JP5260839B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池の発電停止時に掃気を行う燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system which performs scavenging during power generation stop of the fuel cell.

例えば、車両などに搭載される燃料電池は、固体高分子電解質膜をアノード極とカソード極とで挟んで構成した単セルを複数積層したものであり、アノード極に水素が、カソード極に酸素が、それぞれ供給されることで発電が行われる。また、発電と同時に燃料電池のカソード極では、水素と酸素との電気化学反応により水が生成される。ところで、車両が氷点下に至るような低温環境下で使用されると、残留水（生成水）が凍結して固体高分子電解質膜などを劣化させるおそれがあるため、燃料電池の発電停止時に、カソード極側に掃気ガスを供給して残留水を排出する処理（カソード掃気）が必要となる。また、カソード極側で生成した水は、カソード極から固体高分子電解質膜を介してアノード極にも透過するため、アノード極側についても残留水を排出する処理（アノード掃気）が必要となる。このとき、燃料電池の発電停止からアノード掃気までは、アノード極に水素が残留している状態が続くため、燃料電池が長時間高電位状態に曝され易くなり、燃料電池（特に触媒）が劣化し易くなるという問題があった。そこで、燃料電池の発電停止時に、アノード極の水素量が低下するまで発電を継続して、水素を消費する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特公平４−３３１１２号公報（第２頁右欄第６行目〜第１８行目） For example, a fuel cell mounted on a vehicle or the like has a structure in which a plurality of unit cells each having a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode are stacked, with hydrogen at the anode electrode and oxygen at the cathode electrode. The power is generated by supplying each of them. Simultaneously with power generation, water is generated at the cathode electrode of the fuel cell by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. By the way, if the vehicle is used in a low-temperature environment that reaches below freezing point, residual water (product water) may freeze and deteriorate the solid polymer electrolyte membrane. A process (cathode scavenging) of supplying scavenging gas to the pole side and discharging residual water is required. Moreover, since the water produced | generated on the cathode electrode side permeate | transmits also to an anode electrode through a solid polymer electrolyte membrane from a cathode electrode, the process (anode scavenging) which discharges | emits residual water also for an anode electrode side is needed. At this time, since the state in which hydrogen remains in the anode electrode continues from the stop of power generation of the fuel cell to the scavenging of the anode, the fuel cell is easily exposed to a high potential state for a long time, and the fuel cell (particularly the catalyst) is deteriorated There was a problem that it was easy to do. In view of this, a technique has been proposed in which power generation is continued until the amount of hydrogen at the anode electrode decreases when power generation of the fuel cell is stopped (see, for example, Patent Document 1).
Japanese Patent Publication No. 4-33112 (page 2, right column, lines 6 to 18)

しかしながら、前記した従来の技術では、発電停止時に残留している水素をすべて消費させると、発電と同時に相当量の水が発生して、この水によってアノード極やカソード極の電極に用いられている触媒の劣化を促進させるおそれがあった。また、通常、燃料電池システムでは、高濃度の水素が排出されないように、アノード極は密閉され、カソード極にはカソード掃気によって空気が供給され続けることがあるため、水素の消費によってアノード極内の圧力だけが下がり、アノード極とカソード極との差圧のバランスが崩れて、固体高分子電解質膜などに過大な負荷を与え、燃料電池の劣化を促進させるおそれもあった。その結果、燃料電池の次回起動時の安定性が損なわれるという問題があった。   However, in the above-described conventional technology, when all the hydrogen remaining at the time of power generation stop is consumed, a considerable amount of water is generated at the same time as power generation, and this water is used for the anode and cathode electrodes. There was a risk of promoting deterioration of the catalyst. In addition, in a fuel cell system, the anode electrode is usually sealed so that high concentration hydrogen is not discharged, and air may continue to be supplied to the cathode electrode by cathode scavenging. Only the pressure decreases, and the balance of the differential pressure between the anode electrode and the cathode electrode is lost, so that an excessive load is applied to the solid polymer electrolyte membrane and the like, which may promote deterioration of the fuel cell. As a result, there is a problem that the stability at the next start-up of the fuel cell is impaired.

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、燃料電池の起動時の安定性を図ることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention, the is intended to solve the conventional problems, and an object thereof is to provide a fuel cell system capable of reducing the stability of the startup of the fuel cell.

請求項１に係る発明は、アノード極に燃料ガスが供給され、カソード極に酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、前記アノード極を含み燃料ガスが流通する燃料ガス流通路と、前記カソード極を含み酸化剤ガスが流通し、前記燃料電池の下流側において前記燃料ガス流通路が連通する酸化剤ガス流通路と、前記カソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池の上流側の前記燃料ガス流通路と、前記燃料電池の上流側の前記酸化剤ガス流通路とを連通する連通路と、前記連通路を遮断する遮断弁と、前記燃料電池を放電させるディスチャージ抵抗と、前記燃料電池の下流側の前記燃料ガス流通路に設けられるパージ弁と、前記燃料電池の発電停止時に、前記酸化剤ガス流通路内の生成水を排出可能な大流量の酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給手段から供給して前記酸化剤ガス流通路を掃気する第１カソード掃気処理と、前記第１カソード掃気処理の後に前記大流量よりも少ない小流量の酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給手段から供給して前記酸化剤ガス流通路を掃気する第２カソード掃気処理と、を実行するカソード掃気手段と、前記燃料電池の発電停止時に、前記第１カソード掃気処理と前記第２カソード掃気処理との間において前記燃料ガス流通路に生成水を排出可能な大流量の酸化剤ガスを流通させて前記燃料ガス流通路を掃気するアノード掃気処理を行うアノード掃気手段と、前記燃料電池の発電停止時に、前記アノード極への燃料ガスの供給を遮断し、前記燃料ガス流通路内に残留する燃料ガスと前記酸化剤ガス流通路を流通する酸化剤ガスとを反応させて前記ディスチャージ抵抗において前記燃料電池を放電させる発電継続手段と、前記第１カソード掃気処理中、前記遮断弁および前記パージ弁を開弁して前記燃料ガス流通路に前記アノード掃気処理における前記大流量の酸化剤ガスよりも少ない微量の酸化剤ガスを導入して前記燃料ガス流通路に残留する燃料ガスを前記燃料ガス流通路内から押し出す燃料ガス排出手段と、を有することを特徴とする。
なお、後記する実施形態において、酸化剤ガス供給手段は、コンプレッサ３３に対応し、連通路は、導入配管３６に対応し、遮断弁は、導入弁３７に対応し、第１カソード掃気処理は、Ｃａ重点掃気に対応し、第２カソード掃気処理は、Ｃａ小流量掃気に対応し、アノード掃気処理は、Ａｎ重点掃気に対応する。 The invention according to claim 1 is a fuel cell in which fuel gas is supplied to the anode electrode and oxidant gas is supplied to the cathode electrode to generate electric power, a fuel gas flow passage including the anode electrode and through which the fuel gas flows, An oxidant gas flow passage through which an oxidant gas flows including the cathode electrode, and the fuel gas flow passage communicates with the downstream side of the fuel cell; and an oxidant gas supply means for supplying the oxidant gas to the cathode electrode; A communication path communicating with the fuel gas flow path upstream of the fuel cell, the oxidant gas flow path upstream of the fuel cell, a shutoff valve for blocking the communication path, and the fuel cell. and the discharge resistor to discharge the purge valve provided in the fuel gas flow path downstream of the fuel cell, the power generation stop of the fuel cell, large flow rate capable of discharging the produced water of the oxidant gas flow passage A first cathode scavenging process in which an oxidant gas is supplied from the oxidant gas supply means to scavenge the oxidant gas flow passage, and an oxidant gas having a smaller flow rate than the large flow rate after the first cathode scavenging process. A cathode scavenging means for performing the second cathode scavenging process for scavenging the oxidant gas flow passage by supplying the oxidant gas supply means, and the first cathode scavenging process for stopping the power generation of the fuel cell. An anode scavenging means for performing an anode scavenging process in which a large amount of oxidant gas capable of discharging generated water is circulated through the fuel gas flow path to scavenge the fuel gas flow path between the second cathode scavenging process; When power generation of the fuel cell is stopped, the supply of fuel gas to the anode electrode is cut off, and the fuel gas remaining in the fuel gas flow passage and the oxidant flowing through the oxidant gas flow passage A power generation continuation means for the scan is reacted discharging the fuel cell in the discharge resistance, the in first cathode scavenging process, the anode scavenging the fuel gas flow path to open the shutoff valve and the purge valve Fuel gas discharge means for introducing a small amount of oxidant gas smaller than the large flow amount of oxidant gas in the processing and pushing out the fuel gas remaining in the fuel gas flow passage from the fuel gas flow passage. Features.
In the embodiment described later, the oxidant gas supply means corresponds to the compressor 33, the communication path corresponds to the introduction pipe 36, the shut-off valve corresponds to the introduction valve 37, and the first cathode scavenging process is performed as follows: Corresponding to Ca-weighted scavenging, the second cathode scavenging process corresponds to Ca small flow rate scavenging, and the anode scavenging process corresponds to An-weighted scavenging.

請求項１に係る発明によれば、燃料電池の発電停止時に、燃料ガスを燃料ガス流通路から排出しながら発電を継続しているので、水の生成を抑制することができるようになり、触媒の劣化促進を防止することが可能になる。また、生成水の抑制によって、燃料電池を掃気する時間を短縮することもできる。
また、請求項１に係る発明によれば、掃気時にアノード極とカソード極との差圧が離れることを防いで、膜（例えば、固体高分子電解質膜）への負荷を低減できるようになる。さらに、燃料ガスの排出とともに酸化剤ガスによる燃料ガスの希釈も十分に可能となる。 According to the first aspect of the present invention, since the power generation is continued while discharging the fuel gas from the fuel gas flow passage when the power generation of the fuel cell is stopped, the generation of water can be suppressed, and the catalyst It becomes possible to prevent deterioration of the material. Moreover, the time for scavenging the fuel cell can be shortened by suppressing the generated water.
According to the first aspect of the present invention, it is possible to prevent the differential pressure between the anode electrode and the cathode electrode from separating during scavenging, and to reduce the load on the membrane (for example, the solid polymer electrolyte membrane). Further, the fuel gas can be sufficiently diluted with the oxidant gas as the fuel gas is discharged.

本発明によれば、燃料電池の起動時の安定性を図ることができる燃料電池システムを提供できる。 The present invention can provide a fuel cell system capable of reducing the stability of the startup of the fuel cell.

図１は本発明の実施形態に係る燃料電池システムを示す全体構成図、図２は運転停止時の処理を示すフローチャート、図３は図２の処理に伴うタイミングチャートである。なお、本実施形態では、燃料電池システム１を車両に適用した場合を例に挙げて説明するが、航空機や船舶などの他の乗り物用のシステムとして適用してもよく、あるいは家庭用電源としての定置式のシステムとして適用してもよい。   FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a flowchart showing processing at the time of operation stop, and FIG. 3 is a timing chart accompanying the processing of FIG. In the present embodiment, the case where the fuel cell system 1 is applied to a vehicle will be described as an example. However, the fuel cell system 1 may be applied as a system for other vehicles such as an aircraft and a ship, or as a household power source. It may be applied as a stationary system.

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池ＦＣ、アノード系２０、カソード系３０、希釈系４０、高電圧系５０、制御部６０などを含んで構成されている。   As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 of the present embodiment includes a fuel cell FC, an anode system 20, a cathode system 30, a dilution system 40, a high voltage system 50, a control unit 60, and the like.

前記燃料電池ＦＣは、固体高分子からなる電解質膜５を、触媒を含む電極層からなるアノード極（Ａｎ）６と、触媒を含む電極層からなるカソード極（Ｃａ）７とで挟んでなる膜電極構造体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を、さらに一対の導電性のセパレータ８，９で挟んで構成した単セル（Ｓｉｎｇｌｅ Ｃｅｌｌ）が厚み方向に複数積層した構造となっている。セパレータ８には、アノード極６に対向する面に、燃料ガスとしての水素が流通する流路ａ１が形成されており、セパレータ９には、カソード極７に対向する面に、酸化剤ガスとしての空気が流通する流路ｃ１が形成されている。なお、図１では、説明の便宜上、ひとつの単セルを模式的に図示している。   The fuel cell FC includes a membrane formed by sandwiching an electrolyte membrane 5 made of a solid polymer between an anode electrode (An) 6 made of an electrode layer containing a catalyst and a cathode electrode (Ca) 7 made of an electrode layer containing a catalyst. It has a structure in which a single cell (Single Cell) configured by sandwiching an electrode structure (MEA; Membrane Electrode Assembly) between a pair of conductive separators 8 and 9 is stacked in the thickness direction. In the separator 8, a flow path a <b> 1 through which hydrogen as a fuel gas flows is formed on a surface facing the anode electrode 6, and in the separator 9, an oxidizing gas as an oxidant gas is formed on a surface facing the cathode electrode 7. A flow path c1 through which air flows is formed. In FIG. 1, for convenience of explanation, one single cell is schematically illustrated.

前記アノード系２０は、水素を燃料電池ＦＣのアノード極６に供給し、且つ、アノード極６から水素を排出するものであり、アノードガス供給配管２１ａ，２１ｂ，２１ｃ、アノードオフガス配管２２ａ，２２ｂ、水素タンク２３、水素遮断弁２４、エゼクタ２５、循環配管２６、パージ弁２７などで構成されている。   The anode system 20 supplies hydrogen to the anode electrode 6 of the fuel cell FC and discharges hydrogen from the anode electrode 6, and includes anode gas supply pipes 21a, 21b, 21c, anode offgas pipes 22a, 22b, A hydrogen tank 23, a hydrogen shutoff valve 24, an ejector 25, a circulation pipe 26, a purge valve 27, and the like are included.

前記アノードガス供給配管２１ａは、一端が水素タンク２３に接続され、他端が水素遮断弁２４に接続されている。アノードガス供給配管２１ｂは、一端が水素遮断弁２４に接続され、他端がエゼクタ２５に接続されている。アノードガス供給配管２１ｃは、一端がエゼクタ２５に接続され、他端が燃料電池ＦＣの流路ａ１の入口に接続されている。   The anode gas supply pipe 21 a has one end connected to the hydrogen tank 23 and the other end connected to the hydrogen cutoff valve 24. One end of the anode gas supply pipe 21 b is connected to the hydrogen cutoff valve 24, and the other end is connected to the ejector 25. The anode gas supply pipe 21c has one end connected to the ejector 25 and the other end connected to the inlet of the flow path a1 of the fuel cell FC.

前記アノードオフガス配管２２ａは、一端が燃料電池ＦＣの流路ａ１の出口に接続され、他端がパージ弁２７に接続されている。アノードオフガス配管２２ｂは、一端がパージ弁２７に接続され、他端が後記する希釈器４１に接続されている。   One end of the anode off-gas pipe 22a is connected to the outlet of the flow path a1 of the fuel cell FC, and the other end is connected to the purge valve 27. One end of the anode off-gas pipe 22b is connected to the purge valve 27, and the other end is connected to a diluter 41 described later.

前記水素タンク２３は、高純度の水素ガスが高圧で充填された容器である。水素遮断弁２４は、例えば電磁作動式のものであり、後記する制御部６０によって開閉制御される。   The hydrogen tank 23 is a container filled with high-purity hydrogen gas at a high pressure. The hydrogen shut-off valve 24 is, for example, an electromagnetically operated type and is controlled to be opened and closed by a control unit 60 described later.

前記エゼクタ２５は、アノード極６から排出された未反応の水素を、循環配管２６を介して燃料電池ＦＣのアノード極６に戻して循環させるための真空ポンプの一種である。このように、水素を循環させることにより、水素が無駄に排出されることがなくなり、燃料としての水素を有効に活用することが可能になる。   The ejector 25 is a kind of vacuum pump for circulating unreacted hydrogen discharged from the anode electrode 6 back to the anode electrode 6 of the fuel cell FC via the circulation pipe 26. Thus, by circulating hydrogen, hydrogen is not discharged wastefully, and it is possible to effectively use hydrogen as a fuel.

前記パージ弁２７は、開度を自由に制御できる弁によって構成され、発電中にカソード極７から電解質膜５を介してアノード極６に透過した空気に含まれる窒素などの不純物を排出するものであり、例えばこのパージ弁２７を定期的に開くことで、発電性能が低下するのを防止できるようになっている。なお、パージ弁２７は、パージという目的からすればＯＮ（閉）かＯＦＦ（開）の弁であるが、本実施形態では、後記するように、徐々に水素を排出させる必要があるので、弁開度を自由に設定できるようにしたものとなっている。   The purge valve 27 is configured by a valve whose opening degree can be freely controlled, and discharges impurities such as nitrogen contained in air that has permeated from the cathode electrode 7 to the anode electrode 6 through the electrolyte membrane 5 during power generation. Yes, for example, by periodically opening the purge valve 27, it is possible to prevent the power generation performance from deteriorating. The purge valve 27 is an ON (closed) or OFF (open) valve for the purpose of purging. However, in this embodiment, as described later, it is necessary to gradually discharge hydrogen. The opening can be set freely.

なお、前記したアノードガス供給配管２１ａ，２１ｂ，２１ｃにより形成される流路と、アノードオフガス配管２２ａにより形成される流路と、循環配管２６により形成される流路と、燃料電池ＦＣ内のアノード極６側の流路ａ１とで、本実施形態の燃料ガス流通路が構成されている。   Note that the flow path formed by the anode gas supply pipes 21a, 21b, and 21c, the flow path formed by the anode off-gas pipe 22a, the flow path formed by the circulation pipe 26, and the anode in the fuel cell FC. The fuel gas flow passage of this embodiment is constituted by the flow path a1 on the pole 6 side.

前記カソード系３０は、燃料電池ＦＣのカソード極７に空気（酸素）を供給し、且つ、カソード極７から空気などを排出するものであり、カソードガス供給配管３１、カソードオフガス配管３２ａ，３２ｂ、コンプレッサ３３、背圧制御弁３４などを備えている。   The cathode system 30 supplies air (oxygen) to the cathode electrode 7 of the fuel cell FC and exhausts air and the like from the cathode electrode 7, and includes a cathode gas supply pipe 31, cathode offgas pipes 32a and 32b, A compressor 33, a back pressure control valve 34, and the like are provided.

前記カソードガス供給配管３１は、一端がコンプレッサ３３に接続され、他端が燃料電池ＦＣの流路ｃ１の入口に接続されている。   The cathode gas supply pipe 31 has one end connected to the compressor 33 and the other end connected to the inlet of the flow path c1 of the fuel cell FC.

前記カソードオフガス配管３２ａは、一端が燃料電池ＦＣの流路ｃ１の出口に接続され、他端が背圧制御弁３４に接続されている。カソードオフガス配管３２ｂは、一端が背圧制御弁３４に接続され、他端が後記する希釈器４１に接続されている。   One end of the cathode offgas pipe 32a is connected to the outlet of the flow path c1 of the fuel cell FC, and the other end is connected to the back pressure control valve. One end of the cathode offgas pipe 32b is connected to the back pressure control valve 34, and the other end is connected to a diluter 41 described later.

なお、前記したカソードガス供給配管３１により形成される流路と、カソードオフガス配管３２ａにより形成される流路と、燃料電池ＦＣ内のカソード極７側の流路ｃ１とで、本実施形態の酸化剤ガス流通路が構成されている。   The oxidation channel according to the present embodiment is composed of the flow path formed by the cathode gas supply pipe 31, the flow path formed by the cathode offgas pipe 32a, and the flow path c1 on the cathode electrode 7 side in the fuel cell FC. An agent gas flow passage is formed.

前記コンプレッサ３３は、モータにより駆動されるスーパーチャージャなどで構成され、車外の空気（外気）を取り込んで圧縮して燃料電池ＦＣのカソード極７に供給するようになっている。   The compressor 33 is composed of a supercharger or the like driven by a motor, takes air outside the vehicle (outside air), compresses it, and supplies it to the cathode 7 of the fuel cell FC.

前記背圧制御弁３４は、例えばバタフライ弁などで構成され、カソード極７に供給される空気の圧力を適宜調整できるようにしている。   The back pressure control valve 34 is constituted by, for example, a butterfly valve or the like so that the pressure of air supplied to the cathode electrode 7 can be appropriately adjusted.

前記希釈系４０は、希釈器４１、排出配管４２などを備えている。希釈器４１は、アノードオフガス配管２２ｂとカソードオフガス配管３２ｂがそれぞれ接続され、希釈器４１内において、アノードオフガス配管２２ｂから導入された水素が、カソードオフガス配管３２ｂから導入されたオフガス（主に空気と水）によって、規定以下の水素濃度に希釈された後に排出配管４２を介して車外（大気中）に排出するように構成されている。   The dilution system 40 includes a diluter 41, a discharge pipe 42, and the like. The diluter 41 is connected to the anode offgas pipe 22b and the cathode offgas pipe 32b. In the diluter 41, hydrogen introduced from the anode offgas pipe 22b is converted into offgas (mainly air and air) introduced from the cathode offgas pipe 32b. It is configured to be discharged outside the vehicle (in the atmosphere) through the discharge pipe 42 after being diluted to a hydrogen concentration below a specified level by water.

前記高電圧系５０は、燃料電池ＦＣで得られた電力（発電電流）を、電動機（走行モータ）５１、蓄電装置５２、各種補機（コンプレッサ３３を含む）などの負荷に供給するものであり、電圧制御器（ＶＣＵ）５３、ディスチャージ抵抗５４、電流計５５などで構成されている。   The high voltage system 50 supplies electric power (generated current) obtained by the fuel cell FC to loads such as an electric motor (travel motor) 51, a power storage device 52, and various auxiliary machines (including the compressor 33). , A voltage controller (VCU) 53, a discharge resistor 54, an ammeter 55, and the like.

前記電動機５１は、永久磁石式の３相交流同期モータなどで構成され、車両に設けられた駆動輪を回転駆動させるものである。   The electric motor 51 is constituted by a permanent magnet type three-phase AC synchronous motor or the like, and rotationally drives drive wheels provided in the vehicle.

前記蓄電装置５２は、例えば燃料電池ＦＣの補助電力源として使用されるものであり、鉛酸バッテリ、ニッケル水素バッテリ、リチウムイオンバッテリ、キャパシタなどで構成されている。   The power storage device 52 is used as an auxiliary power source of the fuel cell FC, for example, and includes a lead acid battery, a nickel metal hydride battery, a lithium ion battery, a capacitor, and the like.

前記電圧制御器（ＶＣＵ；Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）５３は、燃料電池ＦＣと電動機５１などの外部負荷との間に設けられ、後記する制御部６０からの発電指令に基づいて燃料電池ＦＣから取り出す発電電流（電力）を制御する。   The voltage controller (VCU; Voltage Control Unit) 53 is provided between the fuel cell FC and an external load such as the electric motor 51, and generates power from the fuel cell FC based on a power generation command from the controller 60 described later. (Power) is controlled.

前記ディスチャージ抵抗５４は、本実施形態における発電継続手段の一部であり、燃料電池ＦＣで発電された電気を放電させる機能を有し、後記する制御部６０によって、発電電流がディスチャージ抵抗５４に流れるように制御されることで、放電するようになっている。これにより、燃料電池ＦＣから外部負荷に向けて発電電流を引かない状態において、燃料電池ＦＣ内で水素と酸素とが反応したときに、燃料電池ＦＣが長時間高電位に曝されるのを防止できるようになっている。その結果、燃料電池ＦＣのアノード極６やカソード極７の電極に使用されている触媒劣化が進行するのを防止できるようになる。   The discharge resistor 54 is a part of the power generation continuation means in the present embodiment, and has a function of discharging electricity generated by the fuel cell FC. The generated current flows to the discharge resistor 54 by the control unit 60 described later. By being controlled in this way, discharge is performed. This prevents the fuel cell FC from being exposed to a high potential for a long time when hydrogen and oxygen react in the fuel cell FC in a state where no generation current is drawn from the fuel cell FC toward the external load. It can be done. As a result, it is possible to prevent the catalyst used for the anode electrode 6 and the cathode electrode 7 of the fuel cell FC from deteriorating.

前記電流計５５は、燃料電池ＦＣから取り出される電流値を測定するものであり、例えばディスチャージ抵抗５４による放電時に流れる電流を測定するようになっている。   The ammeter 55 measures a current value taken out from the fuel cell FC, and measures, for example, a current flowing during discharge by the discharge resistor 54.

さらに、本実施形態の燃料電池システム１は、導入配管３６および導入弁３７を備えている。   Furthermore, the fuel cell system 1 of the present embodiment includes an introduction pipe 36 and an introduction valve 37.

前記導入配管３６は、アノードガス供給配管２１ｃとカソードガス供給配管３１とを接続する配管、つまり燃料ガス流通路と酸化剤ガス流通路とを連通するものである。   The introduction pipe 36 is a pipe connecting the anode gas supply pipe 21c and the cathode gas supply pipe 31, that is, a fuel gas flow path and an oxidant gas flow path.

前記導入弁３７は、導入配管３６の流路を遮断する遮断弁であり、後記する制御部６０によって開閉制御されるようになっている。   The introduction valve 37 is a shut-off valve that shuts off the flow path of the introduction pipe 36 and is controlled to be opened and closed by a control unit 60 described later.

前記制御部６０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、メモリ、入出力インターフェース及び各種電気・電子回路を含んで構成され、前記したディスチャージ抵抗５４とともに発電継続手段を構成している。また、制御部６０は、イグニッションスイッチ（ＩＧＳＷ）６１およびタイマ６２と接続され、イグニッションスイッチ６１のＯＦＦ（ＩＧＳＷオフ）を検知した場合には、電圧制御器５３に対して発電停止信号を出力して燃料電池ＦＣにおける発電を停止して燃料電池システム１の運転を停止（システム停止）させる処理を行い、またイグニッションスイッチ６１のＯＮを検知した場合には、電圧制御器５３に対して発電開始信号を出力して燃料電池ＦＣの発電を開始して燃料電池システム１の運転を開始させる処理を行う。   The controller 60 includes a CPU (Central Processing Unit), a memory, an input / output interface, and various electric / electronic circuits, and constitutes a power generation continuation unit together with the discharge resistor 54 described above. In addition, the control unit 60 is connected to the ignition switch (IGSW) 61 and the timer 62, and outputs a power generation stop signal to the voltage controller 53 when detecting that the ignition switch 61 is OFF (IGSW off). When power generation in the fuel cell FC is stopped to stop the operation of the fuel cell system 1 (system stop), and when the ignition switch 61 is detected ON, a power generation start signal is sent to the voltage controller 53. A process of starting the operation of the fuel cell system 1 by outputting and starting the power generation of the fuel cell FC is performed.

次に、本実施形態の燃料電池システム１の運転停止時における動作について図２および図３を参照（適宜、図１を参照）しながら説明する。なお、本実施形態では、パージ弁２７と導入配管３６と導入弁３７とで、燃料排出装置が構成されている。   Next, the operation of the fuel cell system 1 of the present embodiment when the operation is stopped will be described with reference to FIGS. 2 and 3 (refer to FIG. 1 as appropriate). In the present embodiment, the purge valve 27, the introduction pipe 36, and the introduction valve 37 constitute a fuel discharge device.

まず、燃料電池ＦＣの発電停止時から発電開始時の動作について説明する。最初の状態では、水素遮断弁２４、パージ弁２７、導入弁３７は、すべて閉じており、背圧制御弁３４は、開いている。運転者がイグニッションスイッチ６１をＯＮにすると、制御部６０は、蓄電装置５２に蓄積された電力などを利用して、水素遮断弁２４を開いて燃料電池ＦＣのアノード極６に水素を供給し、コンプレッサ３３を駆動して燃料電池ＦＣのカソード極７に空気（酸素）を供給する。これにより、アノード極６では、触媒の作用によって生成されたプロトン（水素イオン）が電解質膜５を介してカソード極７に透過するとともに電子が外部負荷を介してカソード極７に移動し、カソード極７では、触媒の作用によってアノード極６からのプロトンおよび電子と、コンプレッサ３３から供給された空気中の酸素とが電気化学反応して水が生成される。また、制御部６０は、電圧制御器５３に対して、燃料電池ＦＣから取り出す電力（発電電流）を制御して、例えば、車両の加速時には燃料電池ＦＣからの電力と蓄電装置５２からの電力とを併せて電動機５１に供給し、また減速時には電動機５１のエネルギを蓄電装置５２に回収するように制御する。   First, the operation from the stop of power generation of the fuel cell FC to the start of power generation will be described. In the initial state, the hydrogen cutoff valve 24, the purge valve 27, and the introduction valve 37 are all closed, and the back pressure control valve 34 is open. When the driver turns on the ignition switch 61, the control unit 60 uses the electric power stored in the power storage device 52 to open the hydrogen cutoff valve 24 and supply hydrogen to the anode 6 of the fuel cell FC. The compressor 33 is driven to supply air (oxygen) to the cathode electrode 7 of the fuel cell FC. Thereby, in the anode electrode 6, protons (hydrogen ions) generated by the action of the catalyst are transmitted to the cathode electrode 7 through the electrolyte membrane 5, and electrons move to the cathode electrode 7 through the external load, so that the cathode electrode 7, protons and electrons from the anode electrode 6 and oxygen in the air supplied from the compressor 33 are electrochemically reacted by the action of the catalyst to generate water. In addition, the control unit 60 controls the voltage controller 53 to extract electric power (generated current) from the fuel cell FC. For example, when the vehicle is accelerated, the electric power from the fuel cell FC and the electric power from the power storage device 52 are Are also supplied to the electric motor 51, and control is performed so that the energy of the electric motor 51 is recovered by the power storage device 52 during deceleration.

そして、イグニッションスイッチ６１がオンの状態において、図２に示すように、ステップＳ１００において、制御部６０は、運転者によるイグニッションスイッチ（ＩＧＳＷ）６１のオフを検知すると、水素遮断弁２４を閉じて水素の供給を遮断し（ステップＳ１１０）、これによりアノードガス供給配管２１ａ，２１ｂ，２１ｃ、アノード極６の流路ａ１およびアノードオフガス配管２２ａからなる流路（以下、燃料ガス流通路と略記する）が密閉される。また、制御部６０は、電圧制御器５３に対して燃料電池ＦＣからの発電電流の取り出しを停止させる信号を送るとともに、燃料電池ＦＣからの発電電流がディスチャージ抵抗５４を通るように切り替えて、発電を継続させる処理を行う（ステップＳ１２０）。なお、このステップＳ１２０における処理が、制御部６０に含まれる発電継続手段で行われる処理に相当する。   Then, in a state where the ignition switch 61 is on, as shown in FIG. 2, in step S100, when the control unit 60 detects that the ignition switch (IGSW) 61 is turned off by the driver, the control unit 60 closes the hydrogen cutoff valve 24 and performs hydrogenation. Is cut off (step S110), whereby a flow path (hereinafter abbreviated as a fuel gas flow path) composed of the anode gas supply pipes 21a, 21b, 21c, the flow path a1 of the anode electrode 6 and the anode offgas pipe 22a. Sealed. In addition, the control unit 60 sends a signal to the voltage controller 53 to stop taking out the generated current from the fuel cell FC, and switches the generated current from the fuel cell FC to pass through the discharge resistor 54 to generate power. Is performed (step S120). The process in step S120 corresponds to the process performed by the power generation continuation unit included in the control unit 60.

そして、ステップＳ１３０に進み、Ｃａ（カソード）重点掃気が実施される。このＣａ重点掃気では、制御部６０は、コンプレッサ３３の運転をそのまま継続し、さらに背圧制御弁３４を全開にして、コンプレッサ３３から取り込んだ空気を、カソードガス供給配管３１、カソード極７の流路ｃ１およびカソードオフガス配管３２ａからなる流路（以下、酸化剤ガス流通路と略記する）に流して、カソード掃気を実行する。これにより、燃料電池ＦＣの発電停止（イグニッションスイッチ６１がオフ）時点で酸化剤ガス流通路に残留している水が、排出配管４２を通って大気中（車外）へと排出される。なお、このときのコンプレッサ３３の回転速度は、生成水を吹き飛ばすことができるほどの大流量の空気を供給できる回転速度とする。   And it progresses to step S130 and Ca (cathode) weight scavenging is implemented. In this Ca-weighted scavenging, the control unit 60 continues the operation of the compressor 33 and further opens the back pressure control valve 34 so that the air taken in from the compressor 33 flows into the cathode gas supply pipe 31 and the cathode electrode 7. Cathode scavenging is performed by flowing through a flow path (hereinafter abbreviated as an oxidant gas flow path) composed of the path c1 and the cathode offgas pipe 32a. As a result, the water remaining in the oxidant gas flow passage at the time when the power generation of the fuel cell FC is stopped (ignition switch 61 is turned off) is discharged to the atmosphere (outside the vehicle) through the discharge pipe 42. In addition, the rotation speed of the compressor 33 at this time is set to a rotation speed at which a large flow rate of air that can blow off the generated water can be supplied.

ところで、イグニッションスイッチ６１がオフにされると、燃料電池ＦＣから発電電流を取り出さない（負荷を引かない）状態になるが、燃料ガス流通路には水素が密閉された状態で残留しているので、この水素と、カソード極７に供給され続けている空気中の酸素とが反応して燃料電池ＦＣが高電位状態となる。この高電位状態が長時間継続することによって、アノード極６やカソード極７に使用されている触媒が劣化する。そこで、燃料電池ＦＣが長時間高電位に曝されるのを防止するために、制御部６０は、燃料電池ＦＣとディスチャージ抵抗５４とを接続して、ディスチャージ抵抗５４において放電させながら燃料電池ＦＣの発電を継続する。しかし、発電電流を放電させて発電を継続すると相当量の水が生成され、この生成水がアノード極６やカソード極７に発電停止後も長時間付着していると、電極に使用されている触媒の劣化を進行させることになる。   By the way, when the ignition switch 61 is turned off, the generated current is not taken out from the fuel cell FC (the load is not pulled), but hydrogen remains in the fuel gas flow passage in a sealed state. The hydrogen and oxygen in the air that continues to be supplied to the cathode electrode 7 react to bring the fuel cell FC into a high potential state. When this high potential state continues for a long time, the catalyst used for the anode electrode 6 and the cathode electrode 7 deteriorates. Therefore, in order to prevent the fuel cell FC from being exposed to a high potential for a long time, the control unit 60 connects the fuel cell FC and the discharge resistor 54 and discharges the fuel cell FC while discharging at the discharge resistor 54. Continue power generation. However, if the generated current is discharged and the power generation is continued, a considerable amount of water is generated. If the generated water adheres to the anode 6 and the cathode 7 for a long time after the power generation is stopped, it is used for the electrode. The catalyst will be deteriorated.

そこで、本実施形態では、ステップＳ１４０において、Ｃａ重点掃気と同時に、制御部６０は、導入弁３７を開き、且つ、パージ弁２７を小開度で開いて、コンプレッサ３３から取り込まれた空気の一部を掃気ガスとして、導入配管３６を介して燃料ガス流通路に導入する。この導入された空気によって、燃料ガス流通路内に残留している水素がパージ弁２７から希釈器４１に向けて押し出される。   Therefore, in the present embodiment, in step S140, simultaneously with the Ca-weighted scavenging, the control unit 60 opens the introduction valve 37 and opens the purge valve 27 with a small opening so that the amount of air taken in from the compressor 33 is increased. The portion is introduced as a scavenging gas into the fuel gas flow passage through the introduction pipe 36. By this introduced air, hydrogen remaining in the fuel gas flow passage is pushed out from the purge valve 27 toward the diluter 41.

そして、ステップＳ１５０において、制御部６０は、電流計５５から得られる電流値、すなわち放電時に燃料電池ＦＣから取り出される電流値（以下、ＦＣ電流とする）を監視して、この電流値が所定値以下であるか否かを判断する。このときの所定値とは、燃料ガス流通路内に残っている水素（燃料ガス）で発電可能な範囲内において設定される値、つまりアノード極６やカソード極７の電極に使用されている触媒の劣化を促進しない電流値まで低下したときの値とする。ちなみに、このような条件を設定した理由とは、本実施形態のようにディスチャージ抵抗５４で放電させる場合には水素が完全に消費された時点で電流値は０アンペアとなるが、例えばディスチャージ抵抗５４ではなく蓄電装置５２などの負荷に消費させたり、蓄積したりして発電を継続する場合には、水素が０となった後も電極材料を分解するなどして電気を発生させることができるためである。したがって、ディスチャージ抵抗５４で発電継続する場合には、所定値を０アンペアとしてもよいが、負荷で発電継続する場合には、０アンペアよりも高い値を所定値として設定することが好ましい。   In step S150, the control unit 60 monitors the current value obtained from the ammeter 55, that is, the current value taken out from the fuel cell FC during discharge (hereinafter referred to as FC current), and this current value is a predetermined value. It is determined whether or not: The predetermined value at this time is a value set within a range where power can be generated with hydrogen (fuel gas) remaining in the fuel gas flow passage, that is, a catalyst used for the electrodes of the anode electrode 6 and the cathode electrode 7. It is the value when the current value is reduced to a value that does not promote the deterioration. Incidentally, the reason for setting such a condition is that when the discharge resistor 54 is discharged as in the present embodiment, the current value becomes 0 ampere when hydrogen is completely consumed. However, when power generation is continued by consuming or accumulating in a load such as the power storage device 52, electricity can be generated by decomposing the electrode material even after hydrogen becomes zero. It is. Therefore, when power generation is continued with the discharge resistor 54, the predetermined value may be 0 amperes, but when power generation is continued with a load, it is preferable to set a value higher than 0 amperes as the predetermined value.

また、ステップＳ１５０において、制御部６０は、ＦＣ電流が所定値以下ではないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１４０に戻り、導入弁３７とパージ弁２７とをそれぞれ開き続けて、燃料ガス流通路内の残留水素の排出処理を継続する。また、ステップＳ１５０において、制御部６０は、ＦＣ電流が所定値以下であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、発電継続を終了して、ステップＳ１６０に進み、パージ弁２７と導入弁３７とをそれぞれ閉じる。これにより燃料ガス流通路に残留していた水素は既に空気によって置換されているので、その後は燃料電池ＦＣが高電位状態に曝されることはない。   In step S150, if the control unit 60 determines that the FC current is not less than or equal to the predetermined value (No), the control unit 60 returns to step S140, and continues to open the introduction valve 37 and the purge valve 27, respectively, and the fuel gas Continue to discharge residual hydrogen in the flow path. In step S150, if the control unit 60 determines that the FC current is equal to or less than the predetermined value (Yes), it ends the power generation continuation, proceeds to step S160, and turns on the purge valve 27 and the introduction valve 37. Close each one. As a result, the hydrogen remaining in the fuel gas flow passage has already been replaced by air, and thereafter the fuel cell FC is not exposed to a high potential state.

そして、ステップＳ１７０に進み、制御部６０は、コンプレッサ３３を停止して、酸化剤ガス流通路への空気の供給を停止してＣａ重点掃気を終了し、燃料電池システム１の運転を停止（システム停止）する。なお、Ｃａ重点掃気を実行する時間は、例えばタイマ６２を用いて設定することができる。   In step S170, the control unit 60 stops the compressor 33, stops the supply of air to the oxidant gas flow path, ends the Ca-weighted scavenging, and stops the operation of the fuel cell system 1 (system Stop. Note that the time for executing the Ca-weighted scavenging can be set using, for example, the timer 62.

このように、本実施形態では、イグニッションスイッチ６１のオフ時に、酸化剤ガス流通路を掃気（カソード掃気）する際に、同時に燃料ガス流通路にも空気を導入しているので、燃料ガス流通路内の残留水素を従来よりもすばやく燃料ガス流通路内から排出することが可能になり、生成水の発生を抑制することができる。したがって、生成水によって電極に使用される触媒の劣化が促進することがなくなり、燃料電池システム１を安定して起動させることが可能になる。さらに、生成水を低減できるので、Ｃａ重点掃気する際の掃気時間を短縮することができ、消費エネルギの削減も可能になる。   Thus, in this embodiment, when the ignition switch 61 is turned off, when scavenging the oxidant gas flow passage (cathode scavenging), air is also introduced into the fuel gas flow passage at the same time, so the fuel gas flow passage It becomes possible to discharge the residual hydrogen in the fuel gas flow passage more quickly than before, and to suppress generation of generated water. Therefore, the deterioration of the catalyst used for the electrode by the generated water is not promoted, and the fuel cell system 1 can be started stably. Furthermore, since generated water can be reduced, the scavenging time for Ca-weighted scavenging can be shortened, and energy consumption can also be reduced.

また、本実施形態では、パージ弁２７を小開度で開弁するように制御して、燃料ガス流通路に微量の空気が流通するようにしているので、高濃度の水素が車外に排出されるといったことを防止できる。また、導入配管３６を用いて燃料ガス流通路と酸化剤ガス流通路とを連通しているので、アノード極６とカソード極７との差圧が大きくなるのを防止でき、電解質膜５への負荷を低減して燃料電池ＦＣの劣化促進を防止できる。   In the present embodiment, the purge valve 27 is controlled to open at a small opening so that a small amount of air flows through the fuel gas flow passage, so that high-concentration hydrogen is discharged outside the vehicle. Can be prevented. In addition, since the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path are communicated using the introduction pipe 36, it is possible to prevent the differential pressure between the anode electrode 6 and the cathode electrode 7 from increasing, and to the electrolyte membrane 5. The load can be reduced to prevent the deterioration of the fuel cell FC.

さらに、本実施形態について図３のタイムチャートを参照しながら説明すると、イグニッションスイッチ６１がオフにされると（時刻ｔ１）、システム起動状態はＯＮの状態が継続され、水素遮断弁２４が閉じられて水素の供給が停止され、燃料ガス流通路が密閉される。またイグニッションスイッチ６１のオフと同時に、燃料電池ＦＣとディスチャージ抵抗５４とを接続して発電を継続する。これにより、燃料ガス流通路内に残留している水素が酸化剤ガス流通路を流通する空気中の酸素と反応して水素が消費されるので、ＦＣ電流（燃料電池ＦＣから出力される電流）は徐々に低下する。このＦＣ電流の低下に応じて、アノード系２０の燃料ガス流通路に残留している水素の濃度（Ａｎ系内水素濃度）も徐々に低下する。   Further, the present embodiment will be described with reference to the time chart of FIG. 3. When the ignition switch 61 is turned off (time t1), the system activation state is kept on, and the hydrogen cutoff valve 24 is closed. Thus, the supply of hydrogen is stopped and the fuel gas flow passage is sealed. At the same time when the ignition switch 61 is turned off, the fuel cell FC and the discharge resistor 54 are connected to continue power generation. As a result, hydrogen remaining in the fuel gas flow path reacts with oxygen in the air flowing through the oxidant gas flow path and is consumed, so that FC current (current output from the fuel cell FC) Gradually decreases. As the FC current decreases, the concentration of hydrogen remaining in the fuel gas flow passage of the anode system 20 (An In-system hydrogen concentration) also gradually decreases.

また、前記放電と同時に（時刻ｔ１）、パージ弁２７が小開度で、導入弁３７がそれぞれ開かれるとともにコンプレッサ３３の駆動が継続されることで、酸化剤ガス流通路には大流量（Ｃａ側掃気流量参照）の空気が供給され、燃料ガス流通路には微量（Ａｎ側掃気流量参照）の空気が供給される。このように、微量の空気で燃料ガス流通路を掃気しているので、燃料ガス流通路に残留している高濃度の水素が車外（系外）に排出されるのを防止できる。   Simultaneously with the discharge (time t1), the purge valve 27 is opened at a small opening, the introduction valve 37 is opened, and the compressor 33 is continuously driven. A side scavenging flow rate air) is supplied, and a minute amount (see An side scavenging flow rate) of air is supplied to the fuel gas flow passage. Thus, since the fuel gas flow passage is scavenged with a very small amount of air, it is possible to prevent the high-concentration hydrogen remaining in the fuel gas flow passage from being discharged outside the vehicle (outside the system).

そして、燃料ガス流通路の掃気を開始して、ＦＣ電流が所定値以下となったときに（時刻ｔ２）、パージ弁２７および導入弁３７を閉じて発電を完了する。これにより、燃料ガス流通路への空気の供給は停止するが、さらにコンプレッサ３３を継続して運転し、所定時間経過後にシステムを停止（時刻ｔ３）、つまりコンプレッサ３３を停止して酸化剤ガス流通路への空気の供給を停止する。このように、発電完了（時刻ｔ２）後もＣａ重点掃気を継続することで、電解質膜５に含まれた水が時間の経過とともに電極表面にしみ出してきた水を排出することができ、触媒の劣化促進を防止でき、燃料電池ＦＣの次回起動時の安定性が図れる。   Then, scavenging of the fuel gas flow passage is started, and when the FC current becomes a predetermined value or less (time t2), the purge valve 27 and the introduction valve 37 are closed to complete the power generation. As a result, the supply of air to the fuel gas flow passage is stopped, but the compressor 33 is continuously operated and the system is stopped after a predetermined time (time t3), that is, the compressor 33 is stopped and the oxidant gas flow is stopped. Stop supplying air to the road. In this way, by continuing the Ca-weighted scavenging even after the completion of power generation (time t2), the water contained in the electrolyte membrane 5 can be discharged from the electrode surface over time, and the catalyst can be discharged. The deterioration of the fuel cell can be prevented, and the stability of the fuel cell FC at the next start-up can be achieved.

なお、前記した実施形態では、燃料排出装置を、パージ弁２７（開度小）と導入配管３６と導入弁３７とで構成したが、これに限定されるものではなく、図２のステップＳ１４０の括弧内の上段に記載したように、燃料排出装置を、パージ弁２７のみで構成して、イグニッションスイッチ６１がオフにされたときに、パージ弁２７を大開度で開くようにしてもよい。このような構成であっても、放電（発電継続）による水素消費時に、パージ弁２７を大開度で開くことで燃料ガス流通路内に残留している水素が拡散しながら排出されるので、生成水の発生を抑制することができる。したがって、触媒の劣化促進防止、掃気時間の短縮といった前記実施形態と同様な効果が得られる。なお、この場合は、ＦＣ電流が所定値以下となったときに（ステップＳ１５０、Ｙｅｓ）、パージ弁２７が閉じられる（ステップＳ１６０）。   In the above-described embodiment, the fuel discharge device is configured by the purge valve 27 (small opening), the introduction pipe 36, and the introduction valve 37. However, the present invention is not limited to this, and step S140 of FIG. As described in the upper part in the parentheses, the fuel discharge device may be configured by only the purge valve 27, and the purge valve 27 may be opened at a large opening when the ignition switch 61 is turned off. Even in such a configuration, when hydrogen is consumed due to discharge (continuous power generation), the purge valve 27 is opened at a large opening, so that hydrogen remaining in the fuel gas flow passage is discharged while being diffused. Generation of water can be suppressed. Therefore, the same effects as those of the above-described embodiment such as prevention of catalyst deterioration promotion and shortening of the scavenging time can be obtained. In this case, the purge valve 27 is closed (step S160) when the FC current becomes a predetermined value or less (step S150, Yes).

あるいは、図２のステップＳ１４０の括弧内の下段に記載したように、燃料排出装置を、導入配管３６と導入弁３７とで構成して、イグニッションスイッチ６１がオフにされたときに、導入弁３７を開くようにしてもよい。なお、このような構成の燃料排出装置を適用できる前提条件として、酸化剤ガス流通路を空気で掃気（カソード掃気）する初期状態において、燃料ガス流通路内の圧力が、酸化剤ガス流通路内の圧力より高いシステム構成であることが必要となる。このような構成であっても、導入弁３７を開いたときに、放電（発電継続）による水素消費とともに、燃料ガス流通路内の残留水素が酸化剤ガス流通路に向けて排出されるので、生成水の発生を抑制することができる。また、酸化剤ガス流通路に導入された水素は、コンプレッサ３３からの空気と混合された後に排出されるので、高濃度の水素が車外（系外）に排出されることがない。なお、この構成では、燃料ガス流通路内の圧力と酸化剤ガス流通路内の圧力とが平衡となるまで水素が燃料ガス流通路から酸化剤ガス流通路に向けて流れることになる。また、ＦＣ電流が低下して、ＦＣ電流が所定値以下となったときに導入弁３７が閉じられる。また、この場合は、ＦＣ電流が所定値以下となったときに（ステップＳ１５０、Ｙｅｓ）、導入弁３７が閉じられる（ステップＳ１６０）。   Alternatively, as described in the lower part of the parentheses in step S140 in FIG. 2, the fuel discharge device is configured by the introduction pipe 36 and the introduction valve 37, and when the ignition switch 61 is turned off, the introduction valve 37 is turned off. May be opened. As a precondition for applying the fuel discharge device having such a configuration, in an initial state in which the oxidant gas flow passage is scavenged with air (cathode scavenging), the pressure in the fuel gas flow passage is changed in the oxidant gas flow passage. The system configuration must be higher than Even in such a configuration, when the introduction valve 37 is opened, hydrogen remaining due to discharge (continuation of power generation) and residual hydrogen in the fuel gas flow passage are discharged toward the oxidant gas flow passage. Generation of generated water can be suppressed. Further, since the hydrogen introduced into the oxidant gas flow passage is discharged after being mixed with the air from the compressor 33, high-concentration hydrogen is not discharged outside the vehicle (outside the system). In this configuration, hydrogen flows from the fuel gas flow path toward the oxidant gas flow path until the pressure in the fuel gas flow path and the pressure in the oxidant gas flow path are balanced. Further, the introduction valve 37 is closed when the FC current decreases and the FC current becomes a predetermined value or less. In this case, when the FC current becomes equal to or less than the predetermined value (step S150, Yes), the introduction valve 37 is closed (step S160).

このように、燃料排出装置を複数（複数パターン）設けることにより、導入弁３７に不具合が生じて、酸化剤ガス流通路から燃料ガス流通路に空気（掃気ガス）を導入すること、または、燃料ガス流通路から酸化剤ガス流通路に水素を導入することができなくなったとしても、パージ弁２７を大開度で開くことにより、水素を拡散させながら排出することが可能になる。また、パージ弁２７に不具合が生じたとしても、導入弁３７を開いて燃料ガス流通路と酸化剤ガス流通路とを連通させることにより、水素を燃料ガス流通路から導入配管３６を介して酸化剤ガス流通路を向けて排出することが可能になる。   As described above, by providing a plurality of (a plurality of patterns) fuel discharge devices, a trouble occurs in the introduction valve 37, and air (scavenging gas) is introduced from the oxidant gas flow passage to the fuel gas flow passage, or the fuel is discharged. Even if it becomes impossible to introduce hydrogen from the gas flow path to the oxidant gas flow path, the purge valve 27 can be opened at a large opening to discharge the hydrogen while diffusing. Even if a problem occurs in the purge valve 27, hydrogen is oxidized from the fuel gas flow passage through the introduction pipe 36 by opening the introduction valve 37 and connecting the fuel gas flow passage and the oxidant gas flow passage. It becomes possible to discharge toward the agent gas flow path.

本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば、図４のタイムチャートに示すように、Ｃａ重点掃気を２段階に切り分けて掃気するようにしてもよい。すなわち、この処理は、Ｃａ重点掃気（時刻ｔ１〜ｔ４）終了後、つまり燃料ガス流通路を掃気している途中において、コンプレッサ３３の回転速度を落として、酸化剤ガス流通路を小流量の空気で掃気する処理（以下、Ｃａ小流量掃気と略記する）に切り替える処理である（時刻ｔ４〜ｔ３）。なお、Ｃａ重点掃気からＣａ小流量掃気への切替タイミングは、例えば、タイマ６２を用いてイグニッションスイッチ６１のオフから所定時間が経過したことで行ってもよい。   The present invention is not limited to the above-described embodiment. For example, as shown in the time chart of FIG. 4, the Ca-weighted scavenging may be divided into two stages for scavenging. That is, in this process, after the Ca-primed scavenging (time t1 to t4), that is, while the fuel gas flow passage is being scavenged, the rotational speed of the compressor 33 is reduced, and the oxidant gas flow passage passes through the small amount of air. Is a process of switching to a process of scavenging (hereinafter abbreviated as Ca small flow scavenging) (time t4 to t3). Note that the switching timing from the Ca-weighted scavenging to the Ca small flow scavenging may be performed, for example, when a predetermined time has elapsed since the ignition switch 61 was turned off using the timer 62.

ところで、図４の時刻ｔ１〜ｔ４までのＣａ重点掃気では、空気を大流量で供給して、酸化剤ガス流通路内の液滴（生成水）を吹き飛ばす処理が行われるが、水を吹き飛ばした後は、電解質膜５からカソード極７の電極表面に徐々にしみ出す水を排出する処理が主に行われるので、大流量の空気は必要なくなる。そこで、本実施形態では、時刻ｔ１〜ｔ３まで同じ大流量の空気で掃気するのではなく、図４に示すように、時刻ｔ４〜ｔ３において、途中でＣａ小流量掃気に切り替えることで、コンプレッサ３３を不必要に高い回転速度で常時作動させる必要がなくなり、コンプレッサ３３の作動に伴う消費エネルギの削減を図ることが可能になる。   By the way, in the Ca-weighted scavenging from time t1 to time t4 in FIG. 4, air is supplied at a large flow rate, and a process of blowing off droplets (generated water) in the oxidant gas flow passage is performed. Thereafter, a process of discharging water that gradually oozes from the electrolyte membrane 5 to the electrode surface of the cathode electrode 7 is mainly performed, so that a large flow rate of air is not necessary. Therefore, in the present embodiment, instead of scavenging with the same large flow rate of air from time t1 to time t3, as shown in FIG. Need not always be operated at an unnecessarily high rotational speed, and it becomes possible to reduce energy consumption accompanying the operation of the compressor 33.

または、図５および図６に示すように、Ｃａ重点掃気とＡｎ（アノード）重点掃気とＣａ小流量掃気の３段階に分けて掃気するようにしてもよい。なお、図５については、図２と同じ処理については、同一のステップ符号を付してその説明を省略する。   Alternatively, as shown in FIG. 5 and FIG. 6, scavenging may be performed in three stages of Ca-weighted scavenging, An (anode) weighted scavenging, and Ca small-flow-rate scavenging. In FIG. 5, the same processes as those in FIG. 2 are denoted by the same step symbols and description thereof is omitted.

すなわち、ステップＳ１４０において、制御部６０は、パージ弁２７を小開度で開き、且つ、導入弁３７を開いた状態で、ステップＳ１４１に進み、Ａｎ重点掃気を実施する。このＡｎ重点掃気とは、Ｃａ重点掃気とは逆に、燃料ガス流通路に大流量の空気を供給して、燃料ガス流通路内を掃気する処理である（図６の時刻ｔ２〜ｔ５）。   That is, in step S140, the control unit 60 proceeds to step S141 with the purge valve 27 opened at a small opening and the introduction valve 37 opened, and performs An-weighted scavenging. In contrast to the Ca-weighted scavenging, the An-weighted scavenging is a process of supplying a large amount of air to the fuel gas flow passage and scavenging the fuel gas flow passage (time t2 to t5 in FIG. 6).

このＡｎ重点掃気では、制御部６０は、パージ弁２７の開度を小開度から全開に切り替える（ステップＳ１４２）。これにより、コンプレッサ３３で取り込んだ大流量の空気が導入配管３６を介して燃料ガス流通路に導入されて、燃料ガス流通路が掃気される。このように、パージ弁２７を全開に切り替えることにより、燃料ガス流通路からの水素の排出速度が速められるので、燃料ガス流通路に残留している水素を、図３および図４に示す実施形態に比べて早期に排出することができる。なお、Ａｎ重点掃気において、パージ弁２７を全開にしたとしても、すでにＣａ重点掃気において残留水素の一部が排出されているので、高濃度の水素が車外に排出されることはない。また、Ａｎ重点掃気中において、ＦＣ電流が所定値以下となった後も燃料ガス流通路を掃気することで、電解質膜５からアノード極６の電極表面にしみ出す生成水を十分に排出することができるようになる。   In this An-weighted scavenging, the control unit 60 switches the opening of the purge valve 27 from the small opening to the full opening (step S142). As a result, a large flow of air taken in by the compressor 33 is introduced into the fuel gas flow passage via the introduction pipe 36, and the fuel gas flow passage is scavenged. In this way, by switching the purge valve 27 to the fully open state, the discharge speed of hydrogen from the fuel gas flow passage is increased, so that the hydrogen remaining in the fuel gas flow passage is changed to the embodiment shown in FIGS. Compared to, it can be discharged earlier. Even if the purge valve 27 is fully opened in the An important scavenging, a part of the residual hydrogen has already been exhausted in the Ca important scavenging, so that a high concentration of hydrogen is not discharged outside the vehicle. Further, during the An-weighted scavenging, the generated water that oozes out from the electrolyte membrane 5 to the electrode surface of the anode electrode 6 can be sufficiently discharged by scavenging the fuel gas flow passage even after the FC current becomes a predetermined value or less. Will be able to.

そして、ステップＳ１４３に進み、Ｃａ小流量掃気を実施する（時刻ｔ５〜ｔ３）。このＣａ小流量掃気は、コンプレッサ３３の回転速度を落として、酸化剤ガス流通路を小流量の空気で掃気することである。これにより、電解質膜５からカソード極７の電極表面にしみ出す生成水を十分に排出することができる。   And it progresses to step S143 and implements Ca small flow scavenging (time t5-t3). This Ca small flow rate scavenging is to reduce the rotational speed of the compressor 33 and scavenge the oxidant gas flow passage with a small flow rate of air. Thereby, the generated water that oozes out from the electrolyte membrane 5 to the electrode surface of the cathode electrode 7 can be sufficiently discharged.

なお、Ｃａ小流量掃気は、図６に示すように、Ａｎ重点掃気中にＦＣ電流が所定値以下となった場合には、パージ弁２７と導入弁３７とがそれぞれ閉じた状態で掃気が実施されるが、Ｃａ小流量掃気中において、まだＦＣ電流が所定値以下となっておらず発電が継続できる場合には、パージ弁２７および導入弁３７を開けた状態で掃気して、ＦＣ電流が所定値以下となったときにパージ弁２７および導入弁３７を閉じるようにする。   As shown in FIG. 6, the Ca small flow rate scavenging is performed with the purge valve 27 and the introduction valve 37 closed when the FC current becomes equal to or less than a predetermined value during the An-weighted scavenging. However, during the scavenging of the Ca small flow rate, if the FC current is not yet lower than the predetermined value and the power generation can be continued, scavenging is performed with the purge valve 27 and the introduction valve 37 opened, and the FC current is increased. The purge valve 27 and the introduction valve 37 are closed when the predetermined value or less is reached.

そして、ステップＳ１４４に進み、制御部６０は、ＦＣ電流が所定値以下であるか否かを判断し、ＦＣ電流が所定値以下であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１６０以降の処理を実行する。また、制御部６０は、ＦＣ電流が所定値以下ではないと判断した場合には（Ｓ１４４、Ｎｏ）、ステップＳ１４５に進み、ステップＳ１４０と同様にして、パージ弁２７を小開度で開くとともに導入弁３７を開く。なお、ステップＳ１４４での判断は、通常であれば、ＦＣ電流は既に所定値以下となっているはずであり、ステップＳ１４５の処理に移行することはないが、パージ弁２７や導入弁３７に不具合が発生している場合にステップＳ１４５の処理に移行することがある。   And it progresses to step S144 and the control part 60 judges whether FC current is below a predetermined value, and when it judges that FC current is below a predetermined value (Yes), the process after step S160 is performed. Execute. If the control unit 60 determines that the FC current is not less than or equal to the predetermined value (S144, No), the process proceeds to step S145, and the purge valve 27 is opened with a small opening and introduced in the same manner as in step S140. Open the valve 37. Note that if the determination in step S144 is normal, the FC current should already be equal to or less than the predetermined value, and the process does not proceed to step S145, but there is a problem with the purge valve 27 or the introduction valve 37. May occur, the process may move to step S145.

なお、ステップＳ１４４の判断条件としては、ＦＣ電流に応じて設定されるものに限定されず、Ａｎ重点掃気の終了に基づいて判断してもよい。   Note that the determination condition in step S144 is not limited to that set according to the FC current, and may be determined based on the end of the An-weighted scavenging.

このように、Ｃａ重点掃気、Ａｎ重点掃気、Ｃａ小流量掃気というように、目的ごとに別々に掃気を行うことで、コンプレッサ３３の回転速度を不必要に高い回転速度で作動させることがないので、消費エネルギの削減を図ることができる。   In this way, by performing scavenging separately for each purpose, such as Ca-weighted scavenging, An-weighted scavenging, and Ca small flow scavenging, the rotational speed of the compressor 33 is not operated at an unnecessarily high rotational speed. Thus, energy consumption can be reduced.

なお、図４ないし図６の場合にも、燃料排出装置として、パージ弁２７による構成、導入配管３６と導入弁３７とによる構成も適用できる。   4 to 6, a configuration using the purge valve 27 and a configuration using the introduction pipe 36 and the introduction valve 37 can also be applied as the fuel discharge device.

また、燃料排出装置を、パージ弁２７と導入弁３７と導入配管３６とで構成した場合、ステップＳ１６０において、パージ弁２７と導入弁３７の双方を閉じるのではなく、導入弁３７のみを閉じるようにしてもよい。   Further, when the fuel discharge device is constituted by the purge valve 27, the introduction valve 37, and the introduction pipe 36, in step S160, not both the purge valve 27 and the introduction valve 37 are closed, but only the introduction valve 37 is closed. It may be.

本発明の実施形態に係る燃料電池システムを示す全体構成図である。1 is an overall configuration diagram showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 運転停止時の処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process at the time of a driving | operation stop. 図２の処理に伴うタイミングチャートである。It is a timing chart accompanying the process of FIG. カソード２段階掃気を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows cathode 2 step | paragraph scavenging. 運転停止時の別の処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows another process at the time of a driving | operation stop. カソード３段階掃気を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows cathode 3 step | paragraph scavenging.

符号の説明Explanation of symbols

１ 燃料電池システム
２１ａ〜２１ｃ アノードガス供給配管
２２ａ，２２ｂ アノードオフガス配管
２６ 循環配管
２７ パージ弁
３１ カソードガス供給配管
３２ａ，３２ｂ カソードオフガス配管
３６ 導入配管
３７ 導入弁
ａ１，ｃ１ 流路
６０ 制御部
ＦＣ 燃料電池 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system 21a-21c Anode gas supply piping 22a, 22b Anode off-gas piping 26 Circulation piping 27 Purge valve 31 Cathode gas supply piping 32a, 32b Cathode off-gas piping 36 Introduction piping 37 Introduction valve a1, c1 Flow path 60 Control part FC Fuel battery

Claims (1)

アノード極に燃料ガスが供給され、カソード極に酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、
前記アノード極を含み燃料ガスが流通する燃料ガス流通路と、
前記カソード極を含み酸化剤ガスが流通し、前記燃料電池の下流側において前記燃料ガス流通路が連通する酸化剤ガス流通路と、
前記カソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池の上流側の前記燃料ガス流通路と、前記燃料電池の上流側の前記酸化剤ガス流通路とを連通する連通路と、
前記連通路を遮断する遮断弁と、
前記燃料電池を放電させるディスチャージ抵抗と、
前記燃料電池の下流側の前記燃料ガス流通路に設けられるパージ弁と、
前記燃料電池の発電停止時に、前記酸化剤ガス流通路内の生成水を排出可能な大流量の酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給手段から供給して前記酸化剤ガス流通路を掃気する第１カソード掃気処理と、前記第１カソード掃気処理の後に前記大流量よりも少ない小流量の酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給手段から供給して前記酸化剤ガス流通路を掃気する第２カソード掃気処理と、を実行するカソード掃気手段と、
前記燃料電池の発電停止時に、前記第１カソード掃気処理と前記第２カソード掃気処理との間において前記燃料ガス流通路に生成水を排出可能な大流量の酸化剤ガスを流通させて前記燃料ガス流通路を掃気するアノード掃気処理を行うアノード掃気手段と、
前記燃料電池の発電停止時に、前記アノード極への燃料ガスの供給を遮断し、前記燃料ガス流通路内に残留する燃料ガスと前記酸化剤ガス流通路を流通する酸化剤ガスとを反応させて前記ディスチャージ抵抗において前記燃料電池を放電させる発電継続手段と、
前記第１カソード掃気処理中、前記遮断弁および前記パージ弁を開弁して前記燃料ガス流通路に前記アノード掃気処理における前記大流量の酸化剤ガスよりも少ない微量の酸化剤ガスを導入して前記燃料ガス流通路に残留する燃料ガスを前記燃料ガス流通路内から押し出す燃料ガス排出手段と、を有することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell in which fuel gas is supplied to the anode electrode and oxidant gas is supplied to the cathode electrode to generate power; and
A fuel gas flow passage through which the fuel gas flows, including the anode electrode;
An oxidant gas flow passage through which an oxidant gas flows including the cathode electrode, and the fuel gas flow passage communicates with the downstream side of the fuel cell;
An oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the cathode electrode;
A communication path communicating the fuel gas flow path upstream of the fuel cell and the oxidant gas flow path upstream of the fuel cell;
A shutoff valve that shuts off the communication path;
A discharge resistor for discharging the fuel cell;
A purge valve provided in the fuel gas flow passage on the downstream side of the fuel cell;
A first flow of scavenging the oxidant gas flow passage by supplying from the oxidant gas supply means a large flow of oxidant gas capable of discharging the generated water in the oxidant gas flow passage when power generation of the fuel cell is stopped . Cathode scavenging process and second cathode scavenging process in which, after the first cathode scavenging process, an oxidant gas having a smaller flow rate than the large flow rate is supplied from the oxidant gas supply means to scavenge the oxidant gas flow passage. And cathode scavenging means for performing ,
When the power generation of the fuel cell is stopped, a large amount of oxidant gas capable of discharging generated water is circulated in the fuel gas flow passage between the first cathode scavenging process and the second cathode scavenging process. An anode scavenging means for performing an anode scavenging process for scavenging the flow path;
When the power generation of the fuel cell is stopped, the supply of fuel gas to the anode electrode is cut off, and the fuel gas remaining in the fuel gas flow passage reacts with the oxidant gas flowing through the oxidant gas flow passage. Power generation continuation means for discharging the fuel cell at the discharge resistor;
During the first cathode scavenging process, the shut-off valve and the purge valve are opened, and a small amount of oxidant gas is introduced into the fuel gas flow passage, which is smaller than the large-flow oxidant gas in the anode scavenging process. A fuel cell system comprising fuel gas discharge means for pushing out fuel gas remaining in the fuel gas flow passage from the fuel gas flow passage.
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