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JP2007317475A - Fuel cell system - Google Patents

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JP2007317475A
JP2007317475A JP2006145128A JP2006145128A JP2007317475A JP 2007317475 A JP2007317475 A JP 2007317475A JP 2006145128 A JP2006145128 A JP 2006145128A JP 2006145128 A JP2006145128 A JP 2006145128A JP 2007317475 A JP2007317475 A JP 2007317475A
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JP
Japan
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fuel cell
oxidizing gas
bypass
bypass valve
cell system
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Pending
Application number
JP2006145128A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tomotaka Ishikawa
智隆 石川
Naohisa Tsuchiya
尚久 土屋
Hiroyuki Yumiya
浩之 弓矢
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
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Abstract

【課題】システム運転停止中における凍結を抑制し、システム運転の始動性を高めることができる燃料電池システムを課題とする。
【解決手段】酸化ガスを燃料電池に圧送する供給機と、酸化ガスが燃料電池をバイパスして流れるように、供給路と排出路とを接続するバイパス路と、バイパス路を開閉するバイパス弁と、を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの運転停止時に、供給機を駆動して少なくとも燃料電池内を掃気する掃気処理を実行させる制御装置を備える。供給路とパイパス路との接続部から燃料電池に流れる酸化ガス流量に対する、接続部からバイパス路を通ってバイパス弁の下流へと流れる酸化ガス流量の割合を、分流比として定義したとき、制御装置は、掃気処理の実行途中で分流比が大きくなるように制御する。
【選択図】図4
An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of suppressing freezing during system operation stop and improving the startability of system operation.
A supply device that pumps oxidizing gas to a fuel cell, a bypass passage that connects a supply passage and a discharge passage so that the oxidizing gas flows bypassing the fuel cell, and a bypass valve that opens and closes the bypass passage; And a control device that executes a scavenging process for driving at least the inside of the fuel cell by driving the supply device when the operation of the fuel cell system is stopped. When the ratio of the oxidizing gas flow rate flowing from the connection portion to the downstream of the bypass valve to the oxidizing gas flow rate flowing from the connection portion between the supply passage and the bypass passage to the fuel cell is defined as a diversion ratio, the control device Is controlled so that the diversion ratio increases during the scavenging process.
[Selection] Figure 4

Description

本発明は、燃料電池に対して酸化ガスをバイパス可能な燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system capable of bypassing an oxidizing gas to a fuel cell.

燃料電池自動車などに搭載される燃料電池は、アノードに供給された燃料ガス中の水素とカソードに供給された酸化ガス中の酸素との化学反応によって、電力を発生すると共に水を生成する。生成された水は、燃料ガス及び酸化ガスの流れによって、燃料電池内部から両ガスの排出路へと排出される。   A fuel cell mounted on a fuel cell vehicle or the like generates electric power and generates water by a chemical reaction between hydrogen in a fuel gas supplied to an anode and oxygen in an oxidizing gas supplied to a cathode. The generated water is discharged from the inside of the fuel cell to the discharge path of both gases by the flow of the fuel gas and the oxidizing gas.

特許文献1に記載の燃料電池システムは、酸化ガスの供給路と酸化オフガスの排気路とを連通するバイパス路を備えると共に、バイパス路と供給路との接続部に三方弁を備える。この燃料電池システムの通常の運転時には、三方弁は燃料電池側を選択する。一方、燃料電池システムの始動時に、排出路上の背圧調整弁が凍結していると判断されたときには、三方弁はバイパス路側を選択する。この選択により、酸化ガスがバイパス路へと流され、この近傍に位置する背圧調整弁が加熱されるようにしている。
特開2005−158282号公報
The fuel cell system described in Patent Document 1 includes a bypass path that connects an oxidizing gas supply path and an oxidizing off-gas exhaust path, and includes a three-way valve at a connection portion between the bypass path and the supply path. During normal operation of this fuel cell system, the three-way valve selects the fuel cell side. On the other hand, when it is determined that the back pressure regulating valve on the discharge path is frozen at the start of the fuel cell system, the three-way valve selects the bypass path side. By this selection, the oxidizing gas is caused to flow into the bypass passage, and the back pressure adjusting valve located in the vicinity thereof is heated.
JP 2005-158282 A

しかし、背圧調整弁が凍結した後の処理であるため、背圧調整弁を解凍するまでに時間がかかり、結果、システム自体の始動性を低下させていた。また、生成水は、背圧調整弁で氷結するのみならず、燃料電池内及び排出路においても、さらにはバイパス路及び三方弁においても氷結するおそれがある。   However, since the processing is after the back pressure regulating valve is frozen, it takes time to thaw the back pressure regulating valve, resulting in a decrease in the startability of the system itself. In addition, the generated water may be frozen not only by the back pressure regulating valve but also in the fuel cell and in the discharge path, and also in the bypass path and the three-way valve.

本発明は、以上のような問題に鑑みてなされたものであり、システム運転停止中における凍結を抑制し、システム運転の始動性を高めることができる燃料電池システムを提供することをその目的としている。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of suppressing freezing during system operation stop and improving the startability of system operation. .

上記目的を達成するべく、本発明の燃料電池システムは、燃料電池に供給される酸化ガスが流れる供給路と、供給路に設けられ、酸化ガスを燃料電池に圧送する供給機と、燃料電池から排出される酸化オフガスが流れる排出路と、酸化ガスが燃料電池をバイパスして流れるように、供給路と排出路とを接続するバイパス路と、バイパス路を開閉するバイパス弁と、を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの運転停止時に、供給機を駆動して少なくとも燃料電池内を掃気する掃気処理を実行させる制御装置を備え、供給路とパイパス路との接続部から燃料電池に流れる酸化ガス流量に対する、接続部からバイパス路を通ってバイパス弁の下流へと流れる酸化ガス流量の割合を、分流比として定義したとき、制御装置は、掃気処理の実行途中で、分流比が大きくなるように制御するものである。   In order to achieve the above object, a fuel cell system according to the present invention includes a supply path through which an oxidizing gas supplied to a fuel cell flows, a supply device provided in the supply path, for pumping the oxidizing gas to the fuel cell, and a fuel cell. A fuel provided with a discharge path through which discharged oxidation off-gas flows, a bypass path that connects the supply path and the discharge path so that the oxidizing gas flows through the fuel cell, and a bypass valve that opens and closes the bypass path The battery system includes a control device that executes a scavenging process for driving the supply device and scavenging at least the inside of the fuel cell when the operation of the fuel cell system is stopped, and the oxidation flowing to the fuel cell from the connection portion between the supply passage and the bypass passage When the ratio of the flow rate of the oxidizing gas flowing from the connection portion to the downstream of the bypass valve with respect to the gas flow rate is defined as a diversion ratio, the control device performs the scavenging process. In the middle run, controls such diversion ratio increases.

かかる構成によれば、システムの運転停止時に掃気処理を実行するため、燃料電池内に残る生成水を排出路の下流へと排出でき、燃料電池内及び排出路内での水分の氷結を抑制できる。また、掃気処理の途中で分流比を大きくするため、酸化ガスは少なくともバイパス路を通ってバイパス弁の下流へと流れる。これにより、バイパス弁やバイパス路内に残る水分を排出路へと排出できると共に、バイパス路内の雰囲気を酸化ガスで置換できる。よって、バイパス弁及びバイパス路での水分の氷結も抑制できる。そして、このような掃気処理をシステムの運転停止時に行うようにしているため、システム運転の始動性を高めることができる。   According to such a configuration, since the scavenging process is performed when the system is stopped, the generated water remaining in the fuel cell can be discharged downstream of the discharge path, and water icing in the fuel cell and the discharge path can be suppressed. . Further, in order to increase the diversion ratio during the scavenging process, the oxidizing gas flows at least through the bypass passage to the downstream of the bypass valve. Thereby, moisture remaining in the bypass valve and the bypass passage can be discharged to the discharge passage, and the atmosphere in the bypass passage can be replaced with the oxidizing gas. Therefore, it is possible to suppress water icing in the bypass valve and the bypass path. And since such a scavenging process is performed when the system operation is stopped, the startability of the system operation can be improved.

好ましくは、制御装置は、掃気処理を第1の分流比で行った後、掃気処理の実行途中で、第1の分流比よりも大きな第2の分流比に変更する。   Preferably, after performing the scavenging process at the first diversion ratio, the control device changes to a second diversion ratio that is larger than the first diversion ratio during the execution of the scavenging process.

この構成によれば、分流比を段階的に変更するため、簡易に分流比を変更することができる。   According to this configuration, since the diversion ratio is changed stepwise, the diversion ratio can be easily changed.

より好ましくは、制御装置は、第1の分流比から第2の分流比への変更を、バイパス弁の開度を大きくすることで行う。   More preferably, the control device changes the first diversion ratio to the second diversion ratio by increasing the opening of the bypass valve.

こうすることで、簡易な構造で、分流比を変更することができる。   By doing so, the diversion ratio can be changed with a simple structure.

ここで、本発明の一実施態様では、第1の分流比は0よりも大きくても良い、つまり掃気処理の例えば初期に酸化ガスの一部がバイパス弁の下流へと流れても良い。しかし、燃料電池内の掃気を効率よく行うためには、本発明の好ましい一実施態様では、制御装置は、第1の分流比が0となるようにバイパス弁を閉弁制御する一方、第1の分流比から第2の分流比に変更する際にバイパス弁を開弁制御すると良い。   Here, in one embodiment of the present invention, the first diversion ratio may be greater than 0, that is, part of the oxidizing gas may flow downstream of the bypass valve, for example, at the beginning of the scavenging process. However, in order to efficiently perform scavenging in the fuel cell, in a preferred embodiment of the present invention, the control device controls the closing of the bypass valve so that the first diversion ratio becomes zero, while the first When changing from the current diversion ratio to the second diversion ratio, the bypass valve may be controlled to open.

好ましくは、第2の分流比のときのバイパス弁は、バイパス弁の下流へと流れた酸化ガスが排出路の上流側へと逆流しないように、所定の開度に設定されている。   Preferably, the bypass valve at the second diversion ratio is set to a predetermined opening degree so that the oxidizing gas flowing downstream of the bypass valve does not flow backward to the upstream side of the discharge path.

この構成によれば、第2の分流比のときに、バイパス弁やバイパス路内に残り得る水分が排出路の上流側へと逆流することを抑制でき、この水分を排出路の下流側へと排出できる。   According to this configuration, at the second diversion ratio, water that can remain in the bypass valve or the bypass path can be prevented from flowing back to the upstream side of the discharge path, and this moisture is transferred to the downstream side of the discharge path. Can be discharged.

好ましくは、本発明の燃料電池システムは、排出路に設けられた調圧弁を更に備える。   Preferably, the fuel cell system of the present invention further includes a pressure regulating valve provided in the discharge path.

好ましくは、本発明の燃料電池システムは、上記の接続部よりも下流側の供給路に設けられ、酸化ガスを加湿する加湿器を更に備える。   Preferably, the fuel cell system of the present invention further includes a humidifier that is provided in the supply path downstream of the connection portion and humidifies the oxidizing gas.

この構成によれば、加湿器により加湿された比較的高湿潤の酸化ガスを燃料電池に供給できる。また、掃気処理のときに、加湿器により加湿されていない比較的低湿潤の酸化ガスをバイパス弁の下流へと流すことができ、バイパス弁及びバイパス路の掃気を好適に行い得る。   According to this configuration, the relatively high-humidity oxidizing gas humidified by the humidifier can be supplied to the fuel cell. Further, during the scavenging process, a relatively low-humidity oxidizing gas that has not been humidified by the humidifier can be caused to flow downstream of the bypass valve, and scavenging of the bypass valve and the bypass passage can be suitably performed.

以上説明したように、本発明の燃料電池システムによれば、システム運転停止中における凍結を抑制し、システム運転の始動性を高めることができる。   As described above, according to the fuel cell system of the present invention, freezing while the system operation is stopped can be suppressed, and the startability of the system operation can be improved.

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。先ず、第1実施形態として、本発明の燃料電池システムの運転停止時における掃気処理について説明する。次いで、変形例として、バイパス弁の凍結を考慮した構成について説明する。   Hereinafter, a fuel cell system according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. First, a scavenging process when the operation of the fuel cell system of the present invention is stopped will be described as a first embodiment. Next, as a modification, a configuration in consideration of freezing of the bypass valve will be described.

<第1実施形態>
図1は、燃料電池システム1の構成図である。
本実施形態の燃料電池システム1は、燃料電池自動車(FCHV)、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載することができるが、もちろん車両のみならず各種移動体(例えば、船舶や飛行機、ロボットなど)や定置型電源にも適用可能である。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system 1.
The fuel cell system 1 of the present embodiment can be mounted on a vehicle such as a fuel cell vehicle (FCHV), an electric vehicle, and a hybrid vehicle. Of course, not only the vehicle but also various moving bodies (for example, ships, airplanes, robots, etc.) ) And stationary power sources.

燃料電池システム1は、燃料電池2と、酸化ガスとしての空気(酸素)を燃料電池2に供給する酸化ガス配管系3と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池2に供給する燃料ガス配管系4と、燃料電池2に冷媒を供給して燃料電池2を冷却する冷媒配管系5と、システム1の電力を充放電する電力系6と、システム全体を統括制御する制御装置7と、を備えている。   The fuel cell system 1 includes a fuel cell 2, an oxidizing gas piping system 3 that supplies air (oxygen) as an oxidizing gas to the fuel cell 2, and a fuel gas piping system that supplies hydrogen gas as a fuel gas to the fuel cell 2. 4, a refrigerant piping system 5 that supplies the refrigerant to the fuel cell 2 to cool the fuel cell 2, a power system 6 that charges and discharges the power of the system 1, and a control device 7 that performs overall control of the entire system. ing.

燃料電池2は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造を備えている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極(カソード)を有し、他方の面に燃料極(アノード)を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの酸化ガス流路2aに酸化ガスが供給され、他方のセパレータの燃料ガス流路2bに燃料ガスが供給される。供給された燃料ガス及び酸化ガスの電気化学反応により、燃料電池2は電力を発生する。燃料電池2での電気化学反応は発熱反応であり、固体高分子電解質型の燃料電池2の温度は、およそ60〜80℃となる。   The fuel cell 2 is formed of, for example, a solid polymer electrolyte type and has a stack structure in which a large number of single cells are stacked. The single cell has an air electrode (cathode) on one surface of an electrolyte made of an ion exchange membrane, a fuel electrode (anode) on the other surface, and a pair of the air electrode and the fuel electrode sandwiched from both sides. Of separators. An oxidizing gas is supplied to the oxidizing gas channel 2a of one separator, and a fuel gas is supplied to the fuel gas channel 2b of the other separator. The fuel cell 2 generates electric power by the electrochemical reaction of the supplied fuel gas and oxidizing gas. The electrochemical reaction in the fuel cell 2 is an exothermic reaction, and the temperature of the solid polymer electrolyte fuel cell 2 is approximately 60 to 80 ° C.

酸化ガス配管系3は、燃料電池2に供給される酸化ガスが流れる供給路11と、燃料電池2から排出された酸化オフガスが流れる排出路12と、酸化ガスが燃料電池2をバイパスして流れるバイパス路17と、を有している。供給路11の下流端は酸化ガス流路2aの上流端に連通し、排出路12の上流端は酸化ガス流路2aの下流端に連通している。酸化オフガスには、燃料電池2の空気極側で生成されるポンピング水素などが含まれる(詳細は後述)。また、酸化オフガスは、燃料電池2の電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態となっている。   The oxidizing gas piping system 3 includes a supply path 11 through which the oxidizing gas supplied to the fuel cell 2 flows, a discharge path 12 through which the oxidizing off gas discharged from the fuel cell 2 flows, and the oxidizing gas flows bypassing the fuel cell 2. And a bypass 17. The downstream end of the supply path 11 communicates with the upstream end of the oxidizing gas flow path 2a, and the upstream end of the discharge path 12 communicates with the downstream end of the oxidizing gas flow path 2a. The oxidizing off gas includes pumping hydrogen generated on the air electrode side of the fuel cell 2 (details will be described later). Further, the oxidizing off gas is in a highly moist state because it contains moisture generated by the cell reaction of the fuel cell 2.

供給路11には、エアクリーナ13を介して酸化ガス(外気)を取り込むコンプレッサ14(供給機)と、コンプレッサ14により燃料電池2に圧送される酸化ガスを加湿する加湿器15と、が設けられている。加湿器15は、供給路11を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、排出路12を流れる高湿潤状態の酸化オフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池2に供給される酸化ガスを適度に加湿する。   The supply path 11 is provided with a compressor 14 (feeder) that takes in the oxidizing gas (outside air) via the air cleaner 13 and a humidifier 15 that humidifies the oxidizing gas pumped to the fuel cell 2 by the compressor 14. Yes. The humidifier 15 exchanges moisture between the low-humidity oxidizing gas flowing in the supply passage 11 and the high-humidity oxidizing off-gas flowing in the discharge passage 12, and appropriately supplies the oxidizing gas supplied to the fuel cell 2. Humidify.

燃料電池2に供給される酸化ガスの背圧は、カソード出口付近の排出路12に配設された背圧調整弁16によって調圧される。背圧調整弁16の近傍には、排出路12内の圧力を検出する圧力センサP1が設けられている。酸化オフガスは、背圧調整弁16及び加湿器15を経て最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。   The back pressure of the oxidizing gas supplied to the fuel cell 2 is regulated by a back pressure adjusting valve 16 disposed in the discharge path 12 near the cathode outlet. In the vicinity of the back pressure adjustment valve 16, a pressure sensor P1 for detecting the pressure in the discharge passage 12 is provided. The oxidizing off gas passes through the back pressure regulating valve 16 and the humidifier 15 and is finally exhausted into the atmosphere outside the system as exhaust gas.

バイパス路17は、供給路11と排出路12とを接続している。バイパス路17と供給路11との供給側接続部Bは、コンプレッサ14と加湿器15との間に位置している。また、バイパス路17と排出路12との排出側接続部Cは、加湿器15の下流側に位置している。バイパス路17には、モータ又はソレノイドなどで駆動する開閉弁(シャット弁)であるバイパス弁18が設けられている。バイパス弁18は、制御装置7に接続されており、バイパス路17を開閉する。なお、以下の説明では、バイパス弁18の開弁により、バイパス路17の下流へとバイパスされる酸化ガスを「バイパスエア」と称呼する。   The bypass path 17 connects the supply path 11 and the discharge path 12. A supply side connection B between the bypass path 17 and the supply path 11 is located between the compressor 14 and the humidifier 15. Further, the discharge side connection portion C between the bypass path 17 and the discharge path 12 is located on the downstream side of the humidifier 15. The bypass passage 17 is provided with a bypass valve 18 that is an on-off valve (shut valve) driven by a motor or a solenoid. The bypass valve 18 is connected to the control device 7 and opens and closes the bypass path 17. In the following description, the oxidizing gas that is bypassed downstream of the bypass passage 17 by opening the bypass valve 18 is referred to as “bypass air”.

燃料ガス配管系4は、水素供給源21と、水素供給源21から燃料電池2に供給される水素ガスが流れる供給路22と、燃料電池2から排出された水素オフガス(燃料オフガス)を供給路22の合流点Aに戻すための循環路23と、循環路23内の水素オフガスを供給路22に圧送するポンプ24と、循環路23に分岐接続されたパージ路25と、を有している。元弁26を開くことで水素供給源21から供給路22に流出した水素ガスは、調圧弁27その他の減圧弁、及び遮断弁28を経て、燃料電池2に供給される。パージ路25には、水素オフガスを水素希釈器(図示省略)に排出するためのパージ弁33が設けられている。   The fuel gas piping system 4 includes a hydrogen supply source 21, a supply path 22 through which hydrogen gas supplied from the hydrogen supply source 21 to the fuel cell 2 flows, and a supply path for supplying hydrogen offgas (fuel offgas) discharged from the fuel cell 2. 22, a circulation path 23 for returning to the junction point A of 22, a pump 24 that pumps the hydrogen off-gas in the circulation path 23 to the supply path 22, and a purge path 25 that is branched and connected to the circulation path 23. . The hydrogen gas flowing out from the hydrogen supply source 21 to the supply path 22 by opening the main valve 26 is supplied to the fuel cell 2 through the pressure regulating valve 27 and other pressure reducing valves and the shutoff valve 28. The purge passage 25 is provided with a purge valve 33 for discharging the hydrogen off gas to a hydrogen diluter (not shown).

冷媒配管系5は、燃料電池2内の冷却流路2cに連通する冷媒流路41と、冷媒流路41に設けられた冷却ポンプ42と、燃料電池2から排出される冷媒を冷却するラジエータ43と、ラジエータ43をバイパスするバイパス流路44と、ラジエータ43及びバイパス流路44への冷却水の通流を設定する切替え弁45と、を有している。冷媒流路41は、燃料電池2の冷媒入口の近傍に設けられた温度センサ46と、燃料電池2の冷媒出口の近傍に設けられた温度センサ47と、を有している。温度センサ47が検出する冷媒温度は、燃料電池2の内部温度(以下、燃料電池2の温度という。)を反映する。冷却ポンプ42は、モータ駆動により、冷媒流路41内の冷媒を燃料電池2に循環供給する。   The refrigerant piping system 5 includes a refrigerant channel 41 communicating with the cooling channel 2 c in the fuel cell 2, a cooling pump 42 provided in the refrigerant channel 41, and a radiator 43 that cools the refrigerant discharged from the fuel cell 2. And a bypass passage 44 that bypasses the radiator 43, and a switching valve 45 that sets the flow of cooling water to the radiator 43 and the bypass passage 44. The refrigerant flow path 41 includes a temperature sensor 46 provided near the refrigerant inlet of the fuel cell 2 and a temperature sensor 47 provided near the refrigerant outlet of the fuel cell 2. The refrigerant temperature detected by the temperature sensor 47 reflects the internal temperature of the fuel cell 2 (hereinafter referred to as the temperature of the fuel cell 2). The cooling pump 42 circulates and supplies the refrigerant in the refrigerant channel 41 to the fuel cell 2 by driving the motor.

電力系6は、高圧DC/DCコンバータ61、バッテリ62、トラクションインバータ63、トラクションモータ64、及び各種の補機インバータ65,66,67を備えている。高圧DC/DCコンバータ61は、直流の電圧変換器であり、バッテリ62から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ63側に出力する機能と、燃料電池2又はトラクションモータ64から入力された直流電圧を調整してバッテリ62に出力する機能と、を有する。高圧DC/DCコンバータ61のこれらの機能により、バッテリ62の充放電が実現される。また、高圧DC/DCコンバータ61により、燃料電池2の出力電圧が制御される。   The power system 6 includes a high-voltage DC / DC converter 61, a battery 62, a traction inverter 63, a traction motor 64, and various auxiliary inverters 65, 66, and 67. The high-voltage DC / DC converter 61 is a direct-current voltage converter that adjusts the direct-current voltage input from the battery 62 and outputs it to the traction inverter 63 side, and the direct-current input from the fuel cell 2 or the traction motor 64. And a function of adjusting the voltage and outputting it to the battery 62. The charge / discharge of the battery 62 is realized by these functions of the high-voltage DC / DC converter 61. Further, the output voltage of the fuel cell 2 is controlled by the high voltage DC / DC converter 61.

トラクションインバータ63は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ64に供給する。トラクションモータ64(動力発生装置)は、例えば三相交流モータである。トラクションモータ64は、燃料電池システム1が搭載される例えば車両100の主動力源を構成し、車両100の車輪101L,101Rに連結されている。補機インバータ65、66、67は、それぞれ、コンプレッサ14、ポンプ24、冷却ポンプ42のモータの駆動を制御する。   The traction inverter 63 converts a direct current into a three-phase alternating current and supplies it to the traction motor 64. The traction motor 64 (power generation device) is, for example, a three-phase AC motor. The traction motor 64 constitutes, for example, a main power source of the vehicle 100 on which the fuel cell system 1 is mounted, and is connected to the wheels 101L and 101R of the vehicle 100. The auxiliary machine inverters 65, 66, and 67 control the driving of the motors of the compressor 14, the pump 24, and the cooling pump 42, respectively.

制御装置7は、内部にCPU,ROM,RAMを備えたマイクロコンピュータとして構成される。CPUは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、後述する低効率運転の制御など、種々の処理や制御を行う。ROMは、CPUで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。RAMは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。   The control device 7 is configured as a microcomputer having a CPU, ROM, and RAM therein. The CPU performs desired processing according to the control program, and performs various processes and controls such as control of low-efficiency operation described later. The ROM stores control programs and control data processed by the CPU. The RAM is mainly used as various work areas for control processing.

制御装置7は、ガス系統(3,4)や冷媒系統5に用いられる圧力センサ(P1)及び温度センサ(46,47)、燃料電池システム1が置かれる環境の外気温を検出する外気温センサ51、並びに、車両100のアクセル開度を検出するアクセル開度センサなどの各種センサからの検出信号を入力し、各構成要素(供給機14、背圧調製弁16及びバイパス弁18など)に制御信号を出力する。また、制御装置7は、低温始動時など燃料電池2を暖機する必要がある場合には、ROMに格納されている各種マップを利用して発電効率の低い運転を行う。   The control device 7 includes a pressure sensor (P1) and temperature sensors (46, 47) used in the gas system (3, 4) and the refrigerant system 5, and an outside air temperature sensor that detects the outside air temperature in the environment where the fuel cell system 1 is placed. 51, and detection signals from various sensors such as an accelerator opening sensor that detects the accelerator opening of the vehicle 100 are input, and control is performed on each component (such as the feeder 14, the back pressure adjusting valve 16, and the bypass valve 18). Output a signal. In addition, when it is necessary to warm up the fuel cell 2 such as when starting at a low temperature, the control device 7 performs an operation with low power generation efficiency using various maps stored in the ROM.

図2は、燃料電池2の出力電流(以下、「FC電流」という。)と出力電圧(以下、「FC電圧」という。)との関係を示す図である。図2は、燃料電池システム1が比較的発電効率の高い運転(以下、「通常運転」という。)を行った場合を実線で示し、燃料電池システム1が比較的発電効率の低い運転(以下、「低効率運転」という。)を行った場合を点線で示している。   FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the output current (hereinafter referred to as “FC current”) of the fuel cell 2 and the output voltage (hereinafter referred to as “FC voltage”). FIG. 2 shows the case where the fuel cell system 1 is operated with relatively high power generation efficiency (hereinafter referred to as “normal operation”) as a solid line, and the fuel cell system 1 is operated with relatively low power generation efficiency (hereinafter referred to as “normal operation”). The case of “low efficiency operation”) is indicated by a dotted line.

燃料電池システム1を通常運転する場合には、電力損失を抑えて高い発電効率が得られるように、エアストイキ比を1.0以上(理論値)に設定した状態で燃料電池2を運転する(図2の実線部分参照)。ここで、エアストイキ比とは酸素余剰率をいい、水素と過不足なく反応するのに必要な酸素に対して供給される酸素がどれだけ余剰であるかを示す。   When the fuel cell system 1 is normally operated, the fuel cell 2 is operated in a state where the air stoichiometric ratio is set to 1.0 or more (theoretical value) so that high power generation efficiency can be obtained while suppressing power loss (see FIG. (See solid line part 2). Here, the air stoichiometric ratio means an oxygen surplus ratio, and indicates how much oxygen is supplied to oxygen necessary for reacting with hydrogen without excess or deficiency.

これに対し、燃料電池2を暖機する場合には、電力損失を大きくして燃料電池2の温度を上昇させるべく、エアストイキ比を1.0未満(理論値)に設定した状態で燃料電池2を運転する(図2の点線部分参照)。エアストイキ比を低く設定して低効率運転を行うと、水素と酸素との反応によって取り出せるエネルギーのうち、電力損失分(すなわち熱損失分)が積極的に増大されるため、燃料電池2を迅速に暖機することができる一方、燃料電池2の空気極にはポンピング水素が発生する。   On the other hand, when the fuel cell 2 is warmed up, the fuel cell 2 is set with the air stoichiometric ratio set to less than 1.0 (theoretical value) in order to increase the power loss and raise the temperature of the fuel cell 2. (See the dotted line portion in FIG. 2). When the air stoichiometric ratio is set to a low value and the low efficiency operation is performed, the power loss (that is, the heat loss) of the energy that can be extracted by the reaction between hydrogen and oxygen is positively increased. While it is possible to warm up, pumping hydrogen is generated at the air electrode of the fuel cell 2.

図3は、ポンピング水素の発生メカニズムを説明するための図であり、(A)は通常運転時の電池反応を示し、(B)は低効率運転時の電池反応を示している。
燃料電池2の各単セル80は、電解質膜81と、この電解質膜81を挟持するアノード及びカソードを備えている。水素(H2)を含む燃料ガスはアノードに供給され、酸素(O2)を含む酸化ガスはカソードに供給される。アノードへ燃料ガスが供給されると、下記式(1)の反応が進行して、水素が水素イオンと電子に乖離する。アノードで生成された水素イオンは電解質膜81を透過してカソードへ移動する一方、電子はアノードから外部回路を通ってカソードへ移動する。
アノード: H2 →2H+ + 2e- ・・・(1)
3A and 3B are diagrams for explaining the generation mechanism of pumping hydrogen, in which FIG. 3A shows a battery reaction during normal operation, and FIG. 3B shows a battery reaction during low-efficiency operation.
Each single cell 80 of the fuel cell 2 includes an electrolyte membrane 81 and an anode and a cathode that sandwich the electrolyte membrane 81. A fuel gas containing hydrogen (H 2 ) is supplied to the anode, and an oxidizing gas containing oxygen (O 2 ) is supplied to the cathode. When fuel gas is supplied to the anode, the reaction of the following formula (1) proceeds, and hydrogen is separated from hydrogen ions and electrons. Hydrogen ions generated at the anode pass through the electrolyte membrane 81 and move to the cathode, while electrons move from the anode through the external circuit to the cathode.
Anode: H 2 → 2H + + 2e (1)

ここで、図3(A)に示す通常運転の場合、すなわちカソードへの酸化ガスの供給が十分な場合には(エアストイキ比≧1.0)、下記式(2)が進行して酸素、水素イオン及び電子から水が生成される。
カソード: 2H+ + 2e- + (1/2)O2 → H2O ・・・(2)
Here, in the case of the normal operation shown in FIG. 3A, that is, when the supply of the oxidizing gas to the cathode is sufficient (air stoichiometric ratio ≧ 1.0), the following equation (2) proceeds and oxygen, hydrogen Water is produced from ions and electrons.
Cathode: 2H + + 2e + (1/2) O 2 → H 2 O (2)

一方、図3(B)に示す低効率運転の場合、すなわちカソードへの酸化ガスの供給が不足している場合には(エアストイキ比<1.0)、不足する酸化ガス量に応じて下記式(3)が進行し、水素イオンと電子が再結合して水素が生成される。生成された水素は、酸化オフガスとともにカソードから排出されることになる。なお、乖離した水素イオンと電子が再結合することによってカソードで生成される水素、すなわちカソードにおいて生成されるアノードガスをポンピング水素と呼ぶ。
カソード: 2H+ + 2e- → H2 ・・・(3)
On the other hand, in the case of the low-efficiency operation shown in FIG. 3B, that is, when the supply of the oxidizing gas to the cathode is insufficient (air stoichiometric ratio <1.0), the following formula is set according to the insufficient oxidizing gas amount. (3) proceeds and hydrogen ions and electrons recombine to generate hydrogen. The produced hydrogen is discharged from the cathode together with the oxidizing off gas. Note that hydrogen generated at the cathode by recombination of dissociated hydrogen ions and electrons, that is, the anode gas generated at the cathode is called pumping hydrogen.
Cathode: 2H + + 2e → H 2 (3)

このように、カソードへの酸化ガスの供給が不足した状態では、酸化オフガスにポンピング水素が含まれる。そこで、燃料電池システム1が低効率運転を行う際には、制御装置7はバイパス弁18を開弁制御し、コンプレッサ13により供給される酸化ガスの一部をバイパス路17に分流させるようにしている。この分流されたバイパスエアによって酸化オフガス中の水素濃度を希釈して、水素濃度が安全な範囲にまで低減された酸化オフガスを排出路12から外部に排気するようにしている。   Thus, in a state where the supply of the oxidizing gas to the cathode is insufficient, pumping hydrogen is included in the oxidizing off gas. Therefore, when the fuel cell system 1 performs low-efficiency operation, the control device 7 controls the opening of the bypass valve 18 so that a part of the oxidizing gas supplied by the compressor 13 is diverted to the bypass path 17. Yes. The dilute bypass air dilutes the hydrogen concentration in the oxidation off gas, and the oxidation off gas having the hydrogen concentration reduced to a safe range is exhausted from the discharge path 12 to the outside.

なお、低効率運転は、主として燃料電池2を暖機することを目的として、燃料電池システム1の起動時に行われるものであり、特に低温起動時にのみ行われるものである。例えば、燃料電池システム1の起動時に外気温センサ51により検出された外気温が、所定の低温(例えば0℃以下)であったときに、燃料電池システム1の低効率運転が行われ、その後、燃料電池2の暖機が完了したところで、燃料電池システム1は、低効率運転から通常運転に移行する。バイパス弁18は、低効率運転を行う燃料電池システム1の起動時に開弁し、低効率運転後の通常運転では、閉弁する。   The low-efficiency operation is performed at the time of starting the fuel cell system 1 mainly for the purpose of warming up the fuel cell 2, and is performed only at the time of starting at a low temperature. For example, when the outside air temperature detected by the outside air temperature sensor 51 at the start of the fuel cell system 1 is a predetermined low temperature (for example, 0 ° C. or less), the fuel cell system 1 is operated at a low efficiency. When the warm-up of the fuel cell 2 is completed, the fuel cell system 1 shifts from the low efficiency operation to the normal operation. The bypass valve 18 is opened when the fuel cell system 1 that performs low-efficiency operation is started, and is closed during normal operation after the low-efficiency operation.

図4は、本実施形態の燃料電池システム1の運転終了時における処理フローを示すフローチャートである。
先ず、例えば車両100の運転手によるイグニッションスイッチのOFF操作等によって、燃料電池システム1の運転停止が指令されると(ステップS1)、制御装置7は、燃料電池システム2の通常運転を終了し、掃気処理を実行させる(ステップS2)。
FIG. 4 is a flowchart showing a processing flow at the end of operation of the fuel cell system 1 of the present embodiment.
First, when the operation stop of the fuel cell system 1 is instructed by, for example, an operation of turning off an ignition switch by the driver of the vehicle 100 (step S1), the control device 7 ends the normal operation of the fuel cell system 2, A scavenging process is executed (step S2).

ここで、掃気処理とは、燃料電池システム2の運転終了時に、少なくとも燃料電池2内の水分を外部に排出することで燃料電池2内を掃気することをいう。カソード系統(酸化ガス配管系3)の掃気処理は、燃料電池2への水素ガスの供給を停止した状態で、コンプレッサ14の駆動によって酸化ガスを酸化ガス流路2aに供給し、この供給した酸化ガスによって、酸化ガス流路2aに残る生成水を含む水分を排出路12へと排出することで行われる。なお、アノード系統(燃料ガス配管系4)の掃気処理も行われるが、ここでは詳細な説明を省略する。   Here, the scavenging process means scavenging the inside of the fuel cell 2 by discharging at least water in the fuel cell 2 to the outside at the end of the operation of the fuel cell system 2. In the scavenging process of the cathode system (oxidizing gas piping system 3), the supply of hydrogen gas to the fuel cell 2 is stopped, and the oxidizing gas is supplied to the oxidizing gas passage 2a by driving the compressor 14, and the supplied oxidation is performed. This is performed by discharging moisture containing the generated water remaining in the oxidizing gas flow path 2a to the discharge path 12 by the gas. A scavenging process of the anode system (fuel gas piping system 4) is also performed, but detailed description thereof is omitted here.

掃気処理では、制御装置7は、主として、コンプレッサ14、背圧調整弁16及びバイパス弁18を制御する。具体的には、制御装置7は、掃気処理に適した酸化ガスが燃料電池2に供給されるように、コンプレッサ14のモータ回転数を制御する。また、制御装置7は、背圧調整弁16を、例えば全開、断続的な開閉、又は半開などに制御する。さらに、制御装置7は、所定の分流比となるように、バイパス弁18の開度を制御する。   In the scavenging process, the control device 7 mainly controls the compressor 14, the back pressure adjustment valve 16, and the bypass valve 18. Specifically, the control device 7 controls the motor rotation speed of the compressor 14 so that the oxidizing gas suitable for the scavenging process is supplied to the fuel cell 2. In addition, the control device 7 controls the back pressure adjustment valve 16 to be fully opened, intermittently opened or closed, or half open, for example. Furthermore, the control device 7 controls the opening degree of the bypass valve 18 so that a predetermined diversion ratio is obtained.

ここで、「分流比」とは、供給側接続部Bから燃料電池2に流れる酸化ガス流量に対する、供給側接続部Bからバイパス路17を通ってバイパス弁18の下流へと流れる酸化ガス流量(つまり、バイパスエア流量)の割合をいい、次式(10)で定義される。
γ=MBY/MSUP ・・・(10)
ここで、γは分流比であり、MBYはバイパスエアの流量であり、MSUPは供給側接続部Bから燃料電池2に流れる酸化ガスの流量である。
Here, the “diversion ratio” is the flow rate of the oxidizing gas flowing from the supply side connection B to the downstream side of the bypass valve 18 with respect to the flow rate of the oxidation gas flowing from the supply side connection B to the fuel cell 2 ( That is, the ratio of the bypass air flow rate) is defined by the following equation (10).
γ = M BY / M SUP (10)
Here, γ is a diversion ratio, M BY is a flow rate of bypass air, and M SUP is a flow rate of the oxidizing gas flowing from the supply side connection B to the fuel cell 2.

ステップS2の掃気処理の開始では、分流比γは第1の分流比γ1に設定される。ここでは、第1の分流比γ1=0(ただし、MSUP>0)と設定した。つまり、バイパス弁18を閉弁しておき、酸化ガスを供給側接続部Bで分流せずにもっぱら燃料電池2に流すようにした。このように、第1の分流比γ1=0とすることで、酸化ガスをバイパスエアとして分流する場合に比べて、燃料電池2内の掃気を効率よく行うことができる。なお、他の実施態様では、次式(11)を満たすようにしてもよい。
γ1>0 ・・・(11)
At the start of the scavenging process in step S2, the diversion ratio γ is set to the first diversion ratio γ 1 . Here, the first diversion ratio γ 1 = 0 (where M SUP > 0) was set. In other words, the bypass valve 18 is closed, and the oxidizing gas is flown into the fuel cell 2 exclusively without being divided at the supply side connection portion B. In this way, by setting the first diversion ratio γ 1 = 0, scavenging in the fuel cell 2 can be performed more efficiently than when the oxidizing gas is diverted as bypass air. In other embodiments, the following expression (11) may be satisfied.
γ 1 > 0 (11)

制御装置7は、掃気処理の開始から所定時間t1が経過するまで第1の分流比γ1で掃気処理を実行する(ステップS3;NO)。この所定時間t1は、例えば、燃料電池2内の水分の排出が完了する時間に設定される。所定時間t1の経過後(ステップS3;YES)、制御装置7は、分流比が大きくなるように分流比を変更する(ステップS4)。つまり、制御装置7は、掃気処理の実行途中で、第1の分流比γ1よりも大きな第2の分流比γ2に変更する。 The control device 7 executes the scavenging process at the first diversion ratio γ 1 until a predetermined time t 1 has elapsed from the start of the scavenging process (step S3; NO). For example, the predetermined time t 1 is set to a time when the drainage of the water in the fuel cell 2 is completed. After the elapse of the predetermined time t 1 (step S3; YES), the control device 7 changes the diversion ratio so as to increase the diversion ratio (step S4). That is, the control device 7 changes the second diversion ratio γ 2 larger than the first diversion ratio γ 1 during the execution of the scavenging process.

この第2の分流比γ2への変更は、バイパス弁18の開度を大きくすること、すなわち本実施形態ではバイパス弁18を開弁することで行われる。第2の分流比γ2への変更により、コンプレッサ14により圧送される酸化ガスは一部が燃料電池2に供給されつつ、残りがバイパスエアとしてバイパス弁18の下流へと流される。こうすることで、例えば燃料電池2等から排出された水分がバイパス路17やバイパス弁18内に流れていたとしても、これらに存在し得る水分をバイパスエアで再び排出路12へと排出できる。 The change to the second diversion ratio γ 2 is performed by increasing the opening degree of the bypass valve 18, that is, by opening the bypass valve 18 in this embodiment. As a result of the change to the second diversion ratio γ 2 , a part of the oxidizing gas pumped by the compressor 14 is supplied to the fuel cell 2, while the rest flows as downstream air downstream of the bypass valve 18. By doing so, even if water discharged from the fuel cell 2 or the like flows into the bypass passage 17 or the bypass valve 18, for example, water that can exist in these can be discharged again to the discharge passage 12 by the bypass air.

ここで、バイパスエアにより持ち去られる水分は、排出路12の上流ではなく、排出路12の下流に排出されることが好ましい。そこで、本実施形態では、第2の分流比γ2のときのバイパス弁18は、バイパスエアが排出路12の上流側へと逆流しないように、所定の開度に設定されている。より具体的には、バイパス弁18の所定の開度は、燃料電池2から排出された酸化ガスの流れによってバイパスエアの流れを排出路12の下流側へ指向するような開度であり、例えば全開又は半開である。このように構成することで、排出路12の上流側の部分(背圧調整弁16がある部分)や燃料電池2内に水分が逆流することを抑制できる。 Here, the moisture taken away by the bypass air is preferably discharged downstream of the discharge path 12 instead of upstream of the discharge path 12. Therefore, in the present embodiment, the bypass valve 18 at the second diversion ratio γ 2 is set to a predetermined opening degree so that the bypass air does not flow backward to the upstream side of the discharge path 12. More specifically, the predetermined opening degree of the bypass valve 18 is an opening degree that directs the flow of the bypass air to the downstream side of the discharge path 12 by the flow of the oxidizing gas discharged from the fuel cell 2, for example, Full open or half open. By configuring in this way, it is possible to prevent water from flowing back into the upstream portion of the discharge passage 12 (the portion where the back pressure adjusting valve 16 is present) and the fuel cell 2.

なお、排出路12の配管構造を調整することで、バイパスエアにより持ち去られる水分が排出路12の下流へと流れるようにしてもよい。例えば、バイパスエアが排出側接続部Cにおいて排出路12の下流側に向かって流出するように、バイパス路18及び排出路12の接続形態を構成すればよい。例えば、バイパス路18の下流端は、排出路12の上流側でなく、排出路12の下流側に向かって開口していればよい。   In addition, you may make it the water | moisture content carried away by bypass air flow to the downstream of the discharge path 12 by adjusting the piping structure of the discharge path 12. FIG. For example, what is necessary is just to comprise the connection form of the bypass path 18 and the discharge path 12 so that bypass air may flow out toward the downstream of the discharge path 12 in the discharge side connection part C. For example, the downstream end of the bypass path 18 may be open toward the downstream side of the discharge path 12 instead of the upstream side of the discharge path 12.

制御装置7は、掃気処理の開始から所定時間t2(t2>t1を満たす。)が経過するまで、第2の分流比γ2による掃気処理を実行する(ステップS5;NO)。この所定時間t2は、例えば、バイパス弁18及びその下流側のバイパス路17の水分の排出が完了する時間に設定される。なお、第2の分流比γ2で掃気処理を実行しているとき、制御装置7は、コンプレッサ14の回転数の調整や、背圧調整弁16の開度調整を、適宜行うことができる。 The control device 7 executes the scavenging process with the second diversion ratio γ 2 until a predetermined time t 2 (t 2 > t 1 is satisfied) from the start of the scavenging process (step S5; NO). The predetermined time t 2, for example, the discharge of the water of the bypass valve 18 and the bypass passage 17 on the downstream side is set to a time to complete. Note that when the scavenging process is being executed at the second diversion ratio γ 2 , the control device 7 can appropriately adjust the rotation speed of the compressor 14 and the opening degree of the back pressure adjustment valve 16.

所定時間t2の経過後(ステップS5;YES)、制御装置7は、コンプレッサ14の駆動を停止して、掃気処理を終了する(ステップS6)。この掃気処理の終了のときに、バイパス弁18を閉じるようにするとよい。排気処理の終了後、燃料電池システム1の運転停止が完了し、燃料電池システム1は次の起動を待つ状態となる。 After the elapse of the predetermined time t 2 (step S5; YES), the control device 7 stops driving the compressor 14 and ends the scavenging process (step S6). The bypass valve 18 may be closed at the end of the scavenging process. After the exhaust process is completed, the operation stop of the fuel cell system 1 is completed, and the fuel cell system 1 waits for the next activation.

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム1によれば、その運転停止時に掃気処理を実行するため、燃料電池2内に存在し得る水分を排出路12の下流へと排出できると共に、掃気処理の途中で分流比γが大きくなるように変更するため、バイパス路17やバイパス弁18に存在し得る水分をバイパスエアにより排出路12の下流へと排出できる。   As described above, according to the fuel cell system 1 of the present embodiment, since the scavenging process is executed when the operation is stopped, moisture that can exist in the fuel cell 2 can be discharged downstream of the discharge path 12, and Since the diversion ratio γ is changed in the middle of the scavenging process, the water that may exist in the bypass passage 17 and the bypass valve 18 can be discharged downstream of the discharge passage 12 by the bypass air.

これにより、燃料電池2内はもとより、排出路12、排出路12上の背圧調整弁16、バイパス路17、及びバイパス弁18のそれぞれの内部を掃気することができる。したがって、運転終了後の燃料電池システム1が低温環境下(例えば氷点下)におかれたとしても、各種構成要素(2、12,16,17及び18)内での氷結を抑制でき、各種構成要素(2、12,16,17及び18)の凍結を抑制でき、その結果、次の起動時の始動性を高めることができる。   As a result, not only the inside of the fuel cell 2 but also the inside of the discharge path 12, the back pressure adjusting valve 16, the bypass path 17, and the bypass valve 18 on the discharge path 12 can be scavenged. Therefore, even if the fuel cell system 1 after operation is placed in a low temperature environment (for example, below freezing point), freezing in various components (2, 12, 16, 17 and 18) can be suppressed, and various components Freezing of (2, 12, 16, 17 and 18) can be suppressed, and as a result, the startability at the next start-up can be improved.

また、本実施形態の燃料電池システム1では、掃気処理のときに、加湿器15により加湿されていない比較的低湿潤のバイパスエアがバイパス弁18の下流へと流れる。これにより、水分含有率の低いバイパスエアをバイパス弁18及びバイパス路17の下流に供給できるため、バイパス弁18及びバイパス路17の掃気を好適に行うことができる。   In the fuel cell system 1 of the present embodiment, relatively low-humidity bypass air that has not been humidified by the humidifier 15 flows downstream of the bypass valve 18 during the scavenging process. Thereby, since bypass air with a low moisture content can be supplied to the downstream of the bypass valve 18 and the bypass path 17, scavenging of the bypass valve 18 and the bypass path 17 can be performed suitably.

上記の例では分流比γを二段階で変更したが、もちろん多段階又は無段階(連続的)に変更しても良い。また、掃気処理に用いるガスとして酸化ガスを例に説明したが、酸化ガスを用いない掃気処理についても本実施形態の骨子を適用することができる。例えば、掃気処理用のガスとして窒素ガスなどの不活性ガスを用い、別の供給機又は上記のコンプレッサ14を駆動することで、掃気処理の途中で分流比γを変更するようにしてもよい。   In the above example, the diversion ratio γ is changed in two stages, but it is of course possible to change it in multiple stages or steplessly (continuously). Further, although the oxidizing gas has been described as an example of the gas used for the scavenging process, the essence of the present embodiment can be applied to the scavenging process that does not use the oxidizing gas. For example, an inert gas such as nitrogen gas may be used as the gas for the scavenging process, and another supply device or the above-described compressor 14 may be driven to change the diversion ratio γ during the scavenging process.

<変形例>
次に、図5ないし図8を参照して、上記した燃料電池システム1におけるバイパス弁18の凍結を考慮した構成について説明する。この凍結を考慮した構成は、第1実施形態の掃気処理を実行するか否かに関わらず、上記のような燃料電池システム1の構成に適用できるものである。
<Modification>
Next, a configuration in consideration of freezing of the bypass valve 18 in the fuel cell system 1 will be described with reference to FIGS. This configuration in consideration of freezing can be applied to the configuration of the fuel cell system 1 as described above regardless of whether or not the scavenging process of the first embodiment is executed.

<変形例1>
図5に示すように、バイパス弁18にはヒータ200が設けられている。ヒータ200は、制御装置7に接続されており、その温度を制御可能に構成されている。このような構成とすることで、バイパス弁18が凍結したとしても、ヒータ200を駆動してバイパス弁18を速やかに解凍することができる。なお、ヒータ200は、例えば外気温センサ51の外気温が氷点下以下の場合に駆動するようにすればよい。また、ヒータ200はバイパス弁18のバルブボディ内に組み込むようにしても良いし、バルブボディに付属させるようにしても良い。
<Modification 1>
As shown in FIG. 5, the bypass valve 18 is provided with a heater 200. The heater 200 is connected to the control device 7 and configured to be able to control its temperature. With such a configuration, even when the bypass valve 18 is frozen, the heater 200 can be driven to quickly defrost the bypass valve 18. The heater 200 may be driven when the outside air temperature of the outside air temperature sensor 51 is below freezing point, for example. The heater 200 may be incorporated in the valve body of the bypass valve 18 or may be attached to the valve body.

<変形例2>
図6に示すように、バイパス弁18の下流側(二次側)にはフィルタ210が設けられている。フィルタ210は、多孔体フィルタからなり、排出路12上ではなくバイパス路17上に設けられる。このような構成とすることで、燃料電池システム1の運転等によって生成水等の水分がバイパス弁18に流れ込むことをフィルタ210で抑制できる。これにより、低温時のバイパス弁18での水分の氷結を抑制できる。
<Modification 2>
As shown in FIG. 6, a filter 210 is provided on the downstream side (secondary side) of the bypass valve 18. The filter 210 is made of a porous filter, and is provided on the bypass path 17 instead of on the discharge path 12. By setting it as such a structure, it can suppress with the filter 210 that moisture, such as produced water, flows into the bypass valve 18 by the driving | operation etc. of the fuel cell system 1. FIG. Thereby, the freezing of the water | moisture content by the bypass valve 18 at the time of low temperature can be suppressed.

<変形例3>
図7の一点鎖線220で示すように、コンプレッサ14とバイパス弁18とは、一体型の構造で構成されている。例えば、コンプレッサ14の筐体の一部にバイパス弁18を組み込むようにすることで、両者を一体型の構造で構成することができる。コンプレッサ14は駆動時にモータの排熱等によって外部に放熱するが、この放熱によりバイパス弁18を保温又は加熱することができる。これにより、バイパス弁18の凍結を抑制できると共に、仮に凍結した場合にも解凍することができる。
<Modification 3>
As indicated by a one-dot chain line 220 in FIG. 7, the compressor 14 and the bypass valve 18 have an integral structure. For example, by incorporating the bypass valve 18 in a part of the casing of the compressor 14, the two can be configured as an integral structure. The compressor 14 radiates heat to the outside due to exhaust heat of the motor or the like during driving, and the heat radiation or heat can keep the bypass valve 18 warm. As a result, freezing of the bypass valve 18 can be suppressed, and it can be thawed even if it is temporarily frozen.

<変形例4>
図8に示すように、冷媒配管系5は、冷媒をバイパス弁18に循環する冷媒回路を備えている。この冷媒回路は、バイパス弁18の例えばバルブボディに冷媒を供給する供給回路230と、バイパス弁18の例えばバルブボディを通流した冷媒が排出される排出回路231と、を有している。供給回路230の一端は、燃料電池2の冷媒出口付近の冷媒流路41の部分に連通している。排出回路231の一端は、ラジエータ43の下流の冷媒流路41の部分に連通している。
<Modification 4>
As shown in FIG. 8, the refrigerant piping system 5 includes a refrigerant circuit that circulates the refrigerant to the bypass valve 18. The refrigerant circuit includes a supply circuit 230 that supplies refrigerant to, for example, the valve body of the bypass valve 18, and a discharge circuit 231 that discharges refrigerant that has flowed through the valve body of the bypass valve 18, for example. One end of the supply circuit 230 communicates with a portion of the refrigerant flow path 41 near the refrigerant outlet of the fuel cell 2. One end of the discharge circuit 231 communicates with a portion of the refrigerant flow path 41 downstream of the radiator 43.

上記したとおり、固体高分子電解質型の燃料電池2の温度は、およそ60〜80℃であるから、冷媒出口付近の冷媒の温度は、およそ60〜80℃である。上記構成により、この温度の冷媒をバイパス弁18に循環させることができ、バイパス弁18において熱交換に供することができる。これにより、バイパス弁18の保温又は加熱が可能となるため、バイパス弁18の凍結を抑制できると共に、仮に凍結した場合にも解凍できる。なお、供給回路230又は排出回路231に開閉弁を設けて、開閉弁によりバイパス弁18への冷媒の循環及びその停止を制御するようにしてもよい。   As described above, the temperature of the solid polymer electrolyte fuel cell 2 is approximately 60 to 80 ° C., so the temperature of the refrigerant in the vicinity of the refrigerant outlet is approximately 60 to 80 ° C. With the above configuration, the refrigerant at this temperature can be circulated through the bypass valve 18 and can be used for heat exchange in the bypass valve 18. Thereby, since the bypass valve 18 can be kept warm or heated, it is possible to suppress freezing of the bypass valve 18 and to defrost even if it is temporarily frozen. Note that an on-off valve may be provided in the supply circuit 230 or the discharge circuit 231 so that the circulation and stop of the refrigerant to the bypass valve 18 may be controlled by the on-off valve.

第1実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment. FIG. 第1実施形態に係るFC電流とFC電圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between FC electric current and FC voltage which concern on 1st Embodiment. 第1実施形態に係るポンピング水素の発生メカニズムを説明するための図であり、(A)は通常運転時の電池反応を示し、(B)は低効率運転時の電池反応を示す。It is a figure for demonstrating the generation | occurrence | production mechanism of the pumping hydrogen which concerns on 1st Embodiment, (A) shows the battery reaction at the time of normal operation, (B) shows the battery reaction at the time of low efficiency operation. 第1実施形態に係る燃料電池システム1の運転終了時における処理フローを示すフローチャートである。3 is a flowchart showing a processing flow at the end of operation of the fuel cell system 1 according to the first embodiment. 変形例1に係る酸化ガス配管系を拡大して示す構成図である。It is a block diagram which expands and shows the oxidizing gas piping system which concerns on the modification 1. FIG. 変形例2に係る酸化ガス配管系を拡大して示す構成図である。It is a block diagram which expands and shows the oxidizing gas piping system which concerns on the modification 2. As shown in FIG. 変形例3に係る酸化ガス配管系を拡大して示す構成図である。It is a block diagram which expands and shows the oxidizing gas piping system which concerns on the modification 3. 変形例4に係る酸化ガス配管系及び冷媒配管系を拡大して示す構成図である。It is a block diagram which expands and shows the oxidizing gas piping system and refrigerant piping system which concern on the modification 4.

符号の説明Explanation of symbols

1:燃料電池システム、2:燃料電池、7:制御装置、11:供給路、12:排出路、14:コンプレッサ(供給機)、15:加湿器、16:背圧調整弁(調圧弁)、17:バイパス路、18:バイパス弁、B:供給側接続部、C:排出側接続部   1: fuel cell system, 2: fuel cell, 7: control device, 11: supply path, 12: discharge path, 14: compressor (supply machine), 15: humidifier, 16: back pressure regulating valve (pressure regulating valve), 17: Bypass path, 18: Bypass valve, B: Supply side connection, C: Discharge side connection

Claims (7)

燃料電池に供給される酸化ガスが流れる供給路と、
前記供給路に設けられ、前記酸化ガスを前記燃料電池に圧送する供給機と、
前記燃料電池から排出される酸化オフガスが流れる排出路と、
前記酸化ガスが前記燃料電池をバイパスして流れるように、前記供給路と前記排出路とを接続するバイパス路と、
前記バイパス路を開閉するバイパス弁と、を備えた燃料電池システムにおいて、
当該燃料電池システムの運転停止時に、前記供給機を駆動して少なくとも前記燃料電池内を掃気する掃気処理を実行させる制御装置を備え、
前記供給路と前記パイパス路との接続部から前記燃料電池に流れる酸化ガス流量に対する、前記接続部から前記バイパス路を通って前記バイパス弁の下流へと流れる酸化ガス流量の割合を、分流比として定義したとき、
前記制御装置は、前記掃気処理の実行途中で、前記分流比が大きくなるように制御する、燃料電池システム。
A supply path through which oxidizing gas supplied to the fuel cell flows;
A feeder that is provided in the supply path and pumps the oxidizing gas to the fuel cell;
An exhaust path through which the oxidizing off-gas exhausted from the fuel cell flows;
A bypass path connecting the supply path and the discharge path so that the oxidizing gas flows bypassing the fuel cell;
In a fuel cell system comprising a bypass valve for opening and closing the bypass path,
When the operation of the fuel cell system is stopped, a control device is provided that executes a scavenging process for driving the supply device and scavenging at least the inside of the fuel cell.
The ratio of the flow rate of the oxidizing gas flowing from the connection portion to the downstream of the bypass valve with respect to the flow rate of the oxidizing gas flowing from the connection portion between the supply passage and the bypass passage to the fuel cell is defined as a flow dividing ratio. When defined
The said control apparatus is a fuel cell system controlled so that the said diversion ratio becomes large in the middle of execution of the said scavenging process.
前記制御装置は、前記掃気処理を第1の分流比で行った後、当該掃気処理の実行途中で、前記第1の分流比よりも大きな第2の分流比に変更する、請求項1に記載の燃料電池システム。   2. The control device according to claim 1, wherein after performing the scavenging process at a first diversion ratio, the control device changes to a second diversion ratio that is larger than the first diversion ratio during execution of the scavenging process. Fuel cell system. 前記制御装置は、前記第1の分流比から前記第2の分流比への変更を、前記バイパス弁の開度を大きくすることで行う、請求項2に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 2, wherein the control device changes the first diversion ratio to the second diversion ratio by increasing an opening of the bypass valve. 前記制御装置は、前記第1の分流比が0となるように前記バイパス弁を閉弁制御し、前記第1の分流比から前記第2の分流比に変更する際に前記バイパス弁を開弁制御する、請求項2又は3に記載の燃料電池システム。   The control device closes the bypass valve so that the first diversion ratio becomes zero, and opens the bypass valve when changing from the first diversion ratio to the second diversion ratio. The fuel cell system according to claim 2 or 3, which is controlled. 前記第2の分流比のときの前記バイパス弁は、前記バイパス弁の下流へと流れた酸化ガスが前記排出路の上流側へと逆流しないように、所定の開度に設定されている、請求項3又は4に記載の燃料電池システム。   The bypass valve at the second diversion ratio is set to a predetermined opening degree so that the oxidizing gas flowing downstream of the bypass valve does not flow backward to the upstream side of the discharge path. Item 5. The fuel cell system according to Item 3 or 4. 前記排出路に設けられた調圧弁を更に備える、請求項1ないし5のいずれか一項に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, further comprising a pressure regulating valve provided in the discharge path. 前記接続部よりも下流側の前記供給路に設けられ、前記酸化ガスを加湿する加湿器を更に備える、請求項1ないし6のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, further comprising a humidifier that is provided in the supply path downstream of the connection portion and humidifies the oxidizing gas.

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