JP2009158268A - Fuel cell system - Google Patents

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Naohisa Tsuchiya
尚久 土屋
Tetsuya Bono
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To appropriately determine closing of an air inlet valve in the operation stop processing of a fuel cell system. <P>SOLUTION: When the operation of a fuel cell stack is stopped, a fuel cell system opens an air bypass valve and closes an air pressure adjusting valve, finds pressure increase delay time t<SB>dl</SB>until outlet air pressure increases and reaches the prescribed increase threshold pressure P<SB>1</SB>based on delay time in which the air bypass valve becomes the command opening and delay time in which the air pressure adjusting valve becomes the command opening, and based on this, determines opening of the air bypass valve and closing of the air pressure adjusting valve, and according to the determination, closes the air inlet valve in the time t<SB>3</SB>. The fuel cell system finds pressure decrease delay time t<SB>d2</SB>until outlet air pressure decreases and reaches the prescribed decrease threshold pressure P<SB>2</SB>based on the delay time in which the air inlet valve becomes the command opening, and based on this, determines closing of the air inlet valve. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は燃料電池システムに係り、特に、燃料電池スタックのカソード側にエア入口弁とエア出口弁とを有する燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system having an air inlet valve and an air outlet valve on the cathode side of a fuel cell stack.

環境に与える影響が少ないことから、車両に燃料電池の搭載が行われている。燃料電池は、例えば燃料電池スタックのアノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸化ガス、例えば適当に加圧された空気を供給し、電解質膜を含むMEA(Membrane Electrode Assembly)を通しての反応によって必要な電力を取り出す。このときに、電気化学反応の結果として水が生成される。   Since there is little impact on the environment, fuel cells are installed in vehicles. The fuel cell supplies, for example, a fuel gas such as hydrogen to the anode side of the fuel cell stack, supplies an oxidizing gas, for example, appropriately pressurized air, to the cathode side, and passes through an MEA (Membrane Electrode Assembly) including an electrolyte membrane. The necessary power is taken out by the reaction. At this time, water is produced as a result of the electrochemical reaction.

ここで燃料電池システムにおいては、酸化ガス、燃料ガスを燃料電池スタックに供給する流体流路管路には、これらのガスの供給及び停止を行うための各種の弁が設けられる。そして、燃料電池システムの運転停止の際には、燃料電池スタックを構成するMEA等の保護のために、これら各種の弁の開閉処理が行われる。   Here, in the fuel cell system, various valves for supplying and stopping these gases are provided in the fluid flow channel for supplying the oxidizing gas and the fuel gas to the fuel cell stack. When the operation of the fuel cell system is stopped, these various valves are opened and closed in order to protect the MEA and the like constituting the fuel cell stack.

例えば、特許文献1には、固体高分子電解質形燃料電池の運転方法として、燃料電池本体への燃料ガス供給ライン、酸化剤ガス供給ライン、燃料電池本体からの燃料ガス排出ライン、酸化剤ガス排出ラインのそれぞれに開閉バルブを設けることが開示されている。そして、発電運転停止状態、特に発電運転の停止直後においては固体高分子電解質膜から水分が蒸発して電池の外部へ流出するが、これを抑制するため、発電運転を停止したとき、直ちにこれら4つの開閉バルブを閉状態に移行することが述べられている。   For example, in Patent Document 1, as a method of operating a solid polymer electrolyte fuel cell, a fuel gas supply line to the fuel cell body, an oxidant gas supply line, a fuel gas discharge line from the fuel cell body, an oxidant gas discharge It is disclosed that an open / close valve is provided in each of the lines. In the power generation operation stop state, particularly immediately after the power generation operation is stopped, the water evaporates from the solid polymer electrolyte membrane and flows out of the battery. It is stated that one open / close valve is shifted to a closed state.

特開2004−6166号公報JP 2004-6166 A

特許文献1に述べられるように、燃料電池システムの運転停止の際に、酸化ガスの供給側と排出側とを閉止し、燃料電池スタックを密閉した状態にすることが行われる。このときに、燃料電池スタックの内部が過剰に加圧されないように、酸化ガスの供給側のエア入口弁を先に閉じ、エア出口弁側の圧力が低下してからエア出口弁を閉じるようにすることが好ましい。   As described in Patent Document 1, when the operation of the fuel cell system is stopped, the oxidizing gas supply side and the discharge side are closed, and the fuel cell stack is sealed. At this time, the air inlet valve on the oxidant gas supply side is closed first so that the inside of the fuel cell stack is not excessively pressurized, and the air outlet valve is closed after the pressure on the air outlet valve side has decreased. It is preferable to do.

ここで、エア入口弁が閉止されたことの判断は、エア出口圧力の監視で行うことができるが、圧力検出手段に凍結等の恐れがある場合には、時間管理で行うことになる。ここで、エア入口弁の閉止判断が不適切であると、上記のように燃料電池スタックの内部が送込まれる酸化ガスで加圧され、その加圧状態でエア出口弁が閉じられる恐れがある。この場合には、エア入口弁、エア出口弁等の封止力が低下し、場合によっては大気等が燃料電池スタック内に侵入して、MEAの変質を招く恐れがある。   Here, the determination that the air inlet valve is closed can be made by monitoring the air outlet pressure, but if there is a risk of freezing or the like in the pressure detecting means, it will be made by time management. Here, if the air inlet valve closing judgment is inappropriate, the inside of the fuel cell stack is pressurized with the oxidant gas fed as described above, and the air outlet valve may be closed in the pressurized state. . In this case, the sealing force of the air inlet valve, the air outlet valve, etc. is reduced, and in some cases, air or the like may enter the fuel cell stack, leading to deterioration of the MEA.

本発明の目的は、エア入口弁の閉止判断をより適切に行うことを可能にする燃料電池スタックを提供することである。   An object of the present invention is to provide a fuel cell stack that makes it possible to more appropriately determine whether to close an air inlet valve.

本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池スタックのカソード側において、酸化ガス供給口に接続されるエア入口弁と、酸化ガス排出口に直列に接続されるエア調圧弁とエア出口弁と、エア入口弁と燃料電池スタックとの間に一方端が接続され、エア調圧弁とエア出口弁との間に他方端が接続されるエアバイパス弁と、を備える燃料電池システムであって、燃料電池スタックの運転停止の際に、エアバイパス弁を指定開度となるように開方向に作動させるバイパス弁処理手段と、エアバイパス弁の開指令処理に伴って、エア調圧弁を指定開度となるように閉方向に作動させる調圧弁閉処理手段と、エア入口弁を指定開度となるように閉方向に作動させる入口弁処理手段と、エアバイパス弁が指令開度となるまでの遅れ時間と、エア調圧弁が指令開度となるまでの遅れ時間とに基いて、エア入口弁閉止判断を行う判断手段と、判断手段の判断に従ってエア出口弁を指定開度となるように閉方向に作動させる出口弁処理手段と、を備えることを特徴とする。   The fuel cell system according to the present invention includes an air inlet valve connected to the oxidizing gas supply port, an air pressure regulating valve and an air outlet valve connected in series to the oxidizing gas discharge port, and an air outlet on the cathode side of the fuel cell stack. An air bypass valve having one end connected between the inlet valve and the fuel cell stack and the other end connected between the air pressure regulating valve and the air outlet valve, the fuel cell stack comprising: When the operation is stopped, the bypass valve processing means for operating the air bypass valve in the opening direction so as to have the specified opening, and the air pressure adjusting valve to be set to the specified opening in accordance with the opening command processing of the air bypass valve Pressure regulating valve closing processing means for operating in the closing direction, inlet valve processing means for operating the air inlet valve in the closing direction so as to have a specified opening, a delay time until the air bypass valve reaches the command opening, Air pressure regulating valve Determination means for determining whether the air inlet valve is closed based on the delay time until the command opening is reached, and outlet valve processing means for operating the air outlet valve in the closing direction so as to reach the specified opening according to the determination of the determination means And.

また、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池スタックの酸化ガス供給口に接続されるエア入口弁と、燃料電池スタックの酸化ガス排出口に設けられるエア調圧弁と、エア調圧弁の下流側に設けられるエア出口弁と、燃料電池スタックに並列に設けられ、エア入口弁と燃料電池スタックとの間に一方端が接続され、エア調圧弁とエア出口弁との間に他方端が接続されるエアバイパス弁と、燃料電池スタックの運転を制御する制御部と、を備え、制御部は、燃料電池スタックの運転停止の際に、エアバイパス弁を指定開度となるように開方向に作動させるバイパス弁処理手段と、エアバイパス弁の開指令処理に伴って、エア調圧弁を指定開度となるように閉方向に作動させる調圧弁閉処理手段と、エアバイパス弁が指令開度となるまでの遅れ時間と、エア調圧弁が指令開度となるまでの遅れ時間とに基いて、エア調圧弁とエア出口弁の間における出口エア圧力が上昇して予め定めた所定の上昇閾値圧力になるまでの圧力上昇遅れ時間を求め、求められた圧力上昇遅れ時間に基いてエアバイパス弁開放及び調圧弁閉止判断を行う第1判断手段と、第1判断手段の判断に従ってエア入口弁を指定開度となるように閉方向に作動させる入口弁処理手段と、エア入口弁が指令開度となるまでの遅れ時間に基いて、出口エア圧力が低下して予め定めた所定の低下閾値圧力になるまでの圧力低下遅れ時間を求め、求められた圧力低下遅れ時間に基いてエア入口弁閉止判断を行う第2判断手段と、第2判断手段の判断に従ってエア出口弁を指定開度となるように閉方向に作動させる出口弁処理手段と、を含むことを特徴とする。   The fuel cell system according to the present invention includes an air inlet valve connected to an oxidizing gas supply port of a fuel cell stack, an air pressure regulating valve provided at an oxidizing gas discharge port of the fuel cell stack, and a downstream side of the air pressure regulating valve. The air outlet valve is provided in parallel with the fuel cell stack, one end is connected between the air inlet valve and the fuel cell stack, and the other end is connected between the air pressure regulating valve and the air outlet valve. An air bypass valve and a control unit that controls the operation of the fuel cell stack, and the control unit operates in the opening direction so that the air bypass valve has a specified opening degree when the fuel cell stack is stopped. The bypass valve processing means to be operated, the pressure regulating valve closing processing means for operating the air pressure regulating valve in the closing direction so as to have the specified opening degree, and the air bypass valve to become the command opening degree in accordance with the opening instruction processing of the air bypass valve Late until Based on the time and the delay time until the air pressure regulating valve reaches the command opening, the outlet air pressure between the air pressure regulating valve and the air outlet valve rises until reaching a predetermined increase threshold pressure. First determination means for obtaining a pressure rise delay time and making an air bypass valve opening and pressure regulating valve closing judgment based on the obtained pressure rise delay time, and the air inlet valve at a specified opening degree according to the judgment of the first judgment means The pressure until the outlet air pressure drops and reaches a predetermined lower threshold pressure based on the delay time until the air inlet valve reaches the command opening degree A second determination means for determining a decrease delay time and determining whether the air inlet valve is closed based on the determined pressure decrease delay time; and in a closing direction so that the air outlet valve has a specified opening according to the determination of the second determination means Outlet valve processing hand operated Characterized in that it comprises a and.

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、出口エア圧力を検出する圧力検出手段を備え、第2判断手段は、圧力検出手段の検出結果に基いてエア入口弁閉止判断を行うことが好ましい。   The fuel cell system according to the present invention preferably includes pressure detection means for detecting the outlet air pressure, and the second determination means makes an air inlet valve closing determination based on a detection result of the pressure detection means.

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、第2判断手段は、圧力検出手段が圧力低下方向に出口エア圧力が変化したことを検出してから、圧力低下遅れ時間に基いて予め定めた所定の閾値時間を経過しても出口エア圧力の検出値が出口低下閾値圧力を下回らないときには、閾値時間が経過したときにエア入口弁閉止判断を行うことが好ましい。   Further, in the fuel cell system according to the present invention, the second determination means detects a change in the outlet air pressure in the pressure drop direction, and then determines a predetermined predetermined value based on the pressure drop delay time. If the detected value of the outlet air pressure does not fall below the outlet lowering threshold pressure even after the threshold time has elapsed, it is preferable to determine whether the air inlet valve is closed when the threshold time has elapsed.

上記構成の少なくとも1つにより、燃料電池システムは、燃料電池スタックの運転停止の際に、エアバイパス弁を指定開度となるように開方向に作動させ、エア調圧弁を指定開度となるように閉方向に作動させ、エア入口弁を指定開度となるように閉方向に作動させる。そして、エアバイパス弁が指令開度となるまでの遅れ時間と、エア調圧弁が指令開度となるまでの遅れ時間とに基いて、エア入口弁閉止判断を行う。これにより、エア出口圧力を判断に用いることができないときでも、各種弁の作動の遅れ時間を考慮した時間管理を行うことができるので、エア入口弁の閉止判断をより適切に行える。   With at least one of the above-described configurations, the fuel cell system operates the air bypass valve in the opening direction so that the specified opening degree is reached and stops the air pressure adjustment valve when the fuel cell stack is stopped. The air inlet valve is operated in the closing direction so that the opening degree is the specified opening degree. Then, based on the delay time until the air bypass valve reaches the command opening and the delay time until the air pressure adjustment valve reaches the command opening, the air inlet valve closing determination is performed. Thereby, even when the air outlet pressure cannot be used for the determination, the time management considering the delay time of the operation of the various valves can be performed, so that the air inlet valve closing determination can be performed more appropriately.

また、上記構成の少なくとも1つにより、エア入口弁の閉止までの判断を、2段階に分けて行うことができる。すなわち、エアバイパス弁が指令開度となるまでの遅れ時間と、エア調圧弁が指令開度となるまでの遅れ時間とに基いて、エア調圧弁とエア出口弁の間における出口エア圧力が上昇して予め定めた所定の上昇閾値圧力になるまでの圧力上昇遅れ時間を求め、求められた圧力上昇遅れ時間に基いてエアバイパス弁開放及び調圧弁閉止の第1段階の判断を行い、この判断に従ってエア入口弁を指定開度となるように閉方向に作動させエア入口弁が指令開度となるまでの遅れ時間に基いて、出口エア圧力が低下して予め定めた所定の低下閾値圧力になるまでの圧力低下遅れ時間を求め、求められた圧力低下遅れ時間に基いてエア入口弁閉止判断を行う第2段階の判断を行う。これによって、エア入口弁の閉止判断をより一層適切に行える。   In addition, with at least one of the above-described configurations, the determination until the air inlet valve is closed can be performed in two stages. That is, the outlet air pressure between the air pressure regulating valve and the air outlet valve increases based on the delay time until the air bypass valve reaches the command opening and the delay time until the air pressure regulating valve reaches the command opening. Then, the pressure rise delay time until the predetermined rise threshold pressure is reached is obtained, and the determination of the first stage of opening the air bypass valve and closing the pressure regulating valve is performed based on the obtained pressure rise delay time. The air inlet valve is operated in the closing direction so as to have a specified opening degree, and the outlet air pressure is reduced to a predetermined lower threshold pressure based on the delay time until the air inlet valve reaches the command opening degree. A second-stage determination is performed to determine the pressure drop delay time until the air pressure is reached and to determine whether the air inlet valve is closed based on the determined pressure drop delay time. As a result, it is possible to more appropriately determine whether to close the air inlet valve.

また、燃料電池システムにおいて、出口エア圧力を検出する圧力検出手段を備えて、圧力検出手段を用いることができるときは、その検出結果に基いてエア入口弁閉止判断を行うので、実際の圧力状態に応じたエア入口弁の閉止判断を行うことができる。   Further, in the fuel cell system, when the pressure detection means can be used with the pressure detection means for detecting the outlet air pressure, the air inlet valve closing determination is made based on the detection result, so that the actual pressure state It is possible to determine whether or not to close the air inlet valve according to the above.

また、燃料電池システムにおいて、圧力検出手段が圧力低下方向に出口エア圧力が変化したことを検出してから、圧力低下遅れ時間に基いて予め定めた所定の閾値時間を経過しても出口エア圧力の検出値が出口低下閾値圧力を下回らないときには、閾値時間が経過したときにエア入口弁閉止判断を行う。これにより、圧力検出手段を備えていても、その検出結果の信頼性が低いときには、エア入口弁の作動の遅れ時間を考慮した時間管理により、エア入口弁の閉止判断を適切に行うことができる。   Further, in the fuel cell system, the outlet air pressure is detected even if a predetermined threshold time elapses based on the pressure drop delay time after the pressure detecting means detects that the outlet air pressure has changed in the pressure drop direction. When the detected value does not fall below the outlet lowering threshold pressure, the air inlet valve closing determination is performed when the threshold time has elapsed. As a result, even if the pressure detection means is provided, when the reliability of the detection result is low, it is possible to appropriately determine whether the air inlet valve is closed by time management that takes into account the delay time of the operation of the air inlet valve. .

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下では、燃料電池システムがハイブリッド車両に搭載されるものとして説明するが、ハイブリッド車両以外の車両、例えばエンジンを搭載しない電気自動車であってもよい。また、燃料電池システムは、車両に搭載されるもの以外、例えば、定置型の燃料電池システムであってもよい。また、エア入口弁、エア出口弁等は、気体制御弁であるシャット弁として説明するが、勿論、これ以外の弁であっても、その開閉作動遅れ特性等が予め評価されているものであれば、これを用いることができる。例えば、電磁弁等を用いることができる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, the fuel cell system is described as being mounted on a hybrid vehicle, but may be a vehicle other than the hybrid vehicle, for example, an electric vehicle without an engine. The fuel cell system may be, for example, a stationary fuel cell system other than the one mounted on the vehicle. In addition, the air inlet valve, the air outlet valve, and the like are described as shut valves that are gas control valves, but, of course, other valves may have their opening / closing operation delay characteristics evaluated in advance. This can be used. For example, a solenoid valve or the like can be used.

図1は、ハイブリッド車両に搭載された燃料電池システム10の構成を説明する図である。燃料電池システム10は、燃料電池本体20と、燃料電池本体20の運転制御を行う制御部70とを含んで構成される。   FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a fuel cell system 10 mounted on a hybrid vehicle. The fuel cell system 10 includes a fuel cell main body 20 and a control unit 70 that controls the operation of the fuel cell main body 20.

燃料電池本体20は、燃料電池セルが複数積層されて燃料電池スタック22と呼ばれる燃料電池本体及び、燃料電池スタック22のアノード側に配置される燃料ガス供給用の各要素と、カソード側に配置される酸化ガス供給用の各要素を含んで構成される。   The fuel cell main body 20 is disposed on the cathode side, a fuel cell main body called a fuel cell stack 22 in which a plurality of fuel cells are stacked, each element for supplying fuel gas disposed on the anode side of the fuel cell stack 22, and the cathode side. Each element for supplying an oxidizing gas is included.

燃料電池スタック22は、電解質膜の両側に触媒電極層を配置したMEAの両外側にセパレータを配置して挟持した単電池を複数個組み合わせて積層したものである。燃料電池スタック22は、アノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含む酸化ガス、例えば空気を供給し、電解質膜を通しての電池化学反応によって発電し、必要な電力を取り出す機能を有する。なお、燃料電池スタック22は、FCスタックと呼ばれることもある。   The fuel cell stack 22 is formed by stacking a plurality of unit cells in which separators are arranged and sandwiched between both sides of an MEA in which catalyst electrode layers are arranged on both sides of an electrolyte membrane. The fuel cell stack 22 has a function of supplying a fuel gas such as hydrogen to the anode side, supplying an oxidizing gas containing oxygen, for example, air, to the cathode side, generating power by a cell chemical reaction through the electrolyte membrane, and taking out necessary power. Have The fuel cell stack 22 is sometimes called an FC stack.

アノード側の燃料ガスタンク26は、水素ガス源であって、燃料ガスとしての水素を供給するタンクである。水素ガス源である燃料ガスタンク26に接続されるレギュレータ46は、水素ガス源である燃料ガスタンク26からのガスを適当な圧力と流量に調整する機能を有する。レギュレータ46の出力口に設けられる圧力計は、供給水素圧力を検出する測定器である。レギュレータ46の出力口は燃料電池スタック22のアノード側入口に接続され、適当な圧力と流量に調整された燃料ガスが燃料電池スタック22に供給される。   The anode-side fuel gas tank 26 is a hydrogen gas source and is a tank that supplies hydrogen as a fuel gas. The regulator 46 connected to the fuel gas tank 26 that is a hydrogen gas source has a function of adjusting the gas from the fuel gas tank 26 that is a hydrogen gas source to an appropriate pressure and flow rate. The pressure gauge provided at the output port of the regulator 46 is a measuring device that detects the supply hydrogen pressure. The output port of the regulator 46 is connected to the anode side inlet of the fuel cell stack 22, and the fuel gas adjusted to an appropriate pressure and flow rate is supplied to the fuel cell stack 22.

燃料電池スタック22のアノード側出口に接続される分流器47は、アノード側出口からの排出ガスの不純物ガス濃度が高まってきたときに、排気バルブ48を通して希釈器28に流すためのものである。また、分流器47の後でさらにアノード側入口との間に設けられる循環昇圧器49は、アノード側出口から戻ってくるガスの水素分圧を高めて再びアノード側入口に戻し再利用する機能を有する水素ポンプである。   The shunt 47 connected to the anode side outlet of the fuel cell stack 22 is for flowing through the exhaust valve 48 to the diluter 28 when the impurity gas concentration of the exhaust gas from the anode side outlet increases. Further, the circulation booster 49 provided between the flow divider 47 and the anode side inlet further increases the hydrogen partial pressure of the gas returning from the anode side outlet and returns it to the anode side inlet for reuse. It has a hydrogen pump.

カソード側の酸化ガス源40は、実際には大気を用いることができる。酸化ガス源40である大気はフィルタを通してからエアコンプレッサ(ACP)42に供給される。ACP42は、モータによって酸化ガスを容積圧縮してその圧力を高める気体昇圧機である。またACP42は、その回転速度(毎分当りの回転数)を可変して、所定量の酸化ガスを提供する機能を有する。すなわち、酸化ガスの所要流量が大きいときは、モータの回転速度を上げ、逆に酸化ガスの所要流量が小さいときは、モータの回転速度を下げる。ACP42の回転数は、回転数検出器64によって取得することができる。   The oxidant gas source 40 on the cathode side can actually use the atmosphere. The atmosphere as the oxidizing gas source 40 is supplied to an air compressor (ACP) 42 after passing through a filter. The ACP 42 is a gas booster that compresses the volume of oxidizing gas by a motor to increase its pressure. Further, the ACP 42 has a function of providing a predetermined amount of oxidizing gas by changing the rotation speed (the number of rotations per minute). That is, when the required flow rate of the oxidizing gas is large, the rotational speed of the motor is increased. Conversely, when the required flow rate of the oxidizing gas is small, the rotational speed of the motor is decreased. The rotational speed of the ACP 42 can be acquired by the rotational speed detector 64.

ACP42の下流側に設けられるインタクーラ(I/C)44は、燃料電池スタック22を冷却するための冷媒と、酸化ガスとの間の熱交換器である。すなわち、燃料電池スタック22の起動時等で冷却用冷媒の温度が低温のとき等には、これよりは暖かい酸化ガスによって冷却用冷媒を暖め、一方、燃料電池スタック22が定常運転となって冷却用冷媒の温度が高くなるとき等には、これよりは低温の酸化ガスによって冷却用冷媒を冷却する機能を有する。   An intercooler (I / C) 44 provided on the downstream side of the ACP 42 is a heat exchanger between the refrigerant for cooling the fuel cell stack 22 and the oxidizing gas. That is, when the temperature of the cooling refrigerant is low, such as when the fuel cell stack 22 is started up, the cooling refrigerant is warmed by a warmer oxidant gas, while the fuel cell stack 22 is cooled in a steady operation. For example, when the temperature of the refrigerant for cooling becomes high, the cooling refrigerant is cooled by an oxidizing gas having a temperature lower than that.

加湿モジュール24は、酸化ガスを適度に湿らせ、燃料電池スタック22での燃料電池反応を効率よく行わせる機能を有するもので、加湿器とも呼ばれる。加湿モジュール24により適度に湿らせられた酸化ガスは、燃料電池スタック22のカソード側入口に供給され、カソード側出口から排気される。このときに、排気とともに反応生成物である水も排出される。燃料電池スタック22は反応により高温になるので、排出される水は水蒸気となっており、この水蒸気が加湿モジュール24に戻されて、酸化ガスを適度に湿らせる。このように、加湿モジュール24は、酸化ガスに水蒸気の水分を適当に与える機能を有するもので、いわゆる中空糸を用いたガス交換器を用いることができる。   The humidification module 24 has a function of appropriately humidifying the oxidizing gas and efficiently performing the fuel cell reaction in the fuel cell stack 22, and is also referred to as a humidifier. The oxidizing gas appropriately moistened by the humidifying module 24 is supplied to the cathode side inlet of the fuel cell stack 22 and exhausted from the cathode side outlet. At this time, water as a reaction product is also discharged together with the exhaust. Since the fuel cell stack 22 is heated to a high temperature due to the reaction, the discharged water is water vapor, and this water vapor is returned to the humidification module 24 to appropriately wet the oxidizing gas. Thus, the humidification module 24 has a function of appropriately giving water vapor to the oxidizing gas, and a gas exchanger using a so-called hollow fiber can be used.

ここで、上記の酸化ガス源40と、燃料電池スタック22のカソード側入口とを接続する流路のことをIN側流路、あるいは入口側流路、あるいは供給側流路と呼ぶことができる。これに対応して、燃料電池スタック22のカソード側出口から排気側へ接続される流路をOUT側流路、あるいは出口側流路、あるいは排気側流路と呼ぶことができる。   Here, the flow path connecting the oxidizing gas source 40 and the cathode side inlet of the fuel cell stack 22 can be called an IN side flow path, an inlet side flow path, or a supply side flow path. Correspondingly, a flow path connected from the cathode side outlet of the fuel cell stack 22 to the exhaust side can be called an OUT side flow path, an outlet side flow path, or an exhaust side flow path.

したがって、酸化ガスの経路である酸化ガス経路は、酸化ガス源40から加湿モジュール24を経由してIN側流路よりエア入口弁32を介して燃料電池スタック22の内部に入り、燃料電池スタック22の内部からOUT側流路に出て、エア出口弁34を介して加湿モジュール24を経由して外気へと延びる。   Accordingly, the oxidizing gas path, which is the oxidizing gas path, enters the fuel cell stack 22 from the oxidizing gas source 40 through the humidification module 24 and through the air inlet valve 32 from the IN side flow path. From the inside to the OUT-side flow path, and extends to the outside air via the humidification module 24 via the air outlet valve 34.

なお、IN側流路に平行に、加湿モジュール24をバイパスするように、加湿モジュールバイパス弁36を介して、バイパス流路が設けられる。この流路は、加湿モジュールバイパス流路と呼ばれ、例えば、燃料電池スタック22に、DRYな酸化ガスを強制的に供給して、掃気等を行う場合に用いられるものである。   In addition, a bypass flow path is provided via the humidification module bypass valve 36 so as to bypass the humidification module 24 in parallel with the IN side flow path. This flow path is called a humidification module bypass flow path, and is used, for example, when scavenging or the like is performed by forcibly supplying a DRY oxidizing gas to the fuel cell stack 22.

IN側流路において加湿モジュール24の手前に設けられる圧力計60は、供給酸化ガスの圧力を検出する測定器である。加湿モジュール24の手前に設けられるのは、加湿前の酸化ガス、すなわちDRYガスの圧力を測定するためである。したがって、圧力計60は、その測定対象からいえば、DRY圧力検出手段であり、設けられる場所からいえば、インタクーラ出口圧力を検出するI/C出口圧力センサでもある。   The pressure gauge 60 provided in front of the humidification module 24 in the IN side channel is a measuring device that detects the pressure of the supplied oxidizing gas. The reason why it is provided in front of the humidification module 24 is to measure the pressure of the oxidizing gas before humidification, that is, the DRY gas. Therefore, the pressure gauge 60 is a DRY pressure detecting means in terms of the measurement object, and is also an I / C outlet pressure sensor for detecting the intercooler outlet pressure from the place where the pressure gauge 60 is provided.

また、OUT側流路において燃料電池スタック22の出口のあとに設けられる圧力計62は、使用済みガスの圧力、つまり排気ガス圧を検出する測定器である。この圧力計62は、先ほどの圧力計60と対比すると、燃料電池スタック22の出口エア圧力を検出する出口エア圧力検出手段である。   The pressure gauge 62 provided after the outlet of the fuel cell stack 22 in the OUT side channel is a measuring device that detects the pressure of the used gas, that is, the exhaust gas pressure. The pressure gauge 62 is outlet air pressure detection means for detecting the outlet air pressure of the fuel cell stack 22 in comparison with the pressure gauge 60 described above.

また、出口エア圧力検出手段である圧力計62の後に設けられるエア調圧弁45は、背圧弁とも呼ばれるが、カソード側出口のガス圧を調整し、燃料電池スタック22への酸化ガスの流量を調整する機能を有する弁で、例えばバタフライ弁のように流路の実効開口を調整できる弁を用いることができる。エア調圧弁45の出力口は、上記の加湿モジュール24に接続されるので、エア調圧弁45を出たガスは加湿モジュール24に水蒸気を供給した後、再び戻って、希釈器28に入り、その後外部に排出される。   The air pressure adjusting valve 45 provided after the pressure gauge 62 serving as the outlet air pressure detecting means is also called a back pressure valve, and adjusts the gas pressure at the cathode side outlet to adjust the flow rate of the oxidizing gas to the fuel cell stack 22. For example, a valve that can adjust the effective opening of the flow path, such as a butterfly valve, can be used. Since the output port of the air pressure regulating valve 45 is connected to the humidifying module 24, the gas that has exited the air pressure regulating valve 45 supplies water vapor to the humidifying module 24 and then returns to the diluter 28. It is discharged outside.

希釈器28は、アノード側の排気バルブ48からの排水混じりの水素、及び、カソード側の水蒸気混じりでさらにMEAを通して漏れてくる水素混じりの排気を集め、適当な水素濃度に希釈して外部に排出するためのバッファ容器である。希釈用のガスとしては、酸化ガスが用いられ、そのために、エアバイパス弁38を介するエアバイパス流路が燃料電池スタック22に並列に、具体的には加湿モジュール24に並列に設けられる。   The diluter 28 collects hydrogen mixed with drainage from the exhaust valve 48 on the anode side and exhaust gas mixed with hydrogen leaking through the MEA due to water vapor mixed with the cathode side, diluted to an appropriate hydrogen concentration, and discharged to the outside. This is a buffer container. As the gas for dilution, an oxidizing gas is used. For this purpose, an air bypass passage through the air bypass valve 38 is provided in parallel with the fuel cell stack 22, specifically, in parallel with the humidification module 24.

エアバイパス弁38は、上記のようにエアバイパス流路に設けられる弁で、一方端がエア入口弁32と燃料電池スタック22との間に接続され、他方端がエア調圧弁45とエア出口弁34との間にされる。   The air bypass valve 38 is a valve provided in the air bypass flow path as described above. One end of the air bypass valve 38 is connected between the air inlet valve 32 and the fuel cell stack 22, and the other end is an air pressure regulating valve 45 and an air outlet valve. 34.

ここで、エア入口弁32、エア出口弁34、加湿モジュールバイパス弁36、エアバイパス弁38は、前者2つが通常は開状態であり、後者2つが通常は閉状態であることが相違するが、ほぼ同じ構造である。これら4つは、圧力室の内圧に応じて作動するピストン等の可動子を有する気体制御弁である。   Here, the air inlet valve 32, the air outlet valve 34, the humidification module bypass valve 36, and the air bypass valve 38 are different in that the former two are normally open and the latter two are normally closed. The structure is almost the same. These four are gas control valves having movers such as pistons that operate according to the internal pressure of the pressure chamber.

これらの気体制御弁として、具体的には、ダイヤフラム型のシャット弁を用いることができる。ダイヤフラム型のシャット弁は、ダイヤフラムの変位に管路開閉用の可動子の進退を連動させるものとし、ダイヤフラムの両側に2つの圧力室が設けられる。そして、一方側の圧力室の内圧と、他方側の圧力室の内圧を、高圧と低圧との間で切り換えることでダイヤフラムを変位させ、ピストン等の可動子を進退させて管路を開閉するものである。   Specifically, diaphragm-type shut valves can be used as these gas control valves. The diaphragm-type shut valve interlocks the movement of the movable member for opening and closing the pipe line with the displacement of the diaphragm, and two pressure chambers are provided on both sides of the diaphragm. The diaphragm is displaced by switching the internal pressure of the pressure chamber on one side and the internal pressure of the pressure chamber on the other side between high pressure and low pressure, and a movable element such as a piston is moved forward and backward to open and close the pipeline. It is.

図1におけるPSVボックス50は、エア入口弁32、エア出口弁34、加湿モジュールバイパス弁36、エアバイパス弁38にそれぞれ接続される電磁弁52をまとめて収納する容器体である。電磁弁52は、ACP42からの酸化ガス、ここでは高圧空気の供給を受け、大気圧を低圧として、高圧気体と低圧気体とを切り換えて、エア入口弁32等の2つの圧力室にそれぞれ供給する機能を有する。電磁弁52は、高圧気体と低圧気体とを切り換えて供給する機能を有することから、PSV(Pressure Switching valve)と呼ばれ、したがって、これらをまとめた容器体がPSVボックス50と呼ばれる。   The PSV box 50 in FIG. 1 is a container body that collectively stores the electromagnetic valves 52 connected to the air inlet valve 32, the air outlet valve 34, the humidification module bypass valve 36, and the air bypass valve 38, respectively. The electromagnetic valve 52 is supplied with an oxidizing gas from the ACP 42, here high-pressure air, switches the high-pressure gas and the low-pressure gas to a low pressure, and supplies the pressure to two pressure chambers such as the air inlet valve 32. It has a function. Since the solenoid valve 52 has a function of switching and supplying high-pressure gas and low-pressure gas, it is called PSV (Pressure Switching valve). Therefore, a container body in which these are combined is called a PSV box 50.

ここで、燃料電池システム10の運転停止処理に関係するエア入口弁32、エア出口弁34、エアバイパス弁38、エア調圧弁45について、その機能と開閉作動をさらに詳しく説明する。   Here, functions and opening / closing operations of the air inlet valve 32, the air outlet valve 34, the air bypass valve 38, and the air pressure regulating valve 45 related to the operation stop process of the fuel cell system 10 will be described in more detail.

エア入口弁32は、通常は開状態で、燃料電池システム10が運転停止したとき等に閉状態とされる開閉弁である。燃料電池システム10が運転停止したときに供給側流路を閉じて酸化ガスの供給を止めるのは、燃料電池スタック22に含まれる触媒層等の酸化を抑制する等のためである。   The air inlet valve 32 is an open / close valve that is normally open and is closed when the fuel cell system 10 is stopped. The reason why the supply-side flow path is closed and the supply of the oxidizing gas is stopped when the fuel cell system 10 is stopped is to suppress the oxidation of the catalyst layer and the like included in the fuel cell stack 22.

また、エア出口弁34は、エア入口弁32と同様に、通常は開状態で、燃料電池システム10が運転停止したときに閉状態とされる開閉弁である。   Similarly to the air inlet valve 32, the air outlet valve 34 is an open / close valve that is normally open and is closed when the fuel cell system 10 is stopped.

また、加湿モジュールバイパス弁36は、通常は閉状態で、上記のように、掃気等で必要なときに開状態とされる開閉弁である。   The humidification module bypass valve 36 is an open / close valve that is normally closed and is opened when necessary for scavenging or the like as described above.

また、エアバイパス弁38は、通常は閉状態で、上記のように、希釈等で必要なときに開状態とされる開閉弁である。もっとも、低温時等の場合には、掃気等のために、エアバイパス弁38は少し開いて、適度なエアバイパス流路から酸化ガス排気流路にエアが流される。また、燃料電池システム10の運転停止時には、エアバイパス弁38が開く処理が行われる。   The air bypass valve 38 is an open / close valve that is normally closed and is opened when necessary for dilution or the like as described above. However, when the temperature is low or the like, the air bypass valve 38 is slightly opened for scavenging and the like, and air flows from the appropriate air bypass flow path to the oxidizing gas exhaust flow path. Further, when the operation of the fuel cell system 10 is stopped, a process for opening the air bypass valve 38 is performed.

エア調圧弁45は、上記のように、燃料電池システム10の運転時には、その要求発電量に応じた酸化ガスを流すために、その開度が調整制御される。そして、燃料電池システム10の運転停止時には、エア出口弁34の閉止処理に先立って閉じる処理が行われる。   As described above, when the fuel cell system 10 is in operation, the air pressure regulating valve 45 is adjusted and controlled in order to flow an oxidizing gas corresponding to the required power generation amount. When the operation of the fuel cell system 10 is stopped, a closing process is performed prior to the closing process of the air outlet valve 34.

制御部70は、燃料電池本体20の各要素の作動を全体として制御し、燃料電池スタック22を所望の出力で発電運転する機能を有する。そして、ここでは特に、燃料電池システム10の運転停止における各種弁についてその開閉処理を適切に実行させる機能を有する。そのために、制御部70は、エアバイパス弁開処理・調圧弁閉処理モジュール72、エア入口弁閉処理モジュール74、エア入口弁閉止判断モジュール76、エア出口弁閉処理モジュール78を含む。これらの機能はソフトウェアで実現でき、具体的には、燃料電池運転プログラムの中の運転停止処理プログラムの実行によって実現できる。   The control unit 70 has a function of controlling the operation of each element of the fuel cell main body 20 as a whole and generating and driving the fuel cell stack 22 with a desired output. Here, in particular, the fuel cell system 10 has a function of appropriately executing opening / closing processing of various valves when the operation of the fuel cell system 10 is stopped. For this purpose, the control unit 70 includes an air bypass valve opening processing / pressure regulating valve closing processing module 72, an air inlet valve closing processing module 74, an air inlet valve closing determination module 76, and an air outlet valve closing processing module 78. These functions can be realized by software, specifically, by executing an operation stop processing program in the fuel cell operation program.

上記構成の作用、特に制御部70の機能について、図2、図3を用いて以下に詳細に説明する。図2は、燃料電池システム10における運転停止の際の各種弁の開閉処理についての手順を示すフローチャートで、各手順は、燃料電池運転プログラムの中の運転停止処理プログラムの各処理手順に対応する。図3は、燃料電池システム10における運転停止の際の各要素の状態変化を説明する図で、横軸は時間で、縦軸には、上段から下段に向かって、エアバイパス弁38の開閉指令、エア調圧弁45の開閉指令、エアバイパス弁38の開度、エア調圧弁45の開度、圧力計62の位置における出口エア圧力、エア入口弁32の開閉指令、エア入口弁32の開度、エア出口弁34の開閉指令、遅れ時間がそれぞれ示されている。   The operation of the above configuration, particularly the function of the control unit 70, will be described in detail below with reference to FIGS. FIG. 2 is a flowchart showing a procedure for opening and closing various valves when the operation of the fuel cell system 10 is stopped. Each procedure corresponds to each processing procedure of the operation stop processing program in the fuel cell operation program. FIG. 3 is a diagram for explaining the state change of each element when the operation of the fuel cell system 10 is stopped. The horizontal axis is time, and the vertical axis is an opening / closing command for the air bypass valve 38 from the upper stage to the lower stage. , Opening / closing command of the air pressure regulating valve 45, opening degree of the air bypass valve 38, opening degree of the air pressure regulating valve 45, outlet air pressure at the position of the pressure gauge 62, opening / closing command of the air inlet valve 32, opening degree of the air inlet valve 32 The opening / closing command and the delay time of the air outlet valve 34 are shown.

図2に示されるように、燃料電池システム10における運転停止処理では、エアバイパス弁38の開処理(S10)が行われ、これに対応してエア調圧弁45の閉処理(S12)が行われる。この工程は、制御部70のエアバイパス弁開処理・調圧弁閉処理モジュール72の機能によって実行される。   As shown in FIG. 2, in the operation stop processing in the fuel cell system 10, the air bypass valve 38 is opened (S10), and the air pressure regulating valve 45 is closed (S12) correspondingly. . This process is executed by the function of the air bypass valve opening process / pressure regulating valve closing process module 72 of the control unit 70.

実際には、エアバイパス弁38は掃気等のためにすでに少しの開度を有している場合があり、同様にエア調圧弁45もすでに少しの開度に制限されている場合があるので、その場合においては、S10は、エアバイパス弁38を指定開度となるように開方向に作動させる処理、S12は、エアバイパス弁38の開指令処理に伴って、エア調圧弁45を指定開度となるように閉方向に作動させる処理である。   Actually, the air bypass valve 38 may already have a small opening for scavenging and the like, and similarly, the air pressure regulating valve 45 may already be limited to a small opening. In this case, S10 is a process for operating the air bypass valve 38 in the opening direction so as to have a specified opening, and S12 is a process for opening the air pressure regulating valve 45 in accordance with the opening command process for the air bypass valve 38. This is a process of operating in the closing direction so that

図3では、時刻t1において、エアバイパス弁38の開指令が行われ、これに対応して時刻t2においてエア調圧弁45の閉指令処理が行われる様子が示されている。そして、エアバイパス弁38の実際の開度の変化は、時刻t1よりやや遅れて開始され、気体制御弁の立上り特性に従って、指定開度に向かって開度が大きくなる様子が示されている。エアバイパス弁38の開度立上り特性は、気体制御弁の内部構成の圧力室に供給される気体圧、すなわちACP42からのエア圧と、エアバイパス弁38の仕様に基いて予め取得することができる。 FIG. 3 shows a state in which an opening command for the air bypass valve 38 is issued at time t 1 and a closing command process for the air pressure regulating valve 45 is performed at time t 2 correspondingly. And the change of the actual opening degree of the air bypass valve 38 is started a little later than the time t 1, and it is shown that the opening degree increases toward the designated opening degree according to the rising characteristic of the gas control valve. . The opening degree rise characteristic of the air bypass valve 38 can be acquired in advance based on the gas pressure supplied to the pressure chamber of the internal configuration of the gas control valve, that is, the air pressure from the ACP 42 and the specifications of the air bypass valve 38. .

同様に、エア調圧弁45の実際の開度の変化は、時刻t2よりやや遅れて開始され、例えばバタフライ弁の立下り特性に従って、指定開度に向かって開度が小さくなる様子が示されている。バタフライ弁であるエア調圧弁45の開度立下り特性は、出口エア圧力と、エア調圧弁45の仕様に基いて予め取得することができる。 Similarly, the change in the actual opening degree of the air pressure regulating valve 45 is started slightly later than time t 2, and shows how the opening degree decreases toward the specified opening degree, for example, according to the falling characteristic of the butterfly valve. ing. The opening degree falling characteristic of the air pressure regulating valve 45 that is a butterfly valve can be acquired in advance based on the outlet air pressure and the specifications of the air pressure regulating valve 45.

このように、エアバイパス弁38の開度立上り特性によって、エアバイパス弁38が指定開度となるまでに遅れ時間が発生し、エア調圧弁45の開度立下り特性によって、エア調圧弁45が指定開度となるまでに遅れ時間が発生する。これによって、図3に示されるように、圧力計62のところにおける出口エア圧力が上昇して予め定めた所定の上昇閾値圧力P1になるまでに、ある程度の遅れ時間が生じる。エアバイパス弁38の開指令の時刻t1、あるいはエア調圧弁45の閉指令の時刻t2からのこの遅れ時間を、圧力上昇遅れ時間と呼ぶことができる。図3の例では、時刻t2から上昇閾値圧力P1になるまでの時間が、圧力上昇遅れ時間として、td1として示されている。 Thus, a delay time occurs until the air bypass valve 38 reaches the specified opening due to the opening rise characteristic of the air bypass valve 38, and the air pressure regulating valve 45 is A delay occurs until the specified opening is reached. As a result, as shown in FIG. 3, a certain delay time occurs until the outlet air pressure at the pressure gauge 62 rises to a predetermined increase threshold pressure P 1 . This delay time from the time t 1 of the air bypass valve 38 opening command or the time t 2 of the air pressure regulating valve 45 closing command can be referred to as a pressure rise delay time. In the example of FIG. 3, the time from the time t 2 to the rise threshold pressure P 1 is indicated as t d1 as the pressure rise delay time.

この圧力上昇遅れ時間td1は、上記のように、エアバイパス弁38の開度立上り特性と、エア調圧弁45の開度立下り特性とに基いて予め取得することができる。詳しくは、エアバイパス弁38の内部構成の圧力室に供給されるACP42からのエア圧と、エアバイパス弁38の仕様と、エア調圧弁45にかかる出口エア圧力と、エア調圧弁45の仕様等に基いて予め取得することができる。 The pressure rise delay time t d1 can be acquired in advance based on the opening degree rise characteristic of the air bypass valve 38 and the opening degree fall characteristic of the air pressure regulating valve 45 as described above. Specifically, the air pressure from the ACP 42 supplied to the pressure chamber of the internal configuration of the air bypass valve 38, the specifications of the air bypass valve 38, the outlet air pressure applied to the air pressure regulating valve 45, the specifications of the air pressure regulating valve 45, etc. Can be obtained in advance.

再び図2に戻り、出口エア圧力をPとして、Pが上昇閾値圧力P1以上か否かが判断(S14)されて、肯定であるとS18に進み、エアバイパス弁38の開放とエア調圧弁45の閉止とが完了したと判断され、エア入口弁32の閉処理が行われる。出口エア圧力Pは、圧力計62によって検出される値を用いることができる。ところで、低温下等の条件のときは、圧力計62が正常に作動しないことがある。例えば、低温下において、水分が凍結し、圧力計62が作動しないことが起こり得る。また、凍結に至らないまでも、圧力計62の検出値が不確かなものとなることがある。 Returning to Figure 2 again, the outlet air pressure as P, P is determined (S14) whether ascending threshold pressure P 1 or more, the process proceeds to S18 If it is positive, the open and the air pressure regulating valve of the air bypass valve 38 It is determined that the closing of 45 is completed, and the air inlet valve 32 is closed. As the outlet air pressure P, a value detected by the pressure gauge 62 can be used. By the way, the pressure gauge 62 may not operate normally under conditions such as low temperature. For example, it is possible that the water pressure is frozen and the pressure gauge 62 does not operate at a low temperature. Further, the detected value of the pressure gauge 62 may be uncertain even before freezing.

この場合には、予め取得されている圧力上昇遅れ時間td1を圧力上昇閾値時間として、圧力上昇経過時間がtd1以上であるか否かが判断される(S16)。この判断処理を、後述のS24の判断と区別して、第1判断処理と呼ぶことができる。そして、S16で判断が肯定されると、圧力計62の検出値にかかわらず、S18に進み、エアバイパス弁38の開放とエア調圧弁45の閉止とが完了したと判断され、エア入口弁32の閉処理が行われる。 In this case, as the pressure rise threshold time pressure rise delay time t d1 that is obtained in advance, the pressure rise elapsed time whether or not t d1 or more is judged (S16). This determination process can be referred to as a first determination process in distinction from the determination in S24 described later. If the determination in S16 is affirmative, the process proceeds to S18 regardless of the detected value of the pressure gauge 62, and it is determined that the opening of the air bypass valve 38 and the closing of the air pressure regulating valve 45 are completed. Is closed.

すなわち、圧力計62の検出値であるエア出口圧力Pが上昇閾値圧力P1以上となる時刻か、圧力上昇経過時間がtd1となる時刻か、いずれか早い時刻で、エアバイパス弁38の開放とエア調圧弁45の閉止とが完了したと判断され、S18の処理が行われる。図3では、これらの時刻が一致しているものとして、時刻t3が示されている。そして、S18では、まずエア入口弁32の閉指令が出される。図3では、時刻t3において、エア入口弁32の閉指令が行われている様子が示される。ここまでの処理は、制御部70のエア入口弁閉処理モジュール74の機能によって実行される。 In other words, the air bypass valve 38 is opened at the time when the air outlet pressure P detected by the pressure gauge 62 becomes equal to or higher than the increase threshold pressure P 1 or when the elapsed pressure increase time becomes t d1 , whichever comes first. And the closing of the air pressure regulating valve 45 are determined to be completed, and the process of S18 is performed. In FIG. 3, the time t 3 is shown as a match between these times. In S18, a command to close the air inlet valve 32 is first issued. FIG. 3 shows a state in which the air inlet valve 32 is instructed to close at time t 3 . The processing so far is executed by the function of the air inlet valve closing processing module 74 of the control unit 70.

図3では、時刻t3において、エア入口弁32の開指令が行われ、エア入口弁32の実際の開度の変化は、時刻t3よりやや遅れて開始され、気体制御弁の立上り特性に従って、指定開度に向かって開度が小さくなる様子が示されている。エア入口弁32の開度立下り特性は、気体制御弁の内部構成の圧力室に供給される低圧、すなわち大気圧と、エア入口弁32の仕様に基いて予め取得することができる。 In FIG. 3, at time t 3 , an opening command for the air inlet valve 32 is issued, and the actual opening change of the air inlet valve 32 is started slightly later than time t 3 , and according to the rising characteristics of the gas control valve. The state in which the opening decreases toward the designated opening is shown. The opening degree falling characteristic of the air inlet valve 32 can be acquired in advance based on the low pressure supplied to the pressure chamber of the internal configuration of the gas control valve, that is, the atmospheric pressure, and the specifications of the air inlet valve 32.

このように、エア入口弁32の開度立下り特性によって、エア入口弁32が指定開度の閉状態となるまでに遅れ時間が発生する。これによって、図3に示されるように、圧力計62のところにおける出口エア圧力が低下して予め定めた所定の低下閾値圧力P2になるまでに、ある程度の遅れ時間が生じる。エア入口弁32の閉指令の時刻t3からのこの遅れ時間を、圧力低下遅れ時間と呼ぶことができる。図3の例では、時刻t2から低下閾値圧力P2になるまでの時間が、圧力低下遅れ時間として、td2として示されている。 As described above, due to the opening degree falling characteristic of the air inlet valve 32, a delay time occurs until the air inlet valve 32 is closed to the specified opening degree. As a result, as shown in FIG. 3, a certain delay time occurs until the outlet air pressure at the pressure gauge 62 decreases to a predetermined reduction threshold pressure P 2 . This delay time from the time t 3 of the command to close the air inlet valve 32 can be called a pressure drop delay time. In the example of FIG. 3, the time from the time t 2 to the drop threshold pressure P 2 is shown as t d2 as the pressure drop delay time.

この圧力低下遅れ時間td2は、上記のように、エア入口弁32の開度立下り特性に基いて予め取得することができる。詳しくは、エア入口弁32の内部構成の圧力室に供給される低圧である大気圧と、エア入口弁32の仕様等に基いて予め取得することができる。 The pressure drop delay time t d2 can be acquired in advance based on the opening degree falling characteristic of the air inlet valve 32 as described above. Specifically, it can be acquired in advance based on the atmospheric pressure, which is a low pressure supplied to the pressure chamber of the internal configuration of the air inlet valve 32, the specifications of the air inlet valve 32, and the like.

再び図2に戻り、出口エア圧力をPとして、Pが低下閾値圧力P2以下か否かが判断(S20)されて、肯定であると、エア入口弁が閉じたとの閉止判断がなされる(S24)。出口エア圧力Pは、圧力計62によって検出される値を用いることができる。しかし、上記のように、圧力計62が正常に作動しないことがあり、圧力計62の検出値が不確かなものとなることがある。 Returning to FIG. 2 again, assuming that the outlet air pressure is P, it is determined whether or not P is equal to or lower than the lowering threshold pressure P 2 (S20). If the determination is affirmative, it is determined that the air inlet valve is closed (closed). S24). As the outlet air pressure P, a value detected by the pressure gauge 62 can be used. However, as described above, the pressure gauge 62 may not operate normally, and the detected value of the pressure gauge 62 may be uncertain.

この場合には、予め取得されている圧力低下遅れ時間td2を圧力低下閾値時間として、圧力低下経過時間がtd2以上であるか否かが判断される(S22)。この判断処理を、上記のS16の判断と区別して、第2判断処理と呼ぶことができる。そして、S22で判断が肯定されると、圧力計62の検出値にかかわらず、S24に進み、エア入口弁が閉じたとの閉止判断がなされる。 In this case, as the pressure drop threshold time pressure drop delay time t d2 which is previously acquired, the pressure drop elapsed time whether or not t d2 more is determined (S22). This determination process can be called the second determination process in distinction from the determination in S16. If the determination in S22 is affirmative, the process proceeds to S24 regardless of the detection value of the pressure gauge 62, and a closing determination is made that the air inlet valve is closed.

すなわち、圧力計62の検出値であるエア出口圧力Pが低下閾値圧力P2以下となる時刻か、圧力低下経過時間がtd2となる時刻か、いずれか早い時刻で、S24のエア入口弁閉止判断がなされる。図3では、これらの時刻が一致しているものとして、時刻t4が示されている。ここまでの処理は、制御部70のエア入口弁閉止判断モジュール76の機能によって実行される。 That is, at the time when the air outlet pressure P detected by the pressure gauge 62 becomes equal to or lower than the drop threshold pressure P 2 or the time when the pressure drop elapsed time becomes t d2 , whichever comes first, the air inlet valve closing of S24 is performed. Judgment is made. In FIG. 3, a time t 4 is shown as a match between these times. The processing so far is executed by the function of the air inlet valve closing determination module 76 of the control unit 70.

もっとも、圧力計62の検出値が不確かなときは、時刻t1またはt2から起算して、圧力上昇経過時間がtd1となる時刻で第1判断によってエア入口弁32が閉処理され、その時刻からさらに圧力低下経過時間がtd2となる時刻で第2判断によってエア入口弁閉止判断がなされる。したがって、この場合には、時刻t1またはt2から起算して、td1+td2の時間の経過によって、エア入口弁32の閉止判断がなされると考えることができる。 However, when the detected value of the pressure gauge 62 is uncertain, the air inlet valve 32 is closed by the first judgment at the time when the pressure rise elapsed time becomes t d1 from the time t 1 or t 2. further pressure reduction time elapsed from the time the air inlet valve closure decisions by the second determination at the time to be t d2. Therefore, in this case, counting from the time t 1 or t 2, with the passage of time t d1 + t d2, can be considered as closed determination of the air inlet valve 32 is made.

そして、このエア入口弁閉止判断がなされると、これに従ってエア出口弁34の閉指令が出される。図3では、時刻t4において、エア出口弁34の閉指令が行われている様子が示される。この処理は、制御部70のエア出口弁閉処理モジュール78の機能によって実行される。 When this air inlet valve closing determination is made, a command to close the air outlet valve 34 is issued accordingly. FIG. 3 shows a state in which the air outlet valve 34 is closed at time t 4 . This process is executed by the function of the air outlet valve closing process module 78 of the control unit 70.

このように、 エアバイパス弁が指令開度となるまでの遅れ時間と、エア調圧弁が指令開度となるまでの遅れ時間とに基いて、エア入口弁閉止判断がなされるので、エア入口弁の閉止判断をより適切に行うことが可能となる。   As described above, the air inlet valve closing determination is made based on the delay time until the air bypass valve reaches the command opening and the delay time until the air pressure adjustment valve reaches the command opening. It is possible to make a more appropriate determination of closing.

本発明に係る実施の形態の燃料電池システムの構成を説明する図である。It is a figure explaining the structure of the fuel cell system of embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る実施の形態の燃料電池システムにおける運転停止の際の各種弁の開閉処理についての手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure about the opening / closing process of the various valves in the case of the operation stop in the fuel cell system of embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る実施の形態の燃料電池システムにおける運転停止の際の各要素の状態変化を説明する図である。It is a figure explaining the state change of each element at the time of operation stop in the fuel cell system of an embodiment concerning the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 燃料電池システム、20 燃料電池本体、22 燃料電池スタック、24 加湿モジュール、26 燃料ガスタンク、28 希釈器、32 エア入口弁、34 エア出口弁、36 加湿モジュールバイパス弁、38 エアバイパス弁、40 酸化ガス源、42 ACP、44 インタクーラ、45 エア調圧弁、46 レギュレータ、47 分流器、48 排気バルブ、49 循環昇圧器、50 PSVボックス、52 電磁弁、60,62 圧力計、64 回転数検出器、70 制御部、72 エアバイパス弁開処理・調圧弁閉処理モジュール、74 エア入口弁閉処理モジュール、76 エア入口弁閉止判断モジュール、78 エア出口弁閉処理モジュール。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell system, 20 Fuel cell main body, 22 Fuel cell stack, 24 Humidification module, 26 Fuel gas tank, 28 Diluter, 32 Air inlet valve, 34 Air outlet valve, 36 Humidification module bypass valve, 38 Air bypass valve, 40 Oxidation Gas source, 42 ACP, 44 intercooler, 45 air pressure regulating valve, 46 regulator, 47 shunt, 48 exhaust valve, 49 circulation booster, 50 PSV box, 52 solenoid valve, 60, 62 pressure gauge, 64 speed detector, 70 control unit, 72 air bypass valve opening processing / pressure regulating valve closing processing module, 74 air inlet valve closing processing module, 76 air inlet valve closing determination module, 78 air outlet valve closing processing module.

Claims (4)

燃料電池スタックのカソード側において、酸化ガス供給口に接続されるエア入口弁と、酸化ガス排出口に直列に接続されるエア調圧弁とエア出口弁と、エア入口弁と燃料電池スタックとの間に一方端が接続され、エア調圧弁とエア出口弁との間に他方端が接続されるエアバイパス弁と、を備える燃料電池システムであって、
燃料電池スタックの運転停止の際に、
エアバイパス弁を指定開度となるように開方向に作動させるバイパス弁処理手段と、
エアバイパス弁の開指令処理に伴って、エア調圧弁を指定開度となるように閉方向に作動させる調圧弁閉処理手段と、
エア入口弁を指定開度となるように閉方向に作動させる入口弁処理手段と、
エアバイパス弁が指令開度となるまでの遅れ時間と、エア調圧弁が指令開度となるまでの遅れ時間とに基いて、エア入口弁閉止判断を行う判断手段と、
判断手段の判断に従ってエア出口弁を指定開度となるように閉方向に作動させる出口弁処理手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
On the cathode side of the fuel cell stack, an air inlet valve connected to the oxidizing gas supply port, an air pressure regulating valve and an air outlet valve connected in series to the oxidizing gas outlet, and between the air inlet valve and the fuel cell stack An air bypass valve having one end connected to the air pressure control valve and the other end connected between the air pressure regulating valve and the air outlet valve,
When the fuel cell stack is shut down,
A bypass valve processing means for operating the air bypass valve in the opening direction so as to have a specified opening;
With the air bypass valve opening command process, the pressure regulating valve closing processing means for operating the air pressure regulating valve in the closing direction so as to have a specified opening degree;
An inlet valve processing means for operating the air inlet valve in a closing direction so as to have a specified opening;
A determination means for determining whether the air inlet valve is closed based on a delay time until the air bypass valve reaches the command opening and a delay time until the air pressure adjustment valve reaches the command opening;
Outlet valve processing means for operating the air outlet valve in the closing direction so as to have a specified opening according to the judgment of the judgment means;
A fuel cell system comprising:
燃料電池スタックの酸化ガス供給口に接続されるエア入口弁と、
燃料電池スタックの酸化ガス排出口に設けられるエア調圧弁と、
エア調圧弁の下流側に設けられるエア出口弁と、
燃料電池スタックに並列に設けられ、エア入口弁と燃料電池スタックとの間に一方端が接続され、エア調圧弁とエア出口弁との間に他方端が接続されるエアバイパス弁と、
燃料電池スタックの運転を制御する制御部と、
を備え、
制御部は、
燃料電池スタックの運転停止の際に、
エアバイパス弁を指定開度となるように開方向に作動させるバイパス弁処理手段と、
エアバイパス弁の開指令処理に伴って、エア調圧弁を指定開度となるように閉方向に作動させる調圧弁閉処理手段と、
エアバイパス弁が指令開度となるまでの遅れ時間と、エア調圧弁が指令開度となるまでの遅れ時間とに基いて、エア調圧弁とエア出口弁の間における出口エア圧力が上昇して予め定めた所定の上昇閾値圧力になるまでの圧力上昇遅れ時間を求め、求められた圧力上昇遅れ時間に基いてエアバイパス弁開放及び調圧弁閉止判断を行う第1判断手段と、
第1判断手段の判断に従ってエア入口弁を指定開度となるように閉方向に作動させる入口弁処理手段と、
エア入口弁が指令開度となるまでの遅れ時間に基いて、出口エア圧力が低下して予め定めた所定の低下閾値圧力になるまでの圧力低下遅れ時間を求め、求められた圧力低下遅れ時間に基いてエア入口弁閉止判断を行う第2判断手段と、
第2判断手段の判断に従ってエア出口弁を指定開度となるように閉方向に作動させる出口弁処理手段と、
を含むことを特徴とする燃料電池システム。
An air inlet valve connected to the oxidizing gas supply port of the fuel cell stack;
An air pressure regulating valve provided at the oxidizing gas outlet of the fuel cell stack;
An air outlet valve provided downstream of the air pressure regulating valve;
An air bypass valve provided in parallel with the fuel cell stack, one end connected between the air inlet valve and the fuel cell stack, and the other end connected between the air pressure regulating valve and the air outlet valve;
A control unit for controlling the operation of the fuel cell stack;
With
The control unit
When the fuel cell stack is shut down,
A bypass valve processing means for operating the air bypass valve in the opening direction so as to have a specified opening;
With the air bypass valve opening command process, the pressure regulating valve closing processing means for operating the air pressure regulating valve in the closing direction so as to have a specified opening degree;
Based on the delay time until the air bypass valve reaches the command opening and the delay time until the air pressure adjustment valve reaches the command opening, the outlet air pressure between the air pressure adjustment valve and the air outlet valve increases. First determination means for determining a pressure increase delay time until a predetermined predetermined increase threshold pressure is reached, and determining whether the air bypass valve is open and the pressure regulating valve is closed based on the determined pressure increase delay time;
An inlet valve processing means for operating the air inlet valve in a closing direction so as to have a specified opening according to the determination of the first determination means;
Based on the delay time until the air inlet valve reaches the command opening, the pressure decrease delay time until the outlet air pressure decreases and reaches a predetermined predetermined threshold pressure is determined. A second determination means for determining whether to close the air inlet valve based on
Outlet valve processing means for operating the air outlet valve in the closing direction so as to have a specified opening according to the determination of the second determination means;
A fuel cell system comprising:
請求項2に記載の燃料電池システムにおいて、
出口エア圧力を検出する圧力検出手段を備え、
第2判断手段は、
圧力検出手段の検出結果に基いてエア入口弁閉止判断を行うことを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 2, wherein
Pressure detecting means for detecting the outlet air pressure;
The second judging means is
A fuel cell system, wherein the air inlet valve closing determination is made based on the detection result of the pressure detection means.
請求項3に記載の燃料電池システムにおいて、
第2判断手段は、
圧力検出手段が圧力低下方向に出口エア圧力が変化したことを検出してから、圧力低下遅れ時間に基いて予め定めた所定の閾値時間を経過しても出口エア圧力の検出値が出口低下閾値圧力を下回らないときには、閾値時間が経過したときにエア入口弁閉止判断を行うことを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 3, wherein
The second judging means is
The detected value of the outlet air pressure remains at the outlet lowering threshold even if a predetermined threshold time elapses after the pressure detecting means detects that the outlet air pressure has changed in the direction of lowering the pressure. An air inlet valve closing determination is made when a threshold time elapses when the pressure does not fall below the pressure.
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