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JP5172488B2 - Fuel cell system - Google Patents

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JP5172488B2
JP5172488B2 JP2008155635A JP2008155635A JP5172488B2 JP 5172488 B2 JP5172488 B2 JP 5172488B2 JP 2008155635 A JP2008155635 A JP 2008155635A JP 2008155635 A JP2008155635 A JP 2008155635A JP 5172488 B2 JP5172488 B2 JP 5172488B2
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Description

本発明は、燃料電池システムに関する。詳しくは、燃料電池の停止期間中に掃気処理を実行する燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system. Specifically, the present invention relates to a fuel cell system that performs a scavenging process during a stop period of the fuel cell.

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

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

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

このような燃料電池システムには、希釈器が設けられ、この希釈器により、燃料電池のアノード電極から排出された水素オフガスは、カソード電極から排出されたエアオフガスにより希釈されて、外部に排出される。   Such a fuel cell system is provided with a diluter, and by this diluter, the hydrogen off-gas discharged from the anode electrode of the fuel cell is diluted with the air off-gas discharged from the cathode electrode and discharged to the outside. .

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

そこで、燃料電池の停止期間中には、バッテリに蓄電した電力を利用して、これら燃料電池や反応ガス路の内部に掃気ガスを流通させて、残留水をシステム外部に排出する掃気処理を実行する(特許文献1参照)。具体的には、カソード電極を含むカソードガス系を掃気するカソード掃気を実行した後に、アノード電極を含むアノードガス系を掃気するアノード掃気を実行する。
特開2006−139939号公報
Therefore, during the fuel cell outage period, scavenging processing is performed that uses the power stored in the battery to circulate scavenging gas inside these fuel cells and reaction gas passages and discharge residual water to the outside of the system. (See Patent Document 1). Specifically, after the cathode scavenging is performed to scavenge the cathode gas system including the cathode electrode, the anode scavenging is performed to scavenge the anode gas system including the anode electrode.
JP 2006-139939 A

しかしながら、カソード掃気を実行した後に、アノード掃気を開始すると、アノードガス系内の高濃度の水素オフガスが希釈器に流入するため、水素オフガスの希釈に多くの時間がかかってしまう。このように掃気処理にかかる時間が長期化すると、掃気処理に必要な掃気エネルギが大きくなるので、バッテリに蓄電された電力が低下し、次回の起動時に商品性が低下する可能性があった。   However, when the anode scavenging is started after the cathode scavenging is performed, a high concentration of hydrogen off-gas in the anode gas system flows into the diluter, so that it takes a lot of time to dilute the hydrogen off-gas. Thus, when the time required for the scavenging process is prolonged, the scavenging energy required for the scavenging process increases, so that the electric power stored in the battery decreases, and the commercial value may decrease at the next start-up.

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、掃気処理を短時間で完了して、掃気エネルギを低減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 has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of reducing the scavenging energy by completing the scavenging process in a short time.

本発明の燃料電池システム(例えば、後述の燃料電池システム1)は、アノードガス供給路(例えば、後述の水素供給路33)を通して供給されるアノードガス(例えば、後述の水素ガス)、およびカソードガス供給路(例えば、後述のエア供給路22)を通して供給されるカソードガス(例えば、後述のエア)の反応により発電する燃料電池(例えば、後述の燃料電池10)と、前記カソードガス供給路にカソードガスを供給するカソードガス供給手段(例えば、後述のエアコンプレッサ21)と、前記燃料電池から排出されるカソードガスが流通するカソードガス排出路(例えば、後述のエア排出路23)と、前記カソードガス排出路に設けられた背圧弁(例えば、後述の背圧弁231)と、前記燃料電池から排出されるアノードガスが流通するアノードガス排出路(例えば、後述の水素還流路34、水素排出路35、および掃気ガス排出路36)と、前記アノードガス排出路に設けられた掃気ガス排出弁(例えば、後述の掃気ガス排出弁361)と、前記カソードガス供給路と前記アノードガス供給路とを接続する掃気ガス導入路(例えば、後述の掃気ガス導入路24)と、当該掃気ガス導入路に設けられた掃気ガス導入弁(例えば、後述の掃気ガス導入弁241)と、前記カソードガス排出路を流通するカソードガスにより、前記アノードガス排出路を流通するアノードガスを希釈する希釈手段(例えば、後述の希釈器50)と、前記掃気ガス導入弁および前記背圧弁を開状態とし、前記掃気ガス排出弁を閉状態として、前記カソードガス供給手段により前記カソード供給路にカソードガスを供給することで、前記カソードガス供給路および前記カソードガス排出路を含むカソードガス系を掃気するカソード掃気処理を実行するカソード掃気手段(例えば、後述のカソード掃気部43)と、前記掃気ガス導入弁および前記掃気ガス排出弁を開状態とし、前記背圧弁を閉状態として、前記カソードガス供給手段により前記カソード供給路にカソードガスを供給することで、前記アノードガス供給路および前記アノードガス排出路を含むアノードガス系を掃気するアノード掃気処理を実行するアノード掃気手段(例えば、後述のアノード掃気部44)と、前記カソード掃気手段によりカソード掃気処理を実行した後、前記アノード掃気手段によりアノード掃気処理を実行する掃気制御手段(例えば、後述の掃気制御部46)と、を有する燃料電池システムであって、前記掃気制御手段は、前記アノード掃気処理を開始する際、前記背圧弁の開度を、所定時間、前記カソード掃気処理を実行する場合よりも小さく、アノード掃気処理を実行する場合よりも大きい中間開度とすることを特徴とする。   A fuel cell system (for example, a fuel cell system 1 described later) of the present invention includes an anode gas (for example, a hydrogen gas described later) supplied through an anode gas supply path (for example, a hydrogen supply path 33 described later), and a cathode gas. A fuel cell (for example, a fuel cell 10 described later) that generates electricity by reaction of a cathode gas (for example, air described later) supplied through a supply channel (for example, an air supply channel 22 described later), and a cathode connected to the cathode gas supply channel Cathode gas supply means (for example, an air compressor 21 described later) for supplying gas, a cathode gas discharge path (for example, an air discharge path 23 described later) through which the cathode gas discharged from the fuel cell flows, and the cathode gas A back pressure valve (for example, a back pressure valve 231 described later) provided in the discharge path and an anode gas discharged from the fuel cell An anode gas discharge passage (for example, a hydrogen recirculation passage 34, a hydrogen discharge passage 35, and a scavenging gas discharge passage 36, which will be described later), and a scavenging gas discharge valve (for example, a scavenging gas described later) provided in the anode gas discharge passage. A scavenging gas introduction path (for example, a scavenging gas introduction path 24 described later) connecting the discharge valve 361), the cathode gas supply path and the anode gas supply path, and a scavenging gas introduction provided in the scavenging gas introduction path Dilution means (for example, diluter 50 described later) for diluting the anode gas flowing through the anode gas discharge path using a valve (for example, a scavenging gas introduction valve 241 described later) and a cathode gas flowing through the cathode gas discharge path The scavenging gas introduction valve and the back pressure valve are opened, the scavenging gas discharge valve is closed, and the cathode gas supply means supplies the cathode. A cathode scavenging means (for example, a cathode scavenging unit 43 described later) for performing a cathode scavenging process for scavenging a cathode gas system including the cathode gas supply path and the cathode gas discharge path by supplying a cathode gas to The scavenging gas introduction valve and the scavenging gas discharge valve are opened, the back pressure valve is closed, and the cathode gas is supplied to the cathode supply path by the cathode gas supply means, whereby the anode gas supply path and the anode An anode scavenging means (for example, an anode scavenging unit 44 described later) that performs an anode scavenging process for scavenging an anode gas system including a gas discharge path, and a cathode scavenging process performed by the cathode scavenging means, and then the anode scavenging means A scavenging control means for executing anode scavenging processing (for example, a scavenging control unit 4 described later) 6), wherein when the scavenging control means starts the anode scavenging process, the opening of the back pressure valve is smaller than when the cathode scavenging process is executed for a predetermined time. The intermediate opening is larger than that when the anode scavenging process is executed.

この発明によれば、アノード掃気処理を開始する際、背圧弁の開度を中間開度とする。よって、アノード掃気処理の開始時に、濃度の高いアノードガスが希釈手段に流入しても、背圧弁を通してカソードガス系内のカソードガスが希釈手段に流入するので、希釈手段でのアノードオフガスの希釈が促進され、希釈時間を短縮できる。その結果、掃気処理を短時間で完了して、掃気エネルギを低減できる。   According to this invention, when the anode scavenging process is started, the opening of the back pressure valve is set to the intermediate opening. Therefore, even when a highly concentrated anode gas flows into the diluting means at the start of the anode scavenging process, the cathode gas in the cathode gas system flows into the diluting means through the back pressure valve. This can accelerate the dilution time. As a result, the scavenging process can be completed in a short time, and the scavenging energy can be reduced.

この場合、前記アノードガス排出路に設けられたパージ弁(例えば、後述のパージ弁)をさらに備え、前記掃気制御手段は、前記カソード掃気処理の実行中に、前記パージ弁を一時的に開状態として、前記アノードガス系内に残留するガスを希釈手段に排出するパージ処理を行うとともに、前記背圧弁の開度を前記中間開度とすることが好ましい。   In this case, a purge valve (for example, a purge valve to be described later) provided in the anode gas discharge path is further provided, and the scavenging control means temporarily opens the purge valve during execution of the cathode scavenging process. It is preferable that a purge process for discharging the gas remaining in the anode gas system to the diluting means is performed and the opening of the back pressure valve is set to the intermediate opening.

この発明によれば、カソード掃気処理中にパージ処理を行う際に、背圧弁の開度を中間開度としたので、背圧弁を通してカソードガス系内のカソードガスが希釈手段に流入するので、パージ処理によりアノードオフガスが希釈手段に流入しても、この希釈手段でのアノードオフガスの希釈が促進され、アノードオフガスの排出能力を向上できる。   According to the present invention, when performing the purge process during the cathode scavenging process, since the opening of the back pressure valve is set to the intermediate opening, the cathode gas in the cathode gas system flows into the dilution means through the back pressure valve. Even if the anode off gas flows into the diluting means by the treatment, the dilution of the anode off gas in the diluting means is promoted, and the discharge capacity of the anode off gas can be improved.

本発明の燃料電池システムは、アノードガス供給路を通して供給されるアノードガス、およびカソードガス供給路を通して供給されるカソードガスの反応により発電する燃料電池と、前記カソードガス供給路にカソードガスを供給するカソードガス供給手段と、前記燃料電池から排出されるカソードガスが流通するカソードガス排出路と、前記カソードガス排出路に設けられた背圧弁と、前記燃料電池から排出されるアノードガスが流通するアノードガス排出路と、前記アノードガス排出路に設けられた掃気ガス排出弁およびパージ弁と、前記カソードガス供給路と前記アノードガス供給路とを接続する掃気ガス導入路と、当該掃気ガス導入路に設けられた掃気ガス導入弁と、前記カソードガス排出路を流通するカソードガスにより、前記アノードガス排出路を流通するアノードガスを希釈する希釈手段と、前記掃気ガス導入弁および前記背圧弁を開状態とし、前記掃気ガス排出弁を閉状態として、前記カソードガス供給手段により前記カソード供給路にカソードガスを供給することで、前記カソードガス供給路および前記カソードガス排出路を含むカソードガス系を掃気するカソード掃気処理を実行するカソード掃気手段と、前記掃気ガス導入弁および前記掃気ガス排出弁を開状態とし、前記背圧弁を閉状態として、前記カソードガス供給手段により前記カソード供給路にカソードガスを供給することで、前記アノードガス供給路および前記アノードガス排出路を含むアノードガス系を掃気するアノード掃気処理を実行するアノード掃気手段と、前記カソード掃気手段によりカソード掃気処理を実行した後、前記アノード掃気手段によりアノード掃気処理を実行する掃気制御手段と、を有する燃料電池システムであって、前記掃気制御手段は、前記カソード掃気処理の実行中に、前記パージ弁を一時的に開状態として、前記アノードガス系内に残留するガスを希釈手段に排出するパージ処理を行うとともに、前記背圧弁の開度を前記中間開度とすることを特徴とする。   The fuel cell system of the present invention supplies a fuel cell that generates power by a reaction between an anode gas supplied through an anode gas supply path and a cathode gas supplied through the cathode gas supply path, and supplies the cathode gas to the cathode gas supply path. A cathode gas supply means; a cathode gas discharge passage through which the cathode gas discharged from the fuel cell flows; a back pressure valve provided in the cathode gas discharge passage; and an anode through which the anode gas discharged from the fuel cell flows. A gas discharge passage, a scavenging gas discharge valve and a purge valve provided in the anode gas discharge passage, a scavenging gas introduction passage connecting the cathode gas supply passage and the anode gas supply passage, and the scavenging gas introduction passage. The scavenging gas introduction valve provided and the cathode gas flowing through the cathode gas discharge path are used to Diluting means for diluting the anode gas flowing through the gas discharge path, the scavenging gas introduction valve and the back pressure valve are opened, the scavenging gas discharge valve is closed, and the cathode gas supply means supplies the cathode supply path to the cathode supply path. A cathode scavenging means for performing a cathode scavenging process for scavenging a cathode gas system including the cathode gas supply path and the cathode gas discharge path by supplying a cathode gas; and the scavenging gas introduction valve and the scavenging gas discharge valve; The anode gas system including the anode gas supply path and the anode gas discharge path is scavenged by opening the state, closing the back pressure valve, and supplying the cathode gas to the cathode supply path by the cathode gas supply means. Anode scavenging means for performing an anode scavenging process and a cathode scavenging means A scavenging control means for performing an anode scavenging process by the anode scavenging means after performing the scavenging process, wherein the scavenging control means performs the purge during the cathode scavenging process. The valve is temporarily opened to perform a purge process for discharging the gas remaining in the anode gas system to the diluting means, and the opening of the back pressure valve is set to the intermediate opening.

この発明によれば、上述の効果と同様の効果がある。   According to the present invention, there are effects similar to those described above.

この場合、前記燃料電池内部のアノードガス量を推定するアノードガス量推定手段(例えば、後述のアノードガス量推定部45)をさらに備え、前記掃気制御手段は、当該推定したアノードガス量に基づいて、前記背圧弁の開度を前記中間開度とするか否かを決定することが好ましい。   In this case, the fuel cell further includes anode gas amount estimation means (for example, an anode gas amount estimation unit 45 described later) for estimating the anode gas amount inside the fuel cell, and the scavenging control means is based on the estimated anode gas amount. It is preferable to determine whether or not the opening of the back pressure valve is the intermediate opening.

背圧弁の開度を中間開度に設定すると、掃気時間が長期化するため、消費エネルギが大きくなるおそれがあるが、この発明によれば、例えば、アノードガス量が少ないと推定した場合には、積極的にアノードオフガスを排出する必要がないと判断し、背圧弁の開度を中間開度に設定しない。よって、掃気処理を短時間で完了して、掃気エネルギを低減できる。   If the back pressure valve opening is set to an intermediate opening, the scavenging time will be prolonged, which may increase the energy consumption. However, according to the present invention, for example, when the amount of anode gas is estimated to be small, Therefore, it is determined that there is no need to positively discharge the anode off gas, and the opening of the back pressure valve is not set to the intermediate opening. Therefore, the scavenging process can be completed in a short time, and the scavenging energy can be reduced.

本発明によれば、アノード掃気処理を開始する際、背圧弁の開度を中間開度とする。よって、アノード掃気処理の開始時に、濃度の高いアノードガスが希釈手段に流入しても、背圧弁を通してカソードガス系内のカソードガスが希釈手段に流入するので、希釈手段でのアノードオフガスの希釈が促進され、希釈時間を短縮できる。その結果、掃気処理を短時間で完了して、掃気エネルギを低減できる。   According to the present invention, when the anode scavenging process is started, the opening of the back pressure valve is set to the intermediate opening. Therefore, even when a highly concentrated anode gas flows into the diluting means at the start of the anode scavenging process, the cathode gas in the cathode gas system flows into the diluting means through the back pressure valve. This can accelerate the dilution time. As a result, the scavenging process can be completed in a short time, and the scavenging energy can be reduced.

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図1は、本実施形態に係る燃料電池システム1のブロック図である。
燃料電池システム1は、燃料電池10と、この燃料電池10にアノードガスやカソードガスを供給する供給装置20と、これら燃料電池10及び供給装置20を制御する電子制御ユニット(以下、「ECU」と呼ぶ)40とを有する。この燃料電池システム1は、例えば、燃料電池10により発電された電力を動力源とする図示しない燃料電池車両に搭載される。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram of a fuel cell system 1 according to this embodiment.
The fuel cell system 1 includes a fuel cell 10, a supply device 20 that supplies anode gas and cathode gas to the fuel cell 10, and an electronic control unit (hereinafter referred to as "ECU") that controls the fuel cell 10 and the supply device 20. 40). The fuel cell system 1 is mounted, for example, in a fuel cell vehicle (not shown) that uses electric power generated by the fuel cell 10 as a power source.

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

このような燃料電池10は、アノード電極(陽極)側に形成されたアノード流路13にアノードガスとしての水素ガスが供給され、カソード電極(陰極)側に形成されたカソード流路14に酸素を含むカソードガスとしてのエア(空気)が供給されると、これらの電気化学反応により発電する。
また、燃料電池10の内部には、燃料電池10の温度を測定する温度センサ15が設けられている。
In such a fuel cell 10, hydrogen gas as an anode gas is supplied to an anode flow path 13 formed on the anode electrode (anode) side, and oxygen is supplied to a cathode flow path 14 formed on the cathode electrode (cathode) side. When air (air) as the cathode gas is supplied, power is generated by these electrochemical reactions.
A temperature sensor 15 that measures the temperature of the fuel cell 10 is provided inside the fuel cell 10.

供給装置20は、カソードガス供給手段としてのエアコンプレッサ21と、水素タンク31およびエゼクタ32と、を含んで構成される。   The supply device 20 includes an air compressor 21 as a cathode gas supply means, a hydrogen tank 31 and an ejector 32.

エアコンプレッサ21は、カソードガス供給路としてのエア供給路22を介して、燃料電池10のカソード流路14の一端側にエアを供給する。このエアコンプレッサ21は、供給するエア流量をゼロから大流量まで調整可能である。
燃料電池10のカソード流路14の他端側には、燃料電池10から排出されるエアが流通するカソードガス排出路としてのエア排出路23が接続され、このエア排出路23の先端側には、後述の希釈手段としての希釈器50が接続されている。また、エア排出路23には、開度を調整可能な背圧弁231が設けられている。
The air compressor 21 supplies air to one end side of the cathode flow path 14 of the fuel cell 10 via an air supply path 22 as a cathode gas supply path. The air compressor 21 can adjust the supplied air flow rate from zero to a large flow rate.
An air discharge path 23 as a cathode gas discharge path through which air discharged from the fuel cell 10 flows is connected to the other end side of the cathode flow path 14 of the fuel cell 10. A diluter 50 as a diluting means described later is connected. The air discharge path 23 is provided with a back pressure valve 231 whose opening degree can be adjusted.

さらに、エア供給路22には、掃気ガス導入路24が分岐して設けられている。掃気ガス導入路24の先端側は、後述の水素供給路33に接続されている。また、この掃気ガス導入路24には、掃気ガス導入弁241が設けられている。この掃気ガス導入弁241を開いた状態では、エア供給路22と水素供給路33とは連通し、掃気ガス導入弁241を閉じた状態では、エア供給路22と水素供給路33との連通は遮断される。   Further, a scavenging gas introduction path 24 is branched from the air supply path 22. The front end side of the scavenging gas introduction path 24 is connected to a hydrogen supply path 33 described later. The scavenging gas introduction path 24 is provided with a scavenging gas introduction valve 241. When the scavenging gas introduction valve 241 is opened, the air supply path 22 and the hydrogen supply path 33 communicate with each other, and when the scavenging gas introduction valve 241 is closed, the air supply path 22 and the hydrogen supply path 33 communicate with each other. Blocked.

水素タンク31は、アノードガス供給路としての水素供給路33を介して、燃料電池10のアノード流路13の一端側に水素ガスを供給する。この水素供給路33には、エゼクタ32が設けられている。また、水素供給路33のうち水素タンク31とエゼクタ32との間には、水素タンク31から供給される水素ガスを減圧する図示しない遮断弁およびレギュレータが設けられている。さらに、水素供給路33のうち燃料電池10の近傍には、水素供給路33の圧力を測定する圧力センサ331が設けられている。   The hydrogen tank 31 supplies hydrogen gas to one end side of the anode flow path 13 of the fuel cell 10 through a hydrogen supply path 33 as an anode gas supply path. An ejector 32 is provided in the hydrogen supply path 33. In addition, between the hydrogen tank 31 and the ejector 32 in the hydrogen supply path 33, a shut-off valve and a regulator (not shown) for reducing the pressure of the hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 31 are provided. Further, a pressure sensor 331 for measuring the pressure of the hydrogen supply path 33 is provided in the vicinity of the fuel cell 10 in the hydrogen supply path 33.

燃料電池10のアノード流路13の他端側には、燃料電池10から排出される水素ガスが流通するアノードガス排出路としての水素還流路34が接続される。この水素還流路34の先端側は、エゼクタ32に接続されている。エゼクタ32は、水素還流路34を流通する水素ガスを回収し、水素供給路33に還流する。   Connected to the other end of the anode flow path 13 of the fuel cell 10 is a hydrogen reflux path 34 as an anode gas discharge path through which hydrogen gas discharged from the fuel cell 10 flows. The distal end side of the hydrogen reflux path 34 is connected to the ejector 32. The ejector 32 collects the hydrogen gas flowing through the hydrogen reflux path 34 and returns it to the hydrogen supply path 33.

また、この水素還流路34には、アノードガス排出路としての水素排出路35および掃気ガス排出路36とが、それぞれ分岐している。これら水素排出路35と掃気ガス排出路36の先端側は、希釈器50に接続される。   Further, a hydrogen discharge path 35 and a scavenging gas discharge path 36 as an anode gas discharge path are branched into the hydrogen reflux path 34. The distal ends of these hydrogen discharge passage 35 and scavenging gas discharge passage 36 are connected to a diluter 50.

水素排出路35には、この水素排出路35を開閉するパージ弁351が設けられている。このパージ弁351を開状態とすることにより、水素還流路34を流通するガスを中流量で希釈器50に排出可能である。
掃気ガス排出路36には、この掃気ガス排出路36を開閉する掃気ガス排出弁361が設けられている。このパージ弁351を開状態とすることにより、水素還流路34を流通するガスを大流量で希釈器50に排出可能である。
The hydrogen discharge path 35 is provided with a purge valve 351 that opens and closes the hydrogen discharge path 35. By opening the purge valve 351, the gas flowing through the hydrogen reflux path 34 can be discharged to the diluter 50 at a medium flow rate.
The scavenging gas discharge path 36 is provided with a scavenging gas discharge valve 361 that opens and closes the scavenging gas discharge path 36. By opening the purge valve 351, the gas flowing through the hydrogen reflux path 34 can be discharged to the diluter 50 at a large flow rate.

希釈器50は、エア排出路23を介して導入されたエアオフガスを希釈ガスとして用いて、上述の水素排出路35および掃気ガス排出路36を介して導入された水素オフガスをこの希釈ガスで希釈して、燃料電池システム1の外部に放出する。   The diluter 50 uses the air off gas introduced through the air discharge passage 23 as a dilution gas, and dilutes the hydrogen off gas introduced through the hydrogen discharge passage 35 and the scavenging gas discharge passage 36 with the dilution gas. And discharged to the outside of the fuel cell system 1.

本実施形態では、アノード流路13、水素供給路33、水素還流路34、水素排出路35、および掃気ガス排出路36により、水素ガス及び燃料電池10から排出された水素オフガスが流通するアノードガス系が構成される。
また、カソード流路14、エア供給路22、エア排出路23、および掃気ガス導入路24により、エアおよび燃料電池10から排出されたエアオフガスが流通するカソードガス系が構成される。また、この図1では、アノードガス系を白抜きの矢印で示し、カソードガス系を実線の矢印で示す。
In the present embodiment, the anode gas through which the hydrogen gas and the hydrogen off-gas discharged from the fuel cell 10 are circulated by the anode flow path 13, the hydrogen supply path 33, the hydrogen reflux path 34, the hydrogen discharge path 35, and the scavenging gas discharge path 36. A system is constructed.
Further, the cathode flow path 14, the air supply path 22, the air discharge path 23, and the scavenging gas introduction path 24 constitute a cathode gas system through which air and the air-off gas discharged from the fuel cell 10 circulate. In FIG. 1, the anode gas system is indicated by a white arrow, and the cathode gas system is indicated by a solid arrow.

上述のエアコンプレッサ21、背圧弁231、掃気ガス導入弁241、遮断弁、パージ弁351、および掃気ガス排出弁361は、ECU40により制御される。   The air compressor 21, the back pressure valve 231, the scavenging gas introduction valve 241, the shut-off valve, the purge valve 351, and the scavenging gas discharge valve 361 are controlled by the ECU 40.

また、ECU40には、温度センサ15、圧力センサ331、イグニッションスイッチ41、およびタイマ42が接続されている。
イグニッションスイッチ41は、燃料電池システム1が搭載された燃料電池車両の運転席に設けられており、運転者の操作に応じて、起動を指令するオン信号又は停止を指令するオフ信号をECU40に送信する。ECU40は、イグニッションスイッチ41から出力されたオン/オフ信号に従い、燃料電池10の起動を開始したり、燃料電池10の発電を停止したりする。
タイマ42は、燃料電池10の発電停止後からの経過時間を計測し、ECU40に出力する。
The temperature sensor 15, the pressure sensor 331, the ignition switch 41, and the timer 42 are connected to the ECU 40.
The ignition switch 41 is provided in the driver's seat of the fuel cell vehicle on which the fuel cell system 1 is mounted, and transmits an on signal for instructing start or an off signal for instructing stop to the ECU 40 according to the operation of the driver. To do. The ECU 40 starts the start of the fuel cell 10 or stops the power generation of the fuel cell 10 in accordance with the on / off signal output from the ignition switch 41.
The timer 42 measures the elapsed time after the power generation of the fuel cell 10 is stopped and outputs it to the ECU 40.

ECU40は、カソード掃気手段としてのカソード掃気部43と、アノード掃気手段としてのアノード掃気部44と、アノードガス量推定手段としてのアノードガス量推定部45と、掃気制御手段としての掃気制御部46と、を備える。   The ECU 40 includes a cathode scavenging unit 43 as a cathode scavenging unit, an anode scavenging unit 44 as an anode scavenging unit, an anode gas amount estimating unit 45 as an anode gas amount estimating unit, and a scavenging control unit 46 as a scavenging control unit. .

カソード掃気部43は、カソード掃気処理を実行する。すなわち、掃気ガス導入弁241および背圧弁231を開状態とし、掃気ガス排出弁361を閉状態として、エアコンプレッサ21によりエア供給路22にエアを供給することで、カソードガス系を掃気する。   The cathode scavenging unit 43 executes a cathode scavenging process. That is, the scavenging gas introduction valve 241 and the back pressure valve 231 are opened, the scavenging gas discharge valve 361 is closed, and air is supplied to the air supply path 22 by the air compressor 21, thereby scavenging the cathode gas system.

アノード掃気部44は、アノード掃気処理を実行する。すなわち、掃気ガス導入弁241および掃気ガス排出弁361を開状態とし、背圧弁231を閉状態として、エアコンプレッサ21によりエア供給路22にエアを供給することで、アノードガス系を掃気する。
このアノード掃気処理は、アノードガス系内の水素を含むガスを掃気ガスで置換することと、アノードガス系内の水分を排出することと、燃料電池10のMEAを乾燥させることとを目的とする。
The anode scavenging unit 44 executes an anode scavenging process. That is, the scavenging gas introduction valve 241 and the scavenging gas discharge valve 361 are opened, the back pressure valve 231 is closed, and air is supplied to the air supply path 22 by the air compressor 21, thereby scavenging the anode gas system.
This anode scavenging treatment is intended to replace the gas containing hydrogen in the anode gas system with a scavenging gas, to discharge moisture in the anode gas system, and to dry the MEA of the fuel cell 10. .

アノードガス量推定部45は、温度センサ15で測定した燃料電池10の温度、および圧力センサ331で測定したアノードガス系の圧力に基づいて、燃料電池10の内部の水素ガス量を推定する。   The anode gas amount estimation unit 45 estimates the amount of hydrogen gas inside the fuel cell 10 based on the temperature of the fuel cell 10 measured by the temperature sensor 15 and the pressure of the anode gas system measured by the pressure sensor 331.

掃気制御部46は、カソード掃気部43によりカソード掃気処理を実行した後、アノード掃気部44によりアノード掃気処理を実行する。
ここで、掃気制御部46は、カソード掃気処理の実行中に、パージ弁351を一時的に開状態としてアノードガス系内に残留するガスを希釈器50に排出するパージ処理を行うとともに、背圧弁231の開度を中間開度とする。背圧弁231の中間開度とは、カソード掃気処理を実行する場合よりも小さくアノード掃気処理を実行する場合よりも大きい開度である。
また、掃気制御部46は、アノード掃気処理を開始する際に、背圧弁231の開度を中間開度とする。
The scavenging control unit 46 executes the anode scavenging process by the anode scavenging unit 44 after performing the cathode scavenging process by the cathode scavenging unit 43.
Here, the scavenging control unit 46 performs a purge process in which the purge valve 351 is temporarily opened to discharge the gas remaining in the anode gas system to the diluter 50 during the cathode scavenging process, and the back pressure valve The opening of 231 is the intermediate opening. The intermediate opening degree of the back pressure valve 231 is an opening degree that is smaller than that when the cathode scavenging process is executed and larger than that when the anode scavenging process is executed.
Further, when the scavenging control unit 46 starts the anode scavenging process, the opening of the back pressure valve 231 is set to an intermediate opening.

さらに、掃気制御部46は、アノードガス量推定部45で推定した水素ガス量に基づいて、背圧弁231の開度を中間開度とするか否かを決定する。   Further, the scavenging control unit 46 determines whether or not the opening of the back pressure valve 231 is set to an intermediate opening based on the hydrogen gas amount estimated by the anode gas amount estimating unit 45.

以上の掃気処理は、燃料電池10の停止期間中に実行される。より具体的には、掃気処理を実行するタイミングは、燃料電池10による発電停止直後に実行する場合と、燃料電池10による発電停止後、タイマ42に基づき所定時間ごとにシステムを起動し、必要に応じて実行する場合と、燃料電池10による発電停止後、燃料電池システム1の温度を監視し、燃料電池システム1の温度が所定値以下になった場合に実行する場合と、がある。   The above scavenging process is executed during the stop period of the fuel cell 10. More specifically, the timing of executing the scavenging process is determined when the system is started every predetermined time based on the timer 42 after the stop of power generation by the fuel cell 10 and after the stop of power generation by the fuel cell 10. Depending on the case, the temperature of the fuel cell system 1 may be monitored after the power generation by the fuel cell 10 is stopped, and may be executed when the temperature of the fuel cell system 1 falls below a predetermined value.

以下、図2〜図4を参照して、燃料電池システム1の動作について説明する。   Hereinafter, the operation of the fuel cell system 1 will be described with reference to FIGS.

図2は、燃料電池システム1の動作を示すフローチャートである。
まず、ステップS1では、イグニッションスイッチ41がオフにされたこと、すなわち、イグニッションスイッチによる発電停止要求を検出する。
ステップS2では、温度センサ15によりシステム温度を監視し、ステップS3では、タイマ42により燃料電池10の発電停止期間を監視する。
FIG. 2 is a flowchart showing the operation of the fuel cell system 1.
First, in step S1, it is detected that the ignition switch 41 has been turned off, that is, a power generation stop request by the ignition switch.
In step S2, the system temperature is monitored by the temperature sensor 15, and in step S3, the power generation stop period of the fuel cell 10 is monitored by the timer.

ステップS4では、燃料電池システム1の温度が所定値以下であるか否かを判定する。この判定がYESの場合は、ステップS5に移り、NOの場合は、ステップS2に戻る。   In step S4, it is determined whether or not the temperature of the fuel cell system 1 is equal to or lower than a predetermined value. If this determination is YES, the process proceeds to step S5, and if NO, the process returns to step S2.

ステップS5では、掃気処理を実行する。この掃気処理については、後に詳述する。
ステップS6では、掃気処理が完了したか否かを判定する。この判定がYESの場合は終了し、NOの場合は、ステップS6に戻る。
In step S5, a scavenging process is executed. This scavenging process will be described in detail later.
In step S6, it is determined whether or not the scavenging process is completed. If this determination is YES, the process ends. If NO, the process returns to step S6.

次に、ステップS5の掃気処理について説明する。
図3は、掃気処理の手順を示すフローチャートである。
まず、ステップS11では、燃料電池の発電停止期間、温度センサ15で測定した燃料電池10の温度、および圧力センサ331で測定した水素供給路33の圧力に基づいて、図4に従い、燃料電池10内部の水素ガス量を推定する。
図4は、燃料電池の発電停止期間と燃料電池内部の水素ガス量の推定値との関係を示す図である。
図4中実線で示すように、燃料電池の発電停止期間が長くなるに従って、燃料電池内部の水素ガス量の推定値は低減する。
そして、この発電停止期間と水素ガス量の推定値との関係を示す曲線は、図4中破線で示すように、温度センサ15で測定した燃料電池10の温度、および圧力センサ331で測定した水素供給路33の圧力に基づいて、上下に変動する。
Next, the scavenging process in step S5 will be described.
FIG. 3 is a flowchart showing the procedure of the scavenging process.
First, in step S11, based on the fuel cell power generation stop period, the temperature of the fuel cell 10 measured by the temperature sensor 15, and the pressure of the hydrogen supply path 33 measured by the pressure sensor 331, the inside of the fuel cell 10 according to FIG. Estimate the amount of hydrogen gas.
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the power generation stop period of the fuel cell and the estimated value of the hydrogen gas amount inside the fuel cell.
As shown by the solid line in FIG. 4, the estimated value of the amount of hydrogen gas inside the fuel cell decreases as the power generation stop period of the fuel cell becomes longer.
The curve indicating the relationship between the power generation stop period and the estimated value of the hydrogen gas amount is the temperature of the fuel cell 10 measured by the temperature sensor 15 and the hydrogen measured by the pressure sensor 331, as shown by the broken line in FIG. It fluctuates up and down based on the pressure in the supply path 33.

ステップS12では、推定した水素ガス量が第1所定値以上であるか否かを判定する。この判定がNOの場合は、ステップS13に移り、YESの場合は、ステップS14に移る。
ステップS13では、第1所定値よりも低い第2所定値を用いて、推定した水素ガス量がこの第2所定値以上であるか否かを判定する。この判定がYESの場合は、ステップS14に移り、NOの場合は、ステップS15に移る。
In step S12, it is determined whether or not the estimated hydrogen gas amount is equal to or greater than a first predetermined value. If this determination is NO, the process moves to step S13, and if YES, the process moves to step S14.
In step S13, it is determined using the second predetermined value that is lower than the first predetermined value whether the estimated hydrogen gas amount is equal to or greater than the second predetermined value. If this determination is YES, the process proceeds to step S14, and if NO, the process proceeds to step S15.

ステップS14では、推定した水素ガス量が第1所定値以上であるので、第1パターンで掃気処理行い、終了する。
ステップS15では、推定した水素ガス量が第2所定値以上第1所定値未満であるので、第2パターンで掃気処理行い、終了する。
ステップS16では、推定した水素ガス量が第2所定値未満であるので、第3パターンで掃気処理行い、終了する。
In step S14, since the estimated hydrogen gas amount is equal to or greater than the first predetermined value, the scavenging process is performed in the first pattern, and the process ends.
In step S15, since the estimated hydrogen gas amount is greater than or equal to the second predetermined value and less than the first predetermined value, the scavenging process is performed in the second pattern, and the process ends.
In step S16, since the estimated hydrogen gas amount is less than the second predetermined value, the scavenging process is performed in the third pattern, and the process ends.

以下、図5〜7を参照して、ステップS14〜S16の各パターンの掃気処理について説明する。
以下の説明において、背圧弁の開度は、完全に閉じた状態で開度ゼロとし、完全に開いた状態で開度dとする。そして、開度ゼロと開度dとの中間の開度を、小さい方から順番に、中間開度d、中間開度d、中間開度dとする。
また、エアコンプレッサで供給するエア量は、小さい方から順にf、f、f、fの3段階であり、f、fは小流量、f、fは大流量である。
Hereinafter, the scavenging process of each pattern in steps S14 to S16 will be described with reference to FIGS.
In the following description, the opening degree of the back pressure valve, the opening degree zero fully closed state, the opening d 4 fully open. Then, the intermediate opening between the opening zero and the opening d 4 is set as an intermediate opening d 1 , an intermediate opening d 2 , and an intermediate opening d 3 in order from the smallest.
In addition, the amount of air supplied by the air compressor is three stages of f 1 , f 2 , f 3 and f 4 in order from the smallest, f 1 and f 2 are small flow rates, and f 3 and f 4 are large flow rates. is there.

図5は、第1パターンの掃気処理の制御例を示すタイムチャートである。
また、この図5に示すタイムチャートでは、上段から順に、エアコンプレッサで供給するエア流量と、アノードガス系内の圧力と、パージ弁、掃気ガス排出弁、および背圧弁の状態と、希釈器から排出される水素濃度とを示す。
なお、掃気処理の期間、掃気ガス導入弁は、常に開状態であるとする。
FIG. 5 is a time chart illustrating a control example of the first pattern scavenging process.
Further, in the time chart shown in FIG. 5, in order from the top, the air flow supplied by the air compressor, the pressure in the anode gas system, the state of the purge valve, the scavenging gas discharge valve, and the back pressure valve, and the diluter It shows the concentration of discharged hydrogen.
It is assumed that the scavenging gas introduction valve is always open during the scavenging process.

図5に示すように、掃気処理は、「カソード掃気工程」(時刻t〜t)と、「燃料電池内部圧力低下工程」(時刻t〜t)と、「第1アノード掃気工程」(時刻t〜t)と、「第2アノード掃気工程」(時刻t〜t)と、の4つの工程を含んで構成される。 As shown in FIG. 5, the scavenging process includes a “cathode scavenging process” (time t 0 to t 2 ), a “fuel cell internal pressure lowering process” (time t 2 to t 3 ), and a “first anode scavenging process”. ”(Time t 3 to t 5 ) and“ second anode scavenging process ”(time t 5 to t 6 ).

まず、時刻tからtの期間では、カソード掃気工程を実行する。すなわち、背圧弁を開状態、掃気排出弁を閉状態とするとともに、エアコンプレッサを駆動して、エア流量を大流量のfとする。これにより、カソードガス系内のガスは、カソードガス系内の水分とともに、掃気ガスにより希釈器内へ押し出されて、排出される。 First, in the period t 2 from time t 0, it executes the cathode scavenging. That is, the back pressure valve open state, the scavenging exhaust valve with the closed state, by driving the air compressor, and f 3 of the large flow of air flow. As a result, the gas in the cathode gas system is pushed out into the diluter by the scavenging gas together with the moisture in the cathode gas system, and is discharged.

カソード掃気工程では、所定のタイミングでパージ処理を行う。具体的には、一定時間、パージ弁を開状態とする。これにより、水素を含んだアノードガス系内のガスは、アノードガス系内の水分とともに、掃気ガスにより希釈器内へ押し出され、掃気ガスで希釈されて排出される。このパージ処理により水素を含むガスが排出されるため、排出水素濃度は、徐々に増加する。   In the cathode scavenging process, a purge process is performed at a predetermined timing. Specifically, the purge valve is opened for a certain time. Thereby, the gas in the anode gas system containing hydrogen is pushed out into the diluter by the scavenging gas together with the moisture in the anode gas system, diluted with the scavenging gas, and discharged. Since the gas containing hydrogen is discharged by this purge process, the discharged hydrogen concentration gradually increases.

また、カソード掃気工程が完了する直前の時刻tからtの期間では、パージ処理を行うとともに、背圧弁の開度をかなり小さくして、中間開度dとする。これにより、掃気ガスがアノードガス系に導入されて、アノードガス系の圧力が上昇するので、パージ処理を実行した際に、短時間で多くの水素オフガスを排出できる。また、背圧弁を通してカソードガス系内のガスが希釈器に流入するので、水素オフガスの希釈が促進される。 Further, in the cathode scavenging process period t 2 from time t 1 immediately before the completion, it performs the purge process, the opening of the back pressure valve was much smaller, the intermediate opening d 1. As a result, scavenging gas is introduced into the anode gas system, and the pressure of the anode gas system increases, so that a large amount of hydrogen off-gas can be discharged in a short time when the purge process is executed. Moreover, since the gas in the cathode gas system flows into the diluter through the back pressure valve, the dilution of the hydrogen off gas is promoted.

時刻tからtの期間では、燃料電池内部圧力低下工程を実行する。すなわち、背圧弁の開度を少し大きくして中間開度dとするとともに、パージ弁を開状態とし、エア流量をfとする。すると、アノードガス系のガスがパージ弁を通して希釈器に流入するため、アノードガス系の圧力は低下する。これにより、アノード掃気工程を実行する際に、掃気ガス排出弁を容易に開閉できる。 In the period t 3 from time t 2, the run the fuel cell internal pressure drop process. That is, the opening of the back pressure valve is slightly increased to the intermediate opening d 3 , the purge valve is opened, and the air flow rate is set to f 1 . Then, since the anode gas system gas flows into the diluter through the purge valve, the anode gas system pressure decreases. Thereby, when performing an anode scavenging process, a scavenging gas discharge valve can be opened and closed easily.

時刻tからtの期間では、第1アノード掃気工程を実行する。すなわち、背圧弁を閉状態、掃気排出弁を開状態とするとともに、エアコンプレッサを駆動して、エア流量を大流量のfとする。これにより、掃気ガスがアノードガス系に導入されて、アノードガス系内のガスは、アノードガス系内の水分とともに、掃気ガスにより希釈器内へ押し出されて、排出される。 In the period t 5 from time t 3, to perform the first anode scavenging. That is, the back pressure valve closed, as well as the scavenging exhaust valve with the open state, by driving the air compressor, the air flow rate and f 4 of the high flow rate. As a result, the scavenging gas is introduced into the anode gas system, and the gas in the anode gas system is pushed into the diluter by the scavenging gas together with the moisture in the anode gas system, and is discharged.

ここで、アノード掃気工程を開始した直後の時刻tからtの期間では、背圧弁の開度を、燃料電池内部圧力低下工程よりも少し小さくして、中間開度dとする。これにより、背圧弁を通してカソードガス系内のガスが希釈器に流入するので、希釈器での水素ガスの希釈が促進される。 Here, in the period t 4 from time t 3 immediately after the start of the anode scavenging, the opening of the back pressure valve, a little smaller than the fuel cell internal pressure reduction step, the intermediate opening d 2. Thereby, since the gas in the cathode gas system flows into the diluter through the back pressure valve, the dilution of the hydrogen gas in the diluter is promoted.

時刻tからtの期間では、第2アノード掃気工程を実行する。すなわち、エアコンプレッサによるエア流量を低下させて、小流量のfとする。これにより、第2アノード掃気工程に引き続いてアノード掃気が実行されるが、アノードガス系の圧力は、第2アノード掃気工程よりも低下する。 In the period t 6 from the time t 5, to perform a second anode scavenging. That is, by reducing the air flow rate by the air compressor, and f 2 of the low flow. As a result, anode scavenging is executed subsequent to the second anode scavenging process, but the pressure of the anode gas system is lower than that in the second anode scavenging process.

図6は、第2パターンの掃気処理の制御例を示すタイムチャートである。
第2パターンでは、カソード掃気工程が完了する直前の期間に背圧弁の開度を中間開度dとしない点が、第1パターンと異なる。
これは、第2パターンでは、第1パターンに比べて、アノードガス系に残留する水素ガス量が少ないと推定したので、水素オフガスの排出を促進する必要がないためである。
FIG. 6 is a time chart illustrating a control example of the second pattern scavenging process.
The second pattern is different from the first pattern in that the opening of the back pressure valve is not set to the intermediate opening d 1 in the period immediately before the completion of the cathode scavenging process.
This is because in the second pattern, it is estimated that the amount of hydrogen gas remaining in the anode gas system is smaller than that in the first pattern, and therefore it is not necessary to promote the discharge of hydrogen off-gas.

図7は、第3パターンの掃気処理の制御例を示すタイムチャートである。
第3パターンでは、アノード掃気工程を開始した直後の期間に背圧弁の開度を中間開度dとしない点が、第2パターンと異なる。
これは、第3パターンでは、第2パターンに比べて、アノードガス系に残留する水素ガス量がさらに少ないと推定したので、水素オフガスの排出を促進する必要がないためである。
FIG. 7 is a time chart showing a control example of the third pattern scavenging process.
In the third pattern, that in the period immediately after the start of the anode scavenging is not the opening of the back pressure valve and the intermediate opening d 2 is different from the second pattern.
This is because it is estimated that the amount of hydrogen gas remaining in the anode gas system is smaller in the third pattern than in the second pattern, and therefore it is not necessary to promote the discharge of hydrogen off-gas.

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
(1)カソード掃気工程においてパージ処理を行う際に、背圧弁231の開度を中間開度dとしたので、掃気ガスをアノードガス系に導入して、アノードガス系の圧力を上昇させることができる。よって、パージ処理を実行した際に、短時間で多くの水素オフガスを排出できる。
また、背圧弁231を通してカソードガス系内のガスが希釈器50に流入するので、パージ処理により水素オフガスが希釈器50に流入しても、この希釈器50での水素オフガスの希釈が促進され、水素オフガスの排出能力を向上できる。
According to this embodiment, there are the following effects.
(1) when performing the purge process in the cathode scavenging, since the opening of the back pressure valve 231 and the intermediate opening d 1, that by introducing a scavenging gas to the anode gas system, increasing the pressure of the anode gas system Can do. Therefore, when the purge process is executed, a large amount of hydrogen off-gas can be discharged in a short time.
Further, since the gas in the cathode gas system flows into the diluter 50 through the back pressure valve 231, even if hydrogen offgas flows into the diluter 50 by the purge process, the dilution of the hydrogen offgas in the diluter 50 is promoted. The hydrogen off gas discharge capacity can be improved.

(2)従来では、アノードガス系の圧力が高い場合、掃気ガス排出弁361の上流側と下流側との圧力差が大きくなって、電磁弁である掃気ガス排出弁361を容易に開閉できない。
そこで、燃料電池内部圧力低下工程において、アノードガス系の圧力を低下させたので、アノード掃気を実行する際に、掃気ガス排出弁361を容易に開閉できる。
(2) Conventionally, when the pressure of the anode gas system is high, the pressure difference between the upstream side and the downstream side of the scavenging gas discharge valve 361 increases, and the scavenging gas discharge valve 361 that is an electromagnetic valve cannot be easily opened and closed.
Thus, since the pressure of the anode gas system is reduced in the fuel cell internal pressure reduction step, the scavenging gas discharge valve 361 can be easily opened and closed when the anode scavenging is executed.

(3)アノード掃気工程を開始する際、背圧弁231の開度を中間開度dとする。よって、アノード掃気処理の開始時に、濃度の高い水素ガスが希釈器50に流入しても、背圧弁231を通してカソードガス系内のガスが希釈器50に流入するので、希釈器50での水素ガスの希釈が促進され、希釈時間を短縮できる。その結果、掃気処理を短時間で完了して、掃気エネルギを低減できる。 (3) when starting the anode scavenging process, the opening of the back pressure valve 231 and the intermediate opening d 2. Therefore, even if hydrogen gas having a high concentration flows into the diluter 50 at the start of the anode scavenging process, the gas in the cathode gas system flows into the diluter 50 through the back pressure valve 231. Therefore, the hydrogen gas in the diluter 50 Dilution is facilitated and the dilution time can be shortened. As a result, the scavenging process can be completed in a short time, and the scavenging energy can be reduced.

(4)水素ガス量が少ないと推定した場合には、積極的に水素オフガスを排出する必要がないと判断し、背圧弁231の開度を中間開度に設定しない。よって、掃気処理を短時間で完了して、掃気エネルギを低減できる。 (4) When it is estimated that the amount of hydrogen gas is small, it is determined that it is not necessary to positively discharge the hydrogen off gas, and the opening of the back pressure valve 231 is not set to the intermediate opening. Therefore, the scavenging process can be completed in a short time, and the scavenging energy can be reduced.

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。   It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and modifications, improvements, etc. within a scope that can achieve the object of the present invention are included in the present invention.

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。1 is a block diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 上記実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of the fuel cell system which concerns on the said embodiment. 上記実施形態に係る燃料電池システムの掃気処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the scavenging process of the fuel cell system which concerns on the said embodiment. 上記実施形態に係る燃料電池の発電停止期間と燃料電池内部の水素ガスの推定量との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the electric power generation stop period of the fuel cell which concerns on the said embodiment, and the estimated amount of hydrogen gas inside a fuel cell. 上記実施形態に係る第1パターンの掃気処理の制御例を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the example of control of the scavenging process of the 1st pattern concerning the above-mentioned embodiment. 上記実施形態に係る第2パターンの掃気処理の制御例を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the example of control of the scavenging process of the 2nd pattern concerning the above-mentioned embodiment. 上記実施形態に係る第3パターンの掃気処理の制御例を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the example of control of the scavenging process of the 3rd pattern concerning the above-mentioned embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1…燃料電池システム
10…燃料電池
21…エアコンプレッサ(カソードガス供給手段)
22…エア供給路(カソードガス供給路)
23…エア排出路(カソードガス排出路)
24…掃気ガス導入路
33…水素供給路(アノードガス供給路)
34…水素還流路(アノードガス排出路)
35…水素排出路(アノードガス排出路)
36…掃気ガス排出路(アノードガス排出路)
43…カソード掃気部(カソード掃気手段)
44…アノード掃気部(アノード掃気手段)
45…アノードガス量推定部(アノードガス量推定手段)
46…掃気制御部(掃気制御手段)
50…希釈器(希釈手段)
231…背圧弁
241…掃気ガス導入弁
351…パージ弁
361…掃気ガス排出弁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system 10 ... Fuel cell 21 ... Air compressor (cathode gas supply means)
22. Air supply path (cathode gas supply path)
23. Air discharge path (cathode gas discharge path)
24 ... Scavenging gas introduction path 33 ... Hydrogen supply path (anode gas supply path)
34 ... Hydrogen reflux path (anode gas discharge path)
35 ... Hydrogen discharge passage (anode gas discharge passage)
36. Scavenging gas discharge path (anode gas discharge path)
43 ... Cathode scavenging section (cathode scavenging means)
44 ... Anode scavenging section (anode scavenging means)
45 ... Anode gas amount estimation unit (anode gas amount estimation means)
46. Scavenging control unit (scavenging control means)
50 ... Dilutor (dilution means)
231 ... Back pressure valve 241 ... Scavenging gas introduction valve 351 ... Purge valve 361 ... Scavenging gas discharge valve

Claims (4)

アノードガス供給路を通して供給されるアノードガス、およびカソードガス供給路を通して供給されるカソードガスの反応により発電する燃料電池と、
前記カソードガス供給路にカソードガスを供給するカソードガス供給手段と、
前記燃料電池から排出されるカソードガスが流通するカソードガス排出路と、
前記カソードガス排出路に設けられた背圧弁と、
前記燃料電池から排出されるアノードガスが流通するアノードガス排出路と、
前記アノードガス排出路に設けられた掃気ガス排出弁と、
前記カソードガス供給路と前記アノードガス供給路とを接続する掃気ガス導入路と、
当該掃気ガス導入路に設けられた掃気ガス導入弁と、
前記カソードガス排出路を流通するカソードガスにより、前記アノードガス排出路を流通するアノードガスを希釈する希釈手段と、
前記掃気ガス導入弁および前記背圧弁を開状態とし、前記掃気ガス排出弁を閉状態として、前記カソードガス供給手段により前記カソードガス供給路にカソードガスを供給することで、前記カソードガス供給路および前記カソードガス排出路を含むカソードガス系を掃気するカソード掃気処理を実行するカソード掃気手段と、
前記掃気ガス導入弁および前記掃気ガス排出弁を開状態とし、前記背圧弁を閉状態として、前記カソードガス供給手段により前記アノードガス供給路にカソードガスを供給することで、前記アノードガス供給路および前記アノードガス排出路を含むアノードガス系を掃気するアノード掃気処理を実行するアノード掃気手段と、
前記カソード掃気手段によりカソード掃気処理を実行した後、前記アノード掃気手段によりアノード掃気処理を実行する掃気制御手段と、を有する燃料電池システムであって、
前記掃気制御手段は、前記アノード掃気処理を開始する際、前記背圧弁の開度を、所定時間、前記カソード掃気処理を実行する場合よりも小さく、アノード掃気処理を実行する場合よりも大きい中間開度とすることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell that generates electricity by a reaction between an anode gas supplied through an anode gas supply path and a cathode gas supplied through a cathode gas supply path;
A cathode gas supply means for supplying a cathode gas to the cathode gas supply path;
A cathode gas discharge passage through which the cathode gas discharged from the fuel cell flows;
A back pressure valve provided in the cathode gas discharge path;
An anode gas discharge path through which the anode gas discharged from the fuel cell flows;
A scavenging gas discharge valve provided in the anode gas discharge path;
A scavenging gas introduction path connecting the cathode gas supply path and the anode gas supply path;
A scavenging gas introduction valve provided in the scavenging gas introduction path;
Diluting means for diluting the anode gas flowing through the anode gas discharge passage with the cathode gas flowing through the cathode gas discharge passage;
The scavenging gas introduction valve and the back pressure valve are opened, the scavenging gas discharge valve is closed, and cathode gas is supplied to the cathode gas supply path by the cathode gas supply means. A cathode scavenging means for performing a cathode scavenging process for scavenging a cathode gas system including the cathode gas discharge path;
The scavenging gas introduction valve and the scavenging gas discharge valve are opened, the back pressure valve is closed, and the cathode gas is supplied to the anode gas supply path by the cathode gas supply means. Anode scavenging means for performing an anode scavenging process for scavenging an anode gas system including the anode gas discharge path;
A scavenging control means for performing an anode scavenging process by the anode scavenging means after performing a cathode scavenging process by the cathode scavenging means, and a fuel cell system comprising:
When the scavenging control means starts the anode scavenging process, the opening of the back pressure valve is lower than the case where the cathode scavenging process is executed for a predetermined time and is larger than the case where the anode scavenging process is executed. A fuel cell system characterized by a degree.
前記アノードガス排出路に設けられたパージ弁をさらに備え、
前記掃気制御手段は、前記カソード掃気処理の実行中に、前記パージ弁を一時的に開状態として、前記アノードガス系内に残留するガスを希釈手段に排出するパージ処理を行うとともに、前記背圧弁の開度を前記中間開度とすることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
A purge valve provided in the anode gas discharge path;
The scavenging control means performs a purging process in which the purge valve is temporarily opened during the execution of the cathode scavenging process to discharge gas remaining in the anode gas system to the diluting means, and the back pressure valve The fuel cell system according to claim 1, wherein the opening degree is set to the intermediate opening degree.
アノードガス供給路を通して供給されるアノードガス、およびカソードガス供給路を通して供給されるカソードガスの反応により発電する燃料電池と、
前記カソードガス供給路にカソードガスを供給するカソードガス供給手段と、
前記燃料電池から排出されるカソードガスが流通するカソードガス排出路と、
前記カソードガス排出路に設けられた背圧弁と、
前記燃料電池から排出されるアノードガスが流通するアノードガス排出路と、
前記アノードガス排出路に設けられた掃気ガス排出弁およびパージ弁と、
前記カソードガス供給路と前記アノードガス供給路とを接続する掃気ガス導入路と、
当該掃気ガス導入路に設けられた掃気ガス導入弁と、
前記カソードガス排出路を流通するカソードガスにより、前記アノードガス排出路を流通するアノードガスを希釈する希釈手段と、
前記掃気ガス導入弁および前記背圧弁を開状態とし、前記掃気ガス排出弁を閉状態として、前記カソードガス供給手段により前記カソードガス供給路にカソードガスを供給することで、前記カソードガス供給路および前記カソードガス排出路を含むカソードガス系を掃気するカソード掃気処理を実行するカソード掃気手段と、
前記掃気ガス導入弁および前記掃気ガス排出弁を開状態とし、前記背圧弁を閉状態として、前記カソードガス供給手段により前記アノードガス供給路にカソードガスを供給することで、前記アノードガス供給路および前記アノードガス排出路を含むアノードガス系を掃気するアノード掃気処理を実行するアノード掃気手段と、
前記カソード掃気手段によりカソード掃気処理を実行した後、前記アノード掃気手段によりアノード掃気処理を実行する掃気制御手段と、を有する燃料電池システムであって、
前記掃気制御手段は、前記カソード掃気処理の実行中に、前記パージ弁を一時的に開状態として、前記アノードガス系内に残留するガスを希釈手段に排出するパージ処理を行うとともに、前記背圧弁の開度を前記中間開度とすることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell that generates electricity by a reaction between an anode gas supplied through an anode gas supply path and a cathode gas supplied through a cathode gas supply path;
A cathode gas supply means for supplying a cathode gas to the cathode gas supply path;
A cathode gas discharge passage through which the cathode gas discharged from the fuel cell flows;
A back pressure valve provided in the cathode gas discharge path;
An anode gas discharge path through which the anode gas discharged from the fuel cell flows;
A scavenging gas discharge valve and a purge valve provided in the anode gas discharge path;
A scavenging gas introduction path connecting the cathode gas supply path and the anode gas supply path;
A scavenging gas introduction valve provided in the scavenging gas introduction path;
Diluting means for diluting the anode gas flowing through the anode gas discharge passage with the cathode gas flowing through the cathode gas discharge passage;
The scavenging gas introduction valve and the back pressure valve are opened, the scavenging gas discharge valve is closed, and cathode gas is supplied to the cathode gas supply path by the cathode gas supply means. A cathode scavenging means for performing a cathode scavenging process for scavenging a cathode gas system including the cathode gas discharge path;
The scavenging gas introduction valve and the scavenging gas discharge valve are opened, the back pressure valve is closed, and the cathode gas is supplied to the anode gas supply path by the cathode gas supply means. Anode scavenging means for performing an anode scavenging process for scavenging an anode gas system including the anode gas discharge path;
A scavenging control means for performing an anode scavenging process by the anode scavenging means after performing a cathode scavenging process by the cathode scavenging means, and a fuel cell system comprising:
The scavenging control means performs a purging process in which the purge valve is temporarily opened during the execution of the cathode scavenging process to discharge gas remaining in the anode gas system to the diluting means, and the back pressure valve The fuel cell system is characterized in that the opening degree is set to the intermediate opening degree.
前記燃料電池内部のアノードガス量を推定するアノードガス量推定手段をさらに備え、
前記掃気制御手段は、当該推定したアノードガス量に基づいて、前記背圧弁の開度を前記中間開度とするか否かを決定することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池システム。
An anode gas amount estimating means for estimating an anode gas amount inside the fuel cell;
The scavenging control means determines whether or not the opening of the back pressure valve is set to the intermediate opening based on the estimated anode gas amount. Fuel cell system.
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