JP5256586B2

JP5256586B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP5256586B2
Application number: JP2006155652A
Authority: JP
Inventors: 朋能小林
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-06-05
Filing date: 2006-06-05
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2026-06-05
Also published as: JP2007324071A

Description

本発明は、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、この燃料電池内に掃気ガスを供給する掃気ガス供給部とを備えた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction between an oxidizing gas and a fuel gas, and a scavenging gas supply unit that supplies the scavenging gas into the fuel cell.

燃料電池スタックは、例えばアノード側電極、電解質膜およびカソード側電極から成る膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ）とセパレータとを１組の燃料電池セルとして、これを複数組積層することにより構成している。すなわち、各燃料電池セルは、高分子イオン交換膜から成る電解質膜の一方の面にアノード側電極を、他方の面にカソード側電極を、それぞれ配置して、さらに両側にセパレータを設けることにより構成している。そして、このような燃料電池セルを複数組積層し、さらに集電板、絶縁板およびエンドプレートで狭持することにより、高電圧を発生する燃料電池スタックを構成する。 The fuel cell stack is configured by stacking a plurality of sets of fuel cell units, for example, a membrane-electrode assembly (MEA) composed of an anode side electrode, an electrolyte membrane and a cathode side electrode and a separator. That is, each fuel cell is configured by arranging an anode side electrode on one side of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane, a cathode side electrode on the other side, and further providing separators on both sides. doing. A plurality of such fuel battery cells are stacked and sandwiched between current collector plates, insulating plates, and end plates to constitute a fuel cell stack that generates a high voltage.

このような燃料電池では、アノード側電極に燃料ガス、例えば水素を含むガスを供給すると共に、カソード側電極に、酸化ガス、例えば空気を供給する。これにより、燃料ガスおよび酸化ガスが電池反応に供されて、起電力を発生し、カソード側電極では、水が生成される。 In such a fuel cell, a fuel gas, for example, a gas containing hydrogen is supplied to the anode side electrode, and an oxidizing gas, for example, air is supplied to the cathode side electrode. As a result, the fuel gas and the oxidizing gas are supplied to the cell reaction to generate an electromotive force, and water is generated at the cathode side electrode.

従来から、特許文献１、特許文献２に記載されているように、燃料電池においては、カソード側電極に水が存在するため、燃料電池を氷点下で始動しようとした場合に、燃料電池内の水分が凍結しやすく、燃料電池内で電気化学反応が行われにくいといった問題があることが知られている。すなわち、燃料電池内に残留する水分が凍結してしまうと、燃料電池セル内で酸化ガス不足や水素不足が生じ、燃料電池が発電不能となり能力を発揮できない。また、水分の凍結により流路の一部で体積膨張が生じて、水分の存在箇所を破壊し、耐久性を著しく悪化させる可能性もある。 Conventionally, as described in Patent Document 1 and Patent Document 2, in the fuel cell, since water exists in the cathode side electrode, when the fuel cell is to be started below freezing point, However, it is known that there is a problem that the electrochemical reaction is difficult to occur in the fuel cell. That is, if the water remaining in the fuel cell freezes, there will be a shortage of oxidizing gas or hydrogen in the fuel cell, and the fuel cell will not be able to generate power and will not be able to exhibit its capabilities. Moreover, volume expansion may occur in a part of the flow path due to freezing of water, destroying the location where water is present, and may significantly deteriorate durability.

これに対して、特許文献１、２に記載された燃料電池システムの場合、燃料電池の内部のカソード側電極側の酸化ガス流路中の水分を掃気する掃気ガス供給手段を設けている。また、燃料電池の発電停止時において、燃料電池内の残留水分が過剰である場合に、ガス流路内の残留水分を、加湿されていない空気により外部に排出するようにしている。 On the other hand, in the case of the fuel cell systems described in Patent Documents 1 and 2, scavenging gas supply means for scavenging moisture in the oxidizing gas channel on the cathode side electrode side inside the fuel cell is provided. Further, when the fuel cell power generation is stopped, if the residual moisture in the fuel cell is excessive, the residual moisture in the gas flow path is discharged to the outside by unhumidified air.

また、特許文献３に記載された燃料電池システムの場合、燃料電池の停止時に、加湿ガスをアイドル時よりも多い流量で燃料電池に供給した後、非加湿ガスを加湿ガスよりも少ない流量で燃料電池に供給している。また、特許文献４に記載された燃料電池システムの場合、燃料電池の運転停止時の周囲の温度および湿度、燃料電池自体の温度、運転停止直前の燃料電池の運転条件等により、燃料電池内の残留水量と電解質膜に保持可能な水分量との差である、余剰水分量を推定し、燃料電池内を掃気する掃気ガスの流量および掃気時間を決定している。 In the case of the fuel cell system described in Patent Document 3, when the fuel cell is stopped, the humidified gas is supplied to the fuel cell at a higher flow rate than at the idle time, and then the non-humidified gas is supplied at a lower flow rate than the humidified gas. The battery is being supplied. Further, in the case of the fuel cell system described in Patent Document 4, the temperature in the fuel cell depends on the ambient temperature and humidity when the fuel cell is stopped, the temperature of the fuel cell itself, the operating condition of the fuel cell immediately before the stop of operation, and the like. The excess water amount, which is the difference between the residual water amount and the water amount that can be retained in the electrolyte membrane, is estimated, and the flow rate and scavenging time of the scavenging gas for scavenging the fuel cell are determined.

特許文献３、４に記載された燃料電池システムの場合、このような構成により、燃料電池の電解質膜が含有する水分を保持させつつ、燃料電池内の余剰な残留水を除去できるとされている。 In the case of the fuel cell systems described in Patent Documents 3 and 4, it is said that such a configuration can remove excess residual water in the fuel cell while retaining the moisture contained in the electrolyte membrane of the fuel cell. .

一方、特許文献５に記載された燃料電池システムの場合、燃料電池内の残留水量を推定するための抵抗測定電極を燃料電池セルに設けている。図８から図９に示すように、この抵抗測定電極１０は、セパレータ１２の両端寄り部分にそれぞれ設けており、セパレータ１２と抵抗測定電極１０との間に絶縁体１４を設けている。また、セパレータ１２の表裏両面に、酸化ガス流路と燃料ガス流路とのいずれかとして機能するガス流路１６を設けると共に、ガス流路１６の両端部にマニホールド１８を設けている。また、抵抗測定電極１０にリード２０を接続している。 On the other hand, in the case of the fuel cell system described in Patent Document 5, a resistance measurement electrode for estimating the amount of residual water in the fuel cell is provided in the fuel cell. As shown in FIG. 8 to FIG. 9, the resistance measurement electrodes 10 are provided near the both ends of the separator 12, and an insulator 14 is provided between the separator 12 and the resistance measurement electrode 10. In addition, a gas flow path 16 that functions as either an oxidizing gas flow path or a fuel gas flow path is provided on both front and back surfaces of the separator 12, and manifolds 18 are provided at both ends of the gas flow path 16. A lead 20 is connected to the resistance measurement electrode 10.

図９に示すように、セパレータ１２と膜−電極接合体２２とを配置した状態で、２個の抵抗測定電極１０間で電気抵抗を測定することにより、ガス拡散電極２４の発電平面方向の電気抵抗を測定できるとされている。また、２個の抵抗測定電極１０間に交流電流を印加する等により、電解質膜２６に含まれる水分量と、ガス拡散電極２４に含まれる水分量とのそれぞれを推定できるとされている。そして、特許文献５に記載された燃料電池システムは、このようにして推定した燃料電池内の水分量に基づいて燃料電池内から排出する水分量を決定し、その排出に要するガス量を決定している。このような構成により、燃料電池内の残留水を排出するためのガス量を最適化できるとされている。 As shown in FIG. 9, by measuring the electrical resistance between the two resistance measuring electrodes 10 in a state where the separator 12 and the membrane-electrode assembly 22 are arranged, the electric power in the power generation plane direction of the gas diffusion electrode 24 is measured. It is said that resistance can be measured. In addition, it is assumed that each of the moisture content contained in the electrolyte membrane 26 and the moisture content contained in the gas diffusion electrode 24 can be estimated by applying an alternating current between the two resistance measurement electrodes 10. The fuel cell system described in Patent Document 5 determines the amount of water discharged from the fuel cell based on the amount of water in the fuel cell thus estimated, and determines the amount of gas required for the discharge. ing. With such a configuration, the amount of gas for discharging residual water in the fuel cell can be optimized.

特開２００５−２０９６３４号公報JP 2005-209634 A 特開２００５−２０９６３５号公報JP 2005-209635 A 特開２００４−１５２６００号公報JP 2004-152600 A 特開２００４−１１１１９６号公報JP 2004-111196 A 特開２００４−２０７１３９号公報JP 2004-207139 A

上記のような特許文献１から特許文献４に記載された燃料電池システムで、自動車用のように、外部からエネルギを供給されない自立型において、燃料電池の発電停止後は、二次電池の電力により掃気ガス供給手段を作動し、燃料電池内に掃気ガスを供給することにより、残留水分を除去することが考えられる。ただし、燃料電池の発電停止後に、二次電池の温度が所定温度よりも低いか、または充電量が所定充電量よりも低い場合には、二次電池の使用可能なエネルギが通常時よりも極度に低下してしまう可能性がある。例えば、氷点下では、通常の数分の１から数十分の１程度まで、二次電池の使用可能なエネルギが減少する可能性がある。このように二次電池の使用可能なエネルギが低下した場合、燃料電池内の残留水量を推定できても、掃気ガスの供給流量等の掃気状態を適切にすることができない可能性がある。例えば、二次電池の充電量が少ない状態で掃気ガスの供給流量を過度に多くすると、二次電池が早期に劣化したり、残留水を必要分まで除去できていない状態で、掃気ガス供給手段が停止してしまう可能性がある。 In the fuel cell system described in Patent Document 1 to Patent Document 4 as described above, in a self-supporting type in which energy is not supplied from the outside, such as for automobiles, after the power generation of the fuel cell is stopped, the power of the secondary battery is used. It is conceivable to remove residual moisture by operating the scavenging gas supply means and supplying the scavenging gas into the fuel cell. However, if the secondary battery temperature is lower than the predetermined temperature or the charge amount is lower than the predetermined charge amount after stopping the power generation of the fuel cell, the usable energy of the secondary battery is extremely higher than normal. May be reduced. For example, below the freezing point, there is a possibility that the usable energy of the secondary battery may be reduced from a normal fraction to a few tenths. In this way, when the usable energy of the secondary battery is reduced, there is a possibility that the scavenging state such as the supply flow rate of the scavenging gas cannot be made appropriate even if the residual water amount in the fuel cell can be estimated. For example, if the supply flow rate of the scavenging gas is excessively increased with a small amount of charge of the secondary battery, the scavenging gas supply means is in a state where the secondary battery has deteriorated early or residual water has not been removed to the required level. May stop.

また、従来から二次電池の代わりに電気二重層キャパシタを使用することも考えられているが、この場合もキャパシタの温度が所定温度よりも低いか、または充電量が所定充電量よりも低い場合に、掃気ガスの供給流量を過度に多くすると、上記のように二次電池を使用した場合と同様の不都合が生じる可能性がある。 Conventionally, it is also considered to use an electric double layer capacitor instead of a secondary battery. In this case, too, the temperature of the capacitor is lower than a predetermined temperature or the charge amount is lower than a predetermined charge amount. In addition, when the supply flow rate of the scavenging gas is excessively increased, the same inconvenience as when the secondary battery is used as described above may occur.

本発明の目的は、蓄電部の劣化を抑えつつ、燃料電池内における残留水を効率よく除去できる燃料電池システムを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of efficiently removing residual water in a fuel cell while suppressing deterioration of a power storage unit.

本発明に係る燃料電池システムは、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池内に掃気ガスを供給する掃気ガス供給部と、前記掃気ガス供給部に電力を供給する蓄電部と、前記蓄電部の温度を検出する温度検出部と、前記蓄電部の充電量を検出する充電量監視手段、及び掃気ガス供給制御手段を有する制御部とを備え、前記掃気ガス供給制御手段は、前記蓄電部の温度及び充電量により掃気ガスの供給流量を含む掃気状態を決定し、前記掃気ガス供給部の供給流量を含む作動状態を制御し、前記制御部は、掃気ガスの供給流量と単位時間当たりの前記燃料電池からの水蒸気排出量との関係で掃気ガス供給流量の増大に従って水蒸気排出流量が増大する程度が急激に減少するように特性が変化する特性変化点での掃気ガス供給流量を切替設定流量Ｂとして設定し、前記蓄電部の充電量及び温度から前記蓄電部の放出可能エネルギを算出し、前記放出可能エネルギに対応する前記掃気ガス供給部の上限供給流量を求め、前記上限供給流量と前記切替設定流量Ｂとの比較を行って、前記切替設定流量Ｂを前記上限供給流量以下に調整し、前記掃気ガス供給制御手段は、前記掃気ガス供給部の供給流量を調整後の前記切替設定流量Ｂよりも大きい流量Ａに制御して掃気させ、この流量Ａでの掃気開始から所定時間経過後に、前記掃気ガス供給部の供給流量を調整後の前記切替設定流量Ｂに制御する燃料電池システムである。なお、蓄電部は、二次電池の他、電気二重層キャパシタも含む。 Engaging Ru fuel cell system includes: a fuel cell that generates electricity through an electrochemical reaction between an oxidizing gas and the fuel gas, a scavenging gas supply unit for supplying scavenging gas into the fuel cell, to the scavenging gas supply unit includes a power storage unit for supplying electric power, a temperature detector for detecting a temperature of said power storage unit, the charge amount monitoring means for detecting a charge amount of the power storage unit, and a control unit having a scavenging gas supply control means, wherein scavenging gas supply control means, the scavenging state determines that includes the supply flow rate of the scavenging gas with temperature and amount of charge of the power storage unit, and controls the operating condition including the supply flow rate of the scavenging gas supply unit, wherein the control unit, Characteristic change in which the characteristics change so that the degree of increase in the steam discharge flow rate rapidly decreases as the scavenging gas supply flow rate increases due to the relationship between the supply flow rate of the scavenging gas and the steam discharge amount from the fuel cell per unit time The scavenging gas supply flow rate at the time is set as the switching set flow rate B, the releasable energy of the power storage unit is calculated from the charge amount and temperature of the power storage unit, and the upper limit supply of the scavenging gas supply unit corresponding to the releasable energy The flow rate is obtained, the upper limit supply flow rate is compared with the switching setting flow rate B, the switching setting flow rate B is adjusted to be equal to or lower than the upper limit supply flow rate, and the scavenging gas supply control means The supply flow rate is controlled to a flow rate A larger than the adjusted switching flow rate B after scavenging, and after the predetermined time has elapsed since the start of scavenging at the flow rate A, the supply flow rate of the scavenging gas supply unit after the adjustment is adjusted. This is a fuel cell system controlled to a set flow rate B. The power storage unit includes an electric double layer capacitor in addition to the secondary battery.

本発明に係る燃料電池システムによれば、蓄電部の温度および充電量が低い場合に、エネルギ消費量を低減して、蓄電部の劣化を抑えつつ、掃気ガス供給部の掃気ガスの供給量を十分に多くすることが可能となる。このため、蓄電部の劣化を抑えつつ、燃料電池内における残留水を効率よく除去して、低温時でも燃料電池の発電停止後の再起動を行いやすくできる。 According to the fuel cell system of the present invention, when the temperature and charge amount of the power storage unit are low, the amount of scavenging gas supplied from the scavenging gas supply unit is reduced while reducing energy consumption and suppressing deterioration of the power storage unit. It becomes possible to increase the number sufficiently. For this reason, it is possible to efficiently remove the residual water in the fuel cell while suppressing deterioration of the power storage unit, and to easily restart the fuel cell after stopping the power generation even at a low temperature.

［第１の発明の実施の形態］
以下において、図面を用いて本発明に係る第１の実施の形態につき詳細に説明する。図１から図６は、第１の実施の形態を示している。燃料電池システム２８は、燃料電池スタック３０を有する。この燃料電池スタック３０は、複数の燃料電池セルを積層すると共に、燃料電池スタック３０の積層方向両端部に、集電板と、エンドプレートとを設けている。そして、複数の燃料電池セルと集電板とエンドプレートとをタイロッド、ナット等で締め付けている。なお、集電板とエンドプレートとの間に絶縁板を設けることもできる。 [First Embodiment]
In the following, a first embodiment according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. 1 to 6 show a first embodiment. The fuel cell system 28 includes a fuel cell stack 30. The fuel cell stack 30 has a plurality of fuel cells stacked, and a current collector plate and an end plate are provided at both ends of the fuel cell stack 30 in the stacking direction. Then, the plurality of fuel cells, the current collector plate, and the end plate are fastened with tie rods, nuts, and the like. An insulating plate can also be provided between the current collector plate and the end plate.

各燃料電池セルの詳細図は省略するが、例えば、電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とにより狭持して成る膜−アセンブリと、その両側のセパレータとを備えたものとする。また、アノード側電極には燃料ガスである水素ガスを供給可能とし、カソード側電極には酸化ガスである空気を供給可能としている。そして、アノード側電極で触媒反応により発生した水素イオンを、電解質膜を介してカソード側電極まで移動させ、カソード側電極で酸素と電池化学反応を起こさせることにより、水を生成する。また、アノード側電極からカソード側電極へ外部回路を通じて電子を移動させることにより起電力を発生する。すなわち、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタック３０は、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する。 Although a detailed view of each fuel cell is omitted, it is assumed that, for example, a membrane assembly in which an electrolyte membrane is sandwiched between an anode side electrode and a cathode side electrode and separators on both sides thereof are provided. Further, hydrogen gas that is a fuel gas can be supplied to the anode side electrode, and air that is an oxidizing gas can be supplied to the cathode side electrode. Then, hydrogen ions generated by the catalytic reaction at the anode side electrode are moved to the cathode side electrode through the electrolyte membrane, and water is generated by causing a cell chemical reaction with oxygen at the cathode side electrode. Further, an electromotive force is generated by moving electrons from the anode side electrode to the cathode side electrode through an external circuit. That is, the fuel cell stack 30 in which a plurality of fuel cells are stacked generates power by an electrochemical reaction between the oxidizing gas and the fuel gas.

また、燃料電池スタック３０の内部で、セパレータの一部またはセパレータの近くに、図示しない冷媒流路を設けている。この冷媒流路に冷媒である冷却水を流すことにより、燃料電池スタック３０の発電に伴う発熱により温度が上昇しても、その温度が過度に上昇しないようにしている。 In addition, inside the fuel cell stack 30, a refrigerant flow path (not shown) is provided near a part of the separator or near the separator. By flowing cooling water, which is a refrigerant, in this refrigerant flow path, even if the temperature rises due to heat generated by the power generation of the fuel cell stack 30, the temperature is prevented from rising excessively.

また、酸化ガスである空気は、掃気ガス供給部でもあるエアコンプレッサ３２により加圧され、加湿器３４で加湿された後、燃料電池スタック３０のカソード側電極側の酸化ガス流路に供給される。また、空気を加湿器３４に通過させてから燃料電池スタック３０に供給する本経路３６とは別に、この本経路３６と並行にバイパス経路３８を設けている。このバイパス経路３８を通過する空気は、加湿器３４を通過せずに、燃料電池スタック３０に供給される。バイパス経路３８の途中には加湿器バイパス弁４０を設けている。なお、この加湿器バイパス弁４０と共に、図１に一点鎖線４１ａまたは４１ｂで示す位置に弁を設け、加湿器バイパス弁４０と弁４１ａ（または４１ｂ）との開度を制御することもできる。また、加湿器バイパス弁４０を設けずに、図１に点イまたは点ロで示す位置に三方弁を設け、この三方弁により、互いに通じさせる流路を選択するようにすることもできる。 The air that is the oxidizing gas is pressurized by the air compressor 32 that is also a scavenging gas supply unit, humidified by the humidifier 34, and then supplied to the oxidizing gas channel on the cathode side electrode side of the fuel cell stack 30. . In addition, a bypass path 38 is provided in parallel with the main path 36, separately from the main path 36 that supplies air to the fuel cell stack 30 after passing the air through the humidifier 34. The air passing through the bypass path 38 is supplied to the fuel cell stack 30 without passing through the humidifier 34. A humidifier bypass valve 40 is provided in the middle of the bypass path 38. Along with the humidifier bypass valve 40, a valve may be provided at a position indicated by a one-dot chain line 41a or 41b in FIG. 1 to control the opening degree of the humidifier bypass valve 40 and the valve 41a (or 41b). Further, without providing the humidifier bypass valve 40, it is also possible to provide a three-way valve at a position indicated by a point a or a point b in FIG.

燃料電池スタック３０に供給され、各燃料電池セルで電池化学反応に供された後の空気は、燃料電池スタック３０の掃気エア出口５２から排出された後、エア排出経路５４の途中の圧力制御弁４２を介して加湿器３４を通過してから大気に放出される。圧力制御弁４２は、燃料電池スタック３０に送られる空気の供給圧力が、燃料電池スタック３０の運転状態に応じた適切な圧力値になるように制御される。 The air after being supplied to the fuel cell stack 30 and subjected to a cell chemical reaction in each fuel cell is discharged from the scavenging air outlet 52 of the fuel cell stack 30 and then a pressure control valve in the middle of the air discharge path 54. After passing through the humidifier 34 via 42, it is released to the atmosphere. The pressure control valve 42 is controlled so that the supply pressure of the air sent to the fuel cell stack 30 becomes an appropriate pressure value according to the operating state of the fuel cell stack 30.

また、エアコンプレッサ３２に、蓄電部である二次電池４４が接続されており、エアコンプレッサ３２は二次電池４４から電力を供給されている。二次電池４４はニッケル水素電池またはリチウムイオン二次電池である。ただし、二次電池４４としては、ニッケルカドミウム電池等、すべての充電可能な電池を使用できる。また、二次電池４４に燃料電池スタック３０が接続されており、燃料電池スタック３０で発電した電力の少なくとも一部を二次電池４４で充電できるようにしている。 Further, a secondary battery 44 that is a power storage unit is connected to the air compressor 32, and the air compressor 32 is supplied with electric power from the secondary battery 44. The secondary battery 44 is a nickel metal hydride battery or a lithium ion secondary battery. However, as the secondary battery 44, any rechargeable battery such as a nickel cadmium battery can be used. Further, the fuel cell stack 30 is connected to the secondary battery 44 so that at least a part of the electric power generated by the fuel cell stack 30 can be charged by the secondary battery 44.

一方、加湿器３４は、燃料電池スタック３０から排出された後の空気から得た水分を、燃料電池スタック３０に供給される前の空気に与えて、加湿する役目を果たす。例えば、加湿器３４は、多数の中空糸膜の内側と外側とに水分含有量の異なるガスが供給された場合に、水分含有量の多いガス中の水分が中空糸膜を通過して、水分含有量の少ないガスに水分を与える。 On the other hand, the humidifier 34 serves to humidify the moisture obtained from the air discharged from the fuel cell stack 30 to the air before being supplied to the fuel cell stack 30. For example, in the humidifier 34, when gases having different moisture contents are supplied to the inside and outside of a large number of hollow fiber membranes, moisture in the gas having a high moisture content passes through the hollow fiber membranes, Moisture gas with low content.

また、燃料ガスである水素ガスは、燃料ガス供給装置である高圧水素タンク等の図示しない水素ガス供給装置から図示しない燃料制御弁を介して燃料電池スタック３０に供給される。燃料電池スタック３０のアノード側電極側の燃料ガス流路に供給され、電気化学反応に供された後の水素ガスは、燃料電池スタック３０から排出された後、図示しない気液分離機で水分を除去されてから、水素ガス供給装置から供給された水素ガスと合流して、再び燃料電池スタック３０に供給される。燃料電池スタック３０に供給される水素ガスは、図示しない水素ポンプにより昇圧される。 Further, hydrogen gas that is fuel gas is supplied to the fuel cell stack 30 via a fuel control valve (not shown) from a hydrogen gas supply device (not shown) such as a high-pressure hydrogen tank that is a fuel gas supply device. The hydrogen gas supplied to the fuel gas flow path on the anode side electrode side of the fuel cell stack 30 and subjected to the electrochemical reaction is discharged from the fuel cell stack 30, and then moisture is removed by a gas-liquid separator (not shown). After the removal, the hydrogen gas supplied from the hydrogen gas supply device is merged and supplied to the fuel cell stack 30 again. The hydrogen gas supplied to the fuel cell stack 30 is boosted by a hydrogen pump (not shown).

また、燃料電池スタック３０を冷却するための冷媒である冷却水は、図示しない冷却水経路を流れて、燃料電池スタック３０の冷却水入口に送られる。冷却水は、燃料電池スタック３０内の冷媒流路を流れた後、冷却水出口から再び冷却水経路に送られる。このように冷却水を冷却水経路に循環させるために、吐出流量を変化させることができる図示しない冷却水ポンプを設けている。 Further, cooling water that is a refrigerant for cooling the fuel cell stack 30 flows through a cooling water path (not shown) and is sent to the cooling water inlet of the fuel cell stack 30. The cooling water flows through the refrigerant flow path in the fuel cell stack 30 and then is sent again from the cooling water outlet to the cooling water path. Thus, in order to circulate the cooling water through the cooling water path, a cooling water pump (not shown) capable of changing the discharge flow rate is provided.

また、二次電池４４には温度検出部である、温度センサ４６を接続して、二次電池４４の温度を検出できるようにしている。二次電池４４の温度の検出値を表す信号は、制御部（ＥＣＵ）４８に送られる。この制御部４８には、二次電池４４の充電量を検出する充電量監視手段（ＳＯＣ監視手段）５０を設けている。充電量は、二次電池４４の放電電流および充電電流から求めたり、二次電池４４の電圧を測定する等により求められる。 Further, a temperature sensor 46 as a temperature detection unit is connected to the secondary battery 44 so that the temperature of the secondary battery 44 can be detected. A signal representing the detected value of the temperature of the secondary battery 44 is sent to a control unit (ECU) 48. The control unit 48 is provided with charge amount monitoring means (SOC monitoring means) 50 for detecting the charge amount of the secondary battery 44. The amount of charge is obtained from the discharge current and charge current of the secondary battery 44, or by measuring the voltage of the secondary battery 44.

また、制御部４８は、燃料電池スタック３０内の残留水量を推定する残留水量推定手段と、エアコンプレッサ３２の回転数および回転時間である作動状態を制御するエアコンプレッサ制御手段、すなわち掃気エア供給制御手段とを有する。また、制御部４８には、燃料電池システム２８のイグニッションスイッチとして機能する図示しない起動スイッチが接続されており、起動スイッチからＯＮ状態に対応する発電開始信号を受け取ることを条件に、発電開始処理がされ、ＯＦＦ状態に対応する発電停止信号を受け取ることを条件に、発電停止処理がされる。 The control unit 48 also includes a residual water amount estimating unit that estimates a residual water amount in the fuel cell stack 30 and an air compressor control unit that controls an operation state that is the rotation speed and rotation time of the air compressor 32, that is, scavenging air supply control. Means. The control unit 48 is connected to a start switch (not shown) that functions as an ignition switch of the fuel cell system 28, and the power generation start process is performed on condition that a power generation start signal corresponding to the ON state is received from the start switch. The power generation stop process is performed on condition that a power generation stop signal corresponding to the OFF state is received.

制御部４８は、起動スイッチからの信号や、二次電池４４の温度の検出値を表す信号および充電量監視手段５０により検出された二次電池４４の充電量を表すデータ等に対応して、エアコンプレッサ３２の作動状態、加湿器バイパス弁４０、圧力制御弁４２等の制御を行う。 The control unit 48 corresponds to the signal from the start switch, the signal indicating the detected value of the temperature of the secondary battery 44, the data indicating the charge amount of the secondary battery 44 detected by the charge amount monitoring means 50, etc. The operating state of the air compressor 32, the humidifier bypass valve 40, the pressure control valve 42, and the like are controlled.

制御部４８は、上記のように残留水量推定手段を有するが、これは、上記の図８から図９に示した特許文献５に記載された燃料電池システムの場合と同様に、燃料電池セルに設けた抵抗測定電極１０により、燃料電池セルを構成するカソード側電極またはアノード側電極の発電平面方向の電気抵抗を測定し、さらに、２個の抵抗測定電極１０間に交流電流を印加する等により、電解質膜に含まれる水分量と、カソード側電極またはアノード側電極に含まれる水分量とのそれぞれを推定する。すなわち、電解質膜と電極とに含まれる水分量が多いと電気抵抗は小さくなり、水分量が少ないと電気抵抗は大きくなるので、残留水量推定手段は、抵抗測定電極１０により測定した抵抗値により燃料電池スタック３０内の残留水量を推定できる。 The control unit 48 has the residual water amount estimating means as described above, which is similar to the fuel cell system described in Patent Document 5 shown in FIGS. 8 to 9 described above. The resistance measurement electrode 10 provided measures the electrical resistance in the power generation plane direction of the cathode side electrode or the anode side electrode constituting the fuel cell, and further, an alternating current is applied between the two resistance measurement electrodes 10. Each of the water content contained in the electrolyte membrane and the water content contained in the cathode side electrode or the anode side electrode is estimated. That is, when the amount of water contained in the electrolyte membrane and the electrode is large, the electric resistance is small, and when the amount of water is small, the electric resistance is large. Therefore, the residual water amount estimating means uses the resistance value measured by the resistance measuring electrode 10 to The amount of residual water in the battery stack 30 can be estimated.

また、本実施の形態においては、図２のタイムチャートで示すように、制御部４８は、燃料電池の発電停止後である燃料電池スタック３０への燃料供給停止直後に、アイドル運転時のエアコンプレッサ３２の供給流量よりも多い供給流量（流量Ａ）で、掃気ガスである空気（エア）を燃料電池スタック３０に供給した後、掃気開始から所定時間（時間ａ）経過後に、流量Ａよりも少ない流量（流量Ｂ）で所定時間（時間ｂ）、燃料電池スタック３０に空気を供給するように、エアコンプレッサ３２の供給流量を制御している。 In the present embodiment, as shown in the time chart of FIG. 2, the control unit 48 is an air compressor during idle operation immediately after the fuel supply to the fuel cell stack 30 is stopped after the power generation of the fuel cell is stopped. After supplying air (air), which is a scavenging gas, to the fuel cell stack 30 at a supply flow rate (flow rate A) greater than the supply flow rate of 32, the flow rate is less than the flow rate A after a predetermined time (time a) has elapsed since the start of scavenging. The supply flow rate of the air compressor 32 is controlled so that air is supplied to the fuel cell stack 30 for a predetermined time (time b) at the flow rate (flow rate B).

ここで、流量Ａ、Ｂ、時間ａ、ｂは、次のようにして決定する。まず、流量Ａおよび時間ａを決定するために、図３に示すように、エアコンプレッサ３２の空気の供給流量と、燃料電池スタック３０内から液体としての水の排出完了に要する時間である、液体水の排水完了時間との関係を求めた。図３から明らかなように、空気の供給流量が多くなるにしたがって、液体水の排水完了時間は短くなる。ただし、空気の供給流量を多くしても、ある点を境に、液体水の排水完了時間が短くなる度合いが急激に減少する。このような結果から、本実施の形態では、液体水の排水完了時間が短くなる度合いが急激に減少する点をＰとし、この点Ｐにおける空気の供給流量Ａと、液体水の排水完了時間ａとを決定している。 Here, the flow rates A and B and the times a and b are determined as follows. First, in order to determine the flow rate A and time a, as shown in FIG. 3, the air supply flow rate of the air compressor 32 and the time required to complete the discharge of water as liquid from the fuel cell stack 30 The relationship with water drainage completion time was determined. As apparent from FIG. 3, the drainage completion time of the liquid water becomes shorter as the air supply flow rate increases. However, even if the supply flow rate of air is increased, the degree to which the drainage completion time of liquid water is shortened sharply decreases at a certain point. From this result, in the present embodiment, the point at which the degree of shortening of the liquid water drainage completion time is abruptly reduced is P, and the air supply flow rate A at this point P and the liquid water drainage completion time a And have decided.

また、流量Ｂを決定するために、図４に示すように、エアコンプレッサ３２の空気の供給流量と、単位時間当たりにおける燃料電池スタック３０からの水蒸気の排出量との関係を求めた。図４から明らかなように、空気の供給流量が多くなるに従って、単位時間当たりにおける燃料電池スタック３０からの水蒸気の排出量は多くなる。ただし、空気の供給流量を多くしても、ある点を境に、単位時間あたりにおける水蒸気の排出量の増大する程度が急激に減少する。このような結果から、本実施の形態では、単位時間当たりにおける水蒸気の排出量の増大する程度が急激に減少する点をＱとし、この点Ｑにおける空気の供給流量により流量Ｂを決定している。また、流量Ｂは、流量Ａよりも少ない。 Further, in order to determine the flow rate B, as shown in FIG. 4, the relationship between the air supply flow rate of the air compressor 32 and the amount of water vapor discharged from the fuel cell stack 30 per unit time was obtained. As is clear from FIG. 4, the amount of water vapor discharged from the fuel cell stack 30 per unit time increases as the air supply flow rate increases. However, even if the air supply flow rate is increased, the degree to which the amount of water vapor discharged per unit time increases sharply decreases at a certain point. From this result, in the present embodiment, Q is a point where the degree of increase in the amount of water vapor discharged per unit time suddenly decreases, and the flow rate B is determined by the air supply flow rate at this point Q. . Further, the flow rate B is smaller than the flow rate A.

また、図５に示すように、空気の供給流量が少なくなるほど、所定時間掃気後の燃料電池スタック３０における掃気エア出口５２（図１）の湿度は高くなり、供給流量Ａの場合よりも流量が少ない供給流量Ｂの場合で、掃気エア出口５２の湿度は高くなる。 Further, as shown in FIG. 5, as the air supply flow rate decreases, the humidity of the scavenging air outlet 52 (FIG. 1) in the fuel cell stack 30 after scavenging for a predetermined time increases, and the flow rate is higher than that in the case of the supply flow rate A. In the case of a small supply flow rate B, the humidity of the scavenging air outlet 52 becomes high.

このような結果から、本発明者は、燃料電池スタック３０内から液体水を排出するためには、空気の供給流量を多くする、すなわち単位時間当たりに消費するエネルギを大きくすることが有効であり、水蒸気を排出するためには空気の供給流量を少なくする、すなわち単位時間当たりに消費するエネルギを小さくすることが有効であると知見した。これは、空気の供給流量を多くすると、燃料電池スタック３０内からの水蒸気の持ち去り効率が低下するためであると考えられる。 From these results, in order to discharge the liquid water from the fuel cell stack 30, the present inventor is effective to increase the air supply flow rate, that is, increase the energy consumed per unit time. In order to discharge water vapor, it has been found that it is effective to reduce the supply flow rate of air, that is, to reduce the energy consumed per unit time. This is considered to be because when the supply flow rate of air is increased, the efficiency of removing water vapor from the fuel cell stack 30 decreases.

本実施の形態は、このような知見に基づいて発明したものであり、制御部４８が有する掃気エア供給制御手段は、エアコンプレッサ３２の作動状態を制御して、上記の図２に示したように、燃料電池の発電停止後である燃料電池スタック３０への燃料供給停止直後に、アイドル運転時のエアコンプレッサ３２の供給流量よりも多い供給流量（流量Ａ）で、燃料電池スタック３０に空気を供給した後、掃気開始から所定時間（時間ａ）経過後に、流量Ａよりも少ない流量（流量Ｂ）で、燃料電池スタック３０に空気を供給するように制御する。また、図２では、一点鎖線ｃにより、燃料電池スタック３０内から排出される総排水量を表している。そして、燃料電池スタック３０内からの総排水量を積算して、積算した総排水量が目標総排水量に達した時点である、時間ａ経過後からの時間ｂの経過時点で、エアコンプレッサ３２の作動を停止させる。 The present embodiment has been invented based on such knowledge, and the scavenging air supply control means of the control unit 48 controls the operating state of the air compressor 32, as shown in FIG. In addition, immediately after stopping the fuel supply to the fuel cell stack 30 after stopping the power generation of the fuel cell, air is supplied to the fuel cell stack 30 at a supply flow rate (flow rate A) higher than the supply flow rate of the air compressor 32 during idle operation. After supplying, control is performed so that air is supplied to the fuel cell stack 30 at a flow rate (flow rate B) smaller than the flow rate A after a predetermined time (time a) has elapsed since the start of scavenging. In FIG. 2, the total amount of drainage discharged from the fuel cell stack 30 is represented by a one-dot chain line c. Then, the total amount of drainage from within the fuel cell stack 30 is accumulated, and the operation of the air compressor 32 is performed at the time when time b has elapsed since time a has elapsed, which is the time when the accumulated total amount of drainage has reached the target total amount of drainage. Stop.

次に、図６に示すフローチャートを用いて、発電運転停止後の燃料電池スタック３０内の残留水の掃気方法を説明する。まず、ステップＳ１で、起動スイッチが停止される（ＯＦＦになる）と、制御部４８の掃気エア供給制御手段が燃料供給停止の指令を表す信号を受けて、発電停止処理が実行される。この場合、水素ガス供給装置からの水素ガスの供給を制御する燃料制御弁が閉じられ、水素ガスの新たな供給が停止される。また、燃料供給停止前に予め、抵抗測定電極１０を使用した抵抗測定により、燃料電池スタック３０内の残留水量を推定し、目標となる燃料電池スタック３０内からの総排水量を決定する。 Next, a method of scavenging residual water in the fuel cell stack 30 after stopping the power generation operation will be described using the flowchart shown in FIG. First, in step S1, when the start switch is stopped (turned OFF), the scavenging air supply control means of the control unit 48 receives a signal indicating a fuel supply stop command, and power generation stop processing is executed. In this case, the fuel control valve that controls the supply of hydrogen gas from the hydrogen gas supply device is closed, and the new supply of hydrogen gas is stopped. Further, the amount of residual water in the fuel cell stack 30 is estimated in advance by resistance measurement using the resistance measurement electrode 10 before the fuel supply is stopped, and the total amount of drainage from the target fuel cell stack 30 is determined.

次に、ステップＳ２で、掃気エア供給制御手段が、エアコンプレッサ３２により燃料電池スタック３０内に供給する空気の供給流量が、アイドル運転時の供給流量よりも多い、液体水の排出に有効な所定流量Ａになるように、エアコンプレッサ３２を制御する。この場合、燃料電池スタック３０の掃気エア出口５２に接続したエア排出経路５４（図１）の途中に設けた圧力制御弁４２を開放する。そして、燃料電池スタック３０内の酸化ガス流路中に空気を供給して、掃気、すなわちパージする。この場合、エアコンプレッサ３２から送り出された空気は、加湿器３４を設けていないバイパス経路３８を通過させても、本経路３６を通過させてもよい。ただし、加湿器３４内の水分を排出する面からは、本経路３６に空気を通過させるのがより好ましい。 Next, in step S2, the scavenging air supply control means has a predetermined supply effective for discharging liquid water in which the supply flow rate of air supplied into the fuel cell stack 30 by the air compressor 32 is larger than the supply flow rate during idle operation. The air compressor 32 is controlled to achieve the flow rate A. In this case, the pressure control valve 42 provided in the middle of the air discharge path 54 (FIG. 1) connected to the scavenging air outlet 52 of the fuel cell stack 30 is opened. Then, air is supplied into the oxidizing gas flow path in the fuel cell stack 30 to scavenge, that is, purge. In this case, the air sent out from the air compressor 32 may pass through the bypass path 38 where the humidifier 34 is not provided or through the main path 36. However, it is more preferable to allow air to pass through the path 36 from the surface where moisture in the humidifier 34 is discharged.

次に、ステップＳ３で、空気を供給流量Ａで供給する時間がａに達するまでＳ３の処理を繰り返す、いわゆるカウントアップを行う。そして、時間ａに達したならば、次にステップＳ４で、エアコンプレッサ３２の供給流量が所定流量Ｂになるようにエアコンプレッサ３２を制御する。供給流量を流量Ｂにすることにより、例えば部品の隅や電解質膜内の水分等の、液体水として排出するのが困難な水分を、水蒸気として有効に排出できる。また、この場合、バイパス経路３８の途中に設けた加湿器バイパス弁４０を開放して、エアコンプレッサ３２から送り出された空気をバイパス経路３８に通過させる。この結果、燃料電池スタック３０の掃気エア出口５２から排出された水が加湿器３４を介して再び燃料電池スタック３０内に送られるのを抑えるか、または回避でき、燃料電池スタック３０内からの水蒸気の排出量を大きく増大させて、排出に要するエネルギを低減できる。なお、上記の図５に示した関係から明らかなように、空気の供給流量を流量Ａから流量Ｂに少なくすると、所定時間掃気後の燃料電池スタック３０における掃気エア出口５２（図１）の湿度は、流量Ａに対応する湿度ｈ１から湿度ｈ２に上昇する。このため、流量Ａから流量Ｂに空気の供給流量を少なくするために、掃気エア出口５２の湿度が所定値以上の湿度となることを条件に、供給流量を制御することもできる。 Next, in step S3, so-called count-up is performed, in which the process of S3 is repeated until the time for supplying air at the supply flow rate A reaches a. When the time a is reached, the air compressor 32 is controlled so that the supply flow rate of the air compressor 32 becomes the predetermined flow rate B in step S4. By setting the supply flow rate to the flow rate B, for example, moisture that is difficult to be discharged as liquid water, such as water in the corners of the parts or in the electrolyte membrane, can be effectively discharged as water vapor. In this case, the humidifier bypass valve 40 provided in the middle of the bypass path 38 is opened, and the air sent from the air compressor 32 is allowed to pass through the bypass path 38. As a result, water discharged from the scavenging air outlet 52 of the fuel cell stack 30 can be suppressed or avoided from being sent again into the fuel cell stack 30 via the humidifier 34, and water vapor from the fuel cell stack 30 can be avoided. The amount of energy required for discharging can be reduced by greatly increasing the amount of discharged gas. As is clear from the relationship shown in FIG. 5, when the air supply flow rate is reduced from the flow rate A to the flow rate B, the humidity of the scavenging air outlet 52 (FIG. 1) in the fuel cell stack 30 after scavenging for a predetermined time. Increases from the humidity h1 corresponding to the flow rate A to the humidity h2. For this reason, in order to reduce the supply flow rate of air from the flow rate A to the flow rate B, the supply flow rate can be controlled on the condition that the humidity of the scavenging air outlet 52 is equal to or higher than a predetermined value.

また、本実施の形態の場合には、掃気エア供給制御手段は、二次電池４４の温度の検出値を表す信号および充電量監視手段５０により求められた二次電池４４の充電量を表すデータに対応して、上記所定流量Ｂの調整を行う。すなわち、燃料供給停止前の二次電池４４の充電量（ＳＯＣ）と、二次電池４４の温度とにより二次電池４４の放出可能なエネルギを算出し、このエネルギに対応する、二次電池４４の劣化を抑えることができる範囲での、エアコンプレッサ３２の上限供給流量を求める。そして、この上限供給流量と上記流量Ｂとを比較し、流量Ｂが上限供給流量よりも少なければ、流量Ｂをそのままの大きさとし、流量Ｂが上限供給流量よりも多いならば、流量Ｂを上限供給流量に合わせるように調整する。言い換えれば、掃気エア供給制御手段は、二次電池４４の放出可能なエネルギに対応する供給流量上限以下にエアコンプレッサ３２の供給流量を制御する。 In the case of the present embodiment, the scavenging air supply control means includes a signal indicating the detected value of the temperature of the secondary battery 44 and data indicating the charge amount of the secondary battery 44 obtained by the charge amount monitoring means 50. The predetermined flow rate B is adjusted correspondingly. That is, the energy that can be discharged from the secondary battery 44 is calculated from the charged amount (SOC) of the secondary battery 44 before the fuel supply is stopped and the temperature of the secondary battery 44, and the secondary battery 44 corresponding to this energy is calculated. The upper limit supply flow rate of the air compressor 32 within a range in which deterioration of the air can be suppressed is obtained. Then, the upper limit supply flow rate is compared with the flow rate B. If the flow rate B is less than the upper limit supply flow rate, the flow rate B is left as it is. If the flow rate B is greater than the upper limit supply flow rate, the flow rate B is increased to the upper limit. Adjust to match the supply flow rate. In other words, the scavenging air supply control means controls the supply flow rate of the air compressor 32 below the upper limit of the supply flow rate corresponding to the releasable energy of the secondary battery 44.

次に、ステップＳ５およびＳ６で、燃料電池スタック３０からの排水量を積算すると共に、排水量積算値が目標となる総排水量に達するまで、Ｓ５およびＳ６の処理を繰り返す。そして、排水量積算値が目標となる総排水量に達した場合に、エアコンプレッサ３２の作動を停止させ、酸化ガス流路への空気の供給を停止し、掃気、すなわちパージを停止する。 Next, in steps S5 and S6, the amount of drainage from the fuel cell stack 30 is integrated, and the processing of S5 and S6 is repeated until the total amount of drainage reaches the target total amount of drainage. When the total amount of drainage reaches the target total drainage amount, the operation of the air compressor 32 is stopped, the supply of air to the oxidizing gas passage is stopped, and scavenging, that is, the purge is stopped.

なお、排水量の積算値の計算には、流量Ａで空気を供給した場合の排水量を加味したものとする。ただし、流量Ａで空気を供給する時間ａの経過後に、抵抗測定電極１０による抵抗測定を行うことにより、残留水量を推定し、目標となる総排水量を決定する場合には、流量Ａでの排水量を加味せず、流量Ｂでの排水量のみを積算すればよい。 In addition, it is assumed that the amount of drainage when air is supplied at a flow rate A is included in the calculation of the integrated value of the amount of drainage. However, when the residual water amount is estimated by performing resistance measurement with the resistance measurement electrode 10 after the elapse of time a in which air is supplied at the flow rate A, and the target total drainage amount is determined, the drainage amount at the flow rate A It is sufficient to integrate only the amount of drainage at the flow rate B.

このように本実施の形態の場合、発電運転停止後に、燃料電池スタック３０内の残留水を掃気する際に、制御部４８の掃気エア供給制御手段が、残留水量推定手段により推定された燃料電池スタック３０内の残留水量と、検出された温度および充電量とにより空気の供給流量を含む掃気状態を決定し、エアコンプレッサ３２の供給流量を含む作動状態を制御している。このため、二次電池４４の温度および充電量が低い場合に、エネルギ消費量を低減して、二次電池４４の劣化を抑えつつ、エアコンプレッサ３２の空気の供給量を十分に多くすることが可能となる。この結果、二次電池４４の劣化を抑えつつ、燃料電池スタック３０内における残留水を効率よく除去して、低温時でも燃料電池スタック３０の発電停止後の再起動を行いやすくできる。 As described above, in the case of the present embodiment, when scavenging the residual water in the fuel cell stack 30 after the power generation operation is stopped, the scavenging air supply control means of the controller 48 is estimated by the residual water amount estimation means. The scavenging state including the air supply flow rate is determined based on the amount of residual water in the stack 30 and the detected temperature and charge amount, and the operation state including the supply flow rate of the air compressor 32 is controlled. For this reason, when the temperature and charge amount of the secondary battery 44 are low, the amount of air supplied to the air compressor 32 can be sufficiently increased while reducing the energy consumption and suppressing the deterioration of the secondary battery 44. It becomes possible. As a result, while suppressing deterioration of the secondary battery 44, residual water in the fuel cell stack 30 can be efficiently removed, and the fuel cell stack 30 can be easily restarted after stopping power generation even at low temperatures.

また、本実施の形態によれば、燃料供給停止直後に空気の供給流量を流量Ａとすることにより、液体水を効率よく排出できる。すなわち、液体水の排出量に対する必要エネルギの割合｛＝（必要エネルギ）／（液体水の排出量）｝を十分に小さくできる。また、流量Ａで空気を所定時間ａだけ燃料電池スタック３０に供給した後、流量Ａよりも少ない流量Ｂで空気を供給することにより、液体水として排出可能な水分を水蒸気で排出する必要がなくなり、排出効率を向上させることができる。この結果、残留水の排出処理に要する時間の短縮が可能となる。また、目標となる総排水量に達した時点でエアコンプレッサ３２の作動を停止するので、無駄なエネルギを消費せずに済み、しかも、燃料電池スタック３０内の排水過多を防止して、再起動時に必要な能力を発揮しやすくなる。 Further, according to the present embodiment, the liquid water can be efficiently discharged by setting the air supply flow rate to the flow rate A immediately after the fuel supply is stopped. That is, the ratio of the required energy to the discharge amount of liquid water {= (required energy) / (discharge amount of liquid water)} can be sufficiently reduced. In addition, after supplying air to the fuel cell stack 30 at a flow rate A for a predetermined time a, supplying air at a flow rate B smaller than the flow rate A eliminates the need to discharge moisture that can be discharged as liquid water with water vapor. , Discharge efficiency can be improved. As a result, the time required for the residual water discharge process can be shortened. Further, since the operation of the air compressor 32 is stopped when the target total amount of drainage is reached, it is not necessary to consume useless energy, and it is possible to prevent excessive drainage in the fuel cell stack 30 and to restart the engine. It becomes easy to demonstrate necessary ability.

さらに、エアコンプレッサ３２の空気の供給流量を可変とし、エアコンプレッサ３２から送り出した空気をバイパス経路３８に通過させたり、空気の供給時間、すなわちエアコンプレッサ３２の作動時間を適切に制御することにより、必要なエネルギを大幅に低減できる。そして、掃気処理に必要な二次電池４４のエネルギを低くすることにより、二次電池のエネルギが低くなる氷点下でも排水処理を行うことが可能となる。 Furthermore, by making the air supply flow rate of the air compressor 32 variable and allowing the air sent out from the air compressor 32 to pass through the bypass path 38 or appropriately controlling the air supply time, that is, the operation time of the air compressor 32, The required energy can be greatly reduced. Then, by reducing the energy of the secondary battery 44 necessary for the scavenging process, it becomes possible to perform the drainage process even below the freezing point where the energy of the secondary battery becomes low.

また、本実施の形態の場合、掃気エア供給制御手段は、二次電池４４の温度および充電量により二次電池４４の放出可能なエネルギを求め、このエネルギに対応する上限供給流量以下にエアコンプレッサ３２の供給流量を制御している。このため、二次電池４４の出力性能が低下している場合に、消費エネルギを少なくして、二次電池４４の劣化を抑えることができる。なお、本実施の形態において、掃気エア供給制御手段は、二次電池４４の温度が所定温度以下で、かつ、二次電池４４の充電量が所定充電量以下の場合に、エアコンプレッサ３２の供給流量を他の場合よりも少なくするように制御することもできる。このように構成した場合も、本実施の形態の場合と同様に、二次電池４４の出力性能が低下している場合に、消費エネルギを少なくして、二次電池４４の劣化を抑えることができる。 In the case of the present embodiment, the scavenging air supply control means obtains the energy that can be discharged from the secondary battery 44 based on the temperature and charge amount of the secondary battery 44, and is below the upper limit supply flow rate corresponding to this energy. 32 supply flow rates are controlled. For this reason, when the output performance of the secondary battery 44 is lowered, it is possible to reduce energy consumption and suppress the deterioration of the secondary battery 44. In the present embodiment, the scavenging air supply control means supplies the air compressor 32 when the temperature of the secondary battery 44 is equal to or lower than the predetermined temperature and the charge amount of the secondary battery 44 is equal to or lower than the predetermined charge amount. It is also possible to control the flow rate to be smaller than in other cases. Even in such a configuration, as in the case of the present embodiment, when the output performance of the secondary battery 44 is reduced, energy consumption can be reduced and deterioration of the secondary battery 44 can be suppressed. it can.

さらに、本実施の形態において、掃気エア供給制御手段は、二次電池４４の温度が所定温度以下で、かつ、二次電池４４の充電量が所定充電量以下の場合に、掃気開始から所定時間経過後における、掃気エア出口５２部分での湿度が所定値以上になるようにエアコンプレッサ３２の供給流量を制御することもできる。この場合も、二次電池４４の出力性能が低下している場合に、消費エネルギを少なくして、二次電池４４の劣化を抑えることができる。 Further, in the present embodiment, the scavenging air supply control means is configured to perform a predetermined time from the start of scavenging when the temperature of the secondary battery 44 is equal to or lower than a predetermined temperature and the charge amount of the secondary battery 44 is equal to or lower than the predetermined charge amount. It is also possible to control the supply flow rate of the air compressor 32 so that the humidity at the scavenging air outlet 52 after the elapse of time becomes a predetermined value or more. Also in this case, when the output performance of the secondary battery 44 is lowered, the energy consumption can be reduced and the deterioration of the secondary battery 44 can be suppressed.

［第２の発明の実施の形態］
次に、図７は、第２の発明の実施の形態を示している。本実施の形態の場合には、上記の図６に示した第１の発明の実施の形態のステップＳ４からＳ６において、燃料電池スタック３０（図１参照）に流量Ｂで供給する空気の供給時間ｂを予め決定している。すなわち、ステップＳ４で、エアコンプレッサ３２（図１参照）の空気の供給流量を所定流量Ｂに制御する。また、上記の第１の実施の形態の場合と同様に、燃料供給停止前の、二次電池４４（図１参照）の温度の検出値を表す信号および充電量監視手段５０（図１参照）により求められた二次電池４４の充電量を表すデータに対応して、上記所定流量Ｂの調整を行う。これと共に、エアコンプレッサ３２の空気の供給流量を、調整した所定流量Ｂとした場合において、燃料電池スタック３０からの排水量が目標排水量に達するまでの排水完了時間を計算により求める。この排水完了時間は、燃料供給停止からエアコンプレッサ３２の空気の供給流量をＡとする供給時間ａの経過後の時間とする。 [Second Embodiment]
Next, FIG. 7 shows an embodiment of the second invention. In the case of the present embodiment, the supply time of air supplied at a flow rate B to the fuel cell stack 30 (see FIG. 1) in steps S4 to S6 of the first embodiment of the invention shown in FIG. b is determined in advance. That is, the air supply flow rate of the air compressor 32 (see FIG. 1) is controlled to a predetermined flow rate B in step S4. Similarly to the case of the first embodiment described above, a signal indicating the detected value of the temperature of the secondary battery 44 (see FIG. 1) and the charge amount monitoring means 50 (see FIG. 1) before stopping the fuel supply. The predetermined flow rate B is adjusted in accordance with the data representing the charge amount of the secondary battery 44 obtained by the above. At the same time, when the air supply flow rate of the air compressor 32 is the adjusted predetermined flow rate B, the drainage completion time until the drainage amount from the fuel cell stack 30 reaches the target drainage amount is obtained by calculation. The drainage completion time is a time after the elapse of the supply time a in which the air supply flow rate of the air compressor 32 is A after the fuel supply is stopped.

次に、ステップＳ５で、空気を供給流量Ｂで時間ｂだけ供給した時点で、エアコンプレッサ３２の作動を停止させ、酸化ガス流路への空気の供給を停止し、掃気、すなわちパージを停止する。 Next, in step S5, when the air is supplied at the supply flow rate B for the time b, the operation of the air compressor 32 is stopped, the supply of air to the oxidizing gas flow path is stopped, and the scavenging, that is, the purge is stopped. .

このような本実施の形態の場合も、発電運転停止後に、燃料電池スタック３０内の残留水を掃気する際に、制御部４８（図１参照）が有する掃気エア供給制御手段が、残留水量推定手段により推定された燃料電池スタック３０内の残留水量と、検出された温度および充電量とにより空気の供給流量を含む掃気状態を決定し、エアコンプレッサ３２の供給流量を含む作動状態を制御している。このため、二次電池４４の温度および充電量が低い場合に、エネルギ消費量を低減して、二次電池４４の劣化を抑えつつ、エアコンプレッサ３２の空気の供給量を十分に多くすることが可能となる。
その他の構成および残留水の掃気方法は、上記の第１の実施の形態の場合と同様であるため、重複する説明は省略する。 Also in this embodiment, when the remaining water in the fuel cell stack 30 is scavenged after the power generation operation is stopped, the scavenging air supply control means included in the control unit 48 (see FIG. 1) estimates the residual water amount. The scavenging state including the air supply flow rate is determined based on the residual water amount in the fuel cell stack 30 estimated by the means, the detected temperature and the charge amount, and the operation state including the supply flow rate of the air compressor 32 is controlled. Yes. For this reason, when the temperature and charge amount of the secondary battery 44 are low, the amount of air supplied to the air compressor 32 can be sufficiently increased while reducing the energy consumption and suppressing the deterioration of the secondary battery 44. It becomes possible.
Other configurations and the scavenging method for residual water are the same as in the case of the first embodiment described above, and thus redundant description is omitted.

なお、上記の各実施の形態においては、蓄電部として二次電池４４を使用しているが、本発明は蓄電部として、電気二重層キャパシタ等、二次電池４４以外の蓄電部を使用することもできる。例えば電気二重層キャパシタを使用する場合でも、二次電池４４を使用する場合と同様に、出力性能に充電量と温度とが影響するため、本発明を採用することにより上記の各実施の形態と同様の効果を得られる。 In each of the above embodiments, the secondary battery 44 is used as the power storage unit. However, the present invention uses a power storage unit other than the secondary battery 44, such as an electric double layer capacitor, as the power storage unit. You can also. For example, even when an electric double layer capacitor is used, as in the case where the secondary battery 44 is used, the amount of charge and the temperature affect the output performance. Similar effects can be obtained.

また、上記の各実施の形態においては、抵抗測定電極１０を使用した抵抗測定により燃料電池スタック３０内の残留水量を推定しているが、本発明は、このような構成に限定するものではなく、他の構成により残留水量を推定することもできる。例えば、従来から知られているいわゆる交流インピーダンス法により燃料電池スタック３０や燃料電池セルのインピーダンスを測定することにより、内部の残留水量を推定することもできる。交流インピーダンス法は、例えば、燃料電池スタック３０の両端に負荷であるモータを接続した状態で、波形の交流電流を重畳させ、その際の電池電圧を観測して、得られた応答から内部インピーダンスを求めることにより、内部の残留水量を推定する。また、この際、合わせて、１個の燃料電池セルの電圧を観測して、得られた応答から１個の燃料電池セルでの内部インピーダンスを求めることにより、内部の残留水量を推定することもできる。 Further, in each of the embodiments described above, the residual water amount in the fuel cell stack 30 is estimated by resistance measurement using the resistance measurement electrode 10, but the present invention is not limited to such a configuration. The remaining water amount can also be estimated by other configurations. For example, the amount of residual water inside can be estimated by measuring the impedance of the fuel cell stack 30 and the fuel cell by the so-called AC impedance method that has been conventionally known. In the AC impedance method, for example, with a motor as a load connected to both ends of the fuel cell stack 30, a waveform AC current is superimposed, the battery voltage at that time is observed, and the internal impedance is determined from the obtained response. Estimate the amount of residual water in the interior. In addition, at this time, it is also possible to estimate the amount of residual water by observing the voltage of one fuel cell and obtaining the internal impedance of one fuel cell from the obtained response. it can.

また、本発明は、燃料電池の構造を限定するものではなく、従来から知られている構造等、いろいろな構造を採用できる。また、本発明においては、掃気ガスとして、窒素等の不活性ガスを使用して、燃料電池内にこの不活性ガスを供給し、残留水を掃気することもできる。 In addition, the present invention does not limit the structure of the fuel cell, and various structures such as a conventionally known structure can be adopted. In the present invention, an inert gas such as nitrogen can be used as the scavenging gas, and the inert gas can be supplied into the fuel cell to scavenge residual water.

第１の発明の実施の形態の燃料電池システムの基本構成を示す図である。It is a figure which shows the basic composition of the fuel cell system of embodiment of 1st invention. 同じく燃料供給停止後、燃料電池スタック内の残留水を掃気する場合の、燃料電池スタックへの空気（エア）の供給流量と、燃料電池スタック内からの総排水量とを示すタイムチャートである。FIG. 6 is a time chart showing the supply flow rate of air (air) to the fuel cell stack and the total amount of drainage from the fuel cell stack when scavenging residual water in the fuel cell stack after stopping the fuel supply. FIG. エアコンプレッサの空気の供給流量Ａを求めるための、供給流量と、液体水の排水完了時間との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the supply flow rate for calculating | requiring the air supply flow rate A of an air compressor, and the drainage completion time of liquid water. エアコンプレッサの空気の供給流量Ｂを求めるための、供給流量と、単位時間当たりの燃料電池スタックからの水蒸気の排出量との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the supply flow rate for calculating | requiring the supply flow rate B of the air of an air compressor, and the discharge | emission amount of the water vapor | steam from the fuel cell stack per unit time. エアコンプレッサの空気の供給流量と、所定時間掃気後の燃料電池スタックにおける掃気エア出口の湿度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the supply flow rate of the air of an air compressor, and the humidity of the scavenging air exit in the fuel cell stack after scavenging for a predetermined time. 第１の発明の実施の形態における、燃料供給停止後、燃料電池スタック内の残留水を掃気する方法を説明するためのフローチャートである。4 is a flowchart for explaining a method of scavenging residual water in the fuel cell stack after stopping fuel supply in the embodiment of the first invention. 第２の発明の実施の形態における、燃料供給停止後、燃料電池スタック内の残留水を掃気する方法を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the method of scavenging the residual water in a fuel cell stack after fuel supply stop in embodiment of 2nd invention. 従来構造の１例において、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルを示す、（Ａ）は構成図であり、（Ｂ）は断面図である。In one example of a conventional structure, a fuel cell constituting a fuel cell stack is shown, (A) is a configuration diagram, and (B) is a cross-sectional view. 同じく燃料電池セルに膜−電極接合体を配置して示す断面図である。It is sectional drawing which arrange | positions and similarly shows a membrane-electrode assembly in a fuel cell.

Explanation of symbols

１０抵抗測定電極、１２セパレータ、１４絶縁体、１６ガス流路、１８マニホールド、２０リード、２２膜−電極接合体、２４ガス拡散電極、２６電解質膜、２８燃料電池システム、３０燃料電池スタック、３２エアコンプレッサ、３４加湿器、３６本経路、３８バイパス経路、４０加湿器バイパス弁、４１ａ、４１ｂ弁、４２圧力制御弁、４４二次電池、４６温度センサ、４８制御部、５０充電量監視手段、５２掃気エア出口、５４エア排出経路。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Resistance measurement electrode, 12 Separator, 14 Insulator, 16 Gas flow path, 18 Manifold, 20 Lead, 22 Membrane-electrode assembly, 24 Gas diffusion electrode, 26 Electrolyte membrane, 28 Fuel cell system, 30 Fuel cell stack, 32 Air compressor, 34 humidifier, 36 main path, 38 bypass path, 40 humidifier bypass valve, 41a, 41b valve, 42 pressure control valve, 44 secondary battery, 46 temperature sensor, 48 control unit, 50 charge amount monitoring means, 52 Scavenging air outlet, 54 air discharge path.

Claims

A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between an oxidizing gas and a fuel gas;
A scavenging gas supply unit for supplying scavenging gas into the fuel cell,
A power storage unit for supplying electric power to the scavenging gas supply unit,
A temperature detector for detecting a temperature of said power storage unit,
Charge amount monitoring means for detecting a charge amount of the power storage unit, and a control unit having a scavenging gas supply control means,
The scavenging gas supply control means, the scavenging state determines that includes the supply flow rate of the scavenging gas with temperature and amount of charge of the power storage unit, and controls the operating condition including the supply flow rate of the scavenging gas supply unit,
The control unit has characteristics such that the degree to which the steam discharge flow rate increases rapidly as the scavenging gas supply flow rate increases in relation to the supply flow rate of the scavenging gas and the steam discharge rate from the fuel cell per unit time. The scavenging gas supply flow rate at the changing characteristic change point is set as a switching set flow rate B, the dischargeable energy of the power storage unit is calculated from the charge amount and temperature of the power storage unit, and the scavenging gas corresponding to the dischargeable energy The upper limit supply flow rate of the supply unit is obtained, the upper limit supply flow rate is compared with the switching setting flow rate B, the switching setting flow rate B is adjusted to be equal to or lower than the upper limit supply flow rate,
The scavenging gas supply control means controls the supply flow rate of the scavenging gas supply part to a flow rate A larger than the adjusted switching flow rate B after the adjustment, and after a predetermined time has elapsed since the start of scavenging at the flow rate A, A fuel cell system for controlling the supply flow rate of the scavenging gas supply unit to the adjusted switching flow rate B after adjustment .