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JP2009104966A - Fuel cell system - Google Patents

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Publication number
JP2009104966A
JP2009104966A JP2007277165A JP2007277165A JP2009104966A JP 2009104966 A JP2009104966 A JP 2009104966A JP 2007277165 A JP2007277165 A JP 2007277165A JP 2007277165 A JP2007277165 A JP 2007277165A JP 2009104966 A JP2009104966 A JP 2009104966A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
purge
gas
fuel cell
amount
cell system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2007277165A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masahiro Okuyoshi
雅宏 奥吉
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2007277165A priority Critical patent/JP2009104966A/en
Publication of JP2009104966A publication Critical patent/JP2009104966A/en
Pending legal-status Critical Current

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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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Abstract

【課題】気液分離部を備える燃料電池システムにおいて、気液分離部の貯留水の温度が氷点下の場合に、貯留水の温度を昇温させる技術を提供すること。
【解決手段】燃料電池を備える燃料電池システムであって、燃料電池からオフガスが導入され、オフガス中の水蒸気を凝縮すると共に、水を貯留可能な気液分離部と、オフガスを、気液分離部から燃料電池システムの外部にパージガスとしてパージするパージ弁と、気液分離部に貯留される貯留水の温度が氷点下の場合において、パージガス中の水蒸気量が、所定量以上となるように、パージ弁を制御し、パージガスのパージ量を調整する調整部と、
を備える。
【選択図】図4
In a fuel cell system including a gas-liquid separation unit, a technique for raising the temperature of stored water when the temperature of stored water in the gas-liquid separation unit is below freezing point is provided.
A fuel cell system including a fuel cell, wherein off-gas is introduced from the fuel cell, water vapor in the off-gas is condensed, and water can be stored, and the off-gas is separated from the gas-liquid separator. A purge valve that purges as a purge gas from the fuel cell system to the outside of the fuel cell system, and when the temperature of the stored water stored in the gas-liquid separation unit is below freezing point, the purge valve And an adjustment unit for adjusting the purge amount of the purge gas,
Is provided.
[Selection] Figure 4

Description

本発明は、燃料電池を備える燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell.

燃料電池からオフガスが導入され、オフガス中の水蒸気を凝縮すると共に、水を貯留可能な気液分離部を備える燃料電池システムが知られている(特許文献1参照)。   2. Description of the Related Art A fuel cell system that includes an off-gas introduced from a fuel cell, condenses water vapor in the off-gas, and includes a gas-liquid separator that can store water is known (see Patent Document 1).

特開2006−147414号公報JP 2006-147414 A

上記燃料電池システムの気液分離部において、貯留される貯留水の温度が氷点下になると、貯留水が、例えば、過冷却状態となる。このように、気液分離部において、貯留水が過冷却状態であると、種々の不具合が生じるおそれがあった。例えば、過冷却状態の貯留水を、パージ弁を介してパージすると、そのパージ弁で凍結し、その結果、パージ弁が制御できなくなるおそれがあった。また、気液分離部において、貯留水の温度が氷点下であって、凍結状態であると、例えば、気液分離部から貯留水がパージできず、新たに水が貯留できなくなるなどの不具合が生じるおそれがあった。   In the gas-liquid separator of the fuel cell system, when the temperature of the stored water is below freezing point, the stored water is in a supercooled state, for example. As described above, in the gas-liquid separation unit, when the stored water is in a supercooled state, various problems may occur. For example, when the supercooled stored water is purged through the purge valve, it is frozen by the purge valve, and as a result, the purge valve may not be controlled. Further, in the gas-liquid separation unit, if the temperature of the stored water is below freezing and is in a frozen state, for example, the stored water cannot be purged from the gas-liquid separation unit, and there is a problem that water cannot be newly stored. There was a fear.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、気液分離部を備える燃料電池システムにおいて、気液分離部の貯留水の温度が氷点下の場合に、貯留水の温度を昇温させる技術を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and in a fuel cell system including a gas-liquid separator, a technique for raising the temperature of the stored water when the temperature of the stored water in the gas-liquid separator is below freezing point. The purpose is to provide.

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

[適用例1]
燃料電池を備える燃料電池システムであって、前記燃料電池からオフガスが導入され、該オフガス中の水蒸気を凝縮すると共に、水を貯留可能な気液分離部と、前記オフガスを、前記気液分離部から前記燃料電池システムの外部にパージガスとしてパージするパージ弁と、前記気液分離部に貯留される貯留水の温度が氷点下の場合において、前記パージガス中の水蒸気量が、所定量以上となるように、前記パージ弁を制御し、前記パージガスのパージ量を調整する調整部と、を備えることを要旨とする。
[Application Example 1]
A fuel cell system including a fuel cell, wherein off-gas is introduced from the fuel cell, water vapor in the off-gas is condensed and water can be stored, and the off-gas is separated from the gas-liquid separator. When the temperature of the stored water stored in the gas-liquid separation unit is below freezing point, the amount of water vapor in the purge gas is not less than a predetermined amount. And a control unit that controls the purge valve and adjusts the purge amount of the purge gas.

上記構成の燃料電池システムによれば、パージガスをパージする際、パージガス中の水蒸気によって、気液分離部の貯留水の温度を十分に昇温させることができる。   According to the fuel cell system configured as described above, when purging the purge gas, the temperature of the stored water in the gas-liquid separation unit can be sufficiently raised by the water vapor in the purge gas.

[適用例2]
適用例1に記載の燃料電池システムにおいて、前記調整部は、前記気液分離部に貯留される前記貯留水が過冷却状態の場合において、前記パージガス中の前記水蒸気量が、前記所定量以上となるように、前記パージ弁を制御し、前記パージガスのパージ量を調整することを特徴とする燃料電池システム。
[Application Example 2]
In the fuel cell system according to Application Example 1, in the case where the stored water stored in the gas-liquid separation unit is in a supercooled state, the adjustment unit is configured such that the amount of water vapor in the purge gas is equal to or greater than the predetermined amount. The fuel cell system is characterized in that the purge valve is controlled to adjust the purge amount of the purge gas.

このようにすれば、貯留水が過冷却状態の場合において、パージガスをパージする際、パージガス中の水蒸気によって、気液分離部の貯留水の温度を十分に昇温させることができる。   In this way, when the purge water is purged when the stored water is in a supercooled state, the temperature of the stored water in the gas-liquid separation unit can be sufficiently raised by the water vapor in the purge gas.

[適用例3]
適用例1または適用例2に記載の燃料電池システムにおいて、前記所定量は、前記気液分離部から排出される前記貯留水の温度を、凝縮熱によって氷点より上昇させるために必要な水蒸気量であることを特徴とする燃料電池システム。
[Application Example 3]
In the fuel cell system according to Application Example 1 or Application Example 2, the predetermined amount is an amount of water vapor necessary to raise the temperature of the stored water discharged from the gas-liquid separation unit from the freezing point by condensation heat. A fuel cell system comprising:

このようにすれば、パージガスをパージする際、パージガス中の水蒸気によって、気液分離部の貯留水の温度を十分に昇温させることができる。   If it does in this way, when purging purge gas, the temperature of the stored water of a gas-liquid separation part can fully be raised with the water vapor | steam in purge gas.

[適用例4]
適用例1ないし適用例3のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記パージ弁近傍であって前記パージ弁よりも前記パージ弁から前記貯留水が排出される方向に対する上流位置の圧力を低下させる圧力低下部を備えることを特徴とする燃料電池システム。
[Application Example 4]
In the fuel cell system according to any one of Application Examples 1 to 3, the pressure at the upstream position in the vicinity of the purge valve and in the direction in which the stored water is discharged from the purge valve is lower than the purge valve. A fuel cell system comprising a pressure drop unit.

このようにすれば、パージガスのパージ量を少なくすることができる。その結果、余分にパージガスをパージすることを抑制することができる。   In this way, the purge amount of purge gas can be reduced. As a result, it is possible to suppress the purge gas from being purged excessively.

[適用例5]
適用例4に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に供給する反応ガスを調圧可能な調圧部を備え、前記気液分離部には、前記調圧部によって調圧された前記反応ガスが前記燃料電池において電気化学反応に供された後の前記オフガスが導入され、前記圧力低下部は、前記調圧部に前記反応ガスの圧力を低下させることにより、前記上流位置の圧力を低下させることを特徴とする燃料電池システム。
[Application Example 5]
The fuel cell system according to Application Example 4, further comprising a pressure adjusting unit capable of adjusting a reaction gas supplied to the fuel cell, wherein the gas-liquid separation unit includes the reaction gas adjusted by the pressure adjusting unit. The off-gas after being subjected to an electrochemical reaction in the fuel cell is introduced, and the pressure reducing unit reduces the pressure of the upstream position by reducing the pressure of the reactive gas in the pressure adjusting unit. A fuel cell system.

このようにすれば、上流位置の圧力を容易に低下させることができる。そして、パージガスのパージ量を少なくすることができる。その結果、余分にパージガスをパージすることを抑制することができる。   In this way, the pressure at the upstream position can be easily reduced. Further, the purge amount of the purge gas can be reduced. As a result, it is possible to suppress the purge gas from being purged excessively.

[適用例6]
適用例4または適用例5に記載の燃料電池システムにおいて、前記気液分離部に導入された前記オフガスを、再利用するために、前記燃料電池に再供給するためのポンプを備え、前記圧力低下部は、前記ポンプの回転数を減少させることにより、前記上流位置の圧力を低下させることを特徴とする燃料電池システム。
[Application Example 6]
The fuel cell system according to Application Example 4 or Application Example 5, further comprising a pump for re-supplying the off-gas introduced into the gas-liquid separation unit to the fuel cell in order to reuse the pressure drop. The unit reduces the pressure at the upstream position by reducing the number of rotations of the pump.

このようにすれば、上流位置の圧力を容易に低下させることができる。そして、パージガスのパージ量を少なくすることができる。その結果、余分にパージガスをパージすることを抑制することができる。   In this way, the pressure at the upstream position can be easily reduced. Further, the purge amount of the purge gas can be reduced. As a result, it is possible to suppress the purge gas from being purged excessively.

[適用例7]
適用例1ないし適用例6のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記調整部は、前記パージガスの前記パージ量を、前記パージガス中の前記水蒸気量が前記所定量以上となるように、前記燃料電池の温度に基づいて、調整することを特徴とする燃料電池システム。このようにすれば、余分にパージガスをパージすることを抑制することができる。
[Application Example 7]
7. The fuel cell system according to any one of Application Examples 1 to 6, wherein the adjustment unit sets the purge amount of the purge gas so that the amount of water vapor in the purge gas is equal to or greater than the predetermined amount. A fuel cell system that adjusts based on the temperature of the battery. In this way, it is possible to suppress purging of the purge gas excessively.

[適用例8]
適用例1ないし適用例7のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記調整部は、前記パージガスの前記パージ量を、前記パージガス中の前記水蒸気量が前記所定量以上となるように、前記パージ弁よりも前記パージ弁から前記貯留水が排出される方向に対する上流位置の圧力に基づいて、調整することを特徴とする燃料電池システム。このようにすれば、余分にパージガスをパージすることを抑制することができる。
[Application Example 8]
The fuel cell system according to any one of Application Example 1 to Application Example 7, wherein the adjustment unit sets the purge amount of the purge gas so that the amount of water vapor in the purge gas is equal to or greater than the predetermined amount. The fuel cell system is adjusted based on a pressure at an upstream position with respect to a direction in which the stored water is discharged from the purge valve rather than the valve. In this way, it is possible to suppress purging of the purge gas excessively.

[適用例9]
適用例1ないし適用例8のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記調整部は、前記パージガスの前記パージ量を、前記パージガス中の前記水蒸気量が、前記所定量であって、該パージ量が最小となるように調整することを特徴とする燃料電池システム。このようにすれば、余分にパージガスをパージすることを抑制することができる。
[Application Example 9]
In the fuel cell system according to any one of Application Example 1 to Application Example 8, the adjustment unit may determine the purge amount of the purge gas, the water vapor amount in the purge gas being the predetermined amount, and the purge amount. The fuel cell system is adjusted so as to minimize the fuel cell system. In this way, it is possible to suppress purging of the purge gas excessively.

[適用例10]
適用例1ないし適用例9のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記調整部は、前記気液分離部に貯留される貯留水の温度が氷点下の場合において、前記パージガスを、最低限パージすべき量である第1パージ量と、前記所定量以上の前記水蒸気が含まれる第2パージ量と、を検出し、前記第1パージ量が前記第2パージ量以下の場合には、前記パージ弁を制御し、前記第2パージ量で前記パージガスをパージさせ、前記第1パージ量が前記第2パージ量より大きい場合には、前記パージ弁を制御し、前記第1パージ量で前記パージガスをパージさせることを特徴とする燃料電池システム。このようにすれば、余分にパージガスをパージすることを抑制することができる。
[Application Example 10]
In the fuel cell system according to any one of Application Examples 1 to 9, the adjustment unit purges the purge gas at a minimum when the temperature of the stored water stored in the gas-liquid separation unit is below freezing point. A first purge amount that is a power amount and a second purge amount that includes the water vapor that is equal to or greater than the predetermined amount, and when the first purge amount is less than or equal to the second purge amount, the purge valve The purge gas is purged with the second purge amount, and when the first purge amount is greater than the second purge amount, the purge valve is controlled to purge the purge gas with the first purge amount. And a fuel cell system. In this way, it is possible to suppress purging of the purge gas excessively.

[適用例11]
燃料電池を備える燃料電池システムであって、前記燃料電池からオフガスが導入され、該オフガス中の水蒸気を凝縮すると共に、水を貯留可能な気液分離部と、前記オフガスを、前記気液分離部から前記燃料電池システムの外部にパージガスとしてパージするパージ弁と、前記気液分離部に貯留される貯留水の温度が氷点下の場合において、前記パージガスのパージ量が、所定量以上となるように、前記パージ弁を制御し、前記パージガスのパージ量を調整する調整部と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
[Application Example 11]
A fuel cell system including a fuel cell, wherein off-gas is introduced from the fuel cell, water vapor in the off-gas is condensed and water can be stored, and the off-gas is separated from the gas-liquid separator. When the temperature of the stored water stored in the gas-liquid separation unit is below freezing point, the purge amount of the purge gas is equal to or greater than a predetermined amount. A fuel cell system comprising: an adjustment unit that controls the purge valve and adjusts a purge amount of the purge gas.

上記構成の燃料電池システムによれば、パージガスをパージする際、パージガス中の水蒸気によって、気液分離部の貯留水の温度を十分に昇温させることができる。   According to the fuel cell system configured as described above, when purging the purge gas, the temperature of the stored water in the gas-liquid separation unit can be sufficiently raised by the water vapor in the purge gas.

[適用例12]
燃料電池システムにおいて、
前記調整部は、前記気液分離部に貯留される貯留水の温度が氷点下の場合において、前記パージガスのパージ量が、所定量以上となるように、前記燃料電池温度、または、前記パージ弁よりも前記パージ弁から前記貯留水が排出される方向に対する上流位置の圧力に基づいて、前記パージ弁を制御し、前記パージガスのパージ量を調整することを特徴とする燃料電池システム。このようにすれば、余分にパージガスをパージすることを抑制することができる。
[Application Example 12]
In the fuel cell system,
When the temperature of the stored water stored in the gas-liquid separation unit is below freezing point, the adjustment unit may adjust the purge amount of the purge gas from the fuel cell temperature or the purge valve so that the purge amount becomes a predetermined amount or more. The fuel cell system further comprising: controlling the purge valve and adjusting a purge amount of the purge gas based on a pressure at an upstream position with respect to a direction in which the stored water is discharged from the purge valve. In this way, it is possible to suppress purging of the purge gas excessively.

なお、本発明は、上記した燃料電池システムの他、パージ弁の制御装置など、他の装置発明の態様で実現することも可能である。また、装置発明に限ることなく、燃料電池システムの制御方法などの方法発明としての態様で実現することも可能である。さらには、それら方法や装置を構築するためのコンピュータプログラムとしての態様や、そのようなコンピュータプログラムを記録した記録媒体としての態様や、上記コンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など、種々の態様で実現することも可能である。   The present invention can be realized in other aspects of the invention of the device, such as a purge valve control device, in addition to the fuel cell system described above. Further, the present invention is not limited to the device invention, and can be realized in the form of a method invention such as a control method of the fuel cell system. Further, aspects as a computer program for constructing those methods and apparatuses, aspects as a recording medium recording such a computer program, data signals embodied in a carrier wave including the computer program, etc. It can also be realized in various ways.

また、本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、上記装置の動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。   Further, when the present invention is configured as a computer program or a recording medium that records the program, the entire program for controlling the operation of the apparatus may be configured, or only the portion that performs the functions of the present invention. It may be configured.

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
A.第1実施例:
A1.燃料電池システム1000の構成:
図1は、本発明の第1実施例としての燃料電池システム1000の構成を示すブロック図である。本実施例の燃料電池システム1000は、主に、燃料電池100と、水素タンク200と、水素遮断弁210と、可変レギュレータ215と、コンプレッサ230と、水素循環ポンプ250と、制御回路400と、冷媒循環ポンプ500と、温度センサ520,530と、圧力センサ540と、ラジエータ550と、気液分離器600と、パージ弁610と、を備えている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on examples.
A. First embodiment:
A1. Configuration of the fuel cell system 1000:
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system 1000 as a first embodiment of the present invention. The fuel cell system 1000 of the present embodiment mainly includes a fuel cell 100, a hydrogen tank 200, a hydrogen cutoff valve 210, a variable regulator 215, a compressor 230, a hydrogen circulation pump 250, a control circuit 400, a refrigerant. Circulation pump 500, temperature sensors 520 and 530, pressure sensor 540, radiator 550, gas-liquid separator 600, and purge valve 610 are provided.

燃料電池100は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。燃料電池100は、燃料電池セル20と、エンドプレート300A,300Bと、テンションプレート310と、インシュレータ330A,330Bと、ターミナル340A,340Bと、を備えている。具体的には、燃料電池100は、エンドプレート300A,インシュレータ330A,ターミナル340A,複数の燃料電池セル20,ターミナル340B,インシュレータ330B,エンドプレート300Bの順に積層され、テンションプレート310がボルト320によって各エンドプレート300に結合されることによって、各燃料電池セル20を、積層方向に所定の力で締結する構造となっている。   The fuel cell 100 is a polymer electrolyte fuel cell that is relatively small and excellent in power generation efficiency. The fuel cell 100 includes a fuel cell 20, end plates 300A and 300B, a tension plate 310, insulators 330A and 330B, and terminals 340A and 340B. Specifically, the fuel cell 100 includes an end plate 300A, an insulator 330A, a terminal 340A, a plurality of fuel cells 20, a terminal 340B, an insulator 330B, and an end plate 300B, which are stacked in this order. By being coupled to the plate 300, each fuel cell 20 is structured to be fastened with a predetermined force in the stacking direction.

燃料電池セル20は、膜電極接合体(図示せず)と、アノード側セパレータ(図示せず)と、カソード側セパレータ(図示せず)と、を備えている。膜電極接合体は、電解質膜(図示せず)と、電極であるカソード(図示せず)およびアノード(図示せず)と、ガス拡散層(図示せず)と、を備え、カソードおよびアノードが表面に形成された電解質膜を、ガス拡散層で挟持して構成される。燃料電池セル20は、この膜電極接合体を、さらにアノード側セパレータおよびカソード側セパレータで挟持して構成される。   The fuel battery cell 20 includes a membrane electrode assembly (not shown), an anode side separator (not shown), and a cathode side separator (not shown). The membrane electrode assembly includes an electrolyte membrane (not shown), a cathode (not shown) and an anode (not shown) as electrodes, and a gas diffusion layer (not shown). An electrolyte membrane formed on the surface is sandwiched between gas diffusion layers. The fuel battery cell 20 is configured by further sandwiching this membrane electrode assembly between an anode side separator and a cathode side separator.

水素タンク200は、高圧の水素ガスが貯蔵される貯蔵装置であり、燃料ガス供給流路204を介して燃料電池100に接続されている。燃料ガス供給流路204上において、水素タンク200から近い順番に、水素遮断弁210と、可変レギュレータ215とが設けられている。水素遮断弁210を開弁することにより、燃料電池100に水素ガスを燃料ガスとして供給する。なお、水素タンク200に代えて、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素を生成し、アノード側へ供給するものとしてもよい。   The hydrogen tank 200 is a storage device that stores high-pressure hydrogen gas, and is connected to the fuel cell 100 via a fuel gas supply channel 204. On the fuel gas supply flow path 204, a hydrogen cutoff valve 210 and a variable regulator 215 are provided in the order closer to the hydrogen tank 200. By opening the hydrogen shut-off valve 210, hydrogen gas is supplied to the fuel cell 100 as fuel gas. Instead of the hydrogen tank 200, hydrogen may be generated by a reforming reaction using alcohol, hydrocarbon, aldehyde, or the like as a raw material and supplied to the anode side.

可変レギュレータ215は、後述の制御回路400に制御され、燃料電池システム1000の運転状況に応じて、燃料電池100に供給する燃料ガスの調圧を行う。   The variable regulator 215 is controlled by a control circuit 400 described later, and adjusts the pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell 100 according to the operating state of the fuel cell system 1000.

コンプレッサ230は、酸化ガス供給流路234を介して燃料電池100に接続され、空気を圧縮し酸化ガスとして、カソードに供給する。また、燃料電池100は、酸化ガス排出流路236と接続され、カソードで電気化学反応に供された後の酸化オフガスは、この酸化ガス排出流路236を介して、燃料電池システム1000の外部に排出される。   The compressor 230 is connected to the fuel cell 100 via the oxidizing gas supply channel 234, compresses air, and supplies it as an oxidizing gas to the cathode. Further, the fuel cell 100 is connected to the oxidizing gas discharge channel 236, and the oxidizing off-gas after being subjected to an electrochemical reaction at the cathode passes through the oxidizing gas discharge channel 236 to the outside of the fuel cell system 1000. Discharged.

燃料電池100内部には、各燃料電池セル20に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給マニホールド(図示せず)と、各燃料電池セル20からの燃料ガスを燃料電池100外部に排出するための燃料ガス排出マニホールド(図示せず)と、各燃料電池セル20に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給マニホールド(図示せず)と、各燃料電池セル20からの酸化ガスを燃料電池100外部に排出するための酸化ガス排出マニホールド(図示せず)と、各燃料電池セル20間に冷媒を供給するための冷媒供給マニホールド(図示せず)と、燃料電池セル20間に供給された冷媒を燃料電池100外部に排出するための冷媒排出マニホールド(図示せず)と、が設けられる。   Inside the fuel cell 100, a fuel gas supply manifold (not shown) for supplying fuel gas to each fuel cell 20 and a fuel gas from each fuel cell 20 for discharging the fuel cell 100 to the outside A fuel gas discharge manifold (not shown), an oxidant gas supply manifold (not shown) for supplying an oxidant gas to each fuel cell 20, and an oxidant gas from each fuel cell 20 to the outside of the fuel cell 100 An oxidizing gas discharge manifold (not shown) for discharging, a refrigerant supply manifold (not shown) for supplying a refrigerant between the fuel cells 20, and the refrigerant supplied between the fuel cells 20 as fuel A refrigerant discharge manifold (not shown) for discharging to the outside of the battery 100 is provided.

燃料電池100(冷媒供給マニホールドまたは冷媒排出マニホールド)は、冷媒循環流路510に接続される。冷媒循環流路510上には、冷媒循環ポンプ500とラジエータ550とが設けられる。ラジエータ550は、燃料電池100で暖められた冷媒を冷却し、冷媒循環ポンプ500は、ラジエータ550によって冷却された冷媒を燃料電池100に供給する。これにより、燃料電池100を、冷媒によって継続的に冷却することができる。冷媒としては、水や、水とエチレングリコールとの混合液(不凍液)などを用いることができる。   The fuel cell 100 (refrigerant supply manifold or refrigerant discharge manifold) is connected to the refrigerant circulation channel 510. A refrigerant circulation pump 500 and a radiator 550 are provided on the refrigerant circulation channel 510. The radiator 550 cools the refrigerant warmed by the fuel cell 100, and the refrigerant circulation pump 500 supplies the refrigerant cooled by the radiator 550 to the fuel cell 100. Thereby, the fuel cell 100 can be continuously cooled by the refrigerant. As the refrigerant, water, a mixed solution of water and ethylene glycol (antifreeze), or the like can be used.

また、温度センサ530は、冷媒循環流路510と、燃料電池100の冷媒排出マニホールドとの接続部分に配置され、燃料電池100から排出される冷媒の温度[℃]を検出するためのセンサである。ここで、冷媒は、熱容量が大きいので、燃料電池100から排出される冷媒の温度は、燃料電池100の温度とみなすことができる。従って、温度センサ530によって検出される冷媒の温度を、以下では、燃料電池温度Tfとも呼ぶ。   The temperature sensor 530 is a sensor for detecting the temperature [° C.] of the refrigerant discharged from the fuel cell 100, which is disposed at a connection portion between the refrigerant circulation channel 510 and the refrigerant discharge manifold of the fuel cell 100. . Here, since the refrigerant has a large heat capacity, the temperature of the refrigerant discharged from the fuel cell 100 can be regarded as the temperature of the fuel cell 100. Therefore, the refrigerant temperature detected by the temperature sensor 530 is also referred to as a fuel cell temperature Tf below.

図2は、気液分離器600周辺の拡大図である。気液分離器600は、燃料ガス排出流路206を介して、燃料電池100(燃料ガス排出マニホールド)と接続され、燃料電池100のアノードで電気化学反応に供された後の燃料オフガスが導入される。この気液分離器600は、燃料オフガス中に含まれる水蒸気を凝縮する凝縮部600Aと、凝縮部600Aで凝縮された凝縮水や燃料電池100から燃料ガス排出流路206を介して液水として排出される水を貯留する貯留部600Bとから構成される。以下では、この貯留部600Bで貯留される水を貯留水と呼ぶ。また、気液分離器600には、パージ弁610が設けられている。このパージ弁610は、排気排水流路620と接続されている。   FIG. 2 is an enlarged view around the gas-liquid separator 600. The gas-liquid separator 600 is connected to the fuel cell 100 (fuel gas discharge manifold) via the fuel gas discharge channel 206, and the fuel off-gas after being subjected to an electrochemical reaction at the anode of the fuel cell 100 is introduced. The This gas-liquid separator 600 is discharged as liquid water from the condensing unit 600A for condensing water vapor contained in the fuel off-gas, the condensed water condensed in the condensing unit 600A, and the fuel cell 100 through the fuel gas discharge channel 206. It is comprised from the storage part 600B which stores the water to be performed. Hereinafter, the water stored in the storage unit 600B is referred to as stored water. The gas-liquid separator 600 is provided with a purge valve 610. The purge valve 610 is connected to the exhaust / drain passage 620.

気液分離器600は、ガス循環流路207を介して、燃料ガス供給流路204と接続される。このガス循環流路207上には、水素循環ポンプ250が設けられる。燃料電池100(燃料ガス排出マニホールド)から気液分離器600へ排出された燃料オフガスは、水素循環ポンプ250によって、ガス循環流路207を介して、燃料ガスとして燃料ガス供給流路204へ導入される。このようにして、燃料オフガスに含まれる水素は、循環して、再び発電に使用される。なお、気液分離器600と燃料ガス排出流路206との接続部などに、燃料電池100から排出される液水中のイオンを除去するイオン交換装置を設けるようにしてもよい。   The gas-liquid separator 600 is connected to the fuel gas supply channel 204 via the gas circulation channel 207. A hydrogen circulation pump 250 is provided on the gas circulation channel 207. The fuel off-gas discharged from the fuel cell 100 (fuel gas discharge manifold) to the gas-liquid separator 600 is introduced into the fuel gas supply flow path 204 as a fuel gas by the hydrogen circulation pump 250 via the gas circulation flow path 207. The In this way, hydrogen contained in the fuel off-gas is circulated and used again for power generation. Note that an ion exchange device that removes ions in the liquid water discharged from the fuel cell 100 may be provided at a connection portion between the gas-liquid separator 600 and the fuel gas discharge channel 206.

また、後述のパージ処理において、パージ弁610を開弁することで、不純物(例えば、窒素)濃度が高くなった燃料オフガスや、貯留部600Bの貯留水を、パージ弁610、排気排水流路620を介して燃料電池システム1000の外部へパージ(排出)する。この場合、図2に示すように、貯留部600Bの貯留水は、凝縮部600Aに導入される燃料オフガスに吹き飛ばされるようにして、パージ弁610、排気排水流路620を介して燃料電池システム1000の外部にパージ(排出)される。なお、貯留水を吹き飛ばしつつ、パージ弁610から排出される燃料オフガスを、以下では、パージガスとも呼ぶ。パージ弁610からパージされるパージガス量を、以下では、パージ量とも呼ぶ。パージ弁610から貯留水や燃料オフガスが排出される方向に対して、パージ弁610よりも上流位置をパージ弁上流とも呼ぶ。パージ処理についての詳細は、後述する。   Further, in the purge process described later, by opening the purge valve 610, the fuel off-gas having a high impurity (for example, nitrogen) concentration and the stored water in the storage unit 600B are used as the purge valve 610 and the exhaust drainage channel 620. And purge (discharge) the fuel cell system 1000 outside. In this case, as shown in FIG. 2, the water stored in the storage unit 600B is blown away by the fuel off-gas introduced into the condensing unit 600A, and the fuel cell system 1000 is passed through the purge valve 610 and the exhaust drainage channel 620. Is purged (discharged) to the outside. Hereinafter, the fuel off-gas discharged from the purge valve 610 while blowing the stored water is also referred to as purge gas. Hereinafter, the purge gas amount purged from the purge valve 610 is also referred to as a purge amount. A position upstream of the purge valve 610 with respect to the direction in which the stored water and fuel off-gas are discharged from the purge valve 610 is also referred to as upstream of the purge valve. Details of the purge process will be described later.

温度センサ520は、貯留部600Bの底辺に配置され、貯留部600Bの貯留水の温度を検出するためのセンサである。温度センサ520によって検出される貯留水の温度を、以下では、貯留水温度Tcとも呼ぶ。   The temperature sensor 520 is a sensor that is disposed on the bottom side of the storage unit 600B and detects the temperature of stored water in the storage unit 600B. Hereinafter, the temperature of the stored water detected by the temperature sensor 520 is also referred to as a stored water temperature Tc.

圧力センサ540は、気液分離器600(凝縮部600A)内のパージ弁上流位置であって、パージ弁610の入口に配置され、パージ弁610入口の圧力を検出するためのセンサである。圧力センサ540によって検出されるパージ弁610入口の圧力を、以下では、パージ弁入口圧力Piとも呼ぶ。   The pressure sensor 540 is disposed upstream of the purge valve 610 in the gas-liquid separator 600 (condenser 600A) and at the inlet of the purge valve 610, and is a sensor for detecting the pressure at the inlet of the purge valve 610. Hereinafter, the pressure at the inlet of the purge valve 610 detected by the pressure sensor 540 is also referred to as a purge valve inlet pressure Pi.

制御回路400は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するCPU(図示せず)と、CPUで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたROM(図示せず)と、同じくCPUで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるRAM420と、各種信号を入出力する入出力ポート(図示せず)等を備える。そして、この制御回路400は、水素遮断弁210、可変レギュレータ215、コンプレッサ230、水素循環ポンプ250、冷媒循環ポンプ500、パージ弁610、などを制御し、すなわち、燃料電池システム1000全体の制御を行う。   The control circuit 400 is configured as a logic circuit centered on a microcomputer, and more specifically, a CPU (not shown) that executes predetermined calculations in accordance with a preset control program, and various arithmetic processes performed by the CPU. A ROM (not shown) in which a control program and control data necessary for the above are stored in advance, a RAM 420 in which various data necessary for performing various arithmetic processes in the CPU are temporarily read and written, and various signals An input / output port (not shown) for inputting and outputting is provided. The control circuit 400 controls the hydrogen cutoff valve 210, the variable regulator 215, the compressor 230, the hydrogen circulation pump 250, the refrigerant circulation pump 500, the purge valve 610, and the like, that is, controls the entire fuel cell system 1000. .

また、制御回路400は、パージ制御部410としても機能し、後述するパージ処理を実行する。   The control circuit 400 also functions as a purge control unit 410 and executes a purge process described later.

ところで、上述のように、貯留部600Bの貯留水やパージガスをパージする場合において、貯留水の温度が氷点下であって、貯留水が、過冷却状態の場合には、種々の不具合が生じるおそれがあった。例えば、貯留水をパージ弁610を介してパージする際、貯留水がパージ弁610で凍結し、パージ弁610が制御できなくなるおそれがあった。そこで、後述するパージ処理では、貯留水が過冷却状態の場合には、貯留水をパージガスで吹き飛ばす際に、パージガス中の水蒸気の凝縮熱で貯留水を昇温させることにより、パージされる貯留水の過冷却状態を解消させるようにしている。ここで、貯留水の過冷却状態を解消させるために必要なパージガス中の水蒸気量を、昇温必要蒸気量Sthとも呼ぶ。また、昇温必要蒸気量Sthを含有するために必要なパージ量を、昇温必要パージ量Mjとも呼ぶ。なお、上記昇温必要蒸気量Sthは、貯留部600Bの形や容積等燃料電池システム1000の具体的な設計等に基づいて適宜決定される。   By the way, as described above, when the stored water or purge gas in the storage unit 600B is purged, various problems may occur when the temperature of the stored water is below freezing and the stored water is in an overcooled state. there were. For example, when the stored water is purged via the purge valve 610, the stored water may be frozen by the purge valve 610, and the purge valve 610 may become uncontrollable. Therefore, in the purging process described later, when the stored water is in a supercooled state, when the stored water is blown off with the purge gas, the stored water is purged by raising the temperature of the stored water with the condensation heat of the water vapor in the purge gas. The overcooled state of is canceled. Here, the amount of water vapor in the purge gas necessary to eliminate the supercooled state of the stored water is also referred to as the temperature increase required steam amount Sth. Further, the purge amount necessary for containing the temperature increase required steam amount Sth is also referred to as the temperature increase required purge amount Mj. Note that the above-described required temperature rise Sth is appropriately determined based on the specific design of the fuel cell system 1000, such as the shape and volume of the reservoir 600B.

図3は、パージガスのパージ量と、燃料電池温度若しくはパージ弁入口圧力との関係を表すグラフである。詳しくは、図3(A)は、パージガス中に含有される水蒸気量及びパージガス入口圧力を一定とした場合において、パージ量と、燃料電池温度との関係を表すグラフである。図3(B)は、パージガス中に含有される水蒸気量及び燃料電池温度を一定とした場合において、パージ量と、パージ弁入口圧力との関係を表すグラフである。図3(A)のグラフが示すように、パージガス中に含有される水蒸気量を一定とする場合、燃料電池温度が高くなると、パージ量は少なくすみ、燃料電池温度が低くなると、パージ量を多くする必要があることがわかる。すなわち、ある一定の水蒸気量を含有するために必要なパージ量は、燃料電池温度と相関関係にあることがわかる。また、図3(B)のグラフが示すように、パージガス中に含有される水蒸気量を一定とする場合、パージ弁入口圧力が低くなるにつれて、パージ量は少なくてすみ、パージ弁入口圧力を高くなると、パージ量を多くする必要があることがわかる。すなわち、ある一定の水蒸気量を含有するために必要なパージ量は、パージ弁入口圧力と相関関係にあることがわかる。従って、昇温必要パージ量Mjは、燃料電池温度Tf及びパージ弁入口圧力Piと相関関係がある。本実施例では、昇温必要パージ量Mjと、燃料電池温度Tf及びパージ弁入口圧力Piとの関係を表す関係式を予め検定により検出し、パージ量データVrとしてRAM420に記憶している。昇温必要パージ量Mjは、このパージ量データVrに基づいて検出することができる。そして、後述のパージ処理では、少なくとも昇温必要パージ量Mj分のパージガスをパージするようにしている。   FIG. 3 is a graph showing the relationship between the purge amount of the purge gas and the fuel cell temperature or the purge valve inlet pressure. Specifically, FIG. 3A is a graph showing the relationship between the purge amount and the fuel cell temperature when the amount of water vapor contained in the purge gas and the purge gas inlet pressure are constant. FIG. 3B is a graph showing the relationship between the purge amount and the purge valve inlet pressure when the amount of water vapor contained in the purge gas and the fuel cell temperature are constant. As shown in the graph of FIG. 3A, when the amount of water vapor contained in the purge gas is constant, the purge amount is reduced when the fuel cell temperature is high, and the purge amount is increased when the fuel cell temperature is low. I know you need to do that. That is, it can be seen that the purge amount necessary to contain a certain amount of water vapor is correlated with the fuel cell temperature. Further, as shown in the graph of FIG. 3B, when the amount of water vapor contained in the purge gas is constant, the purge amount can be reduced as the purge valve inlet pressure decreases, and the purge valve inlet pressure is increased. It turns out that the purge amount needs to be increased. That is, it can be seen that the purge amount necessary to contain a certain amount of water vapor is correlated with the purge valve inlet pressure. Therefore, the required temperature rise purge amount Mj is correlated with the fuel cell temperature Tf and the purge valve inlet pressure Pi. In the present embodiment, a relational expression representing the relationship between the required temperature rise purge amount Mj, the fuel cell temperature Tf and the purge valve inlet pressure Pi is detected in advance and stored in the RAM 420 as purge amount data Vr. The temperature increase required purge amount Mj can be detected based on the purge amount data Vr. In a purge process described later, purge gas corresponding to at least the temperature increase required purge amount Mj is purged.

A2.パージ処理:
図4は、本実施例の燃料電池システム1000が行うパージ処理のフローチャートである。このパージ処理は、燃料電池システム1000の発電開始後、燃料オフガス中の不純物や、貯留部600Bの貯留水をパージ(排出)するための処理であり、燃料電池システム1000の発電開始後定期的に実行される。
A2. Purge process:
FIG. 4 is a flowchart of the purge process performed by the fuel cell system 1000 of the present embodiment. This purge process is a process for purging (discharging) impurities in the fuel off-gas and stored water in the storage unit 600B after the fuel cell system 1000 starts generating power, and periodically after the fuel cell system 1000 starts generating power. Executed.

具体的には、パージ制御部410は、まず、パージガスを最低限パージすべき量である最低パージ量Miを算出(検出)する(ステップS5)。パージ制御部410は、可変レギュレータ215の調圧値や、燃料電池100における燃料ガスの消費量等を検出し、それらに基づいて、最低パージ量Miを算出する。なお、燃料電池100における燃料ガスの消費量は、燃料電池100に接続される負荷(図示せず)の消費電力量から検出することができる。   Specifically, the purge control unit 410 first calculates (detects) a minimum purge amount Mi, which is a minimum amount of purge gas to be purged (step S5). The purge control unit 410 detects the pressure regulation value of the variable regulator 215, the consumption amount of the fuel gas in the fuel cell 100, and the like, and calculates the minimum purge amount Mi based on them. Note that the amount of fuel gas consumed in the fuel cell 100 can be detected from the amount of power consumed by a load (not shown) connected to the fuel cell 100.

続いて、パージ制御部410は、温度センサ520から貯留水温度Tcを検出する(ステップS10)。   Subsequently, the purge control unit 410 detects the stored water temperature Tc from the temperature sensor 520 (step S10).

そして、パージ制御部410は、貯留水温度Tcに基づいて貯留部600Bの貯留水が過冷却状態か否か、すなわち、貯留水温度Tcが下記(1)式を満たすか否かを判断する(ステップS15)。なお、式(1)のTkは、−40℃〜−20℃の範囲内の値であり、燃料電池システム1000の具体的な設計に基づいて適宜定められる。
Tk≦Tc≦0・・・(1)
Then, the purge control unit 410 determines whether or not the stored water in the storage unit 600B is in a supercooled state based on the stored water temperature Tc, that is, whether or not the stored water temperature Tc satisfies the following equation (1) ( Step S15). Note that Tk in Expression (1) is a value within a range of −40 ° C. to −20 ° C., and is appropriately determined based on a specific design of the fuel cell system 1000.
Tk ≦ Tc ≦ 0 (1)

パージ制御部410は、貯留水が過冷却状態である場合には(ステップS15:Yes)、温度センサ530から燃料電池温度Tfを検出する(ステップS20)。さらに、パージ制御部410は、パージ弁入口圧力Piを検出する(ステップS30)。   When the stored water is in a supercooled state (step S15: Yes), the purge control unit 410 detects the fuel cell temperature Tf from the temperature sensor 530 (step S20). Further, the purge control unit 410 detects the purge valve inlet pressure Pi (step S30).

そして、パージ制御部410は、RAM420からパージ量データVrを読み出し、パージ量データVrに基づいて、燃料電池温度Tfおよびパージ弁入口圧力Piから、昇温必要蒸気量Sthを含有するために必要な昇温必要パージ量Mjを検出する(ステップS40)。   Then, the purge control unit 410 reads the purge amount data Vr from the RAM 420, and is necessary to contain the required temperature increase steam amount Sth from the fuel cell temperature Tf and the purge valve inlet pressure Pi based on the purge amount data Vr. The temperature increase required purge amount Mj is detected (step S40).

次に、パージ制御部410は、昇温必要パージ量Mjがパージ量Mi以上か否かを判断する(ステップS50)。   Next, the purge control unit 410 determines whether or not the temperature increase required purge amount Mj is equal to or greater than the purge amount Mi (step S50).

パージ制御部410は、昇温必要パージ量Mjがパージ量Mi以上の場合には(ステップS50:Yes)、パージ弁610を制御して、パージガスを昇温必要パージ量Mj分パージする(ステップS60)。その後、パージ制御部410は、この処理を終了する。   When the required temperature increase purge amount Mj is equal to or greater than the purge amount Mi (step S50: Yes), the purge control unit 410 controls the purge valve 610 to purge the purge gas by the required temperature increase purge amount Mj (step S60). ). Thereafter, the purge control unit 410 ends this process.

パージ制御部410は、昇温必要パージ量Mjがパージ量Miより少ない場合には(ステップS50:No)、パージ弁610を制御して、パージガスを最低パージ量Mi分パージする(ステップS70)。その後、パージ制御部410は、この処理を終了する。   When the required temperature rise purge amount Mj is smaller than the purge amount Mi (step S50: No), the purge control unit 410 controls the purge valve 610 to purge the purge gas by the minimum purge amount Mi (step S70). Thereafter, the purge control unit 410 ends this process.

また、パージ制御部410は、貯留水が過冷却状態ではない場合(ステップS5:No)には、パージ弁610を制御して、パージガスを最低パージ量Mi分パージする(ステップS70)。その後、パージ制御部410は、この処理を終了する。   Further, when the stored water is not in the supercooled state (step S5: No), the purge control unit 410 controls the purge valve 610 to purge the purge gas by the minimum purge amount Mi (step S70). Thereafter, the purge control unit 410 ends this process.

以上のように、本実施例の燃料電池システム1000では、パージ処理において、貯留水が過冷却状態の場合には、パージガス中の水蒸気量が、昇温必要蒸気量Sthとなるように、パージ弁610を制御し、パージ量を調整するようにしている。このようにすれば、貯留水が過冷却状態の場合において、パージガスをパージする際、パージガス中の水蒸気によって、貯留部600Bの貯留水の温度を十分に昇温させることができる。その結果、貯留水が過冷却状態のまま、パージ弁610を通過することを抑制することができ、パージ弁610の凍結を抑制することができる。   As described above, in the fuel cell system 1000 according to the present embodiment, in the purge process, when the stored water is in the supercooled state, the purge valve is set so that the water vapor amount in the purge gas becomes the required steam temperature increase Sth. 610 is controlled to adjust the purge amount. In this way, when the purge water is purged when the stored water is in an overcooled state, the temperature of the stored water in the storage section 600B can be sufficiently raised by the water vapor in the purge gas. As a result, it is possible to suppress the stored water from passing through the purge valve 610 while keeping the supercooled state, and it is possible to suppress freezing of the purge valve 610.

また、燃料電池システム1000では、パージ処理において、昇温必要蒸気量Sthを含有するために必要な昇温必要パージ量Mjを、燃料電池温度Tf及びパージ弁入口圧力Piに基づいて、決定するようにしている。このようにすれば、昇温必要パージ量Mjが多くなることを抑制することができ、すなわち、余分にパージガスをパージすることを抑制することができ、パージガス中の水素を燃料電池システム1000の外部に放出することを抑制することができる。   Further, in the fuel cell system 1000, the purge required purge amount Mj necessary for containing the required steam increase steam amount Sth in the purge process is determined based on the fuel cell temperature Tf and the purge valve inlet pressure Pi. I have to. In this way, it is possible to suppress an increase in the required temperature increase purge amount Mj, that is, it is possible to suppress the purge gas from being purged excessively, and hydrogen in the purge gas is removed from the outside of the fuel cell system 1000. Can be prevented from being released.

燃料電池システム1000では、ヒータ等、他の装置を用いることなく、水蒸気の凝縮熱によって、貯留部600Bの貯留水の温度を昇温させるようにしているので、燃料電池システム1000の小型化、軽量化、部品点数の軽減、および、製造コストの削減等を実現することができる。   In the fuel cell system 1000, the temperature of the stored water in the storage unit 600B is raised by the heat of condensation of water vapor without using other devices such as a heater, so the fuel cell system 1000 can be made smaller and lighter. , Reduction of the number of parts, reduction of manufacturing cost, and the like can be realized.

なお、本実施例において、気液分離器600は、請求項における気液分離部に該当し、パージ弁610は、請求項におけるパージ弁に該当し、パージ制御部410は、請求項における調整部に該当する。   In this embodiment, the gas-liquid separator 600 corresponds to the gas-liquid separator in the claims, the purge valve 610 corresponds to the purge valve in the claims, and the purge controller 410 corresponds to the adjusting unit in the claims. It corresponds to.

B.第2実施例:
第2実施例の燃料電池システム1000Aは、第1実施例の燃料電池システム1000と同様の構成であり、各部の構成の説明は省略する。本実施例の燃料電池システム1000Aは、第1実施例の燃料電池システム1000の行うパージ処理とは異なるパージ処理を実行する。以下に、第2実施例の燃料電池システム1000Aが行うパージ処理を説明する。なお、本実施例のパージ処理の説明において、第1実施例のパージ処理と同様の処理については、同じステップ番号を付し、説明を省略する。
B. Second embodiment:
The fuel cell system 1000A of the second embodiment has the same configuration as that of the fuel cell system 1000 of the first embodiment, and the description of the configuration of each part is omitted. The fuel cell system 1000A of this embodiment executes a purge process different from the purge process performed by the fuel cell system 1000 of the first embodiment. The purge process performed by the fuel cell system 1000A of the second embodiment will be described below. In the description of the purge process of the present embodiment, the same step number is assigned to the same process as the purge process of the first embodiment, and the description is omitted.

図5は、本実施例の燃料電池システム1000Aが行うパージ処理のフローチャートである。パージ制御部410は、パージ弁入口圧力Piを検出(ステップS30)後、続いて、パージ弁入口圧力Piが、閾値Pthより大きいか否かを判断する(ステップS33)。   FIG. 5 is a flowchart of the purge process performed by the fuel cell system 1000A of the present embodiment. After detecting the purge valve inlet pressure Pi (step S30), the purge controller 410 subsequently determines whether or not the purge valve inlet pressure Pi is greater than the threshold value Pth (step S33).

パージ制御部410は、パージ弁入口圧力Piが、閾値Pthより大きい場合には(ステップS33:Yes)、可変レギュレータ215を制御し、可変レギュレータ215の調圧値を下げ、パージ弁入口圧力Piを閾値Pthまで下げる(ステップS35)。その後、パージ制御部410は、RAM420からパージ量データVrを読み出し、パージ量データVrに基づいて、燃料電池温度Tfおよびパージ弁入口圧力Piから、昇温必要パージ量Mjを検出する(ステップS40)。   When the purge valve inlet pressure Pi is larger than the threshold value Pth (step S33: Yes), the purge control unit 410 controls the variable regulator 215 to lower the pressure regulation value of the variable regulator 215 and reduce the purge valve inlet pressure Pi. Lower to threshold value Pth (step S35). Thereafter, the purge control unit 410 reads the purge amount data Vr from the RAM 420, and detects the required temperature increase purge amount Mj from the fuel cell temperature Tf and the purge valve inlet pressure Pi based on the purge amount data Vr (step S40). .

また、パージ制御部410は、パージ弁入口圧力Piが、閾値Pth以下の場合には(ステップS33:No)、ステップS40の処理に移行する。   Moreover, the purge control part 410 transfers to the process of step S40, when the purge valve inlet pressure Pi is below the threshold value Pth (step S33: No).

以上のように、本実施例の燃料電池システム1000Aでは、パージ処理において、パージ弁入口圧力Piを低下させた後、そのパージ弁入口圧力Piを用いて昇温必要パージ量Mjを検出するようにしている。このようにすれば、パージ弁入口圧力Piの低下に伴い、昇温必要パージ量Mjを少なくすることができる(図3(B)参照)。その結果、余分にパージガスをパージすることを抑制することができ、パージガス中の水素を燃料電池システム1000Aの外部に放出することを抑制することができる。   As described above, in the fuel cell system 1000A of the present embodiment, in the purge process, after the purge valve inlet pressure Pi is lowered, the purge temperature Mp is detected using the purge valve inlet pressure Pi. ing. In this way, the purge amount Mj required for temperature increase can be reduced as the purge valve inlet pressure Pi decreases (see FIG. 3B). As a result, it is possible to suppress the purge gas from being purged excessively and to suppress the release of hydrogen in the purge gas to the outside of the fuel cell system 1000A.

なお、本実施例において、パージ制御部410は、請求項における圧力低下部に該当し、可変レギュレータ215は、調圧部に該当する。   In this embodiment, the purge control unit 410 corresponds to a pressure reduction unit in claims, and the variable regulator 215 corresponds to a pressure adjustment unit.

C.第3実施例:
図6は、第3実施例の燃料電池システム1000Bが行うパージ処理のフローチャートである。第3実施例の燃料電池システム1000Bは、第2実施例の燃料電池システム1000Aと同様の構成であり、各部の構成の説明は省略する。本実施例の燃料電池システム1000Bは、第2実施例の燃料電池システム1000Aの行うパージ処理と基本的に同じであるが、一部の処理が異なるパージ処理を実行する。
C. Third embodiment:
FIG. 6 is a flowchart of the purge process performed by the fuel cell system 1000B of the third embodiment. The fuel cell system 1000B of the third embodiment has the same configuration as the fuel cell system 1000A of the second embodiment, and the description of the configuration of each part is omitted. The fuel cell system 1000B of the present embodiment is basically the same as the purge process performed by the fuel cell system 1000A of the second embodiment, but executes a purge process in which some processes are different.

具体的には、パージ制御部410は、パージ弁入口圧力Piを検出し(ステップS30)、パージ弁入口圧力Piが、閾値Pthより大きい場合伊には(ステップS33:Yes)、水素循環ポンプ250を制御し、水素循環ポンプ250の回転数を下げ、パージ弁入口圧力Piを閾値Pthまで下げる(ステップS35A)。その後、パージ制御部410は、RAM420からパージ量データVrを読み出し、パージ量データVrに基づいて、燃料電池温度Tfおよびパージ弁入口圧力Piから、昇温必要パージ量Mjを検出する(ステップS40)。   Specifically, the purge control unit 410 detects the purge valve inlet pressure Pi (step S30), and if the purge valve inlet pressure Pi is greater than the threshold value Pth (step S33: Yes), the hydrogen circulation pump 250. , The rotational speed of the hydrogen circulation pump 250 is lowered, and the purge valve inlet pressure Pi is lowered to the threshold value Pth (step S35A). Thereafter, the purge controller 410 reads the purge amount data Vr from the RAM 420, and detects the required temperature increase purge amount Mj from the fuel cell temperature Tf and the purge valve inlet pressure Pi based on the purge amount data Vr (step S40). .

以上のように、本実施例の燃料電池システム1000Bでは、パージ処理において、水素循環ポンプ250の回転数を下げることで、パージ弁入口圧力Piを低下させるようにしている。このようにすれば、パージ弁入口圧力Piを容易に低下させることができる。   As described above, in the fuel cell system 1000B of the present embodiment, the purge valve inlet pressure Pi is lowered by lowering the rotational speed of the hydrogen circulation pump 250 in the purge process. In this way, the purge valve inlet pressure Pi can be easily reduced.

本実施例において、パージ制御部410は、請求項における圧力低下部に該当し、水素循環ポンプ250は、請求項におけるポンプに該当する。   In this embodiment, the purge control unit 410 corresponds to the pressure reduction unit in the claims, and the hydrogen circulation pump 250 corresponds to the pump in the claims.

D.変形例:
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば以下のような変形も可能である。
D. Variations:
In addition, elements other than the elements claimed in the independent claims among the constituent elements in each of the above embodiments are additional elements and can be omitted as appropriate. The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.

D1.変形例1:
上記実施例の燃料電池システムでは、パージ制御部410は、パージ処理において、貯留水が過冷却状態の場合にのみ、昇温必要パージ量Mjを検出し、少なくとも昇温必要パージ量Mj分のパージガスをパージするようにしているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、パージ制御部410は、パージ処理において、貯留水が過冷却状態の場合に加えて、凍結状態の場合においても、昇温必要パージ量Mjを検出し、少なくとも昇温必要パージ量Mj分のパージガスをパージするようにしてもよい。このようにすれば、貯留水が凍結状態の場合であっても、パージガス中の水蒸気の凝縮熱により、貯留水を昇温させることができる。
D1. Modification 1:
In the fuel cell system of the above embodiment, the purge control unit 410 detects the purge temperature required purge amount Mj only when the stored water is in the supercooled state in the purge process, and purge gas for at least the purge temperature necessary purge amount Mj. However, the present invention is not limited to this. For example, in the purge process, the purge control unit 410 detects the required temperature increase purge amount Mj in the case of the frozen state in addition to the case where the stored water is in the supercooled state, and at least the temperature increase required purge amount Mj. The purge gas may be purged. In this way, even if the stored water is frozen, the temperature of the stored water can be raised by the condensation heat of the water vapor in the purge gas.

D2.変形例2:
上記燃料電池システムでは、パージ制御部410は、パージ弁610入口の圧力であるパージ弁入口圧力Piに基づいて、昇温必要パージ量Mjを検出するようにしているが、本発明はこれに限られるものではなく、気液分離器600の凝縮部600Aのいずれかの場所の圧力に基づいて、昇温必要パージ量Mjを検出するようにしてもよい。このようにしても、上記実施例の効果を奏することができる。
D2. Modification 2:
In the fuel cell system described above, the purge control unit 410 detects the purge amount Mj required for temperature increase based on the purge valve inlet pressure Pi, which is the pressure at the inlet of the purge valve 610. However, the present invention is not limited to this. Instead, the purge amount Mj required for temperature increase may be detected based on the pressure at any location of the condensing unit 600A of the gas-liquid separator 600. Even if it does in this way, there can exist the effect of the said Example.

D3.変形例3:
上記第2実施例の燃料電池システム1000Aでは、パージ処理において、パージ制御部410は、可変レギュレータ215を制御して、パージ弁入口圧力Piを低下させるようにしており、上記第3実施例の燃料電池システム1000Bでは、パージ処理において、パージ制御部410は、水素循環ポンプ250を制御して、パージ弁入口圧力Piを低下させるようにしているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、パージ制御部410は、可変レギュレータ215及び水素循環ポンプ250を制御して、パージ弁入口圧力Piを低下させるようにしてもよい。この場合、パージ制御部410は、可変レギュレータ215の調圧値を下げつつ、水素循環ポンプ250の回転数を低下させることで、パージ弁入口圧力Piを低下させる。このようにすれば、迅速にパージ弁入口圧力Piを低下させることができ、パージ処理を短縮することができる。
D3. Modification 3:
In the fuel cell system 1000A of the second embodiment, in the purge process, the purge control unit 410 controls the variable regulator 215 to reduce the purge valve inlet pressure Pi, and the fuel of the third embodiment. In the battery system 1000B, in the purge process, the purge control unit 410 controls the hydrogen circulation pump 250 to reduce the purge valve inlet pressure Pi, but the present invention is not limited to this. For example, the purge control unit 410 may control the variable regulator 215 and the hydrogen circulation pump 250 to reduce the purge valve inlet pressure Pi. In this case, the purge control unit 410 decreases the purge valve inlet pressure Pi by decreasing the rotational speed of the hydrogen circulation pump 250 while decreasing the pressure regulation value of the variable regulator 215. In this way, the purge valve inlet pressure Pi can be quickly reduced, and the purge process can be shortened.

D4.変形例4:
上記実施例の燃料電池システムでは、パージ制御部410は、昇温必要パージ量Mjを、燃料電池温度Tf及びパージ弁入口圧力Piに基づいて、決定するようにしているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、パージ制御部410は、昇温必要パージ量Mjを、燃料電池温度Tf、または、パージ弁入口圧力Piのどちらか一方に基づいて、決定するようにしてもよい。このようにしても上記実施例の効果を奏することができる。
D4. Modification 4:
In the fuel cell system of the above embodiment, the purge control unit 410 determines the purge amount Mj required for temperature increase based on the fuel cell temperature Tf and the purge valve inlet pressure Pi. It is not limited. For example, the purge control unit 410 may determine the temperature increase required purge amount Mj based on either the fuel cell temperature Tf or the purge valve inlet pressure Pi. Even if it does in this way, there can exist the effect of the said Example.

本発明の第1実施例としての燃料電池システム1000の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the fuel cell system 1000 as 1st Example of this invention. 気液分離器600周辺の拡大図である。It is an enlarged view around the gas-liquid separator. パージガスのパージ量と燃料電池温度若しくはパージ弁入口圧力との関係を表すグラフである。It is a graph showing the relationship between the purge amount of purge gas, fuel cell temperature, or purge valve inlet pressure. 第2実施例の燃料電池システム1000が行うパージ処理のフローチャートである。It is a flowchart of the purge process which the fuel cell system 1000 of 2nd Example performs. 本実施例の燃料電池システム1000Aが行うパージ処理のフローチャートである。It is a flowchart of the purge process which the fuel cell system 1000A of a present Example performs. 第3実施例の燃料電池システム1000Bが行うパージ処理のフローチャートである。It is a flowchart of the purge process which the fuel cell system 1000B of 3rd Example performs.

符号の説明Explanation of symbols

100...燃料電池
200...水素タンク
204...燃料ガス供給流路
206...燃料ガス排出流路
207...ガス循環流路
210...水素遮断弁
215...可変レギュレータ
230...コンプレッサ
234...酸化ガス供給流路
236...酸化ガス排出流路
250...水素循環ポンプ
400...制御回路
410...パージ制御部
420...RAM
500...冷媒循環ポンプ
510...冷媒循環流路
520,530...温度センサ
540...圧力センサ
550...ラジエータ
600...気液分離器
600A...凝縮部
600B...貯留部
610...パージ弁
620...排気排水流路
1000,1000A,1000B...燃料電池システム
Tc...貯留水温度
Tf...燃料電池温度
Pi...パージ弁入口圧力
Mi...最低パージ量
Mj...昇温必要パージ量
Vr...パージ量データ
Sth...昇温必要蒸気量
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Fuel cell 200 ... Hydrogen tank 204 ... Fuel gas supply flow path 206 ... Fuel gas discharge flow path 207 ... Gas circulation flow path 210 ... Hydrogen cutoff valve 215 ... Variable Regulator 230 ... Compressor 234 ... Oxidizing gas supply channel 236 ... Oxidizing gas discharge channel 250 ... Hydrogen circulation pump 400 ... Control circuit 410 ... Purge controller 420 ... RAM
500 ... Refrigerant circulation pump 510 ... Refrigerant circulation flow path 520, 530 ... Temperature sensor 540 ... Pressure sensor 550 ... Radiator 600 ... Gas-liquid separator 600A ... Condenser 600B. ..Reservoir 610 ... Purge valve 620 ... Exhaust drain passage 1000, 1000A, 1000B ... Fuel cell system Tc ... Storage water temperature Tf ... Fuel cell temperature Pi ... Purge valve inlet Pressure Mi ... Minimum purge amount Mj ... Purge amount required for temperature increase Vr ... Purge amount data Sth ... Steam amount required for temperature increase

Claims (12)

燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池からオフガスが導入され、該オフガス中の水蒸気を凝縮すると共に、水を貯留可能な気液分離部と、
前記オフガスを、前記気液分離部から前記燃料電池システムの外部にパージガスとしてパージするパージ弁と、
前記気液分離部に貯留される貯留水の温度が氷点下の場合において、前記パージガス中の水蒸気量が、所定量以上となるように、前記パージ弁を制御し、前記パージガスのパージ量を調整する調整部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell system comprising a fuel cell,
Off-gas is introduced from the fuel cell, condenses water vapor in the off-gas, and can store water;
A purge valve that purges the off-gas as a purge gas from the gas-liquid separator to the outside of the fuel cell system;
When the temperature of the stored water stored in the gas-liquid separator is below freezing point, the purge valve is controlled and the purge amount of the purge gas is adjusted so that the amount of water vapor in the purge gas is equal to or higher than a predetermined amount. An adjustment unit;
A fuel cell system comprising:
請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、
前記調整部は、
前記気液分離部に貯留される前記貯留水が過冷却状態の場合において、前記パージガス中の前記水蒸気量が、前記所定量以上となるように、前記パージ弁を制御し、前記パージガスのパージ量を調整することを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1,
The adjustment unit is
When the stored water stored in the gas-liquid separation unit is in a supercooled state, the purge valve is controlled so that the amount of water vapor in the purge gas is equal to or greater than the predetermined amount, and the purge amount of the purge gas A fuel cell system characterized by adjusting the pressure.
請求項1または請求項2に記載の燃料電池システムにおいて、
前記所定量は、前記気液分離部から排出される前記貯留水の温度を、凝縮熱によって氷点より上昇させるために必要な水蒸気量であることを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1 or 2,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the predetermined amount is an amount of water vapor required to raise the temperature of the stored water discharged from the gas-liquid separation unit from the freezing point by condensation heat.
請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記パージ弁近傍であって前記パージ弁よりも前記パージ弁から前記貯留水が排出される方向に対する上流位置の圧力を低下させる圧力低下部を備えることを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3,
A fuel cell system comprising: a pressure reducing unit that reduces the pressure at an upstream position in the vicinity of the purge valve and with respect to the direction in which the stored water is discharged from the purge valve.
請求項4に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池に供給する反応ガスを調圧可能な調圧部を備え、
前記気液分離部には、前記調圧部によって調圧された前記反応ガスが前記燃料電池において電気化学反応に供された後の前記オフガスが導入され、
前記圧力低下部は、
前記調圧部に前記反応ガスの圧力を低下させることにより、前記上流位置の圧力を低下させることを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 4, wherein
A pressure adjusting unit capable of adjusting the reaction gas supplied to the fuel cell;
The off-gas after the reaction gas regulated by the pressure regulating unit is subjected to an electrochemical reaction in the fuel cell is introduced into the gas-liquid separation unit,
The pressure drop part is
The fuel cell system, wherein the pressure at the upstream position is lowered by lowering the pressure of the reaction gas in the pressure adjusting unit.
請求項4または請求項5に記載の燃料電池システムにおいて、
前記気液分離部に導入された前記オフガスを、再利用するために、前記燃料電池に再供給するためのポンプを備え、
前記圧力低下部は、
前記ポンプの回転数を減少させることにより、前記上流位置の圧力を低下させることを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 4 or 5,
A pump for re-supplying the fuel cell in order to reuse the off-gas introduced into the gas-liquid separator;
The pressure drop part is
The fuel cell system, wherein the pressure at the upstream position is reduced by reducing the number of rotations of the pump.
請求項1ないし請求項6のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記調整部は、
前記パージガスの前記パージ量を、前記パージガス中の前記水蒸気量が前記所定量以上となるように、前記燃料電池の温度に基づいて、調整することを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6,
The adjustment unit is
The fuel cell system, wherein the purge amount of the purge gas is adjusted based on the temperature of the fuel cell so that the amount of water vapor in the purge gas is equal to or greater than the predetermined amount.
請求項1ないし請求項7のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記調整部は、
前記パージガスの前記パージ量を、前記パージガス中の前記水蒸気量が前記所定量以上となるように、前記パージ弁よりも前記パージ弁から前記貯留水が排出される方向に対する上流位置の圧力に基づいて、調整することを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7,
The adjustment unit is
The purge amount of the purge gas is based on the pressure at the upstream position with respect to the direction in which the stored water is discharged from the purge valve rather than the purge valve so that the amount of water vapor in the purge gas is equal to or greater than the predetermined amount. A fuel cell system characterized by adjusting.
請求項1ないし請求項8のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記調整部は、
前記パージガスの前記パージ量を、前記パージガス中の前記水蒸気量が、前記所定量であって、該パージ量が最小となるように調整することを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 8,
The adjustment unit is
The fuel cell system, wherein the purge amount of the purge gas is adjusted so that the water vapor amount in the purge gas is the predetermined amount and the purge amount is minimized.
請求項1ないし請求項9のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記調整部は、
前記気液分離部に貯留される貯留水の温度が氷点下の場合において、前記パージガスを、最低限パージすべき量である第1パージ量と、前記所定量以上の前記水蒸気が含まれる第2パージ量と、を検出し、前記第1パージ量が前記第2パージ量以下の場合には、前記パージ弁を制御し、前記第2パージ量で前記パージガスをパージさせ、前記第1パージ量が前記第2パージ量より大きい場合には、前記パージ弁を制御し、前記第1パージ量で前記パージガスをパージさせることを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 9,
The adjustment unit is
When the temperature of the stored water stored in the gas-liquid separation unit is below freezing point, the purge gas is purged at a first purge amount that is a minimum amount to be purged, and a second purge that contains the water vapor at a predetermined amount or more. When the first purge amount is less than or equal to the second purge amount, the purge valve is controlled to purge the purge gas with the second purge amount, and the first purge amount is The fuel cell system according to claim 1, wherein when the purge amount is larger than the second purge amount, the purge valve is controlled to purge the purge gas with the first purge amount.
燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池からオフガスが導入され、該オフガス中の水蒸気を凝縮すると共に、水を貯留可能な気液分離部と、
前記オフガスを、前記気液分離部から前記燃料電池システムの外部にパージガスとしてパージするパージ弁と、
前記気液分離部に貯留される貯留水の温度が氷点下の場合において、前記パージガスのパージ量が、所定量以上となるように、前記パージ弁を制御し、前記パージガスのパージ量を調整する調整部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell system comprising a fuel cell,
Off-gas is introduced from the fuel cell, condenses water vapor in the off-gas, and can store water;
A purge valve that purges the off-gas as a purge gas from the gas-liquid separator to the outside of the fuel cell system;
Adjustment that controls the purge valve and adjusts the purge amount of the purge gas so that the purge amount of the purge gas is equal to or higher than a predetermined amount when the temperature of the stored water stored in the gas-liquid separation unit is below freezing point And
A fuel cell system comprising:
請求項11に記載の燃料電池システムにおいて、
前記調整部は、
前記気液分離部に貯留される貯留水の温度が氷点下の場合において、前記パージガスのパージ量が、所定量以上となるように、前記燃料電池温度、または、前記パージ弁よりも前記パージ弁から前記貯留水が排出される方向に対する上流位置の圧力に基づいて、前記パージ弁を制御し、前記パージガスのパージ量を調整することを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 11, wherein
The adjustment unit is
When the temperature of the stored water stored in the gas-liquid separation unit is below freezing point, the purge amount of the purge gas is more than a predetermined amount from the fuel cell temperature or the purge valve rather than the purge valve. A fuel cell system, wherein the purge valve is controlled to adjust a purge amount of the purge gas based on a pressure at an upstream position with respect to a direction in which the stored water is discharged.
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