JP5790177B2

JP5790177B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP5790177B2
Application number: JP2011128882A
Authority: JP
Inventors: 英高西村; 市川　靖; 靖市川
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2011-06-09
Filing date: 2011-06-09
Publication date: 2015-10-07
Anticipated expiration: 2031-06-09
Also published as: JP2012256514A

Description

本発明は燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.

従来の燃料電池システムとして、アノードガス供給通路に常閉ソレノイド弁を設け、アノードガス排出通路に上流から順に常開ソレノイド弁とバッファタンク（リサイクルタンク）とを設けたものがある。 As a conventional fuel cell system, there is one in which a normally closed solenoid valve is provided in an anode gas supply passage, and a normally open solenoid valve and a buffer tank (recycle tank) are provided in order from the upstream in an anode gas discharge passage.

この従来の燃料電池システムは、アノードガス排出通路に排出された未使用のアノードガスを、アノードガス供給通路に戻さないアノードガス非循環型の燃料電池システムであり、アノード圧力を制御する制御弁によって、運転状態に応じた脈動幅でアノードガスの圧力を増減圧させる脈動運転を実施していた。 This conventional fuel cell system is an anode gas non-circulation type fuel cell system in which unused anode gas discharged into the anode gas discharge passage is not returned to the anode gas supply passage, and is controlled by a control valve that controls the anode pressure. The pulsation operation for increasing / decreasing the pressure of the anode gas with the pulsation width corresponding to the operation state was performed.

特表２００７−５１７３６９号公報JP-T-2007-517369

しかしながら、前述した従来の燃料電池システムは、バッファタンクの温度変化を考慮していなかった。そのため、バッファタンクの温度によっては、設定された脈動幅で脈動運転を実施すると、燃料電池スタック内部のアノードガス濃度が低下して発電の安定性が低下したり、液水の排出性能が低下するという問題点があった。 However, the conventional fuel cell system described above does not take into account the temperature change of the buffer tank. Therefore, depending on the temperature of the buffer tank, if pulsation operation is performed with the set pulsation width, the anode gas concentration inside the fuel cell stack is lowered and power generation stability is lowered, or the discharge performance of liquid water is lowered. There was a problem.

本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたものであり、バッファタンクの温度を運転状態に応じて適切な温度に制御することで、安定した発電を行うとともに、液水の排出性能を確保することを目的とする。 The present invention has been made paying attention to such a conventional problem, and by controlling the temperature of the buffer tank to an appropriate temperature according to the operating state, stable power generation is achieved and liquid water is discharged. The purpose is to ensure performance.

本発明は、燃料電池に供給するアノードガスの圧力を周期的に増減圧させて発電するアノードガス非循環型の燃料電池システムである。そして、その燃料電池システムが、燃料電池から排出されたアノードオフガスを蓄える下流バッファタンクと、下流バッファタンク内のアノードオフガスの温度を調節する下流バッファ温度調節機構と、燃料電池システムの運転状態に応じて下流バッファ温度調節機構を制御する下流バッファ温度調節機構制御手段と、を備えることを特徴とする。 The present invention is an anode gas non-circulating fuel cell system that generates power by periodically increasing and decreasing the pressure of an anode gas supplied to a fuel cell. The fuel cell system has a downstream buffer tank that stores the anode off gas discharged from the fuel cell, a downstream buffer temperature adjustment mechanism that adjusts the temperature of the anode off gas in the downstream buffer tank, and a fuel cell system according to the operating state of the fuel cell system. And downstream buffer temperature adjustment mechanism control means for controlling the downstream buffer temperature adjustment mechanism.

本発明によれば、バッファタンクの温度を燃料電池システムの運転状態に応じて適切な温度に制御することができるので、安定した発電を行うことができるとともに、液水の排出性能を確保することができる。 According to the present invention, the temperature of the buffer tank can be controlled to an appropriate temperature according to the operating state of the fuel cell system, so that stable power generation can be performed and liquid water discharge performance can be ensured. Can do.

燃料電池の構成について説明する図である。It is a figure explaining the structure of a fuel cell. 本発明の第１実施形態によるアノードガス非循環型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 anode gas non-circulating fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. 定常運転時における脈動運転について説明する図である。It is a figure explaining the pulsation operation at the time of steady operation. ある脈動幅で脈動運転したときの、アノード圧の減圧時における流路内最低アノードガス濃度及びアノード圧の増圧時におけるアノードガスの運動エネルギーを、下流バッファタンク内の温度に応じて示した図である。A graph showing the minimum anode gas concentration in the flow path when the anode pressure is reduced and the kinetic energy of the anode gas when the anode pressure is increased according to the temperature in the downstream buffer tank when the pulsation operation is performed with a certain pulsation width. It is. アノードガス流路の内部で局所的にアノードガス濃度が他よりも低くなる部分が発生する理由について説明する図である。It is a figure explaining the reason why the portion where the anode gas concentration is locally lower than the others is generated inside the anode gas flow path. 本発明の第１実施形態による脈動運転制御について説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the pulsation operation control by 1st Embodiment of this invention. 出力電流から基準圧を算出するテーブルである。It is a table which calculates a reference pressure from output current. 出力電流から基本脈動幅を算出するテーブルである。It is a table which calculates a basic pulsation width from output current. 燃料電池スタックの温度からパージ弁の基本開度を算出するテーブルである。It is a table which calculates the basic opening of a purge valve from the temperature of a fuel cell stack. 本発明の第１実施形態によるバッファ温度制御処理について説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the buffer temperature control process by 1st Embodiment of this invention. 下流バッファタンク内の温度が所定温度のときの、脈動幅と流路内最低アノードガス濃度との関係を、パージ弁の開度に応じて示した図である。It is the figure which showed the relationship between the pulsation width | variety and the minimum anode gas density | concentration in a flow path according to the opening degree of a purge valve when the temperature in a downstream buffer tank is predetermined temperature. 本発明の第２実施形態によるアノードガス非循環型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 anode gas non-circulation type fuel cell system according to a second embodiment of the present invention. 本発明の第２実施形態によるバッファ温度制御処理について説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the buffer temperature control process by 2nd Embodiment of this invention.

以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

（第１実施形態）
燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とで挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。 (First embodiment)
A fuel cell has an electrolyte membrane sandwiched between an anode electrode (fuel electrode) and a cathode electrode (oxidant electrode), an anode gas containing hydrogen in the anode electrode (fuel gas), and a cathode gas containing oxygen in the cathode electrode (oxidant) Electricity is generated by supplying gas. The electrode reaction that proceeds in both the anode electrode and the cathode electrode is as follows.

アノード電極：２Ｈ₂→４Ｈ⁺＋４ｅ^- …(１)
カソード電極：４Ｈ⁺＋４ｅ^-＋Ｏ₂→２Ｈ₂Ｏ …(２) Anode electrode: 2H ₂ → 4H ⁺ + 4e ⁻ (1)
Cathode electrode: 4H ⁺ + 4e ⁻ + O ₂ → 2H ₂ O (2)

この（１）及び（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。 The fuel cell generates an electromotive force of about 1 volt by the electrode reactions (1) and (2).

図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池１０の構成について説明する図である。図１（Ａ）は、燃料電池１０の概略斜視図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の燃料電池１０のＢ−Ｂ断面図である。 FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a fuel cell 10 according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1A is a schematic perspective view of the fuel cell 10. FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line BB of the fuel cell 10 of FIG.

燃料電池１０は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という）１１の表裏両面に、アノードセパレータ１２とカソードセパレータ１３とが配置されて構成される。 The fuel cell 10 is configured by arranging an anode separator 12 and a cathode separator 13 on both front and back surfaces of a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”) 11.

ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１と、アノード電極１１２と、カソード電極１１３と、を備える。ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１の一方の面にアノード電極１１２を有し、他方の面にカソード電極１１３を有する。 The MEA 11 includes an electrolyte membrane 111, an anode electrode 112, and a cathode electrode 113. The MEA 11 has an anode electrode 112 on one surface of the electrolyte membrane 111 and a cathode electrode 113 on the other surface.

電解質膜１１１は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜１１１は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。 The electrolyte membrane 111 is a proton-conductive ion exchange membrane formed of a fluorine-based resin. The electrolyte membrane 111 exhibits good electrical conductivity in a wet state.

アノード電極１１２は、触媒層１１２ａとガス拡散層１１２ｂとを備える。触媒層１１２ａは、電解質膜１１１と接する。触媒層１１２ａは、白金又は白金等が担持されたカーボンブラック粒子から形成される。ガス拡散層１１２ｂは、触媒層１１２ａの外側（電解質膜１１１の反対側）に設けられ、アノードセパレータ１２と接する。ガス拡散層１１２ｂは、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。 The anode electrode 112 includes a catalyst layer 112a and a gas diffusion layer 112b. The catalyst layer 112a is in contact with the electrolyte membrane 111. The catalyst layer 112a is formed of carbon black particles carrying platinum or platinum. The gas diffusion layer 112b is provided outside the catalyst layer 112a (on the opposite side of the electrolyte membrane 111) and is in contact with the anode separator 12. The gas diffusion layer 112b is formed of a member having sufficient gas diffusibility and conductivity, and is formed of, for example, a carbon cloth woven with yarns made of carbon fibers.

カソード電極１１３もアノード電極１１２と同様に、触媒層１１３ａとガス拡散層１１３ｂとを備える。 Similarly to the anode electrode 112, the cathode electrode 113 includes a catalyst layer 113a and a gas diffusion layer 113b.

アノードセパレータ１２は、ガス拡散層１１２ｂと接する。アノードセパレータ１２は、ガス拡散層１１２ｂと接する側にアノード電極１１２にアノードガスを供給するための複数の溝状のアノードガス流路１２１を有する。 The anode separator 12 is in contact with the gas diffusion layer 112b. The anode separator 12 has a plurality of groove-shaped anode gas passages 121 for supplying anode gas to the anode electrode 112 on the side in contact with the gas diffusion layer 112b.

カソードセパレータ１３は、ガス拡散層１１３ｂと接する。カソードセパレータ１３は、ガス拡散層１１３ｂと接する側にカソード電極１１３にカソードガスを供給するための複数の溝状のカソードガス流路１３１を有する。 The cathode separator 13 is in contact with the gas diffusion layer 113b. The cathode separator 13 has a plurality of groove-like cathode gas flow paths 131 for supplying cathode gas to the cathode electrode 113 on the side in contact with the gas diffusion layer 113b.

アノードガス流路１２１を流れるアノードガスと、カソードガス流路１３１を流れるカソードガスとは、互いに平行に同一方向に流れる。互いに平行に逆方向に流れるようにしても良い。 The anode gas flowing through the anode gas flow path 121 and the cathode gas flowing through the cathode gas flow path 131 flow in the same direction in parallel with each other. You may make it flow in the opposite direction in parallel with each other.

このような燃料電池１０を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池１０を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。 When such a fuel cell 10 is used as a power source for automobiles, a large amount of electric power is required, so that it is used as a fuel cell stack in which several hundred fuel cells 10 are stacked. Then, a fuel cell system that supplies anode gas and cathode gas to the fuel cell stack is configured, and electric power for driving the vehicle is taken out.

図２は、本発明の第１実施形態によるアノードガス非循環型の燃料電池システム１の概略構成図である。 FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the anode gas non-circulating fuel cell system 1 according to the first embodiment of the present invention.

燃料電池システム１は、燃料電池スタック２と、アノードガス供給装置３と、冷却装置４と、コントローラ５と、を備える。 The fuel cell system 1 includes a fuel cell stack 2, an anode gas supply device 3, a cooling device 4, and a controller 5.

燃料電池スタック２は、複数枚の燃料電池１０を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電し、車両の駆動に必要な電力（例えばモータを駆動するために必要な電力）を発電する。 The fuel cell stack 2 is formed by stacking a plurality of fuel cells 10, generates electric power by receiving supply of anode gas and cathode gas, and generates electric power necessary for driving a vehicle (for example, electric power necessary for driving a motor). ).

燃料電池スタック２にカソードガスを供給・排出するカソードガス給排装置については、本発明の主要部ではないので、理解を容易にするために図示を省略した。本実施形態ではカソードガスとして空気を使用している。 The cathode gas supply / discharge device that supplies and discharges the cathode gas to / from the fuel cell stack 2 is not a main part of the present invention, and is not shown for easy understanding. In this embodiment, air is used as the cathode gas.

アノードガス供給装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、調圧弁３３と、圧力センサ３４と、上流バッファタンク３５と、アノードガス排出通路３６と、下流バッファタンク３７と、パージ通路３８と、パージ弁３９と、を備える。 The anode gas supply device 3 includes a high pressure tank 31, an anode gas supply passage 32, a pressure regulating valve 33, a pressure sensor 34, an upstream buffer tank 35, an anode gas discharge passage 36, a downstream buffer tank 37, and a purge passage. 38 and a purge valve 39.

高圧タンク３１は、燃料電池スタック２に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。 The high pressure tank 31 stores the anode gas supplied to the fuel cell stack 2 in a high pressure state.

アノードガス供給通路３２は、高圧タンク３１から排出されたアノードガスを燃料電池スタック２に供給するための通路であって、一端部が高圧タンク３１に接続され、他端部が燃料電池スタック２のアノードガス入口孔２１に接続される。 The anode gas supply passage 32 is a passage for supplying the anode gas discharged from the high-pressure tank 31 to the fuel cell stack 2, and has one end connected to the high-pressure tank 31 and the other end of the fuel cell stack 2. Connected to the anode gas inlet hole 21.

調圧弁３３は、アノードガス供給通路３２に設けられる。調圧弁３３は、高圧タンク３１から排出されたアノードガスを所望の圧力に調節して燃料電池スタック２に供給する。調圧弁３３は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ５によって制御される。 The pressure regulating valve 33 is provided in the anode gas supply passage 32. The pressure regulating valve 33 adjusts the anode gas discharged from the high-pressure tank 31 to a desired pressure and supplies it to the fuel cell stack 2. The pressure regulating valve 33 is an electromagnetic valve whose opening degree can be adjusted continuously or stepwise, and the opening degree is controlled by the controller 5.

圧力センサ３４は、調圧弁３３よりも下流のアノードガス供給通路３２に設けられる。圧力センサ３４は、調圧弁３３よりも下流のアノードガス供給通路３２を流れるアノードガスの圧力を検出する。本実施形態では、この圧力センサ３４で検出したアノードガスの圧力を、燃料電池スタック２内部の各アノードガス流路１２１と下流バッファタンク３７３６とを含むアノード系全体の圧力（以下「アノード圧」という。）として代用する。 The pressure sensor 34 is provided in the anode gas supply passage 32 downstream of the pressure regulating valve 33. The pressure sensor 34 detects the pressure of the anode gas flowing through the anode gas supply passage 32 downstream of the pressure regulating valve 33. In the present embodiment, the pressure of the anode gas detected by the pressure sensor 34 is the pressure of the entire anode system including each anode gas flow path 121 and the downstream buffer tank 3736 inside the fuel cell stack 2 (hereinafter referred to as “anode pressure”). .).

上流バッファタンク３５は、燃料電池スタック２の近傍のアノードガス供給通路３２に設けられて、燃料電池スタック２に供給するアノードガスを一旦蓄える。上流バッファタンク３５には、上流バッファタンク３５に蓄えられたアノードガスの温度を上げるための電気ヒータ（以下「上流バッファ電気ヒータ」という。）３５１と、上流バッファタンク３５に蓄えられたアノードガスの温度を下げるための放熱ファン（以下「上流バッファ放熱ファン」という。）３５２と、が設けられる。 The upstream buffer tank 35 is provided in the anode gas supply passage 32 in the vicinity of the fuel cell stack 2 and temporarily stores the anode gas supplied to the fuel cell stack 2. The upstream buffer tank 35 includes an electric heater (hereinafter referred to as “upstream buffer electric heater”) 351 for increasing the temperature of the anode gas stored in the upstream buffer tank 35, and anode gas stored in the upstream buffer tank 35. A heat dissipating fan (hereinafter referred to as “upstream buffer heat dissipating fan”) 352 for lowering the temperature is provided.

アノードガス排出通路３６は、一端部が燃料電池スタック２のアノードガス出口孔２２に接続され、他端部が下流バッファタンク３７の上部に接続される。アノードガス排出通路３６には、電極反応に使用されなかった余剰のアノードガスと、カソード側からアノードガス流路１２１へとクロスリークしてきた窒素や水蒸気などの不純ガスと、の混合ガス（以下「アノードオフガス」という。）が排出される。 The anode gas discharge passage 36 has one end connected to the anode gas outlet hole 22 of the fuel cell stack 2 and the other end connected to the upper portion of the downstream buffer tank 37. In the anode gas discharge passage 36, a mixed gas (hereinafter referred to as “impurity gas such as nitrogen or water vapor) cross leaked from the cathode side to the anode gas passage 121 from the cathode side to the anode gas passage 121. Anode off gas ") is discharged.

下流バッファタンク３７は、アノードガス排出通路３６を通って流れてきたアノードオフガスを一旦蓄える。アノードオフガス中の水蒸気の一部は、下流バッファタンク３７内で凝縮して液水となり、アノードオフガスから分離される。 The downstream buffer tank 37 temporarily stores the anode off gas that has flowed through the anode gas discharge passage 36. A part of the water vapor in the anode off gas is condensed in the downstream buffer tank 37 to become liquid water, and is separated from the anode off gas.

下流バッファタンク３７には、下流バッファタンク３７に蓄えられたアノードオフガスの温度を上げるための電気ヒータ（以下「下流バッファ電気ヒータ」という。）３７１と、下流バッファタンク３７に蓄えられたアノードオフガスの温度を下げるための放熱ファン（以下「下流バッファ放熱ファン」という。）３７２と、が設けられる。 The downstream buffer tank 37 includes an electric heater (hereinafter referred to as “downstream buffer electric heater”) 371 for increasing the temperature of the anode off gas stored in the downstream buffer tank 37, and anode off gas stored in the downstream buffer tank 37. A heat radiating fan (hereinafter referred to as “downstream buffer heat radiating fan”) 372 for lowering the temperature is provided.

パージ通路３８は、一端部が下流バッファタンク３７の下部に接続される。パージ通路３８の他端部は、開口端となっている。下流バッファタンク３７に溜められたアノードオフガス及び液水は、パージ通路３８を通って開口端から外気へ排出される。 One end of the purge passage 38 is connected to the lower portion of the downstream buffer tank 37. The other end of the purge passage 38 is an open end. The anode off gas and liquid water stored in the downstream buffer tank 37 are discharged from the open end to the outside air through the purge passage 38.

パージ弁３９は、パージ通路３８に設けられる。パージ弁３９は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ５によって制御される。パージ弁３９の開度を調節することで、下流バッファタンク３７からパージ通路３８を介して外気へ排出するアノードオフガスの量を調節し、下流バッファタンク３７内のアノードガス濃度が一定となるように調節する。燃料電池システム１の運転状態が同じであれば、パージ弁３９の開度を大きくするほど下流バッファタンク３７内の窒素濃度が低下し、アノードガス濃度が高くなる。 The purge valve 39 is provided in the purge passage 38. The purge valve 39 is an electromagnetic valve whose opening degree can be adjusted continuously or stepwise, and the opening degree is controlled by the controller 5. By adjusting the opening of the purge valve 39, the amount of anode off-gas discharged from the downstream buffer tank 37 to the outside air via the purge passage 38 is adjusted, so that the anode gas concentration in the downstream buffer tank 37 becomes constant. Adjust. If the operating state of the fuel cell system 1 is the same, the nitrogen concentration in the downstream buffer tank 37 decreases and the anode gas concentration increases as the opening of the purge valve 39 is increased.

冷却装置４は、冷却水循環通路４１と、冷却水循環ポンプ４２と、ラジエータ４３と、バイパス通路４４と、三方弁４５と、温度センサ４６と、を備える。 The cooling device 4 includes a cooling water circulation passage 41, a cooling water circulation pump 42, a radiator 43, a bypass passage 44, a three-way valve 45, and a temperature sensor 46.

冷却水循環通路４１は、燃料電池スタック２１を冷却するための冷却水が流れる通路であって、低温冷却水通路４１ａと、高温冷却水通路４１ｂと、を備える。 The cooling water circulation passage 41 is a passage through which cooling water for cooling the fuel cell stack 21 flows, and includes a low temperature cooling water passage 41a and a high temperature cooling water passage 41b.

低温冷却水通路４１ａは、燃料電池スタック２を冷却する冷却水のうち、ラジエータ４３で冷却された相対的に温度の低い冷却水が流れる通路である。低温冷却水通路４１ａは、一端がラジエータ４３に接続され、他端が燃料電池スタック２の冷却水入口孔２３に接続される。 The low-temperature cooling water passage 41 a is a passage through which the cooling water having a relatively low temperature cooled by the radiator 43 flows among the cooling water for cooling the fuel cell stack 2. One end of the low temperature cooling water passage 41 a is connected to the radiator 43, and the other end is connected to the cooling water inlet hole 23 of the fuel cell stack 2.

高温冷却水通路４１ｂは、燃料電池スタックを冷却する冷却水のうち、燃料電池スタック２から排出された相対的に温度の高い冷却水が流れる通路である。高温冷却水通路４１ｂは、一端が燃料電池スタック２の冷却水出口孔２４に接続され、他端がラジエータ４３に接続される。 The high-temperature cooling water passage 41b is a passage through which cooling water discharged from the fuel cell stack 2 flows out of the cooling water for cooling the fuel cell stack. One end of the high-temperature coolant passage 41 b is connected to the coolant outlet hole 24 of the fuel cell stack 2, and the other end is connected to the radiator 43.

冷却水循環ポンプ４２は、低温冷却水通路４１ａに設けられて、冷却水を循環させる。 The cooling water circulation pump 42 is provided in the low-temperature cooling water passage 41a and circulates the cooling water.

ラジエータ４３は、高温冷却水通路４１ｂを流れてきた冷却水の温度を下げて、低温冷却水通路４１ａへと排出する。 The radiator 43 lowers the temperature of the cooling water flowing through the high temperature cooling water passage 41b and discharges it to the low temperature cooling water passage 41a.

バイパス通路４４は、ラジエータ４３をバイパスさせて冷却水を循環させることができるように、一端が冷却水循環通路４１に接続され、他端が三方弁４５に接続される。 The bypass passage 44 has one end connected to the cooling water circulation passage 41 and the other end connected to the three-way valve 45 so that the cooling water can be circulated by bypassing the radiator 43.

三方弁４５は、冷却水循環通路４１に設けられる。三方弁４５は、冷却水の温度に応じて冷却水の循環経路を切り替える。具体的には、冷却水の温度が相対的に高いときは、燃料電池スタック２１から排出された冷却水が、ラジエータ４３を介して再び燃料電池スタック２１に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。逆に、冷却水の温度が相対的に低いときは、燃料電池スタック２１から排出された冷却水から排出された冷却水が、ラジエータ４３を介さずにバイパス通路４４を流れて再び燃料電池スタック２１に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。 The three-way valve 45 is provided in the cooling water circulation passage 41. The three-way valve 45 switches the cooling water circulation path according to the temperature of the cooling water. Specifically, when the temperature of the cooling water is relatively high, the cooling water circulation path is such that the cooling water discharged from the fuel cell stack 21 is supplied again to the fuel cell stack 21 via the radiator 43. Switch. On the other hand, when the temperature of the cooling water is relatively low, the cooling water discharged from the cooling water discharged from the fuel cell stack 21 flows through the bypass passage 44 without passing through the radiator 43 and is again returned to the fuel cell stack 21. The cooling water circulation path is switched so as to be supplied.

温度センサ４６は、高温冷却水通路４１ｂに設けられて、高温冷却水通路４１ｂを流れる冷却水の温度を検出する。本実施形態では、温度センサ４６で検出された冷却水の温度を燃料電池スタック２の温度として代用している。 The temperature sensor 46 is provided in the high temperature cooling water passage 41b and detects the temperature of the cooling water flowing through the high temperature cooling water passage 41b. In the present embodiment, the temperature of the cooling water detected by the temperature sensor 46 is used as the temperature of the fuel cell stack 2.

コントローラ５は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。 The controller 5 includes a microcomputer having a central processing unit (CPU), a read only memory (ROM), a random access memory (RAM), and an input / output interface (I / O interface).

コントローラ５には、前述した圧力センサ３４や温度センサ４６の他にも、燃料電池スタック２の出力電流を検出する電流センサ５１などの各種センサの検出信号が入力される。 In addition to the pressure sensor 34 and the temperature sensor 46 described above, detection signals from various sensors such as a current sensor 51 that detects the output current of the fuel cell stack 2 are input to the controller 5.

コントローラ５は、これらの入力信号に基づいて調圧弁３３を周期的に開閉し、アノード圧を周期的に増減圧させる脈動運転を行うとともに、パージ弁３９の開度を調節して下流バッファタンク３７から排出するアノードオフガスの流量を調節し、下流バッファタンク３７内のアノードガス濃度を所定濃度に保つ。 The controller 5 periodically opens and closes the pressure regulating valve 33 based on these input signals, performs pulsation operation to periodically increase and decrease the anode pressure, and adjusts the opening degree of the purge valve 39 to adjust the downstream buffer tank 37. The flow rate of the anode off gas discharged from the gas is adjusted, and the anode gas concentration in the downstream buffer tank 37 is kept at a predetermined concentration.

アノードガス非循環型の燃料電池システム１の場合、調圧弁３３を開いたままにして高圧タンク３１から燃料電池スタック２にアノードガスを供給し続けてしまうと、燃料電池スタック２から排出された未使用のアノードガスを含むアノードオフガスが、下流バッファタンク３７からパージ通路３８を介して外気へ排出され続けてしまうので無駄となる。 In the case of the anode gas non-circulation type fuel cell system 1, if the anode gas continues to be supplied from the high-pressure tank 31 to the fuel cell stack 2 while the pressure regulating valve 33 is kept open, the fuel cell stack 2 is not discharged. Since the anode off gas containing the used anode gas is continuously discharged from the downstream buffer tank 37 through the purge passage 38 to the outside air, it is wasted.

そこで、本実施形態では調圧弁３３を周期的に開閉し、アノード圧を周期的に増減圧させる脈動運転を行うのである。脈動運転を行うことで、下流バッファタンク３７に溜めたアノードオフガスを、アノード圧の減圧時に燃料電池スタック２に逆流させることができる。これにより、アノードオフガス中のアノードガスを再利用することができるので、外気へ排出されるアノードガス量を減らすことができ、無駄をなくすことができる。 Therefore, in the present embodiment, a pulsation operation is performed in which the pressure regulating valve 33 is periodically opened and closed to increase and decrease the anode pressure periodically. By performing the pulsation operation, the anode off gas stored in the downstream buffer tank 37 can be caused to flow back to the fuel cell stack 2 when the anode pressure is reduced. As a result, the anode gas in the anode off-gas can be reused, so that the amount of the anode gas discharged to the outside air can be reduced and waste can be eliminated.

以下、図３を参照して脈動運転について説明しつつ、アノード圧の減圧時に下流バッファタンク３７に溜めたアノードオフガスが燃料電池スタック２に逆流する理由について説明する。 Hereinafter, the reason why the anode off gas accumulated in the downstream buffer tank 37 flows back to the fuel cell stack 2 when the anode pressure is reduced will be described while explaining the pulsation operation with reference to FIG.

図３は、燃料電池システム１の運転状態が一定の定常運転時における脈動運転について説明する図である。 FIG. 3 is a diagram for explaining the pulsation operation during the steady operation in which the operation state of the fuel cell system 1 is constant.

図３（Ａ）に示すように、コントローラ５は、燃料電池スタック２にかかる負荷（出力電流）に基づいて、アノード圧の基準圧と脈動幅とを算出し、アノード圧の上限値及び下限値を設定する。そして、基準圧を中心として、脈動幅の範囲でアノード圧を周期的に増減圧させて、設定したアノード圧の上限値及び下限値の間でアノード圧を周期的に増減圧させる。 As shown in FIG. 3A, the controller 5 calculates the reference pressure and pulsation width of the anode pressure based on the load (output current) applied to the fuel cell stack 2, and the upper limit value and the lower limit value of the anode pressure. Set. Then, the anode pressure is periodically increased or decreased in the range of the pulsation width around the reference pressure, and the anode pressure is periodically increased or decreased between the upper limit value and the lower limit value of the set anode pressure.

具体的には、時刻ｔ１でアノード圧が下限値に達したら、図３（Ｂ）に示すように、少なくともアノード圧を上限値まで増圧させることができる開度まで調圧弁３３を開く。この状態のときは、アノードガスは高圧タンク３１から燃料電池スタック２に供給され、下流バッファタンク３７へと排出される。 Specifically, when the anode pressure reaches the lower limit value at time t1, as shown in FIG. 3B, the pressure regulating valve 33 is opened to an opening at which the anode pressure can be increased to at least the upper limit value. In this state, the anode gas is supplied from the high-pressure tank 31 to the fuel cell stack 2 and discharged to the downstream buffer tank 37.

時刻ｔ２でアノード圧が上限値に達したら、図３（Ｂ）に示すように調圧弁３３を全閉とし、高圧タンク３１から燃料電池スタック２へのアノードガスの供給を停止する。そうすると、前述した（１）の電極反応によって、燃料電池スタック２内部のアノードガス流路１２１に残されたアノードガスが時間の経過とともに消費されるので、アノードガスの消費分だけアノード圧が低下する。 When the anode pressure reaches the upper limit at time t2, the pressure regulating valve 33 is fully closed as shown in FIG. 3B, and the supply of anode gas from the high-pressure tank 31 to the fuel cell stack 2 is stopped. Then, since the anode gas left in the anode gas flow path 121 inside the fuel cell stack 2 is consumed over time due to the electrode reaction of (1) described above, the anode pressure is reduced by the amount of consumption of the anode gas. .

また、アノードガス流路１２１に残されたアノードガスが消費されると、一時的に下流バッファタンク３７の圧力がアノードガス流路１２１の圧力よりも高くなるので、下流バッファタンク３７からアノードガス流路１２１へとアノードオフガスが逆流する。その結果、アノードガス流路１２１に残されたアノードガスと、アノードガス流路１２１に逆流したアノードオフガス中のアノードガスが時間の経過とともに消費され、さらにアノード圧が低下する。 In addition, when the anode gas remaining in the anode gas flow path 121 is consumed, the pressure in the downstream buffer tank 37 temporarily becomes higher than the pressure in the anode gas flow path 121, so that the anode gas flow from the downstream buffer tank 37 The anode off gas flows back to the path 121. As a result, the anode gas left in the anode gas channel 121 and the anode gas in the anode off-gas that has flowed back to the anode gas channel 121 are consumed over time, and the anode pressure further decreases.

時刻ｔ３でアノード圧が下限値に達したら、時刻ｔ１のときと同様に調圧弁３３が開かれる。そして、時刻ｔ４で再びアノード圧が上限値に達したら、調圧弁３３を全閉とする。 When the anode pressure reaches the lower limit at time t3, the pressure regulating valve 33 is opened in the same manner as at time t1. When the anode pressure reaches the upper limit again at time t4, the pressure regulating valve 33 is fully closed.

ここで、このような脈動運転を実施する場合、アノード圧の減圧時においては、下流バッファタンク３７内の温度に応じてアノードガス流路内のアノードガス濃度の最小値（以下「流路内最低アノードガス濃度」という。）が変化することがわかった。また、アノード圧の増圧時においては、下流バッファタンク３７内の温度に応じてアノードガス流路を流れるアノードガスの流速、ひいてはアノードガスの運動エネルギーが変化することがわかった。 Here, when such pulsation operation is performed, when the anode pressure is reduced, the minimum value of the anode gas concentration in the anode gas flow path (hereinafter referred to as “the minimum in the flow path”) according to the temperature in the downstream buffer tank 37. "Anode gas concentration") was found to change. Further, it was found that when the anode pressure was increased, the flow rate of the anode gas flowing through the anode gas flow path, and hence the kinetic energy of the anode gas, changed according to the temperature in the downstream buffer tank 37.

図４は、ある脈動幅で脈動運転したときの、アノード圧の減圧時における流路内最低アノードガス濃度及びアノード圧の増圧時におけるアノードガスの運動エネルギーを、下流バッファタンク３７内の温度に応じて示した図である。図４において、破線が流路内最低アノードガス濃度を示し、実線がアノードガスの運動エネルギーを示す。 FIG. 4 shows the minimum anode gas concentration in the flow path when the anode pressure is reduced and the kinetic energy of the anode gas when the anode pressure is increased when the pulsation operation is performed with a certain pulsation width to the temperature in the downstream buffer tank 37. It is the figure shown according to it. In FIG. 4, the broken line indicates the minimum anode gas concentration in the flow path, and the solid line indicates the kinetic energy of the anode gas.

図４に示すように、アノード圧の減圧時における流路内最低アノードガス濃度は、下流バッファタンク３７内の温度が低くなるほど低くなる。一方で、アノード圧の増圧時におけるアノードガスの運動エネルギーは、下流バッファタンク３７内の温度が高くなるほど低くなる。 As shown in FIG. 4, the minimum anode gas concentration in the flow path when the anode pressure is reduced decreases as the temperature in the downstream buffer tank 37 decreases. On the other hand, the kinetic energy of the anode gas when the anode pressure is increased becomes lower as the temperature in the downstream buffer tank 37 becomes higher.

まず、アノード圧の減圧時における流路内最低アノードガス濃度が、下流バッファタンク３７内の温度が低くなるほど低くなる理由について説明する。 First, the reason why the minimum anode gas concentration in the flow path when the anode pressure is reduced becomes lower as the temperature in the downstream buffer tank 37 becomes lower will be described.

アノード圧が所定の上限圧に達したときの下流バッファタンク３７内に存在するアノードガス（水素）の物質量は、下流バッファタンク３７内の温度に応じて変化する。具体的には、下流バッファタンク３７内の圧力が同じであれば、下流バッファタンク３７内の温度が低いときほど、下流バッファタンク３７内に存在するアノードガスの物質量は多くなる。 The amount of anode gas (hydrogen) present in the downstream buffer tank 37 when the anode pressure reaches a predetermined upper limit pressure changes according to the temperature in the downstream buffer tank 37. Specifically, if the pressure in the downstream buffer tank 37 is the same, the amount of anode gas present in the downstream buffer tank 37 increases as the temperature in the downstream buffer tank 37 decreases.

アノード圧の減圧時には、アノードガス流路１２１に残されたアノードガスと、アノードガス流路１２１に逆流したアノードオフガス中のアノードガスとを消費させることで、アノード圧を上限圧から下限圧まで低下させている。そのため、下流バッファタンク３７の内部に存在するアノードガスの物質量が多くなるほど、アノード圧を下限圧まで低下させるために必要なアノードガスの消費量が多くなるので、アノード圧を下限圧まで低下させるために必要な時間が長くなる。 When the anode pressure is reduced, the anode gas remaining in the anode gas passage 121 and the anode gas in the anode off-gas that has flowed back to the anode gas passage 121 are consumed, so that the anode pressure is reduced from the upper limit pressure to the lower limit pressure. I am letting. Therefore, as the amount of the anode gas present in the downstream buffer tank 37 increases, the amount of consumption of the anode gas necessary for lowering the anode pressure to the lower limit pressure increases. Therefore, the anode pressure is reduced to the lower limit pressure. The time required for this becomes longer.

アノード圧を下限圧まで低下させるために必要な時間が長くなると、アノード圧の減圧時において、アノードガス流路１２１の内部で局所的にアノードガス濃度が他より低くなる部分が発生する。 When the time required to reduce the anode pressure to the lower limit pressure becomes longer, a portion where the anode gas concentration is locally lower than the others is generated inside the anode gas flow path 121 when the anode pressure is reduced.

図５は、アノードガス流路１２１の内部で局所的にアノードガス濃度が他よりも低くなる部分が発生する理由について説明する図である。図５（Ａ）は、アノード圧の減圧時におけるアノードガス流路１２１内のアノードガス及びアノードオフガスの流れを示した図である。図５（Ｂ）は、アノード圧の減圧時におけるアノードガス流路１２１内のアノードガスの濃度分布を、時間の経過に応じて示した図である。 FIG. 5 is a diagram for explaining the reason why a portion where the anode gas concentration is locally lower than the others is generated inside the anode gas flow path 121. FIG. 5A is a diagram showing the flow of the anode gas and the anode off-gas in the anode gas channel 121 when the anode pressure is reduced. FIG. 5B is a diagram showing the concentration distribution of the anode gas in the anode gas flow path 121 when the anode pressure is reduced as time passes.

図５（Ａ）に示すように、アノードガス流路１２１に残されたアノードガスが消費されると、一時的に下流バッファタンク３７内の圧力がアノードガス流路１２１の圧力よりも高くなるので、下流バッファタンク３７側からアノードガス流路１２１へとアノードオフガスが逆流してくる。また、同様にアノードガス供給通路３２内にある高濃度のアノードガスも、圧力の低いアノードガス流路１２１へ流れ込んでくる。 As shown in FIG. 5A, when the anode gas remaining in the anode gas flow path 121 is consumed, the pressure in the downstream buffer tank 37 temporarily becomes higher than the pressure in the anode gas flow path 121. The anode off-gas flows backward from the downstream buffer tank 37 side to the anode gas flow path 121. Similarly, the high-concentration anode gas in the anode gas supply passage 32 also flows into the anode gas passage 121 having a low pressure.

そうすると、アノードガス供給通路３２側から流れ込んでくるアノードガスと、下流バッファタンク３７側からアノードガス流路１２１へと逆流してきたアノードオフガスと、の合流部において、それぞれのガス流速が略ゼロとなる淀み点が発生する。 Then, the gas flow rates of the anode gas flowing in from the anode gas supply passage 32 side and the anode off gas flowing back from the downstream buffer tank 37 side to the anode gas flow path 121 become substantially zero. A stagnation point occurs.

アノードガス流路１２１内でこのような淀み点が発生すると、前述した（１）の電極反応に使用されないアノードオフガス中の窒素が、時間の経過に応じて淀み点近傍に溜まっていく。その結果、淀み点近傍の窒素濃度が時間の経過に応じて他よりも高くなってしまい、図５（Ｂ）に示すように、淀み点近傍のアノードガス濃度が時間の経過に応じて他よりも低くなってしまう。 When such a stagnation point is generated in the anode gas flow path 121, nitrogen in the anode off-gas that is not used for the electrode reaction (1) described above accumulates in the vicinity of the stagnation point as time passes. As a result, the nitrogen concentration in the vicinity of the stagnation point becomes higher than the others as time passes, and as shown in FIG. 5B, the anode gas concentration in the vicinity of the stagnation point becomes higher than others as time passes. Will also be low.

したがって、下流バッファタンク３７内の温度が低くなるほどアノード圧を下限圧まで低下させるために必要な時間が長くなるので、アノード圧の減圧時における流路内最低アノードガス濃度が低くなるのである。 Accordingly, the lower the temperature in the downstream buffer tank 37, the longer the time required to reduce the anode pressure to the lower limit pressure, so the minimum anode gas concentration in the flow path when the anode pressure is reduced is lowered.

次に、アノード圧の増圧時におけるアノードガスの運動エネルギーが、下流バッファタンク３７内の温度が高くなるほど低くなる理由について説明する。 Next, the reason why the kinetic energy of the anode gas when the anode pressure is increased becomes lower as the temperature in the downstream buffer tank 37 becomes higher will be described.

前述したように、アノード圧が所定の上限圧に達したときの下流バッファタンク３７内に存在するアノードガス（水素）の物質量は、下流バッファタンク３７内の温度に応じて変化する。具体的には、下流バッファタンク３７内の圧力が同じであれば、下流バッファタンク３７内の温度が高くなるほど、下流バッファタンク３７内に存在するアノードガスの物質量は少なくなる。 As described above, the amount of the anode gas (hydrogen) present in the downstream buffer tank 37 when the anode pressure reaches the predetermined upper limit pressure changes according to the temperature in the downstream buffer tank 37. Specifically, if the pressure in the downstream buffer tank 37 is the same, the amount of the anode gas present in the downstream buffer tank 37 decreases as the temperature in the downstream buffer tank 37 increases.

そのため、下流バッファタンク３７内の温度が高くなるほど、アノード圧を上限圧まで増加させるのに必要なアノードガス量が少なくなる。その結果、下流バッファタンク３７内の温度が高くなるほど、アノード圧の増圧時におけるアノードガスの流速、ひいては運動エネルギーが低下し、アノードガス流路１２１内の液水の排出性能が低下するのである。 Therefore, the higher the temperature in the downstream buffer tank 37, the smaller the amount of anode gas required to increase the anode pressure to the upper limit pressure. As a result, the higher the temperature in the downstream buffer tank 37, the lower the flow rate of the anode gas when the anode pressure is increased, and the lower the kinetic energy, and the lower the discharge performance of the liquid water in the anode gas channel 121. .

このように、下流バッファタンク３７内の温度が高くなると、アノードガス流路内の液水の排出性能が低下するものの、流路内最低アノードガス濃度が高くなるので安定した発電を行うことができる。 As described above, when the temperature in the downstream buffer tank 37 increases, the discharge performance of the liquid water in the anode gas flow path decreases, but the minimum anode gas concentration in the flow path increases, so that stable power generation can be performed. .

一方、下流バッファタンク３７内の温度が低くなると、流路内最低アノードガス濃度が低くなるものの、アノードガスの運動エネルギーが増加するのでアノードガス流路内の液水の排出性能は向上する。 On the other hand, when the temperature in the downstream buffer tank 37 is lowered, the minimum anode gas concentration in the flow path is lowered, but the kinetic energy of the anode gas is increased, so that the discharge performance of the liquid water in the anode gas flow path is improved.

したがって、下流バッファタンク３７内の温度を制御することで、アノードガス流路内の液水の排出性能及び流路内アノードガス濃度を制御することができる。 Therefore, by controlling the temperature in the downstream buffer tank 37, the discharge performance of the liquid water in the anode gas channel and the anode gas concentration in the channel can be controlled.

そこで、本実施形態では、燃料電池システム１の運転状態に応じて、下流バッファタンク３７内の温度が最適な温度となるように、下流バッファタンク３７内の温度を制御する。 Therefore, in the present embodiment, the temperature in the downstream buffer tank 37 is controlled so that the temperature in the downstream buffer tank 37 becomes an optimum temperature according to the operating state of the fuel cell system 1.

具体的には、燃料電池スタック２の電解質膜１１１が乾いた状態であり、液水の排出性能を低下させてもフラッディングのおそれがないときは、下流バッファタンク３７内の温度を上昇させて、流路内最低アノードガス濃度を高くする。これにより、発電の安定性を向上させることができる
一方で、燃料電池スタック２の電解質膜１１１が湿った状態のときは、逆に下流バッファタンク３７内の温度を下げて、アノードガスの運動エネルギーを増加させる。これにより、液水の排出性能を向上させてフラッディングの発生を抑制する。 Specifically, when the electrolyte membrane 111 of the fuel cell stack 2 is in a dry state and there is no possibility of flooding even if the discharge performance of liquid water is reduced, the temperature in the downstream buffer tank 37 is increased, Increase the minimum anode gas concentration in the flow path. As a result, the stability of power generation can be improved. On the other hand, when the electrolyte membrane 111 of the fuel cell stack 2 is in a wet state, the temperature in the downstream buffer tank 37 is lowered to reduce the kinetic energy of the anode gas. Increase. Thereby, the discharge performance of liquid water is improved and generation | occurrence | production of flooding is suppressed.

以下、本実施形態による脈動運転制御について説明する。 Hereinafter, the pulsation operation control according to the present embodiment will be described.

図６は、本実施形態による脈動運転制御について説明するフローチャートである。コントローラ５は、本ルーチンを所定時間（例えば１０ｍｓ）ごとに繰り返し実行する。 FIG. 6 is a flowchart illustrating pulsation operation control according to the present embodiment. The controller 5 repeatedly executes this routine every predetermined time (for example, 10 ms).

ステップＳ１において、コントローラ５は、スタック負荷としての出力電流、スタック温度などの各種センサの検出値を読み込む。 In step S1, the controller 5 reads detection values of various sensors such as an output current as a stack load and a stack temperature.

ステップＳ２において、コントローラ５は、図７のテーブルを参照し、出力電流に基づいて、脈動運転時のアノード圧の基準圧を算出する。図７に示すように、出力電流が大きいときほど、アノード圧の基準圧は大きくなる。 In step S2, the controller 5 refers to the table of FIG. 7 and calculates the reference pressure of the anode pressure during the pulsation operation based on the output current. As shown in FIG. 7, the reference pressure of the anode pressure increases as the output current increases.

ステップＳ３において、コントローラ５は、図８のテーブルを参照し、出力電流に基づいて、脈動運転時の脈動幅を算出する。図８に示すように、出力電流が大きいときほど、脈動幅は大きくなる。 In step S3, the controller 5 refers to the table of FIG. 8 and calculates the pulsation width during the pulsation operation based on the output current. As shown in FIG. 8, the pulsation width increases as the output current increases.

ステップＳ４において、コントローラ５は、図９のテーブルを参照し、スタック温度に基づいて、パージ弁３９の基本開度を算出する。図９に示すように、スタック温度が高いときほど、パージ弁３９の基本開度は大きくなる。 In step S4, the controller 5 refers to the table of FIG. 9 and calculates the basic opening of the purge valve 39 based on the stack temperature. As shown in FIG. 9, the basic opening degree of the purge valve 39 increases as the stack temperature increases.

ステップＳ５において、コントローラ５は、バッファ温度制御処理を実施する。バッファ温度制御処理の詳細については、図１０を参照して後述する。 In step S5, the controller 5 performs a buffer temperature control process. Details of the buffer temperature control processing will be described later with reference to FIG.

ステップＳ６において、コントローラ５は、基準圧を中心として、脈動幅の範囲でアノード圧を周期的に増減圧させて脈動運転を実施する。 In step S6, the controller 5 performs pulsation operation by periodically increasing and decreasing the anode pressure within the range of the pulsation width around the reference pressure.

図１０は、バッファ温度制御処理について説明するフローチャートである。 FIG. 10 is a flowchart illustrating the buffer temperature control process.

ステップＳ５１において、コントローラ５は、電解質膜１１１の湿潤状態を判断するために、燃料電池スタック２の内部高周波抵抗（ＨＦＲ；High Frequency Resistannce）（以下「内部抵抗」という。）を算出する。電解質膜１１１の湿潤状態と燃料電池スタック２の内部抵抗との間には相関関係があることが知られており、燃料電池スタック２の内部抵抗が低いほど膜中の水分量が多く、電解質膜１１１が濡れた状態となる。 In step S51, the controller 5 calculates an internal high frequency resistance (HFR) (hereinafter referred to as “internal resistance”) of the fuel cell stack 2 in order to determine the wet state of the electrolyte membrane 111. It is known that there is a correlation between the wet state of the electrolyte membrane 111 and the internal resistance of the fuel cell stack 2, and the lower the internal resistance of the fuel cell stack 2, the greater the amount of moisture in the membrane. 111 becomes wet.

ステップＳ５２において、コントローラ５は、燃料電池スタック２の内部抵抗が所定値よりも小さいか否かを判定する。コントローラ５は、燃料電池スタック２の内部抵抗が所定値よりも小さければ、電解質膜１１１が湿った状態であると判断してステップＳ５５の処理を行う。一方で、燃料電池スタック２の内部抵抗が所定値以上であれば、電解質膜１１１が乾いた状態であると判断してステップＳ５３の処理を行う。 In step S52, the controller 5 determines whether or not the internal resistance of the fuel cell stack 2 is smaller than a predetermined value. If the internal resistance of the fuel cell stack 2 is smaller than the predetermined value, the controller 5 determines that the electrolyte membrane 111 is wet and performs the process of step S55. On the other hand, if the internal resistance of the fuel cell stack 2 is equal to or greater than a predetermined value, it is determined that the electrolyte membrane 111 is in a dry state, and the process of step S53 is performed.

ステップＳ５３において、コントローラ５は、上流バッファタンク３５及び下流バッファタンク３７内の温度を上げる。具体的には、上流バッファ電気ヒータ３５１及び下流バッファ電気ヒータ３７１をＯＮにするとともに、上流バッファ放熱ファン３５２及び下流バッファ放熱ファン３７２をＯＦＦにする。 In step S 53, the controller 5 increases the temperatures in the upstream buffer tank 35 and the downstream buffer tank 37. Specifically, the upstream buffer electric heater 351 and the downstream buffer electric heater 371 are turned on, and the upstream buffer heat radiating fan 352 and the downstream buffer heat radiating fan 372 are turned off.

ステップＳ５４において、コントローラ５は、パージ弁３９の開度を基本開度に制御する。 In step S54, the controller 5 controls the opening degree of the purge valve 39 to the basic opening degree.

ステップＳ５５において、コントローラ５は、上流バッファタンク３５及び下流バッファタンク３７内の温度を下げる。具体的には、上流バッファ電気ヒータ３５１及び下流バッファ電気ヒータ３７１をＯＦＦにするとともに、上流バッファ放熱ファン３５２及び下流バッファ放熱ファン３７２をＯＮにする。 In step S 55, the controller 5 decreases the temperatures in the upstream buffer tank 35 and the downstream buffer tank 37. Specifically, the upstream buffer electric heater 351 and the downstream buffer electric heater 371 are turned off, and the upstream buffer heat radiating fan 352 and the downstream buffer heat radiating fan 372 are turned on.

ステップＳ５６において、コントローラ５は、パージ弁３９の開度が基本開度よりも大きくなるように制御する。これは、下流バッファタンク３７内の温度を下げると、液水の排出性能は向上するものの、流路内アノードガス濃度は低下するため、その低下分を補う必要があるからである。 In step S56, the controller 5 controls the opening degree of the purge valve 39 to be larger than the basic opening degree. This is because, when the temperature in the downstream buffer tank 37 is lowered, the liquid water discharge performance is improved, but the anode gas concentration in the flow path is lowered, so that the fall amount needs to be compensated.

図１１は、下流バッファタンク３７内の温度が所定温度のときの、脈動幅と流路内最低アノードガス濃度との関係を、パージ弁３９の開度に応じて示した図である。 FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the pulsation width and the minimum anode gas concentration in the flow path according to the opening of the purge valve 39 when the temperature in the downstream buffer tank 37 is a predetermined temperature.

図１１に示すように、アノード圧の減圧時において、脈動幅が同じときの流路内最低アノードガス濃度は、パージ弁３９の開度を大きくして下流バッファタンク３７内のアノードガス濃度を高くするほど高くなる。これは、下流バッファタンク３７内のアノードガス濃度を高くするほど、下流バッファタンク３７側からアノードガス流路１２１に逆流してくるアノードオフガス中の窒素量が少なくなり、淀み点近傍に滞留する窒素が少なくなるためである。 As shown in FIG. 11, when the anode pressure is reduced, the minimum anode gas concentration in the flow path when the pulsation width is the same is increased by increasing the opening of the purge valve 39 and increasing the anode gas concentration in the downstream buffer tank 37. The higher it is. This is because, as the anode gas concentration in the downstream buffer tank 37 is increased, the amount of nitrogen in the anode off-gas that flows backward from the downstream buffer tank 37 side to the anode gas flow path 121 decreases, and the nitrogen stays in the vicinity of the stagnation point. This is because there is less.

したがって、下流バッファタンク３７内の温度を下げたときに、パージ弁３９の開度を大きくすることで、下流バッファタンク３７内の温度を下げたことによる流路内アノードガス濃度の低下分を補うことができるのである。 Therefore, when the temperature in the downstream buffer tank 37 is lowered, the opening degree of the purge valve 39 is increased to compensate for the decrease in the anode gas concentration in the flow path due to the lowered temperature in the downstream buffer tank 37. It can be done.

以上説明した本実施形態によれば、電解質膜１１１が乾いた状態であり、液水の排出性能を低下させてもフラッディングのおそれがないときは、上流バッファタンク３５及び下流バッファタンク３７の温度を上げることとした。 According to the present embodiment described above, when the electrolyte membrane 111 is in a dry state and there is no possibility of flooding even if the discharge performance of liquid water is reduced, the temperatures of the upstream buffer tank 35 and the downstream buffer tank 37 are adjusted. I decided to raise it.

下流バッファタンク３７内の温度を上げるほど、アノード圧が上限圧に達したときの下流バッファタンク３７内のアノードガスの物質量が少なくなるので、アノード圧が下限圧まで低下するのに要する時間が短くなる。そのため、下流バッファタンク３７内の温度を上げることで、アノード圧の減圧時における流路内最低アノードガス濃度を高くすることができるので、安定した発電を行うことができる。 As the temperature in the downstream buffer tank 37 is increased, the amount of anode gas in the downstream buffer tank 37 when the anode pressure reaches the upper limit pressure decreases, so the time required for the anode pressure to drop to the lower limit pressure is reduced. Shorter. Therefore, by raising the temperature in the downstream buffer tank 37, the minimum anode gas concentration in the flow path when the anode pressure is reduced can be increased, so that stable power generation can be performed.

また、上流バッファタンク３５内の温度を上げておくことで、以下のような効果を得ることができる。 Further, by raising the temperature in the upstream buffer tank 35, the following effects can be obtained.

燃料電池システム１を車両に搭載する場合、配置スペースや重量バランスの観点から、燃料電池スタック２が車両前方に搭載され、高圧タンク３１が車両後方に搭載されることが多い。そうすると、アノードガス供給通路３２が長くなる。そのため、アノードガス供給通路３２を流れるアノードガスは、外気温度や走行風などの外部環境の影響を特に受けやすい。 When the fuel cell system 1 is mounted on a vehicle, the fuel cell stack 2 is often mounted on the front side of the vehicle and the high-pressure tank 31 is mounted on the rear side of the vehicle from the viewpoint of the arrangement space and weight balance. As a result, the anode gas supply passage 32 becomes longer. Therefore, the anode gas flowing through the anode gas supply passage 32 is particularly susceptible to the influence of the external environment such as the outside air temperature and traveling wind.

したがって、外部環境によっては燃料電池スタック２に供給するアノードガスの温度が低下し、結果として燃料電池スタック２から排出されて下流バッファタンク３７に流入するアノードオフガスの温度が低くなってしまう。そうすると、下流バッファタンク３７内の温度上昇を妨げることとなる。 Therefore, depending on the external environment, the temperature of the anode gas supplied to the fuel cell stack 2 is lowered, and as a result, the temperature of the anode off-gas discharged from the fuel cell stack 2 and flowing into the downstream buffer tank 37 is lowered. If it does so, the temperature rise in the downstream buffer tank 37 will be prevented.

そこで、本実施形態のように上流バッファタンク３５内の温度を上げておくことで、燃料電池スタック２に供給するアノードガスの温度を予め上げておくことができる。これにより、燃料電池スタック２から排出されて下流バッファタンク３７に流入するアノードオフガスの温度を高くすることができる。その結果、素早く下流バッファタンク３７内の温度を上げることができるので、より安定した発電を行うことができる。 Therefore, the temperature of the anode gas supplied to the fuel cell stack 2 can be increased in advance by increasing the temperature in the upstream buffer tank 35 as in the present embodiment. Thereby, the temperature of the anode off gas discharged from the fuel cell stack 2 and flowing into the downstream buffer tank 37 can be increased. As a result, the temperature in the downstream buffer tank 37 can be quickly raised, so that more stable power generation can be performed.

また本実施形態によれば、電解質膜１１１が湿った状態であり、フラッディングが発生しやすい状態のときは、上流バッファタンク３５及び下流バッファタンク３７の温度を下げることとした。 Further, according to the present embodiment, when the electrolyte membrane 111 is in a wet state and flooding is likely to occur, the temperatures of the upstream buffer tank 35 and the downstream buffer tank 37 are lowered.

下流バッファタンク３７内の温度を下げるほど、アノード圧を上限圧まで増加させるのに必要なアノードガス量が多くなるので、アノード圧を上限圧まで増大させるときのアノードガスの流速が早くなる。そのため、アノードガスの運動エネルギーが増加し、液水の排出性能を向上させることができる。 As the temperature in the downstream buffer tank 37 is lowered, the amount of anode gas necessary to increase the anode pressure to the upper limit pressure increases, so the flow rate of the anode gas when increasing the anode pressure to the upper limit pressure becomes faster. Therefore, the kinetic energy of the anode gas increases, and the liquid water discharge performance can be improved.

また、上流バッファタンク３５の温度を予め下げておくことで、素早く下流バッファタンク３７内の温度を下げることができるので、より液水の排出性能を向上させることができる。運動エネルギーは、ガスの密度をρ、流速をｖとすると、１／２ρｖ²で表され、ガスの密度に比例して大きくなる。そのため、上流バッファタンク３５の温度を下げるほど、燃料電池スタック２に供給されるアノードガスの密度が大きくなって運動エネルギーが増大するので、液水の排出性能を向上させることができる。 Moreover, since the temperature in the downstream buffer tank 37 can be quickly lowered by lowering the temperature of the upstream buffer tank 35 in advance, the liquid water discharge performance can be further improved. The kinetic energy is represented by 1 / 2ρv ² where ρ is the gas density and v is the flow velocity, and increases in proportion to the gas density. Therefore, as the temperature of the upstream buffer tank 35 is lowered, the density of the anode gas supplied to the fuel cell stack 2 increases and the kinetic energy increases, so that the liquid water discharge performance can be improved.

また、本実施形態によれば、下流バッファタンク３７内の温度を下げたときは、パージ弁３９の開度を基本開度よりも大きくして下流バッファタンク３７内のアノードガス濃度を高くすることとした。 Further, according to the present embodiment, when the temperature in the downstream buffer tank 37 is lowered, the opening degree of the purge valve 39 is made larger than the basic opening degree to increase the anode gas concentration in the downstream buffer tank 37. It was.

これにより、下流バッファタンク３７の温度を下げたことによって低下した分の流路内最低アノードガス濃度をパージ弁３９の開度を大きくすることで補うことができる。 As a result, the minimum anode gas concentration in the flow path can be compensated for by reducing the temperature of the downstream buffer tank 37 by increasing the opening of the purge valve 39.

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、燃料電池システム１の構成が第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下に示す実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。 (Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the configuration of the fuel cell system 1 is different from that of the first embodiment. Hereinafter, the difference will be mainly described. In the embodiment described below, the same reference numerals are used for portions that perform the same functions as those of the first embodiment described above, and repeated descriptions are omitted as appropriate.

図１２は、本発明の第２実施形態によるアノードガス非循環型の燃料電池システム１の概略構成図である。 FIG. 12 is a schematic configuration diagram of an anode gas non-circulating fuel cell system 1 according to the second embodiment of the present invention.

本実施形態による冷却装置４は、第１分岐通路４７と、第２分岐通路４８と、を備える。 The cooling device 4 according to the present embodiment includes a first branch passage 47 and a second branch passage 48.

第１分岐通路４７は、冷却水循環ポンプ４２よりも下流の低温冷却水通路４１ａから分岐して、三方弁４５と冷却水循環ポンプ４２との間の低温冷却水通路４１ａに合流する通路である。第１分岐通路４７は、下流バッファタンク３７内を貫通するように形成される。これにより、下流バッファタンク３７内のアノードオフガスと第１分岐通路４７を流れる冷却水との間で熱交換できるようになっている。第１分岐通路４７には、下流バッファタンク３７よりも下流に第１通水量制御弁４７１が設けられる。 The first branch passage 47 is a passage that branches off from the low-temperature cooling water passage 41 a downstream of the cooling water circulation pump 42 and joins the low-temperature cooling water passage 41 a between the three-way valve 45 and the cooling water circulation pump 42. The first branch passage 47 is formed so as to penetrate the downstream buffer tank 37. Thereby, heat exchange can be performed between the anode off gas in the downstream buffer tank 37 and the cooling water flowing through the first branch passage 47. A first water flow rate control valve 471 is provided in the first branch passage 47 downstream of the downstream buffer tank 37.

第１通水量制御弁４７１は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁であり、低温冷却水通路４１ａから第１分岐通路４７へと流入してくる冷却水の流量を調節する。第１通水量制御弁４７１は、コントローラ５によって開度が制御される。 The first water flow rate control valve 471 is an electromagnetic valve whose opening degree can be adjusted continuously or stepwise, and the flow rate of the cooling water flowing into the first branch passage 47 from the low temperature cooling water passage 41a. Adjust. The opening degree of the first water flow rate control valve 471 is controlled by the controller 5.

第２分岐通路４８は、高温冷却水通路４１ｂから分岐して、三方弁４５と冷却水循環ポンプ４２との間の低温冷却水通路４１ａに合流する通路である。第２分岐通路４８は、上流バッファタンク３５の内部を貫通するように形成される。これにより、上流バッファタンク３５内のアノードガスと第２分岐通路４８を流れる冷却水との間で熱交換できるようになっている。第２分岐通路４８には、上流バッファタンク３５よりも下流に第２通水量制御弁４８１が設けられる。 The second branch passage 48 is a passage that branches off from the high-temperature cooling water passage 41 b and joins the low-temperature cooling water passage 41 a between the three-way valve 45 and the cooling water circulation pump 42. The second branch passage 48 is formed so as to penetrate the inside of the upstream buffer tank 35. Thus, heat exchange can be performed between the anode gas in the upstream buffer tank 35 and the cooling water flowing through the second branch passage 48. A second water flow rate control valve 481 is provided in the second branch passage 48 downstream of the upstream buffer tank 35.

第２通水量制御弁４８１は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁であり、高温冷却水通路４１ｂから第２分岐通路４８へと流入してくる冷却水の流量を調節する。第２通水量制御弁４８１は、コントローラ５によって開度が制御される。 The second water flow rate control valve 481 is an electromagnetic valve capable of adjusting the opening degree continuously or stepwise, and controls the flow rate of the cooling water flowing into the second branch passage 48 from the high-temperature cooling water passage 41b. Adjust. The opening degree of the second water flow rate control valve 481 is controlled by the controller 5.

また、本実施形態による燃料電池システム１は、高温冷却水通路４１ｂに設けられた温度センサ４６のほかに、３つの温度センサ４９，３５３，３７３を備える。 The fuel cell system 1 according to the present embodiment includes three temperature sensors 49, 353, and 373 in addition to the temperature sensor 46 provided in the high-temperature cooling water passage 41b.

３つの温度センサのうちの１つは、低温温冷却水通路４１ａに設けられて低温温冷却水通路４１ａを流れる冷却水の温度を検出する温度センサ４９である。もう１つは、上流バッファタンク３５内に設けられて上流バッファタンク３５内の温度を検出する温度センサ３５３である。最後の１つは、下流バッファタンク３７内に設けられて下流バッファタンク３７内の温度を検出する温度センサ３７３である。これら３つの温度センサ４９，３５３，３７３の検出信号はコントローラ５に入力される。 One of the three temperature sensors is a temperature sensor 49 that is provided in the low temperature / temperature cooling water passage 41a and detects the temperature of the cooling water flowing through the low temperature / temperature cooling water passage 41a. The other is a temperature sensor 353 that is provided in the upstream buffer tank 35 and detects the temperature in the upstream buffer tank 35. The last one is a temperature sensor 373 that is provided in the downstream buffer tank 37 and detects the temperature in the downstream buffer tank 37. Detection signals from these three temperature sensors 49, 353, and 373 are input to the controller 5.

本実施形態では、低温温冷却水通路４１ａを流れる冷却水の温度と、下流バッファタンク３７の温度と、を比較し、電解質膜１１１の湿潤状態に応じて第１通水量制御弁４７１の開度を制御することで、下流バッファタンク３７内の温度を制御する。また、高温温冷却水通路４１ｂを流れる冷却水の温度と、上流バッファタンク３５の温度と、を比較し、電解質膜１１１の湿潤状態に応じて第２通水量制御弁４８１の開度を制御することで、上流バッファタンク３５内の温度を制御する。以下、この本実施形態によるバッファ温度制御処理について説明する。 In the present embodiment, the temperature of the cooling water flowing through the low-temperature temperature cooling water passage 41 a is compared with the temperature of the downstream buffer tank 37, and the opening degree of the first water flow rate control valve 471 according to the wet state of the electrolyte membrane 111. By controlling the above, the temperature in the downstream buffer tank 37 is controlled. Further, the temperature of the cooling water flowing through the high-temperature temperature cooling water passage 41b is compared with the temperature of the upstream buffer tank 35, and the opening degree of the second water flow rate control valve 481 is controlled according to the wet state of the electrolyte membrane 111. Thus, the temperature in the upstream buffer tank 35 is controlled. The buffer temperature control process according to this embodiment will be described below.

図１３は、本実施形態によるバッファ温度制御処理について説明するフローチャートである。 FIG. 13 is a flowchart illustrating the buffer temperature control process according to the present embodiment.

ステップＳ２５１において、コントローラ５は、下流バッファタンク３７内の温度と、低温冷却水通路４１ａを流れる冷却水の温度と、の大小を比較する。コントローラ５は、下流バッファタンク３７内の温度が低温冷却水通路４１ａを流れる冷却水の温度より高ければステップＳ２５２の処理を行う。一方で、下流バッファタンク３７内の温度が低温冷却水通路４１ａを流れる冷却水の温度以下であればステップＳ２５３の処理を行う。 In step S251, the controller 5 compares the temperature in the downstream buffer tank 37 with the temperature of the cooling water flowing through the low-temperature cooling water passage 41a. If the temperature in the downstream buffer tank 37 is higher than the temperature of the cooling water flowing through the low-temperature cooling water passage 41a, the controller 5 performs the process of step S252. On the other hand, if the temperature in the downstream buffer tank 37 is equal to or lower than the temperature of the cooling water flowing through the low-temperature cooling water passage 41a, the process of step S253 is performed.

ステップＳ２５２において、コントローラ５は、第１通水量制御弁４７１を閉じて、下流バッファタンク３７内のアノードオフガスと第１分岐通路４７を流れる冷却水との間の熱交換を停止する。これにより、下流バッファタンク３７内の温度を高温の状態に保つ。 In step S 252, the controller 5 closes the first water flow rate control valve 471 and stops heat exchange between the anode off gas in the downstream buffer tank 37 and the cooling water flowing through the first branch passage 47. Thereby, the temperature in the downstream buffer tank 37 is kept at a high temperature.

ステップＳ２５３において、コントローラ５は、第１通水量制御弁４７１を開き、下流バッファタンク３７内のアノードガスと第１分岐通路４７を流れる冷却水との間で熱交換を実施する。これにより、下流バッファタンク３７内のアノードオフガスの温度を冷却水との熱交換によって上昇させる。 In step S 253, the controller 5 opens the first water flow rate control valve 471 and performs heat exchange between the anode gas in the downstream buffer tank 37 and the cooling water flowing through the first branch passage 47. Thereby, the temperature of the anode off gas in the downstream buffer tank 37 is raised by heat exchange with the cooling water.

ステップＳ２５４において、コントローラ５は、上流バッファタンク３５内の温度と、高温冷却水通路４１ｂを流れる冷却水の温度と、の大小を比較する。コントローラ５は、上流バッファタンク３５内の温度が高温冷却水通路４１ｂを流れる冷却水の温度より高ければステップＳ２５５の処理を行う。一方で、上流バッファタンク３５内の温度が高温冷却水通路４１ｂを流れる冷却水の温度以下であればステップＳ２５６の処理を行う。 In step S254, the controller 5 compares the temperature in the upstream buffer tank 35 with the temperature of the cooling water flowing through the high-temperature cooling water passage 41b. If the temperature in the upstream buffer tank 35 is higher than the temperature of the cooling water flowing through the high-temperature cooling water passage 41b, the controller 5 performs the process of step S255. On the other hand, if the temperature in the upstream buffer tank 35 is equal to or lower than the temperature of the cooling water flowing through the high-temperature cooling water passage 41b, the process of step S256 is performed.

ステップＳ２５５において、コントローラ５は、第２通水量制御弁４８１を閉じて、上流バッファタンク３５内のアノードガスと第２分岐通路４８を流れる冷却水との間の熱交換を停止する。これにより、上流バッファタンク３５内の温度を高温の状態に保つ。 In step S 255, the controller 5 closes the second water flow rate control valve 481 and stops heat exchange between the anode gas in the upstream buffer tank 35 and the cooling water flowing through the second branch passage 48. Thereby, the temperature in the upstream buffer tank 35 is kept at a high temperature.

ステップＳ２５６において、コントローラ５は、第２通水量制御弁４８１を開き、上流バッファタンク３５内のアノードガスと第２分岐通路４８を流れる冷却水との間の熱交換を実施する。これにより、上流バッファタンク３５内のアノードガスの温度を冷却水との熱交換によって上昇させる。 In step S 256, the controller 5 opens the second water flow amount control valve 481 and performs heat exchange between the anode gas in the upstream buffer tank 35 and the cooling water flowing through the second branch passage 48. Thereby, the temperature of the anode gas in the upstream buffer tank 35 is raised by heat exchange with the cooling water.

ステップＳ２５７において、コントローラ５は、下流バッファタンク３７内の温度と、低温冷却水通路４１ａを流れる冷却水の温度と、の大小を比較する。コントローラ５は、下流バッファタンク３７内の温度が低温冷却水通路４１ａを流れる冷却水の温度より高ければステップＳ２５８の処理を行う。一方で、下流バッファタンク３７内の温度が低温冷却水通路４１ａを流れる冷却水の温度以下であればステップＳ２５９の処理を行う。 In step S257, the controller 5 compares the temperature in the downstream buffer tank 37 with the temperature of the cooling water flowing through the low-temperature cooling water passage 41a. If the temperature in the downstream buffer tank 37 is higher than the temperature of the cooling water flowing through the low-temperature cooling water passage 41a, the controller 5 performs the process of step S258. On the other hand, if the temperature in the downstream buffer tank 37 is equal to or lower than the temperature of the cooling water flowing through the low-temperature cooling water passage 41a, the process of step S259 is performed.

ステップＳ２５８において、コントローラ５は、第１通水量制御弁４７１を開き、下流バッファタンク３７内のアノードオフガスと第１分岐通路４７を流れる冷却水との間で熱交換を実施する。これにより、下流バッファタンク３７内のアノードオフガスの温度を冷却水との熱交換によって下げる。 In step S 258, the controller 5 opens the first water flow rate control valve 471 and performs heat exchange between the anode off gas in the downstream buffer tank 37 and the cooling water flowing through the first branch passage 47. Thereby, the temperature of the anode off gas in the downstream buffer tank 37 is lowered by heat exchange with the cooling water.

ステップＳ２５９において、コントローラ５は、第１通水量制御弁４７１を閉じて、下流バッファタンク３７内のアノードオフガスと第１分岐通路４７を流れる冷却水との間の熱交換を停止する。これにより、下流バッファタンク３７内の温度を低温の状態に保つ。 In step S 259, the controller 5 closes the first water flow rate control valve 471 and stops heat exchange between the anode off-gas in the downstream buffer tank 37 and the cooling water flowing through the first branch passage 47. Thereby, the temperature in the downstream buffer tank 37 is kept at a low temperature.

ステップＳ２６０において、コントローラ５は、上流バッファタンク３５内の温度と、高温冷却水通路４１ｂを流れる冷却水の温度と、の大小を比較する。コントローラ５は、上流バッファタンク３５内の温度が高温冷却水通路４１ｂを流れる冷却水の温度より高ければステップＳ２６１の処理を行う。一方で、上流バッファタンク３５内の温度が高温冷却水通路４１ｂを流れる冷却水の温度以下であればステップＳ２６２の処理を行う。 In step S260, the controller 5 compares the temperature in the upstream buffer tank 35 with the temperature of the cooling water flowing through the high-temperature cooling water passage 41b. If the temperature in the upstream buffer tank 35 is higher than the temperature of the cooling water flowing through the high temperature cooling water passage 41b, the controller 5 performs the process of step S261. On the other hand, if the temperature in the upstream buffer tank 35 is equal to or lower than the temperature of the cooling water flowing through the high-temperature cooling water passage 41b, the process of step S262 is performed.

ステップＳ２６１において、コントローラ５は、第２通水量制御弁４８１を開き、上流バッファタンク３５内のアノードガスと第２分岐通路４８を流れる冷却水との間の熱交換を実施する。これにより、上流バッファタンク３５内のアノードガスの温度を冷却水との熱交換によって下げる。 In step S 261, the controller 5 opens the second water flow rate control valve 481 and performs heat exchange between the anode gas in the upstream buffer tank 35 and the cooling water flowing through the second branch passage 48. Thereby, the temperature of the anode gas in the upstream buffer tank 35 is lowered by heat exchange with the cooling water.

ステップＳ２６２において、コントローラ５は、第２通水量制御弁４８１を閉じて、上流バッファタンク３５内のアノードガスと第２分岐通路４８を流れる冷却水との間の熱交換を停止する。これにより、上流バッファタンク３５内の温度を低温の状態に保つ。 In step S 262, the controller 5 closes the second water flow amount control valve 481 and stops heat exchange between the anode gas in the upstream buffer tank 35 and the cooling water flowing through the second branch passage 48. Thereby, the temperature in the upstream buffer tank 35 is kept at a low temperature.

以上説明した本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られるほか、電気ヒータや放熱ファンを設ける必要がないので、消費電力を抑えることができ、燃費を向上させることができる。 According to the present embodiment described above, the same effects as those of the first embodiment can be obtained, and since it is not necessary to provide an electric heater or a heat radiating fan, power consumption can be suppressed and fuel consumption can be improved. .

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is obvious that various modifications can be made within the scope of the technical idea.

上記各実施形態では、電解質膜の湿潤状態を燃料電池スタックの内部抵抗に基づいて判断していたが、これに限られるものではない。例えば、燃料電池システム１の運転状態に基づいて、前述した（１）及び（２）の電極反応によって生じる生成水の量から判断しても良い。また、アノードガス流路１２１内に存在する液水の量が増えてくると、ガス拡散性が阻害されて燃料電池スタック２の出力電圧が徐々に低下するので、出力電圧に基づいて判断しても良い。 In each of the above embodiments, the wet state of the electrolyte membrane is determined based on the internal resistance of the fuel cell stack. However, the present invention is not limited to this. For example, based on the operating state of the fuel cell system 1, it may be determined from the amount of generated water generated by the electrode reactions (1) and (2) described above. Further, if the amount of liquid water present in the anode gas flow path 121 increases, the gas diffusibility is hindered and the output voltage of the fuel cell stack 2 gradually decreases. Also good.

また上記各実施形態では、上流バッファタンク３５及び下流バッファタンク３７のそれぞれの温度を制御可能に構成していたが、いずれか一方の温度のみを制御可能なように構成しても良い。 In each of the above embodiments, the temperature of each of the upstream buffer tank 35 and the downstream buffer tank 37 is configured to be controllable. However, only one of the temperatures may be controlled.

また上記各実施形態において、上流バッファタンク３５及び下流バッファタンク３７を車両前方の比較的走行風の当りやすい場所に配置することで、放熱性能を向上させて、温度を下げやすくすることができる。また、通常、車速の高い高負荷運転状態になると燃料電池スタック２の内部の生成水量が多くなるため、アノード側への液水排出性能を向上させる必要がある。上流バッファタンク３５及び下流バッファタンク３７を走行風の当りやすい場所に配置することで、自然とバッファタンクの温度が低下するので、液水排出性能を向上させることができる。 In each of the above embodiments, by disposing the upstream buffer tank 35 and the downstream buffer tank 37 at a location where the traveling wind is relatively easy to hit in front of the vehicle, the heat radiation performance can be improved and the temperature can be easily lowered. Moreover, normally, since the amount of produced water inside the fuel cell stack 2 increases when the vehicle speed is in a high load operation state, it is necessary to improve the liquid water discharge performance to the anode side. By disposing the upstream buffer tank 35 and the downstream buffer tank 37 in a place where the traveling wind can easily hit, the temperature of the buffer tank naturally decreases, so that the liquid water discharge performance can be improved.

１燃料電池システム
１０燃料電池
３５上流バッファタンク
３５１上流バッファ電気ヒータ（上流バッファ温度調節機構）
３５２上流バッファ放熱ファン（上流バッファ温度調節機構）
３７下流バッファタンク
３７１下流バッファ電気ヒータ（下流バッファ温度調節機構）（ヒータ）
３７２下流バッファ放熱ファン（下流バッファ温度調節機構）（ファン）
３９パージ弁
４７第１分岐通路（分岐通路）
４７１第１通水量制御弁（流量制御弁）
Ｓ５２フラッディング判定手段
Ｓ５３下流バッファ温度調節機構制御手段
Ｓ５４パージ弁制御手段
Ｓ５５下流バッファ温度調節機構制御手段
Ｓ５６パージ弁開度補正手段 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system 10 Fuel cell 35 Upstream buffer tank 351 Upstream buffer electric heater (upstream buffer temperature control mechanism)
352 Upstream buffer heat dissipation fan (upstream buffer temperature control mechanism)
37 Downstream Buffer Tank 371 Downstream Buffer Electric Heater (Downstream Buffer Temperature Control Mechanism) (Heater)
372 Downstream buffer heat dissipation fan (downstream buffer temperature control mechanism) (fan)
39 Purge valve 47 First branch passage (branch passage)
471 First water flow control valve (flow control valve)
S52 Flooding determination means S53 Downstream buffer temperature adjustment mechanism control means S54 Purge valve control means S55 Downstream buffer temperature adjustment mechanism control means S56 Purge valve opening correction means

Claims

An anode gas non-circulating fuel cell system for generating power by periodically increasing and decreasing the pressure of the anode gas supplied to the fuel cell,
A downstream buffer tank for storing anode off-gas discharged from the fuel cell;
A downstream buffer temperature adjustment mechanism for adjusting the temperature of the anode offgas in the downstream buffer tank;
Downstream buffer temperature adjustment mechanism control means for controlling the downstream buffer temperature adjustment mechanism according to the operating state of the fuel cell system;
A fuel cell system comprising:

The downstream buffer temperature adjustment mechanism control means includes:
A flood determining means for determining whether flooding may occur based on a wet state of the fuel cell;
When it is determined that there is no risk of flooding, the downstream buffer temperature adjustment mechanism is controlled to increase the temperature in the downstream buffer tank.
The fuel cell system according to claim 1.

The downstream buffer temperature adjustment mechanism control means includes:
A flood determining means for determining whether flooding may occur based on a wet state of the fuel cell;
When it is determined that flooding may occur, the temperature in the downstream buffer tank is lowered by controlling the downstream buffer temperature adjustment mechanism,
The fuel cell system according to claim 1.

A purge valve for adjusting the flow rate of the anode off-gas discharged from the downstream buffer tank;
Purge valve control means for controlling the purge valve to a basic opening degree according to the operating state of the fuel cell system so that the anode gas concentration in the downstream buffer tank becomes a predetermined concentration;
A purge valve opening correction means for making the opening of the purge valve larger than a basic opening when it is determined that there is a risk of flooding;
The fuel cell system according to claim 3, further comprising:

The downstream buffer temperature adjustment mechanism includes:
A heater for raising the temperature in the downstream buffer tank;
A fan for radiating heat in the downstream buffer tank to the outside;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, further comprising:

A cooling water circulation passage for cooling the fuel cell ;
The downstream buffer temperature adjustment mechanism includes:
A branch passage formed to branch from the cooling water circulation passage and pass through the inside of the downstream buffer tank;
A flow rate control valve that is provided in the branch passage and adjusts the flow rate of cooling water flowing into the branch passage from the cooling water circulation passage ;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, further comprising:

An upstream buffer tank for storing anode gas to be supplied to the fuel cell;
An upstream buffer temperature adjustment mechanism for adjusting the temperature in the upstream buffer tank;
Upstream buffer temperature adjustment mechanism control means for controlling the upstream buffer temperature adjustment mechanism according to the operating state of the fuel cell system;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, further comprising:

The upstream buffer tank and the downstream buffer tank are mounted in front of the vehicle where the traveling wind easily hits.
The fuel cell system according to claim 7.

An anode gas non-circulating fuel cell system for generating power by periodically increasing and decreasing the pressure of the anode gas supplied to the fuel cell,
An upstream buffer tank for storing anode gas to be supplied to the fuel cell;
A downstream buffer tank for storing anode off-gas discharged from the fuel cell;
An upstream buffer temperature adjustment mechanism for adjusting the temperature of the anode offgas in the upstream buffer tank;
Upstream buffer temperature adjustment mechanism control means for controlling the upstream buffer temperature adjustment mechanism according to the operating state of the fuel cell system;
A fuel cell system comprising: