Then, the control unit 17 determines the calculated t value as the required scavenging time T.

制御部17は、気液分離性能α、ガスの循環速度β、水の循環速度とガスの循環速度の比γのそれぞれの値を、現在の燃料電池システムの状態から実験又はシミュレーションによって予め求めておく。また、制御部17は、Qiniの値を残水量算出部18から予め取得しておく。   The control unit 17 obtains in advance the values of the gas-liquid separation performance α, the gas circulation rate β, the ratio of the water circulation rate and the gas circulation rate γ by experiments or simulations from the current state of the fuel cell system. deep. Further, the control unit 17 acquires the value of Qini from the remaining water amount calculation unit 18 in advance.

なお、上記条件式では、燃料電池システム内を移動する水の循環速度を使用せずに、ガスの循環速度β、水の循環速度とガスの循環速度の比γを使用して、必要掃気時間Tを算出している。燃料電池システム内を移動する水の循環速度を測定し、ガスの循環速度β、水の循環速度とガスの循環速度の比γの代わりに水の循環速度を使用して上記条件式に代入してもよい。   In the above conditional expression, the necessary scavenging time is calculated by using the gas circulation rate β and the ratio of the water circulation rate and the gas circulation rate γ without using the circulation rate of the water moving in the fuel cell system. T is calculated. Measure the circulation rate of water moving through the fuel cell system, and substitute for the above equation using the water circulation rate instead of the gas circulation rate β and the ratio of the water circulation rate and the gas circulation rate γ. May be.

図5は、掃気・循環処理の掃気(循環)時間と残水量の対応関係を示した図である。図5における横軸は、燃料電池システム内の残水を掃気するための処理時間である。図5における縦軸は、燃料電池システム内の残水量である。図5において、Qiniは発電停止直後の燃料電池システム内の残水量を示している。図5において、燃料電池システム内の残水量Qiniの値に対する掃気・循環処理の時間はt=0を示している。   FIG. 5 is a diagram showing a correspondence relationship between the scavenging (circulation) time of the scavenging / circulation process and the remaining water amount. The horizontal axis in FIG. 5 is the processing time for scavenging the remaining water in the fuel cell system. The vertical axis in FIG. 5 is the amount of remaining water in the fuel cell system. In FIG. 5, Qini indicates the amount of remaining water in the fuel cell system immediately after the power generation is stopped. In FIG. 5, the scavenging / circulation processing time with respect to the value of the remaining water amount Qini in the fuel cell system indicates t = 0.

また、図5において、燃料電池システム内の残水量Q(t)の値に対する掃気・循環処理の時間はtを示している。さらに、図5において、燃料電池システムの残水量Qreqの値に対する掃気・循環処理の時間はTを示している。   In FIG. 5, the scavenging / circulation processing time with respect to the value of the remaining water amount Q (t) in the fuel cell system indicates t. Further, in FIG. 5, the scavenging / circulation processing time with respect to the value of the remaining water amount Qreq of the fuel cell system indicates T.

図5においてQiniの値は、発電停止後から掃気・循環処理をt秒行った場合、Q(t)まで減少することを示している。そして、図5では、Qiniの値がQreqまで減少する必要掃気時間Tは、Tとして表示されている。   In FIG. 5, the value of Qini indicates that when scavenging / circulation processing is performed for t seconds after the power generation is stopped, the value decreases to Q (t). In FIG. 5, the necessary scavenging time T during which the value of Qini decreases to Qreq is displayed as T.

そして、制御部17は、掃気・循環処理の時間が必要掃気時間Tに達したか否かを判定する(S05)。具体的には、制御部17は、掃気・循環処理の時間をカウントするタイマーから掃気・循環処理の経過時間を取得し、必要掃気時間Tと比較する。そして、制御部17は、取得した掃気・循環処理の経過時間が必要掃気時間Tと同じ値、あるいはそれ以上の値であるかを判定する。   Then, the control unit 17 determines whether or not the scavenging / circulation processing time has reached the necessary scavenging time T (S05). Specifically, the control unit 17 acquires the elapsed time of the scavenging / circulation process from a timer that counts the time of the scavenging / circulation process, and compares it with the required scavenging time T. Then, the control unit 17 determines whether the acquired elapsed time of the scavenging / circulation process is the same value as the necessary scavenging time T or a value greater than that.

制御部17は、掃気・循環処理の時間が必要掃気時間Tに達していないと判定した場合、掃気・循環処理を続行する。一方、制御部17は、掃気・循環処理の時間が必要掃気時間Tに達したと判定した場合、水素ポンプ8の駆動を停止するよう制御する(S06)。   When it is determined that the scavenging / circulation processing time has not reached the required scavenging time T, the control unit 17 continues the scavenging / circulation processing. On the other hand, when it is determined that the scavenging / circulation processing time has reached the required scavenging time T, the control unit 17 controls the hydrogen pump 8 to stop driving (S06).

そして、制御部17が、水素ポンプ8の駆動を停止するよう制御した場合、燃料電池システムの動作を停止する。   And when the control part 17 controls to stop the drive of the hydrogen pump 8, operation | movement of a fuel cell system is stopped.

本実施形態によれば、燃料電池の物理モデルに基づく上記条件式に、Qini、気液分離性能α、ガスの循環速度β、水の循環速度とガスの循環速度の比γのそれぞれの値を代入し、算出したtの値を必要掃気時間Tとして決定する。そして、必要掃気時間Tに基づいて、燃料電池システム内の掃気・循環処理を実行する。そのため、燃料電池システム内の残水の凍結及びドライアップを回避するために適切な掃気時間により燃料電池システム内の残水を掃気できる。また、適切な掃気時間を算出することができるので、掃気が不足することによる水の残留や、過剰な掃気による消費電力の増加を抑制することができる。〈第2実施形態〉
本発明の第2実施形態に係る燃料電池システムを図6及び図7の図面に基いて説明する。本実施形態においては、必要掃気時間Tを判定する処理及び水素ポンプ8の駆動制御処
理について説明する。
According to the present embodiment, the values of Qini, gas-liquid separation performance α, gas circulation rate β, ratio of water circulation rate and gas circulation rate γ are added to the conditional expression based on the physical model of the fuel cell. Substituting and determining the calculated value of t as the required scavenging time T. Then, based on the required scavenging time T, scavenging / circulation processing in the fuel cell system is executed. Therefore, the remaining water in the fuel cell system can be scavenged with an appropriate scavenging time in order to avoid freezing and dry-up of the remaining water in the fuel cell system. Further, since an appropriate scavenging time can be calculated, it is possible to suppress water remaining due to insufficient scavenging and an increase in power consumption due to excessive scavenging. Second Embodiment
A fuel cell system according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, a process for determining the required scavenging time T and a drive control process for the hydrogen pump 8 will be described.

図6は、本発明の第2実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。図6の処理において、S04A及びS04B以外の処理は、図2の場合と同様である。そこで、同一の処理については、図2と同一の符号を付してその説明を省略する。   FIG. 6 is a flowchart for explaining the operation of the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention. In the process of FIG. 6, the processes other than S04A and S04B are the same as those in FIG. Therefore, the same processes are denoted by the same reference numerals as those in FIG.

本実施形態の必要掃気時間Tを判定する処理及び水素ポンプ8の駆動制御処理は、図6のS01からS04の処理を行った後に実行する。図6のS04の処理を行った後、制御部17は、必要掃気時間Tが所定の閾値Aより大きいか否かを判定する(S04A)。所定の閾値Aは、燃料電池システムに要求される停止時間から求まる値である。所定の閾値Aは秒で求めてもよい。   The process for determining the required scavenging time T and the drive control process for the hydrogen pump 8 in the present embodiment are executed after performing the processes from S01 to S04 in FIG. After performing the process of S04 in FIG. 6, the control unit 17 determines whether the required scavenging time T is greater than a predetermined threshold A (S04A). The predetermined threshold A is a value obtained from the stop time required for the fuel cell system. The predetermined threshold A may be obtained in seconds.

必要掃気時間Tが所定の閾値Aより大きい場合、制御部17は、水素ポンプ8の駆動制御を行う(S04B)。具体的には、制御部17は、水素ポンプ8の回転数を上げるように水素ポンプ8の駆動を制御する。   When the necessary scavenging time T is greater than the predetermined threshold A, the control unit 17 performs drive control of the hydrogen pump 8 (S04B). Specifically, the control unit 17 controls the drive of the hydrogen pump 8 so as to increase the rotation speed of the hydrogen pump 8.

また、制御部17は、水素ポンプ8の回転数を上げるように水素ポンプ8の駆動を制御することに代えて、水素ポンプ8の回転の駆動を脈動に切り替えるように制御してもよい。さらに、制御部17は、水素ポンプ8の回転数を上げるように水素ポンプ8の駆動を制御することに加え、水素ポンプ8の回転の駆動を脈動に切り替えるように制御してもよい。   Further, the control unit 17 may control the driving of the rotation of the hydrogen pump 8 to be switched to pulsation instead of controlling the driving of the hydrogen pump 8 so as to increase the rotation speed of the hydrogen pump 8. In addition to controlling the drive of the hydrogen pump 8 so as to increase the rotational speed of the hydrogen pump 8, the control unit 17 may control the drive of the rotation of the hydrogen pump 8 to be switched to pulsation.

この場合、必要掃気時間Tが所定の閾値Aより小さくなるように水素ポンプ8の回転数(したがって、回転数の増分)が決定される。水素ポンプ8の回転数を上げた場合、ガスの循環速度βの値が大きくなり、必要掃気時間Tの値は小さくなる。この場合、水素ポンプ8の回転数を上げた後のガスの循環速度βは実験(又はシミュレーション)で求めておけばよい。   In this case, the rotation speed of the hydrogen pump 8 (and hence the increase in the rotation speed) is determined so that the required scavenging time T is smaller than the predetermined threshold A. When the rotation speed of the hydrogen pump 8 is increased, the value of the gas circulation speed β increases and the value of the required scavenging time T decreases. In this case, the gas circulation rate β after increasing the rotational speed of the hydrogen pump 8 may be obtained by experiment (or simulation).

また、水素ポンプ8の回転の駆動を脈動に切り替えた場合、水の循環速度とガスの循環速度の比γの値が大きくなり、必要掃気時間Tの値は小さくなる。この場合、脈動に切り替えた後の水の循環速度とガスの循環速度の比γは実験(又はシミュレーション)で求めておけばよい。   When the driving of the rotation of the hydrogen pump 8 is switched to pulsation, the ratio γ of the water circulation speed and the gas circulation speed increases, and the required scavenging time T decreases. In this case, the ratio γ of the water circulation rate and the gas circulation rate after switching to pulsation may be obtained by experiment (or simulation).

そして、制御部17は、水素ポンプ8の回転数を上げるように水素ポンプ8の駆動を制御した場合、ガスの循環速度βを新たに求める(所定のマップ(メモリ上のテーブル)を参照すればよい)。次に、制御部17は、新たに求めたガスの循環速度βを用いて、必要掃気時間Tを再度算出する。そして、制御部17は、再度算出した必要掃気時間Tに基づいて、図6のS05の処理を行う。   When the control of the hydrogen pump 8 is controlled so as to increase the rotational speed of the hydrogen pump 8, the control unit 17 newly obtains the gas circulation speed β (refer to a predetermined map (a table on the memory)). Good). Next, the control unit 17 calculates the required scavenging time T again using the newly obtained gas circulation rate β. And the control part 17 performs the process of S05 of FIG. 6 based on the required scavenging time T calculated again.

また、制御部17は、水素ポンプ8の回転数を上げるように水素ポンプ8の駆動を制御することに代えて、水素ポンプ8の回転の駆動を脈動に切り替えるように制御した場合、水の循環速度とガスの循環速度の比γを新たに求める(所定のマップ(メモリ上のテーブル)を参照すればよい)。   When the control unit 17 controls to switch the driving of the rotation of the hydrogen pump 8 to pulsation instead of controlling the driving of the hydrogen pump 8 so as to increase the number of rotations of the hydrogen pump 8, A ratio γ between the velocity and the gas circulation velocity is newly obtained (refer to a predetermined map (a table on the memory)).

次に、制御部17は、新たに求めた水の循環速度とガスの循環速度の比γを用いて、必要掃気時間Tを再度算出する。そして、制御部17は、再度算出した必要掃気時間Tに基づいて、図6のS05の処理を行う。   Next, the control unit 17 calculates the necessary scavenging time T again using the newly obtained ratio γ of the water circulation rate and the gas circulation rate. And the control part 17 performs the process of S05 of FIG. 6 based on the required scavenging time T calculated again.

また、制御部17は、水素ポンプ8の回転数を上げるように水素ポンプ8の駆動を制御
することに加え、水素ポンプ8の回転の駆動を脈動に切り替えるように制御した場合、ガスの循環速度β、水の循環速度とガスの循環速度の比γを新たに求める(所定のマップ(メモリ上のテーブル)を参照すればよい)。次に、制御部17は、新たに求めたガスの循環速度β、水の循環速度とガスの循環速度の比γを用いて、必要掃気時間Tを再度算出する。そして、制御部17は、再度算出した必要掃気時間Tに基づいて、図6のS05の処理を行う。
In addition to controlling the drive of the hydrogen pump 8 so as to increase the rotation speed of the hydrogen pump 8, the control unit 17 controls the switching of the rotation drive of the hydrogen pump 8 to pulsation. β, and the ratio γ of the water circulation rate and the gas circulation rate is newly obtained (refer to a predetermined map (a table on the memory)). Next, the control unit 17 calculates the necessary scavenging time T again using the newly obtained gas circulation rate β and the ratio γ of the water circulation rate and the gas circulation rate. And the control part 17 performs the process of S05 of FIG. 6 based on the required scavenging time T calculated again.

一方、必要掃気時間Tが所定の閾値Aより小さい場合、制御部17は、図6のS05の処理を行う。そして、S05の処理を行った後に燃料電池システムの動作を停止する。   On the other hand, when the required scavenging time T is smaller than the predetermined threshold A, the control unit 17 performs the process of S05 in FIG. Then, after performing the process of S05, the operation of the fuel cell system is stopped.

図7は、掃気・循環処理の掃気(循環)時間と残水量の対応関係を示した図である。図7の曲線Xは、第1実施形態に係る燃料電池システムの掃気・循環処理の掃気(循環)時間と残水量の対応関係を示した例である。図7の曲線Yは、第2実施形態に係る燃料電池システムの掃気・循環処理の掃気(循環)時間と残水量の対応関係を示した例である。図7の曲線Yは、曲線Xよりも掃気(循環)時間に対する燃料電池スタック1内の残水量が減少している。   FIG. 7 is a diagram showing a correspondence relationship between the scavenging (circulation) time of the scavenging / circulation process and the remaining water amount. A curve X in FIG. 7 is an example showing a correspondence relationship between the scavenging (circulation) time of the scavenging / circulation process and the remaining water amount of the fuel cell system according to the first embodiment. A curve Y in FIG. 7 is an example showing a correspondence relationship between the scavenging (circulation) time of the scavenging / circulation process and the remaining water amount of the fuel cell system according to the second embodiment. The curve Y in FIG. 7 is less than the curve X in the amount of remaining water in the fuel cell stack 1 with respect to the scavenging (circulation) time.

このように、第2実施形態に係る燃料電池システムの掃気・循環処理によれば、掃気(循環)時間に対する燃料電池スタック1内の残水量が第1実施形態に係る燃料電池システムよりも速く減少する。したがって、目標残水量Qreqに達するための必要掃気時間が第1実施形態に係る燃料電池システムよりも短くなり、第2実施形態に係る燃料電池システムの終了までにかかる時間が短縮される。
〈変形例〉
第1実施形態及び第2実施形態では、燃料電池システムは、水素ポンプ8及び気液分離器14を有している。例えば、カソード側のポンプ9を水素ポンプ8のように、燃料電池システム内の残水の掃気を行うために使用してもよい。また、アノードオフガス通路3の気液分離器14をカソードオフガス通路6に設けるようにしてもよい。さらに、その場合の気液分離器14にドレンタンク15及び排水弁16を設けるようにしてもよい。
As described above, according to the scavenging / circulation process of the fuel cell system according to the second embodiment, the remaining water amount in the fuel cell stack 1 with respect to the scavenging (circulation) time decreases faster than the fuel cell system according to the first embodiment. To do. Therefore, the required scavenging time for reaching the target residual water amount Qreq is shorter than that of the fuel cell system according to the first embodiment, and the time taken until the end of the fuel cell system according to the second embodiment is shortened.
<Modification>
In the first embodiment and the second embodiment, the fuel cell system includes the hydrogen pump 8 and the gas-liquid separator 14. For example, the cathode-side pump 9 may be used to scavenge residual water in the fuel cell system, like the hydrogen pump 8. Further, the gas-liquid separator 14 of the anode off gas passage 3 may be provided in the cathode off gas passage 6. Further, a drain tank 15 and a drain valve 16 may be provided in the gas-liquid separator 14 in that case.

また、カソードオフガス循環通路を設け、カソードオフガス通路6に排出される空気がカソードオフガス循環通路を通り、燃料電池システム外から供給されるカソードガスとともに再び燃料電池スタック1のカソードへ供給されるようにしてもよい。このカソードオフガス循環経路により、カソード側の循環経路が構成される。ポンプ9及び気液分離器14の駆動を制御することにより、燃料電池システム内の残水を循環経路外に排出することが可能となる。   Also, a cathode offgas circulation passage is provided so that air discharged to the cathode offgas passage 6 passes through the cathode offgas circulation passage and is supplied again to the cathode of the fuel cell stack 1 together with the cathode gas supplied from outside the fuel cell system. May be. The cathode off-gas circulation path constitutes a cathode-side circulation path. By controlling the driving of the pump 9 and the gas-liquid separator 14, the remaining water in the fuel cell system can be discharged out of the circulation path.

また、例えば、アノードガス通路2に水素ポンプ8及び気液分離器14を備えた状態で、ポンプ9を燃料電池システム内の残水の掃気を行うために使用し、カソードオフガス通路6にカソード気液分離器を設けるようにしてもよい。さらに、その場合のカソード気液分離器にドレンタンク15及び排水弁16を設けるようにしてもよい。   Further, for example, in a state where the hydrogen pump 8 and the gas-liquid separator 14 are provided in the anode gas passage 2, the pump 9 is used for scavenging the remaining water in the fuel cell system, and the cathode off-gas passage 6 is provided with the cathode gas. A liquid separator may be provided. Further, a drain tank 15 and a drain valve 16 may be provided in the cathode gas-liquid separator in that case.

また、カソードオフガス循環通路を設け、カソードオフガス通路6に排出される空気がカソードオフガス循環通路を通り、燃料電池システム外から供給されるカソードガスとともに再び燃料電池スタック1のカソードへ供給されるようにしてもよい。このカソードオフガス循環経路により、カソード側の循環経路が構成される。水素ポンプ8、ポンプ9、気液分離器14及びカソード気液分離器のいずれか又はすべてを制御することにより、燃料電池システム内の残水を循環経路外に排出することが可能となる。   Also, a cathode offgas circulation passage is provided so that air discharged to the cathode offgas passage 6 passes through the cathode offgas circulation passage and is supplied again to the cathode of the fuel cell stack 1 together with the cathode gas supplied from outside the fuel cell system. May be. The cathode off-gas circulation path constitutes a cathode-side circulation path. By controlling any or all of the hydrogen pump 8, the pump 9, the gas / liquid separator 14, and the cathode gas / liquid separator, the remaining water in the fuel cell system can be discharged out of the circulation path.

本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the fuel cell system which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining operation | movement of the fuel cell system which concerns on 1st Embodiment of this invention. 状態量と燃料電池システム内の残水量の関係の例を示した図である。It is the figure which showed the example of the relationship between a state quantity and the amount of residual water in a fuel cell system. 状態量と燃料電池システム内の残水量の関係の例を示した図である。It is the figure which showed the example of the relationship between a state quantity and the amount of residual water in a fuel cell system. 掃気・循環処理の掃気(循環)時間と残水量の対応関係を示した図である。It is the figure which showed the correspondence of the scavenging (circulation) time of a scavenging / circulation process, and the amount of residual water. 本発明の第2実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining operation | movement of the fuel cell system which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 掃気・循環処理の掃気(循環)時間と残水量の対応関係を示した図である。It is the figure which showed the correspondence of the scavenging (circulation) time of a scavenging / circulation process, and the amount of residual water.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池スタック
2 アノードガス通路
3 アノードオフガス通路
4 アノードオフガス循環通路
5 カソードガス通路
6 カソードオフガス通路
7 水素タンク
8 水素ポンプ
9 ポンプ
10、11 調圧弁
12 フィルタ
13 加湿器
14 気液分離器
15 ドレンタンク
16 排水弁
17 制御部
18 残水量算出部
19 パージ弁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell stack 2 Anode gas passage 3 Anode off-gas passage 4 Anode off-gas circulation passage 5 Cathode gas passage 6 Cathode off-gas passage 7 Hydrogen tank 8 Hydrogen pump 9 Pump 10, 11 Pressure regulating valve 12 Filter 13 Humidifier 14 Gas-liquid separator 15 Drain Tank 16 Drain valve 17 Control unit 18 Remaining water amount calculation unit 19 Purge valve

Claims (5)

燃料電池本体と、
前記燃料電池本体にガスを供給するガス供給通路と、
前記燃料電池本体からガスを排出するガス排出通路と、
前記ガス排出通路を前記ガス供給通路に接続させるガス循環通路と、
前記ガス循環経路を通じて前記ガス排出通路のガスを前記ガス供給通路に循環させるガス駆動手段と、
前記循環させるガスから水分を分離する気液分離器と、
前記燃料電池本体の運転状態および前記燃料電池本体が運転される環境の状態を基に前記燃料電池本体、ガス供給通路、ガス排出通路、およびガス循環通路を含む燃料電池システム内の残水量を算出する手段と、
前記気液分離器の分離性能および前記循環させるときのガスの状態量にしたがって前記残水量を所定値まで減少させるために前記ガス駆動手段を作動させる作動時間を算出する算出手段と、
前記ガス駆動手段を前記作動時間の終了まで作動させる制御手段と、を備え、
前記循環させるガスの状態量は、ガス循環速度とガス循環速度に対する水分の循環速度の比率とを含む、
燃料電池システム。
A fuel cell body;
A gas supply passage for supplying gas to the fuel cell body;
A gas discharge passage for discharging gas from the fuel cell body;
A gas circulation passage connecting the gas discharge passage to the gas supply passage;
Gas driving means for circulating the gas in the gas discharge passage through the gas circulation passage to the gas supply passage;
A gas-liquid separator for separating moisture from the circulating gas;
Based on the operating state of the fuel cell main body and the environment in which the fuel cell main body is operated, the amount of remaining water in the fuel cell system including the fuel cell main body, the gas supply passage, the gas discharge passage, and the gas circulation passage is calculated. Means to
Calculating means for calculating an operating time for operating the gas driving means to reduce the residual water amount to a predetermined value according to the separation performance of the gas-liquid separator and the state quantity of the gas when circulating;
Control means for operating the gas driving means until the end of the operating time ,
The state quantity of the gas to be circulated includes the gas circulation rate and the ratio of the moisture circulation rate to the gas circulation rate.
Fuel cell system.
前記作動時間が所定の閾値以上である場合、前記算出手段は前記ガス駆動手段のガス駆動量を所定値増加させた後の前記ガス駆動手段を作動させる第2の作動時間を新たに算出し、前記制御手段は前記ガス駆動手段のガス駆動量を所定値増加させるとともに、前記ガス駆動手段を前記第2の作動時間の終了まで作動させる請求項1に記載の燃料電池システム。 When the operation time is equal to or greater than a predetermined threshold, the calculation means newly calculates a second operation time for operating the gas drive means after increasing the gas drive amount of the gas drive means by a predetermined value, 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit increases a gas drive amount of the gas drive unit by a predetermined value and operates the gas drive unit until the end of the second operation time. 前記作動時間が所定の閾値以上である場合、前記算出手段は前記ガス駆動手段の駆動を脈動にした後の前記ガス駆動手段を作動させる第2の作動時間を新たに算出し、前記制御手段は前記ガス駆動手段を脈動させて、前記ガス駆動手段を前記第2の作動時間の終了まで作動させる請求項1に記載の燃料電池システム。 When the operation time is equal to or greater than a predetermined threshold, the calculation means newly calculates a second operation time for operating the gas drive means after pulsating the drive of the gas drive means, and the control means The fuel cell system according to claim 1, wherein the gas driving means is pulsated to operate the gas driving means until the end of the second operation time. 前記ガス駆動手段は、ポンプであり、
前記作動時間が所定の閾値以上である場合、前記算出手段は前記ポンプの回転数を所定値増加させた後の前記ポンプを作動させる第2の作動時間を新たに算出し、前記制御手段は前記ポンプの回転数を所定値増加させるとともに、前記ポンプを前記第2の作動時間の終了まで作動させる請求項1に記載の燃料電池システム。
The gas driving means is a pump;
When the operation time is equal to or greater than a predetermined threshold, the calculation means newly calculates a second operation time for operating the pump after increasing the rotation speed of the pump by a predetermined value, and the control means 2. The fuel cell system according to claim 1 , wherein the number of rotations of the pump is increased by a predetermined value and the pump is operated until the end of the second operation time.
前記ガス駆動手段は、ポンプであり、
前記作動時間が所定の閾値以上である場合、前記算出手段は前記ポンプの回転数を所定値増加した後及び前記ポンプの駆動を脈動にした後の前記ポンプを作動させる第2の作動時間を新たに算出し、前記制御手段は前記ポンプの回転数を所定値増加させるとともに前記ポンプの駆動を脈動させて、前記ポンプを前記第2の作動時間の終了まで作動させる請求項1に記載の燃料電池システム。
The gas driving means is a pump;
When the operation time is equal to or greater than a predetermined threshold, the calculation means newly sets a second operation time for operating the pump after increasing the rotation speed of the pump by a predetermined value and pulsing the pump. 2. The fuel cell according to claim 1 , wherein the control means increases the rotational speed of the pump by a predetermined value and pulsates the drive of the pump to operate the pump until the end of the second operation time. system.
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