JP2007027078A - Fuel cell system - Google Patents

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Hitoshi Igarashi
仁 五十嵐
Masatoshi Iio
雅俊 飯尾
Ikuyoshi Sugawara
生豊 菅原
Atsushi Oma
敦史 大間
Takashi Ino
崇 猪野
Mitsuhiro Kokubo
光浩 小久保
Takashi Fukuda
隆 福田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system for preventing degradation of a cathode electrode at start-up. <P>SOLUTION: The fuel cell system equipped with a bypass flow channel 6 circulating exhaust anode gas to an anode is provided with a gas composition control means 7 controlling a gas composition of mixture gas consisting of hydrogen and the exhaust anode gas supplied to the anode 1a, a gas exhaust control means 8 controlling exhaust outside of the exhaust anode gas, and a controller 20 controlling the gas composition control means 7 and the gas exhaust control means 8. The controller 20 closes a gas exhaust control valve 8 at the start-up when oxidant gas exists inside the anode 1a to circulate the exhaust anode gas to the anode 1a, and controls the gas composition control means 7 so that a density of gas constituting the mixture gas is at a given level. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。   The present invention relates to a fuel cell system.

通常の固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜(陽イオン交換膜)の両側にそれぞれアノードおよびカソードを高分子イオン交換膜を挟持するように構成された電解質膜・電極接合体(以下、MEAという)を、さらにセパレータによって挟持することにより構成している。アノードに供給された燃料ガス(水素)は、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソードへと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソードには、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスあるいは空気が供給されているために、このカソードにおいて、前記水素イオン、前記電子および酸素ガスが反応して水が生成される。以上の反応を示す化学式は以下のようになる。   An ordinary polymer electrolyte fuel cell is composed of an electrolyte membrane / electrode assembly (hereinafter referred to as a polymer ion exchange membrane) having an anode and a cathode sandwiched between both sides of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane). And MEA) are further sandwiched between separators. The fuel gas (hydrogen) supplied to the anode is hydrogen ionized on the catalyst electrode and moves to the cathode through the electrolyte membrane that is appropriately humidified. Electrons generated in the meantime are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. Since an oxidant gas such as an oxygen-containing gas or air is supplied to the cathode, the hydrogen ions, the electrons, and the oxygen gas react with each other to generate water at the cathode. The chemical formula showing the above reaction is as follows.

アノード反応: H2→2H++2e- (1)
カソード反応: 2H++2e-+(1/2)O2→H2O (2)
前記固体高分子型燃料電池の1組を単位セルと呼ぶ。この単位セルを所定数だけ積層することにより、スタック状の燃料電池を構成している。また、触媒電極は担体としての炭素(カーボン)とこのカーボンに担持された反応触媒としての、例えばプラチナ触媒とから構成される。
Anode reaction: H 2 → 2H + + 2e (1)
Cathode reaction: 2H + + 2e + (1/2) O 2 → H 2 O (2)
One set of the polymer electrolyte fuel cells is called a unit cell. By stacking a predetermined number of these unit cells, a stacked fuel cell is configured. The catalyst electrode is composed of carbon (carbon) as a carrier and, for example, a platinum catalyst as a reaction catalyst supported on the carbon.

しかしながら、燃料電池1の無負荷状態(燃料電池1に接続する回路に電流が流れていない状態。以下同様。)での停止時、放置時や起動時には、カソードの炭素が奪われてMEAが劣化することになる。このカーボン腐食について図12を用いて説明する。   However, when the fuel cell 1 is in a no-load state (the current is not flowing through the circuit connected to the fuel cell 1; the same applies hereinafter), when the battery cell 1 is left or started, the carbon of the cathode is deprived and the MEA deteriorates. Will do. This carbon corrosion will be described with reference to FIG.

従来の燃料電池システムにおいて、燃料電池の無負荷状態での停止時、あるいは起動時からアノードへの水素供給を開始した時(アノード内では水素と酸素とが分離した状態の時)、アノードからカソードへプロトンH+が移動し、移動したプロトンH+とカソードの酸素とが反応して水が生成される(上式参照)。この反応でプロトンH+が必要とされ、無負荷状態では電子e-が負荷を通じて移動してこない。このため、カソード内に存在する水と担体としての炭素とが反応し、生成された電子e-が前述の水生成反応に用いられる。この反応時にカソードのカーボンが消費されて、MEAの劣化が生じる。一方、アノードでは、水素と混在した酸素と、カーボン消費時に生じたプロトンH+と、さらに水素のプロトン化で生じた電子e-とが反応して水が生成される。 In a conventional fuel cell system, when the fuel cell is stopped in a no-load state or when hydrogen supply to the anode is started from the start-up (when hydrogen and oxygen are separated in the anode), the anode to the cathode The proton H + moves to the water, and the transferred proton H + reacts with oxygen at the cathode to produce water (see the above formula). Proton H + is required for this reaction, and in the no-load state, electrons e do not move through the load. For this reason, water present in the cathode reacts with carbon as a carrier, and the generated electrons e are used in the water generation reaction described above. During this reaction, the carbon of the cathode is consumed and the MEA deteriorates. On the other hand, at the anode, oxygen mixed with hydrogen, proton H + generated when carbon is consumed, and electron e generated by protonation of hydrogen react to generate water.

ここで開放端電圧が高いと、電子e-の移動が活発となり、前述の化学反応が促進されてMEAの劣化が一層進むことになる。MEAの劣化が進むと、発電電圧が低下して発電効率が低下することになる。 Here, when the open-circuit voltage is high, the movement of electrons e becomes active, the above-described chemical reaction is promoted, and the MEA is further deteriorated. As the MEA deteriorates, the power generation voltage decreases and the power generation efficiency decreases.

このようなMEAの劣化を防止するために、高圧化した燃料ガス(水素)をアノードに流し込み、アノード内の存在する酸素を外部に排出することで、燃料電池内の燃料ガスと酸素との混在状態を短時間に制限することで、MEAの劣化を抑制する技術がある(特許文献1参照)。
特開2004−139984号公報
In order to prevent such deterioration of the MEA, a fuel gas (hydrogen) having a high pressure is flowed into the anode, and oxygen present in the anode is discharged to the outside, thereby mixing the fuel gas and oxygen in the fuel cell. There is a technique for suppressing deterioration of MEA by limiting the state to a short time (see Patent Document 1).
JP 2004-139984 A

しかしながら、特許文献1に記載の技術では、酸素を外部に排出する際に水素も一緒に排出されることになり、水素が無駄に排出され、燃料電池システムの発電効率が低下するという課題がある。   However, in the technique described in Patent Document 1, when oxygen is discharged to the outside, hydrogen is also discharged together, and there is a problem that hydrogen is discharged wastefully and the power generation efficiency of the fuel cell system is reduced. .

したがって、本発明の目的は、燃料電池起動時のMEAの劣化の防止と、水素の放出を防止し、燃料電池の効率低下を抑制することである。   Accordingly, an object of the present invention is to prevent the deterioration of the MEA at the time of starting the fuel cell, prevent the release of hydrogen, and suppress the decrease in the efficiency of the fuel cell.

本発明は、外部からの水素を燃料電池のアノードの供給する水素供給流路と、この水素供給流路途中に接続し、前記アノードから排出される排アノードガスをアノードに循環するバイパス流路を備えた燃料電池システムにおいて、前記アノードに供給される前記水素と排アノードガスとからなる混合ガスのガス組成を制御するガス組成制御手段と、排アノードガスの外部への排出を制御するガス排出制御手段と、前記ガス組成制御手段と前記ガス排出制御手段を制御するコントローラを備え、前記アノード内に酸化剤ガスが存在する起動時に、前記コントローラは、前記ガス排出制御弁を閉じ、前記排アノードガスを前記バイパス流路を通じて前記アノードに循環させ、前記混合ガスを構成するガスの濃度が所定濃度となるように前記ガス組成制御手段を制御する。   The present invention provides a hydrogen supply channel for supplying hydrogen from the outside to the anode of the fuel cell, and a bypass channel for connecting exhaust hydrogen gas discharged from the anode to the anode, connected to the hydrogen supply channel. And a gas composition control means for controlling a gas composition of a mixed gas composed of the hydrogen and exhaust anode gas supplied to the anode, and a gas exhaust control for controlling discharge of the exhaust anode gas to the outside. And a controller for controlling the gas composition control means and the gas discharge control means, and at the start-up when the oxidant gas is present in the anode, the controller closes the gas discharge control valve, and Is circulated to the anode through the bypass flow path so that the concentration of the gas constituting the mixed gas becomes a predetermined concentration. To control the control means.

本発明では、燃料電池システム起動時に排アノードガスの外部への排出を禁じ、排アノードガスをアノードに循環させるとともに、排アノードガスと外部からの水素との混合ガスの組成を所定濃度に制御するため、起動時に水素を外部へ放出することがなく、またカソードの腐食を防止できる。   In the present invention, when the fuel cell system is started, the discharge of the exhaust anode gas is prohibited, the exhaust anode gas is circulated to the anode, and the composition of the mixed gas of the exhaust anode gas and external hydrogen is controlled to a predetermined concentration. Therefore, hydrogen is not released to the outside during startup, and corrosion of the cathode can be prevented.

図1は、本発明を適用する燃料電池システムの実施形態の構成図である。この燃料電池システムは、スタック状の燃料電池1と、この燃料電池のアノード1aに水素を供給する水素タンク2と、カソード1bに空気を供給するコンプレッサ10と、アノード1aから排出された排アノードガスをアノード1aに循環させるバイパス流路6と、このバイパス流路6に設置され、排アノードガスの循環量を制御する循環ポンプ7とを備える。   FIG. 1 is a configuration diagram of an embodiment of a fuel cell system to which the present invention is applied. This fuel cell system includes a stacked fuel cell 1, a hydrogen tank 2 that supplies hydrogen to the anode 1a of the fuel cell, a compressor 10 that supplies air to the cathode 1b, and exhausted anode gas discharged from the anode 1a. Is provided with a bypass flow path 6 that circulates to the anode 1a, and a circulation pump 7 that is installed in the bypass flow path 6 and controls the circulation amount of the exhaust anode gas.

燃料電池1のアノード1aには高圧の水素を貯蔵した水素タンク2から水素供給流路2aを通じて水素が供給され、カソード1bにはコンプレッサ10の作用により空気が空気供給流路3aを通じて供給される。燃料電池1での発電に供せられた水素あるいは空気はガス放出流路2b及び空気放出流路3bから外部に放出される。ガス放出流路2bから外部に放出される水素を制御するパージ弁8がガス放出流路2bに設置される。   Hydrogen is supplied to the anode 1a of the fuel cell 1 from a hydrogen tank 2 storing high-pressure hydrogen through a hydrogen supply channel 2a, and air is supplied to the cathode 1b through the air supply channel 3a by the action of the compressor 10. Hydrogen or air used for power generation in the fuel cell 1 is discharged to the outside from the gas discharge channel 2b and the air discharge channel 3b. A purge valve 8 for controlling hydrogen released to the outside from the gas discharge channel 2b is installed in the gas discharge channel 2b.

水素供給流路2aには、水素タンク2からの水素の供給を制御する水素タンク元弁3と、水素タンク2からの水素の圧力を所定圧に減じる減圧弁4と、アノード1aへ供給される水素量を制御する水素供給制御弁5とが設置される。さらに、水素供給流路2aの水素供給制御弁5下流側(燃料電池1側)とガス放出流路2bのパージ弁8上流とを、燃料電池1をバイパスして連接するバイパス流路6が形成される。このバイパス流路6には燃料電池1から排出された排アノードガスをアノード1aに循環する循環ポンプ7が設置される。   The hydrogen supply passage 2a is supplied to a hydrogen tank main valve 3 that controls the supply of hydrogen from the hydrogen tank 2, a pressure reducing valve 4 that reduces the pressure of hydrogen from the hydrogen tank 2 to a predetermined pressure, and an anode 1a. A hydrogen supply control valve 5 for controlling the amount of hydrogen is installed. Further, a bypass passage 6 is formed which connects the hydrogen supply control valve 5 downstream side (fuel cell 1 side) of the hydrogen supply passage 2 a and the purge valve 8 upstream of the gas discharge passage 2 b by bypassing the fuel cell 1. Is done. The bypass passage 6 is provided with a circulation pump 7 for circulating the exhaust anode gas discharged from the fuel cell 1 to the anode 1a.

したがって、ガス放出流路2bに設置されたパージ弁8を閉じた状態で、バイパス流路6の循環ポンプ7が稼動すると、燃料電池1のアノード1aから排出された排アノードガスは、バイパス流路6を通じて再度アノード1aに供給される。一方、空気放出流路3bにはカソード1bの空気圧を調節する空気調圧弁9が設置される。   Therefore, when the circulation pump 7 of the bypass flow path 6 is operated with the purge valve 8 installed in the gas discharge flow path 2b closed, the exhaust anode gas discharged from the anode 1a of the fuel cell 1 is 6 is supplied again to the anode 1a. On the other hand, an air pressure regulating valve 9 for adjusting the air pressure of the cathode 1b is installed in the air discharge passage 3b.

アノード1aに水素、カソード1bに空気が供給されると燃料電池1で発電が開始され、燃料電池1で発電された電力は、パワーマネージャ13により取り出され、負荷、例えば移動体の駆動源としてのモータに供給される。   When hydrogen is supplied to the anode 1a and air is supplied to the cathode 1b, power generation is started by the fuel cell 1. The power generated by the fuel cell 1 is taken out by the power manager 13 and used as a drive source for a load, for example, a moving body. Supplied to the motor.

この燃料電池システムを統合制御するコントローラ20が設置される。コントローラ20には、アノード入口の水素と排アノードガスの混合ガスの圧力を検出する第1圧力センサ11aの出力と、水素供給制御弁5に流入する水素の圧力を検出する第2圧力センサ11bと、アノード入口での水素濃度を検出する水素濃度センサ12の出力と、燃料電池1の発電量を検出する電圧センサ14の出力とが入力される。   A controller 20 for integrated control of the fuel cell system is installed. The controller 20 includes an output of a first pressure sensor 11 a that detects the pressure of the mixed gas of hydrogen and exhaust anode gas at the anode inlet, and a second pressure sensor 11 b that detects the pressure of hydrogen flowing into the hydrogen supply control valve 5. The output of the hydrogen concentration sensor 12 for detecting the hydrogen concentration at the anode inlet and the output of the voltage sensor 14 for detecting the power generation amount of the fuel cell 1 are input.

コントローラ20は、これら入力値を用いて、燃料電池1の起動制御、水素タンク元弁3の開閉制御、水素供給制御弁5の流量制御、コンプレッサ10の運転制御、循環ポンプ7の運転制御、パージ弁8の開閉制御、さらに空気調圧弁9の調圧制御等を司る。   The controller 20 uses these input values to control the start-up of the fuel cell 1, the opening / closing control of the hydrogen tank main valve 3, the flow control of the hydrogen supply control valve 5, the operation control of the compressor 10, the operation control of the circulation pump 7, and the purge It controls the opening and closing control of the valve 8, and the pressure control of the air pressure control valve 9.

コントローラ20には、さらに、燃料電池システムを起動するメインスイッチ15のオンオフ信号と、燃料電池1の負荷状態を検出する負荷スイッチ19のオンオフ信号が入力される。   The controller 20 further receives an on / off signal of the main switch 15 that activates the fuel cell system and an on / off signal of the load switch 19 that detects the load state of the fuel cell 1.

図2は、コントローラ20の構成を説明するブロック図である。コントローラ20は、メインスイッチのオンオフ信号に基づき燃料電池1の起動要求を判定する起動要求判定部21と、前述の第1、第2圧力センサ11a、11bと濃度センサ12と電圧センサ14の検出値から燃料電池1の運転状態を検出する運転状態検出部22と、燃料電池1の起動要求判定結果及び燃料電池1の運転状態を入力して、これらの入力に基づいて、燃料電池1起動時の運転条件を演算する起動演算部23と、起動演算部23の演算結果に基づいて水素供給制御弁5を制御してアノード1aへの水素供給量を制御する燃料剤供給手段制御部24と、同じく起動演算部23の演算結果に基づいて循環ポンプ7を制御してバイパス流路6を循環する排アノードガス量を制御する燃料剤循環手段制御部25とから構成される。   FIG. 2 is a block diagram illustrating the configuration of the controller 20. The controller 20 includes an activation request determination unit 21 that determines an activation request of the fuel cell 1 based on an on / off signal of the main switch, and detection values of the first and second pressure sensors 11a and 11b, the concentration sensor 12, and the voltage sensor 14 described above. The operation state detection unit 22 that detects the operation state of the fuel cell 1 from the input, the start request determination result of the fuel cell 1 and the operation state of the fuel cell 1 are input, and based on these inputs, the start time of the fuel cell 1 is Similarly, a startup calculation unit 23 that calculates operating conditions, a fuel agent supply means control unit 24 that controls the hydrogen supply control valve 5 based on the calculation result of the startup calculation unit 23 and controls the hydrogen supply amount to the anode 1a, Based on the calculation result of the start calculation unit 23, it is constituted by a fuel agent circulation means control unit 25 that controls the circulation pump 7 and controls the amount of exhaust anode gas that circulates in the bypass flow path 6.

図3は、コントローラ20が実施する燃料電池システム起動時の制御内容を説明するフローチャートである。この起動時制御は、アノード1a内に酸化剤ガス(空気)が存在し、かつ燃料電池1に接続する回路に電流が流れていない無負荷状態からの起動時に実施される制御である。   FIG. 3 is a flowchart for explaining the control contents performed by the controller 20 when starting the fuel cell system. This start-up control is control that is performed at the time of start-up from a no-load state in which an oxidant gas (air) is present in the anode 1 a and no current is flowing through the circuit connected to the fuel cell 1.

なお、燃料電池1起動時にアノード1a内に存在する酸化剤ガスは、燃料電池の停止中に外部から進入してきた空気等である。したがって、起動時にはアノード1aに空気が存在しているものとして起動時制御を実施する。   The oxidant gas present in the anode 1a when the fuel cell 1 is started is air or the like that has entered from the outside during the stop of the fuel cell. Therefore, the startup control is performed on the assumption that air is present in the anode 1a during startup.

まずステップS11で、燃料電池システムの起動要求があるかどうかをメインスイッチ15のオンオフ信号から判断する。オンであれば起動要求があるものと判断してステップS12に進む。なお、この起動時には燃料電池1は無負荷状態を維持するように制御される。ステップS12では、燃料電池1のアノード1aに接続するガス放出流路2bを遮蔽するパージ弁8を閉じる。続くステップS13で水素タンク元弁3を開き、ステップS14で循環ポンプ7を稼動する。これにより、排アノードガスがバイパス流路6を通って、アノード1aに循環する。   First, in step S11, it is determined from the on / off signal of the main switch 15 whether or not there is a request for starting the fuel cell system. If it is on, it is determined that there is an activation request and the process proceeds to step S12. Note that at the time of startup, the fuel cell 1 is controlled so as to maintain a no-load state. In step S12, the purge valve 8 that shields the gas discharge passage 2b connected to the anode 1a of the fuel cell 1 is closed. In subsequent step S13, the hydrogen tank main valve 3 is opened, and in step S14, the circulation pump 7 is operated. As a result, the exhaust anode gas circulates through the bypass flow path 6 to the anode 1a.

このステップS14での循環ポンプは、次ステップS15での水素供給制御弁5の開口により水素タンク2からアノード1aに供給される水素が、水素供給流路2aからバイパス流路6に流入しないように排アノードガスを循環する。   The circulation pump in step S14 prevents the hydrogen supplied from the hydrogen tank 2 to the anode 1a through the opening of the hydrogen supply control valve 5 in the next step S15 from flowing into the bypass channel 6 from the hydrogen supply channel 2a. Circulate the exhaust anode gas.

ステップS15では水素供給制御弁5を開き、水素タンク2から水素をアノード1aに供給する。したがって、排アノードガスを循環させる循環ポンプ7を稼動後にアノード1aに水素タンク2から水素を供給することにより、アノード1a内の酸化剤ガスが水素と混合し、ガス放出流路2bからバイパス流路6へ送られる。   In step S15, the hydrogen supply control valve 5 is opened, and hydrogen is supplied from the hydrogen tank 2 to the anode 1a. Accordingly, by supplying hydrogen from the hydrogen tank 2 to the anode 1a after the circulation pump 7 for circulating the exhaust anode gas is operated, the oxidant gas in the anode 1a is mixed with hydrogen, and the bypass channel from the gas discharge channel 2b. 6 is sent.

続くステップS16では、循環ポンプ7によりアノード1aへの排アノードガスの循環量制御を行う。アノード1aに循環される排アノードガス量は、アノード入口に設置された濃度センサ12により検出される混合ガス中の水素濃度に応じて設定される。具体的には、アノード1aに供給される、水素タンク2とバイパス流路6からの水素の濃度とバイパス流路6からの空気の濃度との目標比が、水素が多い状態、例えば水素7:酸化剤ガス(空気)3となるように循環ポンプ7の運転負荷をフィードバック制御する。   In the subsequent step S16, the circulation amount of exhaust anode gas to the anode 1a is controlled by the circulation pump 7. The amount of exhaust anode gas circulated to the anode 1a is set according to the hydrogen concentration in the mixed gas detected by the concentration sensor 12 installed at the anode inlet. Specifically, the target ratio of the concentration of hydrogen from the hydrogen tank 2 and the bypass passage 6 to the concentration of air from the bypass passage 6 supplied to the anode 1a is high in hydrogen, for example, hydrogen 7: The operation load of the circulation pump 7 is feedback-controlled so that the oxidant gas (air) 3 is obtained.

続くステップS17では、ステップS15の水素供給開始からの経過時間が所定時間となったか否かを判定する。所定時間が経過した場合にはステップS18に進み、経過していない場合にはステップS16に戻り、循環ポンプ制御を繰り返す。ここで、所定時間は、アノード1a内の酸素が水素との反応により全て消費するまでに掛かる時間であり、アノード1aに供給される水素量と、アノード1aに供給される水素の濃度と空気の濃度との目標比(例えば7:3)とから酸素量を推定し、推定した酸素量を積分し、積分した酸素量が水素供給流路2aの体積中に存在しうる最大量となるまでの時間を所定時間とする。   In subsequent step S17, it is determined whether or not the elapsed time from the start of hydrogen supply in step S15 has reached a predetermined time. If the predetermined time has elapsed, the process proceeds to step S18. If not, the process returns to step S16 to repeat the circulation pump control. Here, the predetermined time is a time taken until all the oxygen in the anode 1a is consumed by the reaction with hydrogen. The amount of hydrogen supplied to the anode 1a, the concentration of hydrogen supplied to the anode 1a, and the air Estimate the amount of oxygen from the target ratio to the concentration (for example, 7: 3), integrate the estimated amount of oxygen, and until the integrated amount of oxygen reaches the maximum amount that can exist in the volume of the hydrogen supply channel 2a. Let time be a predetermined time.

そしてステップS18で、所定時間が経過したことによりアノード1a中の酸素が全て消費されたものと判断して、燃料電池1を起動し、ステップS19でパージ弁8を開き、通常運転へ移行する。燃料電池1を起動して初めて負荷と燃料電池1との間に電流が流れる。なお、燃料電池1が起動するステップS18までは、燃料電池システムは図示しない2次電池等を電源として稼動する。   Then, in step S18, it is determined that all the oxygen in the anode 1a has been consumed because a predetermined time has elapsed, the fuel cell 1 is started, the purge valve 8 is opened in step S19, and the routine proceeds to normal operation. The current flows between the load and the fuel cell 1 only after the fuel cell 1 is started. Until step S18 when the fuel cell 1 is activated, the fuel cell system operates with a secondary battery (not shown) as a power source.

次にアノード1aに供給される混合ガス中の水素濃度と空気濃度との目標比の設定方法について説明する。発明者等は、アノード1aに供給される混合ガス中の水素と空気(酸素)との濃度比とカソード1bのカーボン腐食との関係に着目し、濃度比の異なる混合ガスをアノード1aに流した場合のカソード1bのカーボン腐食の発生状態を実験により確認した。   Next, a method for setting the target ratio between the hydrogen concentration and the air concentration in the mixed gas supplied to the anode 1a will be described. The inventors paid attention to the relationship between the concentration ratio of hydrogen and air (oxygen) in the mixed gas supplied to the anode 1a and the carbon corrosion of the cathode 1b, and flowed mixed gases having different concentration ratios to the anode 1a. In this case, the occurrence of carbon corrosion of the cathode 1b was confirmed by experiments.

図4は、アノード1aに水素と空気との濃度比を種々変えた混合ガスを導入したときのカソード1bでのカーボン腐食の発生状態を示す図である。ここで、カーボン腐食は、カーボン腐食時に発生する二酸化炭素量に基づき判断することができる。   FIG. 4 is a diagram showing a state of occurrence of carbon corrosion at the cathode 1b when a mixed gas having various concentration ratios of hydrogen and air is introduced into the anode 1a. Here, the carbon corrosion can be determined based on the amount of carbon dioxide generated during the carbon corrosion.

まず、水素濃度100%のガスをアノード1aに導入した場合に発生した二酸化炭素は、供給した水素とアノード1a内の空気との境界がアノード1a内を通過した時に一時的に発生したものである。また水素濃度70%+酸素濃度30%の混合ガスをアノード1aに導入した場合には、水素濃度100%を導入した場合と二酸化炭素の発生量に大きな変化は認められなかった。   First, carbon dioxide generated when a gas having a hydrogen concentration of 100% is introduced into the anode 1a is temporarily generated when the boundary between the supplied hydrogen and the air in the anode 1a passes through the anode 1a. . Further, when a mixed gas having a hydrogen concentration of 70% + oxygen concentration of 30% was introduced into the anode 1a, no significant change was observed in the amount of carbon dioxide generated when a hydrogen concentration of 100% was introduced.

しかし、水素濃度40%+酸素濃度60%の混合ガスをアノード1aに導入した場合は、二酸化炭素の発生量が水素濃度100%を導入した場合に比して約4倍に上昇した。さらに、水素濃度30%+酸素濃度70%の混合ガスをアノード1aに導入すると、二酸化炭素は連続的に発生することが判明した。なお、図中の点は水素供給開始後3分間の発生量をプロットしたものである。この結果から、アノード1aに供給する混合ガスの組成を水素濃度70%以上とすることでカソード1bのカーボン腐食を抑制できることがわかる。   However, when a mixed gas having a hydrogen concentration of 40% + oxygen concentration of 60% was introduced into the anode 1a, the amount of carbon dioxide generated was increased about four times as compared with the case where a hydrogen concentration of 100% was introduced. Further, it has been found that carbon dioxide is continuously generated when a mixed gas having a hydrogen concentration of 30% and an oxygen concentration of 70% is introduced into the anode 1a. In addition, the point in a figure plots the generation amount for 3 minutes after a hydrogen supply start. From this result, it can be seen that the carbon corrosion of the cathode 1b can be suppressed by setting the composition of the mixed gas supplied to the anode 1a to a hydrogen concentration of 70% or more.

また、図5は、アノード1aに導入した水素と空気の混合ガスの水素濃度に対してアノード1aから排出された排アノードガスの水素濃度および空気濃度を調査した結果を示している。これによれば、図5にて連続的に二酸化炭素が発生する場合(水素濃度30%+酸素濃度70%の混合ガスの場合)は、排アノードガスに水素が含まれていないことがわかる。すなわち、排アノードガスに水素が含まれるように制御することで、連続的な二酸化炭素の発生、つまり連続的なカーボンの腐食の進行を抑制することができる。一方、混合ガスの水素濃度を30%以上とすることで、排アノードガス中の酸素濃度はほぼ0%となり、アノード1a内の酸素を除去できる。   FIG. 5 shows the results of examining the hydrogen concentration and the air concentration of the exhaust anode gas discharged from the anode 1a with respect to the hydrogen concentration of the mixed gas of hydrogen and air introduced into the anode 1a. According to this, when carbon dioxide is continuously generated in FIG. 5 (in the case of a mixed gas having a hydrogen concentration of 30% + oxygen concentration of 70%), it can be seen that hydrogen is not contained in the exhaust anode gas. That is, by controlling the exhaust anode gas to contain hydrogen, it is possible to suppress the continuous generation of carbon dioxide, that is, the progression of continuous carbon corrosion. On the other hand, by setting the hydrogen concentration of the mixed gas to 30% or more, the oxygen concentration in the exhaust anode gas becomes almost 0%, and oxygen in the anode 1a can be removed.

したがって、本実施形態では、燃料電池システム起動時に、アノード1a内に酸化剤ガスが存在し、燃料電池1に接続する回路に電流が流れていない無負荷状態である場合には、パージ弁8を閉じて循環ポンプ7を起動し、アノード1aから排出される排アノードガスをバイパス流路6に循環させた状態で水素供給制御弁5を開いて水素タンク2からアノード1aに水素を供給する。そして、アノード1aに供給する水素と排アノードガスとの混合ガスの水素濃度を所定値(例えば、70%)以上となるように循環ポンプ7を制御する。   Therefore, in the present embodiment, when the fuel cell system is activated, the purge valve 8 is set when the oxidant gas is present in the anode 1a and the current connected to the circuit connected to the fuel cell 1 is not loaded. Then, the circulation pump 7 is started and the hydrogen supply control valve 5 is opened in a state in which the exhaust anode gas discharged from the anode 1a is circulated through the bypass flow path 6 to supply hydrogen from the hydrogen tank 2 to the anode 1a. Then, the circulation pump 7 is controlled so that the hydrogen concentration of the mixed gas of the hydrogen supplied to the anode 1a and the exhaust anode gas becomes a predetermined value (for example, 70%) or more.

このようにしてアノード1aに供給される混合ガスを構成するガスの組成(濃度)を制御してカソード1bのカーボン腐食を抑制するとともに、起動時にアノード1aから排出される水素を含有する排アノードガスをバイパス流路6を通じてアノード1aに循環させ、水素の無駄な放出が禁止されるため、燃料電池システムの発電効率の低下を抑制できる。また、起動時にパージ弁8を閉じて循環ポンプ7を起動した後、水素供給制御弁5を開くことで、水素タンク2からの水素がバイパス流路6内に逆流することが防止される。なお、アノード1aに供給される混合ガスの水素濃度の制御に循環ポンプ7とともに水素供給制御弁5を用いるようにしてもよい。   In this way, the composition (concentration) of the gas constituting the mixed gas supplied to the anode 1a is controlled to suppress the carbon corrosion of the cathode 1b, and the exhaust anode gas containing hydrogen discharged from the anode 1a at the start-up. Is circulated to the anode 1a through the bypass flow path 6 and useless release of hydrogen is prohibited, so that a decrease in power generation efficiency of the fuel cell system can be suppressed. In addition, the hydrogen supply control valve 5 is opened after the purge valve 8 is closed and the circulation pump 7 is started at the time of activation, so that the hydrogen from the hydrogen tank 2 is prevented from flowing back into the bypass passage 6. Note that the hydrogen supply control valve 5 may be used together with the circulation pump 7 to control the hydrogen concentration of the mixed gas supplied to the anode 1a.

図6は、第2の実施形態としてのコントローラ20の制御内容を説明するフローチャートである。第1の実施形態との構成上の相違点は、アノード1aに供給される混合ガス中の水素濃度を検出する水素濃度センサ12に換えて、アノード1aに供給される混合ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサを設けた点であり、他の構成は第1の実施形態と同様である。以下、本実施形態での制御内容の相違を第1の実施形態のフローチャートと比較して説明する。   FIG. 6 is a flowchart for explaining the control contents of the controller 20 as the second embodiment. The difference from the first embodiment is that the oxygen concentration in the mixed gas supplied to the anode 1a is changed to the hydrogen concentration sensor 12 for detecting the hydrogen concentration in the mixed gas supplied to the anode 1a. The oxygen concentration sensor to detect is provided, and the other configuration is the same as that of the first embodiment. Hereinafter, the difference in the control contents in this embodiment will be described in comparison with the flowchart of the first embodiment.

ステップS11からステップS16までは第1の実施形態と同様の制御内容とする。ステップS16に続くステップS27では、新たに設定した酸素濃度センサから酸素濃度を読み取り、検出した酸素濃度が所定濃度未満かどうかを判定する。ここで所定濃度は、例えばアノード1aに残留していた酸化剤ガスが空気とした場合には6%として設定し、検出した酸素濃度が、6%以上であれば6%未満となるように循環ポンプ7の運転負荷をステップS16で制御する。   Steps S11 to S16 are the same control contents as in the first embodiment. In step S27 following step S16, the oxygen concentration is read from the newly set oxygen concentration sensor, and it is determined whether or not the detected oxygen concentration is less than a predetermined concentration. Here, for example, when the oxidant gas remaining in the anode 1a is air, the predetermined concentration is set to 6%. When the detected oxygen concentration is 6% or more, the predetermined concentration is circulated so as to be less than 6%. The operation load of the pump 7 is controlled in step S16.

酸素濃度が所定濃度未満になった場合には、ステップS28以降に進み、ステップS28では燃料電池1を起動し、ステップS29では、ユーザーの要求に応じた燃料電池1の発電量となるように循環ポンプ8の運転負荷や水素供給制御弁5の開度等を制御する。ステップS30では、パージ弁8を開きアノード1a内の残留窒素を外部に放出する。   If the oxygen concentration is less than the predetermined concentration, the process proceeds to step S28 and subsequent steps, the fuel cell 1 is started in step S28, and the power generation amount of the fuel cell 1 according to the user's request is circulated in step S29. The operation load of the pump 8 and the opening degree of the hydrogen supply control valve 5 are controlled. In step S30, the purge valve 8 is opened to release the residual nitrogen in the anode 1a to the outside.

この実施形態では、第1の実施形態と同様の効果を備えつつ、ステップS30のパージ制御までの時間を短縮することができる。   In this embodiment, the time until the purge control in step S30 can be shortened while providing the same effects as in the first embodiment.

なお、第1の実施形態の水素濃度センサ12と第2の実施形態の酸素濃度センサを併設することで、空気中の窒素量や水蒸気量を考慮して水素濃度と酸素濃度との比をより精度よく制御することができる。   In addition, by providing the hydrogen concentration sensor 12 of the first embodiment and the oxygen concentration sensor of the second embodiment together, the ratio between the hydrogen concentration and the oxygen concentration is further increased in consideration of the amount of nitrogen and water vapor in the air. It can be controlled with high accuracy.

また、第1、第2の実施形態では、アノード入口に濃度センサを設置したが、カソード出口に二酸化炭素濃度を検出する濃度センサを設置してもよい。この場合には、図12に示すように、カーボンの劣化により二酸化炭素が生成されるため、この生成された二酸化炭素の濃度からカーボンの劣化を判定し、この二酸化炭素が所定濃度以下となるように循環ポンプ8の運転負荷を制御するようにして、MEAの劣化を防止することができる。   In the first and second embodiments, the concentration sensor is installed at the anode inlet, but a concentration sensor for detecting the carbon dioxide concentration may be installed at the cathode outlet. In this case, as shown in FIG. 12, carbon dioxide is generated due to the deterioration of the carbon. Therefore, the deterioration of the carbon is determined from the concentration of the generated carbon dioxide so that the carbon dioxide becomes a predetermined concentration or less. Further, the operation load of the circulation pump 8 is controlled to prevent the MEA from being deteriorated.

また、アノード出口に酸素濃度を検出する濃度センサを設置してもよい。これは、燃料電池1の停止直後など燃料電池内に空気が外部から進入していないが、バイパス流路6に空気が進入しているような場合に、循環ポンプ7を稼動するとアノード1aには酸素濃度の高い混合ガスがアノード1aに供給される。このようなガスがアノード1aに供給されるとアノード1a内では反応に供しない酸素が生じ、余った酸素はガス放出流路2bに排出される。この排出された酸素の濃度をセンサにより検出し、検出した酸素濃度が所定濃度より低くなるように循環ポンプ7の運転負荷を設定する。   A concentration sensor that detects the oxygen concentration may be installed at the anode outlet. This is because when the circulation pump 7 is operated when air does not enter the fuel cell from the outside, such as immediately after the fuel cell 1 stops, but the air enters the bypass channel 6, the anode 1 a A mixed gas having a high oxygen concentration is supplied to the anode 1a. When such a gas is supplied to the anode 1a, oxygen that is not used in the reaction is generated in the anode 1a, and the excess oxygen is discharged to the gas discharge channel 2b. The concentration of the discharged oxygen is detected by a sensor, and the operation load of the circulation pump 7 is set so that the detected oxygen concentration is lower than a predetermined concentration.

さらに、第1の実施形態の水素濃度センサ12に換えて、電圧センサ14の出力値を用いて循環ポンプ7の運転負荷を制御することができる。酸素濃度の高い酸素リッチの混合ガスがアノード1aに供給されると、燃料電池1の発電電圧が低下する。したがって、燃料電池1を構成する単セルの電圧、または単セルの所定枚数ごとの電圧を電圧センサ14を用いて検出し、電圧の変化量が所定変化量以上の場合には、循環ポンプ7の吐出量を減少させて水素濃度の高い混合ガスを供給するように制御する。   Furthermore, the operation load of the circulation pump 7 can be controlled using the output value of the voltage sensor 14 instead of the hydrogen concentration sensor 12 of the first embodiment. When an oxygen-rich mixed gas having a high oxygen concentration is supplied to the anode 1a, the power generation voltage of the fuel cell 1 decreases. Therefore, when the voltage of the single cell constituting the fuel cell 1 or the voltage for each predetermined number of single cells is detected using the voltage sensor 14 and the change amount of the voltage is equal to or greater than the predetermined change amount, the circulation pump 7 Control is performed to supply a mixed gas with a high hydrogen concentration by reducing the discharge amount.

図7は、第3の実施形態の構成図である。この実施形態の特徴的な構成は、バイパス流路6の循環ポンプ7の上流(ガス放出流路2b側)に酸素濃度を検出する酸素濃度センサ16と、循環ポンプ7の下流(水素供給流路2a側)に設置され、バイパス流路の排アノードガスの循環量を制御する循環量制御弁18と、循環ポンプ7と循環量制御弁18との間のバイパス流路設置され、バイパス流路6内の圧力を検出する第3圧力センサ11cとを備えたことである。センサ11c、16の出力はコントローラ20に出力され、循環量制御弁18はコントローラ20によってセンサ11c、16の出力に基づいて制御される。   FIG. 7 is a configuration diagram of the third embodiment. The characteristic configuration of this embodiment includes an oxygen concentration sensor 16 that detects the oxygen concentration upstream of the circulation pump 7 in the bypass flow path 6 (on the gas release flow path 2b side), and a downstream of the circulation pump 7 (hydrogen supply flow path). 2a), a circulation amount control valve 18 for controlling the circulation amount of the exhaust anode gas in the bypass passage, and a bypass passage between the circulation pump 7 and the circulation amount control valve 18 are provided. And a third pressure sensor 11c for detecting the internal pressure. The outputs of the sensors 11c and 16 are output to the controller 20, and the circulation amount control valve 18 is controlled by the controller 20 based on the outputs of the sensors 11c and 16.

図8は、コントローラ20が行う本実施形態の制御内容を説明するフローチャートである。ステップS11からステップS13までは第1の実施形態の制御と同様であり、説明を省略する。   FIG. 8 is a flowchart for explaining the control contents of the present embodiment performed by the controller 20. Steps S11 to S13 are the same as the control in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.

ステップS13で水素タンク元弁3を開いた後、続くステップS31でバイパス流路6に設置した循環量制御弁18を閉じる。循環量制御弁18を閉じることで、水素供給流路2aからバイパス流路6へ水素が流入することを防止する。続くステップS32では循環ポンプ7を稼動する。これにより、循環量制御弁18と循環ポンプ7との間のバイパス流路6の圧力が上昇する。このとき、第3圧力センサ11cで検出されるバイパス流路6の圧力は、第1圧力センサ11aで検出される水素供給流路2aの圧力より高くなる。   After the hydrogen tank main valve 3 is opened in step S13, the circulation amount control valve 18 installed in the bypass flow path 6 is closed in the subsequent step S31. By closing the circulation amount control valve 18, hydrogen is prevented from flowing into the bypass flow path 6 from the hydrogen supply flow path 2a. In the subsequent step S32, the circulation pump 7 is operated. Thereby, the pressure of the bypass flow path 6 between the circulation amount control valve 18 and the circulation pump 7 increases. At this time, the pressure of the bypass flow path 6 detected by the third pressure sensor 11c is higher than the pressure of the hydrogen supply flow path 2a detected by the first pressure sensor 11a.

続くステップS33では、酸素濃度センサ16の検出値を用いて、検出した濃度が所定濃度未満かどうかを判定する。ここで所定濃度は、排アノードガス中の酸素濃度が十分低くなったと判断できる、例えば6%以下の値とする。所定値未満であれば、排アノードガス中の酸素濃度は十分に低いと判断してステップS37に進み、所定値以上であればステップS34に進む。   In a succeeding step S33, it is determined whether or not the detected concentration is lower than a predetermined concentration using the detection value of the oxygen concentration sensor 16. Here, the predetermined concentration is, for example, a value of 6% or less that can be determined that the oxygen concentration in the exhaust anode gas has become sufficiently low. If it is less than the predetermined value, it is determined that the oxygen concentration in the exhaust anode gas is sufficiently low, and the process proceeds to step S37. If it is equal to or greater than the predetermined value, the process proceeds to step S34.

ステップS34では、水素供給制御弁5を所定量開き、アノード1aへ水素タンク2からの水素供給を開始する。続くステップS35は、再び排アノードガス中の酸素濃度を酸素濃度センサ16を用いて検出し、検出した酸素濃度をステップS33で用いた所定濃度と比較して所定濃度未満かどうかを判定する。検出濃度が所定濃度未満であればステップS37に進み、所定濃度以上であればステップS36に進み、ステップS36で循環量制御弁18を用いて、酸素濃度が所定濃度未満となるように排アノードガスの循環量を制御する。この時、循環ポンプ7は、ステップS32で上昇した循環量制御弁18上流の圧力が低下しないように制御されている。   In step S34, the hydrogen supply control valve 5 is opened by a predetermined amount, and supply of hydrogen from the hydrogen tank 2 to the anode 1a is started. In the subsequent step S35, the oxygen concentration in the exhaust anode gas is detected again using the oxygen concentration sensor 16, and the detected oxygen concentration is compared with the predetermined concentration used in step S33 to determine whether it is less than the predetermined concentration. If the detected concentration is less than the predetermined concentration, the process proceeds to step S37. If the detected concentration is equal to or greater than the predetermined concentration, the process proceeds to step S36. In step S36, using the circulation amount control valve 18, the exhaust anode gas is adjusted so that the oxygen concentration is less than the predetermined concentration. Control the amount of circulation. At this time, the circulation pump 7 is controlled so that the pressure upstream of the circulation amount control valve 18 increased in step S32 does not decrease.

ステップS37では、アノード1a中の酸素濃度が十分に低くなったとして循環量制御弁18を全開にし、通常運転へ移行するためステップS28に進む。ステップS28からステップS30は第1の実施形態と同様のステップである。   In step S37, assuming that the oxygen concentration in the anode 1a has become sufficiently low, the circulation amount control valve 18 is fully opened, and the routine proceeds to step S28 to shift to normal operation. Steps S28 to S30 are the same as those in the first embodiment.

この実施形態の場合には、アノード1a中の酸素濃度が十分低くなるようにバイパス流路6を流通する排アノードガスの循環量を循環量制御弁18で制御するため、アノード1aへの水素供給量の変化が速い場合でも、水素供給量の変化に対応して循環量を迅速に変化させることができる。   In the case of this embodiment, since the circulation amount of the exhaust anode gas flowing through the bypass flow path 6 is controlled by the circulation amount control valve 18 so that the oxygen concentration in the anode 1a is sufficiently low, hydrogen supply to the anode 1a is performed. Even when the change in the amount is fast, the circulation amount can be changed rapidly in response to the change in the hydrogen supply amount.

また、燃料電池システム起動時の水素を供給する際に、最初はアノード1a内の圧力が低く水素タンク2の元圧(または減圧弁4下流の圧力)との差が大きいため、水素供給量は多いが、水素供給を続けるとアノード1a内の圧力が上昇するため水素供給量が少なくなってくる。一方で、循環ポンプ7の応答性が悪いと、水素供給開始当初は空気の供給が間に合わなくなる。そこで、第3の実施形態では、ステップS34の水素供給前に、循環量制御弁18を閉めておくとともに循環ポンプ7を運転して、循環ポンプ7と循環量制御弁18の間のバイパス流路6内に高圧の空気を溜めておくことにより、水素供給直後にも大量の空気を供給できるため、空気を早く反応させ、消費することができる。   In addition, when hydrogen is supplied at the time of starting the fuel cell system, initially, the pressure in the anode 1a is low and the difference from the original pressure of the hydrogen tank 2 (or the pressure downstream of the pressure reducing valve 4) is large. In many cases, if the hydrogen supply is continued, the pressure in the anode 1a increases, and the hydrogen supply amount decreases. On the other hand, if the responsiveness of the circulation pump 7 is poor, the supply of air will not be in time at the beginning of the hydrogen supply. Therefore, in the third embodiment, before supplying hydrogen in step S34, the circulation amount control valve 18 is closed and the circulation pump 7 is operated to bypass the circulation flow path between the circulation pump 7 and the circulation amount control valve 18. By storing high-pressure air in 6, a large amount of air can be supplied immediately after supplying hydrogen, so that the air can be reacted quickly and consumed.

また第3の実施形態では、酸素濃度センサ16を用いて、起動直後の水素供給経路内の空気(酸素)濃度を測定していた(ステップS35)が、前回の燃料電池停止から、ユーザからの起動要求が来るまでの時間を計測して、空気濃度を推定してもよい。水素供給流路2a内に進入する空気の量は自然拡散で進入するため時間に依存するので、空気量を推定することが可能である。ここで燃料電池停止とは、電力取り出しを停止して、パージ弁を開けた状態をいう。   In the third embodiment, the oxygen concentration sensor 16 is used to measure the air (oxygen) concentration in the hydrogen supply path immediately after startup (step S35). The air concentration may be estimated by measuring the time until the activation request is received. Since the amount of air entering the hydrogen supply channel 2a enters by natural diffusion and depends on time, it is possible to estimate the amount of air. Here, the stop of the fuel cell means a state in which the power extraction is stopped and the purge valve is opened.

また、空気濃度を循環ポンプ7の消費電力により推定してもよい。起動直後の循環ポンプ回転速度を起動時には常に一定に動かすことにし、そのときの回転数と消費電力の関係を検出し、循環させる排アノードガス中の空気濃度が高ければ、消費電力は大きく、水素濃度が高ければ、消費電力が小さいのでこの傾向を用いて空気濃度の推定を行うことができる。   Further, the air concentration may be estimated from the power consumption of the circulation pump 7. The rotation speed of the circulation pump immediately after start-up is always kept constant at start-up, the relationship between the rotation speed and power consumption at that time is detected, and if the air concentration in the exhaust gas to be circulated is high, the power consumption is large and hydrogen If the concentration is high, the power consumption is small. Therefore, this tendency can be used to estimate the air concentration.

図9は、第4の実施形態の構成図であり、第1の実施形態の構成と比較して、循環ポンプ7の上下流での圧力差を検出する差圧センサ17と、差圧センサ17の上流に第4の圧力センサ11dを設けたことを特徴とする。これらセンサ17、11dの出力信号は、コントローラ20に送られる。   FIG. 9 is a configuration diagram of the fourth embodiment. Compared to the configuration of the first embodiment, a differential pressure sensor 17 that detects a pressure difference between the upstream and downstream of the circulation pump 7, and a differential pressure sensor 17. The fourth pressure sensor 11d is provided upstream of the first pressure sensor. The output signals of these sensors 17 and 11d are sent to the controller 20.

図10は、本実施形態の制御内容を説明するためのフローチャートである。   FIG. 10 is a flowchart for explaining the control contents of the present embodiment.

ステップS11からステップS15までの内容は、第1の実施形態の制御内容と同様であり、説明は省略する。   The contents from step S11 to step S15 are the same as the control contents of the first embodiment, and a description thereof will be omitted.

続くステップS41では、アノード1aに供給する水素供給量を演算する。水素供給量の演算は、水素供給制御弁5の上流側及び下流側の圧力を検出する第1、第2の圧力センサ11a、11bの検出に基づいて演算される。また、演算された水素供給量に基づいてバイパス流路6からアノード1aに循環する排アノードガスの流量が演算される。この排アノードガスの循環流量は、演算された水素供給量に対して30%以下になるように循環ポンプ7の吐出量により制御される。循環ポンプ7の目標吐出量は、設置された差圧センサ17と第4の圧力センサ11dの検出値と循環ポンプ7の性能とに基づいて決定される。ここで流量は、質量流量を示す。なお、本実施形態では各種センサを用いて制御を行ったが、センサを用いずに燃料電池1や水素が流通する流路の圧損を推定して、循環ポンプ7の目標吐出量を設定してもよい。   In the subsequent step S41, the amount of hydrogen supplied to the anode 1a is calculated. The hydrogen supply amount is calculated based on the detection of the first and second pressure sensors 11 a and 11 b that detect the pressures on the upstream side and the downstream side of the hydrogen supply control valve 5. Further, the flow rate of the exhaust anode gas circulating from the bypass flow path 6 to the anode 1a is calculated based on the calculated hydrogen supply amount. The circulation flow rate of the exhaust anode gas is controlled by the discharge amount of the circulation pump 7 so as to be 30% or less with respect to the calculated hydrogen supply amount. The target discharge amount of the circulation pump 7 is determined based on the detected values of the installed differential pressure sensor 17 and the fourth pressure sensor 11d and the performance of the circulation pump 7. Here, the flow rate indicates a mass flow rate. In the present embodiment, control is performed using various sensors, but the pressure loss of the flow path through which the fuel cell 1 and hydrogen flow is estimated without using the sensor, and the target discharge amount of the circulation pump 7 is set. Also good.

水素供給量は、図11に示すように、アノード入口の圧力が上がるほど低下する傾向にあり、この傾向に応じて循環ポンプ7の吐出量を制御する。   As shown in FIG. 11, the hydrogen supply amount tends to decrease as the anode inlet pressure increases, and the discharge amount of the circulation pump 7 is controlled in accordance with this tendency.

この実施形態では、水素供給制御弁5の前後での圧力差から、供給される水素供給量を演算し、演算された水素供給量に応じて、バイパス流路6からアノード1aに循環する排アノードガスの流量を設定することにより、水素や空気等の気体濃度を検出することなく、アノード入口での水素流量や排アノードガス流量を管理してカーボンの腐食を防止することができる。   In this embodiment, the supplied hydrogen supply amount is calculated from the pressure difference before and after the hydrogen supply control valve 5, and the exhaust anode circulated from the bypass flow path 6 to the anode 1a according to the calculated hydrogen supply amount. By setting the gas flow rate, it is possible to prevent the corrosion of carbon by managing the hydrogen flow rate and the exhaust anode gas flow rate at the anode inlet without detecting the gas concentration such as hydrogen or air.

これまでの実施形態では、バイパス流路6を通じて排アノードガスを循環させるために循環ポンプ7を設置したが、循環ポンプ7の流量可変制御に換えて、バイパス流路6内に水素を供給するイジェクタを備えてもよい。   In the embodiments so far, the circulation pump 7 is installed to circulate the exhaust anode gas through the bypass flow path 6. However, instead of the flow rate variable control of the circulation pump 7, an ejector that supplies hydrogen into the bypass flow path 6. May be provided.

したがって本実施形態では、外部から水素が供給されるアノード1aから排出される排アノードガスをアノード1aに循環するバイパス流路を備えた燃料電池システムにおいて、前記アノード1aに供給される前記水素と排アノードガスとからなる混合ガスのガス組成を制御するガス組成制御手段と、排アノードガスの外部への排出を制御するガス排出制御手段と、前記ガス組成制御手段と前記ガス排出制御手段を制御するコントローラを備え、前記アノード1a内に酸化剤ガスが存在し、前記燃料電池に接続する回路に電流が流れない無負荷の状態から起動する場合に、前記コントローラは、前記ガス排出制御弁を閉じ、前記アノード1aに供給される前記混合ガスを構成するガスの濃度が所定濃度になるように前記ガス組成制御手段を制御するため、前記起動時に排アノードガスをバイパス流路を通じて循環させることで、水素が外部に放出されることを防止して燃料電池システムの発電効率の低下を抑止できる。また、アノード1aに供給する混合ガスの水素濃度を所定濃度以上となるようにガス組成制御手段を制御するため、カソード1bでの炭素腐食を防止し、燃料電池の劣化を抑制することができる。   Therefore, in the present embodiment, in the fuel cell system having a bypass flow path for circulating the exhaust anode gas exhausted from the anode 1a supplied with hydrogen from the outside to the anode 1a, the hydrogen supplied to the anode 1a and the exhaust gas are exhausted. A gas composition control means for controlling the gas composition of the mixed gas comprising the anode gas; a gas discharge control means for controlling the discharge of the exhaust anode gas to the outside; and the gas composition control means and the gas discharge control means are controlled. Provided with a controller, when the oxidant gas is present in the anode 1a, and when starting from a no-load state in which no current flows in a circuit connected to the fuel cell, the controller closes the gas discharge control valve, The gas composition control means is controlled so that the concentration of the gas constituting the mixed gas supplied to the anode 1a becomes a predetermined concentration. To order, the exhaust anode gas by circulating through the bypass passage when starting, the hydrogen can reduce a decrease in the power generation efficiency of the fuel cell system to prevent from being emitted to the outside. Further, since the gas composition control means is controlled so that the hydrogen concentration of the mixed gas supplied to the anode 1a is equal to or higher than the predetermined concentration, carbon corrosion at the cathode 1b can be prevented and deterioration of the fuel cell can be suppressed.

図13は、第5の実施形態の構成図である。   FIG. 13 is a configuration diagram of the fifth embodiment.

本実施形態は、図1に示す第1の実施形態の構成と比較して、水素濃度センサ12が酸素濃度センサ31に変更されたこと、ガス放出流路2bがパージ弁8の下流で空気放出流路3bの空気調圧弁9上流と合流する構成としたことが異なる。また、水素タンク元弁3、減圧弁4及び第1圧力センサ11aを構成から廃止した。   Compared with the configuration of the first embodiment shown in FIG. 1, the present embodiment is that the hydrogen concentration sensor 12 is changed to the oxygen concentration sensor 31, and the gas discharge flow path 2 b is released from the purge valve 8 at the downstream side. The difference is that the upstream side of the air pressure regulating valve 9 in the flow path 3b is joined. Further, the hydrogen tank main valve 3, the pressure reducing valve 4, and the first pressure sensor 11a are eliminated from the configuration.

このような構成で本実施形態では、バイパス流路6を介して循環する排アノードガス流量を安定的に制御しうる最大の循環量でアノードに循環するようにしたことを特徴とする。   With this configuration, the present embodiment is characterized in that the exhaust anode gas circulated through the bypass passage 6 is circulated to the anode with the maximum circulation amount that can be stably controlled.

図14は、コントローラ20が実施する本実施形態の燃料電池システム起動時の制御内容を説明するフローチャートである。この起動時制御は、アノード1a内、水素供給流路2a内及びバイパス流路6に酸化剤ガス(空気)が存在する無負荷状態からの起動時に実施される制御である。   FIG. 14 is a flowchart for explaining the contents of control performed by the controller 20 when the fuel cell system according to this embodiment is started. This start-up control is a control that is performed during start-up from a no-load state in which oxidant gas (air) is present in the anode 1a, the hydrogen supply flow path 2a, and the bypass flow path 6.

なお、燃料電池1起動時にアノード1a内に存在する酸化剤ガスは、燃料電池の停止中に外部から進入してきた空気や、カソード1bから電解質膜を介してアノード1aにクロスリークしてきた空気等である。   The oxidant gas present in the anode 1a when the fuel cell 1 is started is air that has entered from the outside while the fuel cell is stopped, air that has cross-leaked from the cathode 1b to the anode 1a through the electrolyte membrane, or the like. is there.

また、本実施形態の起動時制御を開始する前(つまり、燃料電池システム停止中)の状態は、全ての構成が停止した状態である。また、パージ弁8は開、水素供給制御弁5は閉、空気調圧弁9は開の状態として、以下説明する。   Further, the state before the start-up control of the present embodiment is started (that is, when the fuel cell system is stopped) is a state in which all the components are stopped. The purge valve 8 is opened, the hydrogen supply control valve 5 is closed, and the air pressure regulating valve 9 is opened.

まず、ステップS51において、燃料電池システムの起動を判定するトリガーがオンかどうかを判定する。起動判定のトリガーとしては、例えばメインスイッチ15がオン状態であることが想定される。トリガーがオンであればステップS52に進み、オフであれば制御を終了する。ステップS52においてパージ弁8を閉じ、アノードから排出される排アノードガスがバイパス流路6を通じてアノードに循環されるようにする。パージ弁8を閉じることで、後述のステップS57で供給される水素が外部に放出されることがない。続くステップS53にてコンプレッサ10を起動する。コンプレッサ10は、後述するアイドル状態相当の回転数に制御される。   First, in step S51, it is determined whether or not a trigger for determining activation of the fuel cell system is on. As a trigger for the activation determination, for example, it is assumed that the main switch 15 is in an on state. If the trigger is on, the process proceeds to step S52, and if it is off, the control is terminated. In step S52, the purge valve 8 is closed so that the exhausted anode gas discharged from the anode is circulated to the anode through the bypass passage 6. By closing the purge valve 8, hydrogen supplied in step S57 described later is not released to the outside. In step S53, the compressor 10 is activated. The compressor 10 is controlled to a rotational speed corresponding to an idle state described later.

次に、ステップS54で循環ポンプ7を起動する。ここで、循環ポンプ7の回転数は、安定して制御可能な通常運転時の最大回転数に制御する。ステップS55で循環ポンプ7の回転数を図示しない回転数センサ等で検出して、最大回転数に安定的に収束したかどうかを判定する。収束した場合にはステップS56に進み、収束していない場合には収束するまで制御を維持し、判定を繰り返す。ステップS56では空気調圧弁9の開度を絞り、カソード内の昇圧を開始する。続いてステップS57で水素供給制御弁5が開かれ、燃料電池1のアノードへの水素供給が開始される。   Next, the circulation pump 7 is started at step S54. Here, the rotation speed of the circulation pump 7 is controlled to the maximum rotation speed during normal operation that can be stably controlled. In step S55, the rotational speed of the circulation pump 7 is detected by a rotational speed sensor or the like (not shown), and it is determined whether or not it has converged stably to the maximum rotational speed. If it has converged, the process proceeds to step S56. If it has not converged, the control is maintained until it converges, and the determination is repeated. In step S56, the opening degree of the air pressure regulating valve 9 is reduced, and pressure increase in the cathode is started. Subsequently, in step S57, the hydrogen supply control valve 5 is opened, and supply of hydrogen to the anode of the fuel cell 1 is started.

次に、ステップS58で水素供給開始後の経過時間が所定時間を経過したかどうかを判定する。ここで所定時間は、アノードへ水素が行き渡ったと予想される時間を予め実験等により求めておき、得られた所定時間に設定する。所定時間が経過した時にステップS59に進み、燃料電池1より電流の取り出しを開始する。ここでは、アイドル状態相当の微小な負荷電流の取り出しを行う。   Next, in step S58, it is determined whether or not a predetermined time has elapsed since the start of hydrogen supply. Here, the predetermined time is set to the predetermined time obtained by obtaining in advance an experiment or the like the time when hydrogen is expected to reach the anode. When the predetermined time has elapsed, the process proceeds to step S59, where current extraction from the fuel cell 1 is started. Here, a minute load current corresponding to the idle state is taken out.

続いてS60において、酸素濃度センサ31の出力を読み込み、検出した酸素濃度が所定値(例えば6%)以下に達したかどうかを判定し、6%以下になったらS61に移行する。ここでは6%としたが、後述する劣化実験結果によれば6%以下の濃度であればよい。S61において、循環ポンプ7の回転数をアイドル状態相当の回転数まで低減し、本起動時制御は終了し、通常運転へと移行する。ここでアイドル状態相当の回転数とは、燃料電池システムが発電可能状態にあり、かつ外部負荷等へ電力を供給する電力供給状態にないアイドル状態での回転数である。   Subsequently, in S60, the output of the oxygen concentration sensor 31 is read to determine whether or not the detected oxygen concentration has reached a predetermined value (for example, 6%) or less, and when it becomes 6% or less, the process proceeds to S61. Here, the concentration is set to 6%. However, according to a deterioration experiment result described later, the concentration may be 6% or less. In S61, the rotational speed of the circulation pump 7 is reduced to a rotational speed corresponding to the idle state, the start-up control is terminated, and the process proceeds to a normal operation. Here, the number of revolutions corresponding to the idle state is the number of revolutions in the idle state in which the fuel cell system is in a power generation enabled state and is not in a power supply state for supplying power to an external load or the like.

尚、本実施形態では循環ポンプ7の最大回転数という表現を使用したが、1つの回転数に限定されるわけではなく、最大回転数近傍の回転数を含むことは言うまでもない。例えば、図15においては循環ポンプ7の実際の最大回転数は12000(rpm)であるが、本実施形態の説明上の最大回転数は、例えば10000〜12000(rpm)という範囲で定義される。   In the present embodiment, the expression of the maximum number of rotations of the circulation pump 7 is used. However, it is not limited to one number of rotations, and it goes without saying that the number of rotations near the maximum number of rotations is included. For example, in FIG. 15, the actual maximum rotational speed of the circulation pump 7 is 12000 (rpm), but the maximum rotational speed for explanation of the present embodiment is defined within a range of, for example, 10000 to 12000 (rpm).

図15にカソード出口で計測された二酸化炭素排出量と循環ポンプ7の回転数との関係を示す。これは、循環ポンプ7の回転数を所定の回転数に安定して制御した状態で、水素供給制御弁5を開いて水素昇圧を開始し、燃料電池1のアノードに水素を供給した場合における、カソードからの二酸化炭素の排出量と循環ポンプ7の回転数との関係を示す。   FIG. 15 shows the relationship between the carbon dioxide emission measured at the cathode outlet and the rotational speed of the circulation pump 7. This is the case where the hydrogen supply control valve 5 is opened to start hydrogen pressure increase and hydrogen is supplied to the anode of the fuel cell 1 in a state where the rotation speed of the circulation pump 7 is stably controlled to a predetermined rotation speed. The relationship between the discharge amount of carbon dioxide from the cathode and the rotational speed of the circulation pump 7 is shown.

この結果は、燃料電池1のカソードには一定流量の空気を流し、カソード出口に設けたガス分析器にてカソードから排出された空気中に含まれる二酸化炭素の排出量(空気供給時に含まれていたCO2を除く)を測定したものである。 As a result, a constant flow rate of air is allowed to flow through the cathode of the fuel cell 1, and the amount of carbon dioxide contained in the air discharged from the cathode by the gas analyzer provided at the cathode outlet (included when air is supplied). (Excluding CO 2 ).

循環ポンプ7の回転数のみを4000、8000、12000(rpm)と変化させて他の試験条件は同じとした場合、循環ポンプ7の回転数を増すとカソード出口から排出される二酸化炭素量が著しく低減することが分かる。この二酸化炭素の排出は、下式に示されるカソードにおけるカーボン腐食に起因すると考えられる。つまり、循環ポンプ7の回転数を増大することで、空気を含む水素(排アノードガス)の循環量が増加してアノードにおいて残存空気が素早く消費され、カソードにおいて発生する下式で示されるカーボン腐食反応が抑制されるため、二酸化炭素の排出量が減少するのである。   When only the rotation speed of the circulation pump 7 is changed to 4000, 8000, and 12000 (rpm) and the other test conditions are the same, the amount of carbon dioxide discharged from the cathode outlet is remarkably increased when the rotation speed of the circulation pump 7 is increased. It turns out that it reduces. This emission of carbon dioxide is considered to be caused by carbon corrosion at the cathode shown in the following formula. That is, by increasing the number of revolutions of the circulation pump 7, the circulation amount of hydrogen containing hydrogen (exhaust anode gas) is increased, and the remaining air is quickly consumed at the anode, and the carbon corrosion expressed by the following equation is generated at the cathode. Since the reaction is suppressed, carbon dioxide emissions are reduced.

C+2H2O→CO2+4H++4e- (3)
次に、燃料電池1を構成する単セルのカソードに一定流量の空気を供給し、アノードに所定の比率で混合した水素と空気の混合ガスをそれぞれ供給した場合の、カソードから排出される空気(排カソードガス)中の二酸化炭素量を測定した結果を図16に示す。
C + 2H 2 O → CO 2 + 4H + + 4e (3)
Next, air discharged from the cathode when a constant flow rate of air is supplied to the cathode of the single cell constituting the fuel cell 1 and a mixed gas of hydrogen and air mixed at a predetermined ratio is supplied to the anode ( The results of measuring the amount of carbon dioxide in the exhaust cathode gas) are shown in FIG.

この結果によれば、アノードに供給される水素/空気濃度比によって、カソードから排出される二酸化炭素量は大きく変化し、水素/空気=10/90%〜70/30%の間で二酸化炭素の排出が確認され、水素濃度70%以上では二酸化炭素の排出がほぼ0になることが分かる。ここで、水素/空気=70/30%の場合は水素/窒素/酸素=70/24/6%に相当するため、上述のステップS60の酸素濃度の所定値6%が設定される。尚、この二酸化炭素発生も上述の(3)式と同じ反応機構であり、カソードの劣化の指標となる。また、本実施形態では酸素濃度を用いて二酸化炭素の排出判定をしたが、酸素濃度に代えて水素濃度を用いて判定するようにしてもよい。   According to this result, the amount of carbon dioxide exhausted from the cathode varies greatly depending on the hydrogen / air concentration ratio supplied to the anode, and hydrogen / air = 10/90% to 70/30%. Emission is confirmed, and it can be seen that the emission of carbon dioxide becomes almost zero when the hydrogen concentration is 70% or more. Here, since hydrogen / air = 70/30% corresponds to hydrogen / nitrogen / oxygen = 70/24/6%, the predetermined value 6% of the oxygen concentration in step S60 is set. This carbon dioxide generation is also the same reaction mechanism as the above equation (3), and is an indicator of cathode deterioration. In this embodiment, the carbon dioxide emission determination is performed using the oxygen concentration. However, the determination may be performed using the hydrogen concentration instead of the oxygen concentration.

起動時の水素供給前の段階において、燃料電池1のアノード内、水素供給経路としての水素供給流路2a内及びバイパス流路6内には、酸素が含まれている可能性がある。このような状態から、水素を供給すると、アノード内及び水素供給経路2a、6内には水素と酸素が共存した混合ガスが流通することになる。この混合ガスがバイパス流路6を通じて排アノードガスとしてアノードに循環され、カソードの酸化劣化(カーボン担持体の腐食、触媒金属の溶出や粒成長など)が進行する恐れがある。そこで本実施形態では、燃料電池システムで実現可能な最大の循環量で水素をアノードに供給することで、アノードでの燃焼反応により短時間で速やかに残存酸素が消費されるため、代表として(3)式に示されるようなカソードの酸化劣化を最小限に抑制することができる。   In the stage before hydrogen supply at startup, oxygen may be contained in the anode of the fuel cell 1, the hydrogen supply flow path 2a as the hydrogen supply path, and the bypass flow path 6. When hydrogen is supplied from such a state, a mixed gas in which hydrogen and oxygen coexist flows in the anode and the hydrogen supply paths 2a and 6. This mixed gas is circulated to the anode as the exhaust anode gas through the bypass channel 6, and there is a risk that oxidation deterioration of the cathode (corrosion of the carbon support, elution of catalyst metal, grain growth, etc.) may proceed. Therefore, in this embodiment, by supplying hydrogen to the anode with the maximum circulation amount that can be realized in the fuel cell system, the remaining oxygen is consumed quickly in a short time due to the combustion reaction at the anode. The oxidation deterioration of the cathode as shown in the formula can be minimized.

また、循環ポンプ7の回転数を安定的に制御可能な範囲内での最大回転数近傍に設定することにより、アノードでの燃焼反応により短時間で速やかに残存酸素が消費されるため、容易な制御でカソードの酸化劣化を抑制することができる。   In addition, by setting the rotation speed of the circulation pump 7 in the vicinity of the maximum rotation speed within the range that can be stably controlled, the residual oxygen is consumed quickly in a short time due to the combustion reaction at the anode. Oxidation deterioration of the cathode can be suppressed by the control.

また、水素導入後、アノード近傍及び水素供給経路内の酸素濃度が0に近い所定濃度以下となった時点で、カソードの酸化劣化反応は抑えられるため、カソードの劣化の観点からは循環量を低減させても問題はない。従って、循環ポンプ7の動力を低減し、消費電力を抑制することができる。   In addition, after the introduction of hydrogen, when the oxygen concentration in the vicinity of the anode and in the hydrogen supply path falls below a predetermined concentration close to 0, the oxidation deterioration reaction of the cathode is suppressed, so the circulation rate is reduced from the viewpoint of cathode deterioration. There is no problem even if you let it. Therefore, the power of the circulation pump 7 can be reduced and power consumption can be suppressed.

図17は、第6の実施形態の構成図である。   FIG. 17 is a configuration diagram of the sixth embodiment.

本実施形態は、図13に示す第5の実施形態の構成と比較して、酸素濃度センサ31が削除された点が異なる。酸素濃度を検出する代わりに、予め酸素濃度が水素の供給開始時から所定の酸素濃度に達するまでの時間を実験等により求めておき、所定時間に達したら起動制御を終え、通常運転へ移行するようにしたものである。   This embodiment is different from the configuration of the fifth embodiment shown in FIG. 13 in that the oxygen concentration sensor 31 is deleted. Instead of detecting the oxygen concentration, the time until the oxygen concentration reaches the predetermined oxygen concentration from the start of hydrogen supply is obtained in advance by experiments, etc., and when it reaches the predetermined time, the start-up control is terminated and the operation proceeds to normal operation. It is what I did.

図18は、コントローラ20が実施する本実施形態の燃料電池システム起動時の制御内容を説明するフローチャートである。この起動時制御は、アノード1a内、水素供給流路2a内及びバイパス流路6に酸化剤ガス(空気)が存在する無負荷状態からの起動時に実施される制御である。   FIG. 18 is a flowchart for explaining the control contents at the time of starting the fuel cell system of the present embodiment that is implemented by the controller 20. This start-up control is a control that is performed during start-up from a no-load state in which oxidant gas (air) is present in the anode 1a, the hydrogen supply flow path 2a, and the bypass flow path 6.

なお、燃料電池1起動時にアノード1a内に存在する酸化剤ガスは、燃料電池の停止中に外部から進入してきた空気や、カソード1bから電解質膜を介してアノード1aにクロスリークしてきた空気等である。   The oxidant gas present in the anode 1a when the fuel cell 1 is started is air that has entered from the outside while the fuel cell is stopped, air that has cross-leaked from the cathode 1b to the anode 1a through the electrolyte membrane, or the like. is there.

また、本実施形態の起動時制御を開始する前(つまり、燃料電池システム停止中)の状態は、全ての構成が停止した状態である。また、パージ弁8は開、水素供給制御弁5は閉、空気調圧弁9は開の状態として、以下説明する。   Further, the state before the start-up control of the present embodiment is started (that is, when the fuel cell system is stopped) is a state in which all the components are stopped. The purge valve 8 is opened, the hydrogen supply control valve 5 is closed, and the air pressure regulating valve 9 is opened.

まず、ステップS61において、燃料電池システムの起動を判定するトリガーがオンかどうかを判定する。起動判定トリガーとしては、例えばメインスイッチ15がオン状態であることが想定できる。トリガーがオンであればステップS62に進み、オフであれば制御を終了する。ステップS62においてパージ弁8が閉じ、続くステップS63にてコンプレッサ10を起動する。コンプレッサ10は、前述のアイドル状態相当の回転数に制御される。   First, in step S61, it is determined whether or not a trigger for determining activation of the fuel cell system is on. As the activation determination trigger, for example, it can be assumed that the main switch 15 is in an on state. If the trigger is on, the process proceeds to step S62, and if it is off, the control is terminated. In step S62, the purge valve 8 is closed, and in step S63, the compressor 10 is started. The compressor 10 is controlled to a rotational speed corresponding to the idle state described above.

次に、ステップS64で循環ポンプ7を起動する。ここで、循環ポンプ7の停止状態から後述する所定の回転数に達するまでの循環ポンプ7の回転数の変化率(増加率)は、制御可能な略最大変化率で制御する。ステップS65では、循環ポンプ7の回転数が安定的に制御可能な通常運転時の最大回転数を超え、所定の回転数に制御されたかどうかを判定する。本実施形態での循環ポンプ7の所定の回転数は、第5の実施形態の安定的に制御可能な通常運転時の最大回転数より大きい回転数とする。このため、本実施形態の水素と酸素からなる混合ガスの循環量は第5の実施形態の循環量より多くできる。   Next, the circulation pump 7 is started at step S64. Here, the rate of change (increase rate) in the number of revolutions of the circulation pump 7 from the stop state of the circulation pump 7 until reaching a predetermined number of revolutions, which will be described later, is controlled at a substantially maximum changeable rate. In step S65, it is determined whether the rotational speed of the circulation pump 7 exceeds the maximum rotational speed during normal operation that can be stably controlled and is controlled to a predetermined rotational speed. The predetermined rotation speed of the circulation pump 7 in this embodiment is set to a rotation speed larger than the maximum rotation speed in the normal operation that can be stably controlled according to the fifth embodiment. For this reason, the circulation amount of the mixed gas composed of hydrogen and oxygen in this embodiment can be made larger than the circulation amount in the fifth embodiment.

第6の実施形態での循環ポンプ7の運転条件の一例を図19に示す。時刻t1で循環ポンプ7が起動し、最大変化率で回転数を上昇させる。時刻t2で通常運転領域の最大回転数を越え、制御上の不安定領域に入る。ここで通常運転領域は、安定的に回転数を制御できる領域であって、第5の実施形態の最大回転数は、この通常運転領域の最大回転数を意味する。不安定領域に入った循環ポンプ7の回転数は、制御上安定性に欠けるが所定の回転数になるように制御され、この時の循環ポンプ7の吐出量は通常領域の最大吐出量より多くなる。   An example of the operating conditions of the circulation pump 7 in the sixth embodiment is shown in FIG. At time t1, the circulation pump 7 is started and the rotational speed is increased at the maximum change rate. At time t2, the maximum rotational speed of the normal operation region is exceeded and the control enters an unstable region. Here, the normal operation area is an area in which the rotation speed can be stably controlled, and the maximum rotation speed in the fifth embodiment means the maximum rotation speed in the normal operation area. The rotational speed of the circulation pump 7 that has entered the unstable region is controlled to be a predetermined rotational speed, although it is not stable in terms of control. At this time, the discharge amount of the circulation pump 7 is larger than the maximum discharge amount in the normal region. Become.

続くステップS66では、水素供給制御弁5を開き、水素供給流路内の水素の圧力が昇圧してアノードへの水素供給を開始する。さらにステップS67で空気調圧弁9の開度を絞り、カソード内の空気圧力を昇圧させる。このとき、大気圧状態の水素及び空気を所定の圧力まで昇圧させる昇圧時間が最短時間となるように制御される。   In subsequent step S66, the hydrogen supply control valve 5 is opened, the pressure of hydrogen in the hydrogen supply flow path is increased, and hydrogen supply to the anode is started. Further, in step S67, the opening of the air pressure regulating valve 9 is narrowed to increase the air pressure in the cathode. At this time, the pressure increase time for increasing the pressure of hydrogen and air in the atmospheric pressure to a predetermined pressure is controlled to be the shortest time.

次に、ステップS68で水素供給開始後の経過時間が所定時間を経過したかどうかを判定する。ここで所定時間は、アノードへ水素が行き渡ったと予想される時間に設定する。所定時間が経過した時に、S69に進み、燃料電池1より電流の取り出しを開始する。ここでは、アイドル状態相当の微小な負荷電流の取り出しを行う。   Next, in step S68, it is determined whether or not the elapsed time after the start of hydrogen supply has passed a predetermined time. Here, the predetermined time is set to a time when hydrogen is expected to reach the anode. When the predetermined time has elapsed, the process proceeds to S69, where current extraction from the fuel cell 1 is started. Here, a minute load current corresponding to the idle state is taken out.

続くステップS70では、ステップS66での水素供給開始からの経過時間がアノード内に残存した酸素が消費されるのに必要な所定時間を越えたかどうかを判定する。ここで、アノード内に残存した酸素の濃度が6%以下になる時間を所定時間とする。経過時間が所定時間を超えた場合にはステップS71に進み、循環ポンプ7の回転数を前述のアイドル状態相当の回転数まで低下させて制御を終了する。   In subsequent step S70, it is determined whether or not the elapsed time from the start of hydrogen supply in step S66 has exceeded a predetermined time required for consumption of oxygen remaining in the anode. Here, the time during which the concentration of oxygen remaining in the anode is 6% or less is defined as a predetermined time. When the elapsed time exceeds the predetermined time, the process proceeds to step S71, where the rotational speed of the circulation pump 7 is reduced to the rotational speed corresponding to the aforementioned idle state, and the control is finished.

このような起動時制御とすることにより、本実施形態では第5の実施形態と同様に、燃料電池システムで実現可能な循環量で水素(排アノードガス)をアノードに導入することで、アノードでの燃焼反応により短時間で速やかに残存酸素が消費されるため、代表として(3)式に示されるようなカソードの酸化劣化を最小限に抑制することができる。   By adopting such start-up control, in this embodiment, as in the fifth embodiment, hydrogen (exhaust anode gas) is introduced into the anode in a circulation amount that can be realized in the fuel cell system, so that the anode Since the remaining oxygen is consumed quickly in a short time by this combustion reaction, the oxidative deterioration of the cathode as represented by the equation (3) can be minimized.

また、制御上安定的に制御できる通常運転条件の最大回転数よりも高い回転数で循環ポンプ7を運転して水素をアノードに供給することで、容易な制御でより多くの水素をアノードに供給し、アノードでの燃焼反応によりさらに短時間で速やかに残存酸素が消費されるため、(3)式に示されるようなカソードでの酸化劣化を一層抑制することができる。   In addition, by supplying the hydrogen to the anode by operating the circulation pump 7 at a rotational speed higher than the maximum rotational speed under normal operating conditions that can be controlled stably, more hydrogen is supplied to the anode with easy control. In addition, since the remaining oxygen is rapidly consumed in a shorter time due to the combustion reaction at the anode, it is possible to further suppress the oxidative deterioration at the cathode as shown in the formula (3).

また、起動時に、循環ポンプ7の回転数を所定の回転数まで上げる際に、その回転数の変化率を制御可能な範囲で略最大変化率に制御することにより、短時間で回転数を所定回転数まで高くすることができる。   Further, when starting up, when the rotational speed of the circulation pump 7 is increased to a predetermined rotational speed, the rotational speed is controlled to a substantially maximum change rate within a controllable range so that the rotational speed can be determined in a short time. The rotational speed can be increased.

更に、水素圧力が所定の圧力に達するまでの昇圧時間を制御可能な最短時間となるように制御することにより、より多くの燃料が短時間に燃料電池1のアノードに供給されるため、残存する酸素と水素がアノードにおいて短時間で速やかに燃焼反応を起こして酸素が消費される。従って、(3)式に示されるようなカソードの酸化劣化を抑制することができる。   Further, by controlling the pressure increase time until the hydrogen pressure reaches a predetermined pressure to be the shortest controllable time, more fuel is supplied to the anode of the fuel cell 1 in a short time, and therefore remains. Oxygen and hydrogen are consumed quickly by causing a combustion reaction in the anode in a short time. Therefore, it is possible to suppress the oxidative deterioration of the cathode as shown in the expression (3).

また、水素供給開始からの経過時間により酸素濃度が所定低減まで低減したと推定するため、濃度センサを設ける必要がなく、システムの低コスト化を図ることができる。   Further, since it is estimated that the oxygen concentration has been reduced to a predetermined reduction with the elapsed time from the start of hydrogen supply, it is not necessary to provide a concentration sensor, and the cost of the system can be reduced.

図20は、第7の実施形態の構成図である。   FIG. 20 is a configuration diagram of the seventh embodiment.

本実施形態は、図13に示す第5の実施形態の構成と比較して、酸素濃度センサ31を削除し、カソードから排出されるガス中の二酸化炭素濃度を検出する濃度センサ36を空気放出流路3bに設置し、またバイパス流路6の循環ポンプ7の上流側の一部を迂回する第2バイパス流路32を設けた点が異なる。この第2バイパス流路32には、補助循環ポンプ33と、その上下流に制御弁34、35が設置される。ここで、濃度センサ36の出力はコントローラ20に入力され、補助循環ポンプ33と制御弁34、35はコントローラ20により制御される。本実施形態は、2機の循環ポンプ7、33を協働して循環量を高めることで、カソードの劣化を抑制するものである、
図21は、コントローラ20が実施する本実施形態の燃料電池システム起動時の制御内容を説明するフローチャートである。この起動時制御は、アノード1a内、水素供給流路2a内及びバイパス流路6に酸化剤ガス(空気)が存在する無負荷状態からの起動時に実施される制御である。
Compared with the configuration of the fifth embodiment shown in FIG. 13, this embodiment eliminates the oxygen concentration sensor 31, and uses a concentration sensor 36 that detects the carbon dioxide concentration in the gas discharged from the cathode as an air discharge flow. The difference is that a second bypass flow path 32 is provided which is installed in the path 3b and bypasses a part of the bypass flow path 6 on the upstream side of the circulation pump 7. In the second bypass passage 32, an auxiliary circulation pump 33 and control valves 34 and 35 are installed upstream and downstream thereof. Here, the output of the concentration sensor 36 is input to the controller 20, and the auxiliary circulation pump 33 and the control valves 34 and 35 are controlled by the controller 20. In the present embodiment, the deterioration of the cathode is suppressed by increasing the circulation amount in cooperation with the two circulation pumps 7 and 33.
FIG. 21 is a flowchart for explaining the control contents at the time of starting the fuel cell system of the present embodiment, which is performed by the controller 20. This start-up control is a control that is performed during start-up from a no-load state in which oxidant gas (air) is present in the anode 1a, the hydrogen supply passage 2a, and the bypass passage 6.

なお、燃料電池1起動時にアノード1a内に存在する酸化剤ガスは、燃料電池の停止中に外部から進入してきた空気や、カソード1bから電解質膜を介してアノード1aにクロスリークしてきた空気等である。   The oxidant gas present in the anode 1a when the fuel cell 1 is started is air that has entered from the outside while the fuel cell is stopped, air that has cross-leaked from the cathode 1b to the anode 1a through the electrolyte membrane, or the like. is there.

また、本実施形態の起動時制御を開始する前(つまり、燃料電池システム停止中)の状態は、全ての構成が停止した状態である。また、パージ弁8は開、水素供給制御弁5は閉、空気調圧弁9は開の状態として、以下説明する。   Further, the state before the start-up control of the present embodiment is started (that is, when the fuel cell system is stopped) is a state in which all the components are stopped. The purge valve 8 is opened, the hydrogen supply control valve 5 is closed, and the air pressure regulating valve 9 is opened.

まず、ステップS81において、燃料電池システムの起動を判定するトリガーがオンかどうかを判定する。トリガーとしては、例えばメインスイッチ15がオン状態であることが想定できる。起動判定のトリガーがオンであればステップS82に進み、オフであれば制御を終了する。ステップS82においてパージ弁8が閉じ、続くステップS83にてコンプレッサ10を稼働する。コンプレッサ10は、前述のアイドル状態相当の回転数に制御される。   First, in step S81, it is determined whether or not a trigger for determining activation of the fuel cell system is on. As a trigger, for example, it can be assumed that the main switch 15 is in an ON state. If the activation determination trigger is on, the process proceeds to step S82, and if it is off, the control is terminated. In step S82, the purge valve 8 is closed, and in step S83, the compressor 10 is operated. The compressor 10 is controlled to a rotational speed corresponding to the idle state described above.

次に、ステップS84で循環ポンプ7を稼動する。ここで、循環ポンプ7の回転数の変化率(増加率)は、制御可能な略最大変化率で制御する。ステップS85では、循環ポンプ7の回転数が制御可能な最大回転数を超え、所定の回転数に制御されたかどうかを判定する。制御されている場合にはステップS86に進む。本実施形態での循環ポンプ7の所定の回転数は、第6の実施形態と同様に制御され、このため循環ポンプ7の吐出量は、第5の実施形態の吐出量より多くなる。   Next, the circulation pump 7 is operated at step S84. Here, the rate of change (increase rate) of the rotational speed of the circulation pump 7 is controlled at a substantially controllable maximum rate of change. In step S85, it is determined whether the rotation speed of the circulation pump 7 exceeds the controllable maximum rotation speed and is controlled to a predetermined rotation speed. If it is controlled, the process proceeds to step S86. The predetermined number of rotations of the circulation pump 7 in this embodiment is controlled in the same manner as in the sixth embodiment. For this reason, the discharge amount of the circulation pump 7 is larger than the discharge amount in the fifth embodiment.

続くステップS86で、補助循環ポンプ33の上下流に設置した制御弁34、35を開き、ステップS87で補助循環ポンプ33を稼動する。ここで、補助循環ポンプ33の回転数の変化率(増加率)は、循環ポンプ7と同様に、制御可能な略最大変化率で制御する。また、補助循環ポンプ33の回転数も、循環ポンプ7と同様に制御の安定性に欠けるが、安定した制御が可能な最大回転数より大きい所定の回転数になるように制御される。   In subsequent step S86, the control valves 34 and 35 installed upstream and downstream of the auxiliary circulation pump 33 are opened, and in step S87, the auxiliary circulation pump 33 is operated. Here, the rate of change (increase rate) of the rotational speed of the auxiliary circulation pump 33 is controlled at a substantially controllable maximum rate of change, as with the circulation pump 7. The rotational speed of the auxiliary circulation pump 33 is also controlled to be a predetermined rotational speed that is higher than the maximum rotational speed at which stable control is possible, although the control stability is lacking as in the case of the circulation pump 7.

そして、ステップS88で、補助循環ポンプ33の回転数が制御可能な最大回転数を超え、所定の回転数に制御されたかどうかを判定する。制御されている場合にステップS89に進み、ステップS89では、水素供給制御弁5を開き、水素供給流路内の水素の圧力が昇圧してアノードへの水素供給を開始する。   In step S88, it is determined whether the rotational speed of the auxiliary circulation pump 33 exceeds the controllable maximum rotational speed and is controlled to a predetermined rotational speed. If it is controlled, the process proceeds to step S89. In step S89, the hydrogen supply control valve 5 is opened, the hydrogen pressure in the hydrogen supply flow path is increased, and hydrogen supply to the anode is started.

さらにステップS90で空気調圧弁9の開度を絞り、カソード内の空気圧力を昇圧させる。このとき、大気圧状態の水素及び空気を所定の圧力まで昇圧させる昇圧時間が最短時間となるように制御される。   Further, in step S90, the opening of the air pressure regulating valve 9 is throttled to increase the air pressure in the cathode. At this time, the pressure increase time for increasing the pressure of hydrogen and air in the atmospheric pressure to a predetermined pressure is controlled to be the shortest time.

次に、ステップS91で水素供給開始後の経過時間が所定時間を経過したかどうかを判定する。ここで所定時間は、アノードへ水素が行き渡ったと予想される時間に設定する。所定時間が経過した時に、S92に進み、燃料電池1より電流の取り出しを開始する。ここでは、アイドル状態相当の微小な負荷電流の取り出しを行う。   Next, in step S91, it is determined whether the elapsed time after the start of hydrogen supply has passed a predetermined time. Here, the predetermined time is set to a time when hydrogen is expected to reach the anode. When the predetermined time has elapsed, the process proceeds to S92, where current extraction from the fuel cell 1 is started. Here, a minute load current corresponding to the idle state is taken out.

続くステップS93では、濃度センサ36の検出値を読み込み、二酸化炭素濃度が所定濃度以下になったかどうかを判定する。所定濃度(例えば1%)以下になた場合には、二酸化炭素濃度が下限まで低減したと判定し、ステップS94に進む。ステップS89でアノードに水素を供給した直後は、カソードのカーボン腐食に伴い二酸化炭素が発生する。その後に、水素供給経路内の酸素を消費したら二酸化炭素濃度は低くなり、空気中の二酸化炭素濃度である約1%に収束する。   In the subsequent step S93, the detection value of the concentration sensor 36 is read to determine whether or not the carbon dioxide concentration has become equal to or lower than a predetermined concentration. When the concentration is lower than a predetermined concentration (for example, 1%), it is determined that the carbon dioxide concentration has been reduced to the lower limit, and the process proceeds to step S94. Immediately after supplying hydrogen to the anode in step S89, carbon dioxide is generated due to carbon corrosion of the cathode. Thereafter, when the oxygen in the hydrogen supply path is consumed, the carbon dioxide concentration decreases and converges to about 1%, which is the carbon dioxide concentration in the air.

ステップS94では、循環ポンプ7の回転数を前述のアイドル状態相当の回転数まで低下させ、ステップS95では、補助循環ポンプ33の運転を停止する。そしてステップS96で制御弁34、35を閉じて制御を終了する。   In step S94, the rotational speed of the circulation pump 7 is reduced to the rotational speed corresponding to the aforementioned idle state, and in step S95, the operation of the auxiliary circulation pump 33 is stopped. In step S96, the control valves 34 and 35 are closed to finish the control.

図22は、水素供給流路2aとバイパス流路6との分岐(以下、A点という。図20を参照)〜燃料電池1〜第1、第2バイパス流路6、32を流れるガスの圧力(静圧)の変化を示す図である。   FIG. 22 shows the pressure of the gas flowing through the branch between the hydrogen supply channel 2a and the bypass channel 6 (hereinafter referred to as point A; see FIG. 20) to the fuel cell 1 to the first and second bypass channels 6 and 32. It is a figure which shows the change of (static pressure).

A点より燃料電池1に向けてガスが流れ、その際に水素供給流路2aを形成する配管で圧力損失が生じ、燃料電池1内ではより大きな圧力損失が生じる。その後、燃料電池1から流出したガスは第2バイパス流路32に流入して、第2バイパス流路32に設置された補助循環ポンプ33の揚程により圧力が上昇する。その後、バイパス流路6、第2バイパス流路32の配管による圧力損失で圧力が低下するが、再び水素循環ポンプ7で昇圧し、配管による圧力損失が発生してA点に戻る。   A gas flows from the point A toward the fuel cell 1, and at that time, a pressure loss occurs in the piping that forms the hydrogen supply channel 2 a, and a larger pressure loss occurs in the fuel cell 1. Thereafter, the gas flowing out of the fuel cell 1 flows into the second bypass flow path 32, and the pressure rises due to the lift of the auxiliary circulation pump 33 installed in the second bypass flow path 32. Thereafter, the pressure drops due to the pressure loss caused by the piping of the bypass flow path 6 and the second bypass flow path 32, but the pressure is again increased by the hydrogen circulation pump 7, and the pressure loss due to the piping is generated to return to the point A.

ここで、仮に補助循環ポンプ33の設置位置を第2バイパス流路32ではなくバイパス流路6の循環ポンプ7近傍の上流側に設置したと想定する。ここで循環ポンプ33の燃料電池1の出口からの距離は、実施形態で説明した位置より想定した仮の位置の方が遠くなるように設置される。この場合の圧力変化を図22の点線で示す。この比較からわかるように、燃料電池1の内部における圧力は、補助循環ポンプ33の位置により変化し、燃料電池1の出口直後に循環ポンプを設けた方が、燃料電池1の内部圧力が低くできる。同じく、循環ポンプ7が燃料電池1の出口直後に配置しても同様の作用が期待される。   Here, it is assumed that the auxiliary circulation pump 33 is installed not at the second bypass passage 32 but at the upstream side of the bypass passage 6 in the vicinity of the circulation pump 7. Here, the distance from the outlet of the fuel cell 1 of the circulation pump 33 is set so that the assumed position is farther than the position described in the embodiment. The pressure change in this case is indicated by a dotted line in FIG. As can be seen from this comparison, the pressure inside the fuel cell 1 varies depending on the position of the auxiliary circulation pump 33, and the internal pressure of the fuel cell 1 can be lowered if the circulation pump is provided immediately after the outlet of the fuel cell 1. . Similarly, the same effect can be expected even if the circulation pump 7 is arranged immediately after the outlet of the fuel cell 1.

しかしながら、一方で通常運転時は循環ポンプ7のみを利用するため、水素圧力が高い方が燃料電池1の出力性能は高くなる。このため、起動時しか利用しない補助循環ポンプ33を燃料電池1の出口直後に配置し、循環ポンプ7は出口から遠い位置に配置することが望ましい。このように、燃料電池1の出口直後に補助循環ポンプ33を設けることで燃料電池1への水素導入がより短時間で行うことができる。   However, since only the circulation pump 7 is used during normal operation, the output performance of the fuel cell 1 is higher when the hydrogen pressure is higher. For this reason, it is desirable that the auxiliary circulation pump 33 that is used only at the time of start-up is arranged immediately after the outlet of the fuel cell 1, and the circulation pump 7 is arranged at a position far from the outlet. Thus, by providing the auxiliary circulation pump 33 immediately after the outlet of the fuel cell 1, hydrogen can be introduced into the fuel cell 1 in a shorter time.

本実施形態では、第6の実施形態に記載した効果に加えて、以下の効果が期待できる。
即ち、通常運転時の循環ポンプ7に加え、起動用の補助循環ポンプ33を設けたことにより、起動時の循環量を増加し、アノードでの燃焼反応によりアノード中の酸素を短時間で消費し、(3)式に示されるようなカソード中の酸化劣化を抑制することができる。
In this embodiment, the following effects can be expected in addition to the effects described in the sixth embodiment.
In other words, in addition to the circulation pump 7 during normal operation, the auxiliary circulation pump 33 for activation is provided, thereby increasing the circulation amount at the time of activation and consuming oxygen in the anode in a short time due to the combustion reaction at the anode. The oxidation deterioration in the cathode as shown in the equation (3) can be suppressed.

また、酸化劣化としてのカーボン担持体の腐食は、前述の(3)式の反応で生じるため、カソードがら排出されるガス中の二酸化炭素濃度を濃度センサ36で測定することで循環量の低減を判断することができる。   Further, the corrosion of the carbon support as oxidation deterioration occurs in the reaction of the above-described equation (3). Therefore, by measuring the carbon dioxide concentration in the gas discharged from the cathode with the concentration sensor 36, the circulation amount can be reduced. Judgment can be made.

更に、補助循環ポンプ33をバイパス経路6、33の燃料電池1の燃料出口近傍に設けることにより、燃料電池1の入口近傍に設けた場合に比べて、吸引負圧作用により燃料電池1のアノード近傍及び燃料電池1出口近傍の圧力が相対的に低くなる。従って、燃料電池1への水素供給時間が短くできる。   Furthermore, by providing the auxiliary circulation pump 33 in the vicinity of the fuel outlet of the fuel cell 1 in the bypass paths 6 and 33, the suction negative pressure action causes the vicinity of the anode of the fuel cell 1 as compared with the case where it is provided in the vicinity of the inlet of the fuel cell 1. And the pressure near the outlet of the fuel cell 1 is relatively low. Therefore, the hydrogen supply time to the fuel cell 1 can be shortened.

図23は、第8の実施形態の構成図である。   FIG. 23 is a configuration diagram of the eighth embodiment.

本実施形態は、図13に示す第5の実施形態の構成と比較して、バイパス流路6の循環ポンプ7を迂回する第3バイパス流路37を設け、この第3バイパス流路37に循環ポンプ7より揚程の大きい補助循環ポンプ38を設けた点が異なる。さらに、この第2バイパス流路32には、補助循環ポンプ33の下流に制御弁39を備えるとともに、バイパス流路6と第3バイパス流路37との上流側分岐に三方弁40を備える。補助循環ポンプ38、制御弁39及び三方弁40はコントローラ20により制御される。   Compared with the configuration of the fifth embodiment shown in FIG. 13, the present embodiment is provided with a third bypass channel 37 that bypasses the circulation pump 7 of the bypass channel 6, and circulates in the third bypass channel 37. The difference is that an auxiliary circulation pump 38 having a lift higher than that of the pump 7 is provided. Further, the second bypass flow path 32 includes a control valve 39 downstream of the auxiliary circulation pump 33 and a three-way valve 40 at the upstream branch between the bypass flow path 6 and the third bypass flow path 37. The auxiliary circulation pump 38, the control valve 39 and the three-way valve 40 are controlled by the controller 20.

図24は、コントローラ20が実施する本実施形態の燃料電池システム起動時の制御内容を説明するフローチャートである。この起動時制御は、アノード1a内、水素供給流路2a内及びバイパス流路に酸化剤ガス(空気)が存在する無負荷状態からの起動時に実施される制御である。   FIG. 24 is a flowchart for explaining the control contents at the time of starting the fuel cell system of the present embodiment that is implemented by the controller 20. This start-up control is a control that is performed during start-up from a no-load state in which oxidant gas (air) is present in the anode 1a, the hydrogen supply flow path 2a, and the bypass flow path.

なお、燃料電池1起動時にアノード1a内に存在する酸化剤ガスは、燃料電池の停止中に外部から進入してきた空気や、カソード1bから電解質膜を介してアノード1aにクロスリークしてきた空気等である。   The oxidant gas present in the anode 1a when the fuel cell 1 is started is air that has entered from the outside while the fuel cell is stopped, air that has cross-leaked from the cathode 1b to the anode 1a through the electrolyte membrane, or the like. is there.

また、本実施形態の起動時制御を開始する前(つまり、燃料電池システム停止中)の状態は、全ての構成が停止した状態である。また、パージ弁8は開、水素供給制御弁5は閉、空気調圧弁9は開の状態として、以下説明する。   Further, the state before the start-up control of the present embodiment is started (that is, when the fuel cell system is stopped) is a state in which all the components are stopped. The purge valve 8 is opened, the hydrogen supply control valve 5 is closed, and the air pressure regulating valve 9 is opened.

まず、ステップS101において、燃料電池システムの起動を判定するトリガーがオンかどうかを判定する。トリガーとしては、例えばメインスイッチ15がオン状態であることが想定できる。起動判定のトリガーがオンであればステップS102に進み、オフであれば制御を終了する。ステップS102においてパージ弁8が閉じ、続くステップS103にてコンプレッサ10を起動する。コンプレッサ10は、前述のアイドル状態相当の回転数に制御される。   First, in step S101, it is determined whether or not a trigger for determining activation of the fuel cell system is on. As a trigger, for example, it can be assumed that the main switch 15 is in an ON state. If the activation determination trigger is on, the process proceeds to step S102, and if it is off, the control is terminated. In step S102, the purge valve 8 is closed, and in the subsequent step S103, the compressor 10 is started. The compressor 10 is controlled to a rotational speed corresponding to the idle state described above.

次に、ステップS104で第3バイパス流路37に設置した制御弁39を開くとともに、第3バイパス流路37にガスが流通するように三方弁40を制御する。続くステップS105では補助循環ポンプ38を起動する。ここで、補助循環ポンプ38の回転数の変化率(増加率)は、制御可能な略最大変化率で制御する。また、補助循環ポンプ37の回転数も、第7の実施形態と同様に、制御の安定性に欠けるが、安定した制御が可能な回転数より回転数の大きい所定の回転数になるように制御される。さらに前述の通り、補助循環ポンプの揚程能力は循環ポンプ7より大きいため、第5、6の実施形態より循環量が多くなる。   Next, in step S <b> 104, the control valve 39 installed in the third bypass flow path 37 is opened, and the three-way valve 40 is controlled so that gas flows through the third bypass flow path 37. In the subsequent step S105, the auxiliary circulation pump 38 is activated. Here, the rate of change (increase rate) of the rotational speed of the auxiliary circulation pump 38 is controlled at a substantially controllable maximum rate of change. The rotational speed of the auxiliary circulation pump 37 is also controlled so as to be a predetermined rotational speed that is higher than the rotational speed capable of stable control, although the control stability is lacking as in the seventh embodiment. Is done. Further, as described above, since the head capacity of the auxiliary circulation pump is larger than that of the circulation pump 7, the circulation amount is larger than those in the fifth and sixth embodiments.

そして、ステップS106で、補助循環ポンプ37の回転数が制御可能な最大回転数を超え、所定の回転数に制御されたかどうかを判定する。制御されている場合にステップS107に進み、ステップS107では、水素供給制御弁5を開き、水素供給流路内の水素の圧力が昇圧してアノードへの水素供給を開始する。さらにステップS108で空気調圧弁9の開度を絞り、カソード内の空気圧力を昇圧させる。このとき、大気圧状態の水素及び空気を所定の圧力まで昇圧させる昇圧時間が最短時間となるように制御される。   In step S106, it is determined whether or not the rotational speed of the auxiliary circulation pump 37 exceeds the controllable maximum rotational speed and is controlled to a predetermined rotational speed. If it is controlled, the process proceeds to step S107. In step S107, the hydrogen supply control valve 5 is opened, the pressure of hydrogen in the hydrogen supply flow path is increased, and hydrogen supply to the anode is started. Further, in step S108, the opening of the air pressure regulating valve 9 is throttled to increase the air pressure in the cathode. At this time, the pressure increase time for increasing the pressure of hydrogen and air in the atmospheric pressure to a predetermined pressure is controlled to be the shortest time.

続くステップS109では、図示しない電力を消費する外部負荷を固定抵抗と同様の電荷消費手段として利用し、燃料電池1で発生した起電力に応じて流れる電流を取り出す。つまり、外部負荷で取り出したい電力を規定するのではなく、固定抵抗のように燃料電池1の起電力に応じて流れる電流が変化する。   In the subsequent step S109, an external load that consumes electric power (not shown) is used as charge consuming means similar to the fixed resistor, and a current flowing according to the electromotive force generated in the fuel cell 1 is extracted. That is, the electric current to be taken out by the external load is not defined, but the current that flows according to the electromotive force of the fuel cell 1 changes like a fixed resistance.

そしてS110に移行し、濃度センサー31で検知する酸素濃度が所定濃度(例えば、6%)以下になったかどうかを判定し、所定濃度以下となったらS111で燃料電池1よりアイドル状態相当の負荷電流を取り出す。   Then, the process proceeds to S110, where it is determined whether or not the oxygen concentration detected by the concentration sensor 31 has become a predetermined concentration (for example, 6%) or less. Take out.

ここでは、パワーマネージャ13を燃料電池1の通常運転時に対応する負荷電流(出力)取り出しモードにて作動させる。S110ではアノード及びカソードにそれぞれ水素と空気が供給されているため、電荷消費機能を使用する際は酸素濃度にて判定することが望ましい。また所定濃度の決め方は、第5の実施形態で説明した通りである。続いてS112にて補助循環ポンプ37を停止し、S113にて制御弁39を閉じ、三方弁40を切り換えてガスをバイパス流路6に流通させるように制御する。最後にS114にて水素循環ポンプ7をアイドル状態相当の回転数で稼働開始し、起動時制御を終了し、通常制御に移行する。   Here, the power manager 13 is operated in the load current (output) extraction mode corresponding to the normal operation of the fuel cell 1. In S110, since hydrogen and air are supplied to the anode and the cathode, respectively, when using the charge consuming function, it is desirable to make a determination based on the oxygen concentration. The method of determining the predetermined density is as described in the fifth embodiment. Subsequently, the auxiliary circulation pump 37 is stopped in S112, the control valve 39 is closed in S113, and the three-way valve 40 is switched to control the gas to flow through the bypass passage 6. Finally, in S114, the hydrogen circulation pump 7 is started to operate at a rotational speed corresponding to the idle state, the start-up control is terminated, and the normal control is started.

したがって、本実施形態では、第6の実施形態の効果に加えて、起動用の補助循環ポンプ38の揚程能力(=循環力)が通常運転時に使用する循環ポンプ7の揚程能力に比べて大きいため、起動時の循環量を一時的に増加させることが可能になる。従って、アノードでの燃焼反応により短時間で速やかに残存酸素が消費されるため、(3)式に示されるようなカソードの酸化劣化を最小限に抑制することができる。   Therefore, in the present embodiment, in addition to the effects of the sixth embodiment, the lifting capacity (= circulating force) of the auxiliary circulation pump 38 for activation is larger than the lifting capacity of the circulation pump 7 used during normal operation. It becomes possible to temporarily increase the circulation amount at the time of startup. Therefore, since the residual oxygen is consumed quickly in a short time due to the combustion reaction at the anode, the oxidative deterioration of the cathode as shown in the equation (3) can be minimized.

更に、水素導入後、アノード近傍及び水素供給経路内部の酸素濃度が0に近づいた時点で、カソードの酸化劣化反応は抑えられるため、劣化の観点からは循環量を低減させることができる。   Furthermore, since the oxidation deterioration reaction of the cathode is suppressed when the oxygen concentration in the vicinity of the anode and in the hydrogen supply path approaches 0 after the introduction of hydrogen, the circulation rate can be reduced from the viewpoint of deterioration.

加えて、電荷消費手段を利用することで(3)式の反応を抑制でき、起動時のカソードにおける酸化劣化を著しく低減することができる。   In addition, by utilizing the charge consuming means, the reaction of the formula (3) can be suppressed, and the oxidative deterioration at the cathode at the start-up can be remarkably reduced.

図25は、第9の実施形態の構成図である。   FIG. 25 is a configuration diagram of the ninth embodiment.

本実施形態は、図13に示す第5の実施形態の構成と比較して、酸素濃度センサ31に代えて水素供給流路2a内の酸素を除去する燃焼触媒41、気液分離器42を設置した構成としたことが異なる。   Compared with the configuration of the fifth embodiment shown in FIG. 13, this embodiment is provided with a combustion catalyst 41 and a gas-liquid separator 42 for removing oxygen in the hydrogen supply channel 2 a instead of the oxygen concentration sensor 31. The configuration is different.

図26は、コントローラ20が実施する本実施形態の燃料電池システム起動時の制御内容を説明するフローチャートである。この起動時制御は、アノード1a内、水素供給流路2a内及びバイパス流路6に酸化剤ガス(空気)が存在する無負荷状態からの起動時に実施される制御である。   FIG. 26 is a flowchart for explaining the control contents at the time of starting the fuel cell system of the present embodiment that is implemented by the controller 20. This start-up control is a control that is performed during start-up from a no-load state in which oxidant gas (air) is present in the anode 1a, the hydrogen supply flow path 2a, and the bypass flow path 6.

なお、燃料電池1起動時にアノード1a内に存在する酸化剤ガスは、燃料電池の停止中に外部から進入してきた空気や、カソード1bから電解質膜を介してアノード1aにクロスリークしてきた空気等である。   The oxidant gas present in the anode 1a when the fuel cell 1 is started is air that has entered from the outside while the fuel cell is stopped, air that has cross-leaked from the cathode 1b to the anode 1a through the electrolyte membrane, or the like. is there.

また、本実施形態の起動時制御を開始する前(つまり、燃料電池システム停止中)の状態は、全ての構成が停止した状態である。また、パージ弁8は開、水素供給制御弁5は閉、空気調圧弁9は開の状態として、以下説明する。   Further, the state before the start-up control of the present embodiment is started (that is, when the fuel cell system is stopped) is a state in which all the components are stopped. The purge valve 8 is opened, the hydrogen supply control valve 5 is closed, and the air pressure regulating valve 9 is opened.

まず、ステップS121において、燃料電池システムの起動を判定するトリガーがオンかどうかを判定する。トリガーとしては、例えばメインスイッチ15がオン状態であることが想定できる。起動判定のトリガーがオンであればステップS122に進み、オフであれば制御を終了する。ステップS122においてパージ弁8が閉じ、続くステップS123にてコンプレッサ10を起動する。コンプレッサ10は、前述のアイドル状態の負荷電流相当の回転数に制御される。   First, in step S121, it is determined whether or not a trigger for determining activation of the fuel cell system is on. As a trigger, for example, it can be assumed that the main switch 15 is in an ON state. If the trigger for activation determination is on, the process proceeds to step S122, and if it is off, the control is terminated. In step S122, the purge valve 8 is closed, and in step S123, the compressor 10 is started. The compressor 10 is controlled to a rotational speed corresponding to the load current in the idle state described above.

次に、ステップS124で循環ポンプ7を起動する。ここで、循環ポンプ7の回転数は、安定して制御可能な範囲の最大回転数に制御する。ステップS125で循環ポンプ7の回転数を検出して、最大回転数に安定的に収束したかどうかを判定する。収束した場合にはステップS126に進み、収束していない場合には収束するまで判定を繰り返す。ステップS126では空気調圧弁9の開度を絞り、カソード内の昇圧を開始する。続いてステップS127で水素供給制御弁5が開かれ、燃料電池1のアノードへの水素供給が開始される。   Next, the circulation pump 7 is started in step S124. Here, the rotation speed of the circulation pump 7 is controlled to the maximum rotation speed within a stably controllable range. In step S125, the rotational speed of the circulation pump 7 is detected, and it is determined whether or not it has converged stably to the maximum rotational speed. If converged, the process proceeds to step S126, and if not converged, the determination is repeated until converged. In step S126, the opening degree of the air pressure regulating valve 9 is reduced, and the pressure inside the cathode is started. Subsequently, in step S127, the hydrogen supply control valve 5 is opened, and hydrogen supply to the anode of the fuel cell 1 is started.

次に、ステップS128で水素供給開始後の経過時間が所定時間を経過したかどうかを判定する。ここで所定時間は、アノードへ水素が行き渡ったと予想される時間に設定する。所定時間が経過した時に、S129に進み、燃料電池1より電流の取り出しを開始する。ここでは、アイドル状態相当の微小な負荷電流の取り出しを行う。   Next, in step S128, it is determined whether or not an elapsed time after the start of hydrogen supply has passed a predetermined time. Here, the predetermined time is set to a time when hydrogen is expected to reach the anode. When the predetermined time has elapsed, the process proceeds to S129, and extraction of current from the fuel cell 1 is started. Here, a minute load current corresponding to the idle state is taken out.

続いてS130において、ステップS127での水素供給開始からの経過時間がアノード内に残存した酸素が燃焼触媒41で消費されるのにかかる所定時間を越えたかどうかを判定する。ここで、アノード内残存した酸素の濃度が所定濃度、例えば6%以下になる時間を所定時間とする。経過時間が所定時間を超えた場合にはステップS131に進み、循環ポンプ7の回転数を前述のアイドル状態相当の回転数まで低下させて制御を終了する。   Subsequently, in S130, it is determined whether or not the elapsed time from the start of hydrogen supply in step S127 exceeds a predetermined time taken for the oxygen remaining in the anode to be consumed by the combustion catalyst 41. Here, the time during which the concentration of oxygen remaining in the anode is a predetermined concentration, for example, 6% or less, is defined as a predetermined time. If the elapsed time exceeds the predetermined time, the process proceeds to step S131, where the rotational speed of the circulation pump 7 is reduced to the rotational speed corresponding to the aforementioned idle state, and the control is terminated.

以上の構成を備えた本実施形態では第5の実施形態の効果に加え、以下の効果を奏する。   In the present embodiment having the above configuration, the following effects can be obtained in addition to the effects of the fifth embodiment.

即ち、燃料電池1の水素入口で水素供給流路2aとバイパス流路6との分岐の下流部に、燃焼触媒(酸素濃度低減手段)41を設けることにより、循環ポンプ7が稼動を始めてすぐに酸素を含む排アノードガスを導入する場合(最初の循環サイクル時)、水素供給流路2a、ガス放出流路2b及びバイパス流路6からなる循環流路系に残存する酸素の濃度が燃焼触媒41により低減される。このため燃料電池1に供給される排アノードガス中の酸素濃度が低くなる。従って、第1の実施形態のアノードでの燃焼反応により残存酸素が消費される時間が短くなるため、カソードの酸化劣化がさらに抑制される。   That is, by providing the combustion catalyst (oxygen concentration reducing means) 41 at the hydrogen inlet of the fuel cell 1 and downstream of the branch between the hydrogen supply channel 2 a and the bypass channel 6, the circulation pump 7 starts operating immediately. When the exhaust anode gas containing oxygen is introduced (during the first circulation cycle), the concentration of oxygen remaining in the circulation flow path system including the hydrogen supply flow path 2a, the gas discharge flow path 2b, and the bypass flow path 6 is the combustion catalyst 41. Is reduced. For this reason, the oxygen concentration in the exhaust anode gas supplied to the fuel cell 1 is lowered. Accordingly, the time for which the residual oxygen is consumed by the combustion reaction at the anode of the first embodiment is shortened, and thus the oxidative deterioration of the cathode is further suppressed.

また、水素などの燃料を燃焼させる触媒燃焼41を設けることで、水素と酸素の燃焼反応が、アノードではなく主に燃焼触媒41で行われる。従って、更に短時間で速やかに酸素濃度を低減できる。   Further, by providing the catalytic combustion 41 for burning fuel such as hydrogen, the combustion reaction of hydrogen and oxygen is performed mainly by the combustion catalyst 41 instead of the anode. Therefore, the oxygen concentration can be quickly reduced in a shorter time.

また、バイパス流路6に残存する水分が、排アノードガスと共に燃料電池1のアノードに供給されると、アノードの水分が電解質膜を介してカソードに行き渡りカソード近傍の水分が増す。従って、(3)式に示すようなカソードの酸化劣化を促進する反応が進むことになる。従って、アノードに導かれる水分を予め気液分離器42で除去することにより、カソードの酸化劣化を抑制することができる。また、バイパス流路6に残存する水分を予め除去することで、燃料電池1における各単セルへの燃料配流を向上させることができる。   When the water remaining in the bypass channel 6 is supplied to the anode of the fuel cell 1 together with the exhaust anode gas, the water in the anode spreads to the cathode through the electrolyte membrane, and the water in the vicinity of the cathode increases. Therefore, the reaction for promoting the oxidative deterioration of the cathode as shown in the formula (3) proceeds. Therefore, by removing the water introduced to the anode by the gas-liquid separator 42 in advance, the oxidative deterioration of the cathode can be suppressed. Moreover, the fuel distribution to each single cell in the fuel cell 1 can be improved by removing the water remaining in the bypass flow path 6 in advance.

また、燃焼触媒41では燃焼反応により水が発生するため、燃焼触媒41を気液分離器42の内部またはその上流部に設けることにより、燃焼触媒41において発生した水分を気液分離器42で効果的に除去することができる。   In addition, since water is generated by the combustion reaction in the combustion catalyst 41, the combustion catalyst 41 is provided in the gas-liquid separator 42 or in the upstream portion thereof, so that the moisture generated in the combustion catalyst 41 is effective in the gas-liquid separator 42. Can be removed.

図27は、第10の実施形態の構成図である。   FIG. 27 is a configuration diagram of the tenth embodiment.

本実施形態は、図13に示す第5の実施形態の構成と比較して、酸素濃度センサ31と燃料電池1との間に第1酸素吸着材51と第1気液分離器52と設置し、さらにバイパス流路6の循環ポンプ7上流にも第2酸素吸着材53と第2気液分離器54を設置した構成とした点が異なる。   In the present embodiment, a first oxygen adsorbent 51 and a first gas-liquid separator 52 are installed between the oxygen concentration sensor 31 and the fuel cell 1 as compared with the configuration of the fifth embodiment shown in FIG. Furthermore, the second oxygen adsorbent 53 and the second gas-liquid separator 54 are also installed upstream of the circulation pump 7 in the bypass channel 6.

図28は、コントローラ20が実施する本実施形態の燃料電池システム起動時の制御内容を説明するフローチャートである。この起動時制御は、アノード1a内、水素供給流路2a内及びバイパス流路6に酸化剤ガス(空気)が存在する無負荷状態からの起動時に実施される制御である。   FIG. 28 is a flowchart for explaining the contents of control performed by the controller 20 when the fuel cell system according to this embodiment is started. This start-up control is a control that is performed during start-up from a no-load state in which oxidant gas (air) is present in the anode 1a, the hydrogen supply flow path 2a, and the bypass flow path 6.

なお、燃料電池1起動時にアノード1a内に存在する酸化剤ガスは、燃料電池の停止中に外部から進入してきた空気や、カソード1bから電解質膜を介してアノード1aにクロスリークしてきた空気等である。   The oxidant gas present in the anode 1a when the fuel cell 1 is started is air that has entered from the outside while the fuel cell is stopped, air that has cross-leaked from the cathode 1b to the anode 1a through the electrolyte membrane, or the like. is there.

また、本実施形態の起動時制御を開始する前(つまり、燃料電池システム停止中)の状態は、全ての構成が停止した状態である。また、パージ弁8は開、水素供給制御弁5は閉、空気調圧弁9は開の状態として、以下説明する。   Further, the state before the start-up control of the present embodiment is started (that is, when the fuel cell system is stopped) is a state in which all the components are stopped. The purge valve 8 is opened, the hydrogen supply control valve 5 is closed, and the air pressure regulating valve 9 is opened.

まず、ステップS141において、燃料電池システムの起動を判定するトリガーがオンかどうかを判定する。起動判定のトリガーとしては、例えばメインスイッチ15がオン状態であることが想定できる。トリガーがオンであればステップS142に進み、オフであれば制御を終了する。ステップS142においてパージ弁8が閉じ、続くステップS143にてコンプレッサ10を起動する。コンプレッサ10は、前述のアイドル状態相当の回転数に制御される。   First, in step S141, it is determined whether or not a trigger for determining activation of the fuel cell system is on. As a trigger for the activation determination, for example, it can be assumed that the main switch 15 is in an on state. If the trigger is on, the process proceeds to step S142, and if it is off, the control is terminated. In step S142, the purge valve 8 is closed, and in step S143, the compressor 10 is started. The compressor 10 is controlled to a rotational speed corresponding to the idle state described above.

次に、ステップS144で循環ポンプ7を起動する。ここで、循環ポンプ7の回転数は、安定して制御可能な範囲の最大回転数に制御する。ステップS145で循環ポンプ7の回転数を検出して、最大回転数に安定的に収束したかどうかを判定する。収束した場合にはステップS146に進み、収束していない場合には収束するまで判定を繰り返す。ステップS146では空気調圧弁9の開度を絞り、カソード内の昇圧を開始する。続いてステップS147で水素供給制御弁5が開かれ、燃料電池1のアノードへの水素供給が開始される。   Next, the circulation pump 7 is started in step S144. Here, the rotation speed of the circulation pump 7 is controlled to the maximum rotation speed within a stably controllable range. In step S145, the rotational speed of the circulation pump 7 is detected, and it is determined whether or not it has converged stably to the maximum rotational speed. If it has converged, the process proceeds to step S146. If it has not converged, the determination is repeated until it converges. In step S146, the opening degree of the air pressure regulating valve 9 is reduced, and the pressure increase in the cathode is started. Subsequently, in step S147, the hydrogen supply control valve 5 is opened, and hydrogen supply to the anode of the fuel cell 1 is started.

次に、ステップS148で水素供給開始後の経過時間が所定時間を経過したかどうかを判定する。ここで所定時間は、アノードへ水素が行き渡ったと予想される時間に設定する。所定時間が経過した時に、S149に進み、ステップS149では、図示しない電力を消費する外部負荷を固定抵抗と同様の電荷消費機能として利用し、燃料電池1で発生した起電力に応じて流れる電流を取り出す。つまり、外部負荷で取り出したい電力を規定するのではなく、固定抵抗のように燃料電池1の起電力に応じて流れる電流が変化する。続くS150に移行し、濃度センサー31で検知する酸素濃度が所定濃度(例えば、6%)以下になったかどうかを判定し、所定濃度以下となったらS151で燃料電池1よりアイドル状態相当の負荷電流を取り出す。ここでは、パワーマネージャ13を通常運転時制御に対応する負荷電流(出力)取り出しモードにて作動させる。S150ではアノード及びカソードにそれぞれ水素と空気が供給されているため、電荷消費機能を使用する際は酸素濃度にて判定することが望ましい。また所定濃度の決め方は、第5の実施形態で説明した通りである。   Next, in step S148, it is determined whether the elapsed time after the start of hydrogen supply has passed a predetermined time. Here, the predetermined time is set to a time when hydrogen is expected to reach the anode. When the predetermined time has elapsed, the process proceeds to S149, and in step S149, an external load that consumes power (not shown) is used as a charge consuming function similar to a fixed resistor, and the current that flows according to the electromotive force generated in the fuel cell 1 is calculated. Take out. That is, the electric current to be taken out by the external load is not defined, but the current that flows according to the electromotive force of the fuel cell 1 changes like a fixed resistance. Subsequently, the process proceeds to S150, where it is determined whether or not the oxygen concentration detected by the concentration sensor 31 has become a predetermined concentration (for example, 6%) or less. Take out. Here, the power manager 13 is operated in a load current (output) extraction mode corresponding to control during normal operation. In S150, since hydrogen and air are supplied to the anode and the cathode, respectively, it is desirable to make a determination based on the oxygen concentration when using the charge consuming function. The method of determining the predetermined density is as described in the fifth embodiment.

ステップS151では、燃料電池1より電流の取り出しを開始する。ここでは、アイドル状態相当の微小な負荷電流の取り出しを行い、ステップS152で、循環ポンプ7の回転数を前述のアイドル状態相当まで低下させて制御を終了する。   In step S151, current extraction from the fuel cell 1 is started. Here, a minute load current corresponding to the idle state is taken out, and in step S152, the rotational speed of the circulation pump 7 is decreased to the above-described idle state, and the control is ended.

本実施形態では、第5の実施形態の効果に加えて、以下の効果を奏することができる。   In this embodiment, in addition to the effects of the fifth embodiment, the following effects can be achieved.

即ち、水素や残存酸素等が循環する循環流路系に、酸素吸着材(酸素濃度低減手段)51、53を設けることにより、循環流路系を流れるガス中の酸素濃度が低くなるためアノードに導入される酸素濃度が低くなる。従って、アノードでの燃焼反応により残存酸素が消費される時間が短くなるため、(3)式に示されるようなカソードの酸化劣化が著しく抑制される。また、第9の実施形態の燃焼触媒に比べて、触媒金属溶出によるドレン水中のカチオン濃度(コンタミ濃度)上昇に伴う燃料電池システム性能劣化の加速を抑制できる。   That is, by providing oxygen adsorbents (oxygen concentration reducing means) 51 and 53 in the circulation channel system through which hydrogen, residual oxygen, etc. circulate, the oxygen concentration in the gas flowing through the circulation channel system becomes low, so that the anode The oxygen concentration to be introduced is lowered. Therefore, since the time for which the residual oxygen is consumed by the combustion reaction at the anode is shortened, the oxidative deterioration of the cathode as shown in the formula (3) is remarkably suppressed. Further, as compared with the combustion catalyst of the ninth embodiment, it is possible to suppress acceleration of fuel cell system performance deterioration due to an increase in the cation concentration (contamination concentration) in the drain water due to elution of the catalyst metal.

また、燃料電池1の入口で水素供給流路2aとバイパス流路6との分岐の下流部(燃料電池1側)に、第1酸素吸着材(酸素濃度低減手段)51を設けることにより、循環ポンプ7が稼動を始めてすぐに水素を導入する場合(最初の循環サイクル時)、循環流路系に残存する酸素と導入される水素が燃料電池1のアノードに導入される前に酸素濃度が低くなる。従って、アノードでの燃焼反応により残存酸素が消費される時間が短くなるため、カソードの酸化劣化がさらに抑制される。   Further, by providing a first oxygen adsorbent (oxygen concentration reducing means) 51 at the downstream of the branch between the hydrogen supply flow path 2a and the bypass flow path 6 (on the fuel cell 1 side) at the inlet of the fuel cell 1, circulation is achieved. When hydrogen is introduced immediately after the pump 7 starts operating (during the first circulation cycle), the oxygen concentration is low before oxygen remaining in the circulation flow path system and introduced hydrogen are introduced into the anode of the fuel cell 1. Become. Accordingly, since the time for which the residual oxygen is consumed by the combustion reaction at the anode is shortened, the oxidative deterioration of the cathode is further suppressed.

また、水素や残存酸素等が循環する循環流路系に第1、第2気液分離器52、54を設けることで、燃料電池1のアノードに供給される水分が低減される。従って、水分によって影響を受けやすい循環ポンプ7の性能低下を抑制することができる。ここでは第9の実施形態に比べ、循環ポンプ7の直上流に第2気液分離器54を設け、水分を十分に除去することができる。また循環ポンプ7の直上流に第2酸素吸着材53を設け、酸素を十分に除去することができる。   In addition, by providing the first and second gas-liquid separators 52 and 54 in the circulation flow path system in which hydrogen, residual oxygen, and the like circulate, moisture supplied to the anode of the fuel cell 1 is reduced. Therefore, it is possible to suppress the performance deterioration of the circulation pump 7 that is easily affected by moisture. Here, as compared with the ninth embodiment, the second gas-liquid separator 54 is provided immediately upstream of the circulation pump 7 to sufficiently remove moisture. Further, the second oxygen adsorbing material 53 is provided immediately upstream of the circulation pump 7 to sufficiently remove oxygen.

図29に、循環ポンプ7の直上流に第2気液分離器54を設けた場合と設けない場合について、循環ポンプ7を流れる制御電流値の時系列変化を示す。第2気液分離器54がない場合に比べて、ある場合の方が、より目標制御電流に近い状態で精度良く制御されていることがわかる。これは水分量の違いと考えられ、第2気液分離器54がない場合、水分が循環ポンプ7に混入するために過渡電流値が大きくなることがわかる。   FIG. 29 shows time-series changes in the control current value flowing through the circulation pump 7 when the second gas-liquid separator 54 is provided immediately upstream of the circulation pump 7 and when it is not provided. It can be seen that the control is more accurately performed in a state closer to the target control current in the case where the second gas-liquid separator 54 is not provided. This is considered to be a difference in the amount of water, and it can be seen that in the absence of the second gas-liquid separator 54, the transient current value increases because water is mixed into the circulation pump 7.

更に、循環流路系に残存する水分が、水素と共に燃料電池1のアノードに供給されると、アノードの水分が電解質膜を介してカソードに行き渡りカソード近傍の水分が増す。従って、カソードの酸化劣化を促進する反応が進む(例えば(3)式)。従って、アノードに導かれる水分を予め第1気液分離器52で除去することにより、上記の酸化劣化を抑制することができる。また、循環流路系に残存する水分を予め除去することで、燃料電池1における各単セルへの燃料配流を向上させることができる。   Further, when moisture remaining in the circulation channel system is supplied to the anode of the fuel cell 1 together with hydrogen, the moisture in the anode spreads to the cathode through the electrolyte membrane, and the moisture in the vicinity of the cathode increases. Accordingly, the reaction for promoting the oxidative deterioration of the cathode proceeds (for example, the formula (3)). Therefore, the above-described oxidative deterioration can be suppressed by previously removing the water led to the anode by the first gas-liquid separator 52. Moreover, the fuel distribution to each single cell in the fuel cell 1 can be improved by removing the water remaining in the circulation channel system in advance.

本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is obvious that various modifications can be made within the scope of the technical idea of the present invention.

燃料電池システムの構成図である。It is a block diagram of a fuel cell system. コントローラのブロック図である。It is a block diagram of a controller. 本実施形態の制御内容を説明するフローチャート図である。It is a flowchart figure explaining the control content of this embodiment. アノードに種々の水素/空気濃度比の混合ガスを導入したとき、カソードのカーボン腐食による二酸化炭素発生を測定した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having measured the carbon dioxide generation | occurrence | production by the carbon corrosion of a cathode when the mixed gas of various hydrogen / air concentration ratios is introduce | transduced into the anode. アノードの導入した混合ガスの水素濃度に対してアノードから排出された排ガスの水素濃度もしくは酸素濃度を調査した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having investigated the hydrogen concentration or oxygen concentration of the waste gas discharged | emitted from the anode with respect to the hydrogen concentration of the mixed gas which the anode introduce | transduced. 第2の実施形態の制御内容を説明するフローチャート図である。It is a flowchart figure explaining the control content of 2nd Embodiment. 第3の実施形態の構成図である。It is a block diagram of 3rd Embodiment. 第3の実施形態の制御内容を説明するフローチャート図である。It is a flowchart figure explaining the control content of 3rd Embodiment. 第4の実施形態の構成図である。It is a block diagram of 4th Embodiment. 第4の実施形態の制御内容を説明するフローチャート図である。It is a flowchart figure explaining the control content of 4th Embodiment. 燃料電池の状態を説明する状態図である。It is a state figure explaining the state of a fuel cell. 従来の課題を説明する図である。It is a figure explaining the conventional subject. 第5の実施形態の構成図である。It is a block diagram of 5th Embodiment. 第5の実施形態の制御内容を説明するフローチャート図である。It is a flowchart figure explaining the control content of 5th Embodiment. カソード出口で計測された二酸化炭素排出量と循環ポンプの回転数との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the carbon dioxide discharge amount measured at the cathode exit, and the rotation speed of a circulation pump. カソードから排出される空気中の二酸化炭素量を測定した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having measured the amount of carbon dioxide in the air discharged | emitted from a cathode. 第6の実施形態の構成図である。It is a block diagram of 6th Embodiment. 第6の実施形態の制御内容を説明するフローチャート図である。It is a flowchart figure explaining the control content of 6th Embodiment. 循環ポンプの運転条件の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the driving | running condition of a circulation pump. 第7の実施形態の構成図である。It is a block diagram of 7th Embodiment. 第7の実施形態の制御内容を説明するフローチャート図である。It is a flowchart figure explaining the control content of 7th Embodiment. 循環流路系を流れるガスの圧力(静圧)の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the pressure (static pressure) of the gas which flows through a circulation flow path system. 第8の実施形態の構成図である。It is a block diagram of 8th Embodiment. 第8の実施形態の制御内容を説明するフローチャート図である。It is a flowchart figure explaining the control content of 8th Embodiment. 第9の実施形態の構成図である。It is a block diagram of 9th Embodiment. 第9の実施形態の制御内容を説明するフローチャート図である。It is a flowchart figure explaining the control content of 9th Embodiment. 第10の実施形態の構成図である。It is a block diagram of 10th Embodiment. 第10の実施形態の制御内容を説明するフローチャート図である。It is a flowchart figure explaining the control content of 10th Embodiment. 循環ポンプの直上流に気液分離器の有無による循環ポンプを流れる制御電流値の時系列変化を示す図である。It is a figure which shows the time-sequential change of the control electric current value which flows through a circulation pump by the presence or absence of a gas-liquid separator immediately upstream of a circulation pump.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池
2 水素タンク
2a 水素供給流路
2b ガス放出流路
3 水素タンク元弁
4 減圧弁
5 水素供給制御弁
6 バイパス流路
7 循環ポンプ
8 パージ弁
9 空気調圧弁
10 コンプレッサ
11a 第1圧力センサ
11b 第2圧力センサ
11c 第3圧力センサ
11d 第4圧力センサ
12 水素濃度センサ
13 パワーマネージャ
14 電圧センサ
15 メインスイッチ
16 酸素濃度センサ
17 差圧センサ
18 循環量制御弁
20 コントローラ
31 酸素濃度センサ
32 第2バイパス流路
33 補助循環ポンプ
34 制御弁
35 制御弁
36 二酸化炭素濃度センサ
37 第3バイパス流路
38 補助循環ポンプ
39 制御弁
40 三方弁
41 燃焼触媒
42 気液分離器
51 第1酸素吸着材
52 第1気液分離器
53 第2酸素吸着材
54 第2気液分離器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell 2 Hydrogen tank 2a Hydrogen supply flow path 2b Gas discharge flow path 3 Hydrogen tank main valve 4 Pressure reducing valve 5 Hydrogen supply control valve 6 Bypass flow path 7 Circulation pump 8 Purge valve 9 Air pressure regulating valve 10 Compressor 11a First pressure sensor 11b Second pressure sensor 11c Third pressure sensor 11d Fourth pressure sensor 12 Hydrogen concentration sensor 13 Power manager 14 Voltage sensor 15 Main switch 16 Oxygen concentration sensor 17 Differential pressure sensor 18 Circulation amount control valve 20 Controller 31 Oxygen concentration sensor 32 Second Bypass flow path 33 Auxiliary circulation pump 34 Control valve 35 Control valve 36 Carbon dioxide concentration sensor 37 Third bypass flow path 38 Auxiliary circulation pump 39 Control valve 40 Three-way valve 41 Combustion catalyst 42 Gas-liquid separator 51 First oxygen adsorbent 52 First 1 gas-liquid separator 53 second oxygen adsorbent 54 second gas-liquid separator

Claims (33)

外部からの水素を燃料電池のアノードに供給する水素供給流路と、この水素供給流路途中に接続し、前記アノードから排出される排アノードガスをアノードに循環するバイパス流路を備えた燃料電池システムにおいて、
前記アノードに供給される前記水素と排アノードガスとからなる混合ガスのガス組成を制御するガス組成制御手段と、
排アノードガスの外部への排出を制御するガス排出制御手段と、
前記ガス組成制御手段と前記ガス排出制御手段を制御するコントローラを備え、
前記コントローラは、前記アノード内に酸化剤ガスが存在する起動時に、
前記ガス排出制御弁を閉じ、前記排アノードガスを前記バイパス流路を通じて前記アノードに循環させ、
前記混合ガスを構成するガスの濃度が所定濃度となるように前記ガス組成制御手段を制御することを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell comprising a hydrogen supply channel for supplying hydrogen from the outside to the anode of the fuel cell, and a bypass channel connected to the hydrogen supply channel and circulating the exhausted anode gas discharged from the anode to the anode In the system,
A gas composition control means for controlling a gas composition of a mixed gas composed of the hydrogen supplied to the anode and the exhaust anode gas;
A gas discharge control means for controlling the discharge of the exhaust anode gas to the outside;
A controller for controlling the gas composition control means and the gas discharge control means;
The controller starts up when oxidant gas is present in the anode.
Closing the gas discharge control valve, circulating the exhaust anode gas to the anode through the bypass flow path,
The fuel cell system, wherein the gas composition control means is controlled so that the concentration of the gas constituting the mixed gas becomes a predetermined concentration.
前記ガス組成制御手段は、少なくとも前記バイパス流路に配置され、前記排アノードガスの前記アノードへの循環量を制御する循環ポンプを備え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。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the gas composition control means includes a circulation pump that is disposed at least in the bypass flow path and controls a circulation amount of the exhaust anode gas to the anode. 前記アノードに供給される混合ガス中の水素濃度を検出する水素濃度検出手段を備え、
前記コントローラは、検出される水素濃度が所定水素濃度以上となるように前記ガス組成制御手段を制御することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
Comprising a hydrogen concentration detection means for detecting the hydrogen concentration in the mixed gas supplied to the anode,
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the controller controls the gas composition control means so that the detected hydrogen concentration is equal to or higher than a predetermined hydrogen concentration.
前記アノードに供給される混合ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段を備え、
前記コントローラは、検出される酸素濃度が所定酸素濃度以下となるように前記ガス組成制御手段を制御することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
An oxygen concentration detection means for detecting the oxygen concentration in the mixed gas supplied to the anode;
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the controller controls the gas composition control means so that the detected oxygen concentration is equal to or lower than a predetermined oxygen concentration.
前記アノードから排出される排アノードガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段を備え、
前記コントローラは、検出される酸素濃度が所定酸素濃度以下となるように前記ガス組成制御手段を制御することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
Comprising oxygen concentration detection means for detecting the oxygen concentration in the exhaust anode gas discharged from the anode,
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the controller controls the gas composition control means so that the detected oxygen concentration is equal to or lower than a predetermined oxygen concentration.
前記カソードから排出される排カソードガス中の二酸化炭素濃度を検出する二酸化炭素濃度検出手段を備え、
前記コントローラは、検出される二酸化炭素濃度が所定二酸化炭素濃度以下となるように前記ガス組成制御手段を制御することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
Comprising carbon dioxide concentration detection means for detecting the carbon dioxide concentration in the exhaust cathode gas discharged from the cathode,
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the controller controls the gas composition control means so that the detected carbon dioxide concentration is equal to or lower than a predetermined carbon dioxide concentration.
燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段を備え、
前記コントローラは、検出される電圧の変化量が所定電圧変化量以下となるように前記ガス組成制御手段を制御することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
Voltage detecting means for detecting the voltage of the fuel cell;
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the controller controls the gas composition control means so that a detected voltage change amount is equal to or less than a predetermined voltage change amount. 3.
前記外部から前記アノードに供給する水素量を制御する水素供給制御弁を備え、
前記コントローラは、前記ガス排出制御弁を閉じ、前記循環ポンプを起動させた後に前記水素供給制御弁を開き、アノードに水素を供給す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。
A hydrogen supply control valve for controlling the amount of hydrogen supplied to the anode from the outside;
3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the controller closes the gas discharge control valve, opens the hydrogen supply control valve after starting the circulation pump, and supplies hydrogen to the anode.
前記バイパス流路の前記循環ポンプの下流に排アノードガスの循環量を制御する循環量制御弁と、
前記バイパス流路の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段とを備え、
前記コントローラは、検出された酸素濃度が所定酸素濃度未満となるように前記循環量制御弁を制御す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。
A circulation amount control valve for controlling a circulation amount of the exhaust anode gas downstream of the circulation pump of the bypass flow path;
Oxygen concentration detecting means for detecting the oxygen concentration of the bypass flow path,
The fuel cell system according to claim 2, wherein the controller controls the circulation amount control valve so that the detected oxygen concentration is less than a predetermined oxygen concentration.
前記コントローラは、前記ガス排出制御弁と前記循環量制御弁とを閉じ、前記循環ポンプを稼動させ、前記バイパス流路の前記循環量制御弁と前記循環手段との間の圧力を上昇させた後に、前記水素供給制御弁を開いて水素をアノードに供給し、検出された酸素濃度が所定酸素濃度未満となるように前記循環量制御弁を制御することを特徴とする請求項9に記載の燃料電池システム。   The controller closes the gas discharge control valve and the circulation amount control valve, operates the circulation pump, and increases the pressure between the circulation amount control valve and the circulation means of the bypass flow path. The fuel according to claim 9, wherein the hydrogen supply control valve is opened to supply hydrogen to the anode, and the circulation amount control valve is controlled so that the detected oxygen concentration is less than a predetermined oxygen concentration. Battery system. 前記水素供給制御弁の上下流に前記水素供給流路内の圧力を検出する圧力検出手段を設け、
前記コントローラは、検出された圧力値に基づいて、アノードに供給される水素量を演算し、前記バイパス流路からアノードに循環される排アノードガスの流量が演算された水素量に対し30%以下になるように前記ガス組成制御手段を制御す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。
Pressure detecting means for detecting the pressure in the hydrogen supply flow path is provided upstream and downstream of the hydrogen supply control valve,
The controller calculates the amount of hydrogen supplied to the anode based on the detected pressure value, and the flow rate of exhaust anode gas circulated from the bypass flow path to the anode is 30% or less with respect to the calculated amount of hydrogen. 3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the gas composition control means is controlled so as to become.
前記水素所定濃度は、70%であることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 3, wherein the predetermined hydrogen concentration is 70%. 前記酸素所定濃度は、6%であることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 4, wherein the predetermined oxygen concentration is 6%. 前記ガス組成制御手段は、前記バイパス流路に設置された循環ポンプであって、
この循環ポンプは、前記燃料電池の起動時に、制御可能な最大回転数で排アノードガスを循環させ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。
The gas composition control means is a circulation pump installed in the bypass flow path,
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the circulation pump circulates the exhaust anode gas at a controllable maximum rotation speed when the fuel cell is started.
前記循環ポンプは、前記燃料電池の起動時に、前記燃料電池の通常運転時の最大回転数で排アノードガスを循環させることを特徴とする請求項14に記載の燃料電池システム。   15. The fuel cell system according to claim 14, wherein the circulation pump circulates the exhaust anode gas at a maximum rotational speed during normal operation of the fuel cell when the fuel cell is started. 前記循環ポンプは、前記燃料電池の起動時に、前記燃料電池の通常運転時の最大回転数を越える回転数で排アノードガスを循環させることを特徴とする請求項14に記載の燃料電池システム。   15. The fuel cell system according to claim 14, wherein the circulation pump circulates the exhaust anode gas at a rotational speed exceeding a maximum rotational speed during normal operation of the fuel cell when the fuel cell is started. 前記バイパス流路に前記ガス組成制御手段としての補助循環ポンプをさらに備えたことを特徴とする請求項14から16のいずれか一つに記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 14 to 16, further comprising an auxiliary circulation pump as the gas composition control means in the bypass channel. 前記補助循環ポンプは、排アノードガス流れ方向で前記循環ポンプの上流側に設置され、
前記燃料電池の起動時に、前記循環ポンプと前記補助循環ポンプとの協働により排アノードガスを循環することを特徴とする請求項17に記載の燃料電池システム。
The auxiliary circulation pump is installed upstream of the circulation pump in the exhaust anode gas flow direction,
18. The fuel cell system according to claim 17, wherein when the fuel cell is started, exhaust anode gas is circulated by cooperation of the circulation pump and the auxiliary circulation pump.
前記補助循環ポンプは、前記循環ポンプと並列に設置され、前記循環ポンプの揚程能力より大きい揚程能力を備え、
前記燃料電池の起動時に、前記補助循環ポンプにより排アノードガスを循環することを特徴とする請求項17に記載の燃料電池システム。
The auxiliary circulation pump is installed in parallel with the circulation pump, and has a lifting capacity larger than the lifting capacity of the circulation pump,
18. The fuel cell system according to claim 17, wherein when the fuel cell is started, exhaust anode gas is circulated by the auxiliary circulation pump.
前記排アノードガスが循環する流路に排アノードガス内の酸素濃度を低減するための燃焼触媒を設けたことを特徴とする請求項14に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 14, wherein a combustion catalyst for reducing an oxygen concentration in the exhaust anode gas is provided in a flow path through which the exhaust anode gas circulates. 前記排アノードガスの流れ方向で前記燃焼触媒の下流側に排アノードガス中の水分を除去する気液分離器を備えたことを特徴とする請求項20に記載の燃料電池システム。   21. The fuel cell system according to claim 20, further comprising a gas-liquid separator that removes moisture in the exhaust anode gas downstream of the combustion catalyst in the flow direction of the exhaust anode gas. 前記燃焼触媒と前記気液分離器は、前記水素供給流路と前記バイパス流路との分岐と前記燃料電池との間に設置されることを特徴とする請求項21に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 21, wherein the combustion catalyst and the gas-liquid separator are installed between a branch of the hydrogen supply channel and the bypass channel and the fuel cell. 前記燃焼触媒と前記気液分離器は、前記水素供給流路と前記バイパス流路との分岐と前記燃料電池との間、及び前記循環ポンプの上流側の前記バイパス流路とに設置されることを特徴とする請求項21に記載の燃料電池システム。   The combustion catalyst and the gas-liquid separator are installed between a branch of the hydrogen supply channel and the bypass channel and the fuel cell, and in the bypass channel upstream of the circulation pump. The fuel cell system according to claim 21. 前記排アノードガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段を設け、
前記燃料電池の起動時に検出された酸素濃度が所定酸素濃度以下に場合に、前記循環ポンプ及び前記補助循環ポンプをアイドル状態にすることを特徴とする請求項14から19のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
An oxygen concentration detecting means for detecting the oxygen concentration in the exhaust anode gas is provided;
20. The circulating pump and the auxiliary circulating pump are set in an idle state when an oxygen concentration detected at the time of starting the fuel cell is equal to or lower than a predetermined oxygen concentration. Fuel cell system.
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給するコンプレッサと、
前記燃料電池のカソードから排出される排カソードガス中の二酸化炭素濃度を検出する二酸化炭素濃度検出手段を備え、
前記燃料電池の起動時に、前記コンプレッサを起動し、前記燃料電池のカソードから排出された排カソードガス中の二酸化炭素濃度が所定二酸化炭素濃度以下の場合に、前記循環ポンプ及び前記補助循環ポンプをアイドル状態にすることを特徴とする請求項14から19のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
A compressor for supplying an oxidant gas to the fuel cell;
Comprising carbon dioxide concentration detection means for detecting the carbon dioxide concentration in the exhaust cathode gas discharged from the cathode of the fuel cell;
When the fuel cell is started, the compressor is started, and when the carbon dioxide concentration in the exhaust cathode gas discharged from the cathode of the fuel cell is equal to or lower than a predetermined carbon dioxide concentration, the circulation pump and the auxiliary circulation pump are idled. The fuel cell system according to any one of claims 14 to 19, wherein the fuel cell system is in a state.
排アノードガス中の酸素濃度または水素濃度を検出する濃度検出手段を備え、
前記燃料電池の起動時に、検出された酸素濃度が所定酸素濃度以下、または検出された水素濃度が所定水素濃度以上場合に、排アノードガスの循環量を低減することを特徴とする請求項14から19のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
Concentration detection means for detecting the oxygen concentration or hydrogen concentration in the exhaust anode gas is provided,
15. The circulation amount of the exhaust anode gas is reduced when the detected oxygen concentration is equal to or lower than a predetermined oxygen concentration or the detected hydrogen concentration is equal to or higher than the predetermined hydrogen concentration when the fuel cell is started. 20. The fuel cell system according to any one of 19.
排カソードガス中の二酸化炭素濃度を検出する濃度検出手段を備え、
検出された二酸化炭素濃度が所定二酸化炭素濃度以下の場合に、排アノードガスの循環量を低減することを特徴とする請求項14から19のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
A concentration detecting means for detecting the carbon dioxide concentration in the exhaust cathode gas;
The fuel cell system according to any one of claims 14 to 19, wherein when the detected carbon dioxide concentration is equal to or lower than a predetermined carbon dioxide concentration, the circulation amount of the exhaust anode gas is reduced.
排アノードガスが循環する流路に排アノードガス中の酸素濃度を低減する酸素濃度低減手段を備えたことを特徴とする請求項14から27のいずれか一つに記載の燃料電池システム。   28. The fuel cell system according to any one of claims 14 to 27, wherein an oxygen concentration reducing means for reducing an oxygen concentration in the exhaust anode gas is provided in a flow path through which the exhaust anode gas circulates. 前記酸素濃度低減手段は、排アノードガスが流通する前記燃料電池の入口直上流に設置されることを特徴とする請求項28に記載の燃料電池システム。   29. The fuel cell system according to claim 28, wherein the oxygen concentration reducing means is installed immediately upstream of the inlet of the fuel cell through which exhaust anode gas flows. 前記酸素濃度低減手段は、酸化触媒であることを特徴とする請求項28または29に記載の燃料電池システム。   30. The fuel cell system according to claim 28 or 29, wherein the oxygen concentration reducing means is an oxidation catalyst. 前記循環ポンプ上流の排アノードガスが循環する流路に排アノードガス中の酸素濃度を低減する第2酸素濃度低減手段を備えたことを特徴とする請求項30に記載の燃料電池システム。   31. The fuel cell system according to claim 30, further comprising a second oxygen concentration reducing means for reducing the oxygen concentration in the exhaust anode gas in a flow path through which the exhaust anode gas upstream of the circulation pump circulates. 排アノードガスが循環する流路に排アノードガス中の水分を除去する気液分離手段を備えたことを特徴とする請求項1から31のいずれか一つに記載の燃料電池システム。   32. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 31, further comprising gas-liquid separation means for removing moisture in the exhaust anode gas in a flow path through which the exhaust anode gas circulates. 前記気液分離手段は、前記酸素低減手段の下流に設置されることを特徴とする請求項28から31のいずれか一つに記載の燃料電池システム。   32. The fuel cell system according to claim 28, wherein the gas-liquid separation unit is installed downstream of the oxygen reduction unit.
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