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JP2008053086A - Fuel cell system - Google Patents

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JP2008053086A JP2006228957A JP2006228957A JP2008053086A JP 2008053086 A JP2008053086 A JP 2008053086A JP 2006228957 A JP2006228957 A JP 2006228957A JP 2006228957 A JP2006228957 A JP 2006228957A JP 2008053086 A JP2008053086 A JP 2008053086A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system surely removing moisture in the fuel cell after stoppage of the operation while suppressing the power consumption of a secondary battery. <P>SOLUTION: This fuel cell system is provided with a fuel cell 1, a secondary battery 3, moisture removing means 21, 34 that receive electric power from the secondary battery 3 when the fuel cell 1 stops electric generation, and carry out moisture removing treatment of removing the moisture remained in the fuel cell 1, an inclination detecting sensor 6 that detects an attitude of a vehicle and a tilt angle of the vehicle with respect to a horizontal plane of the vehicle, and a control unit 50 that controls the moisture removing treatment of the moisture removing means according to the attitude and the tilt angle detected by the inclination detecting unit 6 and a discharging angle of the residual moisture discharged from the fuel cell 1. In a case where the vehicle is tilted in attitude with its moisture discharge side turned upward, the amount of the moisture removed by the moisture removing treatment is increased as the tilt angle with respect to a reference plane of the vehicle increases. In a case where the vehicle is tilted in attitude with its moisture discharge side turned downward, the amount of the moisture removed by the moisture removing treatment is decreased as the tilt angle with respect to the reference plane of the vehicle increases. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶および航空機等の移動体用発電機に適用して有効である。   The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates electrical energy by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and is effective when applied to generators for moving bodies such as vehicles, ships, and aircraft.

燃料電池は発電反応に伴い水を生成し、その生成水の一部は発電停止後にも燃料電池内部に残留する。残留水分が多い場合には、氷点下のような低温環境下での燃料電池始動時に触媒表面やガス流路等で残留水分が凍結して、反応ガスが触媒まで到達できず、燃料電池での発電が継続できないという問題がある。また、氷点下にならずともガス流路や拡散層、触媒層に残留した水が存在し、触媒に反応ガスが到達するのを阻害し、燃料電池での発電が継続できないという問題がある。   The fuel cell generates water along with the power generation reaction, and part of the generated water remains inside the fuel cell even after power generation is stopped. If there is a lot of residual moisture, the residual moisture freezes on the catalyst surface or gas flow path when starting the fuel cell in a low temperature environment such as below freezing, and the reaction gas cannot reach the catalyst. There is a problem that cannot continue. Further, there is a problem that water remaining in the gas flow path, the diffusion layer, and the catalyst layer is present even if the temperature is not below freezing, preventing the reaction gas from reaching the catalyst, and power generation in the fuel cell cannot be continued.

また、燃料電池の運転中において、燃料電池内の電気化学反応により生成された生成水の排出方向に高く傾斜した状態で長時間継続して運転された場合には、排出不良に伴う水詰まりによって発電効率が著しく損なわれたり、発電不能となることがある。   In addition, during operation of the fuel cell, if it is operated continuously for a long time with a high inclination in the direction of discharge of the produced water generated by the electrochemical reaction in the fuel cell, it may be due to water clogging due to defective discharge. The power generation efficiency may be significantly impaired or power generation may become impossible.

これに対し、燃料電池が搭載された車両の傾斜角度を検出し、検出された傾斜角度が所定値以上と判定された場合に警告を発する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。   On the other hand, a fuel cell system that detects the tilt angle of a vehicle on which a fuel cell is mounted and issues a warning when the detected tilt angle is determined to be greater than or equal to a predetermined value has been proposed (for example, Patent Document 1). reference).

しかしながら、上記特許文献１に記載の燃料電池システムでは、車両が傾斜状態で運転停止された場合に警告を発するため、傾斜地に駐車することができない。また、警告を無視して傾斜地に駐車した場合、再起動時に燃料電池内に残存する水分やその凍結によってガス流路が閉塞され、燃料ガスを供給しても電気化学反応が進行せず、再起動不能や所望の出力が得られない等の支障を来す恐れがある。   However, in the fuel cell system described in Patent Document 1, a warning is issued when the vehicle is stopped in an inclined state, so that the vehicle cannot be parked on an inclined land. In addition, if the vehicle is parked on a sloping ground ignoring the warning, the gas flow path is blocked by moisture remaining in the fuel cell and freezing at the time of restart, and the electrochemical reaction does not proceed even if fuel gas is supplied. There is a risk of troubles such as inability to start or obtaining a desired output.

これに対し、燃料電池を停止する際に燃料電池内に乾燥水素（燃料ガス）および乾燥空気（酸化剤ガス）を供給する掃気処理を行うことで、燃料電池内の水分を除去する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００４−３５５９０２号公報 特開２００２−２０８４２１号公報 In contrast, a fuel cell system that removes moisture in the fuel cell by performing a scavenging process of supplying dry hydrogen (fuel gas) and dry air (oxidant gas) into the fuel cell when the fuel cell is stopped. Has been proposed (see, for example, Patent Document 2).
JP 2004-355902 A JP 2002-208421 A

しかしながら、上記特許文献２に記載の燃料電池システムでは、車両が燃料電池から排出される生成水の排出方向に高く傾斜した状態で運転停止されてしまうような状況下では、燃料電池内の残留水分の排出が充分に行われないという問題がある。   However, in the fuel cell system described in Patent Document 2, the residual moisture in the fuel cell is lost in a situation where the vehicle is stopped in a state where the vehicle is highly inclined in the direction of discharge of generated water discharged from the fuel cell. There is a problem that sufficient discharge is not performed.

また、掃気処理を行うには水素供給装置および酸素供給装置を作動させる電力が必要である。その電力は移動体（燃料電池自動車等）においては二次電池から供給せざるを得ないため、二次電池の電力を消費してしまうという問題がある。   Further, in order to perform the scavenging process, electric power for operating the hydrogen supply device and the oxygen supply device is required. Since the power must be supplied from the secondary battery in a mobile body (such as a fuel cell vehicle), there is a problem that the power of the secondary battery is consumed.

本発明は、上記点に鑑み、二次電池の電力消費を抑制しつつ、運転停止後、燃料電池内部の水分を確実に除去できる燃料電池システムを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of reliably removing moisture inside the fuel cell after the operation is stopped while suppressing power consumption of the secondary battery.

上記目的を達成するため、本発明では、移動体に搭載される燃料電池システムであって、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池（１）と、燃料電池（１）から電力供給を受けて充電可能な二次電池（３）と、燃料電池（１）の発電停止時に二次電池（３）から電力供給を受けて燃料電池（１）内の残留水分を除去する水分除去処理を行う水分除去手段（２１、３４）と、移動体の姿勢および移動体の基準面に対する傾斜角度を検出する勾配検出手段（６）と、勾配検出手段（６）により検出された姿勢および傾斜角度と、燃料電池（１）から排出される残留水分の排出向きとに応じて、水分除去手段による水分除去処理を制御する制御手段（５０）とを備え、制御手段（５０）は、移動体の姿勢が残留水分の排出向きに上がっている場合に、移動体の基準面からの傾斜角度が大きくなるに応じて、水分除去処理の水分除去量を増大させ、移動体の姿勢が残留水分の排出向きに下がっている場合に、移動体の基準面からの傾斜角度が大きくなるに応じて、水分除去処理の水分除去量を減少させることを特徴としている。   In order to achieve the above object, the present invention provides a fuel cell system mounted on a moving body, which is a fuel cell (1) that generates electrical energy by an electrochemical reaction between an oxidant gas and a fuel gas, and a fuel cell. The secondary battery (3) that can be charged by receiving power from (1) and the residual moisture in the fuel cell (1) that receives power from the secondary battery (3) when power generation of the fuel cell (1) is stopped Detected by the moisture removing means (21, 34) for removing the moisture, the gradient detecting means (6) for detecting the posture of the moving body and the inclination angle with respect to the reference plane of the moving body, and the gradient detecting means (6) Control means (50) for controlling the water removal processing by the water removal means in accordance with the posture and inclination angle made and the direction of discharge of the residual water discharged from the fuel cell (1). ) The posture of the moving body When the residual moisture is discharged, the amount of moisture removed in the moisture removal process is increased as the inclination angle from the reference surface of the moving body increases, so that the posture of the moving body is adjusted to the residual moisture discharge direction. When it is lowered, the water removal amount of the water removal process is reduced as the inclination angle from the reference plane of the moving body increases.

このように、移動体の姿勢が残留水分の排出向きに上がっている場合、すなわち燃料電池（１）内の残留水分が排出されにくい場合に、移動体の基準面からの傾斜角度が大きくなるに応じて水分除去処理の水分除去量を増大させることで、燃料電池（１）内部の残留水分を確実に除去することができる。一方、移動体の姿勢が残留水分の排出向きに下がっている場合、すなわち燃料電池（１）内の残留水分が排出されやすい場合に、移動体の基準面からの傾斜角度が大きくなるに応じて水分除去処理の水分除去量を減少させることで、水分除去処理に伴う二次電池（３）の電力消費を抑制することができる。したがって、二次電池の電力消費を抑制しつつ、運転停止後、燃料電池内部の水分を確実に除去することが可能となる。   Thus, when the posture of the moving body is raised in the direction of discharging residual moisture, that is, when the residual moisture in the fuel cell (1) is difficult to be discharged, the inclination angle of the moving body from the reference plane becomes large. Accordingly, by increasing the water removal amount of the water removal process, the residual water inside the fuel cell (1) can be reliably removed. On the other hand, when the posture of the moving body is lowered in the direction of discharging residual moisture, that is, when residual moisture in the fuel cell (1) is easily discharged, the inclination angle from the reference plane of the moving body increases. By reducing the water removal amount of the water removal process, the power consumption of the secondary battery (3) accompanying the water removal process can be suppressed. Therefore, it is possible to reliably remove the water inside the fuel cell after the operation is stopped while suppressing the power consumption of the secondary battery.

また、上記特徴において、燃料電池（１）の発電停止時に二次電池（３）から電力供給を受けて燃料電池（１）内にパージ用空気を供給する掃気処理を行う掃気手段（２１）を設け、水分除去手段を掃気手段（２１）とし、水分除去処理を掃気処理とすることができる。   Further, in the above feature, the scavenging means (21) for performing a scavenging process for receiving the power supply from the secondary battery (3) and supplying the purge air into the fuel cell (1) when the power generation of the fuel cell (1) is stopped. The water removal means can be a scavenging means (21), and the water removal process can be a scavenging process.

具体的には、制御手段（５０）を、移動体の姿勢が残留水分の排出向きに上がっている場合に、移動体の基準面からの傾斜角度が大きくなるに応じて、掃気手段（２１）により供給されるパージ用空気の流量を増加させるように構成してもよい。   Specifically, when the posture of the moving body is raised in the direction of discharging residual moisture, the scavenging means (21) is controlled according to the inclination angle of the moving body from the reference plane being increased. May be configured to increase the flow rate of the purge air supplied by.

また、制御手段（５０）を、移動体の姿勢が残留水分の排出向きに上がっている場合に、移動体の基準面からの傾斜角度が大きくなるに応じて、掃気手段（２１）のパージ用空気の供給時間を長くするように構成してもよい。   Further, the control means (50) is used for purging the scavenging means (21) as the inclination angle of the moving body from the reference surface increases when the posture of the moving body rises in the direction of discharging residual moisture. You may comprise so that the supply time of air may be lengthened.

また、制御手段（５０）を、移動体の姿勢が残留水分の排出向きに下がっている場合に、移動体の基準面からの傾斜角度が大きくなるに応じて、掃気手段（２１）により供給されるパージ用空気の流量を減少させるように構成してもよい。   Further, the control means (50) is supplied by the scavenging means (21) as the inclination angle of the moving body from the reference surface increases when the posture of the moving body is lowered in the direction of discharging residual moisture. The purge air flow rate may be reduced.

また、制御手段（５０）を、移動体の姿勢が残留水分の排出向きに下がっている場合に、移動体の基準面からの傾斜角度が大きくなるに応じて、掃気手段（２１）のパージ用空気の供給時間を短くするように構成してもよい。   In addition, the control means (50) is used for purging the scavenging means (21) as the inclination angle of the moving body from the reference surface increases when the posture of the moving body is lowered in the direction of discharging residual moisture. You may comprise so that the supply time of air may be shortened.

また、上記特徴において、燃料ガス供給装置（３１）から燃料ガス供給流路（３０ａ）を介して燃料電池（１）に供給された燃料ガスのうち、電気化学反応に用いられなかった未反応の燃料ガスと燃料ガス以外の不純物とを含んだオフガスを燃料電池（１）から排出させるオフガス排出流路（３０ｂ）と、オフガス排出流路（３０ｂ）と外部とを連通あるいは遮断させることができ、燃料電池（１）の発電停止時に二次電池（３）から電力供給を受けてオフガス排出流路（３０ｂ）と外部とを所定時間連通させてオフガスをオフガス排出流路（３０ｂ）から外部に放出させるオフガス放出処理を行うオフガス放出手段（３４）とを設け、水分除去手段をオフガス放出手段（３４）とし、水分除去処理をオフガス放出処理とすることができる。   Further, in the above feature, of the fuel gas supplied from the fuel gas supply device (31) to the fuel cell (1) via the fuel gas supply channel (30a), unreacted that has not been used for the electrochemical reaction. The offgas discharge channel (30b) for discharging offgas containing the fuel gas and impurities other than the fuel gas from the fuel cell (1), the offgas discharge channel (30b), and the outside can be communicated or blocked, When power generation of the fuel cell (1) is stopped, power is supplied from the secondary battery (3), and the offgas discharge channel (30b) communicates with the outside for a predetermined time to release offgas from the offgas discharge channel (30b). The off-gas releasing means (34) for performing the off-gas releasing process is provided, the moisture removing means can be the off-gas releasing means (34), and the moisture removing process can be the off-gas releasing process.

また、具体的には、制御手段（５０）を、移動体の姿勢が残留水分の排出向きに上がっている場合に、移動体の前記基準面からの傾斜角度の大きくなるに応じて、オフガス放出手段（３４）によるオフガス排出流路（３０ｂ）と外部とを所定時間連通させる回数を増加させるように構成してもよい。   More specifically, the control means (50) controls the off-gas release as the inclination angle of the moving body from the reference plane increases when the posture of the moving body rises in the direction of discharging residual moisture. You may comprise so that the frequency | count that the off-gas discharge flow path (30b) by a means (34) and the exterior are connected for a predetermined time may be increased.

また、制御手段（５０）を、移動体の姿勢が残留水分の排出向きに上がっている場合に、移動体の基準面からの傾斜角度の大きくなるに応じて、オフガス放出手段（３４）によるオフガス排出流路（３０ｂ）と外部とを連通させる時間を長くするように構成してもよい。   In addition, when the attitude of the moving body is raised in the direction of discharging residual moisture, the control means (50) controls the off gas emitted by the off gas releasing means (34) as the inclination angle from the reference plane of the moving body increases. You may comprise so that the time which makes a discharge flow path (30b) and the exterior communicate may be lengthened.

また、制御手段（５０）を、移動体の姿勢が残留水分の排出向きに下がっている場合に、移動体の基準面からの傾斜角度の大きくなるに応じて、オフガス放出手段（３４）によるオフガス排出流路（３０ｂ）と外部とを所定時間連通させる回数を減少させるように構成してもよい。   Further, when the attitude of the moving body is lowered in the direction of discharging residual moisture, the control means (50) is configured to turn off gas by the off-gas releasing means (34) as the inclination angle from the reference plane of the moving body increases. You may comprise so that the frequency | count which makes a discharge flow path (30b) and the exterior communicate for a predetermined time may be decreased.

また、制御手段（５０）を、移動体の姿勢が残留水分の排出向きに下がっている場合に、移動体の基準面からの傾斜角度の大きくなるに応じて、オフガス放出手段（３４）によるオフガス排出流路（３０ｂ）と外部とを連通させる時間を短くするように構成してもよい。   Further, when the attitude of the moving body is lowered in the direction of discharging residual moisture, the control means (50) is configured to turn off gas by the off-gas releasing means (34) as the inclination angle from the reference plane of the moving body increases. You may comprise so that the time which makes a discharge flow path (30b) and the exterior communicate may be shortened.

また、上記特徴において、燃料電池（１）を車両の走行用駆動源として用い、勾配検出手段（６）を、車両に搭載された加速度センサの検出信号に基づいて、車両の姿勢および車両の基準面に対する傾斜角度を検出するように構成することができる。   In the above feature, the fuel cell (1) is used as a driving source for driving the vehicle, and the gradient detecting means (6) is based on the detection signal of the acceleration sensor mounted on the vehicle, and the vehicle attitude and the vehicle reference. A tilt angle with respect to the surface can be detected.

また、上記特徴において、燃料電池（１）を車両の走行用駆動源として用い、道路勾配に関する地形情報を記憶した車両用ナビゲーション装置を設け、勾配検出手段（６）を、車両用ナビゲーション装置の道路勾配に関する地形情報に基づいて、車両の姿勢および車両の基準面に対する傾斜角度を推定するように構成することができる。   Further, in the above feature, there is provided a vehicle navigation device in which the fuel cell (1) is used as a driving source for driving the vehicle, and terrain information relating to the road gradient is stored, and the gradient detection means (6) is provided as a road of the vehicle navigation device. The vehicle can be configured to estimate the attitude of the vehicle and the inclination angle with respect to the reference plane of the vehicle based on the terrain information regarding the gradient.

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。   In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.

以下、本発明の一実施形態を図１〜図８に基づいて説明する。本実施形態は、本発明を燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用した実施例である。     Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The present embodiment is an example in which the present invention is applied to an electric vehicle (fuel cell vehicle) that runs using a fuel cell as a power source.

図１は、本実施形態の燃料電池システムの概念図である。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１を備えている。本実施形態では燃料電池１として固体高分子型燃料電池を用いており、基本単位となるセル１００が複数積層されて構成されている。   FIG. 1 is a conceptual diagram of the fuel cell system of the present embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell system of the present embodiment includes a fuel cell 1 that generates electric power using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. In this embodiment, a polymer electrolyte fuel cell is used as the fuel cell 1, and a plurality of cells 100 serving as a basic unit are stacked.

燃料電池１では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギーが発生する。なお、水素が本発明の燃料ガスに相当し、酸素（空気）が本発明の酸化剤ガスに相当している。   In the fuel cell 1, the following electrochemical reaction between hydrogen and oxygen occurs to generate electrical energy. Note that hydrogen corresponds to the fuel gas of the present invention, and oxygen (air) corresponds to the oxidant gas of the present invention.

アノード（水素極）Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
カソード（酸素極）２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
全体 Ｈ2＋１／２Ｏ2→Ｈ2Ｏ
そして、燃料電池１の出力電圧を検出する電圧センサ１１と、燃料電池１の出力電流を検出する電流センサ１２とが設けられている。 Anode (hydrogen electrode) H 2 → 2H + + 2e −
Cathode (oxygen electrode) 2H + + 1 / 2O 2 + 2e − → H 2 O
Overall H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O
A voltage sensor 11 that detects the output voltage of the fuel cell 1 and a current sensor 12 that detects the output current of the fuel cell 1 are provided.

図２（ａ）は燃料電池１の断面図であり、図２（ｂ）はセパレータ１０４の側面図である。図２（ａ）に示すように、各セル１００は、電解質膜１０１、触媒層１０２、拡散層１０３、セパレータ１０４、電極板１０５、絶縁板１０６、締結板１０７を備えている。電解質膜１０１の両外側には一対の触媒層１０２は配置され、触媒層１０２の外側には一対の拡散層１０３が配置されている。触媒層１０２と拡散層１０３は電極（水素極と酸素極）を構成している。   2A is a cross-sectional view of the fuel cell 1, and FIG. 2B is a side view of the separator 104. FIG. As shown in FIG. 2A, each cell 100 includes an electrolyte membrane 101, a catalyst layer 102, a diffusion layer 103, a separator 104, an electrode plate 105, an insulating plate 106, and a fastening plate 107. A pair of catalyst layers 102 are disposed on both outer sides of the electrolyte membrane 101, and a pair of diffusion layers 103 are disposed on the outer sides of the catalyst layer 102. The catalyst layer 102 and the diffusion layer 103 constitute electrodes (hydrogen electrode and oxygen electrode).

拡散層１０３には、セパレータ１０４が配置されている。セパレータ１０４には、反応ガスが通過する溝状の反応ガス経路１０４ａ、１０４ｂと、冷却水が通過する冷却水経路１０４ｃが形成されている。水素極側に配置されたセパレータ１０４には、反応ガス経路として水素が通過する水素経路１０４ａが形成されており、空気極側に配置されたセパレータ１０４には、反応ガス経路として酸素（空気）が通過する空気経路１０４ｂが形成されている。   A separator 104 is disposed in the diffusion layer 103. The separator 104 is formed with groove-like reaction gas passages 104a and 104b through which reaction gas passes and a cooling water passage 104c through which cooling water passes. The separator 104 arranged on the hydrogen electrode side is formed with a hydrogen path 104a through which hydrogen passes as a reaction gas path. The separator 104 arranged on the air electrode side has oxygen (air) as a reaction gas path. A passing air path 104b is formed.

図２（ｂ）に示すように、セパレータ１０４には、空気経路１０４ｂに空気を流入出させるための空気入口部１０４ｄと空気出口部１０４ｅが形成されている。さらに、セパレータ１０４には、水素経路１０４ａに水素を流入出させるための水素入口部１０４ｆと水素出口部１０４ｇが設けられ、冷却水経路１０４ｃに冷却水を流入出させるための冷却水入口部１０４ｈと冷却水出口部１０４ｉが設けられている。そして、上記電気化学反応によって酸素極側で生成した水分は空気経路１０４ｂに滞留することとなる。   As shown in FIG. 2B, the separator 104 has an air inlet portion 104d and an air outlet portion 104e for allowing air to flow into and out of the air path 104b. Further, the separator 104 is provided with a hydrogen inlet portion 104f and a hydrogen outlet portion 104g for allowing hydrogen to flow into and out of the hydrogen passage 104a, and a cooling water inlet portion 104h for allowing cooling water to flow into and out of the cooling water passage 104c. A cooling water outlet 104i is provided. And the water | moisture content produced | generated on the oxygen electrode side by the said electrochemical reaction will stay in the air path 104b.

図１に戻り、燃料電池１と二次電池３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２を介して電気的に接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ２は、燃料電池１から二次電池３あるいは二次電池３から走行用インバータ４への電力の流れをコントロールする。ＤＣ−ＤＣコンバータ２は昇降圧チョッパ回路で、燃料電池１で発生した電力を二次電池３に充電したり、二次電池３に蓄えられた電力を走行用インバータ４に供給することができる装置である。ＤＣ−ＤＣコンバータ２は電圧の大きさに関わらず双方向に電力のやり取りが可能となっている。   Returning to FIG. 1, the fuel cell 1 and the secondary battery 3 are electrically connected via a DC-DC converter 2. The DC-DC converter 2 controls the flow of power from the fuel cell 1 to the secondary battery 3 or from the secondary battery 3 to the traveling inverter 4. The DC-DC converter 2 is a step-up / step-down chopper circuit that can charge the secondary battery 3 with the electric power generated in the fuel cell 1 or supply the electric power stored in the secondary battery 3 to the traveling inverter 4. It is. The DC-DC converter 2 can exchange power bidirectionally regardless of the magnitude of the voltage.

二次電池３は、燃料電池１から供給された電気エネルギーを蓄えると共に、蓄えた電気エネルギーを各種の電気負荷に供給するものであり、例えばニッケル水素電池やリチウムイオン電池等を用いることができる。   The secondary battery 3 stores the electric energy supplied from the fuel cell 1 and supplies the stored electric energy to various electric loads. For example, a nickel metal hydride battery or a lithium ion battery can be used.

ＤＣ−ＤＣコンバータ２と燃料電池１の間に走行用インバータ４が接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ２を経由した二次電池３からの電力あるいは燃料電池１からの電力が走行用インバータ４へ供給される。なお、走行用インバータ４は、二次電池３とＤＣ−ＤＣコンバータ２の間に接続してもよい。   A traveling inverter 4 is connected between the DC-DC converter 2 and the fuel cell 1. Electric power from the secondary battery 3 or electric power from the fuel cell 1 via the DC-DC converter 2 is supplied to the traveling inverter 4. The traveling inverter 4 may be connected between the secondary battery 3 and the DC-DC converter 2.

走行用インバータ４は、走行用モータ５を駆動させたりあるいは電力を回生させるためのインバータである。本実施形態の走行用インバータ４は３相インバータであり、３相の交流電力を走行用モータ５に供給し、走行用モータ５を回転させることで燃料電池車両を走行させる。   The traveling inverter 4 is an inverter for driving the traveling motor 5 or regenerating electric power. The traveling inverter 4 of the present embodiment is a three-phase inverter, and supplies the three-phase AC power to the traveling motor 5 and rotates the traveling motor 5 to cause the fuel cell vehicle to travel.

また、燃料電池１の発電時に余った電力を二次電池３に蓄えることができる。二次電池３は回生ブレーキなどによって回生された電力を蓄えることができるため、効率的な車両システムとすることができる。通常、二次電池３は最適な充電状態に充電されている。本実施形態では、二次電池３から走行用インバータ４に電力供給できるように構成されており、例えば急加速時などに急激に大きな電力が必要な場合に、燃料電池１からだけでなく二次電池３からも電力を引き出して走行用インバータ４に供給することで対応することができる。   Further, the surplus power during power generation by the fuel cell 1 can be stored in the secondary battery 3. Since the secondary battery 3 can store electric power regenerated by a regenerative brake or the like, an efficient vehicle system can be obtained. Usually, the secondary battery 3 is charged in an optimal charging state. In the present embodiment, power is supplied from the secondary battery 3 to the driving inverter 4. For example, when a large amount of power is required suddenly during sudden acceleration, the secondary battery 3 not only from the fuel cell 1 but also from the secondary battery 3. This can be dealt with by drawing electric power from the battery 3 and supplying it to the traveling inverter 4.

燃料電池システムには、燃料電池１の酸素極（正極）側に供給される空気（酸素）が通過する空気供給流路２０ａと、燃料電池１の酸素極から排出される空気側排ガスが通過する空気排出流路２０ｂとが設けられている。また、燃料電池システムには、燃料電池１の水素極（負極）側に供給される水素が通過する水素供給経路３０ａと、燃料電池１の水素極側から排出される窒素、水蒸気（水）および未反応水素を含んだオフガスが通過する水素排出流路（オフガス排出流路）３０ｂとが設けられている。   In the fuel cell system, an air supply passage 20a through which air (oxygen) supplied to the oxygen electrode (positive electrode) side of the fuel cell 1 passes, and air-side exhaust gas discharged from the oxygen electrode of the fuel cell 1 pass through. An air discharge channel 20b is provided. The fuel cell system includes a hydrogen supply path 30a through which hydrogen supplied to the hydrogen electrode (negative electrode) side of the fuel cell 1 passes, nitrogen, water vapor (water) discharged from the hydrogen electrode side of the fuel cell 1, and A hydrogen discharge passage (off gas discharge passage) 30b through which off gas containing unreacted hydrogen passes is provided.

空気供給流路２０ａの最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１に圧送するための空気ポンプ２１が設けられ、空気供給流路２０ａにおける空気ポンプ２１と燃料電池１との間には、空気への加湿を行う加湿器２２が設けられている。また、空気排出流路２０ｂには、燃料電池１内の空気の圧力を調整するための空気調圧弁２３が設けられている。   An air pump 21 for pressure-feeding air sucked from the atmosphere to the fuel cell 1 is provided at the most upstream part of the air supply channel 20a, and between the air pump 21 and the fuel cell 1 in the air supply channel 20a. Is provided with a humidifier 22 for humidifying the air. The air discharge channel 20b is provided with an air pressure regulating valve 23 for adjusting the pressure of air in the fuel cell 1.

本実施形態では、燃料電池１の発電停止後、空気ポンプ２１が二次電池３からの電力供給を受けて燃料電池１の空気極にパージ用空気を供給し、空気極に存在する水分を除去する掃気処理（エアパージ）を行うように構成されている。なお、空気ポンプ２１が本発明の掃気手段に相当している。   In the present embodiment, after the power generation of the fuel cell 1 is stopped, the air pump 21 receives power supply from the secondary battery 3 and supplies purge air to the air electrode of the fuel cell 1 to remove moisture present in the air electrode. The scavenging process (air purge) is performed. The air pump 21 corresponds to the scavenging means of the present invention.

水素供給流路３０ａの最上流部には、水素が充填された高圧水素タンク（燃料ガス供給装置）３１が設けられ、水素供給流路３０ａにおける高圧水素タンク３１と燃料電池１との間には、燃料電池１に供給される水素の圧力を調整するための水素調圧弁３２が設けられている。   A high-pressure hydrogen tank (fuel gas supply device) 31 filled with hydrogen is provided at the most upstream portion of the hydrogen supply flow path 30a, and between the high-pressure hydrogen tank 31 and the fuel cell 1 in the hydrogen supply flow path 30a. A hydrogen pressure regulating valve 32 for adjusting the pressure of hydrogen supplied to the fuel cell 1 is provided.

水素排出流路３０ｂには、水素供給流路３０ａにおける水素調圧弁３２の下流側に接続されて閉ループを構成する水素循環流路３０ｃが分岐して設けられており、これにより水素流路３０内で水素を循環させて、未反応の水素を燃料電池１に再供給するようにしている。そして、水素循環流路３０ｃには、水素流路３０ａ〜３０ｃ内で水素を循環させるための水素ポンプ３３が設けられている。水素排出流路３０ｂにおける水素循環流路３０ｃとの分岐点より下流側には、燃料電池１から排出されるオフガスを外部に排出させるパージバルブ３４が設けられている。燃料電池１の運転に伴って燃料電池１の水素極側に窒素等の不純物が蓄積され、燃料電池１から排出されるオフガス中の不純物濃度が高くなり水素濃度が低くなる。このため、燃料電池１の運転中にパージバルブ３４を所定のタイミングで開放し、水素濃度が低くなったオフガスの一部をオフガス排出流路３０ｂから外部に放出する。また、水素排出流路３０ｂは、パージバルブ３４の下流側において、空気排出流路２０ｂに接続されている。   The hydrogen discharge passage 30b is provided with a branching hydrogen circulation passage 30c that is connected to the downstream side of the hydrogen pressure regulating valve 32 in the hydrogen supply passage 30a and forms a closed loop. Then, hydrogen is circulated so that unreacted hydrogen is re-supplied to the fuel cell 1. The hydrogen circulation channel 30c is provided with a hydrogen pump 33 for circulating hydrogen in the hydrogen channels 30a to 30c. A purge valve 34 for discharging off-gas discharged from the fuel cell 1 to the outside is provided on the downstream side of the branch point of the hydrogen discharge channel 30b with the hydrogen circulation channel 30c. As the fuel cell 1 is operated, impurities such as nitrogen are accumulated on the hydrogen electrode side of the fuel cell 1, the impurity concentration in the off-gas discharged from the fuel cell 1 is increased, and the hydrogen concentration is decreased. For this reason, during operation of the fuel cell 1, the purge valve 34 is opened at a predetermined timing, and a part of the off gas having a low hydrogen concentration is discharged to the outside from the off gas discharge flow path 30b. Further, the hydrogen discharge channel 30 b is connected to the air discharge channel 20 b on the downstream side of the purge valve 34.

本実施形態では、燃料電池１の発電停止後、パージバルブ３４が二次電池３からの電力供給を受けて開閉し、水素極に存在する水分を未反応水素とともに除去するオフガス放出処理を行うように構成されている。なお、パージバルブ３４が本発明のオフガス放出手段に相当している。   In the present embodiment, after the power generation of the fuel cell 1 is stopped, the purge valve 34 is opened / closed by receiving power supply from the secondary battery 3 so as to perform an off-gas release process for removing water present in the hydrogen electrode together with unreacted hydrogen. It is configured. The purge valve 34 corresponds to the off-gas discharge means of the present invention.

燃料電池１は発電効率確保のために運転中一定温度（例えば８０℃程度）に維持する必要がある。このため、燃料電池１を冷却するための冷却システムが設けられている。冷却システムには、燃料電池１に冷却水（熱媒体）を循環させる冷却水経路４０、冷却水を循環させるウォータポンプ４１、ファン４２を備えたラジエータ（放熱器）４３が設けられている。   The fuel cell 1 needs to be maintained at a constant temperature (for example, about 80 ° C.) during operation to ensure power generation efficiency. For this reason, a cooling system for cooling the fuel cell 1 is provided. The cooling system is provided with a cooling water path 40 that circulates cooling water (heat medium) in the fuel cell 1, a water pump 41 that circulates the cooling water, and a radiator (radiator) 43 that includes a fan 42.

冷却水経路４０には、冷却水をラジエータ５２をバイパスさせるためのバイパス経路４４が設けられている。冷却水経路４０とバイパス経路４４との合流点には、バイパス経路４４に流れる冷却水流量を調整するための流路切替弁４５が設けられている。また、冷却水経路４０における燃料電池１の出口側近傍には、燃料電池１から流出した冷却水の温度を検出する温度検出手段としての温度センサ４６が設けられている。この温度センサ４６により冷却水温度を検出することで、燃料電池１の温度を間接的に検出することができる。   The cooling water path 40 is provided with a bypass path 44 for bypassing the cooling water to the radiator 52. A flow path switching valve 45 for adjusting the flow rate of the cooling water flowing through the bypass path 44 is provided at the junction of the cooling water path 40 and the bypass path 44. Further, a temperature sensor 46 as a temperature detecting means for detecting the temperature of the cooling water flowing out from the fuel cell 1 is provided in the vicinity of the outlet side of the fuel cell 1 in the cooling water path 40. By detecting the coolant temperature with this temperature sensor 46, the temperature of the fuel cell 1 can be indirectly detected.

燃料電池システムには、車両勾配、すなわち車両姿勢および車両の基準面（本実施形態では水平面）に対する傾斜角度を検出する勾配検出センサ（勾配検出手段）６が設けられている。本実施形態では、勾配検出センサ６として、車両に搭載されている加速度センサを用いている。加速度センサの検出信号が重力加速度成分に応じた値を示していることから、この検出信号に基づいて車両勾配を検出する。   The fuel cell system is provided with a gradient detection sensor (gradient detection means) 6 that detects a vehicle gradient, that is, a vehicle attitude and an inclination angle with respect to a vehicle reference plane (horizontal plane in the present embodiment). In the present embodiment, an acceleration sensor mounted on the vehicle is used as the gradient detection sensor 6. Since the detection signal of the acceleration sensor indicates a value corresponding to the gravitational acceleration component, the vehicle gradient is detected based on this detection signal.

燃料電池システムには、各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）５０が設けられている。制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ等を備えた周知のマイクロコンピュータによって構成され、ＲＯＭ等に記憶されたプログラムに従って各種演算などの処理を実行する。そして、制御部５０には、各種負荷からの要求電力信号、電圧センサ１１からの電圧信号、電流センサ１２からの電流信号、温度センサ４６からの温度信号および勾配検出センサ６からの車両勾配信号が入力される。また、制御部５０は、演算結果に基づいて、ＤＣ−ＤＣコンバータ２、二次電池３、走行用インバータ４、空気ポンプ２１、加湿器２２、空気調圧弁２３、水素調圧弁３２、水素ポンプ３３、パージバルブ３４、ウォータポンプ４１、流路切替弁４５等に制御信号を出力するように構成されている。なお、制御部５０が、本発明の制御手段に相当している。   The fuel cell system is provided with a control unit (ECU) 50 that performs various controls. The control unit 50 is configured by a known microcomputer provided with a CPU, ROM, RAM, I / O, and the like, and executes processing such as various calculations according to a program stored in the ROM or the like. The control unit 50 receives a required power signal from various loads, a voltage signal from the voltage sensor 11, a current signal from the current sensor 12, a temperature signal from the temperature sensor 46, and a vehicle gradient signal from the gradient detection sensor 6. Entered. Moreover, the control part 50 is based on the calculation result, the DC-DC converter 2, the secondary battery 3, the driving inverter 4, the air pump 21, the humidifier 22, the air pressure regulating valve 23, the hydrogen pressure regulating valve 32, the hydrogen pump 33. The control signal is output to the purge valve 34, the water pump 41, the flow path switching valve 45, and the like. The control unit 50 corresponds to the control means of the present invention.

図３は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムを搭載した車両の模式図である。図３に示すように、本実施形態では、空気排出流路２０ｂは燃料電池１から車両後方側に延びており、燃料電池１から排出される水分は空気排出流路２０ｂの車両後方側の端部から外部に排出される。燃料電池１が水平状態の車両に搭載されている場合、空気排出流路２０ｂは水平面に対して平行になっている。したがって、本実施形態では、燃料電池１から排出される残留水分の排出向きは、車両前方から後方に向かう向きと一致している。そして、本実施形態の下り勾配が本発明の「車両（移動体）の姿勢が残留水分の排出向きに上がっている」状態に相当しており、上り勾配が本発明の「車両（移動体）の姿勢が残留水分の排出向きに下がっている」状態に相当している。   FIG. 3 is a schematic diagram of a vehicle equipped with a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, in the present embodiment, the air discharge channel 20b extends from the fuel cell 1 to the vehicle rear side, and the moisture discharged from the fuel cell 1 is the end of the air discharge channel 20b on the vehicle rear side. It is discharged from the outside. When the fuel cell 1 is mounted on a vehicle in a horizontal state, the air discharge channel 20b is parallel to the horizontal plane. Therefore, in this embodiment, the discharge direction of the residual water discharged from the fuel cell 1 is the same as the direction from the front to the rear of the vehicle. The downward slope of the present embodiment corresponds to the “vehicle (moving body) posture is rising in the direction of discharging residual moisture” according to the present invention, and the upward slope is the “vehicle (moving body) of the present invention. Corresponds to a state where the posture is lowered in the direction of discharging residual moisture.

図４は、本実施形態における燃料電池システムを搭載した車両の水平面に対する傾斜角度と掃気処理時に空気ポンプ２１が燃料電池１に供給するパージ用空気の流量（以下、掃気流量という）との関係を示す特性図である。制御部５０のＲＯＭには、図４で示す車両の傾斜角度と掃気流量とが関連づけられた第１のマップがあらかじめ記憶されている。   FIG. 4 shows the relationship between the inclination angle of the vehicle equipped with the fuel cell system according to this embodiment with respect to the horizontal plane and the flow rate of purge air supplied to the fuel cell 1 by the air pump 21 during the scavenging process (hereinafter referred to as the scavenging flow rate). FIG. The ROM of the control unit 50 stores in advance a first map in which the vehicle inclination angle and the scavenging flow rate shown in FIG. 4 are associated with each other.

図４に示すように、車両勾配が下り勾配のときには掃気流量を増加させ、車両が上り勾配のときには掃気流量を減少させるようになっている。さらに、車両が下り勾配の場合、車両の水平面に対する傾斜角度が大きいときには掃気流量を増加させ、車両の水平面に対する傾斜角度が小さいときには掃気流量を減少させるようになっている。一方、車両が上り勾配の場合、車両の水平面に対する傾斜角度が大きいときには掃気流量を減少させ、車両の水平面に対する傾斜角度が小さいときには掃気流量を増加させるようになっている。   As shown in FIG. 4, the scavenging flow rate is increased when the vehicle gradient is a downward gradient, and the scavenging flow rate is decreased when the vehicle is an upward gradient. Further, when the vehicle has a downward slope, the scavenging flow rate is increased when the inclination angle of the vehicle with respect to the horizontal plane is large, and the scavenging flow rate is decreased when the inclination angle of the vehicle with respect to the horizontal plane is small. On the other hand, when the vehicle is ascending, the scavenging flow rate is decreased when the inclination angle of the vehicle with respect to the horizontal plane is large, and the scavenging flow rate is increased when the inclination angle of the vehicle with respect to the horizontal plane is small.

図５は、本実施形態における燃料電池システムを搭載した車両の水平面に対する傾斜角度と掃気処理時に空気ポンプ２１が燃料電池１にパージ用空気を供給する時間（以下、掃気時間という）との関係を示す特性図である。制御部５０のＲＯＭには、図５で示す車両の傾斜角度と掃気時間とが関連づけられた第２のマップがあらかじめ記憶されている。   FIG. 5 shows the relationship between the inclination angle of the vehicle equipped with the fuel cell system according to this embodiment with respect to the horizontal plane and the time during which the air pump 21 supplies purge air to the fuel cell 1 during the scavenging process (hereinafter referred to as scavenging time). FIG. The ROM of the control unit 50 stores in advance a second map in which the vehicle inclination angle and the scavenging time shown in FIG. 5 are associated with each other.

図５に示すように、車両が下り勾配のときには掃気時間を長くし、車両が上り勾配のときには掃気時間を短くするようになっている。さらに、車両が下り勾配の場合、車両の水平面に対する傾斜角度が大きいときには掃気時間を長くし、車両の水平面に対する傾斜角度が小さいときには掃気時間を短くするようになっている。一方、車両が上り勾配の場合、車両の水平面に対する傾斜角度が大きいときには掃気時間を短くし、車両の水平面に対する傾斜角度が小さいときには掃気時間を長くするようになっている。   As shown in FIG. 5, the scavenging time is lengthened when the vehicle is descending, and the scavenging time is shortened when the vehicle is ascending. Further, when the vehicle has a downward slope, the scavenging time is lengthened when the inclination angle of the vehicle with respect to the horizontal plane is large, and the scavenging time is shortened when the inclination angle of the vehicle with respect to the horizontal plane is small. On the other hand, when the vehicle is ascending, the scavenging time is shortened when the inclination angle of the vehicle with respect to the horizontal plane is large, and the scavenging time is lengthened when the inclination angle of the vehicle with respect to the horizontal plane is small.

図６は、本実施形態における燃料電池システムを搭載した車両の水平面に対する傾斜角度とオフガス放出処理時におけるパージバルブ３４の開閉回数（以下、バルブ開閉回数という）との関係を示す特性図である。制御部５０のＲＯＭには、図６で示す車両の傾斜角度とバルブ開閉回数とが関連づけられた第３のマップがあらかじめ記憶されている。   FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between the inclination angle with respect to the horizontal plane of the vehicle on which the fuel cell system according to this embodiment is mounted and the number of opening and closing of the purge valve 34 during the offgas release process (hereinafter referred to as the number of valve opening and closing). The ROM of the control unit 50 stores in advance a third map in which the vehicle inclination angle shown in FIG.

図６に示すように、車両が下り勾配のときにはバルブ開閉回数を増加させ、車両が上り勾配のときにはバルブ開閉回数を減少させるようになっている。さらに、車両が下り勾配の場合、車両の水平面に対する傾斜角度が大きいときにはバルブ開閉回数を増加させ、車両の水平面に対する傾斜角度が小さいときにはバルブ開閉回数を減少させるようになっている。一方、車両が上り勾配の場合、車両の水平面に対する傾斜角度が大きいときにはバルブ開閉回数を減少させ、車両の水平面に対する傾斜角度が小さいときにはバルブ開閉回数を増加させるようになっている。   As shown in FIG. 6, the valve opening / closing frequency is increased when the vehicle is descending, and the valve opening / closing frequency is decreased when the vehicle is ascending. Further, when the vehicle has a downward slope, the valve opening / closing frequency is increased when the inclination angle of the vehicle with respect to the horizontal plane is large, and the valve opening / closing frequency is decreased when the inclination angle of the vehicle with respect to the horizontal plane is small. On the other hand, when the vehicle is ascending, the valve opening / closing frequency is decreased when the inclination angle of the vehicle with respect to the horizontal plane is large, and the valve opening / closing frequency is increased when the inclination angle of the vehicle with respect to the horizontal plane is small.

図７は、本実施形態における燃料電池システムを搭載した車両の水平面に対する傾斜角度とオフガス放出処理時にパージバルブ３４を開放する時間（以下、バルブ開放時間という）との関係を示す特性図である。制御部５０のＲＯＭには、図７で示す車両の傾斜角度とバルブ開放時間とが関連づけられた第４のマップがあらかじめ記憶されている。なお、本実施形態において、バルブ開放時間はパージバルブ３４の開閉１回当たりの開放時間のことをいう。   FIG. 7 is a characteristic diagram showing the relationship between the inclination angle with respect to the horizontal plane of the vehicle on which the fuel cell system according to this embodiment is mounted and the time for opening the purge valve 34 during off-gas release processing (hereinafter referred to as valve opening time). The ROM of the control unit 50 stores in advance a fourth map in which the vehicle inclination angle and the valve opening time shown in FIG. 7 are associated with each other. In the present embodiment, the valve opening time refers to the opening time per opening and closing of the purge valve 34.

図７に示すように、車両が下り勾配のときにはバルブ開放時間を長くし、車両が上り勾配のときにはバルブ開放時間を短くするようになっている。さらに、車両が下り勾配の場合、車両の水平面に対する傾斜角度が大きいときにはバルブ開放時間を長くし、車両の水平面に対する傾斜角度が小さいときにはバルブ開放時間を短くするようになっている。一方、車両が上り勾配の場合、車両の水平面に対する傾斜角度が大きいときにはバルブ開放時間を短くし、車両の水平面に対する傾斜角度が小さいときにはバルブ開放時間を長くするようになっている。   As shown in FIG. 7, the valve opening time is lengthened when the vehicle is descending, and the valve opening time is shortened when the vehicle is ascending. Further, when the vehicle has a downward slope, the valve opening time is lengthened when the inclination angle of the vehicle with respect to the horizontal plane is large, and the valve opening time is shortened when the inclination angle of the vehicle with respect to the horizontal plane is small. On the other hand, when the vehicle is uphill, the valve opening time is shortened when the inclination angle of the vehicle with respect to the horizontal plane is large, and the valve opening time is extended when the inclination angle of the vehicle with respect to the horizontal plane is small.

次に、本実施形態の燃料電池１の掃気処理およびオフガス放出処理について図４〜図８に基づいて説明する。図８は、制御部５０がＲＯＭ等に格納されたプログラムにしたがって行う掃気処理およびオフガス放出処理を示すフローチャートである。   Next, the scavenging process and the off-gas release process of the fuel cell 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 8 is a flowchart showing a scavenging process and an offgas release process performed by the control unit 50 in accordance with a program stored in a ROM or the like.

本制御は、イグニッションスイッチがオフになり、燃料電池１の発電が停止することで開始する。まず、車両勾配、すなわち車両姿勢および車両の水平面に対する傾斜角度を検出する（Ｓ１００）。   This control is started when the ignition switch is turned off and the power generation of the fuel cell 1 is stopped. First, the vehicle gradient, that is, the vehicle attitude and the inclination angle of the vehicle with respect to the horizontal plane are detected (S100).

本制御では、空気側制御（掃気処理）と水素側制御（オフガス放出処理）とが同時に行われる。まず、空気側制御について述べる。   In this control, the air side control (scavenging process) and the hydrogen side control (off gas release process) are performed simultaneously. First, air side control will be described.

ステップＳ１００の後、ＲＯＭから車両の傾斜角度と掃気流量とが関連づけられた第１のマップを読み出して、ステップＳ１００で検出された車両の傾斜角度から掃気流量を決定する（Ｓ２１０）。次に、ＲＯＭから車両の傾斜角度と掃気時間とが関連づけられた第２のマップを読み出して、ステップＳ１００で検出された車両の傾斜角度から掃気時間を決定する（Ｓ２２０）。   After step S100, a first map in which the vehicle inclination angle and the scavenging flow rate are associated is read from the ROM, and the scavenging flow rate is determined from the vehicle inclination angle detected in step S100 (S210). Next, the second map in which the vehicle inclination angle and the scavenging time are associated is read from the ROM, and the scavenging time is determined from the vehicle inclination angle detected in step S100 (S220).

次に、空気ポンプ２１を作動して、燃料電池１の空気極側にパージ用の空気を供給する（Ｓ２３０）。このとき、燃料電池１に供給されるパージ用空気の流量がステップＳ２１０において決定された掃気流量となるように、空気ポンプ２１の回転数を制御する。これにより、燃料電池１の空気極側に存在する水分が飽和水蒸気として燃料電池１から排出され、さらに空気流により液滴として燃料電池１から押し出される。   Next, the air pump 21 is operated to supply purge air to the air electrode side of the fuel cell 1 (S230). At this time, the rotation speed of the air pump 21 is controlled so that the flow rate of the purge air supplied to the fuel cell 1 becomes the scavenging flow rate determined in step S210. Thereby, the water | moisture content which exists in the air electrode side of the fuel cell 1 is discharged | emitted from the fuel cell 1 as saturated water vapor | steam, and is further extruded from the fuel cell 1 as a droplet with an air flow.

次に、空気ポンプ２１の作動開始からステップＳ２２０において決定された掃気時間（以下、所定時間という）が経過したか否かを判定する（Ｓ２４０）。この結果、空気ポンプ２１の作動開始から所定時間が経過していない場合は（Ｓ２４０：ＮＯ）、ステップＳ２３０に戻る。一方、空気ポンプ２１の作動開始から所定時間が経過した場合は（Ｓ２４０：ＹＥＳ）、空気ポンプ２１を停止して、掃気処理を終了する（Ｓ２５０）。   Next, it is determined whether or not the scavenging time determined in step S220 (hereinafter referred to as a predetermined time) has elapsed since the start of the operation of the air pump 21 (S240). As a result, when the predetermined time has not elapsed since the start of the operation of the air pump 21 (S240: NO), the process returns to step S230. On the other hand, when a predetermined time has elapsed from the start of the operation of the air pump 21 (S240: YES), the air pump 21 is stopped and the scavenging process is ended (S250).

続いて、水素側制御（オフガス放出処理）について述べる。   Next, hydrogen side control (off-gas release processing) will be described.

ステップＳ１００の後、ＲＯＭから車両の傾斜角度とバルブ開閉回数とが関連づけられた第３のマップを読み出して、ステップＳ１００で検出された車両の傾斜角度からバルブ開閉回数を決定する（Ｓ３１０）。次に、ＲＯＭから車両の傾斜角度とバルブ開放時間とが関連づけられた第４のマップを読み出して、ステップＳ１００で検出された車両の傾斜角度からバルブ開放時間を決定する（Ｓ３２０）。   After step S100, a third map in which the vehicle inclination angle and the valve opening / closing frequency are associated is read from the ROM, and the valve opening / closing frequency is determined from the vehicle inclination angle detected in step S100 (S310). Next, a fourth map in which the vehicle inclination angle and the valve opening time are associated is read from the ROM, and the valve opening time is determined from the vehicle inclination angle detected in step S100 (S320).

次に、パージバルブ３４をステップＳ３２０において決定されたバルブ開放時間開放した後、閉塞する開閉作動を行う（Ｓ３３０）。これにより、燃料電池１の水素極側に蓄積された水分が、未反応水素とともに燃料電池１から排出される。   Next, after opening the purge valve 34 for the valve opening time determined in step S320, an opening / closing operation for closing is performed (S330). As a result, moisture accumulated on the hydrogen electrode side of the fuel cell 1 is discharged from the fuel cell 1 together with unreacted hydrogen.

次に、パージバルブ３４の開閉作動が、ステップＳ３１０において決定されたバルブ開閉回数（以下、所定回数という）終了したか否かを判定する（Ｓ３４０）。この結果、パージバルブ３４の開閉作動が所定回数終了していない場合は（Ｓ３４０：ＮＯ）、ステップＳ３３０に戻る。一方、パージバルブ３４の開閉作動が所定回数終了した場合は（Ｓ３４０：ＹＥＳ）、オフガス放出処理を終了する。   Next, it is determined whether or not the opening / closing operation of the purge valve 34 is completed (S340). As a result, if the opening / closing operation of the purge valve 34 has not been completed a predetermined number of times (S340: NO), the process returns to step S330. On the other hand, when the opening / closing operation of the purge valve 34 is completed a predetermined number of times (S340: YES), the off-gas release process is ended.

以上説明したように、車両姿勢が残留水分の排出向きに上がっている場合、すなわち燃料電池１内の残留水分が排出されにくい場合に、車両の基準面からの傾斜角度が大きくなるに応じて掃気流量を増大させるとともに掃気時間を長くすることで、燃料電池１の空気極側に存在する水分を確実に除去することができる。同時に、車両の基準面からの傾斜角度が大きくなるに応じてパージバルブ３４のバルブ開閉回数を増加させるとともにバルブ開放時間を長くすることで、燃料電池１の水素極側に存在する水分を確実に除去することができる。   As described above, when the vehicle posture is raised in the direction of discharging residual moisture, that is, when residual moisture in the fuel cell 1 is difficult to be discharged, scavenging is performed as the inclination angle from the reference plane of the vehicle increases. By increasing the flow rate and lengthening the scavenging time, moisture present on the air electrode side of the fuel cell 1 can be reliably removed. At the same time, as the inclination angle from the reference plane of the vehicle increases, the number of opening and closing of the purge valve 34 is increased and the valve opening time is lengthened, thereby reliably removing moisture present on the hydrogen electrode side of the fuel cell 1. can do.

一方、車両の姿勢が残留水分の排出向きに下がっている場合、すなわち燃料電池１内の残留水分が排出されやすい場合に、車両の基準面からの傾斜角度が大きくなるに応じて掃気流量を減少させるとともに掃気時間を短くすることで、掃気処理に伴う二次電池３の電力消費を抑制することができる。同時に、車両の基準面からの傾斜角度が大きくなるに応じてパージバルブ３４のバルブ開閉回数を減少させるとともにバルブ開放時間を短くすることで、オフガス放出処理に伴う二次電池３の電力消費を抑制することができる。   On the other hand, when the posture of the vehicle is lowered in the direction of discharge of residual moisture, that is, when residual moisture in the fuel cell 1 is likely to be discharged, the scavenging flow rate decreases as the inclination angle from the reference plane of the vehicle increases. In addition, by shortening the scavenging time, the power consumption of the secondary battery 3 associated with the scavenging process can be suppressed. At the same time, as the inclination angle from the reference plane of the vehicle increases, the number of times the purge valve 34 is opened and closed and the valve opening time is shortened, thereby suppressing the power consumption of the secondary battery 3 associated with the offgas release process. be able to.

したがって、二次電池３の電力消費を抑制しつつ、運転停止後、燃料電池１内部の水分を確実に除去することが可能となる。   Therefore, it is possible to reliably remove the water in the fuel cell 1 after the operation is stopped while suppressing the power consumption of the secondary battery 3.

（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、勾配検出センサ６として車両に搭載されている加速度センサを用いて車両勾配を検出したが、これに限らず、車両用ナビゲーション装置の道路勾配に関する地形情報から車両勾配を推定してもよい。 (Other embodiments)
In the above embodiment, the vehicle gradient is detected by using an acceleration sensor mounted on the vehicle as the gradient detection sensor 6. However, the present invention is not limited to this, and the vehicle gradient is estimated from the terrain information related to the road gradient of the vehicle navigation device. May be.

また、上記実施形態では、空気極側の掃気処理と水素極側のオフガス放出処理を同時に行ったが、これに限らず、どちらか一方の処理のみを行ってもよい。   In the above embodiment, the scavenging process on the air electrode side and the off-gas releasing process on the hydrogen electrode side are performed simultaneously. However, the present invention is not limited to this, and only one of the processes may be performed.

また、上記実施形態では、掃気処理において、車両の傾斜角度に応じて掃気流量と掃気時間とを制御したが、どちらか一方のみを制御してもよい。同様に、オフガス放出処理において、車両の傾斜角度に応じてバルブ開閉回数とバルブ開放時間とを制御したが、どちらか一方のみを制御してもよい。   Further, in the above-described embodiment, in the scavenging process, the scavenging flow rate and the scavenging time are controlled according to the vehicle inclination angle, but only one of them may be controlled. Similarly, in the off-gas release process, the valve opening / closing frequency and the valve opening time are controlled according to the vehicle inclination angle, but only one of them may be controlled.

また、上記実施形態では、空気排出流路２０ｂを燃料電池１から車両後方側に延びるように設けたが、これに限らず、空気排出流路２０を燃料電池１から車両前方側に延びるように設けてもよい。この場合、燃料電池１から排出される残留水分の排出向きは、車両後方から前方に向かう向きと一致する。また、空気排出流路２０を車両幅方向外側に延びるように設けてもよい。   Moreover, in the said embodiment, although the air discharge flow path 20b was provided so that it might extend from the fuel cell 1 to the vehicle rear side, it is not restricted to this, and the air discharge flow path 20 may be extended from the fuel cell 1 to the vehicle front side. It may be provided. In this case, the discharge direction of the residual moisture discharged from the fuel cell 1 coincides with the direction from the rear to the front of the vehicle. Further, the air discharge channel 20 may be provided so as to extend outward in the vehicle width direction.

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概念図である。1 is a conceptual diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. （ａ）は燃料電池１の断面図であり、（ｂ）はセパレータ１０４の側面図である。(A) is a cross-sectional view of the fuel cell 1, and (b) is a side view of the separator 104. 燃料電池システムを搭載した車両の模式図である。It is a schematic diagram of the vehicle carrying a fuel cell system. 燃料電池システムを搭載した車両の水平面に対する傾斜角度と掃気流量との関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between the inclination-angle with respect to the horizontal surface of a vehicle carrying a fuel cell system, and scavenging flow volume. 燃料電池システムを搭載した車両の水平面に対する傾斜角度と掃気時間との関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between the inclination angle with respect to the horizontal surface of a vehicle carrying a fuel cell system, and scavenging time. 燃料電池システムを搭載した車両の水平面に対する傾斜角度とバルブ開閉回数との関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between the inclination angle with respect to the horizontal surface of the vehicle carrying a fuel cell system, and the frequency | count of valve opening and closing. 燃料電池システムを搭載した車両の水平面に対する傾斜角度とバルブ開放時間との関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between the inclination angle with respect to the horizontal surface of a vehicle carrying a fuel cell system, and valve | bulb open time. 制御部５０がＲＯＭ等に格納されたプログラムにしたがって行う掃気処理およびオフガス放出処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the scavenging process and offgas discharge | release process which the control part 50 performs according to the program stored in ROM etc. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

１…燃料電池、３…二次電池、６…勾配検出センサ、２１…空気ポンプ（掃気手段、水分除去手段）、３４…パージバルブ（オフガス放出手段、水分除去手段）、５０…制御部（ＥＣＵ）。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell, 3 ... Secondary battery, 6 ... Gradient detection sensor, 21 ... Air pump (scavenging means, moisture removal means), 34 ... Purge valve (off-gas discharge means, moisture removal means), 50 ... Control part (ECU) .

Claims (13)

移動体に搭載される燃料電池システムであって、
酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池（１）と、
前記燃料電池（１）から電力供給を受けて充電可能な二次電池（３）と、
前記燃料電池（１）の発電停止時に前記二次電池（３）から電力供給を受けて前記燃料電池（１）内の残留水分を除去する水分除去処理を行う水分除去手段（２１、３４）と、
前記移動体の姿勢および前記移動体の基準面に対する傾斜角度を検出する勾配検出手段（６）と、
前記勾配検出手段（６）により検出された前記姿勢および前記傾斜角度と、前記燃料電池（１）から排出される前記残留水分の排出向きとに応じて、前記水分除去手段による前記水分除去処理を制御する制御手段（５０）とを備え、
前記制御手段（５０）は、
前記移動体の姿勢が前記残留水分の排出向きに上がっている場合に、前記移動体の前記基準面からの傾斜角度が大きくなるに応じて、前記水分除去処理の水分除去量を増大させ、
前記移動体の姿勢が前記残留水分の排出向きに下がっている場合に、前記移動体の前記基準面からの傾斜角度が大きくなるに応じて、前記水分除去処理の水分除去量を減少させることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell system mounted on a moving body,
A fuel cell (1) for generating electrical energy by an electrochemical reaction between an oxidant gas and a fuel gas;
A secondary battery (3) that can be charged by receiving power from the fuel cell (1);
Water removal means (21, 34) for performing a water removal process for removing residual water in the fuel cell (1) by receiving power supply from the secondary battery (3) when power generation of the fuel cell (1) is stopped; ,
Gradient detection means (6) for detecting a posture of the moving body and an inclination angle with respect to a reference plane of the moving body;
Depending on the posture and the inclination angle detected by the gradient detection means (6) and the direction of discharge of the residual water discharged from the fuel cell (1), the moisture removal processing by the moisture removal means is performed. Control means (50) for controlling,
The control means (50)
When the posture of the moving body is rising in the direction of discharging the residual moisture, the amount of water removed in the moisture removing process is increased as the inclination angle of the moving body from the reference surface increases,
When the posture of the mobile body is lowered in the direction of discharging the residual water, the water removal amount of the water removal process is decreased as the inclination angle of the mobile body from the reference surface increases. A fuel cell system. 前記燃料電池（１）の発電停止時に前記二次電池（３）から電力供給を受けて前記燃料電池（１）内にパージ用空気を供給する掃気処理を行う掃気手段（２１）を備え、
前記水分除去手段は前記掃気手段（２１）であり、前記水分除去処理は前記掃気処理であ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 scavenging means (21) for performing a scavenging process for receiving a supply of power from the secondary battery (3) and supplying purge air into the fuel cell (1) when power generation of the fuel cell (1) is stopped;
The fuel cell system according to claim 1, wherein the moisture removing means is the scavenging means (21), and the moisture removing process is the scavenging process. 前記制御手段（５０）は、前記移動体の姿勢が前記残留水分の排出向きに上がっている場合に、前記移動体の前記基準面からの傾斜角度が大きくなるに応じて、前記掃気手段（２１）により供給されるパージ用空気の流量を増加させることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。 The control means (50) is configured to adjust the scavenging means (21) in accordance with an increase in an inclination angle of the moving body from the reference plane when the posture of the moving body is rising in the direction of discharging the residual moisture. 3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the flow rate of the purge air supplied is increased. 前記制御手段（５０）は、前記移動体の姿勢が前記残留水分の排出向きに上がっている場合に、前記移動体の前記基準面からの傾斜角度が大きくなるに応じて、前記掃気手段（２１）のパージ用空気の供給時間を長くすることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池システム。 The control means (50) is configured to adjust the scavenging means (21) in accordance with an increase in an inclination angle of the moving body from the reference plane when the posture of the moving body is rising in the direction of discharging the residual moisture. The fuel cell system according to claim 2 or 3, wherein the supply time of the purge air is increased. 前記制御手段（５０）は、前記移動体の姿勢が前記残留水分の排出向きに下がっている場合に、前記移動体の前記基準面からの傾斜角度が大きくなるに応じて、前記掃気手段（２１）により供給されるパージ用空気の流量を減少させることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。 When the attitude of the moving body is lowered in the discharge direction of the residual moisture, the control means (50) is configured to remove the scavenging means (21) according to an inclination angle of the moving body from the reference plane. The fuel cell system according to any one of claims 2 to 4, wherein the flow rate of the purge air supplied by (1) is decreased. 前記制御手段（５０）は、前記移動体の姿勢が前記残留水分の排出向きに下がっている場合に、前記移動体の前記基準面からの傾斜角度が大きくなるに応じて、前記掃気手段（２１）のパージ用空気の供給時間を短くすることを特徴とする請求項２ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。 When the attitude of the moving body is lowered in the discharge direction of the residual moisture, the control means (50) is configured to remove the scavenging means (21) according to an inclination angle of the moving body from the reference plane. 6) The fuel cell system according to any one of claims 2 to 5, wherein the purge air supply time is shortened. 燃料ガス供給装置（３１）から燃料ガス供給流路（３０ａ）を介して前記燃料電池（１）に供給された燃料ガスのうち、前記電気化学反応に用いられなかった未反応の燃料ガスと燃料ガス以外の不純物とを含んだオフガスを前記燃料電池（１）から排出させるオフガス排出流路（３０ｂ）と、
前記オフガス排出流路（３０ｂ）と外部とを連通あるいは遮断させることができ、前記燃料電池（１）の発電停止時に前記二次電池（３）から電力供給を受けて前記オフガス排出流路（３０ｂ）と外部とを所定時間連通させてオフガスを前記オフガス排出流路（３０ｂ）から外部に放出させるオフガス放出処理を行うオフガス放出手段（３４）とを備え、
前記水分除去手段は前記オフガス放出手段（３４）であり、前記水分除去処理は前記オフガス放出処理であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の燃料電池システム。 Of the fuel gas supplied from the fuel gas supply device (31) to the fuel cell (1) via the fuel gas supply channel (30a), unreacted fuel gas and fuel that were not used for the electrochemical reaction An offgas discharge passage (30b) for discharging offgas containing impurities other than gas from the fuel cell (1);
The off gas discharge channel (30b) and the outside can be communicated or blocked, and when the power generation of the fuel cell (1) is stopped, the off gas discharge channel (30b) is supplied with electric power from the secondary battery (3). ) And the outside for a predetermined period of time to provide off-gas release means (34) for performing off-gas release processing for releasing off-gas to the outside from the off-gas discharge channel (30b),
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, wherein the moisture removing means is the off-gas releasing means (34), and the moisture removing process is the off-gas releasing process. 前記制御手段（５０）は、前記移動体の姿勢が前記残留水分の排出向きに上がっている場合に、前記移動体の前記基準面からの傾斜角度の大きくなるに応じて、前記オフガス放出手段（３４）による前記オフガス排出流路（３０ｂ）と外部とを所定時間連通させる回数を増加させることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。 When the posture of the moving body is rising in the direction of discharging the residual moisture, the control means (50) is configured to adjust the off-gas releasing means (50) according to an increase in an inclination angle of the moving body from the reference plane. The fuel cell system according to claim 7, wherein the number of times that the off-gas discharge flow path (30 b) according to 34) communicates with the outside for a predetermined time is increased. 前記制御手段（５０）は、前記移動体の姿勢が前記残留水分の排出向きに上がっている場合に、前記移動体の前記基準面からの傾斜角度の大きくなるに応じて、前記オフガス放出手段（３４）による前記オフガス排出流路（３０ｂ）と外部とを連通させる時間を長くすることを特徴とする請求項７または８に記載の燃料電池システム。 When the posture of the moving body is rising in the direction of discharging the residual moisture, the control means (50) is configured to adjust the off-gas releasing means (50) according to an increase in an inclination angle of the moving body from the reference plane. The fuel cell system according to claim 7 or 8, characterized in that the time for communicating the off-gas discharge channel (30b) and the outside according to (34) is extended. 前記制御手段（５０）は、前記移動体の姿勢が前記残留水分の排出向きに下がっている場合に、前記移動体の前記基準面からの傾斜角度の大きくなるに応じて、前記オフガス放出手段（３４）による前記オフガス排出流路（３０ｂ）と外部とを所定時間連通させる回数を減少させることを特徴とする請求項７ないし９のいずれか１つに記載の燃料電池システム。 When the posture of the moving body is lowered in the discharge direction of the residual moisture, the control means (50) is configured to adjust the off-gas releasing means (50) according to an increase in an inclination angle of the moving body from the reference plane. The fuel cell system according to any one of claims 7 to 9, wherein the number of times that the off-gas discharge flow path (30b) according to 34) communicates with the outside for a predetermined time is decreased. 前記制御手段（５０）は、前記移動体の姿勢が前記残留水分の排出向きに下がっている場合に、前記移動体の前記基準面からの傾斜角度の大きくなるに応じて、前記オフガス放出手段（３４）による前記オフガス排出流路（３０ｂ）と外部とを連通させる時間を短くすることを特徴とする請求項７ないし１０のいずれか１つに記載の燃料電池システム。 When the posture of the moving body is lowered in the discharge direction of the residual moisture, the control means (50) is configured to adjust the off-gas releasing means (50) according to an increase in an inclination angle of the moving body from the reference plane. The fuel cell system according to any one of claims 7 to 10, wherein a time for communicating the off-gas discharge flow path (30b) and the outside according to (34) is shortened. 前記燃料電池（１）は、車両の走行用駆動源として用いられるものであり、
前記勾配検出手段（６）は、前記車両に搭載された加速度センサの検出信号に基づいて、前記車両の姿勢および前記車両の前記基準面に対する傾斜角度を検出することを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の燃料電池システム。 The fuel cell (1) is used as a driving source for driving a vehicle,
The said gradient detection means (6) detects the attitude | position of the said vehicle and the inclination angle with respect to the said reference plane of the said vehicle based on the detection signal of the acceleration sensor mounted in the said vehicle. The fuel cell system according to any one of 11. 前記燃料電池（１）は、車両の走行用駆動源として用いられるものであり、
道路勾配に関する地形情報を記憶した車両用ナビゲーション装置を備え、
前記勾配検出手段（６）は、前記車両用ナビゲーション装置の前記道路勾配に関する地形情報に基づいて、前記車両の姿勢および前記車両の前記基準面に対する傾斜角度を推定することを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の燃料電池システム。 The fuel cell (1) is used as a driving source for driving a vehicle,
It has a vehicle navigation device that stores terrain information related to road gradients,
The gradient detecting means (6) estimates the attitude of the vehicle and the inclination angle of the vehicle with respect to the reference plane based on terrain information relating to the road gradient of the vehicle navigation device. The fuel cell system as described in any one of thru | or 11.
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