JP6155870B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

この発明は、カソードガス及びアノードガスを排出する燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system that discharges cathode gas and anode gas.

特許文献１には、起動時にカソードガス及びアノードガスを燃料電池に供給し、燃料電池を発電させることで発生する熱を利用して、燃料電池の暖機運転を行う燃料電池システムが開示されている。   Patent Document 1 discloses a fuel cell system that warms up a fuel cell by using heat generated by supplying cathode gas and anode gas to the fuel cell at the time of startup and generating power in the fuel cell. Yes.

特開２００９−４２４３号公報JP 2009-4243

ところで、燃料電池システムでは、燃料電池内のアノードガス流路にアノードガスを充填した状態でシステムを停止させる。そのため、システムの停止中は、アノードガスが膜電極接合体を透過してカソードガス流路に流れてくるので、システムを起動するときには、燃料電池内のカソードガス流路にアノードガスが滞留している。この滞留アノードガスは、起動時にポンプを駆動してカソードガスを燃料電池に供給することで規定の濃度に希釈されてカソードガス排出通路に排出される。その後、燃料電池の暖機運転が行われる。   By the way, in the fuel cell system, the system is stopped in a state where the anode gas flow path in the fuel cell is filled with the anode gas. Therefore, when the system is stopped, the anode gas passes through the membrane electrode assembly and flows into the cathode gas flow path. Therefore, when starting the system, the anode gas stays in the cathode gas flow path in the fuel cell. Yes. This staying anode gas is diluted to a prescribed concentration by driving the pump at the start-up and supplying the cathode gas to the fuel cell, and is discharged to the cathode gas discharge passage. Thereafter, the warm-up operation of the fuel cell is performed.

また、燃料電池のアノードガス排出口には、アノードガス流路内に蓄積した不純物や水を排出するためのパージ弁が設けられており、このパージ弁からは、不純物と同時にアノードガスが排出される。そのため、パージ弁から排出されるアノードガスについては、カソードガス排出通路へ排出し、カソードガスで規定の濃度に希釈して大気に排出している。   A purge valve for discharging impurities and water accumulated in the anode gas flow path is provided at the anode gas discharge port of the fuel cell, and the anode gas is discharged simultaneously with the impurities from the purge valve. The Therefore, the anode gas discharged from the purge valve is discharged to the cathode gas discharge passage, diluted to a prescribed concentration with the cathode gas, and discharged to the atmosphere.

このため、起動時には、カソードガス排出通路出口のアノードガス濃度が規定の濃度を超えないように、ポンプを駆動してカソードガス流路内の滞留アノードガスを希釈および排出し、その後アノードガス流路からアノードガスのパージを開始する。なお、高圧タンクと燃料電池とを結ぶアノードガス供給配管には遮断弁が設けられており、起動時には、燃料電池の発電開始に備えてパージ弁を開弁する前に遮断弁を開弁しておき、下流の調圧弁によってアノードガスの圧力を所定の圧力に制御している。   Therefore, at startup, the pump is driven to dilute and discharge the staying anode gas in the cathode gas flow path so that the anode gas concentration at the cathode gas discharge passage outlet does not exceed the prescribed concentration, and then the anode gas flow path Then, the purge of the anode gas is started. The anode gas supply pipe connecting the high-pressure tank and the fuel cell is provided with a shut-off valve. At startup, the shut-off valve is opened before the purge valve is opened in preparation for the start of fuel cell power generation. The pressure of the anode gas is controlled to a predetermined pressure by the downstream pressure regulating valve.

このような燃料電池システムにおいて、零下の温度環境でシステム異常によって緊急停止するような場合は、次回の起動を通常の起動処理により行うと、次のような不都合が生じる可能性があることを発明者らは見出した。   In such a fuel cell system, when an emergency stop is caused by a system abnormality in a subzero temperature environment, the following inconvenience may occur if the next activation is performed by a normal activation process. They found out.

燃料電池の運転中は、発電反応によってカソードガス流路で水蒸気が生成され、その水蒸気は、膜電極接合体を透過してアノードガス流路を流れてパージ弁まで到達する。このため、零下環境でシステム停止した場合などで、システム内部温度が凍結温度以下に低下すると、凝縮した水蒸気が水、更には氷となり、パージ弁が凍結する。凍結した状態でパージ弁に対して開閉制御を実行すると、パージ弁を開けることはできても、氷の存在によって閉止できなくなる可能性がある。そこで、停止状態に遷移する前の停止処理において、パージ弁内部の液水を排出する水抜き操作を実施することで、パージ弁の凍結による閉弁不良を防止している。   During the operation of the fuel cell, water vapor is generated in the cathode gas flow path by the power generation reaction, and the water vapor passes through the membrane electrode assembly and flows through the anode gas flow path to reach the purge valve. For this reason, when the system internal temperature falls below the freezing temperature, such as when the system is stopped in a sub-zero environment, the condensed water vapor becomes water and further ice, and the purge valve freezes. If the opening / closing control is performed on the purge valve in a frozen state, the purge valve may be opened but may not be closed due to the presence of ice. Therefore, in the stop process before the transition to the stop state, the draining operation for discharging the liquid water inside the purge valve is performed, thereby preventing the valve closing failure due to the freezing of the purge valve.

ところが、零下環境下でシステムが強制停止されたときには、通常停止時の水抜き操作を実施することができないため、パージ弁を閉じても、凍結によってパージ弁が閉止できずに開いている可能性がある。このような状況で通常の起動処理により遮断弁を開弁してポンプを駆動すると、アノードガスがパージ弁から漏れ出している状態で、カソードガス流路内の滞留アノードガスが、カソードガス排出流路に排出されてしまう。その結果、カソードガス排出通路から排出されるアノードガスの濃度が規定の濃度を超えることが懸念される。   However, when the system is forcibly stopped under a sub-zero environment, it is not possible to carry out the water draining operation at the time of normal stop. Therefore, even if the purge valve is closed, the purge valve may not be closed due to freezing and may be opened. There is. In such a situation, when the pump is driven by opening the shut-off valve by a normal start-up process, the staying anode gas in the cathode gas flow channel is discharged from the cathode gas discharge flow with the anode gas leaking from the purge valve. It will be discharged to the road. As a result, there is a concern that the concentration of the anode gas discharged from the cathode gas discharge passage exceeds a prescribed concentration.

本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、強制停止後の起動時において燃料電池から排出されるアノードガスの濃度上昇を抑制する燃料電池システムを提供することを目的とする。   The present invention has been made paying attention to such problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system that suppresses an increase in the concentration of anode gas discharged from the fuel cell at the time of startup after a forced stop. To do.

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。   The present invention solves the above problems by the following means.

この発明による燃料電池システムは、燃料電池にカソードガスを供給するためのカソードガス供給通路と、前記カソードガス供給通路に設けられ、カソードガスを前記燃料電池に供給するポンプと、を含む。そして燃料電池システムは、前記燃料電池にアノードガスを供給するためのアノードガス供給通路と、前記アノードガス供給通路に設けられ、前記燃料電池へのアノードガスの供給を遮断する遮断弁と、を含む。また燃料電池システムは、前記燃料電池からカソードガスを排出するカソードガス排出通路と、前記燃料電池からアノードガスを排出するアノードガス排出通路と、を含む。さらに燃料電池システムは、前記アノードガス排出通路に設けられ、前記燃料電池から排出されたアノードガスを前記カソードガス排出通路にパージするパージ弁を含む。また、燃料電池システムは、前記燃料電池システムを通常停止するときは、前記燃料電池内のアノードガス流路にアノードガスを充填した状態で前記燃料電池システムを停止させる停止手段と、前記燃料電池システムを通常停止した後に前記燃料電池を起動するときは、前記遮断弁を開き、前記ポンプを第１所定期間駆動して前記燃料電池のカソードガス流路に透過してきた滞留アノードガスを前記カソードガス排出通路に排出し、前記第１所定期間経過後に前記パージ弁を開く通常起動手段を含む。そして燃料電池システムは、前記燃料電池システムを強制停止した後に起動するときは、前記ポンプを第２所定期間駆動してカソードガス流路内の滞留アノードガスを排出し、前記第２所定期間経過後に前記遮断弁を開き、前記パージ弁を開く強制停止時起動手段を含むことを特徴とする。 The fuel cell system according to the present invention includes a cathode gas supply passage for supplying a cathode gas to the fuel cell, and a pump provided in the cathode gas supply passage and supplying the cathode gas to the fuel cell. The fuel cell system includes an anode gas supply passage for supplying anode gas to the fuel cell, and a shutoff valve provided in the anode gas supply passage and for blocking supply of the anode gas to the fuel cell. . The fuel cell system includes a cathode gas discharge passage for discharging cathode gas from the fuel cell, and an anode gas discharge passage for discharging anode gas from the fuel cell. The fuel cell system further includes a purge valve that is provided in the anode gas discharge passage and purges the anode gas discharged from the fuel cell into the cathode gas discharge passage. In addition, when the fuel cell system normally stops, the fuel cell system stops the fuel cell system in a state where the anode gas flow path in the fuel cell is filled with the anode gas, and the fuel cell system When the fuel cell is started after the normal stop , the shutoff valve is opened, the pump is driven for a first predetermined period, and the staying anode gas that has permeated the cathode gas flow path of the fuel cell is discharged to the cathode gas. Normal starting means for discharging to the passage and opening the purge valve after the first predetermined period has elapsed. The fuel cell system, when starting after forcibly stopping the fuel cell system, the residence anode gas in the cathode gas passage and discharging the pump second predetermined period driven, after the lapse of the second predetermined time period It includes a forced stop start means for opening the shut-off valve and opening the purge valve.

この態様によれば、零下の温度環境においてシステムの異常などが原因で燃料電池の運転を強制停止した後に再起動するようなときは、ポンプを駆動してカソードガス流路から滞留アノードガスを排出した後に、アノードガスの遮断弁を開く。   According to this aspect, when the fuel cell operation is forcibly stopped due to a system abnormality or the like in a subzero temperature environment, the pump is driven to discharge the staying anode gas from the cathode gas flow path. After that, the anode gas shut-off valve is opened.

このため、起動時において、万一凍結によりパージ弁が開いた状態であっても、遮断弁の開弁によってパージ弁からアノードガスがカソードガス排出通路へ漏れ出す前に、事前にカソードガス流路内の滞留アノードガスがカソードガス排出通路に排出される。   For this reason, even if the purge valve is open due to freezing at the time of startup, the cathode gas flow path is required in advance before the anode gas leaks from the purge valve to the cathode gas discharge passage by opening the shut-off valve. The staying anode gas is discharged into the cathode gas discharge passage.

したがって、強制停止後の起動時において、カソードガス排出通路から排出されるアノードガスの濃度上昇を抑制することができる。   Accordingly, it is possible to suppress an increase in the concentration of the anode gas discharged from the cathode gas discharge passage at the time of startup after the forced stop.

本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。   Embodiments of the present invention and advantages of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.

図１は、燃料電池スタックの外観を示す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view showing an appearance of a fuel cell stack. 図２は、燃料電池スタックの単セルを示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a single cell of the fuel cell stack. 図３Ａは、燃料電池を構成するアノードセパレータを示す平面図である。FIG. 3A is a plan view showing an anode separator constituting the fuel cell. 図３Ｂは、燃料電池を構成するカソードセパレータを示す平面図である。FIG. 3B is a plan view showing a cathode separator constituting the fuel cell. 図４は、本発明の実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the configuration of the fuel cell system in the embodiment of the present invention. 図５は、通常起動処理を示すタイミングチャートである。FIG. 5 is a timing chart showing the normal activation process. 図６は、強制停止後の再起動処理を示すタイミングチャートである。FIG. 6 is a timing chart showing a restart process after a forced stop. 図７は、コントローラーの空気流量制御部を示す機能ブロック図である。FIG. 7 is a functional block diagram showing an air flow rate control unit of the controller. 図８は、水素圧力値と空気流量との関係を示すマップ図である。FIG. 8 is a map showing the relationship between the hydrogen pressure value and the air flow rate. 図９は、発電電流と空気流量との関係を示すマップ図である。FIG. 9 is a map showing the relationship between the generated current and the air flow rate. 図１０は、コントローラーの水素圧力制御部を示す機能ブロック図である。FIG. 10 is a functional block diagram showing the hydrogen pressure control unit of the controller. 図１１は、発電電流と脈動幅との関係を示すマップ図である。FIG. 11 is a map showing the relationship between the generated current and the pulsation width. 図１２は、コントローラーによる起動処理方法を示すフローチャートである。FIG. 12 is a flowchart showing a startup processing method by the controller.

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態の燃料電池システムに用いられる燃料電池スタック１１０を示す斜視図である。 (First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view showing a fuel cell stack 110 used in the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention.

燃料電池スタック１１０は、本実施形態では、車両を駆動する駆動モータに電力を供給する電源として用いられる。燃料電池スタック１１０は、複数枚の燃料電池を積層したものである。   In this embodiment, the fuel cell stack 110 is used as a power source that supplies power to a drive motor that drives a vehicle. The fuel cell stack 110 is a stack of a plurality of fuel cells.

燃料電池は、アノード電極（いわゆる燃料極）と、カソード電極（いわゆる酸化剤極）と、これらの電極に挟まれる電解質膜と、を備える。ここでは、積層された複数の燃料電池のひとつを「単セル」という。   The fuel cell includes an anode electrode (so-called fuel electrode), a cathode electrode (so-called oxidant electrode), and an electrolyte membrane sandwiched between these electrodes. Here, one of the stacked fuel cells is referred to as a “single cell”.

燃料電池は、アノード電極に供給される水素を含有するアノードガス（いわゆる燃料ガス）及びカソード電極に供給される酸素を含有するカソードガス（いわゆる酸化剤ガス）を用いて発電する。燃料電池の電気化学反応は、アノード電極及びカソード電極の両電極において、以下のとおり進行する。   The fuel cell generates electricity using an anode gas containing hydrogen (so-called fuel gas) supplied to the anode electrode and a cathode gas containing oxygen (so-called oxidant gas) supplied to the cathode electrode. The electrochemical reaction of the fuel cell proceeds as follows in both the anode electrode and the cathode electrode.

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)

燃料電池スタック１１０は、積層された複数の単セル１と、一対の集電板２ａ及び２ｂと、一対の絶縁板３ａ及び３ｂと、一対のエンドプレート４ａ及び４ｂと、図示しない４本のテンションロッドに螺合するナット５と、を有する。   The fuel cell stack 110 includes a plurality of stacked single cells 1, a pair of current collecting plates 2a and 2b, a pair of insulating plates 3a and 3b, a pair of end plates 4a and 4b, and four tensions (not shown). And a nut 5 screwed into the rod.

単セル１は、起電力を生じる固体高分子型燃料電池の単位セルである。単セル１は、１ボルト程度の起電圧を生じる。単セル１の構造については図２を参照して後述する。   The single cell 1 is a unit cell of a polymer electrolyte fuel cell that generates an electromotive force. The single cell 1 generates an electromotive voltage of about 1 volt. The structure of the single cell 1 will be described later with reference to FIG.

一対の集電板２ａ及び２ｂは、積層された複数の単セル１の外側にそれぞれ配置される。集電板２ａ及び２ｂは、ガス不透過性の導電性部材で形成される。ガス不透過性の導電部材は、例えば緻密質カーボンである。集電板２ａ及び２ｂは、上辺の一部に出力端子６を備える。燃料電池スタック１１０は、出力端子６から単セル１ごとに生じた電子ｅ−を取り出して出力する。   The pair of current collector plates 2a and 2b are respectively arranged outside the plurality of unit cells 1 stacked. The current collector plates 2a and 2b are formed of a gas impermeable conductive member. The gas impermeable conductive member is, for example, dense carbon. The current collector plates 2a and 2b include an output terminal 6 on a part of the upper side. The fuel cell stack 110 takes out the electron e− generated for each single cell 1 from the output terminal 6 and outputs it.

一対の絶縁板３ａ及び３ｂは、集電板２ａ及び２ｂの外側にそれぞれ配置される。絶縁板３ａ及び３ｂは、絶縁性の部材で形成される。絶縁性の部材は例えばゴムなどである。   The pair of insulating plates 3a and 3b are disposed outside the current collecting plates 2a and 2b, respectively. The insulating plates 3a and 3b are formed of an insulating member. The insulating member is, for example, rubber.

一対のエンドプレート４ａ及び４ｂは、絶縁板３ａ及び３ｂの外側にそれぞれ配置される。エンドプレート４ａ及び４ｂは、剛性を備える金属性の材料で形成され、例えば鋼などで形成される。   The pair of end plates 4a and 4b are disposed outside the insulating plates 3a and 3b, respectively. The end plates 4a and 4b are formed of a metallic material having rigidity, for example, steel.

一対のエンドプレート４ａ及び４ｂのうち、一方のエンドプレート４ａには、冷却水の入口孔４１ａ及び出口孔４１ｂと、アノードガスの入口孔４２ａ及び出口孔４２ｂと、カソードガスの入口孔４３ａ及び出口孔４３ｂとが形成される。なお、冷却水入口孔４１ａ、アノードガス出口孔４２ｂ及びカソードガス入口孔４３ａは、エンドプレート４ａの一端側（図中右側）に形成され、冷却水出口孔４１ｂ、アノードガス入口孔４２ａ及びカソードガス出口孔４３ｂは、他端側（図中左側）に形成される。   Of the pair of end plates 4a and 4b, one end plate 4a includes an inlet hole 41a and an outlet hole 41b for cooling water, an inlet hole 42a and an outlet hole 42b for anode gas, an inlet hole 43a and an outlet for cathode gas. A hole 43b is formed. The cooling water inlet hole 41a, the anode gas outlet hole 42b, and the cathode gas inlet hole 43a are formed on one end side (right side in the drawing) of the end plate 4a, and the cooling water outlet hole 41b, the anode gas inlet hole 42a, and the cathode gas are formed. The outlet hole 43b is formed on the other end side (left side in the figure).

ここで、アノードガス入口孔４２ａに水素を供給する方法としては、例えば水素ガスを水素貯蔵装置から直接供給する方法又は水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法がある。   Here, as a method of supplying hydrogen to the anode gas inlet hole 42a, for example, a method of supplying hydrogen gas directly from a hydrogen storage device or a method of supplying a hydrogen-containing gas reformed by reforming a fuel containing hydrogen There is.

なお、水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素を含有する燃料ガスとしては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。また、カソードガス入口孔４３ａに供給する酸化剤ガスとしては、一般的に空気が利用される。   Examples of the hydrogen storage device include a high-pressure gas tank, a liquefied hydrogen tank, and a hydrogen storage alloy tank. As the fuel gas containing hydrogen, natural gas, methanol, gasoline or the like can be considered. Air is generally used as the oxidant gas supplied to the cathode gas inlet hole 43a.

ナット５は、燃料電池スタック１１０の内部を貫通する図示しない４本のテンションロッドの両端部に形成された雄ねじ部に螺合する。テンションロッドにナット５を螺合締結することで、燃料電池スタック１１０を積層方向に締め付ける。テンションロッドは、剛性を備えた金属材料で形成され、例えば鋼などで形成される。テンションロッドの表面には絶縁処理が施され、単セル１同士の電気短絡を防止している。   The nut 5 is screwed into male screw portions formed at both end portions of four tension rods (not shown) penetrating the inside of the fuel cell stack 110. By screwing and fastening the nut 5 to the tension rod, the fuel cell stack 110 is fastened in the stacking direction. The tension rod is formed of a metal material having rigidity, for example, steel. The surface of the tension rod is insulated so as to prevent an electrical short circuit between the single cells 1.

図２は、図１のII-II線に沿う方向から見た単セル１の断面の一部を示す図である。   FIG. 2 is a diagram showing a part of a cross section of the single cell 1 as seen from the direction along the line II-II in FIG.

単セル１は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：以下「ＭＥＡ」という）１１を、アノードセパレータ２０とカソードセパレータ３０とで挟持して構成する。   The single cell 1 is configured by sandwiching a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”) 11 between an anode separator 20 and a cathode separator 30.

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

電解質膜１１ａ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１１ａは、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。   The electrolyte membrane 11a is a proton-conductive ion exchange membrane formed of a fluorine-based resin. The electrolyte membrane 11a exhibits good electrical conductivity in a wet state.

アノード電極１１ｂ及びカソード電極１１ｃは、ガス拡散層、撥水層、及び触媒層から構成される。ガス拡散層は、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。撥水層は、ポリエチレンフルオロエチレンと炭素材を含む層である。触媒層は、白金が担持されたカーボンブラック粒子から形成される。   The anode electrode 11b and the cathode electrode 11c are composed of a gas diffusion layer, a water repellent layer, and a catalyst layer. The gas diffusion layer 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. The water repellent layer is a layer containing polyethylene fluoroethylene and a carbon material. The catalyst layer is formed from carbon black particles on which platinum is supported.

アノードセパレータ２０は、アノード電極１１ｂと接する。アノードセパレータ２０は、アノード電極１１ｂと接する側に、アノード電極１１ｂにアノードガスを供給するためのアノードガス流路２４を有する。そして、アノード電極１１ｂと直接接する面（後述する流路リブ２５の頂面）２５ａの反対面に、発電により暖められた燃料電池スタック１１０を冷却する冷却水が流れる冷却水流路２６を有する。   The anode separator 20 is in contact with the anode electrode 11b. The anode separator 20 has an anode gas flow path 24 for supplying anode gas to the anode electrode 11b on the side in contact with the anode electrode 11b. A cooling water channel 26 through which cooling water for cooling the fuel cell stack 110 heated by power generation flows is provided on the surface opposite to the surface (a top surface of a channel rib 25 described later) 25a that directly contacts the anode 11b.

カソードセパレータ３０も同様に、カソード電極１１ｃと接する側に、カソード電極１１ｃにカソードガスを供給するためのカソードガス流路３４を有し、カソード電極１１ｃと接する面（後述する流路リブ３５の頂面）３５ａの反対面に冷却水流路３６を有する。アノードセパレータ２０及びカソードセパレータ３０は、金属又はカーボンである。   Similarly, the cathode separator 30 has a cathode gas channel 34 for supplying cathode gas to the cathode electrode 11c on the side in contact with the cathode electrode 11c, and a surface in contact with the cathode electrode 11c (the top of channel ribs 35 described later). The cooling water flow path 36 is provided on the surface opposite to the surface 35a. The anode separator 20 and the cathode separator 30 are metal or carbon.

なお、隣接するアノードセパレータ２０とカソードセパレータ３０とに設けられたそれぞれの冷却水流路２６及び冷却水流路３６は、互いに向き合うように形成されており、この冷却水流路２６及び冷却水流路３６によって１つの冷却水流路５１が形成される。   The cooling water passage 26 and the cooling water passage 36 provided in the adjacent anode separator 20 and cathode separator 30 are formed so as to face each other, and the cooling water passage 26 and the cooling water passage 36 1 Two cooling water channels 51 are formed.

また、ガス流路２４を流れるアノードガスと、ガス流路３４を流れるカソードガスとは、ＭＥＡ１１を介して互いに逆向きに流れている。本実施形態では、ガス流路２４を流れるアノードガスは紙面奥から手前へ流れており、ガス流路３４を流れるカソードガスは紙面手前から奥へ流れている。   Also, the anode gas flowing through the gas flow path 24 and the cathode gas flowing through the gas flow path 34 flow in opposite directions via the MEA 11. In the present embodiment, the anode gas flowing through the gas flow path 24 flows from the back to the front of the paper, and the cathode gas flowing through the gas flow path 34 flows from the front to the back of the paper.

図３Ａは、アノードセパレータ２０をアノード電極側から見た平面図である。   FIG. 3A is a plan view of the anode separator 20 as viewed from the anode electrode side.

アノードセパレータ２０の一端（図中左側）には、上から順に、カソードガス出口孔４３ｂ、冷却水出口孔４１ｂ、アノードガス入口孔４２ａが形成される。一方、アノードセパレータ２０の他端（図中右側）には、上から順に、アノードガス出口孔４２ｂ、冷却水入口孔４１ａ、カソードガス入口孔４３ａが形成される。   A cathode gas outlet hole 43b, a cooling water outlet hole 41b, and an anode gas inlet hole 42a are formed in this order from the top at one end (left side in the figure) of the anode separator 20. On the other hand, an anode gas outlet hole 42b, a cooling water inlet hole 41a, and a cathode gas inlet hole 43a are formed in order from the top at the other end (right side in the figure) of the anode separator 20.

また、アノードセパレータ２０の表面には、アノードガス拡散部２１と、複数の溝状のアノードガス流路２４と、アノードガス合流部２７とが形成される。ここでは、アノードガス流路は、単に「ガス流路」という。   Further, on the surface of the anode separator 20, an anode gas diffusion portion 21, a plurality of groove-like anode gas flow paths 24, and an anode gas merging portion 27 are formed. Here, the anode gas channel is simply referred to as “gas channel”.

ガス流路２４は、ガス流路底面２４ａからアノード電極側へ突出してアノード電極と接する複数の流路リブ２５との間に形成される流路である。なお、流路リブ２５の背面が、前述した冷却水流路２６となっている。流路リブ２５の側面２５ｂはテーパ状となっており、流路リブ頂面２５ａからガス流路底面２４ａへ向けて一定の角度で傾斜している。これにより、ガス流路２４を流れるガス及び冷却水流路２６を流れる冷却水の余分な乱流を抑制して圧力損失を低減している。   The gas channel 24 is a channel formed between a plurality of channel ribs 25 that protrude from the gas channel bottom surface 24a to the anode electrode side and come into contact with the anode electrode. The back surface of the channel rib 25 is the cooling water channel 26 described above. The side surface 25b of the flow channel rib 25 is tapered, and is inclined at a certain angle from the flow channel rib top surface 25a toward the gas flow channel bottom surface 24a. Thereby, excessive turbulent flow of the gas flowing through the gas flow path 24 and the cooling water flowing through the cooling water flow path 26 is suppressed to reduce pressure loss.

アノードガス拡散部２１は、アノードガス入口孔４２ａとガス流路２４との間に形成される。アノードガス拡散部２１は、アノードガス入口孔４２ａからガス流路２４へ向かって幅が広がっていくガス流路である。   The anode gas diffusion portion 21 is formed between the anode gas inlet hole 42 a and the gas flow path 24. The anode gas diffusion part 21 is a gas flow channel whose width increases from the anode gas inlet hole 42 a toward the gas flow channel 24.

アノードガス拡散部２１には、アノードガスを各ガス流路２４へ均等に分配するために、アノードガス拡散部底面２１ａからアノード電極へ突出してアノード電極と接する複数の突起状の拡散リブ２２が格子状に形成される。   The anode gas diffusion portion 21 has a plurality of protruding diffusion ribs 22 protruding from the anode gas diffusion portion bottom surface 21a to the anode electrode and contacting the anode electrode in order to distribute the anode gas evenly to each gas flow path 24. It is formed in a shape.

アノードガス合流部２７は、ガス流路２４とアノードガス出口孔４２ｂとの間に形成される。アノードガス合流部２７は、ガス流路２４からアノードガス出口孔４２ｂへ向かって幅が狭くなっていくガス流路である。   The anode gas merging portion 27 is formed between the gas flow path 24 and the anode gas outlet hole 42b. The anode gas merging portion 27 is a gas passage whose width becomes narrower from the gas passage 24 toward the anode gas outlet hole 42b.

アノードガス合流部２７には、アノードガス合流部底面２７ａからアノード電極へ突出してアノード電極と接する複数の合流リブ２８が形成される。アノードガス合流部２７は、この合流リブ２８によって複数の領域２９に区分けされる。以下では、この区分けされた各領域２９を「ガス合流流路２９」という。   A plurality of merging ribs 28 projecting from the anode gas merging portion bottom surface 27a to the anode electrode and in contact with the anode electrode are formed in the anode gas merging portion 27. The anode gas merging portion 27 is divided into a plurality of regions 29 by the merging rib 28. Hereinafter, each of the divided areas 29 is referred to as a “gas merging flow path 29”.

合流リブ２８は、ガス流路終端２７ａからアノードガス出口孔４２ｂへ向かって形成される。合流リブ２８は、アノードガス出口孔４２ｂへ行くほどガス合流流路２９の幅が狭くなるように形成される。合流リブ２８は、ガス流路２４から各ガス合流流路２９に流れ込むガス流量が略同一となるように形成される。合流リブ２８の本数は、流路リブ２５の本数よりも少ない。なお、隣接するガス合流流路２９の流路幅がガス流路２４の流路幅と略同一になるまで、一部の流路リブ２５の終端が延長されている。   The joining rib 28 is formed from the gas flow path terminal 27a toward the anode gas outlet hole 42b. The merging rib 28 is formed so that the width of the gas merging channel 29 becomes narrower toward the anode gas outlet hole 42b. The merge ribs 28 are formed so that the gas flow rates flowing from the gas flow path 24 into the gas merge flow paths 29 are substantially the same. The number of merge ribs 28 is smaller than the number of flow path ribs 25. Note that the ends of some of the channel ribs 25 are extended until the channel width of the adjacent gas merge channel 29 becomes substantially the same as the channel width of the gas channel 24.

図３Ｂは、カソードセパレータ３０をカソード電極１１ｃ側から見た平面図である。   FIG. 3B is a plan view of the cathode separator 30 as viewed from the cathode electrode 11c side.

カソードセパレータ３０は、アノードセパレータ２０と同様の構成である。カソードセパレータ３０は、カソードガス拡散部３１と、カソードガス流路３４と、流路リブ３５と、カソードガス合流部３７とを有する。ここでは、カソードガス流路を単に「ガス流路」という。   The cathode separator 30 has the same configuration as the anode separator 20. The cathode separator 30 includes a cathode gas diffusion part 31, a cathode gas channel 34, a channel rib 35, and a cathode gas junction part 37. Here, the cathode gas channel is simply referred to as “gas channel”.

カソードガス拡散部３１には拡散リブ３２が設けられる。カソードガス合流部３７には、合流リブ３８が設けられ、ガス合流流路３９が形成される。   The cathode gas diffusion part 31 is provided with diffusion ribs 32. The cathode gas merging portion 37 is provided with a merging rib 38 to form a gas merging channel 39.

カソードセパレータ３０は、ＭＥＡ１１を介してアノードセパレータ２０と対向しているため、カソードセパレータ３０の一端側（図中左側）は、アノードセパレータ２０の他端側（図３Ａの右側）となる。そして、カソードセパレータ３０の他端側（図中右側）が、アノードセパレータ２０の一端側（図３Ａの左側）となる。   Since the cathode separator 30 faces the anode separator 20 via the MEA 11, one end side (left side in the figure) of the cathode separator 30 is the other end side (right side in FIG. 3A). The other end side (right side in the figure) of the cathode separator 30 is one end side (left side in FIG. 3A) of the anode separator 20.

したがって、カソードセパレータ３０の一端側（図中左側）には、アノードセパレータ２０の他端側に形成される３つの孔に対応してアノードガス出口孔４２ｂ、冷却水入口孔４１ａ、カソードガス入口孔４３ａが形成される。そして、カソードセパレータ３０の他端側（図中右側）にも、アノードセパレータ２０の一端側に形成される３つの孔に対応してカソードガス出口孔４３ｂ、冷却水出口孔４１ｂ、アノードガス入口孔４２ａが形成される。   Therefore, on one end side (left side in the figure) of the cathode separator 30, the anode gas outlet hole 42b, the cooling water inlet hole 41a, the cathode gas inlet hole corresponding to the three holes formed on the other end side of the anode separator 20 are provided. 43a is formed. Further, the cathode gas outlet hole 43b, the cooling water outlet hole 41b, and the anode gas inlet hole also correspond to the three holes formed on the one end side of the anode separator 20 on the other end side (right side in the figure) of the cathode separator 30. 42a is formed.

図４は、本発明の実施形態における燃料電池システム１００の構成を示す図である。   FIG. 4 is a diagram showing a configuration of the fuel cell system 100 according to the embodiment of the present invention.

燃料電池システム１００は、燃料電池に対して外部から発電に必要な燃料ガスを供給し、負荷に応じて発電する電源システムである。燃料電池システム１００は、本実施形態では、車両を駆動する駆動モータなどに電力を供給する。   The fuel cell system 100 is a power supply system that supplies fuel gas necessary for power generation from the outside to the fuel cell and generates power according to a load. In the present embodiment, the fuel cell system 100 supplies power to a drive motor that drives the vehicle.

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１１０と、カソードガス給排装置１２０と、アノードガス給排装置１３０と、スタック冷却装置１４０と、コントローラー１５０と、を備える。   The fuel cell system 100 includes a fuel cell stack 110, a cathode gas supply / discharge device 120, an anode gas supply / discharge device 130, a stack cooling device 140, and a controller 150.

燃料電池スタック１１０は、例えば数百Ｖ（ボルト）の電圧を発電する。燃料電池スタック１１０は、駆動モータや補機に接続される。燃料電池スタック１１０に積層された単セル１は、互いに直列に接続されているため、燃料電池スタック１１０では、各単セル１に生じるセル電圧の総和が出力電圧となる。   The fuel cell stack 110 generates a voltage of several hundred volts (volts), for example. The fuel cell stack 110 is connected to a drive motor and auxiliary equipment. Since the single cells 1 stacked on the fuel cell stack 110 are connected in series with each other, in the fuel cell stack 110, the sum of the cell voltages generated in each single cell 1 becomes the output voltage.

燃料電池スタック１１０は、カソードガス給排装置１２０からカソードガスが供給され、アノードガス給排装置１３０からアノードガスが供給される。   The fuel cell stack 110 is supplied with cathode gas from the cathode gas supply / discharge device 120 and supplied with anode gas from the anode gas supply / discharge device 130.

カソードガス給排装置１２０は、燃料電池スタック１１０にカソードガスを供給すると共に、燃料電池スタック１１０から排出されるカソードガスを大気に排出する装置である。   The cathode gas supply / discharge device 120 supplies the cathode gas to the fuel cell stack 110 and discharges the cathode gas discharged from the fuel cell stack 110 to the atmosphere.

カソードガス給排装置１２０は、カソードガス供給通路１２１と、カソードコンプレッサー１２２と、カソード圧力センサー１２３と、カソードガス排出通路１２４と、を備える。   The cathode gas supply / discharge device 120 includes a cathode gas supply passage 121, a cathode compressor 122, a cathode pressure sensor 123, and a cathode gas discharge passage 124.

カソードガス供給通路１２１は、燃料電池スタック１１０にカソードガスを供給するための通路である。カソードガス供給通路１２１の一端は、外気から酸素を取り込む通路と連通し、他端はカソードガス入口孔４３ａに接続される。   The cathode gas supply passage 121 is a passage for supplying cathode gas to the fuel cell stack 110. One end of the cathode gas supply passage 121 communicates with a passage for taking in oxygen from the outside air, and the other end is connected to the cathode gas inlet hole 43a.

カソードコンプレッサー１２２は、カソードガスを燃料電池スタック１１０に供給するポンプである。カソードコンプレッサー１２２は、カソードガス供給通路１２１に設けられる。カソードコンプレッサー１２２は、外気からカソードガス供給通路１２１に酸素を含む空気を取り込み、その空気をカソードガスとして燃料電池スタック１１０に供給する。   The cathode compressor 122 is a pump that supplies cathode gas to the fuel cell stack 110. The cathode compressor 122 is provided in the cathode gas supply passage 121. The cathode compressor 122 takes in oxygen-containing air from the outside air into the cathode gas supply passage 121 and supplies the air to the fuel cell stack 110 as cathode gas.

カソード圧力センサー１２３は、カソードコンプレッサー１２２よりも下流に位置するカソードガス供給通路１２１に設けられる。カソード圧力センサー１２３は、カソードガスの圧力を検出する。カソード圧力センサー１２３は、検出した値をコントローラー１５０に出力する。カソード圧力センサー１２３の検出値は、例えばカソードコンプレッサー１２２の流量調整に用いられる。   The cathode pressure sensor 123 is provided in the cathode gas supply passage 121 located downstream of the cathode compressor 122. The cathode pressure sensor 123 detects the pressure of the cathode gas. The cathode pressure sensor 123 outputs the detected value to the controller 150. The detection value of the cathode pressure sensor 123 is used for adjusting the flow rate of the cathode compressor 122, for example.

カソードガス排出通路１２４は、燃料電池スタック１１０からカソードガスを排出するための通路である。カソードガス排出通路１２４の一端は、カソードガス出口孔４３ｂに接続され、他端は開口している。以下では、カソードガス排出通路１２４から排出されるガスのことを「排出ガス」という。   The cathode gas discharge passage 124 is a passage for discharging the cathode gas from the fuel cell stack 110. One end of the cathode gas discharge passage 124 is connected to the cathode gas outlet hole 43b, and the other end is opened. Hereinafter, the gas discharged from the cathode gas discharge passage 124 is referred to as “exhaust gas”.

アノードガス給排装置１３０は、燃料電池スタック１１０にアノードガスを供給すると共に、燃料電池スタック１１０から不純物をカソードガス排出通路へ排出する装置である。   The anode gas supply / discharge device 130 is a device that supplies anode gas to the fuel cell stack 110 and discharges impurities from the fuel cell stack 110 to the cathode gas discharge passage.

アノードガス給排装置１３０は、アノードガス供給通路１３１と、遮断弁１３２と、アノード調圧弁１３３と、アノード圧力センサー１３４と、を備える。さらにアノードガス給排装置１３０は、アノードガス排出通路１３５を備える。   The anode gas supply / discharge device 130 includes an anode gas supply passage 131, a shutoff valve 132, an anode pressure regulating valve 133, and an anode pressure sensor 134. Further, the anode gas supply / discharge device 130 includes an anode gas discharge passage 135.

アノードガス供給通路１３１は、燃料電池スタック１１０にアノードガスを供給するための通路である。アノードガス供給通路１３１の一端は、例えばアノードガスが充填された高圧タンクに接続され、他端は、アノードガス入口孔４２ａに接続される。   The anode gas supply passage 131 is a passage for supplying anode gas to the fuel cell stack 110. One end of the anode gas supply passage 131 is connected to, for example, a high-pressure tank filled with anode gas, and the other end is connected to the anode gas inlet hole 42a.

遮断弁１３２は、アノードガス供給通路１３１に設けられる。遮断弁１３２は、燃料電池スタック１１０に供給されるアノードガスを遮断する。遮断弁１３２は、コントローラー１５０によって開閉制御される。遮断弁１３２は、燃料電池システム１００の起動中に開弁し、停止時に閉止する。   The shut-off valve 132 is provided in the anode gas supply passage 131. The shutoff valve 132 shuts off the anode gas supplied to the fuel cell stack 110. The shut-off valve 132 is controlled to open and close by the controller 150. The shut-off valve 132 is opened during startup of the fuel cell system 100 and closed when stopped.

アノード調圧弁１３３は、遮断弁１３２よりも下流に位置するアノードガス供給通路１３１に設けられる。アノード調圧弁１３３は、コントローラー１５０によって開閉制御される。この開閉制御によって、燃料電池スタック１１０に供給されるアノードガスが、燃料電池に要求される発電電力に基づいて所定の圧力に調節される。   The anode pressure regulating valve 133 is provided in the anode gas supply passage 131 located downstream from the shutoff valve 132. The anode pressure regulating valve 133 is controlled to open and close by the controller 150. By this opening / closing control, the anode gas supplied to the fuel cell stack 110 is adjusted to a predetermined pressure based on the generated power required for the fuel cell.

アノード圧力センサー１３４は、アノード調圧弁１３３とアノードガス入口孔４２ａとの間のアノードガス供給通路１３１に設けられる。アノード圧力センサー１３４は、アノードガスの圧力を検出する。アノード圧力センサー１３４は、検出した値をコントローラー１５０に出力する。アノード圧力センサー１３４の検出値は、例えばアノード調圧弁１３３の開度の調整に用いられる。   The anode pressure sensor 134 is provided in the anode gas supply passage 131 between the anode pressure regulating valve 133 and the anode gas inlet hole 42a. The anode pressure sensor 134 detects the pressure of the anode gas. The anode pressure sensor 134 outputs the detected value to the controller 150. The detection value of the anode pressure sensor 134 is used, for example, to adjust the opening degree of the anode pressure regulating valve 133.

アノードガス排出通路１３５は、燃料電池スタック１１０からアノードガスに含まれる不純物を排出する通路である。アノードガス排出通路１３５の一端は、カソードガス排出通路１２４に合流し、他端は、貯水バッファ１３６の出口孔に接続される。   The anode gas discharge passage 135 is a passage for discharging impurities contained in the anode gas from the fuel cell stack 110. One end of the anode gas discharge passage 135 joins the cathode gas discharge passage 124, and the other end is connected to the outlet hole of the water storage buffer 136.

貯水バッファ１３６は、アノードガス出口孔４２ｂに設けられる。なお、本実施形態では貯水バッファ１３６をアノードガス出口孔４２ｂに直接接続しているが、アノードガス出口孔４２ｂとカソードガス排出通路１２４とを結ぶアノードガス排出通路の途中に貯水バッファ１３６を設けても良い。   The water storage buffer 136 is provided in the anode gas outlet hole 42b. In this embodiment, the water storage buffer 136 is directly connected to the anode gas outlet hole 42b. However, the water storage buffer 136 is provided in the middle of the anode gas discharge passage connecting the anode gas outlet hole 42b and the cathode gas discharge passage 124. Also good.

アノードガス出口孔４２ｂから排出されるアノードガスには、発電反応に使用されなかった余剰のアノードガスの他に、カソードガスに含まれる不活性ガスの窒素や、発電反応に伴う水蒸気などの不純物が含まれている。   In the anode gas discharged from the anode gas outlet hole 42b, in addition to the surplus anode gas that has not been used for the power generation reaction, impurities such as nitrogen of inert gas contained in the cathode gas and water vapor accompanying the power generation reaction are included. include.

貯水バッファ１３６は、アノードガス出口孔４２ｂから、後述のパージ弁３６２の排水性能を超える流量の凝縮水が一時的に排出された場合に、凝縮水がアノードガス出口孔４２ｂに逆流するのを防止する役割を果たす。   The water storage buffer 136 prevents the condensed water from flowing backward into the anode gas outlet hole 42b when condensed water having a flow rate exceeding the drainage performance of the purge valve 362 described later is temporarily discharged from the anode gas outlet hole 42b. To play a role.

アノードガス排出通路１３５には、アノードガス中の窒素、水蒸気、凝縮水をカソードガス排出通路１２４へ排出するためのパージ弁３６２を備える。   The anode gas discharge passage 135 includes a purge valve 362 for discharging nitrogen, water vapor, and condensed water in the anode gas to the cathode gas discharge passage 124.

パージ弁３６２からは、アノードガス排出通路１３５内の水素を含むアノードガスが、カソードガス排出通路１２４へ排出される。これにより、カソードガスで排出ガス中の水素が希釈される。パージ弁３６２は、コントローラー１５０によって開閉制御される。この開閉制御によって、カソードガス排出通路１２４の出口端で水素濃度が規定値以下に維持される。   From the purge valve 362, the anode gas containing hydrogen in the anode gas discharge passage 135 is discharged to the cathode gas discharge passage 124. Thereby, hydrogen in exhaust gas is diluted with cathode gas. The purge valve 362 is controlled to open and close by the controller 150. By this opening / closing control, the hydrogen concentration is maintained below the specified value at the outlet end of the cathode gas discharge passage 124.

スタック冷却装置１４０は、冷媒によって燃料電池スタック１１０及び貯水バッファ１３６を冷却する装置である。冷媒としては、本実施形態では冷却水が用いられる。   The stack cooling device 140 is a device that cools the fuel cell stack 110 and the water storage buffer 136 with a refrigerant. As the refrigerant, cooling water is used in the present embodiment.

スタック冷却装置１４０は、冷却水循環通路１４１と、熱交換器１４２と、冷却水ポンプ１４３と、バイパス流路１４４と、サーモスタット１４５と、分岐通路４１１及び合流通路４１２と、を備える。   The stack cooling device 140 includes a cooling water circulation passage 141, a heat exchanger 142, a cooling water pump 143, a bypass passage 144, a thermostat 145, a branch passage 411 and a merging passage 412.

冷却水循環通路１４１は、燃料電池スタック１１０に冷却水を循環させる通路である。   The cooling water circulation passage 141 is a passage for circulating cooling water through the fuel cell stack 110.

熱交換器１４２は、冷却水循環通路１４１に設けられる。熱交換器１４２は、燃料電池スタック１１０で温められた冷却水を、例えばファンによって冷却する。   The heat exchanger 142 is provided in the cooling water circulation passage 141. The heat exchanger 142 cools the cooling water heated by the fuel cell stack 110 by, for example, a fan.

冷却水ポンプ１４３は、冷却水循環通路１４１に設けられる。冷却水ポンプ１４３は、熱交換器１４２で冷やされた冷却水を燃料電池スタック１１０に吐出する。冷却水ポンプ１４３の吐出流量は、コントローラー１５０によって制御される。   The cooling water pump 143 is provided in the cooling water circulation passage 141. The cooling water pump 143 discharges the cooling water cooled by the heat exchanger 142 to the fuel cell stack 110. The discharge flow rate of the cooling water pump 143 is controlled by the controller 150.

バイパス流路１４４は、燃料電池スタック１１０の下流の冷却水循環通路１４１から分岐して冷却水ポンプ１４３の上流に合流する。   The bypass flow path 144 branches off from the cooling water circulation passage 141 downstream of the fuel cell stack 110 and merges upstream of the cooling water pump 143.

サーモスタット１４５は、バイパス流路１４４の合流部に設けられる。サーモスタット１４５は、バイパス流路１４４および熱交換器１４２に供給される冷却水の流量を制御する。これにより、冷却水ポンプ１４３に供給される冷却水の温度を制御することができる。具体的には、冷却水の温度が低いほど、バイパス流路１４４を流れる冷却水流量が多くなるように制御する。   The thermostat 145 is provided at the junction of the bypass channel 144. The thermostat 145 controls the flow rate of the cooling water supplied to the bypass channel 144 and the heat exchanger 142. Thereby, the temperature of the cooling water supplied to the cooling water pump 143 can be controlled. Specifically, the control is performed so that the flow rate of the cooling water flowing through the bypass channel 144 increases as the temperature of the cooling water decreases.

分岐通路４１１は、冷却水ポンプ１４３の下流の冷却水循環通路１４１から分岐して貯水バッファ１３６およびパージ弁３６２の筐体に冷却水を通す。このため、容積部３６１とパージ弁３６２とを通過する内部通路には、燃料電池スタック１１０の暖機操作（暖機運転）により燃料電池スタック１１０で温められた冷却水が流れる。   The branch passage 411 branches from the cooling water circulation passage 141 downstream of the cooling water pump 143 and allows the cooling water to pass through the housing of the water storage buffer 136 and the purge valve 362. For this reason, the cooling water heated by the fuel cell stack 110 by the warm-up operation (warm-up operation) of the fuel cell stack 110 flows through the internal passage passing through the volume portion 361 and the purge valve 362.

これにより、貯水バッファ１３６およびパージ弁３６２も暖機されるので、零下環境下で凝縮水が凍結するのを防止することができる。なお、バイパス通路１４４にヒーターを設け、ヒーターによって冷却水を加熱して貯水バッファ１３６及びパージ弁３６２を暖機してもよい。   As a result, the water storage buffer 136 and the purge valve 362 are also warmed up, so that it is possible to prevent the condensed water from freezing in a sub-zero environment. Note that a heater may be provided in the bypass passage 144, and the water storage buffer 136 and the purge valve 362 may be warmed up by heating the cooling water with the heater.

合流通路４１２は、貯水バッファ１３６およびパージ弁３６２の内部通路から延びて冷却水ポンプ１４３の上流の冷却水循環通路１４１に合流する。   The merge passage 412 extends from the internal passages of the water storage buffer 136 and the purge valve 362 and merges with the coolant circulation passage 141 upstream of the coolant pump 143.

コントローラー１５０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ーで構成される。   The controller 150 includes a microcomputer that includes a central processing unit (CPU), a read-only memory (ROM), a random access memory (RAM), and an input / output interface (I / O interface).

コントローラー１５０は、カソードコンプレッサー１２２、遮断弁１３２、アノード調圧弁１３３、パージ弁３６２及び冷却水ポンプ１４３を制御して、燃料電池スタック１１０を発電させる。   The controller 150 controls the cathode compressor 122, the shutoff valve 132, the anode pressure regulating valve 133, the purge valve 362, and the cooling water pump 143 to generate power in the fuel cell stack 110.

また、コントローラー１５０は、燃料電池システム１００を停止するときに水抜き操作を行う。具体的にはコントローラー１５０は、停止処理中に燃料電池の発電電力を最小値まで下げた状態でパージ弁３６２を開き、パージ弁３６２の開状態を所定時間継続させる。もしくは、コントローラー１５０は、停止処理中に発電電力を最小値まで下げた状態でパージ弁３６２の開閉操作を数回連続して行う。これにより、貯水バッファ１３６内部の液水が排出されるので、システム停止中にパージ弁３６２が凍結するのを防止できる。   Further, the controller 150 performs a water drain operation when the fuel cell system 100 is stopped. Specifically, the controller 150 opens the purge valve 362 in a state where the generated power of the fuel cell is reduced to the minimum value during the stop process, and continues the open state of the purge valve 362 for a predetermined time. Alternatively, the controller 150 continuously performs the opening / closing operation of the purge valve 362 several times while the generated power is reduced to the minimum value during the stop process. Thereby, since the liquid water inside the water storage buffer 136 is discharged, it is possible to prevent the purge valve 362 from freezing while the system is stopped.

その後、コントローラー１５０は、燃料電池スタック１１０の劣化を防止するために、カソードガス流路３４内の酸素濃度を十分に下げた後、遮断弁１３２を閉じる。そのため、燃料電池スタック１１０のアノード極にアノードガスが充填された状態で、燃料電池システム１００が停止される。   Thereafter, the controller 150 closes the shutoff valve 132 after sufficiently reducing the oxygen concentration in the cathode gas flow path 34 in order to prevent deterioration of the fuel cell stack 110. Therefore, the fuel cell system 100 is stopped while the anode electrode of the fuel cell stack 110 is filled with the anode gas.

燃料電池の膜電極接合体１１は高分子の膜で構成されるため、両極（アノード電極及びカソード電極）のガスの分圧差によってガスが透過する。燃料電池システム１００の停止直後は、カソードガス流路３４の水素分圧はほぼゼロであるのに対し、アノードガス流路２４には水素を中心とするガスで充填されているため水素分圧が高い状態である。このため、アノードガスが膜電極接合体１１を透過してカソードガス流路３４に流れてくる。   Since the membrane electrode assembly 11 of the fuel cell is composed of a polymer membrane, the gas permeates due to the partial pressure difference between the gas at the two electrodes (the anode electrode and the cathode electrode). Immediately after the fuel cell system 100 is stopped, the hydrogen partial pressure in the cathode gas flow path 34 is almost zero, whereas the anode gas flow path 24 is filled with a gas centered on hydrogen, so the hydrogen partial pressure is low. It is in a high state. Therefore, the anode gas passes through the membrane electrode assembly 11 and flows into the cathode gas flow path 34.

その結果、燃料電池システム１００を起動するときには、膜電極接合体１１を透過してくるアノードガス（いわゆるクロスオーバー水素）が、カソードガス流路３４に多量に滞留している。以下では、停止中にカソードガス流路３４内に滞留したアノードガスを「滞留アノードガス」という。   As a result, when the fuel cell system 100 is started, a large amount of anode gas (so-called crossover hydrogen) that permeates the membrane electrode assembly 11 stays in the cathode gas flow path 34. Hereinafter, the anode gas staying in the cathode gas flow path 34 during the stop is referred to as “retained anode gas”.

コントローラー１５０は、図５に示すように、滞留アノードガスを燃料電池システム１００の起動中に排出する。   As shown in FIG. 5, the controller 150 discharges the staying anode gas during startup of the fuel cell system 100.

図５は、滞留アノードガスを排出するために通常行われる起動処理を示すタイミングチャートである。   FIG. 5 is a timing chart showing a start-up process that is normally performed to discharge the staying anode gas.

図５（ａ）は、カソード圧力センサー１２３で検出されるカソードガスの圧力と、遮断弁１３２の上流側のアノードガスの圧力とを示す図である。ここでは、アノードガスの圧力が実線で示され、カソードガスの圧力が破線で示されている。   FIG. 5A is a diagram showing the pressure of the cathode gas detected by the cathode pressure sensor 123 and the pressure of the anode gas upstream of the shut-off valve 132. Here, the pressure of the anode gas is indicated by a solid line, and the pressure of the cathode gas is indicated by a broken line.

図５（ｂ）は、遮断弁１３２の開閉状態を示す図である。図５（ｃ）は、カソードコンプレッサー１２２による空気流量を示す図である。図５（ｂ）及び図５（ｃ）では、コントローラー１５０による指令値が実線で示され、実際の状態が点線で示されている。図５（ｄ）は、パージ弁３６２の開閉状態を示す図である。図５（ａ）から図５（ｄ）では、互いに横軸が共通の時間軸で示されている。   FIG. 5B is a diagram showing the open / close state of the shut-off valve 132. FIG. 5C is a diagram showing the air flow rate by the cathode compressor 122. In FIG. 5B and FIG. 5C, the command value by the controller 150 is indicated by a solid line, and the actual state is indicated by a dotted line. FIG. 5D is a diagram showing the open / close state of the purge valve 362. In FIG. 5A to FIG. 5D, the horizontal axis is shown as a common time axis.

まず、時刻ｔ０において、例えば車両のイグニッションキーがＯＮに設定されたことにより、コントローラー１５０は、燃料電池システム１００の起動処理を開始する。このとき、遮断弁１３２及びパージ弁３６２は、共に閉弁状態であり、また、カソードコンプレッサー１２２は停止状態である。このため、空気流量はゼロ（０）であり、カソードガスの圧力は大気圧と同等である。   First, at time t0, for example, when the ignition key of the vehicle is set to ON, the controller 150 starts the activation process of the fuel cell system 100. At this time, both the shut-off valve 132 and the purge valve 362 are closed, and the cathode compressor 122 is stopped. For this reason, the air flow rate is zero (0), and the pressure of the cathode gas is equivalent to the atmospheric pressure.

時刻ｔ１では、図５（ｂ）に示すように、遮断弁１３２が閉止状態から開弁状態に切り替えられる。これにより、遮断弁１３２よりも上流側のアノードガスの圧力はカソードガスの圧力よりも高くなり、アノード調圧弁１３３がアノードガスの圧力を制御可能な状態になる。   At time t1, as shown in FIG. 5B, the shutoff valve 132 is switched from the closed state to the open state. As a result, the pressure of the anode gas upstream of the shut-off valve 132 becomes higher than the pressure of the cathode gas, and the anode pressure regulating valve 133 is in a state where the pressure of the anode gas can be controlled.

時刻ｔ２では、アノードガス圧力およびカソードガス圧力の目標値を上昇させることで、燃料電池の両極にそれぞれアノードガス、カソードガスを供給する。   At time t2, the anode gas pressure and the cathode gas pressure are increased to increase the target values of the anode gas pressure and the cathode gas pressure, whereby the anode gas and the cathode gas are supplied to both electrodes of the fuel cell, respectively.

燃料電池システム１００の起動時は、起動前の放置時間によってはアノードガス流路２４内に多量の不純物ガスが蓄積している可能性がある。このため、アノードガス圧力をアイドル時の圧力に対して高く設定し、アノードガス流路２４に多量に水素を供給することでアノードガス流路２４内の水素濃度を確保する。   When the fuel cell system 100 is activated, a large amount of impurity gas may be accumulated in the anode gas flow path 24 depending on the standing time before activation. For this reason, the anode gas pressure is set higher than the idling pressure, and a large amount of hydrogen is supplied to the anode gas passage 24 to ensure the hydrogen concentration in the anode gas passage 24.

一方、カソードガスは、カソードコンプレッサー１２２によってカソードガス流路３４内の滞留アノードガスを排出するための空気流量（以下「滞留ガス排出空気流量」という）に設定される。そして図５（ｃ）に示すように、カソードコンプレッサー１２２の操作量を増加させた状態で、所定の排出期間（例えば数秒）以上、カソードコンプレッサー１２２の操作量を維持する。   On the other hand, the cathode gas is set to an air flow rate (hereinafter referred to as “retained gas discharge air flow rate”) for discharging the staying anode gas in the cathode gas flow path 34 by the cathode compressor 122. Then, as shown in FIG. 5C, the operation amount of the cathode compressor 122 is maintained for a predetermined discharge period (for example, several seconds) in a state where the operation amount of the cathode compressor 122 is increased.

これにより、カソードガス流路３４から滞留アノードガスを大気に排出するこができる。なお、カソードコンプレッサー１２２による滞留ガス排出空気流量は、滞留アノードガス中の水素濃度やアノードガス流路２４の体積などによって予め定められている。   Thereby, the staying anode gas can be discharged from the cathode gas flow path 34 to the atmosphere. The staying gas discharge air flow rate by the cathode compressor 122 is determined in advance by the hydrogen concentration in the staying anode gas, the volume of the anode gas flow path 24, and the like.

滞留アノードガス排出期間を経過した時刻ｔ３において、パージ弁３６２からアノードガス流路２４内の不純物ガスをパージするための準備を開始する。パージ弁３６２からパージを開始すると、不純物と一緒に水素が排出されるため、カソードガス排出通路１２４に、排出される水素を規定の濃度に希釈するためのカソードガスを供給しなければならない。そこで、図５（ｃ）に示すように、時刻ｔ３においてカソードコンプレッサー１２２の目標値を切り替える。   At time t3 when the staying anode gas discharge period has elapsed, preparation for purging the impurity gas in the anode gas flow path 24 from the purge valve 362 is started. When purging is started from the purge valve 362, hydrogen is discharged together with impurities, and therefore the cathode gas for diluting the discharged hydrogen to a specified concentration must be supplied to the cathode gas discharge passage 124. Therefore, as shown in FIG. 5C, the target value of the cathode compressor 122 is switched at time t3.

これにより、カソードガスで希釈される水素の濃度が規定値以下に抑えられる。パージされるアノードガスを希釈するための空気流量（以下「パージ希釈空気流量」という）の演算方法は、後に図８および図９を用いて説明する。   As a result, the concentration of hydrogen diluted with the cathode gas is suppressed to a specified value or less. A method of calculating an air flow rate for diluting the purged anode gas (hereinafter referred to as “purge dilution air flow rate”) will be described later with reference to FIGS. 8 and 9.

カソードコンプレッサー１２２による空気流量が所定のパージ希釈空気流量まで上昇していることが確認されると、パージ弁３６２が開かれる（時刻ｔ４）。その後、燃料電池システム１００の起動処理が終了し、燃料電池スタック１１０の暖機運転が実施される（時刻ｔ５）。   When it is confirmed that the air flow rate by the cathode compressor 122 has increased to a predetermined purge dilution air flow rate, the purge valve 362 is opened (time t4). Thereafter, the startup process of the fuel cell system 100 ends, and the warm-up operation of the fuel cell stack 110 is performed (time t5).

このように、燃料電池システム１００の通常起動処理では、カソードコンプレッサー１２２を駆動してカソードガス流路３４内の滞留アノードガスを排出した後に、パージ弁３６２を開いてアノードガスのパージを開始する。   As described above, in the normal startup process of the fuel cell system 100, the cathode compressor 122 is driven to discharge the staying anode gas in the cathode gas flow path 34, and then the purge valve 362 is opened to start the purge of the anode gas.

このような燃料電池システム１００において、仮にシステム構成部品に何等かの異常（例えば、暖機運転中に燃料電池スタック１１０の電圧がフェイル閾値よりも低下する、等）が発生した場合、コントローラー１５０は、システム保護のために緊急停止（強制停止）処置を実行せざるを得ない。この緊急停止処置が氷点温度以下でシステムを暖機している際に発生した場合、次回の起動を通常起動処理により行うと、次のような不都合が生じる可能性を発明者らは見出した。   In such a fuel cell system 100, if any abnormality occurs in the system components (for example, the voltage of the fuel cell stack 110 falls below the fail threshold during the warm-up operation), the controller 150 In order to protect the system, emergency stop (forced stop) treatment must be performed. When this emergency stop treatment occurs when the system is warmed up below the freezing point temperature, the inventors have found that the following inconvenience may occur when the next activation is performed by the normal activation process.

燃料電池スタック１１０の運転中は、発電反応によってカソードガス流路３４で水蒸気が生成され、その水蒸気は、膜電極接合体１１を透過してアノードガス流路２４を流れてパージ弁３６２まで到達する。パージ弁３６２が氷点以上に暖機されていない状態で凝縮水がパージ弁３６２に到達した場合、凝縮水の凍結により、パージ弁３６２が凍結してしまう。この状態でパージ弁３６２に対して開閉制御を実行すると、パージ弁３６２を開けることはできても、氷の存在によって閉止できなくなる。   During operation of the fuel cell stack 110, water vapor is generated in the cathode gas flow path 34 by the power generation reaction, and the water vapor passes through the membrane electrode assembly 11 and flows through the anode gas flow path 24 to reach the purge valve 362. . When the condensed water reaches the purge valve 362 in a state where the purge valve 362 is not warmed to the freezing point or more, the purge valve 362 is frozen due to the freezing of the condensed water. If the opening / closing control is performed on the purge valve 362 in this state, the purge valve 362 can be opened but cannot be closed due to the presence of ice.

燃料電池システム１００が強制停止するときは、前述の水抜き操作が実施されないまま停止され、放置状態となるため、この状態で零下環境下に至ると、パージ弁３６２内部に残存した凝縮水が凍結し、パージ弁３６２を閉じる制御を実行しても、凍結によって実際にはパージ弁３６２が閉止できずに開いている可能性がある。   When the fuel cell system 100 is forcibly stopped, the water draining operation is stopped without being performed, and the fuel cell system 100 is left unattended. When the fuel cell system 100 reaches a sub-zero environment in this state, the condensed water remaining in the purge valve 362 is frozen. Even if the control for closing the purge valve 362 is executed, there is a possibility that the purge valve 362 may not be closed due to freezing but is opened.

このような状況で、通常起動処理により遮断弁１３２の開弁後にカソードコンプレッサー１２２を駆動すると、アノード調圧弁１３３の調圧処理によりパージ弁３６２からアノードガスが漏れ出し、この状態でカソードガス流路３４から滞留アノードガスが排出されてしまう。   In this situation, when the cathode compressor 122 is driven after the shut-off valve 132 is opened by the normal activation process, the anode gas leaks from the purge valve 362 by the pressure regulation process of the anode pressure regulation valve 133, and in this state, the cathode gas flow path The staying anode gas is discharged from 34.

その結果、カソードガス排出通路１２４から排出されるカソードガス中の水素濃度が規定の濃度を超えることが懸念される。   As a result, there is a concern that the hydrogen concentration in the cathode gas discharged from the cathode gas discharge passage 124 exceeds a prescribed concentration.

そこで本発明では、零下で燃料電池１１０の暖機運転を強制停止した後に再起動するようなときには、遮断弁１３２の開弁時期をカソードコンプレッサー１２２の始動時期よりも遅らせる。これにより、万一、凍結によりパージ弁３６２が開いた状態であっても、排出ガスの水素濃度が規定値を超えないようにする。   Therefore, in the present invention, when the warm-up operation of the fuel cell 110 is forcibly stopped at zero and then restarted, the opening timing of the shut-off valve 132 is delayed from the starting timing of the cathode compressor 122. As a result, even if the purge valve 362 is opened due to freezing, the hydrogen concentration of the exhaust gas is prevented from exceeding the specified value.

図６は、本発明の実施形態における強制停止後の再起動処理を示すタイミングチャートである。   FIG. 6 is a timing chart showing a restart process after a forced stop in the embodiment of the present invention.

図６（ａ）から図６（ｄ）までの各図面の縦軸及び横軸は、図５（ａ）から図５（ｄ）までのものと同じである。また、図６（ｂ）から図６（ｄ）までの各図面では、コントローラー１５０による指令値が実線で示され、実際の状態が点線で示されている。   The vertical and horizontal axes of each drawing from FIG. 6A to FIG. 6D are the same as those from FIG. 5A to FIG. In each drawing from FIG. 6B to FIG. 6D, the command value by the controller 150 is indicated by a solid line, and the actual state is indicated by a dotted line.

ここでは、パージ弁３６２が凍結している状態で燃料電池システム１００を強制停止したときに、パージ弁３６２を閉止できずに開いている状態を想定している。この状態で時刻ｔ１０においてコントローラー１５０は、再起動処理を開始する。   Here, it is assumed that when the fuel cell system 100 is forcibly stopped while the purge valve 362 is frozen, the purge valve 362 cannot be closed but is opened. In this state, at time t10, the controller 150 starts a restart process.

そして時刻ｔ１１では、コントローラー１５０は、図６（ｃ）に示すように、カソードガスの空気流量を、図５（ｃ）で示した滞留ガス排出空気流量と同じ値に設定し、カソードコンプレッサー１２２を所定の排出期間だけ駆動する。これにより、図６（ａ）に示すように、カソードガスの圧力は上昇する。   At time t11, as shown in FIG. 6C, the controller 150 sets the air flow rate of the cathode gas to the same value as the staying gas discharge air flow rate shown in FIG. It is driven for a predetermined discharge period. Thereby, as shown to Fig.6 (a), the pressure of cathode gas rises.

ここでの滞留アノードガスの排出期間は、図５（ｃ）で示した排出期間と同じ期間である。なお、滞留アノードガスの排出期間は、通常起動処理のときよりも長くしても良い。   Here, the discharge period of the staying anode gas is the same as the discharge period shown in FIG. The staying anode gas discharge period may be longer than that in the normal startup process.

滞留アノードガスの排出期間を経過した時刻ｔ１２では、コントローラー１５０は、図６（ｃ）に示すように、カソードコンプレッサー１２２による空気流量を、所定のパージ希釈空気流量に設定すると共に、図６（ｄ）に示すようにパージ弁３６２を開ける。   At time t12 when the discharge period of the staying anode gas has elapsed, the controller 150 sets the air flow rate by the cathode compressor 122 to a predetermined purge dilution air flow rate as shown in FIG. The purge valve 362 is opened as shown in FIG.

さらに本実施形態では、コントローラー１５０は、カソードガスの空気流量がパージ希釈空気流量まで上昇した後に、図６（ｂ）に示すように遮断弁１３２を開け、遮断弁１３２の開弁が確認された時点で、目標水素圧力を上昇させ、燃料電池スタック１１０に水素を供給する。その結果、図６（ａ）に示すようにアノードガスの圧力が高くなり、凍結状態のパージ弁３６２からアノードガスが、カソードガス排出通路１２４へ漏れ出す。   Further, in the present embodiment, the controller 150 opens the shut-off valve 132 as shown in FIG. 6B after the cathode gas air flow rate has increased to the purge dilution air flow rate, and it has been confirmed that the shut-off valve 132 has been opened. At that time, the target hydrogen pressure is increased and hydrogen is supplied to the fuel cell stack 110. As a result, as shown in FIG. 6A, the pressure of the anode gas increases, and the anode gas leaks from the frozen purge valve 362 to the cathode gas discharge passage 124.

しかしながら、パージ弁３６２からアノードガスが漏れ出しても、カソードコンプレッサー１２２により希釈用の空気流量がカソードガス排出通路１２４に供給されているので、排出ガス中の水素濃度を規定値以下に抑えることができる。   However, even if the anode gas leaks from the purge valve 362, the cathode compressor 122 supplies the air flow for dilution to the cathode gas discharge passage 124, so that the hydrogen concentration in the exhaust gas can be suppressed to a specified value or less. it can.

時刻ｔ１３では、図６（ａ）に示すように、アノードガスの目標圧力を増加させる。遮断弁１３２の開弁によってアノードガスの圧力がカソードガスの圧力よりも高くなる。そしてアノード調圧弁１３３によってアノードガスの圧力が目標値に制御され、時刻１４で起動処理が完了する。   At time t13, as shown in FIG. 6A, the target pressure of the anode gas is increased. By opening the shut-off valve 132, the pressure of the anode gas becomes higher than the pressure of the cathode gas. Then, the anode pressure control valve 133 controls the anode gas pressure to the target value, and the start-up process is completed at time 14.

このように、強制停止後の起動処理では、遮断弁１３２を開弁する前に、カソードコンプレッサー１２２を駆動して滞留アノードガスを排出し、所定の排出期間経過後に遮断弁１３２を開ける。   As described above, in the starting process after the forced stop, before the shutoff valve 132 is opened, the cathode compressor 122 is driven to discharge the staying anode gas, and the shutoff valve 132 is opened after a predetermined discharge period.

これにより、遮断弁１３２の開弁によってパージ弁３６２からアノードガスが漏れ出す前に、カソードガス流路３４から滞留アノードガスをカソードガス排出通路１２４に排出することができる。このため、パージ弁３６２から漏れ出したアノードガスと滞留アノードガスとが同時にカソードガス排出通路１２４から排出されて排出ガス中の水素濃度が規定値を超えてしまうという事態を回避することができる。   Thus, the staying anode gas can be discharged from the cathode gas passage 34 to the cathode gas discharge passage 124 before the anode gas leaks from the purge valve 362 by opening the shutoff valve 132. For this reason, it is possible to avoid a situation in which the anode gas leaked from the purge valve 362 and the staying anode gas are simultaneously discharged from the cathode gas discharge passage 124 and the hydrogen concentration in the exhaust gas exceeds the specified value.

次にコントローラー１５０の機能構成について図面を参照して詳細に説明する。   Next, the functional configuration of the controller 150 will be described in detail with reference to the drawings.

図７は、コントローラー１５０の空気流量制御部２００を示す機能ブロック図である。   FIG. 7 is a functional block diagram showing the air flow rate control unit 200 of the controller 150.

空気流量制御部２００は、カソードコンプレッサー１２２による空気流量を制御する。   The air flow rate control unit 200 controls the air flow rate by the cathode compressor 122.

空気流量制御部２００は、滞留ガス排出流量演算部２１１と、設定部２１２と、切替部２１３と、実行情報保持部２１４と、完了情報保持部２１５と、を備える。また、空気流量制御部２００は、パージ希釈流量演算部２２１と、設定部２２２と、切替部２２３と、開弁情報保持部２２４と、閉弁情報保持部２２５と、発電要求流量演算部２３１と、を備える。   The air flow rate control unit 200 includes a staying gas discharge flow rate calculation unit 211, a setting unit 212, a switching unit 213, an execution information holding unit 214, and a completion information holding unit 215. The air flow rate control unit 200 includes a purge dilution flow rate calculation unit 221, a setting unit 222, a switching unit 223, a valve opening information holding unit 224, a valve closing information holding unit 225, and a power generation request flow rate calculating unit 231. .

滞留ガス排出流量演算部２１１は、カソードガス流路３４から滞留アノードガスを排出するための空気流量（以下「滞留ガス排出空気流量」という）を演算する。滞留ガス排出空気流量は、起動時にカソードガス流路３４から滞留アノードガスを排出するのに必要な空気流量のことである。   The staying gas discharge flow rate calculation unit 211 calculates an air flow rate for discharging staying anode gas from the cathode gas flow path 34 (hereinafter referred to as “retaining gas discharge air flow rate”). The staying gas discharge air flow rate is an air flow rate necessary for discharging staying anode gas from the cathode gas flow path 34 at the time of startup.

滞留ガス排出流量演算部２１１には、所定の滞留ガス排出空気流量を示す滞留ガス排出データが予め記憶されている。滞留ガス排出流量演算部２１１は、滞留ガス排出空気流量を設定部２１２に供給する。   The staying gas discharge flow rate calculation unit 211 stores staying gas discharge data indicating a predetermined staying gas discharge air flow rate in advance. The staying gas discharge flow rate calculation unit 211 supplies the staying gas discharge air flow rate to the setting unit 212.

実行情報保持部２１４は、滞留ガス排出空気流量を目標流量設定部２４０に設定するための情報として「１」を保持する。   The execution information holding unit 214 holds “1” as information for setting the staying gas discharge air flow rate in the target flow rate setting unit 240.

完了情報保持部２１５は、滞留ガス排出空気流量の設定を解除するための情報として「０」を保持する。   The completion information holding unit 215 holds “0” as information for canceling the setting of the staying gas discharge air flow rate.

設定部２１２は、滞留ガス排出空気流量に切替部２１３の出力値を乗算する。設定部２１２は、切替部２１３の出力値が「１」である場合には、滞留ガス排出空気流量を目標流量設定部２４０に供給する。設定部２１２は、切替部２１３の出力値が「０」である場合には、目標流量設定部２４０に「０」を供給する。   The setting unit 212 multiplies the staying gas discharge air flow rate by the output value of the switching unit 213. The setting unit 212 supplies the staying gas discharge air flow rate to the target flow rate setting unit 240 when the output value of the switching unit 213 is “1”. The setting unit 212 supplies “0” to the target flow rate setting unit 240 when the output value of the switching unit 213 is “0”.

切替部２１３は、起動時排出完了フラグに基づいて、実行情報保持部２１４又は完了情報保持部２１５に保持された情報を設定部２１２に出力する。   The switching unit 213 outputs the information held in the execution information holding unit 214 or the completion information holding unit 215 to the setting unit 212 based on the startup discharge completion flag.

起動時排出完了フラグは、カソードガス流路３４から滞留アノードガスの排出が完了したか否かを示すフラグである。起動時排出完了フラグは、例えば、滞留アノードガスの排出を開始するときにＨ（Ｈｉｇｈ）レベルに設定され、滞留アノードガスの排出が完了するとＬ（Ｌｏｗ）レベルに設定される。   The start-up discharge completion flag is a flag indicating whether or not the discharge of the staying anode gas from the cathode gas flow path 34 has been completed. The start-up discharge completion flag is set to, for example, H (High) level when discharging of the staying anode gas is started, and is set to L (Low) level when discharging of the staying anode gas is completed.

切替部２１３は、図６（ｃ）に示した滞留アノードガス排出期間の開始時に、起動時排出完了フラグがＨレベルに設定されるため、実行情報保持部２１４から「１」を設定部２１２に出力する。これにより、設定部２１２は、滞留ガス排出空気流量を目標流量設定部２４０に設定する。   The switching unit 213 sets “1” from the execution information holding unit 214 to the setting unit 212 because the startup discharge completion flag is set to the H level at the start of the staying anode gas discharge period shown in FIG. Output. Thereby, the setting unit 212 sets the staying gas discharge air flow rate in the target flow rate setting unit 240.

一方、切替部２１３は、図６（ｃ）に示した滞留アノードガスの排出期間の経過後に、起動時排出完了フラグがＬレベルに切り替えられるため、完了情報保持部２１５から「０」を設定部２１２に出力する。これにより、設定部２１２は、滞留ガス排出空気流量を「０」に設定する。   On the other hand, the switching unit 213 sets “0” from the completion information holding unit 215 because the startup completion flag is switched to the L level after the discharge period of the staying anode gas shown in FIG. It outputs to 212. Thereby, the setting unit 212 sets the staying gas discharge air flow rate to “0”.

パージ希釈流量演算部２２１は、アノード圧力センサー１３４で検出される水素圧力値に基づいて空気流量（以下「パージ希釈空気流量」という）を演算する。パージ希釈空気流量は、パージ弁３６２からパージされる水素を規定の濃度以下に希釈するのに必要な空気流量のことである。   The purge dilution flow rate calculation unit 221 calculates an air flow rate (hereinafter referred to as “purge dilution air flow rate”) based on the hydrogen pressure value detected by the anode pressure sensor 134. The purge dilution air flow rate is an air flow rate necessary for diluting the hydrogen purged from the purge valve 362 to a predetermined concentration or less.

パージ希釈流量演算部２２１は、大気圧センサー１６１で検出される大気圧力値に応じてパージ希釈空気流量を補正する。   The purge dilution flow rate calculator 221 corrects the purge dilution air flow rate according to the atmospheric pressure value detected by the atmospheric pressure sensor 161.

本実施形態では、パージ希釈流量演算部２２１には、大気圧力値ごとに水素圧力値と空気流量との関係を示すパージ希釈マップが予め記憶されている。そしてパージ希釈流量演算部２２１は、水素圧力値及び大気圧力値を受け付けると、大気圧力値のパージ希釈マップを参照し、水素圧力値に対応するパージ希釈空気流量を取得する。   In the present embodiment, the purge dilution flow rate calculation unit 221 stores in advance a purge dilution map indicating the relationship between the hydrogen pressure value and the air flow rate for each atmospheric pressure value. When the purge dilution flow rate calculation unit 221 receives the hydrogen pressure value and the atmospheric pressure value, the purge dilution flow rate calculation unit 221 refers to the purge dilution map of the atmospheric pressure value and acquires the purge dilution air flow rate corresponding to the hydrogen pressure value.

パージ希釈流量演算部２２１は、パージ希釈空気流量を設定部２２２に供給する。なお、パージ希釈マップについては図８を参照して説明する。   The purge dilution flow rate calculation unit 221 supplies the purge dilution air flow rate to the setting unit 222. The purge dilution map will be described with reference to FIG.

開弁情報保持部２２４は、パージ希釈空気流量を目標流量設定部２４０に設定するための情報として「１」を保持する。   The valve opening information holding unit 224 holds “1” as information for setting the purge dilution air flow rate in the target flow rate setting unit 240.

閉弁情報保持部２２５は、パージ希釈空気流量の設定を解除するための情報として「０」を保持する。   The valve closing information holding unit 225 holds “0” as information for canceling the setting of the purge dilution air flow rate.

設定部２２２は、パージ希釈空気流量に切替部２２３の出力値を乗算する。設定部２２２は、切替部２２３の出力値が「１」である場合には、パージ希釈空気流量を目標流量設定部２４０に供給する。設定部２２２は、切替部２２３の出力値が「０」である場合には、目標流量設定部２４０に「０」を供給する。   The setting unit 222 multiplies the purge diluted air flow rate by the output value of the switching unit 223. The setting unit 222 supplies the purge diluted air flow rate to the target flow rate setting unit 240 when the output value of the switching unit 223 is “1”. The setting unit 222 supplies “0” to the target flow rate setting unit 240 when the output value of the switching unit 223 is “0”.

切替部２２３は、パージ弁制御フラグに基づいて、開弁情報保持部２２４又は閉弁情報保持部２２５に保持された情報を設定部２２２に出力する。   The switching unit 223 outputs the information held in the valve opening information holding unit 224 or the valve closing information holding unit 225 to the setting unit 222 based on the purge valve control flag.

パージ弁制御フラグは、パージ弁３６２に対する開閉制御の状態を示すフラグである。パージ弁制御フラグは、図６（ｄ）に示したように、パージ弁３６２の開閉制御を実施している場合はＨ（Ｈｉｇｈ）レベルに設定され、パージ弁３６２を閉状態に保持している場合はＬ（Ｌｏｗ）レベルに設定される。   The purge valve control flag is a flag indicating a state of opening / closing control for the purge valve 362. As shown in FIG. 6D, the purge valve control flag is set to H (High) level when the opening / closing control of the purge valve 362 is being performed, and the purge valve 362 is held in the closed state. In this case, it is set to L (Low) level.

切替部２２３は、燃料電池システム１００の起動処理を開始してから滞留アノードガスの排出期間が終了するまでの間は、パージ弁制御フラグがＬレベルであるため、閉弁情報保持部２２５から「０」を設定部２２２に出力する。これにより、設定部２２２は、パージ弁希釈空気流量に「０」を設定する。   Since the purge valve control flag is at the L level from the start of the start-up process of the fuel cell system 100 to the end of the staying anode gas discharge period, the switching unit 223 determines from the valve closing information holding unit 225 that “ “0” is output to the setting unit 222. As a result, the setting unit 222 sets “0” to the purge valve dilution air flow rate.

一方、切替部２２３は、図６（ｄ）に示した滞留アノードガスの排出期間経過後にパージ弁制御フラグがＨレベルに切り替えられるため、開弁情報保持部２２４から「１」を設定部２２２に出力する。これにより、設定部２２２は、パージ弁希釈空気流量を目標流量設定部２４０に設定する。   On the other hand, since the purge valve control flag is switched to the H level after the discharge period of the staying anode gas shown in FIG. 6D has elapsed, the switching unit 223 changes “1” from the valve opening information holding unit 224 to the setting unit 222. Output. Thereby, the setting unit 222 sets the purge valve dilution air flow rate in the target flow rate setting unit 240.

発電要求流量演算部２３１は、燃料電池スタック１１０の要求電流に基づいて空気流量（以下「発電要求空気流量」という）を演算する。要求電流は、駆動モータなどの負荷の駆動に必要な要求電力によって決まる発電電流値のことである。発電要求空気流量は、発電に必要な空気流量のことである。   The power generation required flow rate calculation unit 231 calculates an air flow rate (hereinafter referred to as “power generation required air flow rate”) based on the required current of the fuel cell stack 110. The required current is a generated current value determined by required power required for driving a load such as a drive motor. The power generation required air flow rate is an air flow rate necessary for power generation.

発電要求流量演算部２３１は、要求発電電流が大きくなるほど、要求空気流量を大きくする。本実施形態では、発電要求流量演算部２３１には、要求発電電流と空気流量との関係を示す発電要求マップが予め記憶されている。そして発電要求流量演算部２３１は、要求発電電流を受け付けると、発電要求マップを参照し、要求発電電流に対応する要求空気流量を取得する。なお、発電要求マップについては図９を参照して説明する。   The power generation required flow rate calculation unit 231 increases the required air flow rate as the required power generation current increases. In the present embodiment, the power generation request flow rate calculation unit 231 stores a power generation request map indicating the relationship between the required power generation current and the air flow rate in advance. When the required power generation current calculation unit 231 receives the required power generation current, the power generation required flow rate calculation unit 231 refers to the power generation request map and acquires the required air flow rate corresponding to the required power generation current. The power generation request map will be described with reference to FIG.

発電要求流量演算部２３１は、発電要求空気流量を目標流量設定部２４０に供給する。通常起動処理、及び強制停止後の再起動処理では、要求発電電流は「０」であるので、発電要求空気流量は「０」に設定される。   The power generation request flow rate calculation unit 231 supplies the power generation request air flow rate to the target flow rate setting unit 240. In the normal startup process and the restart process after the forced stop, the required power generation current is “0”, so the power generation required air flow rate is set to “0”.

目標流量設定部２４０は、滞留ガス排出空気流量と、パージ希釈空気流量と、発電要求空気流量とのうち、最も大きな値を選択し、その値を目標空気流量に設定する。   The target flow rate setting unit 240 selects the largest value among the staying gas discharge air flow rate, the purge dilution air flow rate, and the power generation request air flow rate, and sets that value as the target air flow rate.

目標流量設定部２４０は、通常起動処理、及び強制停止後の再起動処理では、図５（ｃ）及び図６（ｃ）に示した滞留アノードガス排出期間中は滞留ガス排出空気流量を目標空気流量に設定する。そして目標流量設定部２４０は、滞留アノードガス排出期間の経過後に、パージ希釈空気流量を目標空気流量に設定する。   In the normal startup process and the restart process after the forced stop, the target flow rate setting unit 240 sets the remaining gas discharge air flow rate to the target air during the stay anode gas discharge period shown in FIGS. 5 (c) and 6 (c). Set to flow rate. Then, the target flow rate setting unit 240 sets the purge dilution air flow rate to the target air flow rate after the staying anode gas discharge period has elapsed.

なお、以下では、コントローラー１５０による通常起動処理、及び強制停止後の再起動処理のことを総じて「起動処理」という。   In the following, the normal startup process by the controller 150 and the restart process after the forced stop are collectively referred to as “startup process”.

図８は、パージ希釈流量演算部２２１に保持されるパージ希釈マップを示す図である。図８では、横軸がアノードガスの水素圧力値であり、縦軸がカソードガスの空気流量である。   FIG. 8 is a diagram showing a purge dilution map held in the purge dilution flow rate calculation unit 221. In FIG. 8, the horizontal axis represents the hydrogen pressure value of the anode gas, and the vertical axis represents the air flow rate of the cathode gas.

パージ希釈マップでは、大気圧力値ごとに、アノードガスの水素圧力値とパージ希釈空気流量とが互いに対応付けられている。パージ希釈空気流量は、パージ弁３６２から排出される水素を規定の濃度以下に希釈できる流量のことである。例えば、パージ希釈空気流量は、実験データに基づいて設定される。   In the purge dilution map, the hydrogen pressure value of the anode gas and the purge dilution air flow rate are associated with each other for each atmospheric pressure value. The purge dilution air flow rate is a flow rate at which hydrogen discharged from the purge valve 362 can be diluted to a specified concentration or less. For example, the purge dilution air flow rate is set based on experimental data.

水素圧力値が大きくなるほど、パージ弁３６２から排出される水素の排出量が多くなるため、パージ希釈空気流量を大きくしている。これにより、水素圧力値に適したパージ希釈空気流量を設定できるので、空気を過剰に排出することなく、規定の濃度を超えないように安全に水素を希釈することができる。   As the hydrogen pressure value increases, the amount of hydrogen discharged from the purge valve 362 increases, and thus the purge dilution air flow rate is increased. Thereby, since the purge dilution air flow rate suitable for the hydrogen pressure value can be set, hydrogen can be safely diluted so as not to exceed a specified concentration without excessively discharging air.

また同一の水素圧力値において、大気圧が低くなるほど、パージ弁３６２の上流側の水素圧力と下流側の水素圧力との差圧が大きくなり水素の排出量が多くなるので、空気流量を大きくしている。これにより、大気圧が低い場合でも、カソードガス排出通路１２４内の水素濃度を規定値以下に抑えることができる。   Also, at the same hydrogen pressure value, the lower the atmospheric pressure, the larger the pressure difference between the upstream and downstream hydrogen pressures of the purge valve 362 and the greater the hydrogen discharge amount. ing. Thereby, even when atmospheric pressure is low, the hydrogen concentration in the cathode gas discharge passage 124 can be suppressed to a specified value or less.

図９は、発電要求流量演算部２３１に保持される発電要求マップを示す図である。図９では、横軸が燃料電池スタック１１０の発電電流であり、縦軸がカソードガスの空気流量である。   FIG. 9 is a diagram illustrating a power generation request map held in the power generation request flow rate calculation unit 231. In FIG. 9, the horizontal axis is the generated current of the fuel cell stack 110, and the vertical axis is the air flow rate of the cathode gas.

発電要求マップでは、発電電流と発電要求空気流量とが互いに対応付けられている。発電要求空気流量は、燃料電池スタック１１０の発電に最低限必要な空気流量のことである。例えば、発電要求空気流量は、実験データに基づいて設定される。   In the power generation request map, the power generation current and the power generation request air flow rate are associated with each other. The power generation required air flow rate is a minimum air flow rate necessary for power generation of the fuel cell stack 110. For example, the power generation required air flow rate is set based on experimental data.

発電電流が大きくなるほど、燃料電池スタック１１０で消費される空気が多くなるため、発電空気流量を大きくしている。これにより、燃料電池スタック１１０に空気を過剰に供給することを回避できるので、カソードコンプレッサー１２２の消費電力を低減することができる。   As the generated current increases, more air is consumed in the fuel cell stack 110, and thus the generated air flow rate is increased. As a result, excessive supply of air to the fuel cell stack 110 can be avoided, so that power consumption of the cathode compressor 122 can be reduced.

図１０は、コントローラー１５０の水素圧力制御部３００を示す機能ブロック図である。   FIG. 10 is a functional block diagram showing the hydrogen pressure control unit 300 of the controller 150.

水素圧力制御部３００は、アノード調圧弁１３３の開度を調整して水素圧力を制御する。水素圧力制御部３００は、アノードガス流路２４に滞留する窒素や水蒸気などの不純物を容積部３６１に押し出すために、起動処理完了後にアノードガスの水素圧力を脈動させる。   The hydrogen pressure control unit 300 controls the hydrogen pressure by adjusting the opening of the anode pressure regulating valve 133. The hydrogen pressure control unit 300 pulsates the hydrogen pressure of the anode gas after the start-up process is completed in order to push out impurities such as nitrogen and water vapor remaining in the anode gas flow path 24 to the volume unit 361.

水素圧力制御部３００は、目標脈動幅演算部３１１と、上限圧力算出部３１２と、脈動波形演算部３１３と、起動時圧力設定部３２０と、目標圧力設定部３３０と、を備える。   The hydrogen pressure control unit 300 includes a target pulsation width calculation unit 311, an upper limit pressure calculation unit 312, a pulsation waveform calculation unit 313, a startup pressure setting unit 320, and a target pressure setting unit 330.

目標脈動幅演算部３１１は、燃料電池スタック１１０の要求電流に基づいて目標脈動幅を演算する。目標脈動幅は、アノードガス流路２４の下流側に滞留する不純物を押し出すのに必要な振幅のことである。   The target pulsation width calculator 311 calculates a target pulsation width based on the required current of the fuel cell stack 110. The target pulsation width is an amplitude necessary to push out impurities remaining on the downstream side of the anode gas passage 24.

また、目標脈動幅演算部３１１は、燃料電池スタック１１０の内部抵抗値（ＨＦＲ：High Frequency Resistance）に応じて目標脈動幅を補正する。燃料電池スタック１１０の内部抵抗値は、電解質膜１１ａの保水量が少なく乾燥しているほど大きくなり、電解質膜１１ａの保水量が多いほど内部抵抗値が小さくなる。   Further, the target pulsation width calculation unit 311 corrects the target pulsation width according to the internal resistance value (HFR: High Frequency Resistance) of the fuel cell stack 110. The internal resistance value of the fuel cell stack 110 increases as the amount of water retained in the electrolyte membrane 11a decreases and becomes dry, and as the amount of water retained in the electrolyte membrane 11a increases, the internal resistance value decreases.

内部抵抗値は、不図示の内部抵抗測定装置によって測定される。内部抵抗測定装置は、燃料電池スタック１１０の電圧端子に所定の高周波の交流電流を供給し、交流電流によって電圧端子に生じる電圧の振幅を検出する。そして検出した振幅を交流電流の振幅で除算して内部抵抗値を求める。   The internal resistance value is measured by an internal resistance measuring device (not shown). The internal resistance measuring device supplies a predetermined high-frequency alternating current to the voltage terminal of the fuel cell stack 110, and detects the amplitude of the voltage generated at the voltage terminal by the alternating current. Then, the detected amplitude is divided by the amplitude of the alternating current to obtain the internal resistance value.

本実施形態では、目標脈動幅演算部３１１には、内部抵抗値ごとに、要求電流と脈動幅との関係を示す脈動幅マップが予め記憶されている。そして目標脈動幅演算部３１１は、要求電流及び内部抵抗値を受け付けると、内部抵抗値で特定された脈動幅マップを参照し、要求電流に対応する目標脈動幅を演算する。目標脈動幅演算部３１１は、目標脈動幅を上限圧力算出部３１２に出力する。なお、脈動幅マップについては図１１を参照して説明する。   In the present embodiment, the target pulsation width calculator 311 stores in advance a pulsation width map indicating the relationship between the required current and the pulsation width for each internal resistance value. When the target pulsation width calculation unit 311 receives the required current and the internal resistance value, the target pulsation width calculation unit 311 calculates a target pulsation width corresponding to the required current with reference to the pulsation width map specified by the internal resistance value. The target pulsation width calculator 311 outputs the target pulsation width to the upper limit pressure calculator 312. The pulsation width map will be described with reference to FIG.

上限圧力算出部３１２は、目標脈動幅とカソード圧力値とを加算して脈動圧力の上限値を算出する。カソード圧力値は、カソード圧力センサー１２３で検出される圧力である。   The upper limit pressure calculation unit 312 calculates the upper limit value of the pulsation pressure by adding the target pulsation width and the cathode pressure value. The cathode pressure value is a pressure detected by the cathode pressure sensor 123.

脈動波形演算部３１３は、上限圧力算出部３１２から脈動圧力の上限値を受け付けると共に、脈動圧力の下限値としてカソード圧力値を受け付ける。   The pulsation waveform calculation unit 313 receives the upper limit value of the pulsation pressure from the upper limit pressure calculation unit 312 and receives the cathode pressure value as the lower limit value of the pulsation pressure.

脈動波形演算部３１３は、不純物の排出要求を受けると、予め定められた変化率でアノードガスの脈動圧力を、下限値から上限値まで徐々に大きくする。脈動波形演算部３１３は、下限値から上限値までの範囲で変化する脈動圧力を目標圧力設定部３３０に出力する。   In response to the impurity discharge request, pulsation waveform calculation section 313 gradually increases the pulsation pressure of the anode gas from the lower limit value to the upper limit value at a predetermined rate of change. The pulsation waveform calculation unit 313 outputs a pulsation pressure that changes in a range from the lower limit value to the upper limit value to the target pressure setting unit 330.

なお、不純物の排出要求は、燃料電池スタック１１０内の不純物の蓄積量が所定の閾値を超えたときに、脈動波形演算部３１３に入力される。また、不純物の蓄積量は、例えば、要求電流、パージ弁３６２からの排出量や、電解質膜１１ａの透過量に相関のあるスタック温度などに基づいて推定される。   The impurity discharge request is input to the pulsation waveform calculator 313 when the amount of accumulated impurities in the fuel cell stack 110 exceeds a predetermined threshold. The amount of accumulated impurities is estimated based on, for example, the required current, the amount discharged from the purge valve 362, the stack temperature correlated with the amount of permeation through the electrolyte membrane 11a, and the like.

起動時圧力設定部３２０は、燃料電池システム１００の起動時水素圧力を目標圧力設定部３３０に出力する。起動時水素圧力は、起動処理中に行われる調圧処理のためのアノードガスの圧力値のことである。起動時圧力設定部３２０には、調圧処理用の上限圧力値や下限圧力値などが予め記憶されている。   The startup pressure setting unit 320 outputs the startup hydrogen pressure of the fuel cell system 100 to the target pressure setting unit 330. The start-up hydrogen pressure is the pressure value of the anode gas for the pressure adjustment process performed during the start-up process. The startup pressure setting unit 320 stores in advance an upper limit pressure value and a lower limit pressure value for pressure adjustment processing.

目標圧力設定部３３０は、起動完了フラグに基づいて脈動圧力を目標水素圧力に設定する。   The target pressure setting unit 330 sets the pulsation pressure to the target hydrogen pressure based on the activation completion flag.

起動完了フラグは、通常起動処理、又は強制停止後の再起動処理を完了したか否かを示すフラグである。起動完了フラグは、例えば、燃料電池システム１００の起動処理を開始するときにＬレベルに設定され、起動処理が完了するとＨレベルに設定される。   The start completion flag is a flag indicating whether the normal start process or the restart process after the forced stop is completed. For example, the activation completion flag is set to the L level when starting the activation process of the fuel cell system 100, and is set to the H level when the activation process is completed.

目標圧力設定部３３０は、燃料電池システム１００の起動処理の開始時に、起動完了フラグがＬレベルに設定されるため、起動時圧力設定部３２０からの起動時水素圧力を目標水素圧力として出力する。   The target pressure setting unit 330 outputs the startup hydrogen pressure from the startup pressure setting unit 320 as the target hydrogen pressure because the startup completion flag is set to the L level when the startup process of the fuel cell system 100 is started.

目標圧力設定部３３０は、図５及び図６に示した起動処理の完了時に、起動完了フラグがＨレベルに設定されるため、脈動波形演算部３１３からの脈動圧力を目標水素圧力として出力する。目標水素圧力に基づいてアノード調圧弁１３３が開閉制御されることにより、アノードガスの圧力が脈動する。具体的には、アノードガスの昇圧時にアノード調圧弁１３３を開け、アノードガスの降圧時にアノード調圧弁１３３を閉じる。   The target pressure setting unit 330 outputs the pulsation pressure from the pulsation waveform calculation unit 313 as the target hydrogen pressure because the activation completion flag is set to the H level when the activation process shown in FIGS. 5 and 6 is completed. The anode pressure regulating valve 133 is controlled to open and close based on the target hydrogen pressure, whereby the anode gas pressure pulsates. Specifically, the anode pressure regulating valve 133 is opened when the anode gas is increased, and the anode pressure regulating valve 133 is closed when the anode gas is decreased.

図１１は、目標脈動幅演算部３１１に保持された脈動幅マップを示す図である。図１１では、横軸が燃料電池スタック１１０に要求される発電電流であり、縦軸がアノードガスの脈動幅である。   FIG. 11 is a diagram showing a pulsation width map held in the target pulsation width calculation unit 311. In FIG. 11, the horizontal axis represents the generated current required for the fuel cell stack 110, and the vertical axis represents the pulsation width of the anode gas.

脈動幅マップでは、発電電流が大きくなるほど、発電に伴う水蒸気の発生量が多くなるため、脈動幅が大きくなる。このため、発電電流が大きく燃料電池スタック１１０に不純物が滞留しやすい状況では、不純物の排出量を増やすことができる。これにより、発電領域での不純物濃度の増加が抑えられるので、発電効率の低下を抑制することができる。   In the pulsation width map, the greater the generated current, the greater the amount of water vapor generated during power generation, and the greater the pulsation width. For this reason, in a situation where the generated current is large and impurities tend to stay in the fuel cell stack 110, the amount of impurities discharged can be increased. Thereby, since the increase in the impurity concentration in the power generation region can be suppressed, a decrease in power generation efficiency can be suppressed.

また、同一の発電電流において、内部抵抗値が小さいほど、電解質膜１１ａの保水量が多く水蒸気が多量に発生しているため、脈動幅は大きくなる。これにより、燃料電池スタック１１０の湿潤状態に応じて適切に脈動幅を調整することができる。   In addition, in the same generated current, the smaller the internal resistance value, the greater the amount of water retained in the electrolyte membrane 11a, and the greater the amount of water vapor, the greater the pulsation width. Thereby, the pulsation width can be adjusted appropriately according to the wet state of the fuel cell stack 110.

次に燃料電池システム１００の起動方法の一例について図面を参照して説明する。   Next, an example of a starting method of the fuel cell system 100 will be described with reference to the drawings.

図１２は、コントローラー１５０による起動処理方法を示すフローチャートである。   FIG. 12 is a flowchart illustrating a startup processing method by the controller 150.

まず、ステップＳ９１０において、コントローラー１５０は、燃料電池システム１００の起動処理を開始すると、前回の燃料電池システム１００の停止処理が、起動時のシステム異常による強制停止か否かを判断する。   First, in step S910, when the controller 150 starts the startup process of the fuel cell system 100, the controller 150 determines whether the previous stop process of the fuel cell system 100 is a forced stop due to a system abnormality at startup.

例えば、コントローラー１５０は、システム異常の有無を示す強制停止フラグを有し、起動中にシステム異常によって強制停止処理を実行した場合には、強制停止フラグを「１」に設定し、通常の停止処理を実行した場合には、強制停止フラグを「０」に設定する。そしてコントローラー１５０は、起動処理を開始するときに、強制停止フラグが「０」を示す場合には、通常起動処理を実行する（ステップＳ９１１〜Ｓ９１４）。   For example, the controller 150 has a forced stop flag indicating whether or not there is a system abnormality. When the forced stop process is executed due to a system abnormality during startup, the forced stop flag is set to “1” and the normal stop process is performed. Is executed, the forced stop flag is set to “0”. If the forced stop flag indicates “0” when starting the startup process, the controller 150 executes the normal startup process (steps S911 to S914).

ステップＳ９１１においてコントローラー１５０は、強制停止フラグに基づき、前回の停止処理が通常の停止処理であると判断した場合には、遮断弁１３２を開ける。   If the controller 150 determines in step S911 that the previous stop process is a normal stop process based on the forced stop flag, the controller 150 opens the shut-off valve 132.

そしてステップＳ９１２においてコントローラー１５０は、遮断弁１３２を開けてから所定時間経過した後、アノード調圧弁１３３を開閉制御してアノードガスの調圧処理を実行する。   In step S912, after a predetermined time has elapsed since the opening of the shut-off valve 132, the controller 150 controls the opening and closing of the anode pressure regulating valve 133 to execute a pressure regulation process for the anode gas.

また、ステップＳ９１３においてコントローラー１５０は、遮断弁１３２を開けてから所定時間経過した後、カソードガスの流量が所定の滞留ガス排出空気流量となるようにカソードコンプレッサー１２２を駆動する。   In step S913, the controller 150 drives the cathode compressor 122 so that the cathode gas flow rate becomes the predetermined staying gas discharge air flow rate after a predetermined time has elapsed since the shut-off valve 132 was opened.

そしてステップＳ９１４においてコントローラー１５０は、カソードコンプレッサー１２２を始動してから所定の排出期間が経過するまでカソードコンプレッサー１２２を駆動し続ける。これにより、カソードガス流路３４から滞留アノードガスが全て排出される。   In step S <b> 914, the controller 150 continues to drive the cathode compressor 122 until the predetermined discharge period elapses after the cathode compressor 122 is started. As a result, all the staying anode gas is discharged from the cathode gas flow path 34.

一方、ステップＳ９１０の処理で、強制停止フラグに基づき、前回の停止処理が、強制停止であると判断した場合には、強制停止後の再起動処理を実行する（ステップＳ９２１〜Ｓ９２４）。   On the other hand, if it is determined in the process of step S910 that the previous stop process is a forced stop based on the forced stop flag, a restart process after the forced stop is executed (steps S921 to S924).

ステップＳ９２１においてコントローラー１５０は、前回の停止処理が強制停止であると判断した後に、ステップＳ９１３と同様、カソードガスの流量が所定の滞留ガス排出空気流量となるようにカソードコンプレッサー１２２を駆動する。   In step S921, after determining that the previous stop process is a forced stop, the controller 150 drives the cathode compressor 122 so that the cathode gas flow rate becomes a predetermined staying gas discharge air flow rate, as in step S913.

そしてステップＳ９２２においてコントローラー１５０は、ステップＳ９１４と同様、カソードコンプレッサー１２２を始動してから所定の排出期間が経過するまでカソードコンプレッサー１２２を駆動し続ける。これにより、カソードガス流路３４から滞留アノードガスが全て排出される。   In step S922, similarly to step S914, the controller 150 continues to drive the cathode compressor 122 until a predetermined discharge period elapses after the cathode compressor 122 is started. As a result, all the staying anode gas is discharged from the cathode gas flow path 34.

ステップＳ９２３においてコントローラー１５０は、排出期間経過後に遮断弁１３２を開ける。   In step S923, the controller 150 opens the shut-off valve 132 after the discharge period has elapsed.

そしてステップＳ９２４においてコントローラー１５０は、アノード調圧弁１３３を開閉制御してアノードガスの調圧処理を実行する。   In step S924, the controller 150 controls the opening and closing of the anode pressure regulating valve 133 to execute a pressure regulation process for the anode gas.

これにより、パージ弁３６２が凍結して閉止できない状態で遮断弁１３２及びアノード調圧弁１３３の開弁によってパージ弁３６２からアノードガスが漏れ出しても、既に滞留アノードガスは排出されているので、排出ガス中の水素濃度が規定値を超えることはない。   As a result, even if the anode gas leaks from the purge valve 362 due to the opening of the shut-off valve 132 and the anode pressure regulating valve 133 when the purge valve 362 is frozen and cannot be closed, the staying anode gas is already discharged. The hydrogen concentration in the gas does not exceed the specified value.

ステップＳ９１４又はステップＳ９２４の処理が終了した後に、ステップＳ９１５において燃料電池システム１００の起動処理が完了してコントローラー１５０による起動方法が終了する。   After the process of step S914 or step S924 is completed, the activation process of the fuel cell system 100 is completed in step S915, and the activation method by the controller 150 is completed.

本発明の態様によれば、通常起動処理では、遮断弁１３２を開き、カソードコンプレッサー１２２を駆動してカソードガス流路３４に透過してきた滞留アノードガスをカソードガス排出通路１２４に排出した後にパージ弁３６２を開く。   According to the aspect of the present invention, in the normal startup process, the shut-off valve 132 is opened, the cathode compressor 122 is driven, and the accumulated anode gas that has permeated the cathode gas flow path 34 is discharged to the cathode gas discharge passage 124 and then the purge valve. Open 362.

一方、零下において強制停止した後に再起動するようなときは、コントローラー１５０は、カソードコンプレッサー１２２を駆動して滞留アノードガスを排出した後にアノードガスの遮断弁１３２を開ける。これにより、万一、凍結によってパージ弁３６２が開いた状態で起動処理が行われ、遮断弁１３２の開弁に伴いパージ弁３６２からアノードガスが漏れ出したとしても、事前に滞留アノードガスを排出しているので、排出ガス中の水素濃度の増加を抑制できる。   On the other hand, when the controller 150 is restarted after being forcibly stopped under zero, the controller 150 opens the anode gas shut-off valve 132 after driving the cathode compressor 122 to discharge the staying anode gas. As a result, in the unlikely event that the purge valve 362 is open due to freezing, the startup process is performed, and even if the anode gas leaks from the purge valve 362 due to the opening of the shutoff valve 132, the accumulated anode gas is discharged in advance. Therefore, an increase in the hydrogen concentration in the exhaust gas can be suppressed.

すなわち、強制停止後に燃料電池システム１００を起動する場合において、カソードガス排出通路１２４から排出されるアノードガスの濃度上昇を抑制することができる。したがって、カソードガス排出通路１２４から排出されるガスの水素濃度を規定値以下に抑えることが可能になる。   That is, when the fuel cell system 100 is started after the forced stop, an increase in the concentration of the anode gas discharged from the cathode gas discharge passage 124 can be suppressed. Therefore, the hydrogen concentration of the gas discharged from the cathode gas discharge passage 124 can be suppressed to a specified value or less.

また、本実施形態では、図５（ｃ）に示した排出期間（第１所定期間）、及び、図６（ｃ）に示した排出期間（第２所定期間）は、カソードガス流路３４から滞留アノードガスを排出するのに必要な期間である。   In the present embodiment, the discharge period (first predetermined period) shown in FIG. 5C and the discharge period (second predetermined period) shown in FIG. This is the period required to discharge the staying anode gas.

これにより、カソードコンプレッサー１２２は、アノードガス流路２４に所定の排出期間だけカソードガスを送り続けるので、カソードガス流路３４から滞留アノードガスが全て排出される。そして全ての滞留アノードガスを排出した後にパージ弁３６２が開けられるので、カソードガス流路３４に残留したアノードガスによる排出ガス中の水素濃度の上昇を抑制することができる。   As a result, the cathode compressor 122 continues to send the cathode gas to the anode gas passage 24 for a predetermined discharge period, so that all the staying anode gas is discharged from the cathode gas passage 34. Since the purge valve 362 is opened after all the staying anode gas is discharged, an increase in the hydrogen concentration in the exhaust gas due to the anode gas remaining in the cathode gas channel 34 can be suppressed.

また、コントローラー１５０は、零下で、図４に示した通常起動処理によってパージ弁３６２を開いた後に燃料電池システムの異常により強制停止したときにのみ、強制停止後の再起動処理（強制停止時起動手段）を実行するようにしても良い。これは、パージ弁３６２を一度も開けていない状態においては、たとえパージ弁３６２で凝縮水が凍結したとしても、パージ弁３６２が開いてしまうことはないからである。   In addition, the controller 150 restarts the process after the forced stop (starts at the forced stop) only when the purge valve 362 is opened by the normal startup process shown in FIG. Means) may be executed. This is because in a state where the purge valve 362 has never been opened, the purge valve 362 never opens even if the condensed water freezes at the purge valve 362.

具体的には、コントローラー１５０は、図５に示す燃料電池スタック１１０の通常起動において時刻ｔ４よりも後にシステム異常によって強制停止したときにのみ、強制停止の実行を示す強制停止フラグを「１」に設定する。そしてコントローラー１５０は、起動処理を開始する時点で、強制停止フラグが「１」を示す場合に、強制停止後の再起動処理を実行する。   Specifically, the controller 150 sets the forced stop flag indicating execution of forced stop to “1” only when the fuel cell stack 110 shown in FIG. 5 is normally stopped due to a system abnormality after time t4. Set. The controller 150 executes the restart process after the forced stop when the forced stop flag indicates “1” when starting the start process.

一方、図６に示す燃料電池スタック１１０の強制停止後の再起動処理中に、システム異常によって強制停止した場合は、時刻ｔ１４より前であっても、強制停止フラグを「１」に設定し、次回起動時は強制停止後の再起動処理を再度選択する。   On the other hand, if the system is forcibly stopped during the restart process after the forced stop of the fuel cell stack 110 shown in FIG. 6, the forced stop flag is set to “1” even before the time t14, At the next startup, select the restart process after the forced stop again.

これにより、コントローラー１５０は、強制停止後の再起動処理を、パージ弁３６２が凍結して開いた状態である可能性が高いときにのみ実行することができる。例えば、パージ弁３６２が凍結していないときに強制停止後の再起動処理を実行すると、遮断弁１３２の開弁時期が遅くなるため起動に要する時間が長くなり、走行許可を出す時期を遅らせることになる。そのため、不必要な強制停止後の再起動処理を減らすことにより、起動処理の迅速化を図ることができる。   Thereby, the controller 150 can execute the restart process after the forced stop only when there is a high possibility that the purge valve 362 is frozen and opened. For example, if the restart process after the forced stop is executed when the purge valve 362 is not frozen, the opening time of the shut-off valve 132 is delayed, so the time required for starting becomes longer, and the timing for issuing the travel permission is delayed. become. Therefore, it is possible to speed up the startup process by reducing the restart process after an unnecessary forced stop.

また、コントローラー１５０は、燃料電池システム１００を強制停止した後に再起動する場合において、パージ弁３６２の温度が氷点温度よりも低いと判断した場合に、強制停止後の再起動処理を実行するようにしてもよい。   In addition, when restarting the fuel cell system 100 after forcibly stopping the fuel cell system 100, the controller 150 executes the restart processing after the forced stop when it is determined that the temperature of the purge valve 362 is lower than the freezing point temperature. May be.

この場合、パージ弁３６２の近傍に温度センサーを設け、温度センサーの検出値が氷点温度よりも低いときに、強制停止後の再起動処理を実行する。   In this case, a temperature sensor is provided in the vicinity of the purge valve 362, and when the detected value of the temperature sensor is lower than the freezing point temperature, the restart process after the forced stop is executed.

これにより、パージ弁３６２が凍結状態のときに確実に強制停止後の再起動処理を実行することができる。なお、温度センサーを合流通路４１２に設け、合流通路４１２を流れる冷却水の温度を検出するようにしてもよい。   Thereby, when the purge valve 362 is in a frozen state, the restart process after the forced stop can be surely executed. Note that a temperature sensor may be provided in the merge passage 412 to detect the temperature of the cooling water flowing through the merge passage 412.

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。   The embodiment of the present invention has been described above. However, the above embodiment only shows a part of application examples of the present invention, and the technical scope of the present invention is limited to the specific configuration of the above embodiment. Absent.

なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。   In addition, the said embodiment can be combined suitably.

１ 単セル（燃料電池）
３４ カソードガス流路
１００ 燃料電池システム
１１０ 燃料電池スタック（燃料電池）
１２１ カソードガス供給通路
１２２ カソードコンプレッサー（ポンプ）
１２４ カソードガス排出通路
１３１ アノードガス供給通路
１３２ 遮断弁
１３５ アノードガス排出通路
３６２ パージ弁
Ｓ９１１〜９１４ 通常起動処理（通常起動手段）
Ｓ９２１〜９２４ 強制停止後の再起動処理（強制停止時起動手段） 1 Single cell (fuel cell)
34 Cathode gas flow path 100 Fuel cell system 110 Fuel cell stack (fuel cell)
121 Cathode gas supply passage 122 Cathode compressor (pump)
124 Cathode gas discharge passage 131 Anode gas supply passage 132 Shut-off valve 135 Anode gas discharge passage 362 Purge valves S911 to 914 Normal start processing (normal start means)
S921-924 Restart processing after forced stop (starting means at forced stop)

Claims (4)

燃料電池にカソードガスを供給するためのカソードガス供給通路と、
前記カソードガス供給通路に設けられ、カソードガスを前記燃料電池に供給するポンプと、
前記燃料電池にアノードガスを供給するためのアノードガス供給通路と、
前記アノードガス供給通路に設けられ、前記燃料電池へのアノードガスの供給を遮断する遮断弁と、
前記燃料電池からカソードガスを排出するカソードガス排出通路と、
前記燃料電池からアノードガスを排出するアノードガス排出通路と、
前記アノードガス排出通路に設けられ、前記燃料電池から排出されたアノードガスを前記カソードガス排出通路にパージするパージ弁と、を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムを通常停止するときは、前記燃料電池内のアノードガス流路にアノードガスを充填した状態で前記燃料電池システムを停止させる停止手段と、
前記燃料電池システムを通常停止した後に起動するときは、前記遮断弁を開き、前記ポンプを第１所定期間駆動して前記燃料電池のカソードガス流路に透過してきた滞留アノードガスを前記カソードガス排出通路に排出し、前記第１所定期間経過後に前記パージ弁を開く通常起動手段と、
前記燃料電池システムを強制停止した後に起動するときは、前記ポンプを第２所定期間駆動して滞留アノードガスを排出し、前記第２所定期間経過後に前記遮断弁を開き、前記パージ弁を開く強制停止時起動手段と、を含む
燃料電池システム。 A cathode gas supply passage for supplying cathode gas to the fuel cell;
A pump that is provided in the cathode gas supply passage and supplies the cathode gas to the fuel cell;
An anode gas supply passage for supplying anode gas to the fuel cell;
A shutoff valve that is provided in the anode gas supply passage and shuts off the supply of the anode gas to the fuel cell;
A cathode gas discharge passage for discharging cathode gas from the fuel cell;
An anode gas discharge passage for discharging anode gas from the fuel cell;
A purge valve that is provided in the anode gas discharge passage and purges the anode gas discharged from the fuel cell into the cathode gas discharge passage ,
When the fuel cell system is normally stopped, stop means for stopping the fuel cell system in a state where the anode gas flow path in the fuel cell is filled with anode gas;
When the fuel cell system is started after being normally stopped , the shutoff valve is opened, the pump is driven for a first predetermined period, and the staying anode gas that has permeated the cathode gas flow path of the fuel cell is discharged to the cathode gas. Normal activation means for discharging into the passage and opening the purge valve after the first predetermined period;
Force when starting after forcibly stopping the fuel cell system, said pump to discharge the second predetermined time period is driven to dwell anode gas, opens the shut-off valve after the elapse of the second predetermined time period, opening the purge valve A fuel cell system including a stop-time starting means 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記第１及び第２所定期間は、前記カソードガス流路から滞留アノードガスを排出するのに必要な期間である、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
The first and second predetermined periods are periods necessary for discharging the staying anode gas from the cathode gas flow path.
Fuel cell system. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記強制停止時起動手段は、零下で、前記通常起動手段によって前記パージ弁を開いてから前記燃料電池システムの異常により前記強制停止した後、再起動するときに実行される、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2,
The forced stop activation means, at sub-zero temperature, after the forced stop by abnormality of the fuel cell system by opening the purge valve by the normal activation means is executed when restarting,
Fuel cell system. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記強制停止時起動手段は、前記燃料電池システムを強制停止した後に起動する場合において、前記パージ弁の温度が氷点温度よりも低いと判断したときに実行される、
燃料電池システム。 In the fuel cell system according to any one of claims 1 to 3,
The forced stop starting means is executed when it is determined that the temperature of the purge valve is lower than the freezing point temperature when the fuel cell system is started after the forced stop.
Fuel cell system.
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