JP2008300261A

JP2008300261A - FUEL CELL SYSTEM AND METHOD FOR OPERATING FUEL CELL SYSTEM

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Publication number: JP2008300261A
Application number: JP2007146486A
Authority: JP
Inventors: Junpei Ogawa; 純平小河; Kazuhiro Wake; 千大和氣; Koichiro Miyata; 幸一郎宮田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-06-01
Filing date: 2007-06-01
Publication date: 2008-12-11

Abstract

【課題】必要以上にパージするのを防止することができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法を提供する。
【解決手段】アノード循環流路内に水分が発生しているかどうか推定し（Ｓ４００）、アノード循環流路内に水分が発生している場合には（Ｓ５００、Ｙｅｓ）、常温用定期パージを実行し（Ｓ６００）、アノード循環流路Ｒ内に水分が発生していない場合には（Ｓ５００、Ｎｏ）、低温用定期パージを実行する。常温用定期パージでは、パージの間隔を所定時間１とし、パージ弁の開弁時間を所定時間２とする。低温用定期パージでは、パージの間隔を、所定時間１より長い所定時間３とし、開弁時間を、所定時間２より短い所定時間４に変更する。
【選択図】図２A fuel cell system and a method for operating the fuel cell system are provided that can prevent purging more than necessary.
It is estimated whether moisture is generated in the anode circulation channel (S400), and when moisture is generated in the anode circulation channel (S500, Yes), regular purge for normal temperature is executed. However, when moisture is not generated in the anode circulation flow path R (S500, No), the low temperature periodic purge is executed. In the regular purge for normal temperature, the purge interval is a predetermined time 1 and the purge valve opening time is a predetermined time 2. In the regular purge for low temperature, the purge interval is set to a predetermined time 3 longer than the predetermined time 1, and the valve opening time is changed to a predetermined time 4 shorter than the predetermined time 2.
[Selection] Figure 2

Description

本発明は、アノード循環流路を備えた燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system having an anode circulation channel and a method for operating the fuel cell system.

燃料電池システムでは、例えば水素（燃料ガス）を有効利用するために、燃料電池から排出された未反応の水素を再び燃料電池に戻して循環させるように構成した水素循環系を備えている。また、燃料電池は水素と酸素との電気化学反応により発電し、同時にカソード側では水が生成される。このため、発電中においては、燃料電池の電解質膜を通してカソード側からアノード側に、生成水や空気（酸化ガス）に含まれる窒素などの不純物が透過して発電性能を低下させる問題があった。そこで、水素循環系内の生成水や不純物を排出するために定期的にパージ弁を開弁して発電性能を確保することが行われている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−２４３４１７号公報（段落００２８、図１および図４） In the fuel cell system, for example, in order to effectively use hydrogen (fuel gas), a hydrogen circulation system configured to circulate the unreacted hydrogen discharged from the fuel cell back to the fuel cell again. In addition, the fuel cell generates power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and at the same time, water is generated on the cathode side. For this reason, during power generation, there is a problem that impurities such as nitrogen contained in generated water and air (oxidizing gas) permeate from the cathode side to the anode side through the electrolyte membrane of the fuel cell to lower the power generation performance. Therefore, in order to discharge generated water and impurities in the hydrogen circulation system, the purge valve is periodically opened to ensure power generation performance (see, for example, Patent Document 1).
JP 2000-243417 A (paragraph 0028, FIGS. 1 and 4)

しかしながら、特許文献１に記載のような従来の技術では、一定のインターバルや排出量で定期的なパージを行っていたため、無駄にパージを行う場合があるという問題があった。つまり、通常のパージでは、水素循環系内に発生した生成水を飛ばす役割（必要頻度高い）と、水素循環系内に発生した窒素を排出して水素濃度を高める役割（必要頻度低い）とがある。ところが、燃料電池システムを低温の状態から起動した場合には、水素循環系内に生成水が発生しない場合があり、その場合に生成水の排出も含めたパージを実行すると、無駄なパージが行われることになる。 However, the conventional technique as described in Patent Document 1 has a problem in that purging may be performed wastefully because periodic purging is performed at regular intervals and discharge amounts. In other words, in normal purging, there is a role of flying the generated water generated in the hydrogen circulation system (required frequency is high) and a role of exhausting nitrogen generated in the hydrogen circulation system and increasing the hydrogen concentration (required frequency is low). is there. However, when the fuel cell system is started from a low temperature state, generated water may not be generated in the hydrogen circulation system. In this case, if purging including discharging of generated water is performed, useless purging is performed. It will be.

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、必要以上にパージが行われるのを防止することができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a fuel cell system and a method for operating the fuel cell system that can prevent the purge from being performed more than necessary.

請求項１に係る発明は、カソードガス供給手段によりカソード流路にカソードガスが、アノードガス供給手段によりアノード流路にアノードガスがそれぞれ供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出されたアノードガスと前記アノードガス供給手段により供給されたアノードガスとを混合して再び前記燃料電池に供給するアノード循環流路と、前記アノード循環流路内のアノードガスおよび不純物を外部に放出するパージ弁と、を備え、前記燃料電池の発電開始後、定期的に前記パージ弁を第１所定時間の間隔で第２所定時間開弁することにより、前記アノード循環流路内のアノードガスおよび不純物を排出する定期パージ制御を行う燃料電池システムにおいて、前記アノード循環流路に水分が発生しているか否かを判定するアノード側水分発生有無判定手段をさらに備え、前記アノード側水分発生有無判定手段により得られる判定値に基づいて前記第１所定時間を変更する制御を行うことを特徴とする。 According to the first aspect of the present invention, a cathode gas is supplied to the cathode channel by the cathode gas supply means, and an anode gas is supplied to the anode channel by the anode gas supply means, respectively. An anode circulation channel that mixes the anode gas and the anode gas supplied by the anode gas supply means and supplies the fuel cell again, and a purge valve that discharges the anode gas and impurities in the anode circulation channel to the outside And after the start of power generation of the fuel cell, the purge valve is periodically opened at a first predetermined time interval for a second predetermined time period to discharge the anode gas and impurities in the anode circulation channel In the fuel cell system that performs the periodic purge control, it is determined whether or not moisture is generated in the anode circulation flow path. Further comprising a chromatography de side water generation existence determination means, and performing control to change the first predetermined time based on the determination value obtained by the anode water generation presence determining means.

請求項１に係る発明によれば、アノード側水分発生有無判定手段によってアノード循環流路内に水分が発生しているかどうかを把握できるので、第１所定時間を変更することにより、状況に応じた適切なパージを行うことが可能になる。これにより、必要以上にパージが行われるのを防止できるので、燃料（アノードガス）の無駄使いが防止されて燃料効率の向上が図れる。 According to the first aspect of the present invention, since whether or not moisture is generated in the anode circulation flow path can be grasped by the anode-side moisture generation presence / absence determination means, the first predetermined time is changed, so that it is in accordance with the situation. Appropriate purging can be performed. As a result, it is possible to prevent the purge from being performed more than necessary, thereby preventing wasteful use of fuel (anode gas) and improving fuel efficiency.

請求項２に係る発明は、前記アノード側水分発生有無判定手段により得られる判定値に基づいて前記第２所定時間を変更する制御を行うことを特徴とする。 The invention according to claim 2 is characterized in that the second predetermined time is controlled based on a determination value obtained by the anode-side moisture generation presence / absence determination means.

請求項２に係る発明によれば、アノード循環流路内に水分が発生していないときは、窒素のみを排出すればよいため、第２所定時間を短くしてもアノード流路内の水素濃度を高めることが可能になる。これにより、必要以上のパージによる燃料の無駄使いを防止して燃料効率の向上が図れる。 According to the second aspect of the present invention, when water is not generated in the anode circulation channel, only nitrogen needs to be discharged. Therefore, even if the second predetermined time is shortened, the hydrogen concentration in the anode channel Can be increased. As a result, it is possible to prevent fuel waste due to unnecessary purge and improve fuel efficiency.

請求項３に係る発明は、前記燃料電池が低温状態からの起動でない場合には、前記制御を行わないことを特徴とする。 The invention according to claim 3 is characterized in that the control is not performed when the fuel cell is not started from a low temperature state.

請求項３に係る発明によれば、常温で起動したときには、アノード循環流路内にも水分が発生しているので、パージ間隔（第１所定時間）およびパージ時間（第２所定時間）を変更しないため、確実にアノード循環流路内の不純物を排出することができ、発電性能が安定する。 According to the third aspect of the invention, when starting at room temperature, moisture is also generated in the anode circulation channel, so the purge interval (first predetermined time) and purge time (second predetermined time) are changed. Therefore, the impurities in the anode circulation channel can be reliably discharged, and the power generation performance is stabilized.

請求項４に係る発明は、希釈ガスが供給され、前記パージ弁から排出されたアノードガスおよび不純物を希釈して排出する希釈装置と、前記希釈装置に供給される希釈ガスの積算量を検出する希釈ガス積算量検出手段と、前記希釈ガス積算量検出手段により検出された希釈ガスの積算量に基づいて、前記定期パージ制御の実行可否判断を行うパージ許可判断手段と、を備え、前記希釈ガスの積算量が所定量未満の場合には、前記希釈ガスの積算量が前記所定量以上になるまで前記パージ弁の開弁を禁止することを特徴とする。 The invention according to claim 4 detects the integrated amount of the dilution gas supplied to the dilution device, which is supplied with the dilution gas and dilutes and discharges the anode gas and impurities discharged from the purge valve. A dilution gas integrated amount detecting means; and a purge permission determining means for determining whether or not the periodic purge control can be performed based on an integrated amount of the dilution gas detected by the dilution gas integrated amount detecting means. In the case where the integrated amount is less than a predetermined amount, the opening of the purge valve is prohibited until the integrated amount of the dilution gas becomes the predetermined amount or more.

請求項４に係る発明によれば、希釈ガスの積算量が所定量未満の場合にはパージ弁を開弁することを禁止するため、燃料電池システムから外部（大気）に排出されるアノードガスの濃度を確実に低下させて排出することが可能になる。 According to the fourth aspect of the present invention, the anode gas discharged from the fuel cell system to the outside (atmosphere) is prohibited in order to prohibit the opening of the purge valve when the cumulative amount of dilution gas is less than the predetermined amount. It becomes possible to discharge with a reduced concentration.

請求項５に係る発明は、カソードガス供給手段によりカソード流路にカソードガスを、アノードガス供給手段によりアノード流路にアノードガスが供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出されたアノードガスと前記アノードガス供給手段により供給されたアノードガスとを混合して再び燃料電池に供給するアノード循環流路と、前記アノード循環流路内のアノードガスおよび不純物を外部に放出するパージ弁と、を備え、前記燃料電池の発電開始後、定期的に前記パージ弁を第１所定時間の間隔で前記第２所定時間開弁することにより、前記アノード循環流路内のアノードガスおよび不純物を排出する定期パージ制御を行う燃料電池システムにおいて、前記アノード循環流路に水分が発生しているか否かを判定するアノード側水分発生有無判定手段をさらに備え、前記アノード側水分発生有無判定手段により得られた判定値に基づいて前記第２所定時間を変更する制御を行うことを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a fuel cell that generates electricity by supplying cathode gas to the cathode flow path by the cathode gas supply means and anode gas to the anode flow path by the anode gas supply means, and the anode discharged from the fuel cell. An anode circulation passage that mixes the gas and the anode gas supplied by the anode gas supply means and supplies the fuel cell again; a purge valve that discharges the anode gas and impurities in the anode circulation passage to the outside; And after the start of power generation of the fuel cell, the purge valve is periodically opened at the first predetermined time interval for the second predetermined time period to discharge the anode gas and impurities in the anode circulation channel. In the fuel cell system that performs periodic purge control, the anode side that determines whether or not moisture is generated in the anode circulation passage Further comprising a partial generation existence determination means, and performing control for changing the second predetermined time based on the determination value obtained by the anode water generation presence determining means.

請求項５に係る発明によれば、アノード側水分発生有無判定手段によってアノード循環流路内に液滴が発生しているかどうかを把握できるので、第２所定時間を変更することにより、状況に応じた適切なパージを行うことが可能になる。これにより、必要以上にパージが行われるのを防止できるので、燃料（アノードガス）の無駄使いが防止されて燃料効率の向上が図れる。 According to the fifth aspect of the present invention, it is possible to determine whether or not droplets are generated in the anode circulation flow path by the anode-side moisture generation presence / absence determining means. It is possible to perform an appropriate purge. As a result, it is possible to prevent the purge from being performed more than necessary, thereby preventing wasteful use of fuel (anode gas) and improving fuel efficiency.

請求項６に係る発明は、前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段と、前記燃料電池の積算発電量を検出する積算発電量検出手段と、を備え、前記アノード側水分発生有無判定手段は、前記燃料電池の温度と、前記燃料電池の積算発電量とに基づいて、前記アノード循環流路内の水分の発生有無を判定することを特徴とする。 The invention according to claim 6 comprises fuel cell temperature detecting means for detecting the temperature of the fuel cell, and integrated power generation amount detecting means for detecting the integrated power generation amount of the fuel cell, and determining whether or not the anode side moisture has been generated. The means determines whether or not moisture is generated in the anode circulation flow path based on the temperature of the fuel cell and the integrated power generation amount of the fuel cell.

請求項６に係る発明によれば、燃料電池が所定温度以上になるとアノード循環流路側に水分（生成水）がリークしてくるが、所定温度未満であっても起動時からの積算発電量が所定量以上になるとアノード循環流路側に水分がリークしてくる場合がある。つまり、この温度と積算発電量に基づいてアノード循環流路の水分発生有無を検出することにより、水分発生有無を高精度で検出できるようになる。このため、水分排出のためのパージ制御の必要性の有無を判断できるようになり、必要以上のパージが行われるのを防止でき、燃料の無駄使いを防止して燃料効率の向上が図れる。 According to the sixth aspect of the present invention, when the fuel cell reaches a predetermined temperature or higher, moisture (product water) leaks to the anode circulation channel side. If the amount exceeds a predetermined amount, moisture may leak to the anode circulation channel side. That is, the presence / absence of moisture generation can be detected with high accuracy by detecting the presence / absence of moisture generation in the anode circulation channel based on the temperature and the integrated power generation amount. For this reason, it becomes possible to determine whether or not the purge control is necessary for draining water, and it is possible to prevent the purge from being performed more than necessary, thereby preventing the waste of fuel and improving the fuel efficiency.

請求項７に係る発明は、燃料電池から排出されたアノードガスを再び前記燃料電池に戻して循環させるアノード循環流路を備え、前記燃料電池の発電開始後にパージ弁を第１所定時間の間隔で第２所定時間開弁して、前記アノード循環流路内の前記アノードガスおよび不純物を定期的に排出する燃料電池システムの運転方法において、前記アノード循環流路内の水分の発生有無を判定するステップを備え、前記アノード循環流路内に水分が発生していないと判定された場合には、前記第１所定時間を、水分が発生しているときよりも長く設定することを特徴とする。 The invention according to claim 7 includes an anode circulation flow path for circulating the anode gas discharged from the fuel cell back to the fuel cell again, and the purge valve is set at intervals of the first predetermined time after the power generation of the fuel cell is started. A step of determining whether or not moisture is generated in the anode circulation channel in a method of operating the fuel cell system that is opened for a second predetermined time and periodically discharges the anode gas and impurities in the anode circulation channel; The first predetermined time is set longer than when moisture is generated when it is determined that no moisture is generated in the anode circulation flow path.

請求項７に係る発明によれば、請求項１と同様に、アノード循環流路側に水分が発生しているかどうかを把握できるので、第１所定時間を変更することにより、状況に応じた適切なパージを行うことが可能になる。 According to the seventh aspect of the invention, as in the first aspect, it is possible to grasp whether or not moisture is generated on the anode circulation flow path side. Therefore, by changing the first predetermined time, an appropriate value according to the situation can be obtained. Purge can be performed.

請求項８に係る発明は、燃料電池から排出されたアノードガスを再び前記燃料電池に戻して循環させるアノード循環流路を備え、前記燃料電池の発電開始後にパージ弁を第１所定時間の間隔で第２所定時間開弁して、前記アノード循環流路内の前記アノードガスおよび不純物を定期的に排出する燃料電池システムの運転方法において、前記アノード循環流路内の水分の発生有無を判定するステップを備え、前記アノード循環流路内に水分が発生していないと判定された場合には、前記第２所定時間を、水分が発生しているときよりも短く設定することを特徴とする。 The invention according to claim 8 is provided with an anode circulation flow path for circulating the anode gas discharged from the fuel cell back to the fuel cell again, and the purge valve is set at an interval of the first predetermined time after the fuel cell starts power generation. A step of determining whether or not moisture is generated in the anode circulation channel in a method of operating the fuel cell system that is opened for a second predetermined time and periodically discharges the anode gas and impurities in the anode circulation channel; The second predetermined time is set shorter than when moisture is generated when it is determined that moisture is not generated in the anode circulation flow path.

請求項８に係る発明によれば、請求項５と同様に、アノード循環流路側に水分が発生しているかどうかを把握できるので、第２所定時間を変更することにより、状況に応じた適切なパージを行うことが可能になる。 According to the eighth aspect of the present invention, as in the fifth aspect, it is possible to grasp whether moisture is generated on the anode circulation flow path side. Purge can be performed.

本発明によれば、必要以上にパージが行われるのを防止でき、燃料の無駄使いを防止して燃料効率の向上を図ることが可能になる。 According to the present invention, it is possible to prevent the purge from being performed more than necessary, and it is possible to prevent fuel waste and improve fuel efficiency.

図１は本実施形態の燃料電池システムの一例を全体構成図、図２は燃料電池システムの起動制御を示すフローチャート、図３はアノード側の水分発生有無を判定するためのサブフローチャート、図４は図２の常温用定期パージを示すサブフローチャート、図５は図２の低温用定期パージを示すサブフローチャート、図６（ａ）は起動時ＦＣ温度とＦＣ電流積算値との関係を示すマップ、（ｂ）はＦＣ温度に基づくアノード水分発生有無を説明するためのグラフ、（ｃ）はＦＣ温度とＦＣ電流積算値に基づくアノード水分発生有無を説明するためのグラフ、図７（ａ）は常温用定期パージ制御におけるタイムチャート、（ｂ）は低温用定期パージ制御におけるタイムチャートである。なお、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池自動車などの車両に搭載した場合を例に挙げて説明するが、車両に限定されるものではなく、船舶、航空機、定置式の家庭用電源などあらゆる用途に適用できる。 FIG. 1 is an overall configuration diagram of an example of the fuel cell system according to the present embodiment, FIG. 2 is a flowchart showing start-up control of the fuel cell system, FIG. 3 is a sub-flowchart for determining the presence or absence of moisture generation on the anode side, and FIG. 2 is a sub-flowchart showing normal temperature regular purge, FIG. 5 is a sub-flowchart showing low-temperature regular purge in FIG. 2, FIG. 6A is a map showing the relationship between FC temperature at startup and FC current integrated value, b) is a graph for explaining the presence / absence of anode moisture generation based on the FC temperature, (c) is a graph for explaining the presence / absence of anode moisture generation based on the FC temperature and the FC current integrated value, and FIG. A time chart in the periodic purge control, (b) is a time chart in the low temperature periodic purge control. The fuel cell system 1 of the present embodiment will be described by taking as an example a case where the fuel cell system 1 is mounted on a vehicle such as a fuel cell vehicle. However, the fuel cell system 1 is not limited to the vehicle, and is not limited to a vehicle. It can be applied to all uses.

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１０と、アノードガス供給手段２０、水素循環配管３０、パージ弁４０、カソードガス供給手段５０、希釈装置６０、制御装置７０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 10, an anode gas supply means 20, a hydrogen circulation pipe 30, a purge valve 40, a cathode gas supply means 50, a dilution device 60, and a control device 70. And so on.

前記燃料電池１０は、単セルが複数積層されることによって構成された固体高分子型燃料電池である。単セルは、例えば、プロトン伝導性を有する電解質膜１１の両面を、触媒（Ｐｔ等）を含むアノード（燃料極）１２および触媒（Ｐｔ等）を含むカソード（空気極）１３で挟んでなる膜電極接合体（ＭＥＡ；ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）を有し、さらに膜電極接合体を一対のセパレータ１４，１５で挟んで構成したものである。各単セルのセパレータ１４には、膜電極接合体のアノード１２と対向する面に水素が流通するアノード流路１４ａが形成されている。また、各単セルのセパレータ１５には、膜電極接合体のカソード１３に対向する面に空気（酸素）が流通するカソード流路１５ａ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 10 is a solid polymer fuel cell configured by stacking a plurality of single cells. The single cell is, for example, a membrane formed by sandwiching both surfaces of an electrolyte membrane 11 having proton conductivity between an anode (fuel electrode) 12 containing a catalyst (Pt or the like) and a cathode (air electrode) 13 containing a catalyst (Pt or the like). It has an electrode assembly (MEA) and a membrane electrode assembly sandwiched between a pair of separators 14 and 15. The separator 14 of each single cell is formed with an anode flow path 14a through which hydrogen flows on the surface facing the anode 12 of the membrane electrode assembly. Further, the separator 15 of each single cell is formed with a cathode channel 15a through which air (oxygen) flows on the surface facing the cathode 13 of the membrane electrode assembly. In FIG. 1, for convenience of explanation, one single cell is schematically illustrated.

なお、本実施形態で用いられる電解質膜１１は、膜温度に応じてカソード１３からアノード１２への水透過性が変化する種類のものであり、例えば、低温（氷点下）では生成水（水分）がカソード１３からアノード１２へは透過せず、常温（例えば、１０℃や２０℃）では生成水がカソード１３からアノード１２へ透過する種類のものである。 The electrolyte membrane 11 used in this embodiment is of a type in which the water permeability from the cathode 13 to the anode 12 changes according to the membrane temperature. For example, the generated water (moisture) is generated at a low temperature (below freezing point). It does not permeate from the cathode 13 to the anode 12, and the generated water permeates from the cathode 13 to the anode 12 at room temperature (for example, 10 ° C. or 20 ° C.).

そして、燃料電池１０のアノード１２に水素（アノードガス、燃料ガス）が、カソード１３に酸素を含む空気（カソードガス、酸化ガス）が、それぞれ供給されると、アノード１２、カソード１３に含まれる触媒の作用によって電気化学反応が起こり、その結果、各単セルで電位差が発生するようになっている。そして、このように各単セルで電位差が発生した燃料電池１０に対して、外部負荷（自動車であれば、走行モータなど）から発電要求があると、燃料電池１０が前記発電要求に応じて発電するようになっている。 When hydrogen (anode gas, fuel gas) is supplied to the anode 12 of the fuel cell 10 and air (cathode gas, oxidizing gas) containing oxygen is supplied to the cathode 13, the catalyst contained in the anode 12 and cathode 13. As a result, an electrochemical reaction occurs, and as a result, a potential difference is generated in each single cell. When there is a power generation request from an external load (such as a traveling motor in the case of an automobile) to the fuel cell 10 in which a potential difference has occurred in each single cell in this way, the fuel cell 10 generates power according to the power generation request. It is supposed to be.

前記アノードガス供給手段２０は、燃料電池１０のアノード１２に水素を供給する機能を有し、高圧の水素が充填された水素タンク２１、真空ポンプの一種であるエゼクタ２２などで構成されている。また、配管２４ａを介して水素タンク２１とエゼクタ２２とが接続され、配管２４ｂを介してエゼクタ２２と燃料電池１０のアノード１２側の入口１０ａとが接続されている。なお、図示省略しているが、アノードガス供給手段２０には、水素タンク２１の近傍に電磁作動式の遮断弁、この遮断弁とエゼクタ２２との間に減圧弁などが設けられている。 The anode gas supply means 20 has a function of supplying hydrogen to the anode 12 of the fuel cell 10 and includes a hydrogen tank 21 filled with high-pressure hydrogen, an ejector 22 which is a kind of vacuum pump, and the like. Further, the hydrogen tank 21 and the ejector 22 are connected via a pipe 24a, and the ejector 22 and the inlet 10a on the anode 12 side of the fuel cell 10 are connected via a pipe 24b. Although not shown, the anode gas supply means 20 is provided with an electromagnetically operated shut-off valve in the vicinity of the hydrogen tank 21 and a pressure reducing valve or the like between the shut-off valve and the ejector 22.

前記水素循環配管３０は、燃料電池１０から排出された未反応の水素を再び燃料電池１０に戻す機能を有し、下流側（排出側）の一端が、燃料電池１０のアノード１２側の出口１０ｂに接続された配管２４ｃと接続され、上流側（供給側）の他端がエゼクタ２２と接続されている。 The hydrogen circulation pipe 30 has a function of returning unreacted hydrogen discharged from the fuel cell 10 to the fuel cell 10 again, and one end on the downstream side (discharge side) is an outlet 10 b on the anode 12 side of the fuel cell 10. The other end on the upstream side (supply side) is connected to the ejector 22.

前記パージ弁４０は、定期的に開弁する機能を有し、前記配管２４ｃの水素循環配管３０との分岐部より下流側に設けられている。また、パージ弁４０は、後記する制御装置７０によって開閉制御される。また、パージ弁４０は、配管２４ｄを介して後記する希釈装置６０と接続されている。 The purge valve 40 has a function of opening periodically, and is provided on the downstream side of the branch portion of the pipe 24c with the hydrogen circulation pipe 30. The purge valve 40 is controlled to be opened and closed by a control device 70 described later. The purge valve 40 is connected to a diluting device 60 which will be described later via a pipe 24d.

なお、本実施形態では、アノード流路１４ａ、配管２４ｂ，２４ｃおよび水素循環配管３０によってアノード循環流路Ｒが構成されている。 In the present embodiment, the anode circulation channel R is configured by the anode channel 14 a, the pipes 24 b and 24 c, and the hydrogen circulation pipe 30.

前記カソードガス供給手段５０は、燃料電池１０のカソード１３に空気（酸素）を供給する機能を有し、エアコンプレッサ５１などで構成されている。また、配管２４ｅを介してエアコンプレッサ５１と燃料電池１０のカソード１３側の入口１０ｃとが接続されている。また、エアコンプレッサ５１はスーパーチャージャなどで構成され、後記する制御装置７０によってモータの回転速度が制御される。 The cathode gas supply means 50 has a function of supplying air (oxygen) to the cathode 13 of the fuel cell 10 and is composed of an air compressor 51 and the like. Further, the air compressor 51 and the inlet 10c on the cathode 13 side of the fuel cell 10 are connected via a pipe 24e. The air compressor 51 is composed of a supercharger or the like, and the rotational speed of the motor is controlled by a control device 70 described later.

なお、燃料電池１０は、そのカソード１３側の出口１０ｄが配管２４ｆを介して、カソード１３側の圧力を調整するための背圧弁５２と接続され、この背圧弁５２が配管２４ｇを介して後記する希釈装置６０と接続されるように構成されている。また、図示省略しているが、カソードガス供給手段５０には、エアコンプレッサ５１から導入された空気を加湿するための加湿器などが設けられている。 The fuel cell 10 has an outlet 10d on the cathode 13 side connected to a back pressure valve 52 for adjusting the pressure on the cathode 13 side via a pipe 24f, and this back pressure valve 52 will be described later via a pipe 24g. It is configured to be connected to the dilution device 60. Although not shown, the cathode gas supply means 50 is provided with a humidifier for humidifying the air introduced from the air compressor 51.

前記希釈装置６０は、パージ弁４０を介して、アノード循環流路Ｒ内の不純物を排出する機能を有し、燃料電池１０のカソード１３側の出口１０ｄから排出されたカソードオフガスを滞留させる空間（図示せず）を備えている。なお、希釈装置６０は、カソードオフガスのみを導入するものに限定されず、カソードオフガスとともに燃料電池１０の上流側のカソードガス（空気）を導入するように構成してもよい。 The diluting device 60 has a function of discharging impurities in the anode circulation flow path R through the purge valve 40, and a space for retaining the cathode off gas discharged from the outlet 10d on the cathode 13 side of the fuel cell 10 ( (Not shown). The diluting device 60 is not limited to the one that introduces only the cathode offgas, and may be configured to introduce the cathode gas (air) upstream of the fuel cell 10 together with the cathode offgas.

前記制御装置７０は、燃料電池システム１を電子制御するユニットであって、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（ＲａｎｄａｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）、各種インタフェイス、電子回路等から構成されている。なお、制御装置７０は、本実施形態のアノード側水分発生有無判定手段、希釈ガス積算量検出手段、パージ許可判断手段、積算発電量検出手段を備えている。 The control device 70 is a unit that electronically controls the fuel cell system 1 and is composed of a CPU (Central Control Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Randam Access Memory), various interfaces, an electronic circuit, and the like. ing. The control device 70 includes the anode-side moisture generation presence / absence determining unit, the diluted gas integrated amount detecting unit, the purge permission determining unit, and the integrated power generation amount detecting unit of the present embodiment.

また、制御装置７０は、温度計７１および電流計７２と接続されている。温度計７１は、燃料電池１０の温度を検出する機能を有し、燃料電池１０のアノード１２側の出口１０ｂ近傍の配管２４ｃ、またはカソード１３側の出口１０ｄ近傍の配管２４ｆ、または燃料電池１０を冷却する冷媒が流通する配管などに設けられる。電流計７２は、燃料電池１０から取り出される電流値を検出する機能を有し、燃料電池１０と外部負荷との間に設けられている。 The control device 70 is connected to a thermometer 71 and an ammeter 72. The thermometer 71 has a function of detecting the temperature of the fuel cell 10. The pipe 24 c near the outlet 10 b on the anode 12 side of the fuel cell 10, the pipe 24 f near the outlet 10 d on the cathode 13 side, or the fuel cell 10 It is provided in piping etc. through which the refrigerant to be cooled flows. The ammeter 72 has a function of detecting a current value extracted from the fuel cell 10 and is provided between the fuel cell 10 and an external load.

次に、本実施形態の燃料電池システムの動作について図２ないし図４を参照（適宜図１を参照）して説明する。なお、本実施形態の燃料電池システム１の運転停止時には、遮断弁（図示せず）が閉じられ、パージ弁４０が閉じられ、エアコンプレッサ５１が停止している。 Next, the operation of the fuel cell system of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 2 to 4 (refer to FIG. 1 as appropriate). When the operation of the fuel cell system 1 of the present embodiment is stopped, the shut-off valve (not shown) is closed, the purge valve 40 is closed, and the air compressor 51 is stopped.

そして、図２に示すように、運転者によってイグニッションスイッチ（ＩＧＳＷ、図示せず）がＯＮにされると、ステップＳ１００において、制御装置７０は、燃料電池１０の起動制御（ＦＣ起動制御）を実行する。ＦＣ起動制御とは、遮断弁（不図示）を開いて、水素タンク２１から燃料電池１０のアノード１２に水素を供給し、エアコンプレッサ５１の駆動を開始して、燃料電池１０のカソード１３に空気を供給する。また制御装置７０は、同時にパージ弁４０を開いて、アノード循環流路Ｒ内を水素に置換する制御を行う。また、外気温度などに基づいて燃料電池システム１の暖機を行うか否かを決定する。 Then, as shown in FIG. 2, when an ignition switch (IGSW, not shown) is turned on by the driver, in step S100, the control device 70 executes start-up control (FC start-up control) of the fuel cell 10. To do. FC start control is to open a shut-off valve (not shown), supply hydrogen from the hydrogen tank 21 to the anode 12 of the fuel cell 10, start driving the air compressor 51, and air to the cathode 13 of the fuel cell 10. Supply. At the same time, the control device 70 opens the purge valve 40 and performs control to replace the anode circulation flow path R with hydrogen. Further, it is determined whether or not to warm up the fuel cell system 1 based on the outside air temperature or the like.

そして、ステップＳ２００に進み、制御装置７０は、温度計７１によって燃料電池１０の温度（ＦＣ温度）を検出する。 In step S200, the control device 70 detects the temperature (FC temperature) of the fuel cell 10 with the thermometer 71.

そして、ステップＳ３００に進み、制御装置７０は、燃料電池１０と外部負荷（図示せず）とを接続して、燃料電池１０の発電（ＦＣ発電）を開始する。なお、ＦＣ発電開始の条件とは、例えば、アノードガス循環流路Ｒ内の水素濃度が高められて、燃料電池１０の開放端電圧（開回路電圧）が所定電圧を超えたときである。 In step S300, the control device 70 connects the fuel cell 10 and an external load (not shown), and starts power generation (FC power generation) of the fuel cell 10. The FC power generation start condition is, for example, when the hydrogen concentration in the anode gas circulation channel R is increased and the open-circuit voltage (open circuit voltage) of the fuel cell 10 exceeds a predetermined voltage.

そして、ステップＳ４００に進み、制御装置７０は、アノード側（アノード循環流路Ｒ内）に水分が発生しているか否かを推定する。なお、このステップＳ４００が、本実施形態におけるアノード側水分発生有無推定手段が実施する処理に相当する。このステップＳ４００は、図３に示すサブフローに基づいて制御される。 Then, the process proceeds to step S400, and the control device 70 estimates whether or not moisture is generated on the anode side (in the anode circulation channel R). Note that step S400 corresponds to the processing performed by the anode-side moisture generation presence / absence estimation means in the present embodiment. This step S400 is controlled based on the subflow shown in FIG.

すなわち、図３に示すように、ステップＳ４１０において、制御装置７０は、燃料電池１０が氷点下起動（低温状態からの起動）であるか否かを判断する。なお、氷点下起動であるか否かは、ステップＳ１００のＦＣ起動制御によって既に決定されているため、ステップＳ１００に基づいて判断できる。ステップＳ４１０において、制御装置７０は、燃料電池１０が氷点下起動でないと判断した場合には（Ｎｏ）、常温起動であると判断して、ステップＳ４６０に進み、アノード循環流路Ｒ内に水分が発生している判断する。 That is, as shown in FIG. 3, in step S <b> 410, the control device 70 determines whether or not the fuel cell 10 is operating below freezing (starting from a low temperature state). In addition, since it is already determined by FC starting control of step S100, it can be judged based on step S100 whether it is below-freezing starting. In step S410, if the control device 70 determines that the fuel cell 10 is not activated below freezing (No), it determines that the fuel cell 10 is activated at room temperature, and proceeds to step S460 to generate moisture in the anode circulation channel R. Judge that you are.

また、ステップＳ４１０において、制御装置７０は、燃料電池１０が氷点下起動であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ４２０に進み、図２のステップＳ２００で検出した起動時のＦＣ温度を用いて、アノード側の水分発生時期を判断する閾値（所定値３）を設定する。なお、この所定値３は、燃料電池１０から取り出される電流の積算値（ＦＣ電流積算値）であり、例えば、図６（ａ）に示すマップに基づいて設定される。図６（ａ）に示すように、起動時（ＩＧＳＷオン時）のＦＣ温度が低い場合には、所定値３が高く設定され、起動時のＦＣ温度が高い場合には、所定値３が低く設定される。なお、所定値３は、マップに限定されるものではなく、テーブルや関数などを用いて算出してもよい。 In step S410, if the control device 70 determines that the fuel cell 10 is starting below freezing (Yes), the control device 70 proceeds to step S420 and uses the FC temperature at startup detected in step S200 of FIG. A threshold value (predetermined value 3) for determining the moisture generation timing on the anode side is set. The predetermined value 3 is an integrated value (FC current integrated value) of the current taken out from the fuel cell 10, and is set based on, for example, a map shown in FIG. As shown in FIG. 6A, the predetermined value 3 is set high when the FC temperature at startup (IGSW is on) is low, and the predetermined value 3 is low when the FC temperature at startup is high. Is set. The predetermined value 3 is not limited to a map, and may be calculated using a table, a function, or the like.

そして、ステップＳ４３０に進み、制御装置７０は、ＦＣ温度が所定値１以上であるか否かを判断する。なお、所定値１（第１所定温度）は、カソード１３で生成された水が電解質膜１１を透過してアノード１２に透過を始める温度であり、例えば３０℃に設定される。また、所定値１は、３０℃に限定されるものではなく、燃料電池１０に用いられている電解質膜１１の種類や厚みなどに応じて適宜変更できる。 Then, the process proceeds to step S430, and the control device 70 determines whether or not the FC temperature is a predetermined value 1 or more. The predetermined value 1 (first predetermined temperature) is a temperature at which water generated at the cathode 13 starts to permeate the electrolyte membrane 11 and permeate the anode 12, and is set to 30 ° C., for example. The predetermined value 1 is not limited to 30 ° C., and can be changed as appropriate according to the type and thickness of the electrolyte membrane 11 used in the fuel cell 10.

ステップＳ４３０において、制御装置７０は、ＦＣ温度が所定値１以上であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ４６０に進み、アノード流路１４ａを含むアノード循環流路Ｒ内に水分が発生していると推定する。すなわち、図６（ｂ）を参照して説明すると、ＦＣ温度が所定値１を超えることにより、アノード循環流路Ｒ内に水分が発生していると判断される。ちなみに、このような場合にアノード循環流路Ｒ内に水分が発生するのは、ＦＣ温度が所定値１以上になると、電解質膜１１の内部の空隙が拡大して、カソード１３側の生成水が電解質膜１１を透過してアノード１２に移動するからであると推測される。 In step S430, when the control device 70 determines that the FC temperature is equal to or higher than the predetermined value 1 (Yes), the process proceeds to step S460, and moisture is generated in the anode circulation flow path R including the anode flow path 14a. It is estimated that That is, with reference to FIG. 6B, when the FC temperature exceeds the predetermined value 1, it is determined that moisture is generated in the anode circulation flow path R. Incidentally, in such a case, moisture is generated in the anode circulation flow path R when the FC temperature becomes a predetermined value 1 or more, the void inside the electrolyte membrane 11 is expanded, and the generated water on the cathode 13 side is increased. It is presumed that this is because it moves through the electrolyte membrane 11 to the anode 12.

また、ステップＳ４３０において、制御装置７０は、ＦＣ温度が所定値１以上でないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ４４０に進み、ＦＣ温度が所定値２以上、かつ、ＦＣ電流積算値が所定値３以上であるか否かを判断する。なお、所定値２（第２所定温度）は、所定値１よりも低い値に設定され、例えば２０℃に設定される。また、このステップＳ４４０が、本実施形態の積算発電量検出手段が実施する処理を含んでいる。 In step S430, when the control device 70 determines that the FC temperature is not equal to or higher than the predetermined value 1 (No), the process proceeds to step S440, where the FC temperature is equal to or higher than the predetermined value 2 and the FC current integrated value is predetermined. It is determined whether or not the value is 3 or more. The predetermined value 2 (second predetermined temperature) is set to a value lower than the predetermined value 1, and is set to 20 ° C., for example. Moreover, this step S440 includes the process which the integrated electric power generation amount detection means of this embodiment implements.

ステップＳ４４０において、制御装置７０は、ＦＣ温度が所定値２以上、かつ、ＦＣ電流積算値が所定値３以上であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ４６０に進み、アノード流路１４ａを含むアノード循環流路Ｒ内に水分が発生していると推定する。この場合、例えばフラグ（判定値）を立てる。すなわち、図６（ｃ）を参照して説明すると、時刻ｔ３において、アノード循環流路Ｒ内に水分が発生していると判断される。ちなみに、このような場合、アノード循環流路Ｒ内に水分が発生するのは、電解質膜１１を介してカソード１３からアノード１２に透過した水分ではなく、発電による発熱によってもともとアノード１２内部（電極内部）に存在していた水分がアノード１２の表面に溶け出すからであると推測される。 In step S440, when the control device 70 determines that the FC temperature is equal to or higher than the predetermined value 2 and the FC current integrated value is equal to or higher than the predetermined value 3 (Yes), the control device 70 proceeds to step S460 and moves the anode channel 14a to It is presumed that moisture is generated in the anode circulation flow path R including the same. In this case, for example, a flag (determination value) is set. That is, with reference to FIG. 6C, it is determined that moisture is generated in the anode circulation flow path R at time t3. Incidentally, in such a case, the moisture is generated in the anode circulation flow path R, not the moisture permeated from the cathode 13 to the anode 12 through the electrolyte membrane 11, but originally from the inside of the anode 12 (the inside of the electrode) due to heat generated by power generation. This is presumed to be because the water present in (1) is dissolved on the surface of the anode 12.

また、ステップＳ４４０において、制御装置７０は、ＦＣ温度が所定値２未満且つＦＣ電流積算値が所定値３以上の場合（Ｎｏ）、またはＦＣ温度が所定値２以上且つＦＣ電流積算値が所定値３未満の場合（Ｎｏ）、またはＦＣ温度が所定値２未満且つＦＣ電流積算値が所定値３未満の場合（Ｎｏ）、ステップＳ４５０に進み、アノード流路１４ａを含むアノード循環流路Ｒ内には水分が発生していないと推定する。この場合、例えばステップＳ４６０において水分発生有りと推定したときのフラグとは異なるフラグ（判定値）を立てる。なお、図６（ｃ）では、時刻ｔ２が、ＦＣ温度が所定値２以上且つＦＣ電流積算値が所定値３未満の場合であり、時刻ｔ１が、ＦＣ温度が所定値２未満且つＦＣ電流積算値が所定値３未満の場合である。 In step S440, the controller 70 determines that the FC temperature is less than the predetermined value 2 and the FC current integrated value is not less than the predetermined value 3 (No), or the FC temperature is not less than the predetermined value 2 and the FC current integrated value is the predetermined value. If it is less than 3 (No), or if the FC temperature is less than the predetermined value 2 and the FC current integrated value is less than the predetermined value 3 (No), the process proceeds to step S450 and enters the anode circulation channel R including the anode channel 14a. Presumes that no moisture has been generated. In this case, for example, a flag (determination value) different from the flag when it is estimated that moisture has been generated in step S460 is set. In FIG. 6C, the time t2 is a case where the FC temperature is equal to or higher than the predetermined value 2 and the FC current integrated value is less than the predetermined value 3, and the time t1 is an FC temperature lower than the predetermined value 2 and the FC current integrated. This is the case when the value is less than the predetermined value 3.

そして、図２のフローに戻って、ステップＳ５００に進み、制御装置７０は、ステップＳ４００によって推定された水分発生有無の判定値に基づいてアノード循環流路Ｒ内に水分が発生しているか否かを判断する。ステップＳ５００において、アノード循環流路Ｒ内に水分が発生していると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ６００に進み、常温用定期パージを実行する。常温用定期パージは、図４のサブフローに基づいて実行される。 Then, returning to the flow of FIG. 2, the process proceeds to step S500, and the control device 70 determines whether or not moisture is generated in the anode circulation channel R based on the determination value of the presence or absence of moisture generation estimated in step S400. Judging. If it is determined in step S500 that moisture is generated in the anode circulation flow path R (Yes), the process proceeds to step S600, and regular purge for normal temperature is executed. The regular purge for normal temperature is executed based on the sub-flow of FIG.

図４に示すように、ステップＳ６１０において、制御装置７０は、まず前回の定期パージ制御からの時間を検出する。なお、この時間は、例えば、制御装置７０に内蔵されたタイマ（不図示）を用いて検出される。また、初回の定期パージの場合には、発電開始からの時間を検出する。 As shown in FIG. 4, in step S610, the control device 70 first detects the time from the previous periodic purge control. This time is detected using, for example, a timer (not shown) built in the control device 70. In the case of the first periodic purge, the time from the start of power generation is detected.

そして、ステップＳ６２０に進み、制御装置７０は、ステップＳ６１０で検出した時間が所定時間１以上であるか否かを判断する。なお、所定時間１は、予め実験等によって設定され、アノード循環流路Ｒ内に発生する主に空気中に含まれる窒素とカソード１３からリークしてくる生成水とからなる不純物が所定量溜まる時間に設定される。ステップＳ６２０において、制御装置７０は、所定時間１以上でないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ６１０に戻り、所定時間１以上であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ６３０に進む。 Then, the process proceeds to step S620, and the control device 70 determines whether or not the time detected in step S610 is equal to or longer than the predetermined time 1. The predetermined time 1 is set in advance by experiments or the like, and is a time during which a predetermined amount of impurities mainly composed of nitrogen generated in the anode circulation flow path R and generated water leaking from the cathode 13 is accumulated. Set to In step S620, when it is determined that the predetermined time is not 1 or more (No), the control device 70 returns to step S610, and when it is determined that the predetermined time is 1 or more (Yes), the control device 70 proceeds to step S630.

ステップＳ６３０において、制御装置７０は、定期パージ要求を出力する。なお、ここでは、定期パージ要求のフラグをたてておくだけで、パージ弁４０を開弁して定期パージを実行することはしない。 In step S630, control device 70 outputs a periodic purge request. In this case, only the periodic purge request flag is set, and the purge valve 40 is not opened and the periodic purge is not executed.

そして、ステップＳ６４０に進み、制御装置７０は、希釈ガス量が所定量１以上であるか否かを判断する。なお、本実施形態における希釈ガスは、燃料電池１０のカソード１３から排出されたカソードオフガス（主に空気と生成水）である。また、希釈ガス量とは、希釈装置６０内に蓄積されるカソードオフガスの積算量である。また、所定量１は、パージを行っても、規定量を超える水素が車外（外部）に排出されることがない程度まで希釈できる量に設定される。また、このステップＳ６４０が、本実施形態の希釈ガス積算量検出手段およびパージ許可判断手段が実行する処理に相当する。 Then, the process proceeds to step S640, and the control device 70 determines whether or not the dilution gas amount is a predetermined amount 1 or more. Note that the dilution gas in the present embodiment is cathode off-gas (mainly air and generated water) discharged from the cathode 13 of the fuel cell 10. The dilution gas amount is an integrated amount of cathode off gas accumulated in the dilution device 60. The predetermined amount 1 is set to an amount that can be diluted to such an extent that even if purging is performed, hydrogen exceeding a specified amount is not discharged outside the vehicle (outside). Further, this step S640 corresponds to the processing executed by the diluted gas integrated amount detecting means and the purge permission determining means of the present embodiment.

ステップＳ６４０において、制御装置７０は、希釈ガス量が所定量１以上でないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ６４０に戻り、希釈ガス量が所定量１以上であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ６５０に進み、パージ弁４０を開いて定期パージを実行する。これにより、アノード循環流路Ｒ内に蓄積された不純物（窒素および生成水）が、水素（アノードガス）とともにパージ弁４０を通って希釈装置６０に向けて排出される。 In step S640, when the control device 70 determines that the dilution gas amount is not equal to or greater than the predetermined amount 1 (No), the control device 70 returns to step S640 and when it determines that the dilution gas amount is equal to or greater than the predetermined amount 1 ( Yes), the process proceeds to step S650, where the purge valve 40 is opened and the periodic purge is executed. Thereby, impurities (nitrogen and generated water) accumulated in the anode circulation flow path R are discharged toward the diluting device 60 through the purge valve 40 together with hydrogen (anode gas).

そして、ステップＳ６６０に進み、制御装置７０は、パージ弁４０の開弁時間が所定時間２以上経過したか否かを判断する。なお、所定時間２は、予め実験等によって設定され、アノード循環流路Ｒ内に蓄積した不純物（窒素、生成水）を排出するために必要な時間に設定される。 Then, the process proceeds to step S660, and the control device 70 determines whether or not the opening time of the purge valve 40 has exceeded a predetermined time 2 or more. The predetermined time 2 is set in advance by experiments or the like, and is set to a time necessary for discharging impurities (nitrogen, generated water) accumulated in the anode circulation flow path R.

ステップＳ６６０において、制御装置７０は、パージ弁４０の開弁時間が所定時間２以上経過していないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ６６０に戻り、開弁時間が所定時間２以上経過していると判断された場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ６７０に進み、パージ弁４０を閉じて、定期パージを終了する。 In step S660, when the control device 70 determines that the opening time of the purge valve 40 has not passed the predetermined time 2 or more (No), the control device 70 returns to step S660 and the valve opening time has passed the predetermined time 2 or more. If it is determined (Yes), the process proceeds to step S670, the purge valve 40 is closed, and the periodic purge is finished.

そして、図２のフローに戻って、ステップＳ７００に進み、制御装置７０は、発電中であるか否かを判断する。発電中であるかどうかの判断は、イグニッションスイッチ（ＩＧＳＷ）がオフにされたかどうかで判断でき、ステップＳ７００において、制御装置７０は、イグニッションスイッチがオフではなく、発電中であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ６００に戻り、常温用定期パージを継続する。また、ステップＳ７００において、制御装置７０は、イグニッションスイッチがオフにされ、発電中ではないと判断した場合には（Ｎｏ）、処理を終了する。 Then, returning to the flow of FIG. 2, the process proceeds to step S <b> 700, and the control device 70 determines whether or not power generation is being performed. Whether the power generation is in progress can be determined based on whether or not the ignition switch (IG SW) is turned off. In step S700, the control device 70 determines that the ignition switch is not off and power generation is in progress. (Yes), the process returns to Step S600 and the regular purge for normal temperature is continued. In step S700, when the control device 70 determines that the ignition switch is turned off and power generation is not being performed (No), the process is terminated.

一方、ステップＳ５００において、制御装置７０は、アノード循環流路Ｒ内に水分が発生していないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ８００に進み、低温用定期パージを実行する。低温用定期パージは、図５のサブフローに基づいて実行される。 On the other hand, when the controller 70 determines in step S500 that no moisture is generated in the anode circulation flow path R (No), the control device 70 proceeds to step S800 and executes a low temperature periodic purge. The periodic purge for low temperature is executed based on the subflow of FIG.

図５に示すように、ステップＳ８１０において、制御装置７０は、図４のステップＳ６１０と同様に、前回の定期パージ制御からの時間を検出する。なお、この時間は、例えば制御装置７０に内蔵されたタイマ（不図示）を用いて検出される。また、初回の定期パージの場合には、発電開始からの時間を検出する。 As shown in FIG. 5, in step S810, the control device 70 detects the time from the previous periodic purge control, as in step S610 of FIG. This time is detected using, for example, a timer (not shown) built in the control device 70. In the case of the first periodic purge, the time from the start of power generation is detected.

そして、ステップＳ８２０に進み、制御装置７０は、ステップＳ８１０で検出した時間が所定時間３以上であるか否かを判断する。なお、所定時間３は、予め実験等により設定され、図４の常温用定期パージでの所定時間１より長く設定される。つまり、この所定時間３は、アノード循環流路Ｒ内には水分（生成水）がリークしてこない、またはリークしたとしても極少量であるため、アノード循環流路Ｒ内で窒素が溜まる時間に設定される（生成水については考慮しない）。 Then, the process proceeds to step S820, and the control device 70 determines whether or not the time detected in step S810 is a predetermined time 3 or more. The predetermined time 3 is set in advance by experiments or the like, and is set longer than the predetermined time 1 in the regular purge for normal temperature in FIG. That is, the predetermined time 3 is a time during which nitrogen accumulates in the anode circulation flow path R because moisture (product water) does not leak into the anode circulation flow path R or is extremely small even if leaked. It is set (the generated water is not considered).

ステップＳ８２０において、制御装置７０は、検出した時間が所定時間３以上でないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ８１０に戻り、所定時間３以上であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ８３０に進む。 In step S820, if the control device 70 determines that the detected time is not the predetermined time 3 or more (No), the control device 70 returns to step S810, and if it is determined that the detected time is 3 or more (Yes), the control device 70 Proceed to S830.

ステップＳ８３０において、制御装置７０は、定期パージ要求を出力する。なお、ここでは、例えば定期パージ要求のフラグをたてておくだけで、パージ弁４０を開弁して定期パージを実行することはしない。 In step S830, control device 70 outputs a periodic purge request. In this case, for example, only a periodic purge request flag is set, and the purge valve 40 is not opened and the periodic purge is not executed.

そして、ステップＳ８４０に進み、制御装置７０は、希釈ガス量が所定量２以上であるか否かを判断する。なお、所定量２は、パージを行っても、規定量を超える水素が車外に排出されることがない程度まで希釈できる量に設定され、例えば、図４の常温用定期パージでの所定量１よりも少ない量に設定される。これは、後記するように、パージ弁４０の開弁時間が常温用定期パージよりも短く設定されるからである。また、このステップＳ８４０が、本実施形態の希釈ガス積算量検出手段およびパージ許可判断手段が実行する処理に相当する。 Then, the process proceeds to step S840, and the control device 70 determines whether or not the dilution gas amount is a predetermined amount 2 or more. The predetermined amount 2 is set to an amount that can be diluted to such an extent that even if purging is performed, hydrogen exceeding a specified amount is not discharged outside the vehicle. For example, the predetermined amount 1 in the regular purge for normal temperature in FIG. Is set to a smaller amount. This is because, as will be described later, the opening time of the purge valve 40 is set shorter than the regular purge for normal temperature. Further, this step S840 corresponds to the processing executed by the diluted gas integrated amount detecting means and the purge permission determining means of the present embodiment.

ステップＳ８４０において、制御装置７０は、希釈ガス量が所定量２以上でないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ８４０に戻り、希釈ガス量が所定量２以上であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ８５０に進み、パージ弁４０を開いて定期パージを実行する。これにより、アノード循環流路Ｒ内に蓄積された不純物（窒素）が、水素（アノードガス）とともにパージ弁４０を通って希釈装置６０に向けて排出される。 In step S840, when the control device 70 determines that the dilution gas amount is not equal to or greater than the predetermined amount 2 (No), the control device 70 returns to step S840 and when it determines that the dilution gas amount is equal to or greater than the predetermined amount 2 ( In step S850, the purge valve 40 is opened to perform periodic purge. Thereby, impurities (nitrogen) accumulated in the anode circulation flow path R are discharged toward the diluting device 60 through the purge valve 40 together with hydrogen (anode gas).

そして、ステップＳ８６０に進み、制御装置７０は、パージ弁４０の開弁時間が所定時間４以上経過したか否かを判断する。なお、所定時間４は、アノード循環流路Ｒ内に蓄積した不純物（窒素）を排出するために必要な時間に設定される。また、所定時間４は、予め実験等によって設定され、図４の常温用定期パージにおける所定時間２よりも短い時間に設定される。 Then, the process proceeds to step S860, and the control device 70 determines whether or not the opening time of the purge valve 40 has exceeded a predetermined time 4 or more. The predetermined time 4 is set to a time necessary for discharging impurities (nitrogen) accumulated in the anode circulation flow path R. The predetermined time 4 is set in advance by experiments or the like, and is set to a time shorter than the predetermined time 2 in the regular purge for normal temperature in FIG.

ステップＳ８６０において、制御装置７０は、パージ弁４０の開弁時間が所定時間４以上経過していないと判断された場合には（Ｎｏ）、ステップＳ８６０に戻り、開弁時間が所定時間４以上経過していると判断された場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ８７０に進み、パージ弁４０を閉じて、定期パージを終了する。 In step S860, when it is determined that the opening time of the purge valve 40 has not exceeded the predetermined time 4 or more (No), the control device 70 returns to step S860, and the valve opening time has passed the predetermined time 4 or more. If it is determined that the purge is being performed (Yes), the process proceeds to step S870, the purge valve 40 is closed, and the periodic purge is terminated.

そして、図２のフローに戻って、ステップＳ９００に進み、制御装置７０は、発電中であるか否かを判断する。発電中であるかどうかの判断は、前記と同様に、イグニッションがオフにされたかどうかで判断でき、ステップＳ９００において、制御装置７０は、イグニッションがオフではなく、発電中であると判断された場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ４００に戻る。ステップＳ４００において、再度アノード循環流路Ｒ内に水分発生の有無を推定し、まだ水分が発生していないと推定される場合には（Ｓ５００、Ｎｏ）、低温用定期パージ（Ｓ８００）を継続し、水分が発生していると推定された場合には（Ｓ５００、Ｙｅｓ）、常温用定期パージ（Ｓ６００）に移行する。また、ステップＳ９００において、制御装置７０は、イグニッションがオフにされ、発電中ではないと判断された場合には（Ｎｏ）、処理を終了する。 Then, returning to the flow of FIG. 2, the process proceeds to step S900, and the control device 70 determines whether or not power generation is being performed. In the same manner as described above, whether or not the ignition is being generated can be determined based on whether or not the ignition is turned off. In step S900, the control device 70 determines that the ignition is not off and the generation is in progress. (Yes), the process returns to step S400. In step S400, the presence / absence of moisture generation in the anode circulation channel R is estimated again. If it is estimated that moisture has not been generated yet (S500, No), the low-temperature periodic purge (S800) is continued. When it is estimated that moisture is generated (S500, Yes), the routine proceeds to a regular purge for normal temperature (S600). In step S900, when it is determined that the ignition is turned off and power generation is not being performed (No), the control device 70 ends the process.

また、図７のタイムチャートを参照して説明すると、ＦＣ温度が所定値１以上の場合（Ｓ４３０、Ｙｅｓ）、またはＦＣ温度が所定値１未満であってもＦＣ温度が所定値２以上かつＦＣ電流積算値が所定値３以上の場合（Ｓ４４０、Ｙｅｓ）、図７（ａ）に示す常温用定期パージが実行される。この場合には、発電が開始されるとアノード循環流路Ｒ内の窒素量および水分量が徐々に増加する。そして、発電開始（２回目からは前回のパージ）から所定時間１が経過するとパージ弁４０が所定時間２開かれて、アノード循環流路Ｒ内の不純物（窒素および水分）が希釈装置６０に向けて排出される。ただし、本実施形態では、前記したように、希釈装置６０に所定量１の希釈ガスが溜まるまでパージ弁４０を開弁せず、所定量１の希釈ガスが溜まったらパージ弁４０を開弁して定期パージを実行する。 Further, with reference to the time chart of FIG. 7, when the FC temperature is equal to or higher than the predetermined value 1 (S430, Yes), or even if the FC temperature is lower than the predetermined value 1, the FC temperature is equal to or higher than the predetermined value 2 and FC. When the integrated current value is equal to or greater than the predetermined value 3 (S440, Yes), the normal temperature regular purge shown in FIG. 7A is executed. In this case, when power generation is started, the amount of nitrogen and the amount of moisture in the anode circulation channel R gradually increase. Then, when a predetermined time 1 has elapsed from the start of power generation (the previous purge from the second time), the purge valve 40 is opened for a predetermined time 2 and impurities (nitrogen and moisture) in the anode circulation channel R are directed to the diluting device 60. Discharged. However, in this embodiment, as described above, the purge valve 40 is not opened until the predetermined amount 1 of dilution gas is accumulated in the diluting device 60, and when the predetermined amount 1 of dilution gas is accumulated, the purge valve 40 is opened. Perform a periodic purge.

また、ＦＣ温度が所定値２以上であってもＦＣ電流積算値が所定値３未満の場合、またはＦＣ電流積算値が所定値３以上であってもＦＣ温度が所定値２未満の場合、またはＦＣ温度が所定値２未満でＦＣ電流積算値が所定値３未満の場合（Ｓ４４０、Ｎｏ）、図７（ｂ）に示す低温用定期パージが実行される。この場合には、発電が開始されるとアノード循環流路Ｒ内の窒素量が徐々に増加するが、水分については、ＦＣ温度が低温なのでアノード循環流路Ｒ内に発生しない。なお、所定時間３は、窒素のみが所定量溜まる時間を設定すればよいので、所定時間１よりも長く設定できる。そして、発電開始から所定時間３が経過するとパージ弁４０が所定時間４開かれて、アノード循環流路Ｒ内の不純物（窒素）が希釈装置６０に向けて排出される。なお、所定時間４は、窒素のみを排出すればよいので、所定時間２よりも短く設定できる。 If the FC current integrated value is less than the predetermined value 3 even if the FC temperature is not less than the predetermined value 2, or if the FC temperature is less than the predetermined value 2 even if the FC current integrated value is not less than the predetermined value 3, or When the FC temperature is less than the predetermined value 2 and the FC current integrated value is less than the predetermined value 3 (S440, No), the low temperature periodic purge shown in FIG. 7B is executed. In this case, the amount of nitrogen in the anode circulation channel R gradually increases when power generation is started, but moisture is not generated in the anode circulation channel R because the FC temperature is low. The predetermined time 3 can be set longer than the predetermined time 1 because it is sufficient to set a time during which only a predetermined amount of nitrogen is accumulated. When the predetermined time 3 has elapsed since the start of power generation, the purge valve 40 is opened for the predetermined time 4 and impurities (nitrogen) in the anode circulation flow path R are discharged toward the diluting device 60. The predetermined time 4 can be set shorter than the predetermined time 2 because only nitrogen needs to be discharged.

以上説明したように、本実施形態によれば、低温時には水分排出に対応したパージ（頻度の高いパージ）を行わないので、必要以上のパージによる燃料（水素）の無駄使いを防止して燃料効率を向上させることが可能になる。さらに、低温時には燃料電池１０内の温かくなったアノードガスを頻繁にパージしなくなるので、つまり定期パージの間隔を長く設定し（所定時間１から所定時間３に変更）、またパージ弁４０の開弁時間を短く設定する（所定時間２から所定時間４に変更）ので、燃料電池１０の暖機性能の向上にも効果を発揮できる。 As described above, according to the present embodiment, since purging corresponding to moisture discharge (frequent purge) is not performed at low temperatures, fuel (hydrogen) is not wasted due to unnecessary purging and fuel efficiency is reduced. It becomes possible to improve. Further, since the warmed anode gas in the fuel cell 10 is not frequently purged when the temperature is low, that is, the periodic purge interval is set longer (changed from the predetermined time 1 to the predetermined time 3), and the purge valve 40 is opened. Since the time is set short (changed from the predetermined time 2 to the predetermined time 4), the effect of improving the warm-up performance of the fuel cell 10 can be exhibited.

また、本実施形態によれば、常温で起動した場合には、アノード循環流路Ｒ内に水分が発生するが、この場合にはパージ間隔およびパージ弁４０の開弁時間を変更しないため、アノード循環流路Ｒ内の窒素や水分などの不純物を確実に排出することが可能になり、発電性能が安定する。 Further, according to the present embodiment, when starting at room temperature, moisture is generated in the anode circulation flow path R. In this case, the purge interval and the opening time of the purge valve 40 are not changed. Impurities such as nitrogen and moisture in the circulation channel R can be reliably discharged, and the power generation performance is stabilized.

また、本実施形態によれば、希釈装置６０内の積算希釈ガス量が所定量未満の場合にはパージ弁４０を開弁することを禁止するため、燃料電池システム１から大気に排出される排ガスの水素濃度を確実に希釈することが可能になる。 Further, according to the present embodiment, the exhaust gas discharged from the fuel cell system 1 to the atmosphere is prohibited in order to prohibit the opening of the purge valve 40 when the accumulated dilution gas amount in the dilution device 60 is less than a predetermined amount. It is possible to reliably dilute the hydrogen concentration.

また、本実施形態によれば、ＦＣ温度とＦＣ電流積算量とからアノード側の水分発生有無を推定することにより、水分発生有無の精度を高めることができ、水分排出のためのパージの必要・不必要判断を確実に行うことができる。よって、必要以上のパージによる燃料（水素）の無駄使いを防止して燃料効率の向上が図れる。 Further, according to the present embodiment, by estimating the presence or absence of moisture generation on the anode side from the FC temperature and the FC current integrated amount, it is possible to improve the accuracy of the moisture generation presence and the necessity of a purge for draining water. Unnecessary judgments can be made reliably. Therefore, it is possible to prevent fuel (hydrogen) from being wasted due to unnecessary purge and improve fuel efficiency.

なお、前記実施形態では、図７（ｂ）に示すように、定期パージの間隔を所定時間３として、パージ弁４０の開弁時間を所定時間４としたが、これに限定されるものではなく、定期パージを禁止するように制御してもよい。その場合には、図中破線Ｓで示すように、アノード循環流露Ｒ内の窒素量が増加する。 In the embodiment, as shown in FIG. 7B, the periodic purge interval is set to the predetermined time 3, and the opening time of the purge valve 40 is set to the predetermined time 4. However, the present invention is not limited to this. In addition, it may be controlled to prohibit the periodic purge. In that case, as indicated by the broken line S in the figure, the amount of nitrogen in the anode circulation dew R increases.

なお、前記した実施形態では、パージとパージとの間隔、およびパージ弁４０の開弁時間を変更したが、パージとパージとの間隔のみを変更するようにしてもよく、あるいはパージ弁４０の開弁時間のみを変更するようにしてもよい。 In the embodiment described above, the interval between the purges and the purge and the valve opening time of the purge valve 40 are changed. However, only the interval between the purges and the purge may be changed, or the purge valve 40 may be opened. Only the valve time may be changed.

また、前記した実施形態では、燃料電池１０の積算発電量として、ＦＣ電流積算値を用いているが、これに替えて電力（ＦＣ積算電力値）に基づいて算出してもよい。 In the embodiment described above, the FC current integrated value is used as the integrated power generation amount of the fuel cell 10, but it may be calculated based on electric power (FC integrated power value) instead.

また、前記した実施形態では、氷点下起動と通常起動の処理を共通化して、図３のステップＳ４１０で氷点下起動か否かを判断して処理を分岐しているが、例えば、ステップＳ１００において、氷点下起動と通常起動の処理を分岐し、途中でＳ４１０の判断を行うことなく、アノード循環流路Ｒ内の水分の有無を判定してもよい。 Further, in the above-described embodiment, the processes of the below-freezing start and the normal starting are made common, and it is determined whether or not the starting is below the freezing in step S410 in FIG. The presence / absence of moisture in the anode circulation channel R may be determined without branching between the startup and normal startup processing and making the determination in S410 in the middle.

本実施形態の燃料電池システムの一例を全体構成図である。It is a whole lineblock diagram of an example of the fuel cell system of this embodiment. 燃料電池システムの起動制御を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows starting control of a fuel cell system. 図２の常温用定期パージを示すサブフローチャートである。FIG. 3 is a sub-flowchart showing a normal temperature regular purge in FIG. 2. FIG. 図２の低温用定期パージを示すサブフローチャートである。3 is a sub-flowchart showing a low temperature periodic purge in FIG. 2. アノード側の水分発生有無を判定するためのサブフローチャートである。6 is a sub-flowchart for determining whether or not moisture is generated on the anode side. （ａ）は起動時ＦＣ温度とＦＣ電流積算値との関係を示すマップ、（ｂ）はＦＣ温度に基づくアノード水分発生有無を説明するためのグラフ、（ｃ）はＦＣ温度とＦＣ電流積算値に基づくアノード水分発生有無を説明するためのグラフである。(A) is a map showing the relationship between start-up FC temperature and FC current integrated value, (b) is a graph for explaining the presence or absence of anode moisture generation based on FC temperature, and (c) is FC temperature and FC current integrated value. It is a graph for demonstrating the presence or absence of anode moisture generation based on this. （ａ）は常温用定期パージ制御におけるタイムチャート、（ｂ）は低温用定期パージ制御におけるタイムチャートである。(A) is a time chart in the regular purge control for normal temperature, (b) is a time chart in the regular purge control for low temperature.

Explanation of symbols

１燃料電池システム
１０燃料電池
１４ａアノード流路
１５ａカソード流路
２０アノードガス供給手段
３０水素循環配管
４０パージ弁
５０カソードガス供給手段
６０希釈装置
７０制御装置
７１温度計（燃料電池温度検出手段）
７２電流計
Ｒアノード循環流路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system 10 Fuel cell 14a Anode flow path 15a Cathode flow path 20 Anode gas supply means 30 Hydrogen circulation piping 40 Purge valve 50 Cathode gas supply means 60 Dilution apparatus 70 Control apparatus 71 Thermometer (fuel cell temperature detection means)
72 Ammeter R Anode circulation flow path

Claims

A fuel cell for generating electricity by supplying cathode gas to the cathode flow path by the cathode gas supply means and supplying anode gas to the anode flow path by the anode gas supply means;
An anode circulation passage for mixing the anode gas discharged from the fuel cell and the anode gas supplied by the anode gas supply means and supplying the mixed gas again to the fuel cell;
A purge valve that discharges anode gas and impurities in the anode circulation channel to the outside,
Periodic purge control for discharging the anode gas and impurities in the anode circulation channel is performed by periodically opening the purge valve at a first predetermined time interval for a second predetermined time after starting the power generation of the fuel cell. In the fuel cell system to perform,
An anode-side moisture generation presence / absence judging means for judging whether or not moisture is generated in the anode circulation channel;
A fuel cell system, wherein control is performed to change the first predetermined time based on a determination value obtained by the anode-side moisture generation presence / absence determination means.

2. The fuel cell system according to claim 1, wherein control for changing the second predetermined time is performed based on a determination value obtained by the anode-side moisture generation presence / absence determination unit.

3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control is not performed when the fuel cell is not started from a low temperature state. 4.

A dilution device that is supplied with a dilution gas and dilutes and discharges the anode gas and impurities discharged from the purge valve;
Dilution gas integrated amount detection means for detecting an integrated amount of dilution gas supplied to the dilution device;
Purge permission determining means for determining whether or not to perform the periodic purge control based on the diluted gas integrated amount detected by the diluted gas integrated amount detecting means,
4. The opening of the purge valve is prohibited when the integrated amount of the dilution gas is less than a predetermined amount until the integrated amount of the dilution gas becomes equal to or greater than the predetermined amount. The fuel cell system according to any one of the above.

A fuel cell for generating electricity by supplying cathode gas to the cathode flow path by the cathode gas supply means, and supplying anode gas to the anode flow path by the anode gas supply means;
An anode circulation passage for mixing the anode gas discharged from the fuel cell and the anode gas supplied by the anode gas supply means and supplying the mixture again to the fuel cell;
A purge valve that discharges anode gas and impurities in the anode circulation channel to the outside,
Periodic purge control for discharging the anode gas and impurities in the anode circulation flow path by periodically opening the purge valve at the first predetermined time interval after the start of power generation of the fuel cell. In the fuel cell system
An anode-side moisture generation presence / absence judging means for judging whether or not moisture is generated in the anode circulation channel;
A fuel cell system, wherein control is performed to change the second predetermined time based on a determination value obtained by the anode-side moisture generation presence / absence determination means.

Fuel cell temperature detecting means for detecting the temperature of the fuel cell;
An integrated power generation amount detecting means for detecting an integrated power generation amount of the fuel cell,
The anode-side moisture generation presence / absence determining means determines whether moisture is generated in the anode circulation flow path based on the temperature of the fuel cell and the accumulated power generation amount of the fuel cell. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5.

An anode circulation passage is provided for circulating the anode gas discharged from the fuel cell back to the fuel cell, and after the fuel cell starts generating power, the purge valve is opened at a first predetermined time interval for a second predetermined time. In the operation method of the fuel cell system for periodically discharging the anode gas and impurities in the anode circulation channel,
Determining the presence or absence of moisture in the anode circulation channel,
When it is determined that no moisture is generated in the anode circulation channel, the first predetermined time is set longer than when moisture is generated. Method.

An anode circulation passage is provided for circulating the anode gas discharged from the fuel cell back to the fuel cell, and after the fuel cell starts generating power, the purge valve is opened at a first predetermined time interval for a second predetermined time. In the operation method of the fuel cell system for periodically discharging the anode gas and impurities in the anode circulation channel,
Determining the presence or absence of moisture in the anode circulation channel,
When it is determined that no moisture is generated in the anode circulation flow path, the second predetermined time is set shorter than when moisture is generated. Method.