JP6015525B2 - Fuel cell system - Google Patents

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本発明は、燃料電池システムに関するものである。   The present invention relates to a fuel cell system.

燃料電池の運転停止時において、一般に、燃料電池内に残る滞留水を掃気ガスによって排出する処理(「掃気処理」あるいは「掃気運転」とも呼ばれる)が行われている。例えば、特許文献1には、燃料電池が起動停止した後、燃料電池が所定温度以下となった際に劣化対策掃気よりも大流量で掃気することによりアノード電極およびカソード電極内部の生成水を排出することが記載されている。また、特許文献2には、発電停止直後に燃料電池内を大流量で掃気し、その後に所定時間掃気を停止した後に、小流量の掃気を行うことが記載されている。また、特許文献3には、酸化剤ガス流路に発生した水滴を大流量の酸化剤ガスで短時間掃気した後、乾燥した小流量の酸化剤ガスで固体高分子電解質膜を起動性の良好な含水量とするために上記短時間掃気よりも長い時間掃気を行うことが記載されている。   When the operation of the fuel cell is stopped, generally, a process (also referred to as “scavenging process” or “scavenging operation”) in which the remaining water remaining in the fuel cell is discharged by the scavenging gas is performed. For example, Patent Document 1 discloses that after the fuel cell is started and stopped, the generated water inside the anode electrode and the cathode electrode is discharged by scavenging at a larger flow rate than the deterioration countermeasure scavenging when the fuel cell falls below a predetermined temperature. It is described to do. Patent Document 2 describes that the inside of the fuel cell is scavenged at a large flow rate immediately after power generation is stopped, and then scavenging at a low flow rate is performed after scavenging is stopped for a predetermined time. Patent Document 3 discloses that a water droplet generated in an oxidant gas flow channel is scavenged for a short time with a large flow rate of oxidant gas, and then a solid polymer electrolyte membrane is formed with a good startability using a dry small flow rate of oxidant gas. It is described that scavenging is performed for a longer time than the short-time scavenging in order to obtain a proper water content.

特開2009−252593号公報JP 2009-252593 A 特開2007−073328号公報JP 2007-073328 A 特開2007−115581号公報JP 2007-115581 A

ここで、セパレータに形成された溝状のガス流路の出口部分に、複数の細流路(以下、「くし歯流路」と呼ぶ)が形成された構造の流路が適用される場合がある。くし歯流路を有するガス流路において、上記掃気処理を適用した場合、以下の問題がある。   Here, a channel having a structure in which a plurality of narrow channels (hereinafter referred to as “comb channel”) is formed at the outlet of the groove-shaped gas channel formed in the separator may be applied. . When the above scavenging process is applied to a gas channel having a comb channel, there are the following problems.

上記特許文献1の掃気処理を適用した場合、完全に滞留水を除去すれば問題はないが、滞留水を完全に除去するには大流量での長時間の掃気が必要となる。しかしながら、システム構成上、掃気処理のために設定可能な時間にはある程度制限が設けられる場合があり、設定された掃気時間による掃気処理によって滞留水を完全に除去できなかった場合、くし歯流路近くに残った水がくし歯流路内に移動して滞留する可能性がある。   When the scavenging process of Patent Document 1 is applied, there is no problem if the stagnant water is completely removed, but scavenging for a long time at a large flow rate is required to completely remove the stagnant water. However, due to the system configuration, the time that can be set for the scavenging process may be limited to some extent, and if the stagnant water cannot be completely removed by the scavenging process for the set scavenging time, the comb flow path There is a possibility that water remaining in the vicinity moves and stays in the comb tooth channel.

上記特許文献2の掃気処理を適用した場合においても、滞留水を除去するには小流量での長時間の掃気が必要であり、設定された掃気時間による掃気処理によって滞留水を完全に除去できなかった場合、くし歯流路近くに残った水がくし歯流路内に移動して滞留する可能性がある。   Even when the scavenging process of Patent Document 2 is applied, scavenging for a long time with a small flow rate is necessary to remove the stagnant water, and the stagnant water can be completely removed by the scavenging process with the set scavenging time. If not, water remaining near the comb channel may move and stay in the comb channel.

上記特許文献3の掃気処理は、固体高分子電解質膜を起動良好な含水量とするために乾燥した小流量の酸化剤ガスで長時間掃気を行うものであり、燃料電池内の滞留水を完全に除去することは想定されていない。このため、上記特許文献1,2と同様に、くし歯流路近くに残った水がくし歯流路内に移動して滞留する可能性がある。   The scavenging process of Patent Document 3 is to perform scavenging for a long time with a small flow rate of an oxidant gas that is dry to make the solid polymer electrolyte membrane have a good starting water content. It is not supposed to be removed. For this reason, similarly to the above-mentioned Patent Documents 1 and 2, water remaining near the comb channel may move and stay in the comb channel.

くし歯流路の滞留水は、凍結によって閉塞を引き起こし、氷点下での始動不可となる可能性がある。このため、ガス流路の出口にくし歯流路が形成されたガス流路に対して、すべての滞留水の除去のために長時間の掃気処理を行うことなく、くし歯流路の滞留水を除去することが望まれていた。そのほか、従来の燃料電池や燃料電池システムにおいては、その小型化や、低コスト化、省資源化、製造の容易化、使い勝手の向上等が望まれていた。   The stagnant water in the comb-tooth flow path may be blocked by freezing and may not be able to start below freezing. Therefore, the retained water in the comb channel can be removed without performing a long-time scavenging process for removing all the accumulated water on the gas channel in which the comb channel is formed at the outlet of the gas channel. It was desired to remove. In addition, conventional fuel cells and fuel cell systems have been desired to be reduced in size, reduced in cost, resource-saving, easy to manufacture, and improved in usability.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms.

(1)本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、溝状のガス流路が形成されたセパレータを含む燃料電池セルを有する燃料電池と;前記ガス流路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よる掃気運転を行う掃気制御部と;を備える。前記ガス流路は、ガス流路出口に連結されたくし歯形状の流路を有するガス導出流路、および、前記ガス導出流路の上流側に連結された上流側ガス流路を含む。前記掃気制御部は、前記燃料電池の運転を停止する時に、第1の掃気ガス流量および第1の掃気時間で、前記掃気ガス供給部から前記掃気ガスを供給することにより、前記燃料電池セル内に滞留する水を前記ガス流路の外部に排出する第1の掃気運転を実行する。前記第1の掃気運転を実行後に、前記第1の掃気ガス流量よりも低い第2の掃気ガス流量であって、前記上流側ガス流路に滞留する水を残した状態で前記ガス導出流路に滞留する水を前記ガス導出流路の外部に排出する第2の掃気ガス量、および、前記第1の掃気時間よりも短い第2の掃気時間で、前記掃気ガス供給部から前記掃気ガスを供給する第2の掃気運転を実行する。この形態の燃料電池システムによれば、従来に比べて短時間かつ省エネルギーで、ガス流路出口に連結されたくし歯形状の流路を有するガス導出流路に滞留する水を排出できるため、滞留する水の凍結によるガス導出流路の閉塞を抑制することが可能となる。 (1) According to one aspect of the present invention, a fuel cell system is provided. The fuel cell system includes a fuel cell having a fuel cell including a separator in which a groove-like gas flow path is formed; a scavenging gas supply unit that supplies a scavenging gas to the gas flow path; and a scavenging gas supply unit. A scavenging control unit that performs the scavenging operation. The gas channel includes a gas outlet channel having a comb-shaped channel connected to the gas channel outlet, and an upstream gas channel connected to the upstream side of the gas outlet channel. The scavenging control unit supplies the scavenging gas from the scavenging gas supply unit at a first scavenging gas flow rate and a first scavenging time when stopping the operation of the fuel cell, thereby A first scavenging operation is performed to discharge water staying in the gas passage to the outside of the gas flow path. The second gas scavenging gas flow rate lower than the first gas scavenging gas flow rate after execution of the first gas scavenging operation, and the gas outlet flow channel with water remaining in the upstream gas flow channel remaining. The scavenging gas is supplied from the scavenging gas supply unit at a second scavenging gas amount for discharging water remaining in the gas outlet passage to the outside and a second scavenging time shorter than the first scavenging time. The second scavenging operation to be supplied is executed. According to the fuel cell system of this aspect, the water staying in the gas outlet channel having the comb-shaped channel connected to the gas channel outlet can be discharged in a shorter time and with less energy compared to the conventional method, so that it stays. It is possible to suppress the blockage of the gas outlet channel due to water freezing.

(2)上記燃料電池システムにおいて、前記第2の掃気ガス流量は、前記上流側ガス流路に発生する差圧が前記上流側ガス流路内の水の移動に要する差圧よりも小さくなる流量としてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、上流側ガス流路に滞留する水が動かないようにして、上流側ガス流路に滞留する水のガス導出流路への移動を抑制することが可能である。 (2) In the fuel cell system, the second scavenging gas flow rate is a flow rate at which a differential pressure generated in the upstream gas flow path is smaller than a differential pressure required for water movement in the upstream gas flow path. It is good. According to the fuel cell system of this aspect, it is possible to suppress the movement of water staying in the upstream gas flow path to the gas outlet flow path so that the water staying in the upstream gas flow path does not move. is there.

(3)上記形態の燃料電池システムにおいて、前記ガス導出流路は、前記第2の掃気ガス流量によって前記ガス導出流路に発生する差圧が前記ガス導出流路内の水の移動に要する差圧よりも大きくなる構造としてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、上流側ガス流路に滞留する水を動かさずに、ガス導出流路に滞留する水をガス導出流路の外部へ排出することが可能となる。 (3) In the fuel cell system according to the above aspect, the gas outlet channel is configured such that a difference in pressure generated in the gas outlet channel due to the second scavenging gas flow rate is required for movement of water in the gas outlet channel. It is good also as a structure which becomes larger than a pressure. According to the fuel cell system of this aspect, it is possible to discharge the water staying in the gas outlet passage to the outside of the gas outlet passage without moving the water staying in the upstream gas passage.

(4)上記形態の燃料電池システムにおいて、前記構造は、前記ガス導出流路に含まれる溝状の流路の総断面積が前記上流側ガス流路に含まれる溝状の流路の総断面積よりも小さい構造としてもよい。この構造によれば、第2の掃気ガス流量によってガス導出流路に発生する差圧をガス導出流路内の水の移動に要する差圧よりも大きくすることが可能である。 (4) In the fuel cell system according to the above aspect, the structure is configured such that the total cross-sectional area of the groove-shaped flow path included in the gas outlet flow path is a total break of the groove-shaped flow path included in the upstream gas flow path. It is good also as a structure smaller than an area. According to this structure, the differential pressure generated in the gas outlet channel by the second scavenging gas flow rate can be made larger than the differential pressure required for the movement of water in the gas outlet channel.

(5)上記形態の燃料電池システムにおいて、前記構造は、前記ガス導出流路の全体幅が前記上流側ガス流路の全体幅よりも小さい構造としてもよい。この構造によっても、第2の掃気ガス流量によってガス導出流路に発生する差圧をガス導出流路内の水の移動に要する差圧よりも大きくすることが可能である。 (5) In the fuel cell system of the above aspect, the structure may be a structure in which the entire width of the gas outlet channel is smaller than the entire width of the upstream gas channel. Also with this structure, it is possible to make the differential pressure generated in the gas outlet channel by the second scavenging gas flow rate larger than the differential pressure required to move water in the gas outlet channel.

本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池システムの制御方法や燃料電池の掃気運転方法等の形態で実現することができる。   The present invention can be implemented in various forms other than the above. For example, it can be realized in the form of a control method of the fuel cell system, a scavenging operation method of the fuel cell, and the like.

本発明の一実施形態としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the fuel cell system as one Embodiment of this invention. 燃料電池セルのアノード側セパレータの概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the anode side separator of a fuel cell. 燃料電池システムの運転停止時において実行される滞留水除去のための掃気運転について示す説明図である。It is explanatory drawing shown about the scavenging operation for the stagnant water removal performed at the time of the driving | operation stop of a fuel cell system. 第2の掃気運転における滞留水について示す説明図である。It is explanatory drawing shown about the stagnant water in 2nd scavenging driving | operation.

A.実施形態:
図1は、本発明の一実施形態としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。燃料電池システム100は、発電を行う燃料電池10と、燃料電池10への燃料ガスの供給及び燃料電池10からの燃料ガスの排出を担う燃料ガス系30と、燃料電池10への酸化ガスの供給及び燃料電池10からの酸化ガスの排出を担う酸化ガス系50と、燃料電池10の冷却を担う冷却系60と、燃料電池システム100の全体を制御する制御ユニット70とを備えている。なお、本実施形態では、燃料電池システム100は、車両に搭載されている。
A. Embodiment:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system as an embodiment of the present invention. The fuel cell system 100 includes a fuel cell 10 that generates power, a fuel gas system 30 that supplies fuel gas to the fuel cell 10 and discharges the fuel gas from the fuel cell 10, and supplies an oxidizing gas to the fuel cell 10. And an oxidizing gas system 50 for discharging the oxidizing gas from the fuel cell 10, a cooling system 60 for cooling the fuel cell 10, and a control unit 70 for controlling the entire fuel cell system 100. In the present embodiment, the fuel cell system 100 is mounted on a vehicle.

燃料電池10は、固体高分子形燃料電池であり、複数の燃料電池セル12が積層されたスタック構造を有している。燃料電池10は、燃料ガスとしての水素ガス及び酸化ガスとしての空気が供給されると、電気化学反応による発電を行う。燃料電池セル12は、膜電極接合体(不図示)と膜電極接合体のアノード(水素ガスが供給される極で「水素極」とも呼ばれる)およびカソード(酸化ガスが供給される極で「空気極」とも呼ばれる)の両側から挟持するセパレータ(不図示)で構成される。   The fuel cell 10 is a polymer electrolyte fuel cell and has a stack structure in which a plurality of fuel cells 12 are stacked. When the fuel cell 10 is supplied with hydrogen gas as a fuel gas and air as an oxidizing gas, the fuel cell 10 generates power by an electrochemical reaction. The fuel cell 12 includes a membrane electrode assembly (not shown), an anode of the membrane electrode assembly (which is also referred to as a “hydrogen electrode” where hydrogen gas is supplied) and a cathode (which is referred to as “air” which is supplied with oxidizing gas). It is composed of a separator (not shown) that is sandwiched from both sides.

図2は、燃料電池セルのアノード側セパレータの概略構成を示す説明図である。図2(a)は膜電極接合体側からアノード側セパレータ20aを見た概略平面図を示し、図2(b)は図2(a)の丸で囲まれた範囲を拡大して示している。図2(a)に示すように、アノード側セパレータ20aの膜電極接合体に当接される側の面には、水素ガス供給口21と、水素ガス導入流路22と、水素ガス流路24と、アノードオフガス導出流路26と、アノードオフガス排出口27と、が形成されている。   FIG. 2 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the anode separator of the fuel battery cell. FIG. 2A shows a schematic plan view of the anode separator 20a viewed from the membrane electrode assembly side, and FIG. 2B shows an enlarged range surrounded by a circle in FIG. 2A. As shown in FIG. 2A, a hydrogen gas supply port 21, a hydrogen gas introduction channel 22, and a hydrogen gas channel 24 are provided on the surface of the anode separator 20a on the side in contact with the membrane electrode assembly. In addition, an anode off-gas outlet channel 26 and an anode off-gas outlet 27 are formed.

水素ガス供給口21は、アノード側セパレータ20aの厚さ方向に貫通する貫通孔である。水素ガス供給口21は、燃料電池10の外部から水素供給配管41を介して供給された水素ガスを、燃料電池10を構成する燃料電池セル12の積層方向に流すための流路(以下、「水素供給マニホールド」とも呼ぶ)を形成する。また、アノードオフガス排出口27は、アノード側セパレータ20aの厚さ方向に貫通する貫通孔である。アノードオフガス排出口27は、燃料電池10を構成する燃料電池セル12のアノードから排出されたアノードオフガスを燃料電池セル12の積層方向に流して燃料電池10の外部に排出するための流路(以下、「水素排出マニホールド」とも呼ぶ)を形成する。   The hydrogen gas supply port 21 is a through-hole penetrating in the thickness direction of the anode-side separator 20a. The hydrogen gas supply port 21 is a flow path for flowing hydrogen gas supplied from the outside of the fuel cell 10 through the hydrogen supply pipe 41 in the stacking direction of the fuel cells 12 constituting the fuel cell 10 (hereinafter, “ A hydrogen supply manifold "). The anode off gas discharge port 27 is a through-hole penetrating in the thickness direction of the anode separator 20a. The anode off-gas discharge port 27 is a flow path (hereinafter referred to as “flow”) for flowing the anode off-gas discharged from the anode of the fuel cell 12 constituting the fuel cell 10 in the stacking direction of the fuel cell 12 to the outside of the fuel cell 10. , Also referred to as “hydrogen discharge manifold”).

水素ガス供給口21と水素ガス流路24とは、水素ガス導入流路22を介して連通している。水素ガス導入流路22は、複数の溝状の区分導入流路22pが図示した重力方向に等間隔に配列されている。   The hydrogen gas supply port 21 and the hydrogen gas flow path 24 communicate with each other via the hydrogen gas introduction flow path 22. The hydrogen gas introduction flow path 22 has a plurality of groove-shaped section introduction flow paths 22p arranged at equal intervals in the illustrated gravitational direction.

燃料電池10の外部から供給された水素ガスは、水素ガス供給口21から水素ガス導入流路22を通じて水素ガス流路24に流入する。   Hydrogen gas supplied from the outside of the fuel cell 10 flows into the hydrogen gas passage 24 from the hydrogen gas supply port 21 through the hydrogen gas introduction passage 22.

水素ガス流路24は、いわゆるサーペンタイン流路であり、アノード側セパレータ20aの表面に複数の溝状の区分流路24pが蛇行するように形成されている。複数の溝状の区分流路24pは、等間隔で配置されている。そして、水素ガス流路24は、水素およびアノードオフガスが、蛇行しながら、アノード側セパレータ20aの図示した上方から下方(重力方向)に流れるように形成されている。   The hydrogen gas flow path 24 is a so-called serpentine flow path, and is formed such that a plurality of groove-shaped divided flow paths 24p meander on the surface of the anode separator 20a. The plurality of groove-shaped section flow paths 24p are arranged at equal intervals. The hydrogen gas channel 24 is formed such that hydrogen and the anode off-gas flow from the upper side to the lower side (gravity direction) of the anode-side separator 20a while meandering.

水素ガス流路24とアノードオフガス排出口27とは、アノードオフガス導出流路26を介して連通している。アノードオフガス導出流路26は、複数の溝状の区分導出流路26pが図示した重力方向に等間隔に配置されたくし歯形状の流路(くし歯流路)の構造を有している。   The hydrogen gas flow path 24 and the anode off gas discharge port 27 communicate with each other via the anode off gas outlet flow path 26. The anode off-gas outlet channel 26 has a structure of a comb-shaped channel (comb channel) in which a plurality of groove-shaped segment outlet channels 26p are arranged at equal intervals in the illustrated gravity direction.

ここで、アノードオフガス導出流路26の全体幅W2は水素ガス流路24の全体幅W1よりも小さく設定されている。また、アノードオフガス導出流路26の複数の区分導出流路26pの総断面積ΣSp2は、水素ガス流路24の複数の区分流路24pの総断面積ΣSp1よりも小さく設定されている。単純には、流路の本数が同じ状態で、アノードオフガス導出流路26の幅を小さくすれば、区分導出流路26pの幅Wp2および深Lp2さで決まる区分導出流路26pの断面積Sp2は、区分流路24pの幅Wp1および深さLp1で決まる区分流路24pの断面積Sp1よりも小さくすることになり、複数の区分導出流路26pの総断面積ΣSp2は、複数の区分流路24pの総断面積ΣSp1よりも小さく設定される。また、区分導出流路26pの断面積Sp2が区分流路24pの断面積Sp1よりも小さくなるように、区分導出流路26pの幅Wp2または深Lp2を小さく設定することにより、積極的に、アノードオフガス導出流路26の複数の区分導出流路26pの総断面積ΣSp2が、水素ガス流路24の複数の区分流路24pの総断面積ΣSp1よりも小さく設定されるようにしてもよい。ただし、流路間のリブは流路構造の強度を確保できる幅に設定されている。   Here, the overall width W2 of the anode off-gas outlet channel 26 is set to be smaller than the overall width W1 of the hydrogen gas channel 24. Further, the total cross-sectional area ΣSp2 of the plurality of segment derivation channels 26p of the anode off-gas derivation channel 26 is set smaller than the total cross-sectional area ΣSp1 of the plurality of segment channels 24p of the hydrogen gas channel 24. Simply, if the width of the anode off-gas outlet channel 26 is reduced with the same number of channels, the sectional area Sp2 of the segment outlet channel 26p determined by the width Wp2 and the depth Lp2 of the segment outlet channel 26p is The sectional area Sp1 of the segment channel 24p determined by the width Wp1 and the depth Lp1 of the segment channel 24p is made smaller, and the total sectional area ΣSp2 of the plurality of segment derivation channels 26p is equal to the plurality of segment channels 24p. Is set to be smaller than the total cross-sectional area ΣSp1. Further, by setting the width Wp2 or the depth Lp2 of the section derivation flow path 26p to be smaller so that the cross sectional area Sp2 of the section derivation flow path 26p is smaller than the cross sectional area Sp1 of the section flow path 24p, the anode The total cross-sectional area ΣSp2 of the plurality of segment derivation channels 26p of the off-gas derivation channel 26 may be set to be smaller than the total cross-sectional area ΣSp1 of the plurality of segment channels 24p of the hydrogen gas channel 24. However, the rib between the flow paths is set to a width that can ensure the strength of the flow path structure.

本例では、区分導出流路26pの本数nを区分流路24pの本数m(本例ではm=7)よりも小さくする(本例ではn=7)とともに、区分導出流路26pの幅Wp2および深さLp2を区分流路24pの幅Wp1および深さLp1よりも小さくして、区分導出流路26pの断面積Sp2を区分流路24pの断面積Sp1よりも小さくすることにより、アノードオフガス導出流路26の全体幅W2および複数の区分導出流路26pの総断面積ΣSp2が、水素ガス流路24の全体幅W1および複数の区分流路24pの総断面積ΣSp1よりも小さく設定されている。これにより、アノードオフガス導出流路26を流れるアノードオフガスの流速を、水素ガス流路24を流れる水素ガスおよびアノードオフガスの流速よりも速くすることができる。また、アノードオフガス導出流路26上を通るシール線(不図示)の圧力に対して負けない強度の流路構造を確保することができる。   In this example, the number n of the section derivation channels 26p is made smaller than the number m (m = 7 in this example) of the section channels 24p (n = 7 in this example), and the width Wp2 of the section derivation channels 26p. And the depth Lp2 is made smaller than the width Wp1 and the depth Lp1 of the section channel 24p, and the sectional area Sp2 of the section derivation path 26p is made smaller than the sectional area Sp1 of the section channel 24p, thereby deriving the anode off-gas. The overall width W2 of the flow path 26 and the total cross-sectional area ΣSp2 of the plurality of section derivation flow paths 26p are set smaller than the overall width W1 of the hydrogen gas flow path 24 and the total cross-sectional area ΣSp1 of the plurality of section flow paths 24p. . Thereby, the flow rate of the anode off gas flowing through the anode off gas outlet channel 26 can be made faster than the flow rates of the hydrogen gas and the anode off gas flowing through the hydrogen gas channel 24. In addition, it is possible to secure a flow path structure having a strength that does not lose against the pressure of a seal line (not shown) passing over the anode off-gas outlet flow path 26.

なお、アノードオフガス導出流路26および水素ガス流路24が本実施形態における本発明のガス導出流路および上流側流路に相当する。また、アノードオフガス導出流路26の複数の区分導出流路26pの総断面積ΣSp2が本実施形態における本発明のガス導出流路に含まれる溝状の流路の総断面積に相当し、水素ガス流路24の複数の区分流路24pの総断面積ΣSp1が本実施形態における本発明の上流側流路に含まれる溝状の流路の総断面積に相当する。   The anode off-gas outlet channel 26 and the hydrogen gas channel 24 correspond to the gas outlet channel and the upstream channel of the present invention in this embodiment. Further, the total cross-sectional area ΣSp2 of the plurality of section derivation channels 26p of the anode off-gas derivation channel 26 corresponds to the total cross-sectional area of the groove-like channel included in the gas derivation channel of the present invention in the present embodiment. The total cross-sectional area ΣSp1 of the plurality of divided flow paths 24p of the gas flow path 24 corresponds to the total cross-sectional area of the groove-shaped flow path included in the upstream flow path of the present invention in the present embodiment.

水素ガス流路24の終端から排出されたアノードオフガスおよび水(例えば、発電によって生成された生成水)は、アノードオフガス導出流路26を通じてアノードオフガス排出口27に導出される。   The anode offgas and water (for example, generated water generated by power generation) discharged from the end of the hydrogen gas passage 24 are led to the anode offgas discharge port 27 through the anode offgas leadout passage 26.

また、本実施形態では、アノード側セパレータ20aにおいて、アノードオフガス導出流路26の複数の区分導出流路26pは、アノードオフガスがアノードオフガス排出口27へ向けて水平方向に流れるように形成されている。したがって、アノード側セパレータ20aにおいて、アノードオフガス導出流路26の先頭端からアノードオフガス排出口27にかけて、アノードオフガスおよび水の流れ方向は、水平方向となる。   In the present embodiment, in the anode separator 20a, the plurality of segment derivation flow paths 26p of the anode off gas derivation flow path 26 are formed so that the anode off gas flows in the horizontal direction toward the anode off gas discharge port 27. . Accordingly, in the anode-side separator 20a, the flow direction of the anode off-gas and water from the leading end of the anode off-gas outlet channel 26 to the anode off-gas outlet 27 is a horizontal direction.

アノード側セパレータ20aの水素ガス流路24が形成されている面とは反対側の面には、図示しない冷却水流路が形成されている。   A cooling water passage (not shown) is formed on the surface of the anode separator 20a opposite to the surface on which the hydrogen gas passage 24 is formed.

なお、図示は省略するが、カソード側セパレータの膜電極接合体に当接される側の面には、アノード側セパレータ20aと同様に、膜電極接合体のカソードに酸化ガスとしての空気を供給するための溝状の流路が形成されている。ただし、酸化ガスを供給する流路については、多孔体流路であってもよく、特に限定はない。   Although illustration is omitted, air as an oxidizing gas is supplied to the cathode of the membrane electrode assembly on the surface of the cathode side separator that is in contact with the membrane electrode assembly, similarly to the anode separator 20a. A groove-shaped flow path is formed. However, the flow path for supplying the oxidizing gas may be a porous flow path, and is not particularly limited.

図1の燃料ガス系30は、水素タンク31と、シャットバルブ32と、レギュレーター33と、インジェクター34と、気液分離器35と、循環ポンプ36と、排気弁37と、排水弁38と、配管41,42,43,44,45と、を備えている。   1 includes a hydrogen tank 31, a shut valve 32, a regulator 33, an injector 34, a gas-liquid separator 35, a circulation pump 36, an exhaust valve 37, a drain valve 38, and piping. 41, 42, 43, 44, 45.

水素タンク31に貯蔵された水素ガスは、配管(以下、「水素供給配管」とも呼ぶ)41を介して燃料電池10のアノードに燃料ガスとして供給される。シャットバルブ32、レギュレーター33及びインジェクター34は、水素ガスの圧力及び水素ガスの燃料電池10への供給量を調整する。   Hydrogen gas stored in the hydrogen tank 31 is supplied as fuel gas to the anode of the fuel cell 10 via a pipe (hereinafter also referred to as “hydrogen supply pipe”) 41. The shut valve 32, the regulator 33, and the injector 34 adjust the pressure of hydrogen gas and the supply amount of hydrogen gas to the fuel cell 10.

アノードからの排ガス(以下、「アノードオフガス」とも呼ぶ。)は、配管(以下、「アノードオフガス配管」とも呼ぶ)42を介して気液分離器35に導かれる。気液分離器35は、アノードオフガスに含まれる水と、発電で消費されなかった水素ガスとを分離する。気液分離器35によって分離された水素ガスは、配管(以下、「水素循環配管」とも呼ぶ)43、循環ポンプ36及び水素供給配管41を介して、燃料電池10に循環する。   Exhaust gas from the anode (hereinafter also referred to as “anode offgas piping”) is led to the gas-liquid separator 35 via a pipe (hereinafter also referred to as “anode offgas piping”) 42. The gas-liquid separator 35 separates water contained in the anode off-gas from hydrogen gas that has not been consumed by power generation. The hydrogen gas separated by the gas-liquid separator 35 is circulated to the fuel cell 10 via a pipe (hereinafter also referred to as “hydrogen circulation pipe”) 43, a circulation pump 36 and a hydrogen supply pipe 41.

気液分離器35と循環ポンプ36との間からは、配管(以下、「アノードオフガス排気配管」とも呼ぶ)44が設けられており、このアノードオフガス排気配管44には、排気弁37が設けられている。排気弁37は、通常時には閉じられており、上述のアノードオフガスは、燃料電池10に循環する。ただし、アノードオフガスに含まれる窒素ガスや水蒸気などの不純物濃度が上昇すると、排気弁37が所定のタイミングで開弁し、アノードオフガスは、アノードオフガス排気配管44を介して希釈器55に導かれるとともに、燃料電池システム100の外部に排出される。この結果、窒素ガスや水蒸気などの不純物がアノード側から取り除かれ、アノード側の不純物濃度の上昇が抑制される。   A pipe (hereinafter also referred to as “anode offgas exhaust pipe”) 44 is provided between the gas-liquid separator 35 and the circulation pump 36, and an exhaust valve 37 is provided in the anode offgas exhaust pipe 44. ing. The exhaust valve 37 is normally closed, and the anode off gas described above circulates in the fuel cell 10. However, when the concentration of impurities such as nitrogen gas or water vapor contained in the anode off gas increases, the exhaust valve 37 opens at a predetermined timing, and the anode off gas is guided to the diluter 55 via the anode off gas exhaust pipe 44. Then, the fuel cell system 100 is discharged to the outside. As a result, impurities such as nitrogen gas and water vapor are removed from the anode side, and an increase in the impurity concentration on the anode side is suppressed.

気液分離器35には、貯留された水を排出するための配管(以下、「排水配管」とも呼ぶ)45が設けられており、この排水配管45には、排水弁38が設けられている。排水弁38は、通常時には閉じられており、気液分離器35の貯水量に応じて開弁されて、排水配管を介して希釈器55に導かれるとともに、燃料電池システム100の外部に排水される。また、燃料電池10内に滞留する水を排出するための掃気運転が終了したときにも、排水弁38が開弁されて排水が行われる。   The gas-liquid separator 35 is provided with a pipe (hereinafter also referred to as “drainage pipe”) 45 for discharging the stored water, and the drainage pipe 45 is provided with a drain valve 38. . The drain valve 38 is normally closed, opened according to the amount of water stored in the gas-liquid separator 35, led to the diluter 55 through the drain pipe, and drained to the outside of the fuel cell system 100. The Further, also when the scavenging operation for discharging the water staying in the fuel cell 10 is completed, the drain valve 38 is opened and drainage is performed.

酸化ガス系50は、エアクリーナ51と、エアコンプレッサ52と、希釈器55と、配管53,54,56と、を備えている。エアクリーナ51から吸入された空気は、エアコンプレッサ52によって圧縮され、配管53を介して燃料電池10のカソードに酸化ガスとして供給される。カソードからの排ガス(以下、「カソードオフガス」とも呼ぶ。)は、配管54を介して希釈器55に導かれる。   The oxidizing gas system 50 includes an air cleaner 51, an air compressor 52, a diluter 55, and pipes 53, 54, and 56. The air sucked from the air cleaner 51 is compressed by the air compressor 52 and supplied as an oxidizing gas to the cathode of the fuel cell 10 via the pipe 53. Exhaust gas from the cathode (hereinafter also referred to as “cathode off-gas”) is introduced to the diluter 55 via the pipe 54.

希釈器55は、上述の所定のタイミングで希釈器55に導入されるアノードオフガスに、カソードオフガスを混合する。すなわち、カソードオフガスによって、アノードオフガスに含まれる水素の濃度は、希釈される。希釈器55から排出された排出ガスは、配管56を介して、燃料電池システム100の系外へ排出される。また、気液分離器35から排水配管45を介して希釈器55に排出された水は、配管56を介して排出ガスとともに排出される。   The diluter 55 mixes the cathode off gas with the anode off gas introduced into the diluter 55 at the predetermined timing described above. That is, the concentration of hydrogen contained in the anode off gas is diluted by the cathode off gas. The exhaust gas discharged from the diluter 55 is discharged out of the fuel cell system 100 through the pipe 56. Further, the water discharged from the gas-liquid separator 35 through the drain pipe 45 to the diluter 55 is discharged along with the exhaust gas through the pipe 56.

冷却系60は、ラジエータ61と、循環ポンプ62と、配管63,64とを備えている。配管63,64は、燃料電池10とラジエータ61とに接続されている。配管63,64の内部を流れる冷却水は、循環ポンプ62の圧力によって、燃料電池10とラジエータ61とを循環する。このため、燃料電池10の電気化学反応に伴って生じる熱は、循環する冷却水によって吸収され、この冷却水によって吸収された熱が、ラジエータ61によって放熱される。この結果、燃料電池10の温度は、適切な温度に保たれる。   The cooling system 60 includes a radiator 61, a circulation pump 62, and pipes 63 and 64. The pipes 63 and 64 are connected to the fuel cell 10 and the radiator 61. Cooling water flowing in the pipes 63 and 64 circulates between the fuel cell 10 and the radiator 61 by the pressure of the circulation pump 62. For this reason, the heat generated by the electrochemical reaction of the fuel cell 10 is absorbed by the circulating cooling water, and the heat absorbed by the cooling water is radiated by the radiator 61. As a result, the temperature of the fuel cell 10 is maintained at an appropriate temperature.

制御ユニット70は、内部にCPUや、RAM、ROM等を備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ROMに記憶されたプログラムをRAMに展開して実行することにより、燃料電池システム100の動作を制御する制御部として動作する。そして、制御ユニット70は、車両からの出力要求や各種センサーによる検出状態(不図示)に基づいて、シャットバルブ32やレギュレーター33、インジェクター34、循環ポンプ36、エアコンプレッサ52、排気弁37、排水弁38等に駆動信号を出力することによって、燃料電池システム100の運転動作や運転終了時における掃気動作を制御する。   The control unit 70 is configured as a microcomputer having a CPU, RAM, ROM, and the like inside, and controls the operation of the fuel cell system 100 by developing a program stored in the ROM and executing it. Operates as a control unit. And the control unit 70 is based on the output request | requirement from a vehicle and the detection state (not shown) by various sensors, The shut valve 32, the regulator 33, the injector 34, the circulation pump 36, the air compressor 52, the exhaust valve 37, the drain valve By outputting a drive signal to 38 and the like, the operation of the fuel cell system 100 and the scavenging operation at the end of the operation are controlled.

本実施形態の燃料電池システム100は、以下で説明するように、運転停止時において、各燃料電池セル12のアノード内、具体的には、膜電極接合体、および、アノード側セパレータ20aに形成されている溝状の流路(水素ガス導入流路22、水素ガス流路24、及びアノードオフガス導出流路26)、に残る滞留水を除去する掃気運転に特徴を有している。なお、通常の運転動作については従来の燃料電池システムと同様であるので説明を省略する。   As will be described below, the fuel cell system 100 of the present embodiment is formed in the anode of each fuel cell 12, specifically, the membrane electrode assembly and the anode-side separator 20a when the operation is stopped. It has a feature in the scavenging operation for removing the remaining water remaining in the groove-like flow paths (hydrogen gas introduction flow path 22, hydrogen gas flow path 24, and anode off-gas discharge flow path 26). The normal operation is the same as that of the conventional fuel cell system, and thus the description thereof is omitted.

図3は、燃料電池システムの運転停止時において実行される滞留水除去のための掃気運転について示す説明図である。燃料電池システム100において、運転停止する際には、制御ユニット70が、燃料ガス系30(シャットバルブ32、レギュレーター33、インジェクター34、および循環ポンプ36等)を制御して、水素ガスを掃気ガスとして掃気運転を以下の手順で実行する。なお、燃料ガス供給系30および制御ユニット70が本実施形態における掃気ガス供給部および掃気制御部に相当する。   FIG. 3 is an explanatory diagram showing a scavenging operation for removing stagnant water that is executed when the operation of the fuel cell system is stopped. In the fuel cell system 100, when the operation is stopped, the control unit 70 controls the fuel gas system 30 (the shut valve 32, the regulator 33, the injector 34, the circulation pump 36, and the like) to use hydrogen gas as a scavenging gas. The scavenging operation is executed according to the following procedure. The fuel gas supply system 30 and the control unit 70 correspond to the scavenging gas supply unit and the scavenging control unit in this embodiment.

まず、第1の掃気運転として、第1の掃気ガス流量Vs[NL/min]および第1の掃気時間ts[sec]で各燃料電池セル12のアノード内に全体的に残る滞留水の排出を行う掃気(以下、「全体掃気」とも呼ぶ)を実行する(ステップS10)。掃気ガスは燃料ガスとしての水素ガスである。   First, as the first scavenging operation, the remaining remaining water in the anode of each fuel cell 12 is discharged at the first scavenging gas flow rate Vs [NL / min] and the first scavenging time ts [sec]. The scavenging performed (hereinafter also referred to as “total scavenging”) is executed (step S10). The scavenging gas is hydrogen gas as a fuel gas.

第1の掃気ガス流量Vsとしては、発電時における通常のガス流量よりも大きいガス流量が、以下のように設定される。まず、アノード内に残る滞留水を移動させるために要する水移動可能差圧ΔPmが滞留水の大きさおよび質量等から計算により求められる。そして、水素ガスが通過するアノード内の各場所、特に、水素ガス流路24の構造に基づいて、水移動可能差圧ΔPmよりも大きい差圧ΔPを発生させることが可能な流量が計算により求められ、第1の掃気ガス流量Vsが設定される。   As the first scavenging gas flow rate Vs, a gas flow rate larger than the normal gas flow rate during power generation is set as follows. First, the water transferable differential pressure ΔPm required to move the remaining water remaining in the anode is obtained by calculation from the size and mass of the remaining water. A flow rate capable of generating a differential pressure ΔP larger than the water transferable differential pressure ΔPm is calculated by calculation based on each location in the anode through which hydrogen gas passes, in particular, the structure of the hydrogen gas flow path 24. The first scavenging gas flow rate Vs is set.

第1の掃気時間tsは、各燃料電池セル12のアノードセパレータ20aの水素ガスの流路の入口に残る滞留水が流路内を移動して、水素排出マニホールドを介して燃料電池10の外部へ排出されるように、水素ガス導入流路22、水素ガス流路24、アノードオフガス導出流路26の各流路における流路長および流速に基づいて計算により求められ、設定される。   During the first scavenging time ts, the stagnant water remaining at the inlet of the hydrogen gas flow path of the anode separator 20a of each fuel cell 12 moves through the flow path to the outside of the fuel cell 10 via the hydrogen discharge manifold. Based on the channel length and flow velocity in each of the hydrogen gas introduction channel 22, the hydrogen gas channel 24, and the anode off-gas outlet channel 26, it is calculated and set so as to be discharged.

第1の掃気ガス流量Vsとしては、例えば、0.5[NL/min]〜1.5[NL/min]程度に設定され、第1の掃気時間tsとしては、例えば、10[sec]〜60[sec]程度に設定される。   The first scavenging gas flow rate Vs is set to, for example, about 0.5 [NL / min] to 1.5 [NL / min], and the first scavenging time ts is, for example, 10 [sec] to It is set to about 60 [sec].

第1の掃気運転によって、燃料電池10の各燃料電池セル10のアノード内に残る滞留水の大部分は燃料電池10の外部へ排出される。排出されきれずに残った滞留水のうち、アノードオフガス導出流路26近傍の滞留水は、アノードオフガス導出流路26を構成する各区分導出流路26pに引き寄せされて移動し、アノードオフガス導出流路26の各区分導出流路26pの滞留水となる。   By the first scavenging operation, most of the remaining water remaining in the anode of each fuel cell 10 of the fuel cell 10 is discharged to the outside of the fuel cell 10. Of the remaining water that has not been completely discharged, the remaining water in the vicinity of the anode off-gas outlet channel 26 is attracted to and moved to each section outlet channel 26p that constitutes the anode off-gas outlet channel 26, and the anode off-gas outlet flow. It becomes the stagnant water of each section derivation channel 26p of channel 26.

次に、第2の掃気運転として、第1の掃気ガス流量Vsよりも低流量の掃気ガス流量Vsm[NL/min]および第1の掃気時間よちも短い第2の掃気時間tsm[sec]で各燃料電池セル12の水素ガス流路24の滞留水を残した状態で、アノードオフガス導出流路26に残る滞留水のアノードオフガス導出流路26から外への排出を行う掃気(以下、「導出流路掃気」とも呼ぶ)を実行する(ステップS20)。掃気ガスは第1の掃気運転と同様に水素ガスである。   Next, as the second scavenging operation, a scavenging gas flow rate Vsm [NL / min] lower than the first scavenging gas flow rate Vs and a second scavenging time tsm [sec] shorter than the first scavenging time. In the state where the remaining water in the hydrogen gas flow path 24 of each fuel battery cell 12 remains, scavenging (hereinafter referred to as “hereinafter,“ remaining water remaining in the anode off-gas discharge flow path 26) is discharged from the anode off-gas discharge flow path 26. (Also referred to as “leading channel scavenging”) (step S20). The scavenging gas is hydrogen gas as in the first scavenging operation.

第2の掃気ガス流量Vsmは、以下のように設定される。すなわち、各燃料電池セル12の水素ガス流路24の各区分流路24p(図2参照)における差圧ΔP1が水移動可能差圧ΔPmよりも小さくなる流量であって、かつ、アノードオフガス導出流路26の各区分導出流路26p(図2参照)における差圧ΔP2が水移動可能差圧ΔPmよりも大きくなる流量が、水素ガス流路24およびアノードオフガス導出流路26の構造に基づいて計算により求められ、第2の掃気ガス流量Vsmが設定される。なお、同じ掃気ガス流量Vsmで、アノードオフガス導出流路26における差圧ΔP2が水移動可能差圧ΔPmよりも大きくなる点については後述する。   The second scavenging gas flow rate Vsm is set as follows. That is, the differential pressure ΔP1 in each divided flow path 24p (see FIG. 2) of the hydrogen gas flow path 24 of each fuel cell 12 is a flow rate that is smaller than the water transferable differential pressure ΔPm, and the anode off-gas outlet flow path. The flow rate at which the differential pressure ΔP2 in each of the segment outlet channels 26p (see FIG. 2) is larger than the water transferable differential pressure ΔPm is calculated based on the structure of the hydrogen gas channel 24 and the anode off-gas outlet channel 26. The second scavenging gas flow rate Vsm is set. It will be described later that the differential pressure ΔP2 in the anode off-gas outlet channel 26 becomes larger than the water transferable differential pressure ΔPm at the same scavenging gas flow rate Vsm.

第2の掃気時間tsmは、各燃料電池セル12のアノードオフガス導出流路26の入口に残る滞留水が流路内を移動してアノードオフガス導出慮26から排出され、燃料電池10から外部へ排出されるように、アノードオフガス導出流路26の流路長および流速に基づいて計算により求められ、設定される。   During the second scavenging time tsm, the remaining water remaining at the inlet of the anode off-gas outlet channel 26 of each fuel cell 12 moves through the channel and is discharged from the anode off-gas outlet 26 and discharged from the fuel cell 10 to the outside. As described above, it is obtained and set by calculation based on the flow path length and flow velocity of the anode off-gas outlet flow path 26.

第2の掃気ガス流量Vsmとしては、例えば、0.1[NL/min]〜0.25[NL/min]程度に設定され、第2の掃気時間tsmとしては、例えば、3[sec]〜8[sec]程度に設定される。   The second scavenging gas flow rate Vsm is set to, for example, about 0.1 [NL / min] to 0.25 [NL / min], and the second scavenging time tsm is, for example, 3 [sec] to It is set to about 8 [sec].

図4は、第2の掃気運転における滞留水について示す説明図である。水素ガス流路24の各区分流路24pに流れる区分流路掃気ガス流量Vsm1は、理想的には設定した第2の掃気ガス流量Vsmを流路の本数m(図2(b)参照)で割った(Vsm/m)となる。第2の掃気ガス流量Vsm、より具体的には、区分流路掃気ガス流量Vsm1は、上記したように、区分流路24pに残る滞留水が移動しないように、区分流路24pにおける差圧ΔP1が水移動可能差圧ΔPmよりも小さくなるように設定されている。従って、図4(a)に示すように、水素ガス流路24の各区分流路24pに残る滞留水は移動しない。   FIG. 4 is an explanatory diagram showing the stagnant water in the second scavenging operation. The divided scavenging gas flow rate Vsm1 flowing in each of the divided flow channels 24p of the hydrogen gas flow channel 24 is ideally obtained by dividing the set second scavenging gas flow rate Vsm by the number m of the flow channels (see FIG. 2B). (Vsm / m). As described above, the second scavenging gas flow rate Vsm, more specifically, the divided flow channel scavenging gas flow rate Vsm1, is the differential pressure ΔP1 in the divided flow channel 24p so that the remaining water remaining in the divided flow channel 24p does not move. Is set to be smaller than the water transferable differential pressure ΔPm. Accordingly, as shown in FIG. 4A, the remaining water remaining in each of the divided flow paths 24p of the hydrogen gas flow path 24 does not move.

これに対して、アノードオフガス導出流路26の各区分導出流路26pに流れる区分導出流路掃気ガス流量Vsm2は、区分導出流路26pの本数が水素ガス流路24の区分流路24pの本数m(本例ではm=7)よりも小さい本数n(本例ではn)に設定されている(図2参照)ので、理想的には、区分流路掃気ガス流量Vsm1よりも大きい(Vsm1・m/n)となる。これにより、区分導出流路26pにおける掃気ガスの流速が区分流路24pにおける流速よりも速くなり、区分導出流路26pにおける差圧ΔP2は区分流路24pにおける差圧ΔP1よりも大きくなる。また、区分導出流路26pの断面積Sp2は区分流路の断面積Sp1よりも小さい断面積に設定されている(図2参照)ので、同じガス流量であっても区分導出流路26pの差圧ΔP2は区分流路24pの差圧ΔP1よりも大きくなる。従って、図4(b)に示すように、区分導出流路26pの差圧ΔP2はΔPmよりも大きく設定されることになり、区分導出流路26pに残る滞留水は移動する。   On the other hand, the segment derivation channel scavenging gas flow rate Vsm2 flowing in each segment derivation channel 26p of the anode off-gas derivation channel 26 is equal to the number of segment channels 24p in the hydrogen gas channel 24. Since the number n (n in this example) is set to be smaller than m (m = 7 in this example) (see FIG. 2), it is ideally larger than the section flow scavenging gas flow rate Vsm1 (Vsm1 · m / n). As a result, the flow rate of the scavenging gas in the segment derivation channel 26p becomes faster than the flow rate in the segment channel 24p, and the differential pressure ΔP2 in the segment derivation channel 26p becomes larger than the differential pressure ΔP1 in the segment channel 24p. Further, since the sectional area Sp2 of the section derivation flow path 26p is set to be smaller than the sectional area Sp1 of the section flow path (see FIG. 2), the difference between the section derivation flow paths 26p even with the same gas flow rate. The pressure ΔP2 is greater than the differential pressure ΔP1 in the segment flow path 24p. Therefore, as shown in FIG. 4B, the differential pressure ΔP2 of the section derivation flow path 26p is set to be larger than ΔPm, and the remaining water remaining in the section derivation flow path 26p moves.

第2の掃気運転では、水素ガス流路24に残る滞留水を移動させないように残した状態で、アノードオフガス導出流路26に残る滞留水を移動させてアノードオフガス導出流路26から外へ排出することができるので、くし歯流路であるアノードオフガス導出流路26に残った滞留水の凍結による閉塞を防止することが可能となる。   In the second scavenging operation, the remaining water remaining in the anode off-gas outlet channel 26 is moved and discharged to the outside from the anode off-gas outlet channel 26 while the remaining water remaining in the hydrogen gas channel 24 is not moved. Therefore, it is possible to prevent clogging due to freezing of the remaining water remaining in the anode off-gas outlet channel 26 which is a comb-tooth channel.

以上のように本実施形態の掃気運転では、第1の掃気運転で、燃料電池10の各燃料電池セル12のアノードに残る滞留水の多くをアノード内のガス流路から外部へ排出する。そして、第2の掃気運転で、第1の掃気運転終了時に、くし歯流路であるアノードオフガス導出流路26に残る滞留水、およびアノードオフガス導出流路26の近傍からアノードオフガス導出流路26へ移動した滞留水を、水素ガス流路24に残る滞留水を移動させないように残した状態で、アノードオフガス導出流路26に残る滞留水を移動させてアノードオフガス導出流路26の外部へ排出する。これにより、第1の掃気運転に対応する通常の掃気運転のみで、燃料電池10の各燃料電池セル12のアノードに残る滞留水を排出することにより、アノードオフガス導出流路26に残る滞留水を排出するために要する時間よりも短時間で、アノードオフガス導出流路26に残る滞留水を排出することができ、アノードオフガス導出流路26の凍結による閉塞を防止することができる。また、第2の掃気運転は低流量の掃気ガス流量で実行されるので、第1の掃気運転に対応する通常の掃気運転のみの場合に比べて省エネルギー化が可能である。   As described above, in the scavenging operation of the present embodiment, much of the remaining water remaining in the anode of each fuel cell 12 of the fuel cell 10 is discharged from the gas flow path in the anode to the outside in the first scavenging operation. Then, in the second scavenging operation, at the end of the first scavenging operation, the remaining water remaining in the anode off-gas outlet channel 26 which is a comb channel, and the anode off-gas outlet channel 26 from the vicinity of the anode off-gas outlet channel 26 In the state where the remaining water that has moved to the hydrogen gas flow path 24 remains so as not to move, the remaining water that remains in the anode off-gas outlet flow path 26 is moved and discharged to the outside of the anode off-gas outlet flow path 26. To do. Accordingly, the remaining water remaining in the anode of each fuel cell 12 of the fuel cell 10 is discharged only by the normal scavenging operation corresponding to the first scavenging operation, so that the remaining water remaining in the anode off-gas outlet channel 26 is discharged. The staying water remaining in the anode off-gas outlet channel 26 can be discharged in a shorter time than the time required for discharging, and blockage of the anode off-gas outlet channel 26 due to freezing can be prevented. Further, since the second scavenging operation is executed with a low scavenging gas flow rate, energy saving can be achieved as compared with the case of only the normal scavenging operation corresponding to the first scavenging operation.

なお、第2の掃気運転において、アノードオフガス導出流路26の区分導出流路26pにおける差圧を上昇させて区分導出流路26pに残る滞留水のみを排出させる点に着目すると、アノード側セパレータ20aのアノードオフガス導出流路26は、全体幅W2が、水素ガス流路24の全体幅W2よりも小さく複数の区分導出流路26pを有するくし歯流路であることを前提として、以下の構造とする、と言える。水素ガス流路24の区分流路24pに残る滞留水が移動しない第2の掃気ガス流量Vsmとした場合において、アノードオフガス導出流路26の区分導出流路26pの差圧ΔP2が水移動可能差圧ΔPmよりも大きくなるように区分流路24pの本数mに対する区分導出流路26pの本数nに設定された構造とする。また、水素ガス流路24の区分流路24pに残る滞留水が移動しない第2の掃気ガス流量Vsmとした場合において、アノードオフガス導出流路26の区分導出流路26pの差圧ΔP2が水移動可能差圧ΔPmよりも大きくなるように区分流路24pの断面積Sp1に対する区分導出流路26pの断面積Sp2が設定された構造とする。また、水素ガス流路24の区分流路24pに残る滞留水が移動しない第2の掃気ガス流量Vsmとした場合において、アノードオフガス導出流路26の区分導出流路26pの差圧ΔP2が水移動可能差圧ΔPmよりも大きくなるように、複数の区分流路24pの総断面積ΣSp1に対する複数の区分導出流路26pの総断面積ΣSp2に設定された構造とする。   Note that in the second scavenging operation, focusing on the point that the differential pressure in the section derivation flow path 26p of the anode off-gas derivation flow path 26 is increased to discharge only the remaining water remaining in the section derivation flow path 26p, the anode separator 20a. Assuming that the anode off-gas outlet channel 26 is a comb-tooth channel having an overall width W2 smaller than the overall width W2 of the hydrogen gas channel 24 and having a plurality of segmented outlet channels 26p, the following structure is obtained. You can say. In the case where the second scavenging gas flow rate Vsm is set so that the remaining water remaining in the divided flow path 24p of the hydrogen gas flow path 24 does not move, the differential pressure ΔP2 of the divided discharge flow path 26p of the anode off-gas discharge flow path 26 is the difference in water transferability. The structure is set such that the number n of the section derivation flow paths 26p is set to the number m of the section flow paths 24p so as to be larger than the pressure ΔPm. Further, in the case where the second scavenging gas flow rate Vsm at which the remaining water remaining in the section flow path 24p of the hydrogen gas flow path 24 does not move, the differential pressure ΔP2 of the section discharge flow path 26p of the anode off-gas discharge flow path 26 moves through the water. The sectional area Sp2 of the section derivation flow path 26p with respect to the sectional area Sp1 of the section flow path 24p is set to be larger than the possible differential pressure ΔPm. Further, in the case where the second scavenging gas flow rate Vsm at which the remaining water remaining in the section flow path 24p of the hydrogen gas flow path 24 does not move, the differential pressure ΔP2 of the section discharge flow path 26p of the anode off-gas discharge flow path 26 moves through the water. The total cross-sectional area ΣSp2 of the plurality of section derivation flow paths 26p with respect to the total cross-sectional area ΣSp1 of the plurality of section flow paths 24p is set to be larger than the possible differential pressure ΔPm.

B.変形例:
上記実施形態では、掃気ガスとして、燃料ガスである水素ガスを利用した場合を例に説明したが、燃料電池システムの運転停止時において、燃料電池セルを構成する膜電極接合体の劣化を防止するために用いられる種々の掃気ガス、例えば、空気や種々の不活性ガス等を利用するようにしてもよい。
B. Variations:
In the above embodiment, the case where hydrogen gas, which is fuel gas, is used as the scavenging gas has been described as an example. However, when the operation of the fuel cell system is stopped, deterioration of the membrane electrode assembly constituting the fuel cell is prevented. For this purpose, various scavenging gases such as air and various inert gases may be used.

また、上記実施形態では、水素ガス流路24がサーペンタイン流路である場合を例に説明したが、ストレート流路であってもよい。ただし、ストレート流路の場合には、ストレート流路を構成する各区分流路をまとめてアノードオフガス導出流路26に繋げるための水平流路の断面積および総断面積よりもアノードオフガス導出流路26の区分導出流路26pの断面積および複数の区分導出流路26pの総断面積が小さく設定される。   Moreover, although the case where the hydrogen gas flow path 24 is a serpentine flow path was described as an example in the above embodiment, it may be a straight flow path. However, in the case of a straight flow path, the anode off-gas derivation flow path 26 is larger than the cross-sectional area and the total cross-sectional area of the horizontal flow path for collectively connecting the divided flow paths constituting the straight flow path to the anode off-gas derivation flow path 26. The sectional area of the section derivation flow paths 26p and the total sectional area of the plurality of section derivation flow paths 26p are set small.

また、上記実施形態では、水素ガス流路24の全体幅W1よりもアノードオフガス導出流路26の全体幅W2が小さいことを前提として、水素ガス流路24の区分流路24pの本数mよりもアノードオフガス導出流路26の区分導出流路26pの本数nが小さく、かつ、区分流路24pの断面積Sp1よりも区分導出流路26pの断面積Sp2が小さく、かつ、複数の区分流路24pの総断面積ΣSp1よりも複数の区分導出流路26pの総断面積ΣSp2が小さく設定されている構造を例に説明した。しかしながら、これに限定するものではなく、以下のような種々の構造が可能である。   Further, in the above embodiment, on the assumption that the overall width W2 of the anode off-gas outlet flow channel 26 is smaller than the overall width W1 of the hydrogen gas flow channel 24, the number is larger than the number m of the divided flow channels 24p of the hydrogen gas flow channel 24. The number n of the segment outlet channels 26p of the anode off-gas outlet channel 26 is small, the sectional area Sp2 of the segment outlet channel 26p is smaller than the sectional area Sp1 of the segment channel 24p, and the plurality of segment channels 24p. The structure in which the total cross-sectional area ΣSp2 of the plurality of section derivation channels 26p is set smaller than the total cross-sectional area ΣSp1 is described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the following various structures are possible.

水素ガス流路24の区分流路24pに残る滞留水が移動しない掃気ガス流量Vsmとした場合において、アノードオフガス導出流路26の区分導出流路26pの差圧ΔP2が水移動可能差圧ΔPmよりも大きくなるように、水素ガス流路24の全体幅W1よりもアノードオフガス導出流路26の全体幅W2が小さく設定された構造としてもよい。   When the scavenging gas flow rate Vsm at which the remaining water remaining in the section flow path 24p of the hydrogen gas flow path 24 does not move, the differential pressure ΔP2 of the section discharge flow path 26p of the anode off-gas discharge flow path 26 is greater than the water transferable differential pressure ΔPm. Also, the overall width W2 of the anode off-gas outlet flow channel 26 may be set smaller than the overall width W1 of the hydrogen gas flow channel 24.

また、上記した掃気ガス流量Vsmにおいて、アノードオフガス導出流路26の区分導出流路26pの差圧ΔP2が水移動可能差圧ΔPmよりも大きくなるように、水素ガス流路24の区分流路24pの本数mよりもアノードオフガス導出流路26の区分導出流路26pの本数nが小さく設定された構造としてもよい。また、上記した掃気ガス流量Vsmにおいて、アノードオフガス導出流路26の区分導出流路26pの差圧ΔP2が水移動可能差圧ΔPmよりも大きくなるように、水素ガス流路24の区分流路24pの断面積Sp1よりもアノードオフガス導出流路26の区分導出流路26pの断面積Sp2が小さく設定された構造としてもよい。また、上記した掃気ガス流量Vsmにおいて、アノードオフガス導出流路26の区分導出流路26pの差圧ΔP2が水移動可能差圧ΔPmよりも大きくなるように、複数の区分流路24pの総断面積ΣSp1に対する複数の区分導出流路26pの総断面積ΣSp2に設定された構造としてもよい。   Further, at the above-described scavenging gas flow rate Vsm, the divided flow path 24p of the hydrogen gas flow path 24 is set so that the differential pressure ΔP2 of the divided discharge flow path 26p of the anode off-gas discharge flow path 26 becomes larger than the water transferable differential pressure ΔPm. The number n of the section derivation flow paths 26p of the anode off-gas derivation flow path 26 may be set smaller than the number m of the number. Further, at the above-described scavenging gas flow rate Vsm, the divided flow path 24p of the hydrogen gas flow path 24 is set so that the differential pressure ΔP2 of the divided discharge flow path 26p of the anode off-gas discharge flow path 26 becomes larger than the water transferable differential pressure ΔPm. The sectional area Sp2 of the section outlet flow path 26p of the anode off-gas outlet flow path 26 may be set smaller than the sectional area Sp1 of the above. In addition, at the above scavenging gas flow rate Vsm, the total cross-sectional area of the plurality of divided flow paths 24p is set such that the differential pressure ΔP2 of the divided discharge flow path 26p of the anode off-gas discharge flow path 26 is larger than the water transferable differential pressure ΔPm. It is good also as a structure set to the total cross-sectional area (SIGMA) Sp2 of the some division | segmentation derivation flow paths 26p with respect to (SIGMA) Sp1.

上記実施形態では、燃料電池10の各燃料電池セル12のアノードに残る滞留水を排出する場合を例に説明したが、燃料電池10の各燃料電池セル12のカソードに残る滞留水を排出する場合にも、酸化ガスである空気を掃気ガスとして同様に実行することが可能である。また、燃料電池10の各燃料電池セル12のアノードおよびカソードの両方の滞留水を排出する場合に、それぞれにおいて適用可能である。   In the above embodiment, the case where the remaining water remaining in the anode of each fuel cell 12 of the fuel cell 10 is discharged is described as an example. However, the case where the remaining water remaining in the cathode of each fuel cell 12 of the fuel cell 10 is discharged. In addition, it is possible to similarly execute air as scavenging gas as the oxidizing gas. Further, the present invention can be applied to the case where the accumulated water of both the anode and the cathode of each fuel cell 12 of the fuel cell 10 is discharged.

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, examples, and modifications, and can be realized with various configurations without departing from the spirit thereof. For example, the technical features in the embodiments, examples, and modifications corresponding to the technical features in each embodiment described in the summary section of the invention are to solve some or all of the above-described problems, or In order to achieve part or all of the above effects, replacement or combination can be performed as appropriate. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be deleted as appropriate.

10…燃料電池
12…燃料電池セル
20a…アノード側セパレータ
21…水素ガス供給口
22…水素ガス導入流路
22p…区分導入流路
24…水素ガス流路
24p…区分流路
26…アノードオフガス導出流路
26p…区分導出流路
27…アノードオフガス排出口
30…燃料ガス系
31…水素タンク
32…シャットバルブ
33…レギュレーター
34…インジェクター
35…気液分離器
36…循環ポンプ
37…排気弁
38…排水弁
41…水素供給配管
42…アノードオフガス配管
43…水素循環配管
44…アノードオフガス排気配管
45…排水配管
50…酸化ガス系
51…エアクリーナ
52…エアコンプレッサ
53…配管
54…配管
55…希釈器
56…配管
60…冷却系
61…ラジエータ
62…循環ポンプ
63…配管
70…制御ユニット
100…燃料電池システム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell 12 ... Fuel cell 20a ... Anode side separator 21 ... Hydrogen gas supply port 22 ... Hydrogen gas introduction flow path 22p ... Division introduction flow path 24 ... Hydrogen gas flow path 24p ... Division flow path 26 ... Anode off-gas derivation flow Path 26p ... Section derivation flow path 27 ... Anode off-gas outlet 30 ... Fuel gas system 31 ... Hydrogen tank 32 ... Shut valve 33 ... Regulator 34 ... Injector 35 ... Gas-liquid separator 36 ... Circulating pump 37 ... Exhaust valve 38 ... Drain valve DESCRIPTION OF SYMBOLS 41 ... Hydrogen supply piping 42 ... Anode off gas piping 43 ... Hydrogen circulation piping 44 ... Anode off gas exhaust piping 45 ... Drain piping 50 ... Oxidation gas system 51 ... Air cleaner 52 ... Air compressor 53 ... Piping 54 ... Piping 55 ... Diluter 56 ... Piping 60 ... Cooling system 61 ... Radiator 62 ... Circulation pump 63 ... Piping 7 ... control unit 100 ... fuel cell system

Claims (5)

燃料電池システムであって、
溝状のガス流路が形成されたセパレータを含む燃料電池セルを有する燃料電池と、
前記ガス流路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よる掃気運転を行う掃気制御部と、
を備え、
前記ガス流路は、ガス流路出口に連結されたくし歯形状の流路を有するガス導出流路、および、前記ガス導出流路の上流側に連結された上流側ガス流路を含み、
前記掃気制御部は、
前記燃料電池の運転を停止する時に、第1の掃気ガス流量および第1の掃気時間で、前記掃気ガス供給部から前記掃気ガスを供給することにより、前記燃料電池セル内に滞留する水を前記ガス流路の外部に排出する第1の掃気運転を実行し、
前記第1の掃気運転を実行後に、前記第1の掃気ガス流量よりも低い第2の掃気ガス流量であって、前記上流側ガス流路に滞留する水を残した状態で前記ガス導出流路に滞留する水を前記ガス導出流路の外部に排出する第2の掃気ガス流量、および、前記第1の掃気時間よりも短い第2の掃気時間で、前記掃気ガス供給部から前記掃気ガスを供給する第2の掃気運転を実行する
ことを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell system,
A fuel cell having a fuel cell including a separator in which a groove-like gas flow path is formed;
A scavenging gas supply unit for supplying a scavenging gas to the gas flow path;
A scavenging control unit for performing a scavenging operation by the scavenging gas supply unit;
With
The gas channel includes a gas outlet channel having a comb-shaped channel connected to a gas channel outlet, and an upstream gas channel connected to the upstream side of the gas outlet channel,
The scavenging control unit
When stopping the operation of the fuel cell, the scavenging gas is supplied from the scavenging gas supply unit at a first scavenging gas flow rate and a first scavenging time, so that the water staying in the fuel cell is Performing a first scavenging operation for discharging to the outside of the gas flow path;
The second gas scavenging gas flow rate lower than the first gas scavenging gas flow rate after execution of the first gas scavenging operation, and the gas outlet flow channel with water remaining in the upstream gas flow channel remaining. The scavenging gas is supplied from the scavenging gas supply unit at a second scavenging gas flow rate for discharging water staying in the gas outflow passage and a second scavenging time shorter than the first scavenging time. A second scavenging operation for supplying is executed. A fuel cell system.
請求項1に記載の燃料電池システムであって、
前記第2の掃気ガス流量は、前記上流側ガス流路に発生する差圧が前記上流側ガス流路内の水の移動に要する差圧よりも小さくなる流量であることを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1,
The fuel gas cell characterized in that the second scavenging gas flow rate is a flow rate at which a differential pressure generated in the upstream gas flow path is smaller than a differential pressure required for water movement in the upstream gas flow path. system.
請求項2に記載の燃料電池システムであって、
前記ガス導出流路は、前記第2の掃気ガス流量によって前記ガス導出流路に発生する差圧が前記ガス導出流路内の水の移動に要する差圧よりも大きくなる構造を有する
ことを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 2, wherein
The gas outlet channel has a structure in which a differential pressure generated in the gas outlet channel by the second scavenging gas flow rate is larger than a differential pressure required for water movement in the gas outlet channel. A fuel cell system.
請求項3に記載の燃料電池システムであって、
前記構造は、前記ガス導出流路に含まれる溝状の流路の総断面積が前記上流側ガス流路に含まれる溝状の流路の総断面積よりも小さい
ことを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 3,
In the fuel cell, the total cross-sectional area of the groove-shaped flow path included in the gas outlet flow path is smaller than the total cross-sectional area of the groove-shaped flow path included in the upstream gas flow path. system.
請求項3または請求項4に記載の燃料電池システムであって、
前記構造は、前記ガス導出流路の全体幅が前記上流側ガス流路の全体幅よりも小さい
ことを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 3 or 4, wherein
The fuel cell system according to the structure, wherein the entire width of the gas outlet channel is smaller than the entire width of the upstream gas channel.
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