JP2009129793A - Fuel cell system, and control method thereof - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system and a control method thereof, capable of supplying scavenging gas in a flow rate suitable for the state of the system. <P>SOLUTION: The fuel cell system 1 is equipped with a fuel cell 10; a reaction gas passage connected to the fuel cell 10 and through which reaction gas flows; an air compressor 21 supplying scavenging gas to the fuel cell 10 and the reaction gas passage; a scavenging necessity decision part 41 deciding whether execution of scavenging of the fuel cell and the reaction gas passage is necessary or not based on system temperature T<SB>2</SB>after power generation with the fuel cell 10 is stopped; and a scavenging execution part 42 supplying scavenging gas to the fuel cell 10 and the reaction gas passage when the scavenging necessity decision part 41 decides the necessity of execution of scavenging. The scavenging execution part 42 decrease volume flow rate per hour of the scavenging gas supplying to the fuel cell 10 and the reaction gas passage with increase in temperature of the fuel cell. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システム及びその制御方法に関する。より詳しくは、発電停止後において燃料電池内部の掃気を行う燃料電池システム及びその制御方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell system and a control method thereof. More specifically, the present invention relates to a fuel cell system that performs scavenging inside the fuel cell after power generation is stopped, and a control method thereof.

近年、自動車の新たな動力源として燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、例えば、反応ガスを化学反応させて発電する燃料電池と、反応ガス流路を介して燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、この反応ガス供給装置を制御する制御装置と、を備える。   In recent years, fuel cell systems have attracted attention as a new power source for automobiles. The fuel cell system includes, for example, a fuel cell that generates power by chemically reacting a reaction gas, a reaction gas supply device that supplies the reaction gas to the fuel cell via a reaction gas flow path, and a control that controls the reaction gas supply device. An apparatus.

燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。ここで、各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成され、膜電極構造体は、アノード電極（陽極）及びカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。   The fuel cell has, for example, a stack structure in which several tens to several hundreds of cells are stacked. Here, each cell is configured by sandwiching a membrane electrode structure (MEA) between a pair of separators. The membrane electrode structure includes two electrodes, an anode electrode (anode) and a cathode electrode (cathode), and these electrodes. And a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between the two.

この燃料電池のアノード電極にアノードガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極にカソードガスとしてのエアを供給すると、電気化学反応により発電する。この発電時に生成されるのは、基本的に無害な水だけであるため、環境への影響や利用効率の観点から、燃料電池が注目されている。   When hydrogen gas as anode gas is supplied to the anode electrode of the fuel cell and air as cathode gas is supplied to the cathode electrode, power is generated by an electrochemical reaction. Since only harmless water is generated at the time of power generation, fuel cells are attracting attention from the viewpoint of environmental impact and utilization efficiency.

ところで、発電停止後の燃料電池システムにおいて、燃料電池や反応ガス流路の内部などには、発電中に生成された水が残留する。外気温度が氷点下の環境に、発電停止後の燃料電池システムを放置すると、このような残留水が燃料電池や反応ガス流路の内部で凍結してしまい、次回燃料電池システムを起動する際に、燃料電池の発電性能を確保しにくくなるおそれがある。   By the way, in the fuel cell system after power generation is stopped, water generated during power generation remains in the fuel cell, the reaction gas flow path, and the like. If the fuel cell system after power generation is stopped in an environment where the outside air temperature is below freezing, such residual water freezes inside the fuel cell and the reaction gas flow path, and the next time the fuel cell system is started, There is a risk that it is difficult to ensure the power generation performance of the fuel cell.

そこで従来より、燃料電池の発電が停止した後において、これら燃料電池や反応ガス流路の内部に掃気ガスを流通させることで、残留水をシステム外部に排出させる燃料電池システムが提案されている（特許文献１参照）。
特開２００７−２０７７１６号公報 Therefore, conventionally, after the power generation of the fuel cell is stopped, a fuel cell system that discharges residual water to the outside of the system by circulating a scavenging gas inside the fuel cell and the reaction gas channel has been proposed ( Patent Document 1).
JP 2007-207716 A

ところで、このような燃料電池システムでは、システムを構成する装置ごとに温度差があるとともに、その温度変化特性も異なる。
図５は、発電停止後における燃料電池温度及びシステム温度の時間変化を示す図である。図５において、横軸は、イグニッションがオフにされた時刻を０とした、発電停止後の時間を示し、縦軸は、温度を示す。また、この図において、システム温度とは、例えば、ガス流路の末端の温度を示し、燃料電池システムを構成する装置のうち最も低い温度とする。 By the way, in such a fuel cell system, there is a temperature difference for each device constituting the system, and the temperature change characteristics thereof are also different.
FIG. 5 is a diagram showing temporal changes in the fuel cell temperature and the system temperature after power generation is stopped. In FIG. 5, the horizontal axis indicates the time after power generation is stopped when the time when the ignition is turned off is 0, and the vertical axis indicates the temperature. Moreover, in this figure, system temperature shows the temperature of the terminal of a gas flow path, for example, and is taken as the lowest temperature among the apparatuses which comprise a fuel cell system.

図５中、破線９１，９２は、それぞれ、風が吹いていない環境に放置された燃料電池システムにおける燃料電池温度及びシステム温度を示し、実線９３，９４は、それぞれ、風が吹いている環境に放置された燃料電池システムにおける燃料電池温度及びシステム温度を示す。   In FIG. 5, broken lines 91 and 92 indicate the fuel cell temperature and system temperature in the fuel cell system left in an environment where wind is not blowing, and solid lines 93 and 94 indicate the environment where wind is blowing. The fuel cell temperature and system temperature in the left fuel cell system are shown.

図５に示すように、発電停止後は、燃料電池温度及びシステム温度ともに減少するが、燃料電池温度は、システム温度よりも常に高い。また、風が吹く環境に燃料電池システムを放置した場合には、燃料電池温度及びシステム温度ともに速く減少する。また、システム温度は、燃料電池温度よりも、外気の状態による温度の変化が大きい。   As shown in FIG. 5, after power generation is stopped, both the fuel cell temperature and the system temperature decrease, but the fuel cell temperature is always higher than the system temperature. In addition, when the fuel cell system is left in an environment where wind blows, both the fuel cell temperature and the system temperature rapidly decrease. Further, the system temperature has a larger temperature change due to the outside air condition than the fuel cell temperature.

ここで、上述の特許文献１に示された燃料電池システムを応用し、システム温度が所定の掃気実行温度に達した場合に掃気を開始する燃料電池システムを想定する。なお、燃料電池システムでは、燃料電池に加えて反応ガス流路も凍結から保護する必要があるため、ここでは、燃料電池よりも温度が低いシステム温度を掃気開始の判定温度に用いる。   Here, the fuel cell system disclosed in Patent Document 1 described above is applied, and a fuel cell system that starts scavenging when the system temperature reaches a predetermined scavenging execution temperature is assumed. In the fuel cell system, it is necessary to protect the reaction gas flow path in addition to the fuel cell from freezing. Therefore, here, the system temperature lower than that of the fuel cell is used as the scavenging start determination temperature.

この燃料電池システムでは、風がある環境では時刻ｔ１において掃気が開始され、風がない環境では時刻ｔ１より遅い時刻ｔ２において掃気が開始される。このとき、風がある環境における掃気開始時刻の燃料電池温度をＴ１とすると、風がない環境における掃気開始時刻の燃料電池温度は、Ｔ１よりも低いＴ２となる。すなわち、外気の状態により、掃気開始時刻の燃料電池温度は異なる。 In this fuel cell system, scavenging is started at time t 1 in an environment with wind, and scavenging is started at time t 2 later than time t 1 in an environment without wind. In this case, when the fuel cell temperature of the scavenging start time in an environment where there is wind and T 1, the fuel cell temperature of the scavenging start time of the wind-free environment is a lower T 2 than T 1. That is, the fuel cell temperature at the scavenging start time varies depending on the state of the outside air.

しかしながら、上述の特許文献１に示された燃料電池システムでは、このような燃料電池の状態にかかわらず、供給する掃気ガスの単位時間当りの体積流量は一定である。
このため、反応ガス流路よりも燃料電池の温度が高い状態で掃気ガスを供給すると、燃料電池内部での急激な温度上昇により掃気ガスの体積流量が増加し、燃料電池における掃気ガスの圧損が高くなってしまい、結果として、燃料電池内部の圧力が、燃料電池を保護するために設定された耐久圧力上限を上回ってしまうおそれがある。
また、このように耐久圧力上限を上回らないように、供給する掃気ガスの体積流量を少なくした場合には、掃気が完了するまでに必要以上の時間がかかってしまうおそれがある。 However, in the fuel cell system disclosed in Patent Document 1 described above, the volume flow rate per unit time of the scavenging gas to be supplied is constant regardless of the state of the fuel cell.
For this reason, if the scavenging gas is supplied in a state where the temperature of the fuel cell is higher than that of the reaction gas channel, the volumetric flow rate of the scavenging gas increases due to a rapid temperature rise inside the fuel cell, and the scavenging gas pressure loss in the fuel cell increases. As a result, the pressure inside the fuel cell may exceed the upper limit of the endurance pressure set for protecting the fuel cell.
Further, when the volume flow rate of the scavenging gas to be supplied is reduced so as not to exceed the upper limit of the durable pressure, it may take more time than necessary to complete the scavenging.

また、このようにシステム温度に基づいて掃気開始の判断を行わず、例えば、燃料電池の発電停止直後、あるいは、発電停止から所定時間後に掃気を開始する場合であっても、発電中における燃料電池の使用状況に応じて、掃気開始時刻における燃料電池温度にばらつきが生じてしまう。   In addition, the determination of the start of scavenging is not performed based on the system temperature in this way. For example, even when the scavenging is started immediately after the fuel cell power generation is stopped or after a predetermined time after the power generation is stopped, The fuel cell temperature at the scavenging start time varies depending on the state of use.

本発明は、発電停止後に掃気を行う燃料電池システムであって、システムの状態に適した流量の掃気ガスを供給可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a fuel cell system that performs scavenging after power generation is stopped, and that can supply scavenging gas at a flow rate suitable for the state of the system.

本発明の燃料電池システム（例えば、後述の燃料電池システム１）は、反応ガス（例えば、後述の水素ガス及び空気など）の反応により発電する燃料電池（例えば、後述の燃料電池１０など）と、前記燃料電池に接続され、反応ガスが流通する反応ガス流路（例えば、後述のエア供給路２３、エア排出路２４、水素供給路２５、水素還流路２６、アノードエア排出路２９、アノードエア導入路３１、及び希釈器５０の排出管５１など）と、前記燃料電池及び前記反応ガス流路に掃気ガス（例えば、後述の空気）を供給する掃気ガス供給手段（例えば、後述のエアコンプレッサ２１、背圧弁２４１、アノードエア排出弁２９１、及びアノードエア導入弁３１１など）と、前記燃料電池による発電の停止後において、システム温度（例えば、後述のシステム温度センサ５２により検出されたシステム温度Ｔ２）に基づいて前記燃料電池及び前記反応ガス流路の掃気を実行する必要があるか否かを判断する掃気必要判断手段（例えば、後述の制御装置４０の掃気必要判断部４１など）と、前記掃気必要判断手段により、掃気を実行する必要があると判断された場合には、前記掃気ガス供給手段を制御して、前記燃料電池及び前記反応ガス流路に掃気ガスを供給する掃気実行手段（例えば、後述の制御装置４０の掃気実行部４２など）と、を備える燃料電池システムであって、前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段（例えば、後述のオフガス温度センサ１１など）をさらに備え、前記掃気実行手段は、前記燃料電池温度検出手段により検出された燃料電池の温度が高いほど、前記燃料電池及び前記反応ガス流路に供給する掃気ガスの単位時間当りの体積流量を減少することを特徴とする。 A fuel cell system (for example, a fuel cell system 1 described later) of the present invention includes a fuel cell (for example, a fuel cell 10 described later) that generates power by reaction of a reaction gas (for example, hydrogen gas and air described later), A reaction gas flow path (for example, an air supply path 23, an air discharge path 24, a hydrogen supply path 25, a hydrogen recirculation path 26, an anode air discharge path 29, and an anode air introduction, which will be described later, connected to the fuel cell and through which a reaction gas flows. Scavenging gas supply means for supplying scavenging gas (for example, air to be described later) to the fuel cell and the reaction gas flow path (for example, air compressor 21 to be described later, After the power generation by the fuel cell is stopped, the system temperature (for example, described later), the back pressure valve 241, the anode air discharge valve 291, the anode air introduction valve 311 and the like. Scavenging need determining means for determining whether there is a need to perform scavenging of the fuel cell and the reaction gas flow path based on the system temperature T 2) detected by the system temperature sensor 52 (e.g., below the controller 40) and the scavenging necessity judging means determine that scavenging needs to be executed, the scavenging gas supply means is controlled to control the fuel cell and the reaction gas. A fuel cell system comprising: scavenging execution means for supplying scavenging gas to the flow path (for example, scavenging execution section 42 of control device 40 described later), and a fuel cell temperature detection means for detecting the temperature of the fuel cell (For example, an off-gas temperature sensor 11 to be described later), and the scavenging execution means has a higher temperature of the fuel cell detected by the fuel cell temperature detection means, A volume flow rate per unit time of the scavenging gas supplied to the fuel cell and the reaction gas channel is reduced.

この発明によれば、システム温度に基づいて、燃料電池及び反応ガス流路の掃気を実行する必要があるか否かを判断する。これにより、掃気を実行する回数を最小限にとどめ、掃気の実行にかかる電力の消費を最小限にすることができる。   According to the present invention, based on the system temperature, it is determined whether or not scavenging of the fuel cell and the reaction gas channel needs to be executed. Thereby, the frequency | count of performing scavenging can be minimized and consumption of the electric power concerning execution of scavenging can be minimized.

また、発電停止後、燃料電池及び反応ガス流路の掃気を実行する際において、燃料電池の温度が高いほど、これら燃料電池及び反応ガス流路に供給する掃気ガスの単位時間当りの流量を減少する。
これにより、例えば、掃気開始時における燃料電池の温度に適した単位時間当りの体積流量で掃気ガスを供給することができる。すなわち、燃料電池内における掃気ガスの熱膨張を考慮して、燃料電池内の圧力が耐久圧力上限以下になるように掃気ガスを供給することができる。
また、このように、燃料電池の温度に合わせて掃気ガスの単位時間当りの体積流量を変更することにより、常に燃料電池内の圧力が耐久圧力以下となるような体積流量で掃気ガスを供給する場合と比較して、掃気にかかる時間を短縮できる。 In addition, when the scavenging of the fuel cell and the reaction gas channel is performed after the power generation is stopped, the flow rate per unit time of the scavenging gas supplied to the fuel cell and the reaction gas channel decreases as the temperature of the fuel cell increases. To do.
Thereby, for example, scavenging gas can be supplied at a volume flow rate per unit time suitable for the temperature of the fuel cell at the start of scavenging. That is, considering the thermal expansion of the scavenging gas in the fuel cell, the scavenging gas can be supplied so that the pressure in the fuel cell is lower than the upper limit of the durable pressure.
In addition, by changing the volume flow rate of the scavenging gas per unit time in accordance with the temperature of the fuel cell in this way, the scavenging gas is always supplied at a volume flow rate such that the pressure in the fuel cell is always lower than the durable pressure. Compared to the case, the time required for scavenging can be shortened.

この場合、外気温度を検出する外気温度検出手段（例えば、後述の外気温度センサ５９など）をさらに備え、前記掃気実行手段は、前記外気温度検出手段により検出された外気温度に応じて、前記燃料電池及び前記反応ガス流路に供給する掃気ガスの単位時間当りの体積流量を補正することが好ましい。   In this case, the apparatus further includes an outside air temperature detecting unit (for example, an outside air temperature sensor 59 described later) for detecting the outside air temperature, and the scavenging executing unit is configured to perform the fuel operation according to the outside air temperature detected by the outside air temperature detecting unit. It is preferable to correct the volume flow rate per unit time of the scavenging gas supplied to the battery and the reaction gas channel.

この発明によれば、外気温度に応じて掃気ガスの単位時間当りの体積流量を補正する。これにより、例えば、外気温度と燃料電池の温度との温度差が大きく、燃料電池内での掃気ガスの熱膨張率が高い場合であっても、燃料電池内の圧力が耐久圧力上限以下となるように掃気ガスを供給することができる。   According to this invention, the volume flow rate per unit time of the scavenging gas is corrected according to the outside air temperature. Thereby, for example, even when the temperature difference between the outside air temperature and the temperature of the fuel cell is large and the thermal expansion coefficient of the scavenging gas in the fuel cell is high, the pressure in the fuel cell is lower than the upper limit of the durable pressure. Scavenging gas can be supplied.

本発明の燃料電池システムの制御方法は、反応ガス（例えば、後述の水素ガス及び空気など）の反応により発電する燃料電池（例えば、後述の燃料電池１０など）と、前記燃料電池に接続され、反応ガスが流通する反応ガス流路（例えば、後述のエア供給路２３、エア排出路２４、水素供給路２５、水素還流路２６、アノードエア排出路２９、アノードエア導入路３１、及び希釈器５０の排出管５１など）と、前記燃料電池及び前記反応ガス流路に掃気ガス（例えば、後述の空気）を供給する掃気ガス供給手段（例えば、後述のエアコンプレッサ２１、背圧弁２４１、アノードエア排出弁２９１、及びアノードエア導入弁３１１など）と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池による発電の停止後において、システム温度（例えば、後述のシステム温度センサ５２により検出されたシステム温度Ｔ２）に基づいて前記燃料電池及び前記反応ガス流路の掃気を実行する必要があるか否かを判断する掃気必要判断ステップ（例えば、後述の掃気処理のステップＳ１）と、掃気を実行する必要があると判断された場合には、前記掃気ガス供給手段を制御して、前記燃料電池及び前記反応ガス流路に掃気ガスを供給するとともに、燃料電池の温度が高いほど、前記燃料電池及び前記反応ガスに供給する掃気ガスの単位時間当りの体積流量を減少する掃気実行ステップ（例えば、後述の掃気処理のステップＳ２、ステップＳ４、及びステップＳ７）と、を備えることを特徴とする。 The control method of the fuel cell system of the present invention is connected to a fuel cell (for example, a fuel cell 10 described later) that generates power by reaction of a reaction gas (for example, hydrogen gas and air described later), and the fuel cell, A reaction gas flow path (for example, an air supply path 23, an air discharge path 24, a hydrogen supply path 25, a hydrogen reflux path 26, an anode air discharge path 29, an anode air introduction path 31, and a diluter 50, which will be described later, through which the reaction gas flows. Scavenging gas supply means for supplying scavenging gas (for example, air described later) to the fuel cell and the reaction gas flow path (for example, air compressor 21, back pressure valve 241 and anode air discharge described later). A fuel cell system comprising: a valve 291 and an anode air introduction valve 311), after the power generation by the fuel cell is stopped Degrees (for example, system temperature T 2 detected by the system temperature sensor 52 to be described later) scavenging need determination step of determining whether the fuel cell and the need to perform scavenging of the reaction gas channel on the basis of the ( For example, when it is determined that the scavenging process needs to be performed in step S1) of the scavenging process described later, the scavenging gas supply means is controlled so that the scavenging gas is supplied to the fuel cell and the reaction gas channel. As the temperature of the fuel cell is increased, a scavenging execution step (for example, scavenging processing steps S2 and S4 described later) is performed to decrease the volume flow rate per unit time of the scavenging gas supplied to the fuel cell and the reaction gas. And step S7).

この場合、前記掃気実行ステップでは、外気温度に応じて、前記燃料電池及び前記反応ガス流路に供給する掃気ガスの単位時間当りの体積流量を補正することが好ましい。   In this case, in the scavenging execution step, it is preferable that the volume flow rate per unit time of the scavenging gas supplied to the fuel cell and the reaction gas flow path is corrected according to the outside air temperature.

これら燃料電池システムの制御方法は、上述の燃料電池システムを、制御方法として展開したものであり、上述の燃料電池システムと同様の効果を奏する。   These control methods of the fuel cell system are obtained by developing the above-described fuel cell system as a control method, and have the same effects as the above-described fuel cell system.

本発明の燃料電池システム及びその制御方法によれば、掃気を実行する回数を最小限にとどめ、掃気の実行にかかる電力の消費を最小限にすることができる。また、掃気開始時における燃料電池の温度に適した単位時間当りの体積流量で、掃気ガスを供給することができる。すなわち、燃料電池内における掃気ガスの熱膨張を考慮して、燃料電池内の圧力が耐久圧力上限以下になるように掃気ガスを供給することができる。また、常に燃料電池内の圧力が耐久圧力以下となるような体積流量で掃気ガスを供給する場合と比較して、掃気にかかる時間を短縮できる。   According to the fuel cell system and the control method thereof of the present invention, it is possible to minimize the number of times scavenging is performed and to minimize the power consumption required for scavenging. Also, the scavenging gas can be supplied at a volume flow rate per unit time suitable for the temperature of the fuel cell at the start of scavenging. That is, considering the thermal expansion of the scavenging gas in the fuel cell, the scavenging gas can be supplied so that the pressure in the fuel cell is lower than the upper limit of the durable pressure. Further, the time required for scavenging can be shortened as compared with the case where the scavenging gas is supplied at a volume flow rate such that the pressure in the fuel cell is always equal to or lower than the durable pressure.

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１のブロック図である。
燃料電池システム１は、燃料電池１０と、この燃料電池１０に反応ガスとしての水素ガスや空気を供給する供給装置２０と、これら燃料電池１０及び供給装置２０を制御する制御装置４０とを有する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram of a fuel cell system 1 according to this embodiment.
The fuel cell system 1 includes a fuel cell 10, a supply device 20 that supplies hydrogen gas or air as a reaction gas to the fuel cell 10, and a control device 40 that controls the fuel cell 10 and the supply device 20.

燃料電池１０は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成される。膜電極構造体は、アノード電極（陽極）及びカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。通常、両電極は、固体高分子電解質膜に接して酸化・還元反応を行う触媒層と、この触媒層に接するガス拡散層とから形成される。   The fuel cell 10 has a stack structure in which, for example, several tens to several hundreds of cells are stacked. Each cell is configured by sandwiching a membrane electrode structure (MEA) between a pair of separators. The membrane electrode structure is composed of two electrodes, an anode electrode (anode) and a cathode electrode (cathode), and a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between these electrodes. Usually, both electrodes are formed of a catalyst layer that performs an oxidation / reduction reaction in contact with the solid polymer electrolyte membrane and a gas diffusion layer in contact with the catalyst layer.

このような燃料電池１０は、アノード電極（陽極）側に形成されたアノード流路１３に水素ガスが供給され、カソード電極（陰極）側に形成されたカソード流路１４に酸素を含む空気（エア）が供給されると、これらの電気化学反応により発電する。   In such a fuel cell 10, hydrogen gas is supplied to an anode flow path 13 formed on the anode electrode (anode) side, and oxygen-containing air (air) is supplied to the cathode flow path 14 formed on the cathode electrode (cathode) side. ) Is generated by these electrochemical reactions.

また、燃料電池１０には、この燃料電池１０から排出されたオフガスの温度を検出するオフガス温度センサ１１が設けられている。このオフガス温度センサ１１は、燃料電池１０のカソード流路１４から排出されたオフガスの温度Ｔ１を検出し、検出した燃料電池温度Ｔ１に略比例した検出信号を制御装置４０に出力する。本実施形態では、燃料電池温度検出手段として、このようなオフガス温度センサ１１を設けることにより、燃料電池１０の温度を間接的に検出する。 Further, the fuel cell 10 is provided with an off-gas temperature sensor 11 that detects the temperature of the off-gas discharged from the fuel cell 10. The off gas temperature sensor 11 detects the temperature T 1 of the off gas discharged from the cathode flow path 14 of the fuel cell 10, and outputs a detection signal substantially proportional to the detected fuel cell temperature T 1 to the control device 40. In this embodiment, the temperature of the fuel cell 10 is indirectly detected by providing such an off-gas temperature sensor 11 as the fuel cell temperature detecting means.

供給装置２０は、燃料電池１０のカソード流路１４にエアを供給するエアコンプレッサ２１と、燃料電池１０のアノード流路１３に水素ガスを供給する水素タンク２２及びエゼクタ２８と、を含んで構成される。   The supply device 20 includes an air compressor 21 that supplies air to the cathode flow path 14 of the fuel cell 10, a hydrogen tank 22 that supplies hydrogen gas to the anode flow path 13 of the fuel cell 10, and an ejector 28. The

エアコンプレッサ２１は、エア供給路２３を介して、燃料電池１０のカソード流路１４の一端側に接続されている。燃料電池１０のカソード流路１４の他端側には、エア排出路２４が接続され、このエア排出路２４の先端側には、後述の希釈器５０が接続されている。また、エア排出路２４には、背圧弁２４１が設けられている。この背圧弁２４１を開くことにより、燃料電池１０のカソード流路１４からエア排出路２４に排出されたオフガスを、希釈ガスとして希釈器５０に流入させることができる。   The air compressor 21 is connected to one end side of the cathode flow path 14 of the fuel cell 10 via an air supply path 23. An air discharge path 24 is connected to the other end side of the cathode flow path 14 of the fuel cell 10, and a diluter 50 described later is connected to the front end side of the air discharge path 24. Further, a back pressure valve 241 is provided in the air discharge path 24. By opening the back pressure valve 241, the off-gas discharged from the cathode flow path 14 of the fuel cell 10 to the air discharge path 24 can flow into the diluter 50 as a dilution gas.

また、エア供給路２３には、アノードエア導入路３１が分岐して設けられている。アノードエア導入路３１の先端側は、後述の水素供給路２５に接続されている。また、このアノードエア導入路３１には、アノードエア導入弁３１１が設けられている。このアノードエア導入弁３１１を閉じた状態では、エア供給路２３と水素供給路２５は遮断され、アノードエア導入弁３１１を開いた状態では、エア供給路２３と水素供給路２５は連通し、エアを水素供給路２５に供給することが可能となる。   An anode air introduction path 31 is branched from the air supply path 23. The tip end side of the anode air introduction path 31 is connected to a hydrogen supply path 25 described later. The anode air introduction path 31 is provided with an anode air introduction valve 311. When the anode air introduction valve 311 is closed, the air supply path 23 and the hydrogen supply path 25 are shut off, and when the anode air introduction valve 311 is opened, the air supply path 23 and the hydrogen supply path 25 communicate with each other. Can be supplied to the hydrogen supply path 25.

水素タンク２２は、水素供給路２５を介して、燃料電池１０のアノード流路１３の一端側に接続されている。この水素供給路２５には、エゼクタ２８が設けられている。また、水素供給路２５のうち水素タンク２２とエゼクタ２８との間には、水素タンク２２から供給される水素ガスを減圧する図示しない遮断弁及びレギュレータが設けられている。   The hydrogen tank 22 is connected to one end side of the anode flow path 13 of the fuel cell 10 via the hydrogen supply path 25. An ejector 28 is provided in the hydrogen supply path 25. A shut-off valve and a regulator (not shown) for reducing the pressure of the hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 22 are provided between the hydrogen tank 22 and the ejector 28 in the hydrogen supply path 25.

燃料電池１０のアノード流路１３の他端側には、水素還流路２６が接続される。この水素還流路２６の先端側は、上述のエゼクタ２８に接続されている。エゼクタ２８は、水素還流路２６を流通する水素ガスを回収し、水素供給路２５に還流する。   A hydrogen reflux path 26 is connected to the other end side of the anode flow path 13 of the fuel cell 10. The distal end side of the hydrogen reflux path 26 is connected to the ejector 28 described above. The ejector 28 collects the hydrogen gas flowing through the hydrogen reflux path 26 and returns it to the hydrogen supply path 25.

また、この水素還流路２６には、図示しない水素排出路と、アノードエア排出路２９とが分岐して設けられている。これら水素排出路及びアノードエア排出路２９の先端側には、希釈器５０が接続されている。   The hydrogen reflux path 26 is provided with a hydrogen discharge path (not shown) and an anode air discharge path 29 which are branched. A diluter 50 is connected to the distal end sides of the hydrogen discharge path and the anode air discharge path 29.

水素排出路には、この水素排出路を開閉する図示しないパージ弁が設けられている。水素還流路２６を流通する水素ガスを排出する際には、このパージ弁を開き、水素ガスを水素排出路に流通させて希釈器５０に導入する。
アノードエア排出路２９には、このアノードエア排出路２９を開閉するアノードエア排出弁２９１が設けられている。後述の掃気処理において、水素還流路２６を流通する掃気ガスを排出する際には、このアノードエア排出弁２９１を開き、掃気ガスをアノードエア排出路２９に流通させて希釈器５０に導入する。 The hydrogen discharge passage is provided with a purge valve (not shown) that opens and closes the hydrogen discharge passage. When the hydrogen gas flowing through the hydrogen reflux path 26 is discharged, the purge valve is opened, and the hydrogen gas is passed through the hydrogen discharge path and introduced into the diluter 50.
The anode air discharge path 29 is provided with an anode air discharge valve 291 that opens and closes the anode air discharge path 29. In the scavenging process described later, when scavenging gas flowing through the hydrogen reflux path 26 is discharged, the anode air discharge valve 291 is opened, and the scavenging gas is passed through the anode air discharge path 29 and introduced into the diluter 50.

希釈器５０は、エア排出路２４を介して導入されたオフガスを希釈ガスとして用い、上述の水素排出路及びアノードエア排出路２９を介して導入されたオフガスを、この希釈ガスで希釈した後に、排出管５１を介して大気に排出する。   The diluter 50 uses the off-gas introduced through the air discharge passage 24 as a dilution gas, and after diluting the off-gas introduced through the hydrogen discharge passage and the anode air discharge passage 29 with the dilution gas, It is discharged to the atmosphere through the discharge pipe 51.

この希釈器５０の排出管５１には、当該排出管５１の温度を燃料電池システム１のシステム温度として、このシステム温度Ｔ２を検出するシステム温度センサ５２が設けられている。このシステム温度センサ５２は、燃料電池システム１のうち最も温度が低い部分、すなわち、燃料電池システム１のうち最も大気にさらされやすく温度が低い希釈器５０の排出管５１の温度をシステム温度Ｔ２として検出する。 The exhaust pipe 51 of the diluter 50 is provided with a system temperature sensor 52 that detects the system temperature T 2 using the temperature of the exhaust pipe 51 as the system temperature of the fuel cell system 1. The system temperature sensor 52 is most temperature is low portion of the fuel cell system 1, i.e., temperature system temperature of the discharge pipe 51 of the diluter 50 most exposed to the atmosphere tends temperature is low among the fuel cell system 1 T 2 Detect as.

また、燃料電池システム１には、上述のオフガス温度センサ１１及びシステム温度センサ５２の他、外気の温度Ｔ３を検出する外気温度センサ５９が設けられている。
これらシステム温度センサ５２及び外気温度センサ５９は、それぞれ、検出した温度に略比例した検出信号を制御装置４０に出力する。 Further, the fuel cell system 1, other off-gas temperature sensor 11 and the system temperature sensor 52 described above, the outside air temperature sensor 59 for detecting the outside air temperature T 3 is provided.
Each of the system temperature sensor 52 and the outside air temperature sensor 59 outputs a detection signal substantially proportional to the detected temperature to the control device 40.

また、本実施形態では、燃料電池１０に接続され、水素ガス及びエアが流通する反応ガス流路は、エア供給路２３、エア排出路２４、水素供給路２５、水素還流路２６、アノードエア排出路２９、アノードエア導入路３１、及び希釈器５０の排出管５１を含んで構成される。
また、本実施形態では、燃料電池１０の発電中において水素ガスが流通する水素供給路２５及び水素還流路２６の内径は、発電中においてエアが流通するエア供給路２３及びエア排出路２４の内径よりも小さくなっている。 Further, in the present embodiment, the reaction gas flow path connected to the fuel cell 10 and through which hydrogen gas and air flow is the air supply path 23, the air discharge path 24, the hydrogen supply path 25, the hydrogen recirculation path 26, and the anode air discharge. The passage 29, the anode air introduction passage 31, and the discharge pipe 51 of the diluter 50 are configured.
In this embodiment, the inner diameters of the hydrogen supply path 25 and the hydrogen reflux path 26 through which hydrogen gas flows during power generation of the fuel cell 10 are the same as the inner diameters of the air supply path 23 and the air discharge path 24 through which air flows during power generation. Is smaller than

制御装置４０には、上述のエアコンプレッサ２１、背圧弁２４１、アノードエア排出弁２９１、及びアノードエア導入弁３１１、並びに、オフガス温度センサ１１、システム温度センサ５２、及び外気温度センサ５９が接続されている。   The control device 40 is connected to the air compressor 21, the back pressure valve 241, the anode air discharge valve 291, the anode air introduction valve 311, the off-gas temperature sensor 11, the system temperature sensor 52, and the outside air temperature sensor 59. Yes.

また、制御装置４０には、図示しないイグニッションスイッチが接続される。このイグニッションスイッチは、燃料電池システム１が搭載された車両の運転席に設けられており、運転者の操作に従って、オン／オフ信号を制御装置４０に送信する。制御装置４０は、イグニッションスイッチのオン／オフに従って、燃料電池１０の起動を開始したり、燃料電池１０の発電を停止したりする。   Further, an ignition switch (not shown) is connected to the control device 40. This ignition switch is provided in the driver's seat of the vehicle on which the fuel cell system 1 is mounted, and transmits an on / off signal to the control device 40 in accordance with the operation of the driver. The control device 40 starts activation of the fuel cell 10 or stops power generation of the fuel cell 10 according to ON / OFF of the ignition switch.

ここで、イグニッションがオンにされ燃料電池１０を起動した後、この燃料電池１０で発電する手順は、以下のようになる。
すなわち、水素タンク２２から、水素供給路２５を介して、燃料電池１０のアノード側に水素ガスを供給する。また、エアコンプレッサ２１を駆動させることにより、エア供給路２３を介して、燃料電池１０のカソード側にエアを供給する。
燃料電池１０に供給された水素ガス及びエアは、発電に供された後、燃料電池１０からアノード側の生成水などの残留水とともに、水素排出路及びエア排出路２４を介して希釈器５０に流入し、この希釈器５０で希釈された後、大気へ排出される。 Here, after the ignition is turned on and the fuel cell 10 is started, the procedure for generating power in the fuel cell 10 is as follows.
That is, hydrogen gas is supplied from the hydrogen tank 22 to the anode side of the fuel cell 10 through the hydrogen supply path 25. Further, by driving the air compressor 21, air is supplied to the cathode side of the fuel cell 10 via the air supply path 23.
The hydrogen gas and air supplied to the fuel cell 10 are supplied to the diluter 50 through the hydrogen discharge path and the air discharge path 24 together with residual water such as the generated water on the anode side from the fuel cell 10 after being supplied for power generation. It flows in and is diluted with the diluter 50 and then discharged to the atmosphere.

また、イグニッションがオフにされ燃料電池１０の発電を停止した後には、燃料電池システム１の掃気処理が行われる。
制御装置４０は、掃気必要判断手段としての掃気必要判断部４１と、掃気実行手段としての掃気実行部４２と、を備え、燃料電池１０の発電停止後、必要に応じてエアコンプレッサ２１により掃気ガスとしてのエアを燃料電池１０及び上述の反応ガス流路に供給することで、燃料電池１０及び反応ガス流路の掃気を行う。図１においては、燃料電池１０の掃気処理に係る制御ブロックのみを示す。 In addition, after the ignition is turned off and the power generation of the fuel cell 10 is stopped, the scavenging process of the fuel cell system 1 is performed.
The control device 40 includes a scavenging necessity determination unit 41 as a scavenging necessity determination unit and a scavenging execution unit 42 as a scavenging execution unit. After the power generation of the fuel cell 10 is stopped, the air compressor 21 performs scavenging gas as necessary. Is supplied to the fuel cell 10 and the above-described reaction gas channel, thereby scavenging the fuel cell 10 and the reaction gas channel. In FIG. 1, only the control block relating to the scavenging process of the fuel cell 10 is shown.

掃気必要判断部４１は、燃料電池１０による発電の停止後において、制御装置４０に設けられたＲＴＣ（Ｒｅａｌ Ｔｉｍｅ Ｃｌｏｃｋ）４３により定期的に起動され、燃料電池システム１の状態に応じて燃料電池１０及び反応ガス流路の掃気を実行する必要があるか否かを判断する。より具体的には、掃気必要判断部４１は、システム温度センサ５２により検出されたシステム温度Ｔ２に基づいて、掃気を実行する必要があるか否かを判断する。すなわち、掃気必要判断部４１は、システム温度Ｔ２が所定の判定値（例えば５℃）以下である場合には掃気を実行する必要があると判断し、システム温度Ｔ２が所定の判定値より大きい場合には掃気を実行する必要がないと判断する。 The scavenging necessity determination unit 41 is periodically activated by an RTC (Real Time Clock) 43 provided in the control device 40 after the power generation by the fuel cell 10 is stopped, and the fuel cell 10 is in accordance with the state of the fuel cell system 1. And whether or not scavenging of the reaction gas channel needs to be executed. More specifically, the scavenging necessity determination unit 41 determines whether or not scavenging needs to be executed based on the system temperature T 2 detected by the system temperature sensor 52. That is, the scavenging necessity determination unit 41 determines that scavenging needs to be executed when the system temperature T 2 is equal to or lower than a predetermined determination value (for example, 5 ° C.), and the system temperature T 2 is determined based on the predetermined determination value. If larger, it is determined that scavenging is not necessary.

掃気実行部４２は、掃気必要判断部４１により掃気を実行する必要があると判断された場合に、エアコンプレッサ２１、背圧弁２４１、アノードエア排出弁２９１、及びアノードエア導入弁３１１を制御して、燃料電池１０及び反応ガス流路に掃気ガスを供給する。   The scavenging execution unit 42 controls the air compressor 21, the back pressure valve 241, the anode air discharge valve 291, and the anode air introduction valve 311 when the scavenging necessity determination unit 41 determines that it is necessary to execute scavenging. The scavenging gas is supplied to the fuel cell 10 and the reaction gas flow path.

より具体的には、掃気実行部４２は、背圧弁２４１、アノードエア排出弁２９１、及びアノードエア導入弁３１１を開閉制御することで、反応ガス流路のうち発電中にエアが流通する流路を重点的に掃気（以下、「カソード重点掃気」という）したり、反応ガス流路のうち発電中に水素ガスが流通する流路を重点的に掃気（以下、「アノード重点掃気」という）したりする。ここで、反応ガス流路のうち発電中にエアが流通する流路とは、エア供給路２３、エア排出路２４、及び排出管５１を含む。また、反応ガス流路のうち発電中に水素ガスが流通する流路とは、アノードエア導入路３１、水素供給路２５、水素還流路２６、アノードエア排出路２９、及び排出管５１を含む。   More specifically, the scavenging execution unit 42 controls the opening and closing of the back pressure valve 241, the anode air discharge valve 291 and the anode air introduction valve 311 so that air flows through the reaction gas channel during power generation. Scavenging (hereinafter referred to as “cathode-focused scavenging”), or scavenging of the reaction gas flow path through which hydrogen gas flows during power generation (hereinafter referred to as “anode-focused scavenging”). Or Here, the flow path through which air flows during power generation among the reaction gas flow paths includes the air supply path 23, the air discharge path 24, and the discharge pipe 51. In addition, the flow path through which hydrogen gas flows during power generation among the reaction gas flow paths includes an anode air introduction path 31, a hydrogen supply path 25, a hydrogen reflux path 26, an anode air discharge path 29, and a discharge pipe 51.

またここで、掃気実行部４２は、オフガス温度センサ１１により検出された燃料電池１０のオフガス温度Ｔ１に基づいて燃料電池１０の温度を推定し、この燃料電池温度と、外気温度センサ５９により検出された外気温度Ｔ３に応じて、エアコンプレッサ２１の回転数を制御する。 Further, here, the scavenging execution unit 42 estimates the temperature of the fuel cell 10 based on the off-gas temperature T 1 of the fuel cell 10 detected by the off-gas temperature sensor 11, and detects this fuel cell temperature and the outside air temperature sensor 59. depending on outside air temperature T 3 that is, to control the rotational speed of the air compressor 21.

より具体的には、掃気実行部４２は、燃料電池１０の温度が高くなるほど、エアコンプレッサ２１の回転数を小さくし、燃料電池１０及び反応ガス流路に供給する掃気ガスの単位時間当りの体積流量を減少する。また、さらに掃気実行部４２は、このように燃料電池１０の温度に応じて決定された掃気ガスの単位時間当りの体積流量を、外気温度センサ５９により検出された外気温度Ｔ３に応じて補正する。 More specifically, the scavenging execution unit 42 reduces the rotation speed of the air compressor 21 as the temperature of the fuel cell 10 increases, and the volume per unit time of the scavenging gas supplied to the fuel cell 10 and the reaction gas flow path. Reduce the flow rate. Further, the scavenging execution unit 42 corrects the volume flow rate per unit time of the scavenging gas determined according to the temperature of the fuel cell 10 according to the outside air temperature T 3 detected by the outside air temperature sensor 59. To do.

図２は、以上のような制御装置４０による掃気処理の手順を示すフローチャートである。この掃気処理は、イグニッションがオフにされたことに基づいて開始する。   FIG. 2 is a flowchart showing the procedure of the scavenging process by the control device 40 as described above. This scavenging process starts based on the ignition being turned off.

先ず、ステップＳ１では、システム温度Ｔ２が所定の判定値以下であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合には、掃気を実行する必要があると判断し、ステップＳ２に移り、ＮＯの場合には、掃気を実行する必要が無いと判断し、ステップＳ３に移る。なお、判定値は、例えば５℃に設定される。また、このステップＳ１は、イグニッションがオフにされ燃料電池による発電が停止した後、上述のＲＴＣにより定期的に行われるようになっている。 First, in step S1, the system temperature T 2 is equal to or smaller than a predetermined determination value. If this determination is YES, it is determined that scavenging needs to be executed, and the process proceeds to step S2, and if NO, it is determined that scavenging is not required and the process proceeds to step S3. The determination value is set to 5 ° C., for example. Further, this step S1 is periodically performed by the above-described RTC after the ignition is turned off and the power generation by the fuel cell is stopped.

ステップＳ２では、オフガス温度Ｔ１に基づいて燃料電池の温度を推定し、ステップＳ４に移る。
ステップＳ３では、イグニッションがオンにされたか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合には、掃気処理を終了し、ＮＯの場合には、ステップＳ１に移る。 In step S2, and it estimates the temperature of the fuel cell based on the off-gas temperature T 1, the flow proceeds to step S4.
In step S3, it is determined whether or not the ignition is turned on. If this determination is YES, the scavenging process is terminated, and if NO, the process proceeds to step S1.

ステップＳ４では、燃料電池の温度に基づいて燃料電池及び反応ガス流路に供給する掃気ガスの単位時間当りの体積流量を設定し、ステップＳ５に移る。ステップＳ５では、外気温度Ｔ３を検出し、ステップＳ６に移る。ステップＳ６では、外気温度Ｔ３に基づいて、ステップＳ４で設定された掃気ガスの単位時間当りの体積流量を補正する。 In step S4, the volume flow rate per unit time of the scavenging gas supplied to the fuel cell and the reaction gas channel is set based on the temperature of the fuel cell, and the process proceeds to step S5. In step S5, the detected outside air temperature T 3, the flow proceeds to step S6. In step S6, on the basis of the outside air temperature T 3, to correct the volumetric flow rate per unit time of the set scavenging gas in step S4.

図３は、掃気ガスの単位時間当りの体積流量と、燃料電池の温度との関係を示し、掃気ガスの単位時間当りの体積流量を設定する際に参照される制御マップの例を示す図である。図３において、横軸は、燃料電池の温度（℃）を示し、縦軸は、掃気ガスの単位時間当りの体積流量（ｃｍ３／ｓ）を示す。また、実線７１は、カソード重点掃気を実行する際に供給する掃気ガスの単位時間当りの体積流量を示し、破線７２は、アノード重点掃気を実行する際に供給する掃気ガスの単位時間当りの体積流量を示す。 FIG. 3 is a diagram showing a relationship between the volume flow rate of scavenging gas per unit time and the temperature of the fuel cell, and showing an example of a control map referred to when setting the volume flow rate of scavenging gas per unit time. is there. In FIG. 3, the horizontal axis indicates the temperature (° C.) of the fuel cell, and the vertical axis indicates the volume flow rate (cm 3 / s) per unit time of the scavenging gas. A solid line 71 indicates a volume flow rate per unit time of the scavenging gas supplied when the cathode-weighted scavenging is executed, and a broken line 72 indicates a volume per unit time of the scavenging gas supplied when the anode-weighted scavenging is executed. Indicates the flow rate.

掃気ガスの単位時間当りの体積流量は、燃料電池における掃気ガスの熱膨張を考慮して、燃料電池内の圧力が所定の耐久圧力以下となるように、燃料電池の温度が高くなるに従い減少するように設定される。   The volumetric flow rate per unit time of the scavenging gas decreases as the temperature of the fuel cell increases so that the pressure in the fuel cell is lower than a predetermined endurance pressure in consideration of the thermal expansion of the scavenging gas in the fuel cell. Is set as follows.

また、アノード重点掃気時には、カソード重点掃気時よりも掃気ガスの単位時間当りの体積流量は大きく設定される。これは、上述のように水素供給路及び水素還流路の内径は、エア供給路及びエア排出路の内径よりも小さくなっており、アノード重点掃気時における掃気ガスの圧損は、カソード重点掃気時における掃気ガスの圧損よりも大きくなるからである。   In addition, the volume flow rate per unit time of the scavenging gas is set to be larger at the time of anode important scavenging than at the time of cathode important scavenging. As described above, the inner diameters of the hydrogen supply path and the hydrogen recirculation path are smaller than the inner diameters of the air supply path and the air discharge path, and the pressure loss of the scavenging gas during the anode important scavenging is the same as that during the cathode important scavenging. This is because it becomes larger than the pressure loss of the scavenging gas.

また、このようにして設定された掃気ガスの単位時間当りの体積流量は、燃料電池温度と外気温度Ｔ３との温度差に応じて補正される。より具体的には、矢印７３，７４に示すように、燃料電池温度と外気温度Ｔ３との温度差が大きい場合には、単位時間当りの体積流量を減少するように補正する。また、燃料電池温度と外気温度Ｔ３との温度差が小さい場合には、単位時間当りの体積流量を増大するように補正する。 The volume flow rate per unit time of the thus configured scavenging gas is adjusted in response to the temperature difference between the fuel cell temperature and outside air temperature T 3. More specifically, as shown in arrows 73 and 74, when the temperature difference between the fuel cell temperature and outside air temperature T 3 is large it is corrected so as to reduce the volume flow rate per unit time. Further, when the temperature difference between the fuel cell temperature and outside air temperature T 3 is small, it corrects to increase the volumetric flow rate per unit time.

図２に戻って、ステップＳ７では、掃気を開始し、所定の完了条件が満たされた後、掃気処理を完了する。ここで、所定の完了条件とは、掃気が開始されてから供給された掃気ガスの総体積流量が、所定の総体積流量に達することとする。また、この所定の総体積流量とは、設定された単位時間当りの体積流量に応じて設定される。また、これに限らず、設定された単位時間当りの体積流量に応じて掃気時間を設定し、この掃気時間が経過することを完了条件としてもよい。   Returning to FIG. 2, in step S7, scavenging is started, and after a predetermined completion condition is satisfied, the scavenging process is completed. Here, the predetermined completion condition is that the total volume flow rate of the scavenging gas supplied after the start of scavenging reaches a predetermined total volume flow rate. Further, the predetermined total volume flow rate is set according to the set volume flow rate per unit time. In addition, the scavenging time may be set according to the set volume flow rate per unit time, and the completion of the scavenging time may be set as the completion condition.

図４は、掃気処理のタイムチャートである。
図４に示すように、掃気処理は、時刻ｔ１から開始され、この時刻ｔ１からｔ２までカソード重点掃気が行われ、時刻ｔ２からｔ３までアノード重点掃気が行われる。 FIG. 4 is a time chart of the scavenging process.
As shown in FIG. 4, the scavenging process is started at time t 1, the cathode emphasis scavenging from time t 1 to t 2 is performed, the anode emphasis scavenging is performed from time t 2 to t 3.

カソード重点掃気は、アノードエア排出弁及びアノードエア導入弁を閉じ、背圧弁を所定の開度まで開いた状態で、エアコンプレッサを駆動し掃気ガスを供給することで行われる。
アノード重点掃気は、アノードエア排出弁及びアノードエア導入弁を開き、背圧弁を所定の開度まで閉じた状態で、エアコンプレッサを駆動し掃気ガスを供給することで行われる。 Cathode-focused scavenging is performed by driving the air compressor and supplying scavenging gas with the anode air discharge valve and anode air introduction valve closed and the back pressure valve opened to a predetermined opening degree.
The anode scavenging is performed by opening the anode air discharge valve and the anode air introduction valve and driving the air compressor and supplying the scavenging gas with the back pressure valve closed to a predetermined opening degree.

また、図４において、破線８１，８２は、それぞれ、比較例の燃料電池システムにおける掃気ガスの単位時間当りの体積流量及び燃料電池内の圧力を示し、実線８３，８４は、それぞれ、本実施形態の燃料電池システム１における掃気ガスの単位時間当りの体積流量及び燃料電池内の圧力を示す。ここで、比較例の燃料電池システムとは、燃料電池の温度や外気温度にかかわらず、常に同じ単位時間当りの体積流量で掃気ガスを供給するものを示す。   4, broken lines 81 and 82 indicate the volume flow rate of scavenging gas per unit time and the pressure in the fuel cell in the fuel cell system of the comparative example, respectively, and solid lines 83 and 84 indicate the present embodiment, respectively. 2 shows the volume flow rate of scavenging gas per unit time and the pressure in the fuel cell in the fuel cell system 1 of FIG. Here, the fuel cell system of the comparative example indicates that the scavenging gas is always supplied at the same volumetric flow rate per unit time regardless of the temperature of the fuel cell or the outside air temperature.

破線８１に示すように、比較例の燃料電池システムでは、カソード重点掃気を行う間は、掃気ガスの単位時間当りの体積流量はＦＣ１に設定され、アノード重点掃気を行う間は、掃気ガスの単位時間当りの体積流量はＦＡ１に設定される。 As shown by the broken line 81, in the fuel cell system of the comparative example, the volume flow rate per unit time of the scavenging gas is set to F C1 while the cathode-focused scavenging is performed, and the scavenging gas of the scavenging gas is set during the anode-focused scavenging. The volume flow rate per unit time is set to F A1 .

比較例では、このような設定のもとで掃気処理を行うことにより、破線８２に示すように、カソード重点掃気を行う間は、燃料電池内の圧力は耐久圧力上限以下に保たれるが、アノード重点掃気を開始すると、燃料電池内における掃気ガスの熱膨張により燃料電池内の圧力は耐久圧力上限を上回ってしまう。
ここで、破線８２に示すように、時刻ｔ２においてカソード重点掃気を開始した直後に、燃料電池内の圧力は急激に上昇する。これは、上述のように、アノード重点掃気における掃気ガスの圧損は、カソード重点掃気における掃気ガスの圧損よりも大きくなっており、燃料電池内の圧力が掃気ガスの熱膨張の影響を受けやすくなるためである。 In the comparative example, by performing the scavenging process under such a setting, as shown by the broken line 82, the pressure in the fuel cell is kept below the durable pressure upper limit during the cathode-weighted scavenging, When anode important scavenging is started, the pressure in the fuel cell exceeds the durable pressure upper limit due to the thermal expansion of the scavenging gas in the fuel cell.
Here, as shown in broken line 82, at time t 2 immediately after starting the cathode emphasis scavenging, pressure in the fuel cell sharply increases. This is because, as described above, the pressure loss of the scavenging gas in the anode priority scavenging is larger than the pressure loss of the scavenging gas in the cathode priority scavenging, and the pressure in the fuel cell is easily affected by the thermal expansion of the scavenging gas. Because.

一方、実線８３に示すように、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池の温度及び外気温度に応じて、カソード重点掃気を行う間は、掃気ガスの単位時間当りの体積流量はＦＣ１よりも小さいＦＣ２に設定され、アノード重点掃気を行う間は、掃気ガスの単位時間当りの体積流量はＦＡ１によりも小さいＦＡ２に設定される。 On the other hand, as indicated by the solid line 83, in the fuel cell system of the present embodiment, the volume flow rate per unit time of the scavenging gas from F C1 during the cathode-weighted scavenging according to the temperature of the fuel cell and the outside air temperature. Is set to a smaller F C2 , and during the anode-focused scavenging, the volume flow rate per unit time of the scavenging gas is set to F A2 smaller than F A1 .

本実施形態では、このような設定のもとで掃気処理を行うことにより、実線８４に示すように、カソード重点掃気及びアノード重点掃気を行う間に亘って、燃料電池内の圧力は耐久圧力上限以下に保たれる。   In the present embodiment, by performing the scavenging process under such settings, the pressure in the fuel cell is maintained at the upper limit of the durable pressure during the cathode-weighted scavenging and the anode-weighted scavenging as shown by the solid line 84. Kept below.

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）本実施形態の燃料電池システム１によれば、システム温度Ｔ２に基づいて、燃料電池１０及び反応ガス流路の掃気を実行する必要があるか否かを判断する。これにより、掃気を実行する回数を最小限にとどめ、掃気の実行にかかる電力の消費を最小限にすることができる。 According to this embodiment, there are the following effects.
(1) According to the fuel cell system 1 of the present embodiment, based on the system temperature T 2, it is determined whether there is a need to perform scavenging of the fuel cell 10 and the reactant gas flow. Thereby, the frequency | count of performing scavenging can be minimized and consumption of the electric power concerning execution of scavenging can be minimized.

また、発電停止後、燃料電池１０及び反応ガス流路の掃気を実行する際において、燃料電池１０の温度が高いほど、これら燃料電池１０及び反応ガス流路に供給する掃気ガスの単位時間当りの流量を減少する。
これにより、例えば、掃気開始時における燃料電池１０の温度に適した単位時間当りの体積流量で掃気ガスを供給することができる。すなわち、燃料電池１０内における掃気ガスの熱膨張を考慮して、燃料電池１０内の圧力が耐久圧力上限以下になるように掃気ガスを供給することができる。
また、このように、燃料電池１０の温度に合わせて掃気ガスの単位時間当りの体積流量を変更することにより、常に燃料電池内の圧力が耐久圧力以下となるような体積流量で掃気ガスを供給する場合と比較して、掃気にかかる時間を短縮できる。 Further, when the scavenging of the fuel cell 10 and the reaction gas channel is performed after the power generation is stopped, the higher the temperature of the fuel cell 10, the higher the temperature of the scavenging gas supplied to the fuel cell 10 and the reaction gas channel per unit time. Reduce the flow rate.
Thereby, for example, the scavenging gas can be supplied at a volume flow rate per unit time suitable for the temperature of the fuel cell 10 at the start of the scavenging. That is, considering the thermal expansion of the scavenging gas in the fuel cell 10, the scavenging gas can be supplied so that the pressure in the fuel cell 10 is lower than the upper limit of the durable pressure.
Further, by changing the volume flow rate of the scavenging gas per unit time according to the temperature of the fuel cell 10 in this way, the scavenging gas is always supplied at a volume flow rate such that the pressure in the fuel cell is equal to or lower than the durable pressure. Compared with the case where it does, scavenging time can be shortened.

（２）本実施形態の燃料電池システム１によれば、外気温度Ｔ３に応じて掃気ガスの単位時間当りの体積流量を補正する。これにより、例えば、外気温度Ｔ３と燃料電池１０の温度との温度差が大きく、燃料電池１０内での掃気ガスの熱膨張率が高い場合であっても、燃料電池１０内の圧力が耐久圧力上限以下となるように掃気ガスを供給することができる。 (2) According to the fuel cell system 1 of the present embodiment, to correct the volumetric flow rate per unit time of the scavenging gas in accordance with the outside air temperature T 3. Thus, for example, a large temperature difference between the temperature of the outside air temperature T 3 and the fuel cell 10, even if the thermal expansion coefficient of the scavenging gas in the fuel cell 10. high pressure in the fuel cell 10 is durable The scavenging gas can be supplied so as to be equal to or lower than the upper limit of pressure.

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれるものである。   It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, but includes modifications and improvements as long as the object of the present invention can be achieved.

上記実施形態では、アノード重点掃気又はカソード重点掃気が開始してから終了するまでの間、掃気ガスの単位時間当りの体積流量は、開始時の設定のまま一定にした。これにより、エアコンプレッサを駆動する際に発生する騒音や、希釈器からオフガスを排出する際に発生する騒音の変化を少なくし、商品性を向上することができるが、これに限らない。
例えば、掃気ガスを供給している間であっても、燃料電池の温度を常に監視しつつ、掃気を行っている間の燃料電池の温度の変化に応じて、掃気ガスの単位時間当りの体積流量を変化させてもよい。この場合、掃気ガスを供給することで、燃料電池の温度は徐々に低下すると考えられるので、掃気ガスの単位時間当りの体積流量を徐々に増やすことができる。これにより、掃気にかかる時間を短縮できる。 In the above-described embodiment, the volume flow rate per unit time of the scavenging gas is constant from the start setting until the anode important scavenging or the cathode important scavenging starts and ends. Thereby, the noise generated when driving the air compressor and the noise generated when the off-gas is discharged from the diluter can be reduced and the merchantability can be improved. However, the present invention is not limited to this.
For example, even while scavenging gas is being supplied, the volume per unit time of the scavenging gas according to changes in the temperature of the fuel cell while scavenging while constantly monitoring the temperature of the fuel cell. The flow rate may be changed. In this case, since it is considered that the temperature of the fuel cell is gradually lowered by supplying the scavenging gas, the volume flow rate per unit time of the scavenging gas can be gradually increased. Thereby, the time required for scavenging can be shortened.

また、上記実施形態では、オフガス温度センサ１１により、燃料電池１０のカソード流路１４から排出されたオフガスの温度を検出することで、燃料電池１０の温度を間接的に検出したが、これに限らない。
例えば、オフガス温度センサにより、燃料電池のアノード流路から排出されたオフガスの温度を検出することで、燃料電池の温度を間接的に検出してもよい。また、例えば、燃料電池を流通する冷媒の温度を検出することで、燃料電池の温度を間接的に検出してもよい。また、この他、燃料電池の温度を直接検出してもよい。 Moreover, in the said embodiment, although the temperature of the fuel cell 10 was indirectly detected by detecting the temperature of the offgas discharged | emitted from the cathode flow path 14 of the fuel cell 10 with the offgas temperature sensor 11, it is not restricted to this. Absent.
For example, the temperature of the fuel cell may be indirectly detected by detecting the temperature of the off gas discharged from the anode flow path of the fuel cell by an off gas temperature sensor. Further, for example, the temperature of the fuel cell may be indirectly detected by detecting the temperature of the refrigerant flowing through the fuel cell. In addition, the temperature of the fuel cell may be directly detected.

また、上記実施形態では、希釈器５０の排出管５１の温度を燃料電池システム１のシステム温度として、システム温度センサ５２によりこのシステム温度を検出したが、これに限らない。例えば、システム温度は、外気温度センサにより検出された外気温度に基づいて推定してもよい。この場合、燃料電池システムに設けるセンサの数を減らすことができる。   Moreover, in the said embodiment, although the temperature of the discharge pipe 51 of the diluter 50 was made into the system temperature of the fuel cell system 1, this system temperature was detected by the system temperature sensor 52, but it is not restricted to this. For example, the system temperature may be estimated based on the outside temperature detected by the outside temperature sensor. In this case, the number of sensors provided in the fuel cell system can be reduced.

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。1 is a block diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 上記実施形態に係る制御装置による掃気処理の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of the scavenging process by the control apparatus which concerns on the said embodiment. 上記実施形態に係る掃気ガスの単位時間当りの体積流量と燃料電池の温度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the volume flow rate per unit time of the scavenging gas which concerns on the said embodiment, and the temperature of a fuel cell. 上記実施形態に係る制御装置による掃気処理のタイムチャートである。It is a time chart of the scavenging process by the control apparatus which concerns on the said embodiment. 発電停止後における燃料電池温度及びシステム温度の時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the fuel cell temperature after a power generation stop, and system temperature.

符号の説明Explanation of symbols

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
１１ オフガス温度センサ（燃料電池温度検出手段）
２０ 供給装置
２１ エアコンプレッサ（掃気ガス供給手段）
２３ エア供給路（反応ガス流路）
２４ エア排出路（反応ガス流路）
２４１ 背圧弁（掃気ガス供給手段）
２５ 水素供給路（反応ガス流路）
２６ 水素還流路（反応ガス流路）
２９ アノードエア排出路（反応ガス流路）
２９１ アノードエア排出弁（掃気ガス供給手段）
３１ アノードエア導入路（反応ガス流路）
３１１ アノードエア導入弁（掃気ガス供給手段）
４０ 制御装置
４１ 掃気必要判断部（掃気必要判断手段）
４２ 掃気実行部（掃気実行手段）
５０ 希釈器
５１ 排出管（反応ガス流路）
５２ システム温度センサ
５９ 外気温度センサ（外気温度検出手段） DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system 10 Fuel cell 11 Off-gas temperature sensor (fuel cell temperature detection means)
20 Supply device 21 Air compressor (scavenging gas supply means)
23 Air supply path (reactive gas flow path)
24 Air discharge path (reactive gas flow path)
241 Back pressure valve (scavenging gas supply means)
25 Hydrogen supply channel (reactive gas channel)
26 Hydrogen reflux path (reactive gas path)
29 Anode air discharge path (reactive gas flow path)
291 Anode air discharge valve (scavenging gas supply means)
31 Anode air introduction path (reaction gas flow path)
311 Anode air introduction valve (scavenging gas supply means)
40 control device 41 scavenging necessity determination unit (scavenging necessity determination means)
42 Scavenging execution unit (scavenging execution means)
50 Diluter 51 Discharge pipe (reaction gas flow path)
52 System temperature sensor 59 Outside temperature sensor (outside temperature detection means)

Claims (4)

反応ガスの反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池に接続され、反応ガスが流通する反応ガス流路と、
前記燃料電池及び前記反応ガス流路に掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段と、
前記燃料電池による発電の停止後において、システム温度に基づいて前記燃料電池及び前記反応ガス流路の掃気を実行する必要があるか否かを判断する掃気必要判断手段と、
前記掃気必要判断手段により、掃気を実行する必要があると判断された場合には、前記掃気ガス供給手段を制御して、前記燃料電池及び前記反応ガス流路に掃気ガスを供給する掃気実行手段と、を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段をさらに備え、
前記掃気実行手段は、前記燃料電池温度検出手段により検出された燃料電池の温度が高いほど、前記燃料電池及び前記反応ガス流路に供給する掃気ガスの単位時間当りの体積流量を減少することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by reaction of the reaction gas; and
A reaction gas flow path connected to the fuel cell and through which a reaction gas flows;
A scavenging gas supply means for supplying a scavenging gas to the fuel cell and the reaction gas flow path;
A scavenging necessity determining means for determining whether or not scavenging of the fuel cell and the reaction gas flow channel needs to be performed based on a system temperature after stopping the power generation by the fuel cell;
When the scavenging necessity determining means determines that scavenging needs to be executed, the scavenging execution means supplies the scavenging gas to the fuel cell and the reaction gas flow path by controlling the scavenging gas supply means. A fuel cell system comprising:
A fuel cell temperature detecting means for detecting the temperature of the fuel cell;
The scavenging execution means decreases the volume flow rate per unit time of the scavenging gas supplied to the fuel cell and the reaction gas flow path as the temperature of the fuel cell detected by the fuel cell temperature detecting means is higher. A fuel cell system. 外気温度を検出する外気温度検出手段をさらに備え、
前記掃気実行手段は、前記外気温度検出手段により検出された外気温度に応じて、前記燃料電池及び前記反応ガス流路に供給する掃気ガスの単位時間当りの体積流量を補正することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 It further comprises an outside air temperature detecting means for detecting the outside air temperature,
The scavenging executing means corrects the volume flow rate per unit time of the scavenging gas supplied to the fuel cell and the reaction gas flow path according to the outside air temperature detected by the outside air temperature detecting means. The fuel cell system according to claim 1. 反応ガスの反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池に接続され、反応ガスが流通する反応ガス流路と、
前記燃料電池及び前記反応ガス流路に掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池による発電の停止後において、システム温度に基づいて前記燃料電池及び前記反応ガス流路の掃気を実行する必要があるか否かを判断する掃気必要判断ステップと、
掃気を実行する必要があると判断された場合には、前記掃気ガス供給手段を制御して、前記燃料電池及び前記反応ガス流路に掃気ガスを供給するとともに、燃料電池の温度が高いほど、前記燃料電池及び前記反応ガスに供給する掃気ガスの単位時間当りの体積流量を減少する掃気実行ステップと、を備えることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 A fuel cell that generates electricity by reaction of the reaction gas; and
A reaction gas flow path connected to the fuel cell and through which a reaction gas flows;
A scavenging gas supply means for supplying a scavenging gas to the fuel cell and the reaction gas flow path, and a control method for a fuel cell system comprising:
A scavenging necessity determination step for determining whether or not scavenging of the fuel cell and the reaction gas flow path needs to be performed based on a system temperature after stopping the power generation by the fuel cell;
When it is determined that scavenging needs to be performed, the scavenging gas supply means is controlled to supply scavenging gas to the fuel cell and the reaction gas flow path, and the higher the temperature of the fuel cell, And a scavenging execution step of reducing a volume flow rate per unit time of the scavenging gas supplied to the fuel cell and the reaction gas. 前記掃気実行ステップでは、外気温度に応じて、前記燃料電池及び前記反応ガス流路に供給する掃気ガスの単位時間当りの体積流量を補正することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システムの制御方法。   4. The fuel cell system according to claim 3, wherein in the scavenging execution step, a volume flow rate per unit time of the scavenging gas supplied to the fuel cell and the reaction gas flow path is corrected according to an outside air temperature. Control method.
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