JP5066358B2

JP5066358B2 - Fuel cell system and scavenging method thereof

Info

Publication number: JP5066358B2
Application number: JP2006344165A
Authority: JP
Inventors: 千大和氣; 幸一郎宮田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2006-12-21
Filing date: 2006-12-21
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2026-12-21
Also published as: JP2008159299A

Description

この発明は、燃料ガス流路に供給される燃料ガス及び酸化剤ガス流路に供給される酸化剤ガスにより発電する燃料電池を有し、前記燃料電池の発電停止時に、前記燃料ガス流路を掃気ガスにより掃気処理する燃料電池システム及びその掃気方法に関する。 The present invention includes a fuel cell that generates electric power using a fuel gas supplied to a fuel gas flow channel and an oxidant gas supplied to the oxidant gas flow channel. The present invention relates to a fuel cell system that performs a scavenging process with a scavenging gas and a scavenging method thereof.

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード側電極及びカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体を、一対のセパレータによって挟持して構成されている。燃料電池では、アノード側電極とセパレータとの間に燃料ガス流路が形成される一方、カソード側電極とセパレータとの間に酸化剤ガス流路が形成されている。この燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。 For example, a polymer electrolyte fuel cell is configured by sandwiching an electrolyte membrane / electrode structure having an anode side electrode and a cathode side electrode on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane, by a pair of separators. ing. In the fuel cell, a fuel gas flow path is formed between the anode side electrode and the separator, and an oxidant gas flow path is formed between the cathode side electrode and the separator. This fuel cell is usually used as a fuel cell stack by laminating a predetermined number of electrolyte membrane / electrode structures and separators.

燃料電池では、燃料ガス流路に燃料ガス、例えば、水素含有ガスが供給される一方、酸化剤ガス流路に酸化剤ガス、例えば、空気等の酸素含有ガスが供給されている。このため、カソード側電極には、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水が生成されるとともに、アノード側電極には、カソード側からの逆拡散あるいは燃料ガスの高湿化等を原因として水分が存在している。 In a fuel cell, a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas is supplied to a fuel gas channel, and an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas such as air is supplied to an oxidant gas channel. For this reason, hydrogen ions, electrons, and oxygen gas react with the cathode side electrode to produce water, and the anode side electrode causes back diffusion from the cathode side or high humidity of the fuel gas. Moisture is present.

上記のように、酸化剤ガス流路や燃料ガス流路に水分が残存していると、特に氷点下等の低温時に燃料電池システムが起動される際、前記水分の凍結が惹起し易い。このため、酸化剤ガスや燃料ガスの拡散が阻害されたり、電解質膜の電気伝導性が低下したりするおそれがある。 As described above, if water remains in the oxidant gas flow path or the fuel gas flow path, the water freezes easily when the fuel cell system is started especially at a low temperature such as below freezing point. For this reason, there is a possibility that the diffusion of the oxidant gas or the fuel gas may be hindered or the electrical conductivity of the electrolyte membrane may be reduced.

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、図１４に示すように、燃料電池１を備えており、この燃料電池１には、酸素極側に空気を供給するための空気経路２と、水素極側に水素を供給するための水素経路３と、冷却水を循環させるための冷却水経路４とが設けられている。 Thus, for example, a fuel cell system disclosed in Patent Document 1 is known. As shown in FIG. 14, the fuel cell system includes a fuel cell 1, and an air path 2 for supplying air to the oxygen electrode side and hydrogen to the hydrogen electrode side are supplied to the fuel cell 1. A hydrogen path 3 for cooling and a cooling water path 4 for circulating the cooling water are provided.

空気経路２の上流側には、空気供給用の空気ポンプ５が設けられるとともに、この空気経路２の排出側には、気液分離器６ａを介してバルブ７ａが接続されている。水素経路３の上流側には、水素供給用の水素ポンプ５ｂが設けられるとともに、前記水素経路３の排出側には、気液分離器６ｂを介してバルブ７ｂが配設されている。 An air pump 5 for supplying air is provided on the upstream side of the air path 2, and a valve 7 a is connected to the discharge side of the air path 2 via a gas-liquid separator 6 a. A hydrogen pump 5b for supplying hydrogen is provided on the upstream side of the hydrogen path 3, and a valve 7b is disposed on the discharge side of the hydrogen path 3 via a gas-liquid separator 6b.

そして、燃料電池１の運転停止後に、水分パージを行う必要があると判定された場合には、空気ポンプ５ａ及び水素ポンプ５ｂを作動させている。このため、空気経路２から燃料電池１の酸素極側に乾燥空気が供給されるとともに、水素経路３から前記燃料電池１の水素極側に乾燥空気が供給されている。さらに、燃料電池１に供給された各乾燥空気は、この燃料電池１内の残留水分を含んで前記燃料電池１から排出され、気液分離器６ａ、６ｂで空気と水とに分離された後、空気がバルブ７ａ、７ｂから排出されている。 When it is determined that the moisture purge needs to be performed after the operation of the fuel cell 1 is stopped, the air pump 5a and the hydrogen pump 5b are operated. Therefore, dry air is supplied from the air path 2 to the oxygen electrode side of the fuel cell 1, and dry air is supplied from the hydrogen path 3 to the hydrogen electrode side of the fuel cell 1. Further, each dry air supplied to the fuel cell 1 is discharged from the fuel cell 1 including residual moisture in the fuel cell 1 and separated into air and water by the gas-liquid separators 6a and 6b. The air is discharged from the valves 7a and 7b.

特開２００２−２０８４２２号公報（図１）Japanese Patent Laid-Open No. 2002-208422 (FIG. 1)

ところで、上記の特許文献１では、バルブ７ａやバルブ７ｂに故障や凍結等に起因して弁開閉動作がなされない弁開閉異常が惹起する場合がある。その際、例えば、バルブ７ｂが閉じられた状態で、燃料電池１の酸素極側及び水素極側の水分パージを行うと、水素経路３内の空気圧力が上昇してしまう。これにより、燃料電池１内の水素流路と空気流路との間に相当に大きな圧力差が発生し、電解質膜・電極構造体が破損するという問題がある。 By the way, in the above-mentioned Patent Document 1, there is a case where a valve opening / closing abnormality in which the valve opening / closing operation is not performed due to failure, freezing, or the like is caused in the valve 7a or the valve 7b. At this time, for example, if moisture purge is performed on the oxygen electrode side and the hydrogen electrode side of the fuel cell 1 with the valve 7b closed, the air pressure in the hydrogen path 3 increases. As a result, there is a problem that a considerably large pressure difference is generated between the hydrogen flow path and the air flow path in the fuel cell 1, and the electrolyte membrane / electrode structure is damaged.

この発明はこの種の問題を解決するものであり、掃気ガス圧が異常に上昇することを確実に阻止して良好な掃気処理が遂行されるとともに、燃料電池の損傷を可及的に防止することが可能な燃料電池システム及びその掃気方法を提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, and reliably prevents the scavenging gas pressure from rising abnormally to perform good scavenging processing and to prevent damage to the fuel cell as much as possible. An object of the present invention is to provide a fuel cell system and a scavenging method thereof.

本発明は、燃料ガス流路に供給される燃料ガス及び酸化剤ガス流路に供給される酸化剤ガスにより発電する燃料電池と、前記燃料電池の発電停止時に、前記燃料ガス流路を掃気ガスにより掃気処理する掃気装置と、前記燃料ガス流路を掃気した前記掃気ガスを前記燃料電池から排出する排気ガス排出弁と、前記排気ガス排出弁に弁開閉異常が存在しているか否かを検出する排出弁異常検出装置と、前記排気ガス排出弁の弁開閉異常が検出された際、前記掃気装置による前記燃料ガス流路の掃気処理を規制する制御装置と備えている。 The present invention relates to a fuel cell that generates electric power using a fuel gas supplied to a fuel gas passage and an oxidant gas supplied to an oxidant gas passage, and a scavenging gas in the fuel gas passage when power generation of the fuel cell is stopped. A scavenging device that scavenges the exhaust gas, an exhaust gas discharge valve that discharges the scavenged gas scavenged in the fuel gas flow path from the fuel cell, and detects whether there is a valve opening / closing abnormality in the exhaust gas discharge valve And a control device for regulating the scavenging process of the fuel gas flow path by the scavenging device when a valve opening / closing abnormality of the exhaust gas discharge valve is detected.

また、燃料電池システムでは、掃気装置は、酸化剤ガス流路に掃気ガスを供給する第１掃気ガス供給路と、燃料ガス流路に前記掃気ガスを供給する第２掃気ガス供給路とを備え、制御装置は、排気ガス排出弁の弁開閉異常が検出された際、前記第２掃気ガス供給路への前記掃気ガスの供給を停止する一方、前記第１掃気ガス供給路に前記掃気ガスを供給することが好ましい。 In the fuel cell system, the scavenging device includes a first scavenging gas supply path that supplies the scavenging gas to the oxidant gas flow path, and a second scavenging gas supply path that supplies the scavenging gas to the fuel gas flow path. The control device stops the supply of the scavenging gas to the second scavenging gas supply path when the valve opening / closing abnormality of the exhaust gas discharge valve is detected, while supplying the scavenging gas to the first scavenging gas supply path. It is preferable to supply.

さらに、燃料電池システムでは、排気ガス排出弁の弁開閉異常が検出されて第２掃気ガス供給路への掃気ガスの供給を停止する際、第１掃気ガス供給路に供給される前記掃気ガスの総流量は、前記排気ガス排出弁の弁開閉異常が検出されず前記第２掃気ガス供給路に前記掃気ガスが供給される際、前記第１掃気ガス供給路に供給される前記掃気ガスの総流量よりも増加されることが好ましい。 Further, in the fuel cell system, when the opening / closing abnormality of the exhaust gas discharge valve is detected and the supply of the scavenging gas to the second scavenging gas supply path is stopped, the scavenging gas supplied to the first scavenging gas supply path The total flow rate is the total of the scavenging gas supplied to the first scavenging gas supply path when the scavenging gas is supplied to the second scavenging gas supply path without detecting the valve opening / closing abnormality of the exhaust gas discharge valve. It is preferable that the flow rate be increased.

さらにまた、燃料電池システムでは、排気ガス排出弁の弁開閉異常が検出されて第２掃気ガス供給路への掃気ガスの供給を停止する際、第１掃気ガス供給路に前記掃気ガスが供給される掃気時間は、前記排気ガス排出弁の弁開閉異常が検出されず前記第２掃気ガス供給路に前記掃気ガスが供給される際、前記第１掃気ガス供給路に前記掃気ガスが供給される掃気時間よりも長く設定されることが好ましい。 Furthermore, in the fuel cell system, when the opening / closing abnormality of the exhaust gas discharge valve is detected and the supply of the scavenging gas to the second scavenging gas supply path is stopped, the scavenging gas is supplied to the first scavenging gas supply path. When the scavenging gas is supplied to the second scavenging gas supply path without detecting the valve opening / closing abnormality of the exhaust gas discharge valve, the scavenging gas is supplied to the first scavenging gas supply path. It is preferable to set it longer than the scavenging time.

また、燃料電池システムでは、排出弁異常検出装置は、排気ガス排出弁の上流側に配置される上流側圧力検出手段と、前記排気ガス排出弁の下流側に配置される下流側圧力検出手段とを備え、前記上流側圧力検出手段と前記下流側圧力検出手段とにより検出される圧力差に基づいて、前記排気ガス排出弁の弁開閉異常を検出することが好ましい。 Further, in the fuel cell system, the exhaust valve abnormality detection device includes upstream pressure detection means disposed upstream of the exhaust gas discharge valve, and downstream pressure detection means disposed downstream of the exhaust gas discharge valve. It is preferable that a valve opening / closing abnormality of the exhaust gas discharge valve is detected based on a pressure difference detected by the upstream pressure detection means and the downstream pressure detection means.

さらに、燃料電池システムでは、排出弁異常検出装置は、排気ガス排出弁の温度を検出する温度検出手段を備え、前記温度検出手段とにより検出される温度に基づいて、前記排気ガス排出弁の弁開閉異常を検出することが好ましい。 Furthermore, in the fuel cell system, the exhaust valve abnormality detection device includes temperature detection means for detecting the temperature of the exhaust gas discharge valve, and based on the temperature detected by the temperature detection means, the valve of the exhaust gas discharge valve It is preferable to detect an opening / closing abnormality.

さらにまた、燃料電池システムでは、排出弁異常検出装置は、排気ガス排出弁の弁開度を検出する弁開度検出手段を備え、前記弁開度検出手段とにより検出される弁開度に基づいて、前記排気ガス排出弁の弁開閉異常を検出することが好ましい。 Furthermore, in the fuel cell system, the exhaust valve abnormality detection device includes valve opening detection means for detecting the valve opening of the exhaust gas discharge valve, and is based on the valve opening detected by the valve opening detection means. It is preferable to detect an abnormal opening / closing of the exhaust gas discharge valve.

また、本発明は、燃料ガス流路に供給される燃料ガス及び酸化剤ガス流路に供給される酸化剤ガスにより発電する燃料電池を有し、前記燃料電池の発電停止時に、前記燃料ガス流路を掃気ガスにより掃気処理する燃料電池システムの掃気方法に関するものである。 The present invention also includes a fuel cell that generates power using the fuel gas supplied to the fuel gas flow channel and the oxidant gas supplied to the oxidant gas flow channel, and the fuel gas flow is stopped when the power generation of the fuel cell is stopped. The present invention relates to a scavenging method for a fuel cell system that scavenges a road with scavenging gas.

この掃気方法では、燃料ガス流路を掃気した掃気ガスを燃料電池から排出する排気ガス排出弁に、弁開閉異常が存在しているか否かを検出する工程と、前記排気ガス排出弁の弁開閉異常が検出された際、前記燃料ガス流路の掃気処理を規制する工程とを有している。 In this scavenging method, a step of detecting whether or not a valve opening / closing abnormality exists in an exhaust gas discharge valve that discharges the scavenging gas scavenged in the fuel gas flow path from the fuel cell, and a valve opening / closing of the exhaust gas discharge valve A step of regulating the scavenging process of the fuel gas flow path when an abnormality is detected.

さらに、掃気方法では、燃料電池の発電停止時に、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を掃気ガスにより掃気処理するとともに、排気ガス排出弁の弁開閉異常が検出された際、前記燃料ガス流路への前記掃気ガスの供給を停止する一方、前記酸化剤ガス流路に前記掃気ガスを供給することが好ましい。 Further, in the scavenging method, when power generation of the fuel cell is stopped, the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path are scavenged with the scavenging gas, and the fuel gas flow is detected when an abnormal opening / closing of the exhaust gas discharge valve is detected. Preferably, the supply of the scavenging gas to the passage is stopped while the scavenging gas is supplied to the oxidant gas flow path.

本発明では、燃料ガス流路を掃気した掃気ガスを燃料電池から排出する排気ガス排出弁に弁開閉異常が検出された際、前記燃料ガス流路の掃気処理が規制されるため、前記燃料ガス流路内の掃気ガス圧力が上昇することを有効に抑制することができる。 In the present invention, when a valve opening / closing abnormality is detected in the exhaust gas discharge valve that discharges the scavenging gas scavenged from the fuel gas flow path from the fuel cell, the scavenging process of the fuel gas flow path is regulated. An increase in scavenging gas pressure in the flow path can be effectively suppressed.

これにより、燃料電池内において、燃料ガス流路内で掃気ガス圧が異常に上昇することによって前記燃料ガス流路と酸剤ガス流路との間で大きな圧力差が発生することを確実に阻止することが可能になり、前記燃料電池の損傷を良好に防止することができる。 This reliably prevents a large pressure difference between the fuel gas flow path and the acid gas flow path from occurring due to an abnormal increase in scavenging gas pressure in the fuel gas flow path in the fuel cell. It is possible to prevent the fuel cell from being damaged.

図１は、本発明の第１の実施形態に係る車載用の燃料電池システム１０の概略構成図である。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an in-vehicle fuel cell system 10 according to a first embodiment of the present invention.

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、前記燃料電池スタック１２に冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置（図示せず）と、前記燃料電池スタック１２の発電停止時に、後述する燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路（少なくとも燃料ガス流路）を掃気ガスにより掃気処理する掃気装置１８と、前記燃料電池システム１０全体の制御を行う制御装置２０とを備える。 The fuel cell system 10 includes a fuel cell stack 12, an oxidant gas supply device 14 for supplying an oxidant gas to the fuel cell stack 12, a fuel gas supply device 16 for supplying a fuel gas to the fuel cell stack 12, A cooling medium supply device (not shown) for supplying a cooling medium to the fuel cell stack 12, and a fuel gas flow path and an oxidant gas flow path (at least the fuel gas flow path) to be described later when power generation is stopped in the fuel cell stack 12. ) With a scavenging gas, and a control device 20 for controlling the entire fuel cell system 10.

燃料電池スタック１２には、この燃料電池スタック１２の出力を補助するとともに、前記燃料電池スタック１２の発電電流により充電される蓄電装置（エネルギストレージ）２２と、走行用の駆動モータ２４とが、ＶＣＵ２６を介して接続される。蓄電装置２２しては、例えば、電気二重層コンデンサ等のキャパシタやバッテリが用いられる。 The fuel cell stack 12 includes a power storage device (energy storage) 22 that assists the output of the fuel cell stack 12 and is charged by the generated current of the fuel cell stack 12, and a drive motor 24 for traveling. Connected through. As the power storage device 22, for example, a capacitor such as an electric double layer capacitor or a battery is used.

燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池３０を積層して構成される。図２に示すように、燃料電池３０は、電解質膜・電極構造体３２が第１及び第２セパレータ３４、３６に挟持される。第１及び第２セパレータ３４、３６は、金属セパレータ又はカーボンセパレータ等により構成される。 The fuel cell stack 12 is configured by stacking a plurality of fuel cells 30. As shown in FIG. 2, the fuel cell 30 has an electrolyte membrane / electrode structure 32 sandwiched between first and second separators 34 and 36. The first and second separators 34 and 36 are constituted by a metal separator or a carbon separator.

電解質膜・電極構造体３２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３８と、前記固体高分子電解質膜３８を挟持するカソード側電極４０及びアノード側電極４２とを備える。 The electrolyte membrane / electrode structure 32 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 38 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and a cathode side electrode 40 and an anode side electrode 42 that sandwich the solid polymer electrolyte membrane 38. With.

カソード側電極４０及びアノード側電極４２は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３８の両面に形成される。 The cathode side electrode 40 and the anode side electrode 42 are uniformly coated on the surface of the gas diffusion layer with a gas diffusion layer (not shown) made of carbon paper or the like and porous carbon particles carrying a platinum alloy on the surface. An electrode catalyst layer (not shown). The electrode catalyst layers are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 38.

燃料電池３０の矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔４４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔４６ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔４８ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。 One end edge of the fuel cell 30 in the direction of arrow B communicates with each other in the direction of arrow A, which is the stacking direction, and an oxidant gas inlet communication hole 44a for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, A cooling medium inlet communication hole 46a for supplying a medium and a fuel gas outlet communication hole 48b for discharging a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, are arranged in an arrow C direction (vertical direction).

燃料電池３０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔４８ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔４６ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔４４ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。 The other end edge of the fuel cell 30 in the direction of arrow B communicates with each other in the direction of arrow A, a fuel gas inlet communication hole 48a for supplying fuel gas, and a cooling medium outlet communication hole for discharging the cooling medium. 46b and an oxidant gas outlet communication hole 44b for discharging the oxidant gas are arranged in the direction of arrow C.

第１セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３４ａには、発電部に対応して酸化剤ガス流路５０が設けられるとともに、前記酸化剤ガス流路５０は、酸化剤ガス入口連通孔４４ａと酸化剤ガス出口連通孔４４ｂとに連通する。第１セパレータ３４の面３４ａとは反対の面３４ｂには、冷却媒体入口連通孔４６ａと冷却媒体出口連通孔４６ｂとに連通する冷却媒体流路５２が形成される。 The surface 34a of the first separator 34 facing the electrolyte membrane / electrode structure 32 is provided with an oxidant gas flow path 50 corresponding to the power generation unit, and the oxidant gas flow path 50 communicates with the oxidant gas inlet. The hole 44a communicates with the oxidant gas outlet communication hole 44b. A cooling medium flow path 52 communicating with the cooling medium inlet communication hole 46a and the cooling medium outlet communication hole 46b is formed on a surface 34b opposite to the surface 34a of the first separator 34.

第２セパレータ３６の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３６ａには、発電部に対応して燃料ガス入口連通孔４８ａと燃料ガス出口連通孔４８ｂとに連通する燃料ガス流路５４が形成される。第２セパレータ３６の面３６ｂには、第１セパレータ３４の面３４ｂと重なり合うことにより、冷却媒体流路５２が設けられる。第１セパレータ３４及び第２セパレータ３６には、図示しないがシール部材が一体成形又は積層される。 A fuel gas passage 54 communicating with the fuel gas inlet communication hole 48a and the fuel gas outlet communication hole 48b is formed on the surface 36a of the second separator 36 facing the electrolyte membrane / electrode structure 32 corresponding to the power generation unit. The A cooling medium flow path 52 is provided on the surface 36 b of the second separator 36 by overlapping with the surface 34 b of the first separator 34. Although not shown, a sealing member is integrally formed or laminated on the first separator 34 and the second separator 36.

図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１４は、大気からの空気（酸素含有ガス及び掃気ガス）を圧縮して供給するエアコンプレッサ６０を備え、前記エアコンプレッサ６０が空気供給流路（第１掃気ガス供給路）６２に配設される。空気供給流路６２は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔４４ａに連通するとともに、前記空気供給流路６２の途上には、エアコンプレッサ６０から吐出される圧縮空気に水分を与えて加湿空気とする加湿器６４が配設される。 As shown in FIG. 1, the oxidant gas supply device 14 includes an air compressor 60 that compresses and supplies air (oxygen-containing gas and scavenging gas) from the atmosphere, and the air compressor 60 is provided with an air supply flow path (the first supply channel). 1 scavenging gas supply path) 62. The air supply flow path 62 communicates with the oxidant gas inlet communication hole 44a of the fuel cell stack 12, and in the middle of the air supply flow path 62, moisture is given to the compressed air discharged from the air compressor 60 to humidify it. A humidifier 64 is provided as air.

酸化剤ガス供給装置１４は、酸化剤ガス出口連通孔４４ｂに連通する空気排出流路６６を備える。この空気排出流路６６には、エアコンプレッサ６０から空気供給流路６２を通って燃料電池スタック１２に供給される空気の圧力を調整するための背圧制御弁６８が設けられる。空気排出流路６６は、後述する希釈器９０に連通する。 The oxidant gas supply device 14 includes an air discharge channel 66 that communicates with the oxidant gas outlet communication hole 44b. The air discharge channel 66 is provided with a back pressure control valve 68 for adjusting the pressure of air supplied from the air compressor 60 through the air supply channel 62 to the fuel cell stack 12. The air discharge channel 66 communicates with a diluter 90 described later.

燃料ガス供給装置１６は、高圧水素（水素含有ガス）を貯留する水素タンク７０を備え、この水素タンク７０は、水素供給流路７２を介して燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４８ａに連通する。この水素供給流路７２には、エゼクタ７４が設けられる。エゼクタ７４は、水素タンク７０から供給される水素ガスを、水素供給流路７２を通って燃料電池スタック１２に供給するとともに、燃料電池スタック１２で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、燃料ガス出口連通孔４８ｂに連通する水素循環流路７６から吸引して燃料電池スタック１２に再度供給する。 The fuel gas supply device 16 includes a hydrogen tank 70 that stores high-pressure hydrogen (hydrogen-containing gas). The hydrogen tank 70 communicates with the fuel gas inlet communication hole 48 a of the fuel cell stack 12 via the hydrogen supply flow path 72. To do. The hydrogen supply channel 72 is provided with an ejector 74. The ejector 74 supplies the hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 70 to the fuel cell stack 12 through the hydrogen supply flow path 72, and the exhaust gas containing unused hydrogen gas that has not been used in the fuel cell stack 12. Then, the gas is sucked from the hydrogen circulation passage 76 communicating with the fuel gas outlet communication hole 48 b and supplied again to the fuel cell stack 12.

水素循環流路７６には、排出流路７８、ドレン流路８０及びパージ流路８２が連通する。排出流路７８には、比較的大流量のエア排出弁（排気ガス排出弁）８４が配設され、ドレン流路８０には、比較的中流量のドレン弁（排気ガス排出弁）８６が配設され、パージ流路８２には、比較的小流量のパージ弁（排気ガス排出弁）８８が配設される。排出流路７８、ドレン流路８０及びパージ流路８２は、希釈器９０の入口側に接続されるとともに、前記希釈器９０の出口側は、外部（外気・大気）に開放される。 The hydrogen circulation channel 76 communicates with a discharge channel 78, a drain channel 80 and a purge channel 82. A relatively large flow rate air discharge valve (exhaust gas discharge valve) 84 is disposed in the discharge flow path 78, and a relatively medium flow rate drain valve (exhaust gas discharge valve) 86 is disposed in the drain flow path 80. The purge passage 82 is provided with a purge valve (exhaust gas discharge valve) 88 having a relatively small flow rate. The discharge channel 78, the drain channel 80, and the purge channel 82 are connected to the inlet side of the diluter 90, and the outlet side of the diluter 90 is opened to the outside (outside air / atmosphere).

燃料電池スタック１２には、酸化剤ガス出口連通孔４４ｂの近傍に位置して前記酸化剤ガス出口連通孔４４ｂ内のガス温度を検出する温度センサ９１ａと、燃料ガス出口連通孔４８ｂの近傍に位置して前記燃料ガス出口連通孔４８ｂ内のガス温度を検出する温度センサ９１ｂとが設けられる。燃料電池スタック１２の外部には、図示しないが、外気温度を検出する温度センサが配設される。 The fuel cell stack 12 includes a temperature sensor 91a that is located in the vicinity of the oxidant gas outlet communication hole 44b and detects a gas temperature in the oxidant gas outlet communication hole 44b, and a fuel gas outlet communication hole 48b that is located in the vicinity of the fuel gas outlet communication hole 48b. A temperature sensor 91b for detecting the gas temperature in the fuel gas outlet communication hole 48b is provided. Although not shown, a temperature sensor that detects the outside air temperature is disposed outside the fuel cell stack 12.

掃気装置１８は、第１掃気ガス供給路として機能する空気供給流路６２から分岐し、水素供給流路７２に接続される掃気ガス供給路（第２掃気ガス供給路）９２を備える。この掃気ガス供給路９２には、前記掃気ガス供給路９２の開閉を行うための掃気ガス導入弁９４が配設される。 The scavenging device 18 includes a scavenging gas supply path (second scavenging gas supply path) 92 that branches from an air supply flow path 62 that functions as a first scavenging gas supply path and is connected to a hydrogen supply flow path 72. The scavenging gas supply path 92 is provided with a scavenging gas introduction valve 94 for opening and closing the scavenging gas supply path 92.

燃料電池システム１０は、排気ガス排出弁であるエア排出弁８４、ドレン弁８６及びパージ弁８８に弁開閉異常が存在しているか否かを検出する排出弁異常検出装置９６を備える。排出弁異常検出装置９６は、エア排出弁８４、ドレン弁８６及びパージ弁８８の上流側、例えば、燃料ガス入口連通孔４８ａに近接して水素供給流路７２の途上に配置される第１圧力センサ（上流側圧力検出手段）９８ａと、前記エア排出弁８４、ドレン弁８６及びパージ弁８８の下流側に配置される第２圧力センサ（下流側圧力検出手段）９８ｂとを備える。 The fuel cell system 10 includes a discharge valve abnormality detection device 96 that detects whether or not a valve opening / closing abnormality exists in the air discharge valve 84, the drain valve 86, and the purge valve 88, which are exhaust gas discharge valves. The discharge valve abnormality detection device 96 is a first pressure arranged upstream of the air discharge valve 84, the drain valve 86 and the purge valve 88, for example, in the vicinity of the fuel gas inlet communication hole 48a and in the middle of the hydrogen supply flow path 72. A sensor (upstream pressure detection means) 98a and a second pressure sensor (downstream pressure detection means) 98b disposed on the downstream side of the air discharge valve 84, the drain valve 86 and the purge valve 88 are provided.

制御装置２０は、第１圧力センサ９８ａと第２圧力センサ９８ｂとにより検出される圧力差に基づいて、弁開閉異常が存在するか否かを推定する弁異常推定部１００として機能する。制御装置２０は、さらに後述する３種類の掃気処理から適切な手法を選択する掃気手法選択部１０２と、選択された掃気処理の制御を行う掃気制御部１０４として機能する。 The control device 20 functions as a valve abnormality estimation unit 100 that estimates whether there is a valve opening / closing abnormality based on the pressure difference detected by the first pressure sensor 98a and the second pressure sensor 98b. The control device 20 further functions as a scavenging method selection unit 102 that selects an appropriate method from three types of scavenging processes described later, and a scavenging control unit 104 that controls the selected scavenging process.

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。なお、燃料電池システム１０の通常発電運転時には、制御装置２０による弁制御によって、エア排出弁８４、ドレン弁８６、パージ弁８８及び掃気ガス導入弁９４は、閉じた状態に維持されている。 The operation of the fuel cell system 10 configured as described above will be described below. Note that during the normal power generation operation of the fuel cell system 10, the air discharge valve 84, the drain valve 86, the purge valve 88, and the scavenging gas introduction valve 94 are kept closed by the valve control by the control device 20.

この通常発電運転時において、エアコンプレッサ６０から供給される圧縮空気は、加湿器６４を通って加湿された後、空気供給流路６２を介して燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔４４ａに供給される。一方、水素タンク７０から供給される水素ガスは、エゼクタ７４を介し水素供給流路７２を通って燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４８ａに供給される。 During this normal power generation operation, the compressed air supplied from the air compressor 60 is humidified through the humidifier 64 and then into the oxidant gas inlet communication hole 44a of the fuel cell stack 12 via the air supply channel 62. Supplied. On the other hand, the hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 70 is supplied to the fuel gas inlet communication hole 48 a of the fuel cell stack 12 through the hydrogen supply channel 72 via the ejector 74.

燃料電池スタック１２を構成する各燃料電池３０では、図２に示すように、酸化剤ガス入口連通孔４４ａに供給された空気（酸化剤ガス）は、第１セパレータ３４の酸化剤ガス流路５０に導入され、カソード側電極４０の電極面に沿って移動した後、酸化剤ガス出口連通孔４４ｂに排出される。 In each fuel cell 30 constituting the fuel cell stack 12, as shown in FIG. 2, the air (oxidant gas) supplied to the oxidant gas inlet communication hole 44 a passes through the oxidant gas flow path 50 of the first separator 34. After being moved along the electrode surface of the cathode side electrode 40, it is discharged into the oxidant gas outlet communication hole 44b.

一方、燃料ガス入口連通孔４８ａに供給された水素ガス（燃料ガス）は、第２セパレータ３６の燃料ガス流路５４に供給され、アノード側電極４２の電極面に沿って移動した後、燃料ガス出口連通孔４８ｂに排出される。従って、各燃料電池３０では、カソード側電極４０に供給される空気中の酸素と、アノード側電極４２に供給される水素とが反応して発電が行われる。 On the other hand, the hydrogen gas (fuel gas) supplied to the fuel gas inlet communication hole 48a is supplied to the fuel gas flow channel 54 of the second separator 36, moves along the electrode surface of the anode side electrode 42, and then the fuel gas. It is discharged to the outlet communication hole 48b. Accordingly, in each fuel cell 30, oxygen in the air supplied to the cathode side electrode 40 and hydrogen supplied to the anode side electrode 42 react to generate power.

図１に示すように、燃料電池スタック１２の燃料ガス出口連通孔４８ｂには、水素循環流路７６が連通している。このため、この水素循環流路７６に排出された排ガス（未使用水素を含む排出燃料ガス）は、エゼクタ７４の吸引作用下に水素供給流路７２の途上に戻された後、再度、燃料ガスとして燃料電池スタック１２に供給される。 As shown in FIG. 1, a hydrogen circulation channel 76 communicates with the fuel gas outlet communication hole 48 b of the fuel cell stack 12. For this reason, the exhaust gas (exhaust fuel gas containing unused hydrogen) discharged to the hydrogen circulation flow path 76 is returned to the hydrogen supply flow path 72 under the suction action of the ejector 74, and then again the fuel gas. Is supplied to the fuel cell stack 12.

上記のように、各燃料電池３０で発電が行われると、カソード側電極４０側に生成水が発生し、この生成水が酸化剤ガス流路５０に貯留される。さらに、カソード側電極４０側の生成水は、固体高分子電解質膜３８、アノード側電極４２を透過して燃料ガス流路５４に伝達され、この燃料ガス流路５４内にも貯留される。 As described above, when power is generated in each fuel cell 30, generated water is generated on the cathode side electrode 40 side, and this generated water is stored in the oxidant gas flow path 50. Further, the produced water on the cathode side electrode 40 side is transmitted to the fuel gas channel 54 through the solid polymer electrolyte membrane 38 and the anode side electrode 42, and is also stored in the fuel gas channel 54.

次いで、燃料電池システム１０の掃気処理に係る動作について説明する。 Next, an operation related to the scavenging process of the fuel cell system 10 will be described.

燃料電池システム１０の掃気処理としては、通常掃気処理、２段階掃気処理及び３段階掃気処理の３種類が採用される。具体的には、酸化剤ガス流路５０に残存する液滴を排出するために、前記酸化剤ガス流路５０に大流量の掃気ガス（空気）を供給する第１処理、燃料ガス流路５４に残存する液滴を排出するために、前記燃料ガス流路５４に大流量の掃気ガス（空気）を供給する第２処理、及び電解質膜・電極構造体３２の内部を乾燥させるために、前記酸化剤ガス流路５０に小流量の掃気ガス（空気）を供給する第３処理を組み合わせている。 As the scavenging process of the fuel cell system 10, three types of scavenging processes, a normal scavenging process, a two-stage scavenging process, and a three-stage scavenging process are employed. Specifically, in order to discharge droplets remaining in the oxidant gas flow channel 50, a first process for supplying a large amount of scavenging gas (air) to the oxidant gas flow channel 50, a fuel gas flow channel 54 In order to discharge the droplets remaining in the second gas treatment, a second process of supplying a large amount of scavenging gas (air) to the fuel gas flow path 54, and the inside of the electrolyte membrane / electrode structure 32 are dried. A third process for supplying a small flow rate of scavenging gas (air) to the oxidant gas flow path 50 is combined.

すなわち、通常掃気処理は、第１処理及び第２処理の組合せであり、２段階掃気処理は、第１処理及び第３処理の組合せであり、３段階掃気処理は、第１処理、第２処理及び第３処理の組合せである。 That is, the normal scavenging process is a combination of the first process and the second process, the two-stage scavenging process is a combination of the first process and the third process, and the three-stage scavenging process is the first process and the second process. And a combination of the third processes.

そこで、エア排出弁８４、ドレン弁８６又はパージ弁８８のいずれかが排気ガスを排気可能な開状態を維持し得ると判断された際には、通常掃気処理又は３段階掃気処理が行われる。一方、排出弁異常検出装置９６により、エア排出弁８４、ドレン弁８６及びパージ弁８８全てに弁開閉異常が存在していることが検出された際には、２段階掃気処理が行われる。 Therefore, when it is determined that any of the air discharge valve 84, the drain valve 86, or the purge valve 88 can maintain an open state in which the exhaust gas can be exhausted, a normal scavenging process or a three-stage scavenging process is performed. On the other hand, when the exhaust valve abnormality detecting device 96 detects that the air exhaust valve 84, the drain valve 86, and the purge valve 88 are all present, a two-stage scavenging process is performed.

通常掃気処理は、図３に示すように、燃料電池スタック１２の発電が終了（イグニッションがオフ）された後、この燃料電池スタック１２が氷点下起動（イグニッションがオン）されるまでのソーク中に実施される。 As shown in FIG. 3, the normal scavenging process is performed during the soak until the fuel cell stack 12 is started below the freezing point (ignition is turned on) after the power generation of the fuel cell stack 12 is finished (ignition is turned off). Is done.

この通常掃気処理では、図４に示すように、先ず、酸化剤ガス流路５０の液滴の排出が行われる（第１処理）。具体的には、図１に示すように、水素タンク７０から水素供給流路７２への水素の供給が停止されるとともに、掃気ガス導入弁９４が閉塞されている。そして、ソーク中の任意の時点でエアコンプレッサ６０が駆動され、大流量に設定された空気が、燃料ガスとして燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔４４ａから各酸化剤ガス流路５０に導入される。 In this normal scavenging process, as shown in FIG. 4, first, the droplets in the oxidant gas flow path 50 are discharged (first process). Specifically, as shown in FIG. 1, the supply of hydrogen from the hydrogen tank 70 to the hydrogen supply flow path 72 is stopped, and the scavenging gas introduction valve 94 is closed. Then, the air compressor 60 is driven at an arbitrary point in time during the soak, and air set at a large flow rate is introduced as a fuel gas into each oxidant gas flow path 50 from the oxidant gas inlet communication hole 44a of the fuel cell stack 12. Is done.

各酸化剤ガス流路５０に残存する生成水は、導入された大流量の空気によって酸化剤ガス出口連通孔４４ｂから空気ガス排出流路６６に排出され、前記酸化剤ガス流路５０の掃気処理が行われる。酸化剤ガス流路５０の掃気処理が所定時間（短時間）だけ行われた後、掃気ガス導入弁９４が開放される。 The generated water remaining in each oxidant gas flow channel 50 is discharged from the oxidant gas outlet communication hole 44b to the air gas discharge flow channel 66 by the introduced large flow of air, and the scavenging process of the oxidant gas flow channel 50 is performed. Is done. After the scavenging process of the oxidant gas flow path 50 is performed for a predetermined time (short time), the scavenging gas introduction valve 94 is opened.

このため、エアコンプレッサ６０から供給される大流量の空気は、空気供給流路６２から掃気ガス供給路９２に送られた後、水素供給流路７２から燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４８ａに導入される。従って、各燃料ガス流路５４には、大流量の空気が掃気ガスとして導入されるため、前記燃料ガス流路５４に残留する水分（液滴）が燃料ガス出口連通孔４８ｂから水素循環流路７６に排出される。 For this reason, a large flow of air supplied from the air compressor 60 is sent from the air supply flow path 62 to the scavenging gas supply path 92, and then from the hydrogen supply flow path 72 to the fuel gas inlet communication hole 48 a of the fuel cell stack 12. To be introduced. Accordingly, since a large flow rate of air is introduced into each fuel gas channel 54 as a scavenging gas, moisture (droplets) remaining in the fuel gas channel 54 flows from the fuel gas outlet communication hole 48b to the hydrogen circulation channel. 76 is discharged.

その際、エア排出弁８４、ドレン弁８６及びパージ弁８８の中、例えば、前記エア排出弁８４が開放されている。このため、水素循環流路７６に排出された水分を含む排ガスは、希釈器９０に導入された後、十分に希釈されて外方に排出される。これにより、燃料ガス流路５４の液滴の排出が行われる（図４中、第２処理参照）。なお、燃料ガス流路５４の掃気処理を行う直前に、燃料ガス供給系に残存する水素を少量排出させておくことが望ましい。 At this time, among the air discharge valve 84, the drain valve 86 and the purge valve 88, for example, the air discharge valve 84 is opened. For this reason, after the exhaust gas containing the water | moisture content discharged | emitted by the hydrogen circulation flow path 76 is introduce | transduced into the diluter 90, it fully dilutes and is discharged | emitted outside. As a result, the droplets in the fuel gas channel 54 are discharged (see the second process in FIG. 4). It is desirable that a small amount of hydrogen remaining in the fuel gas supply system be discharged immediately before the scavenging process of the fuel gas flow channel 54 is performed.

次いで、３段階掃気処理は、図５に示すタイムチャートに沿って行われる。この３段階掃気処理では、先ず、イグニッションがオフされた直後に酸化剤ガス流路５０の液滴が大流量の掃気ガスで排出され（第１処理）、さらに燃料ガス流路５４の液滴が大流量の掃気ガスによって排出される（第２処理）。そして、掃気ガス導入弁９４が閉塞される一方、エアコンプレッサ６０から小流量の空気が第１掃気ガス供給路である空気供給流路６２に供給される。従って、酸化剤ガス流路５０には、小流量の空気が長時間Ｔ１にわたって流されるため、電解質膜・電極構造体３２を構成するカソード側電極４０の乾燥が一層促進され、前記電解質膜・電極構造体３２の内部が乾燥処理される。 Next, the three-stage scavenging process is performed according to the time chart shown in FIG. In this three-stage scavenging process, first, immediately after the ignition is turned off, the droplets in the oxidant gas flow path 50 are discharged with a large flow of scavenging gas (first process), and the droplets in the fuel gas flow path 54 are further discharged. It is discharged by a large flow rate of scavenging gas (second process). Then, while the scavenging gas introduction valve 94 is closed, a small flow rate of air is supplied from the air compressor 60 to the air supply passage 62 which is the first scavenging gas supply passage. Therefore, since a small flow rate of air flows through the oxidant gas flow path 50 for a long time, drying of the cathode side electrode 40 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 32 is further promoted, and the electrolyte membrane / electrode is The inside of the structure 32 is dried.

また、３段階掃気処理は、図３に示すように、分割して実施してもよい。この場合、イグニッションがオフされた直後に、第１処理と第２処理とが連続して行われる。さらに、所定時間経過後に、第３処理が行われることによって、３段階掃気処理が遂行される。 In addition, the three-stage scavenging process may be performed separately as shown in FIG. In this case, immediately after the ignition is turned off, the first process and the second process are continuously performed. Furthermore, after the predetermined time has elapsed, the third process is performed, whereby a three-stage scavenging process is performed.

一方、２段階掃気処理は、図６に示すように、酸化剤ガス流路５０の液滴の排出処理（第１処理）が短時間だけ行われた後、前記酸化剤ガス流路５０に少量流量の掃気ガスが長時間Ｔ２（Ｔ２＞Ｔ１）にわたって供給されることにより、電解質膜・電極構造体３２の乾燥処理が行われる（第３処理）。 On the other hand, in the two-stage scavenging process, as shown in FIG. 6, after the discharge process (first process) of the droplets in the oxidant gas flow channel 50 is performed for a short time, a small amount is applied to the oxidant gas flow channel 50. By supplying the scavenging gas at a flow rate for a long time T2 (T2> T1), the electrolyte membrane / electrode structure 32 is dried (third process).

次に、燃料電池システム１０の通常運転時における掃気処理を、図７及び図８に示すフローチャートに基づいて説明する。 Next, the scavenging process during normal operation of the fuel cell system 10 will be described based on the flowcharts shown in FIGS. 7 and 8.

先ず、制御装置２０が燃料電池システム１０の起動信号であるイグニッションのオン信号を検出すると（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、ステップ２に進んで、燃料電池スタック１２による発電が開始される。制御装置２０では、燃料電池スタック１２の発電による積算発電量が計測される（ステップＳ３）。 First, when the control device 20 detects an ignition ON signal that is an activation signal of the fuel cell system 10 (YES in step S1), the process proceeds to step 2 where power generation by the fuel cell stack 12 is started. In the control device 20, the integrated power generation amount by the power generation of the fuel cell stack 12 is measured (step S3).

そして、制御装置２０は、イグニッションのオフ信号を検出すると（ステップＳ４中、ＹＥＳ）、ステップＳ５に進んで、燃料電池スタック１２の温度が温度センサ９１ｂ（及び／又は９１ａ）により検出される。さらに、ステップＳ６において、計測された積算発電量から燃料電池スタック１２内に生成される生成水量（水分量）が推定される。 When the control device 20 detects the ignition off signal (YES in step S4), the control device 20 proceeds to step S5, and the temperature of the fuel cell stack 12 is detected by the temperature sensor 91b (and / or 91a). Further, in step S6, the amount of generated water (water content) generated in the fuel cell stack 12 is estimated from the measured integrated power generation amount.

なお、制御装置２０では、予め積算発電量と水分量との関係を求めてメモリに格納しておく。また、積算発電量に代えて、発電経過時間と水分量との関係を予めメモリに格納しておき、燃料電池スタック１２の発電時間を計測して水分量を測定してもよい。 In the control device 20, the relationship between the integrated power generation amount and the moisture amount is obtained in advance and stored in the memory. Further, instead of the integrated power generation amount, the relationship between the power generation elapsed time and the moisture amount may be stored in a memory in advance, and the moisture generation may be measured by measuring the power generation time of the fuel cell stack 12.

ステップＳ７では、燃料電池スタック１２の発電により水分が発生したか否かが判定され、水分が発生していないと判定されると（ステップＳ７中、ＮＯ）、掃気処理が行われずに、作業が終了する。一方、水分が発生していると判定されると（ステップＳ７中、ＹＥＳ）、ステップＳ８に進んで、外気温度が検出される。 In step S7, it is determined whether or not moisture is generated by the power generation of the fuel cell stack 12. If it is determined that moisture is not generated (NO in step S7), the scavenging process is not performed and the work is performed. finish. On the other hand, if it is determined that moisture is generated (YES in step S7), the process proceeds to step S8, and the outside air temperature is detected.

この外気温度に基づいて、次の始動時に氷点下となると推定されて掃気処理が必要であると判断されると（ステップＳ９中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０に進んで、排出弁異常検出装置９６により第１圧力センサ９８ａと第２圧力センサ９８ｂとによる圧力差が検出される。 If it is estimated that the temperature will be below the freezing point at the next start based on the outside air temperature and it is determined that the scavenging process is necessary (YES in step S9), the process proceeds to step S10, and the discharge valve abnormality detecting device 96 performs the first operation. A pressure difference between the first pressure sensor 98a and the second pressure sensor 98b is detected.

ここで、第１圧力センサ９８ａは、燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４８ａに近接して水素供給流路７２に配置される一方、第２圧力センサ９８ｂは、エア排出弁８４、ドレン弁８６及びパージ弁８８の下流側に配置されている。従って、第１圧力センサ９８ａと第２圧力センサ９８ｂとにより検出される圧力差が、所定値以上であると判断されると（ステップＳ１１中、ＹＥＳ）、エア排出弁８４、ドレン弁８６及びパージ弁８８が全て凍結又は故障により閉塞されていると判断される（ステップＳ１２）。 Here, the first pressure sensor 98a is disposed in the hydrogen supply flow path 72 adjacent to the fuel gas inlet communication hole 48a of the fuel cell stack 12, while the second pressure sensor 98b includes the air discharge valve 84, the drain valve. 86 and the purge valve 88 are arranged on the downstream side. Accordingly, when it is determined that the pressure difference detected by the first pressure sensor 98a and the second pressure sensor 98b is equal to or greater than a predetermined value (YES in step S11), the air discharge valve 84, the drain valve 86, and the purge It is determined that all the valves 88 are closed due to freezing or failure (step S12).

このため、制御装置２０では、弁異常推定部１００が弁開閉異常が存在すると推定し、掃気手法選択部１０２を介して燃料ガス流路５４の掃気処理が禁止される（ステップＳ１３）。そして、ステップＳ１４に進んで、掃気制御部１０４では、３種類の掃気手法の中、２段階掃気処理が選択され、上記のように、この２段階掃気処理が行われる。 Therefore, in the control device 20, the valve abnormality estimation unit 100 estimates that there is a valve opening / closing abnormality, and the scavenging process of the fuel gas flow channel 54 is prohibited via the scavenging method selection unit 102 (step S13). Then, proceeding to step S14, the scavenging control unit 104 selects the two-stage scavenging process among the three types of scavenging methods, and the two-stage scavenging process is performed as described above.

一方、第１圧力センサ９８ａと第２圧力センサ９８ｂとにより検出される圧力差が、所定値未満であると判断されると（ステップＳ１１中、ＮＯ）、ステップＳ１５に進んで、通常掃気処理、又は、３段階掃気処理が選択され、選択された掃気処理が実施される（ステップＳ１４）。 On the other hand, when it is determined that the pressure difference detected by the first pressure sensor 98a and the second pressure sensor 98b is less than a predetermined value (NO in step S11), the process proceeds to step S15 to perform normal scavenging processing. Alternatively, the three-stage scavenging process is selected, and the selected scavenging process is performed (step S14).

また、ステップＳ９において、掃気処理が必要でないと判断されると、ステップＳ１６に進んで、通常掃気処理が選択され、燃料電池スタック１２の温度が検出される（ステップＳ１７）。燃料電池スタック１２の温度が所定温度以上であると（ステップＳ１７中、ＹＥＳ）、ステップＳ１８に進んで、イグニッションのオン信号の入力の有無が判断される。一方、燃料電池スタック１２の温度が、所定温度未満であると判定されると（ステップＳ１７中、ＮＯ）、ステップＳ１０に進む。 If it is determined in step S9 that the scavenging process is not necessary, the process proceeds to step S16, where the normal scavenging process is selected, and the temperature of the fuel cell stack 12 is detected (step S17). If the temperature of the fuel cell stack 12 is equal to or higher than the predetermined temperature (YES in step S17), the process proceeds to step S18 to determine whether or not an ignition ON signal is input. On the other hand, when it is determined that the temperature of the fuel cell stack 12 is lower than the predetermined temperature (NO in step S17), the process proceeds to step S10.

この場合、第１の実施形態では、燃料電池スタック１２の掃気処理が必要であると判定された後、エア排出弁８４、ドレン弁８６及びパージ弁８８に凍結や故障による弁開閉異常があるか否かが検出され、前記弁開閉異常が検出された際に、燃料ガス流路５４の掃気処理が規制されている。 In this case, in the first embodiment, after it is determined that the scavenging process of the fuel cell stack 12 is necessary, whether the air exhaust valve 84, the drain valve 86, and the purge valve 88 have a valve opening / closing abnormality due to freezing or failure. No, and when the valve opening / closing abnormality is detected, the scavenging process of the fuel gas passage 54 is restricted.

このため、出口側が閉塞された燃料ガス流路５４に掃気ガスが導入されて前記燃料ガス流路５４に相当に大きな圧力上昇が発生することを、有効に抑制することができる。これにより、各燃料電池３０では、燃料ガス流路５４内で掃気ガス圧が異常に上昇することを確実に阻止することが可能になり、前記燃料ガス流路５４と酸化剤ガス流路５０との間で大きな圧力差が発生することを阻止することができる。従って、特に電解質膜・電極構造体３２の損傷を良好に阻止することが可能になるという効果が得られる。 For this reason, it is possible to effectively prevent the scavenging gas from being introduced into the fuel gas channel 54 whose outlet side is blocked and a considerably large pressure increase from occurring in the fuel gas channel 54. As a result, in each fuel cell 30, it is possible to reliably prevent the scavenging gas pressure from rising abnormally in the fuel gas passage 54, and the fuel gas passage 54, the oxidant gas passage 50, It is possible to prevent a large pressure difference from occurring. Therefore, in particular, it is possible to effectively prevent damage to the electrolyte membrane / electrode structure 32.

しかも、第１圧力センサ９８ａ及び第２圧力センサ９８ｂは、例えば、燃料電池スタック１２内における燃料消費量を計測するために用いられている圧力検出装置を兼用することができ、経済的であるという利点がある。 Moreover, the first pressure sensor 98a and the second pressure sensor 98b can be used as, for example, a pressure detection device used for measuring the fuel consumption in the fuel cell stack 12, and are economical. There are advantages.

さらに、第１の実施形態では、燃料ガス流路５４の掃気処理が禁止される際に、酸化剤ガス流路５０の掃気処理が行われている。このため、酸化剤ガス流路５０の掃気処理とともに、カソード側電極４０側から電解質膜・電極構造体３２の乾燥処理を行うことが可能になり、氷点下での起動性の向上を図るとともに、発電性能の低下を抑制することができるという効果がある。 Further, in the first embodiment, the scavenging process for the oxidant gas channel 50 is performed when the scavenging process for the fuel gas channel 54 is prohibited. Therefore, the scavenging process of the oxidant gas flow path 50 and the drying process of the electrolyte membrane / electrode structure 32 can be performed from the cathode side electrode 40 side. There is an effect that deterioration in performance can be suppressed.

さらに、燃料ガス流路５４の掃気処理が禁止される際には、３種類の掃気手法の中、２段階掃気処理が選択されている。ここで、２段階掃気処理は、３段階掃気処理に比べて第３処理の時間が長く設定されている（Ｔ２＞Ｔ１）。これにより、酸化剤ガス流路５０側からのみ行われる電解質膜・電極構造体３２の乾燥処理が、確実に遂行されるという利点がある。 Further, when the scavenging process of the fuel gas channel 54 is prohibited, the two-stage scavenging process is selected from the three types of scavenging techniques. Here, in the two-stage scavenging process, the time for the third process is set longer than that in the three-stage scavenging process (T2> T1). Accordingly, there is an advantage that the drying process of the electrolyte membrane / electrode structure 32 performed only from the oxidant gas flow path 50 side is reliably performed.

なお、第１の実施形態では、図５及び図６に示すように、２段階掃気処理における第３処理の時間Ｔ２を、３段階掃気処理における第３処理Ｔ１の時間よりも長く設定しているが、これに限定されるものではない。例えば、２段階掃気処理の第３処理における排気ガスの総流量を、３段階掃気処理における第３処理の掃気ガスの総流量よりも増加させてもよい。 In the first embodiment, as shown in FIGS. 5 and 6, the time T2 of the third process in the two-stage scavenging process is set longer than the time of the third process T1 in the three-stage scavenging process. However, the present invention is not limited to this. For example, the total flow rate of exhaust gas in the third process of the two-stage scavenging process may be increased from the total flow rate of scavenging gas in the third process of the three-stage scavenging process.

次に、低温短時間の運転時における掃気処理について、図９及び図１０に示すフローチャートに基づいて説明する。なお、図７及び図８に示すフローチャートと同一の処理については、その詳細な説明は省略する。 Next, the scavenging process during low temperature and short time operation will be described based on the flowcharts shown in FIGS. Detailed description of the same processing as that in the flowcharts shown in FIGS. 7 and 8 is omitted.

イグニッションがオンされて発電が開始された後、この発電開始時における温度が検出される（ステップＳ２１〜Ｓ２３）。そして、ステップＳ２４〜ステップＳ３５の処理が、前述のステップＳ３〜Ｓ１４に準じて行われる。ここで、ステップＳ３２において、第１圧力センサ９８ａと第２圧力センサ９８ｂとにより検出される圧力差が、所定値以上であると判断されると、ステップＳ３６に進む。このステップＳ３６では、イグニッションがオンされてからオフされるまでの時間が短時間、例えば、１分〜２分以下であると判定されると（ステップＳ３６中、ＹＥＳ）、ステップＳ３７に進んで、マップ検索によって掃気処理が決定される。 After the ignition is turned on and power generation is started, the temperature at the start of power generation is detected (steps S21 to S23). And the process of step S24-step S35 is performed according to above-mentioned step S3-S14. If it is determined in step S32 that the pressure difference detected by the first pressure sensor 98a and the second pressure sensor 98b is greater than or equal to a predetermined value, the process proceeds to step S36. In this step S36, if it is determined that the time from when the ignition is turned on until it is turned off is a short time, for example, 1 minute to 2 minutes or less (YES in step S36), the process proceeds to step S37. The scavenging process is determined by map search.

図１１には、検索される掃気処理決定マップ１０６が示されている。発電開始時温度及び発電終了時温度が比較的高い領域では、通常掃気処理領域に決定される一方、発電終了時温度が最も低い温度である領域では、２段階掃気処理領域に決定される。その中間では、３段階掃気処理領域１０８に決定される。 FIG. 11 shows the scavenging process determination map 106 to be searched. In the region where the power generation start temperature and the power generation end temperature are relatively high, the normal scavenging process region is determined, while in the region where the power generation end temperature is the lowest temperature, the two-stage scavenging processing region is determined. In the middle, the three-stage scavenging process area 108 is determined.

そして、ステップＳ３８では、検索された掃気処理決定マップ１０６に従って掃気処理が行われるため、特に、氷点下等の低温時に、起動が行われて短時間で発電が停止された場合に、発電性能の悪化や再起動不能を未然に回避することができるという効果が得られる。 In step S38, since the scavenging process is performed according to the searched scavenging process determination map 106, the power generation performance deteriorates particularly when the start-up is performed and power generation is stopped in a short time at a low temperature such as below freezing point. And the inability to restart can be avoided.

図１２は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１１０の概略構成図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。 FIG. 12 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system 110 according to the second embodiment of the present invention. The same components as those of the fuel cell system 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. Similarly, in the third embodiment described below, detailed description thereof is omitted.

燃料電池システム１１０は、排出弁異常検出装置１１２を備える。この排出弁異常検出装置１１２は、水素循環流路７６に配置される温度センサ（温度検出手段）１１４を備え、前記温度センサ１１４による温度に基づいて、エア排出弁８４、ドレン弁８６及びパージ弁８８の凍結による弁開閉異常を検出する。 The fuel cell system 110 includes a discharge valve abnormality detection device 112. The discharge valve abnormality detection device 112 includes a temperature sensor (temperature detection means) 114 disposed in the hydrogen circulation flow path 76, and an air discharge valve 84, a drain valve 86, and a purge valve based on the temperature from the temperature sensor 114. A valve opening / closing abnormality due to freezing 88 is detected.

従って、第２の実施形態では、エア排出弁８４、ドレン弁８６及びパージ弁８８の凍結による弁開閉異常が検出されるため、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる他、構成が有効に簡素化されるという利点がある。また、温度センサ１１４を用いずに、燃料電池スタック１２に配置されている温度センサ９１ｂを排出弁異常検出装置１１２として用いることも可能である。 Therefore, in the second embodiment, since the valve opening / closing abnormality due to freezing of the air discharge valve 84, the drain valve 86, and the purge valve 88 is detected, the same effects as the first embodiment can be obtained, and the configuration Has the advantage of being effectively simplified. Further, it is possible to use the temperature sensor 91b disposed in the fuel cell stack 12 as the discharge valve abnormality detection device 112 without using the temperature sensor 114.

図１３は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム１２０の概略構成図である。 FIG. 13 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system 120 according to the third embodiment of the present invention.

燃料電池システム１２０は、排出弁異常検出装置１２２を備える。この排出弁異常検出装置１２２は、エア排出弁８４、ドレン弁８６及びパージ弁８８の弁開度を検出する弁開度センサ（弁開度検出手段）１２４ａ、１２４ｂ及び１２４ｃを備える。弁開度センサ１２４ａ、１２４ｂ及び１２４ｃは、検出された弁開度に基づいて、エア排出弁８４、ドレン弁８６及びパージ弁８８の弁開度異常を検出するものであり、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。 The fuel cell system 120 includes a discharge valve abnormality detection device 122. The discharge valve abnormality detection device 122 includes valve opening sensors (valve opening detecting means) 124a, 124b, and 124c that detect the opening degrees of the air discharge valve 84, the drain valve 86, and the purge valve 88. The valve opening sensors 124a, 124b, and 124c detect valve opening abnormalities of the air discharge valve 84, the drain valve 86, and the purge valve 88 based on the detected valve opening, The same effect as in the second embodiment can be obtained.

本発明の第１の実施形態に係る車載用の燃料電池システムの概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of an in-vehicle fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. 燃料電池スタックを構成する燃料電池の分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of the fuel cell which comprises a fuel cell stack. 通常掃気処理及び３段階掃気処理の概略的説明図である。It is a schematic explanatory drawing of a normal scavenging process and a three-stage scavenging process. 前記通常掃気処理に係るタイムチャートである。It is a time chart which concerns on the said normal scavenging process. 前記３段階掃気処理に係るタイムチャートである。It is a time chart which concerns on the said 3 step | paragraph scavenging process. ２段階掃気処理に係るタイムチャートである。It is a time chart which concerns on a two-stage scavenging process. 通常運転時の掃気処理を説明するフローチャートの前段部分である。It is a front | former part of the flowchart explaining the scavenging process at the time of normal driving | operation. 前記フローチャートの後段部分である。It is a latter part of the flowchart. 低温短時間運転時の掃気処理を説明するフローチャートの前段部分である。It is a front | former part of the flowchart explaining the scavenging process at the time of a low-temperature short-time driving | operation. 前記フローチャートの後段部分である。It is a latter part of the flowchart. 掃気処理決定マップの説明図である。It is explanatory drawing of a scavenging process determination map. 本発明の第２の実施形態に係る車載用の燃料電池システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the vehicle-mounted fuel cell system which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第３の実施形態に係る車載用の燃料電池システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the vehicle-mounted fuel cell system which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 特許文献１に開示されている燃料電池システムの概略的説明図である。1 is a schematic explanatory diagram of a fuel cell system disclosed in Patent Document 1. FIG.

Explanation of symbols

１０、１１０、１２０…燃料電池システム
１２…燃料電池スタック１４…酸化剤ガス供給装置
１６…燃料ガス供給装置１８…掃気装置
２０…制御装置２２…蓄電装置
３０…燃料電池３２…電解質膜・電極構造体
３４、３６…セパレータ３８…固体高分子電解質膜
４０…カソード側電極４２…アノード側電極
５０…酸化剤ガス流路５２…冷却媒体流路
５４…燃料ガス流路６０…エアコンプレッサ
６２…空気供給流路６６…空気排出流路
７０…水素タンク７２…水素供給流路
７４…エゼクタ７６…水素循環流路
８４…エア排出弁８６…ドレン弁
８８…パージ弁９０…希釈器
９１ａ、９１ｂ、１１４…温度センサ９２…掃気ガス供給路
９４…掃気ガス導入弁
９６、１１２、１２２…排出弁異常検出装置
９８ａ、９８ｂ…圧力センサ１００…弁異常推定部
１０２…掃気手法選択部１０４…掃気制御部
１０６…掃気処理決定マップ
１２４ａ、１２４ｂ、１２４ｃ…弁開度センサ DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 110, 120 ... Fuel cell system 12 ... Fuel cell stack 14 ... Oxidant gas supply device 16 ... Fuel gas supply device 18 ... Scavenging device 20 ... Control device 22 ... Power storage device 30 ... Fuel cell 32 ... Electrolyte membrane and electrode structure Body 34, 36 ... Separator 38 ... Solid polymer electrolyte membrane 40 ... Cathode side electrode 42 ... Anode side electrode 50 ... Oxidant gas channel 52 ... Coolant medium channel 54 ... Fuel gas channel 60 ... Air compressor 62 ... Air supply Flow path 66 ... Air discharge flow path 70 ... Hydrogen tank 72 ... Hydrogen supply flow path 74 ... Ejector 76 ... Hydrogen circulation flow path 84 ... Air discharge valve 86 ... Drain valve 88 ... Purge valve 90 ... Diluters 91a, 91b, 114 ... Temperature sensor 92 ... Scavenging gas supply path 94 ... Scavenging gas introduction valve 96, 112, 122 ... Exhaust valve abnormality detecting device 98a, 98b ... Pressure sensor 100 Abnormal valve estimator 102 ... scavenging method selection unit 104 ... scavenging control unit 106 ... scavenging process determination map 124a, 124b, 124c ... valve opening sensor

Claims

A fuel cell that generates power using a fuel gas supplied to the fuel gas flow path and an oxidant gas supplied to the oxidant gas flow path;
A scavenging device for scavenging the fuel gas passage with scavenging gas when power generation of the fuel cell is stopped;
An exhaust gas discharge valve for discharging the scavenged gas scavenged from the fuel gas flow path from the fuel cell;
A discharge valve abnormality detection device for detecting whether or not a valve opening / closing abnormality exists in the exhaust gas discharge valve;
A control device that regulates a scavenging process of the fuel gas flow path by the scavenging device when a valve opening / closing abnormality of the exhaust gas discharge valve is detected;
Bei to give a,
Further, the scavenging device includes a first scavenging gas supply path for supplying the scavenging gas to the oxidant gas flow path,
A second scavenging gas supply passage for supplying the scavenging gas to the fuel gas passage;
With
The control device stops the supply of the scavenging gas to the second scavenging gas supply passage when the valve opening / closing abnormality of the exhaust gas discharge valve is detected, while the scavenging gas is supplied to the first scavenging gas supply passage. When the supply of the scavenging gas is stopped, the total flow rate of the scavenging gas supplied to the first scavenging gas supply path is not detected as a valve opening / closing abnormality of the exhaust gas discharge valve. The fuel cell system , wherein when the scavenging gas is supplied to the scavenging gas supply path, the scavenging gas is increased more than a total flow rate of the scavenging gas supplied to the first scavenging gas supply path .

A fuel cell that generates power using a fuel gas supplied to the fuel gas flow path and an oxidant gas supplied to the oxidant gas flow path;
A scavenging device for scavenging the fuel gas passage with scavenging gas when power generation of the fuel cell is stopped;
An exhaust gas discharge valve for discharging the scavenged gas scavenged from the fuel gas flow path from the fuel cell;
A discharge valve abnormality detection device for detecting whether or not a valve opening / closing abnormality exists in the exhaust gas discharge valve;
A control device that regulates a scavenging process of the fuel gas flow path by the scavenging device when a valve opening / closing abnormality of the exhaust gas discharge valve is detected;
With
Further, the scavenging device includes a first scavenging gas supply path for supplying the scavenging gas to the oxidant gas flow path,
A second scavenging gas supply passage for supplying the scavenging gas to the fuel gas passage;
With
The control device stops the supply of the scavenging gas to the second scavenging gas supply passage when the valve opening / closing abnormality of the exhaust gas discharge valve is detected, while the scavenging gas is supplied to the first scavenging gas supply passage. When the supply of the scavenging gas is stopped, the scavenging time during which the scavenging gas is supplied to the first scavenging gas supply path is not detected as a valve opening / closing abnormality of the exhaust gas discharge valve. When the scavenging gas is supplied to the scavenging gas supply path, the fuel cell system is set longer than a scavenging time during which the scavenging gas is supplied to the first scavenging gas supply path.

3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the exhaust valve abnormality detection device includes upstream pressure detection means disposed upstream of the exhaust gas discharge valve;
Downstream pressure detection means disposed downstream of the exhaust gas discharge valve;
With
A fuel cell system, wherein a valve opening / closing abnormality of the exhaust gas discharge valve is detected based on a pressure difference detected by the upstream pressure detection means and the downstream pressure detection means.

The fuel cell system according to claim 1 or 2 , wherein the exhaust valve abnormality detection device includes a temperature detection means for detecting a temperature of the exhaust gas discharge valve,
A fuel cell system, wherein an abnormal opening / closing of the exhaust gas discharge valve is detected based on a temperature detected by the temperature detecting means.

3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the exhaust valve abnormality detection device includes valve opening degree detection means for detecting a valve opening degree of the exhaust gas discharge valve,
A fuel cell system that detects a valve opening / closing abnormality of the exhaust gas discharge valve based on a valve opening detected by the valve opening detecting means.

A fuel cell that generates power using the fuel gas supplied to the fuel gas flow path and the oxidant gas supplied to the oxidant gas flow path, and when the power generation of the fuel cell is stopped, the fuel gas flow path is scavenged by the scavenging gas. A scavenging method for a fuel cell system to be processed, comprising:
Detecting whether or not a valve opening / closing abnormality exists in an exhaust gas discharge valve for discharging the scavenged gas scavenged in the fuel gas flow path from the fuel cell;
A step of regulating the scavenging process of the fuel gas passage when a valve opening / closing abnormality of the exhaust gas discharge valve is detected;
I have a,
When power generation of the fuel cell is stopped, the fuel gas passage and the oxidant gas passage are scavenged with scavenging gas,
When a valve opening / closing abnormality of the exhaust gas discharge valve is detected, the supply of the scavenging gas to the fuel gas passage is stopped, while the scavenging gas is supplied to the oxidant gas passage,
Further, when stopping the supply of the scavenging gas, the total flow rate of the scavenging gas supplied to the oxidant gas flow path is set to the fuel gas flow path without detecting an abnormal valve opening / closing of the exhaust gas discharge valve. A scavenging method for a fuel cell system, characterized in that when the scavenging gas is supplied, the scavenging gas flow rate is increased more than the total flow rate of the scavenging gas supplied to the oxidant gas channel .

A fuel cell that generates power using the fuel gas supplied to the fuel gas flow channel and the oxidant gas supplied to the oxidant gas flow channel; A scavenging method for a fuel cell system to be processed, comprising:
Detecting whether or not a valve opening / closing abnormality exists in an exhaust gas discharge valve for discharging the scavenged gas scavenged in the fuel gas flow path from the fuel cell;
A step of regulating the scavenging process of the fuel gas passage when a valve opening / closing abnormality of the exhaust gas discharge valve is detected;
Have
When power generation of the fuel cell is stopped, the fuel gas passage and the oxidant gas passage are scavenged with scavenging gas,
When a valve opening / closing abnormality of the exhaust gas discharge valve is detected, the supply of the scavenging gas to the fuel gas passage is stopped, while the scavenging gas is supplied to the oxidant gas passage,
Further, when the supply of the scavenging gas is stopped, the scavenging time during which the scavenging gas is supplied to the oxidant gas flow path is not detected as a valve opening / closing abnormality of the exhaust gas discharge valve. A scavenging method for a fuel cell system, wherein when the scavenging gas is supplied, the scavenging time is set longer than a scavenging time during which the scavenging gas is supplied to the oxidant gas flow path.