JP2006139925A

JP2006139925A - Fuel cell system and treatment method for purge fuel gas of fuel cell

Info

Publication number: JP2006139925A
Application number: JP2004326004A
Authority: JP
Inventors: Hirotsugu Matsumoto; 裕嗣松本; Shinji Yoshikawa; 慎司吉川; Koichiro Miyata; 幸一郎宮田; Kenichiro Ueda; 健一郎上田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-11-10
Filing date: 2004-11-10
Publication date: 2006-06-01

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of exhausting a fuel gas to be purged by diluting it to have prescribed concentration while excellently keeping power generating characteristics of a fuel cell. <P>SOLUTION: This fuel cell system S having a dilution apparatus 4 to dilute a purged hydrogen gas with a cathode off-gas is equipped with an ECU 1 to carry out a procedure for setting purge prohibition so as to prohibit the next purge of the hydrogen gas since the hydrogen gas has been purged, and a procedure for releasing the setting for the purge prohibition when a quantity of the cathode off-gas charged in the dilution apparatus reaches a prescribed quantity or more after the hydrogen gas has been purged. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、パージされた燃料電池の燃料ガスを所定の濃度まで希釈してから排出する燃料電池システム及び燃料電池のパージ燃料ガス処理方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system for discharging a purged fuel cell fuel gas to a predetermined concentration and then discharging the fuel gas, and a purge fuel gas processing method for a fuel cell.

従来、燃料電池システムとして、燃料電池から排出される未反応の水素ガス（燃料ガス）を循環使用すると共に、循環使用するうちに水素ガス中に蓄積されてくる窒素ガス等の不純物を除去するために、間欠的に水素ガスを燃料電池からパージするようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。そして、このような燃料電池システムでは、パージされた水素ガスが、燃料電池から排出される酸化剤ガス（空気）で希釈されてから大気中に排出される。水素ガスのパージは、例えば、循環使用する水素ガス中の不純物が増加することによってセル電圧が低下したときに行われるようになっている。
特開平１１−１９１４２２号公報（段落番号〔００２４〕、図２） Conventionally, as a fuel cell system, unreacted hydrogen gas (fuel gas) discharged from a fuel cell is circulated and used, and impurities such as nitrogen gas accumulated in the hydrogen gas are removed while being circulated. In addition, an apparatus in which hydrogen gas is intermittently purged from a fuel cell is known (for example, see Patent Document 1). In such a fuel cell system, the purged hydrogen gas is diluted with an oxidant gas (air) discharged from the fuel cell and then discharged into the atmosphere. The purging of hydrogen gas is performed, for example, when the cell voltage decreases due to an increase in impurities in the hydrogen gas used for circulation.
JP-A-11-191422 (paragraph number [0024], FIG. 2)

ところで、このような燃料電池システムにおいて、大気中に排出される水素ガスが所定の濃度（例えば、水素ガスの爆発限界）を超えることがないように充分に希釈するために、例えば、水素ガスがパージされた後に、次のパージが行われるまでの時間間隔を一定（固定値）に設定したものが考えられる。しかしながら、この燃料電池システムでは、燃料電池システムから大気中に排出される水素ガスの濃度（例えば、希釈器内の水素ガスの濃度）が、次のパージを許容する程度に充分に低く、しかも、燃料電池のセル電圧が低下しており、水素ガスのパージを行う必要がある場合であっても、次のパージを行うまでの時間に至っていないとパージが禁止されることとなる。その結果、この燃料電池システムは、パージが禁止されることによって燃料電池の発電特性を良好に保つことができないという問題がある。 By the way, in such a fuel cell system, in order to sufficiently dilute the hydrogen gas discharged into the atmosphere so as not to exceed a predetermined concentration (for example, the hydrogen gas explosion limit), for example, It can be considered that the time interval until the next purge is performed after purging is set to a fixed value (fixed value). However, in this fuel cell system, the concentration of hydrogen gas discharged from the fuel cell system into the atmosphere (for example, the concentration of hydrogen gas in the diluter) is sufficiently low to allow the next purge, Even when the cell voltage of the fuel cell is lowered and it is necessary to purge hydrogen gas, purging is prohibited unless the time until the next purge is reached. As a result, this fuel cell system has a problem that the power generation characteristics of the fuel cell cannot be kept good due to the prohibition of purging.

そこで、本発明は、燃料ガスのパージを効率的に行うことができると共に、パージされた燃料ガスを充分に希釈して排出することができる燃料電池システム及び燃料電池のパージ燃料ガス処理方法を提供することを課題とする。 Therefore, the present invention provides a fuel cell system and a fuel cell purge fuel gas processing method capable of efficiently purging the fuel gas and sufficiently diluting and discharging the purged fuel gas. The task is to do.

前記課題を解決するための請求項１の発明は、パージされた燃料電池の燃料ガスを希釈ガスで希釈する希釈器を備える燃料電池システムにおいて、前記燃料ガスがパージされたことによって次の燃料ガスのパージを禁止するパージ禁止設定を行う手順と、前記燃料ガスがパージされた後に前記希釈器に投入された前記希釈ガスの量が、予め設定した量以上になったときに、前記パージ禁止設定を解除する手順とを実行する制御手段を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problem, the invention of claim 1 is directed to a fuel cell system including a diluter for diluting a fuel gas of a purged fuel cell with a diluent gas. A procedure for performing purge prohibition setting for prohibiting purging of the fuel gas, and when the amount of the dilution gas introduced into the diluter after the fuel gas is purged exceeds a preset amount, the purge prohibition setting And a control means for executing a procedure for canceling.

この燃料電池システムでは、希釈ガスの量が、予め設定した量以上になったときにパージ禁止設定が解除される。その一方で、前記したように、パージ間隔を一定時間（固定値）に設定した燃料電池システムは、燃料電池システムから大気中に排出される燃料ガスの濃度が、次のパージを許容する程度に充分に低く、しかも燃料電池のセル電圧が低下しており、燃料ガスのパージを行う必要がある場合であっても、次のパージを行うまでの時間に至っていないとパージが禁止されることとなる。これに対し、本発明の燃料電池システムは、パージされた燃料ガスを希釈する希釈ガスの量が、予め設定した量以上になったときにパージ禁止設定が解除されるので、予め設定した量の希釈ガスで大気中に排出される燃料ガスの濃度が次のパージを許容する程度に充分に低くなっているにも関わらず、不要にパージの禁止が維持されるという問題は生じない。その結果、本発明の燃料電池システムでは、燃料ガスのパージが効率的に行われると共に、パージされた燃料ガスは、予め設定した量の希釈ガスで充分に希釈されることとなる。なお、希釈ガスについて「設定した量」は、例えば、パージされた燃料ガスを安全に車外に排出することができる濃度以下となるように算出される希釈ガスの量、あるいはパージされるごとにそのパージされる燃料ガスの量が一定である場合には、パージされた燃料ガスの量に対応する所定の希釈ガスの量で規定することができる。 In this fuel cell system, the purge prohibition setting is canceled when the amount of the dilution gas exceeds a preset amount. On the other hand, as described above, in the fuel cell system in which the purge interval is set to a fixed time (fixed value), the concentration of the fuel gas discharged from the fuel cell system to the atmosphere allows the next purge. Even when the cell voltage of the fuel cell is sufficiently low and the fuel gas needs to be purged, purging is prohibited unless the time until the next purge is reached. Become. On the other hand, in the fuel cell system of the present invention, the purge prohibition setting is canceled when the amount of the dilution gas for diluting the purged fuel gas exceeds a preset amount. Even though the concentration of the fuel gas discharged into the atmosphere with the dilution gas is sufficiently low to allow the next purge, there is no problem that the prohibition of the purge is unnecessarily maintained. As a result, in the fuel cell system of the present invention, the fuel gas is efficiently purged, and the purged fuel gas is sufficiently diluted with a preset amount of diluent gas. Note that the “set amount” for the dilution gas is, for example, the amount of dilution gas calculated so that the purged fuel gas can be safely discharged out of the vehicle or less, or every time it is purged. When the amount of purged fuel gas is constant, it can be defined by a predetermined dilution gas amount corresponding to the purged fuel gas amount.

また、請求項２の発明は、パージされた燃料電池の燃料ガスを希釈ガスで希釈する希釈器を備える燃料電池システムにおいて、前記燃料ガスがパージされた後に前記希釈器に投入された前記希釈ガスの量が、予め設定した量以上になったときに、次の前記燃料ガスのパージを行わせる手順を実行する制御手段を備えることを特徴とする。 Further, the invention of claim 2 is a fuel cell system comprising a diluter for diluting a purged fuel cell fuel gas with a diluent gas, and the diluted gas introduced into the diluter after the fuel gas is purged. And a control means for executing a procedure for performing the next purge of the fuel gas when the amount exceeds the preset amount.

この燃料電池システムでは、希釈ガスの量が、予め設定した量以上になったときに次の燃料ガスのパージが行われる。つまり、この燃料電池システムは、請求項１の発明と同様に、不要にパージの禁止が維持されることはなく、さらには、燃料ガスのパージが、より効率的に行われる。さらに、この燃料電池システムでは、パージのタイミングが従来の燃料電池システムと比較して早まるために、セル電圧の低下を引き起こすことなく発電を継続することができる。また、この燃料電池システムでは、パージの禁止が解除されるとすぐにパージの要求を行うことができるために、複雑なパージ制御を行う必要がない。 In this fuel cell system, the next fuel gas is purged when the amount of the dilution gas exceeds a preset amount. That is, in this fuel cell system, the prohibition of purging is not unnecessarily maintained as in the first aspect of the invention, and furthermore, the purging of the fuel gas is performed more efficiently. Further, in this fuel cell system, since the purge timing is earlier than in the conventional fuel cell system, it is possible to continue power generation without causing a decrease in cell voltage. Further, in this fuel cell system, a purge request can be made as soon as the prohibition of purge is released, so that it is not necessary to perform complicated purge control.

また、請求項３の発明は、パージされた燃料電池の燃料ガスを希釈ガスで希釈してから排出する燃料電池のパージ燃料ガス処理方法において、前記燃料ガスがパージされたことによって次の前記燃料ガスのパージを禁止するようにパージ禁止設定を行うパージ禁止工程と、前記燃料ガスがパージされてからの前記燃料ガスを希釈する前記希釈ガスの量が、予め設定した量以上になったときに、前記パージ禁止設定を解除するパージ禁止解除工程とを備えることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the purge fuel gas processing method for a fuel cell in which the purged fuel cell fuel gas is discharged after being diluted with a diluent gas, the fuel gas is purged and the next fuel is discharged. A purge prohibiting step for performing purge prohibition setting so as to prohibit the purging of the gas, and when the amount of the dilution gas for diluting the fuel gas after the fuel gas is purged exceeds a preset amount And a purge prohibition canceling step for canceling the purge prohibition setting.

このパージ燃料ガス処理方法では、パージされた燃料ガスを希釈する希釈ガスの量が、予め設定した量以上になったときにパージ禁止設定が解除されるので、予め設定した量の希釈ガスで大気中に排出される燃料ガスの濃度が次のパージを許容する程度に充分に低くなっているにも関わらず、パージの禁止が不要に維持されるという問題は生じない。その結果、このパージ燃料ガス処理方法では、燃料ガスのパージが効率的に行われると共に、パージされた燃料ガスは、予め設定した量の希釈ガスで充分に希釈されることとなる。 In this purge fuel gas processing method, the purge prohibition setting is canceled when the amount of the dilution gas for diluting the purged fuel gas exceeds a preset amount. Even though the concentration of the fuel gas discharged therein is sufficiently low to allow the next purge, there is no problem that the prohibition of purge is maintained unnecessarily. As a result, in this purge fuel gas processing method, the fuel gas is efficiently purged, and the purged fuel gas is sufficiently diluted with a preset amount of dilution gas.

本発明の燃料電池システム及び燃料電池の排出ガス処理方法は、燃料ガスのパージを効率的に行うことができるので、燃料電池の発電特性を良好に保つことができると共に、パージされた燃料ガスを充分に希釈して排出することができる。 The fuel cell system and the fuel cell exhaust gas treatment method of the present invention can efficiently purge the fuel gas, so that the power generation characteristics of the fuel cell can be kept good, and the purged fuel gas can be removed. Fully diluted and discharged.

次に、本発明の燃料電池システムにおける一実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は、本実施形態に係る燃料電池システムが搭載された車両の平面図、図２は、本実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。 Next, an embodiment of the fuel cell system of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. In the drawings to be referred to, FIG. 1 is a plan view of a vehicle equipped with a fuel cell system according to this embodiment, and FIG. 2 is a block diagram of the fuel cell system according to this embodiment.

図１に示すように、燃料電池システムＳは、車両Ｖの略中央部の床下に配置された燃料電池システムボックスＢ内に収納されており、この燃料電池システムＳは、燃料電池スタック２、気液分離器７、加湿器３、希釈器４及び後記するＥＣＵ（Electronic Control Unit）１（図２参照）を備えている。ＥＣＵ１は、特許請求の範囲にいう「制御手段」に相当する。
また、燃料電池システムＳは、燃料電池スタック２に水素ガス（燃料ガス）を供給する高圧水素容器５（図２参照）や、燃料電池スタック２に空気（酸素ガス）を供給するコンプレッサ６（図２参照）、燃料電池スタック２を冷却するラジエータ（図示せず）等をさらに備えている。 As shown in FIG. 1, the fuel cell system S is housed in a fuel cell system box B disposed under the floor at a substantially central portion of the vehicle V. The fuel cell system S includes the fuel cell stack 2, the air A liquid separator 7, a humidifier 3, a diluter 4, and an ECU (Electronic Control Unit) 1 (see FIG. 2) to be described later are provided. The ECU 1 corresponds to “control means” in the claims.
The fuel cell system S includes a high-pressure hydrogen container 5 (see FIG. 2) that supplies hydrogen gas (fuel gas) to the fuel cell stack 2 and a compressor 6 (see FIG. 2) that supplies air (oxygen gas) to the fuel cell stack 2. 2), a radiator (not shown) for cooling the fuel cell stack 2 and the like.

燃料電池スタック２は、図２に示すように、複数の単セル２ａが積層されたものであって、高圧水素容器５に貯蔵された燃料となる水素ガスと、コンプレッサ６から供給される空気に含まれる酸素ガスとの電気化学反応により発電を行うものである。この燃料電池スタック２のアノード側の入口と高圧水素容器５とは、水素供給配管１０ａで接続されており、燃料電池スタック２のカソード側の入口とコンプレッサ６とは、空気供給配管１０ｂで接続されている。つまり、水素ガスは、水素供給配管１０ａを通じて燃料電池スタック２に供給されることとなり、空気は、空気供給配管１０ｂを通じて燃料電池スタック２に供給されることとなる。この燃料電池スタック２のアノード側の出口には、発電に使用されなかった水素ガスを含むアノードオフガスを排出するための水素排出配管１０ｃが接続されている。 As shown in FIG. 2, the fuel cell stack 2 is formed by stacking a plurality of single cells 2 a. The fuel cell stack 2 is used for hydrogen gas stored as fuel in the high-pressure hydrogen container 5 and air supplied from the compressor 6. Electricity is generated by an electrochemical reaction with the oxygen gas contained. The anode side inlet of the fuel cell stack 2 and the high-pressure hydrogen container 5 are connected by a hydrogen supply pipe 10a, and the cathode side inlet of the fuel cell stack 2 and the compressor 6 are connected by an air supply pipe 10b. ing. That is, hydrogen gas is supplied to the fuel cell stack 2 through the hydrogen supply pipe 10a, and air is supplied to the fuel cell stack 2 through the air supply pipe 10b. A hydrogen discharge pipe 10c for discharging an anode off gas containing hydrogen gas that has not been used for power generation is connected to an outlet on the anode side of the fuel cell stack 2.

気液分離器７は、アノードオフガスに含まれる水を分離するものであって、水素排出配管１０ｃに取り付けられている。この気液分離器７には、排水用配管１０ｄの一端が接続されており、この排水用配管１０ｄの他端は希釈器４に接続されている。排水用配管１０ｄには開閉弁２０ａが取り付けられている。そして、この開閉弁２０ａが間欠的に開かれることによって、気液分離器７で分離された水は希釈器４に向かって排出されることとなる。 The gas-liquid separator 7 separates water contained in the anode off gas, and is attached to the hydrogen discharge pipe 10c. One end of a drain pipe 10 d is connected to the gas-liquid separator 7, and the other end of the drain pipe 10 d is connected to the diluter 4. An on-off valve 20a is attached to the drainage pipe 10d. Then, when the on-off valve 20a is opened intermittently, the water separated by the gas-liquid separator 7 is discharged toward the diluter 4.

このような気液分離器７が取り付けられた水素排出配管１０ｃは、燃料電池スタック２から延びる先端で水素循環用配管１０ｅとパージ水素配管１０ｆとに分岐している。水素循環用配管１０ｅは、アノードオフガスに含まれる水素ガスを燃料電池スタック２での発電に再利用するためのものであり、この水素循環用配管１０ｅは、加湿器３の上流側の水素供給配管１０ａに接続されている。
パージ水素配管１０ｆは、アノードオフガスに含まれる水素ガスが水素循環用配管１０ｅを通じて循環使用されることによって、アノードオフガスに蓄積されていく窒素等の不純物を排出するものである。なお、このパージ水素配管１０ｆから排出されるアノードオフガスに含まれる水素ガスは、特許請求の範囲にいう「パージされた燃料電池の燃料ガス」に相当する。 The hydrogen discharge pipe 10c to which such a gas-liquid separator 7 is attached branches into a hydrogen circulation pipe 10e and a purge hydrogen pipe 10f at the tip extending from the fuel cell stack 2. The hydrogen circulation pipe 10 e is for reusing hydrogen gas contained in the anode off gas for power generation in the fuel cell stack 2, and the hydrogen circulation pipe 10 e is a hydrogen supply pipe on the upstream side of the humidifier 3. 10a.
The purge hydrogen pipe 10f discharges impurities such as nitrogen accumulated in the anode off gas when the hydrogen gas contained in the anode off gas is circulated through the hydrogen circulation pipe 10e. The hydrogen gas contained in the anode off-gas discharged from the purge hydrogen pipe 10f corresponds to “a fuel gas of the purged fuel cell” in the claims.

このパージ水素配管１０ｆは希釈器４と接続されていると共に、このパージ水素配管１０ｆにはパージ弁２０ｄが取り付けられている。このパージ弁２０ｄは、ＥＣＵ１の開指令信号によって開かれると共に、ＥＣＵ１の閉指令信号によって閉じられるようになっている。 The purge hydrogen pipe 10f is connected to the diluter 4, and a purge valve 20d is attached to the purge hydrogen pipe 10f. The purge valve 20d is opened by an open command signal from the ECU 1, and is closed by a close command signal from the ECU 1.

燃料電池スタック２のカソード側の出口には、カソードオフガス（空気）を排出するための空気排出配管１０ｇの一端が接続されている。この空気排出配管１０ｇの他端は、希釈器４に接続されている。なお、空気排出配管１０ｇから希釈器４に向かって送り込まれるカソードオフガスは、特許請求の範囲にいう「希釈ガス」に相当する。
この空気排出配管１０ｇには、空気排出配管１０ｇ内を流れるカソードオフガス（空気）の流量を検出して流量検出信号を出力する流量計８、そのカソードオフガスの温度を検出して温度検出信号を出力する温度センサ９ａ、及びそのカソードオフガスの圧力を検出して圧力検出信号を出力する圧力センサ９ｂが配設されている。そして、これら流量検出信号、温度検出信号及び圧力検出信号は、ＥＣＵ１に向けて出力されるようになっている。 One end of an air discharge pipe 10g for discharging cathode off gas (air) is connected to the cathode side outlet of the fuel cell stack 2. The other end of the air discharge pipe 10 g is connected to the diluter 4. The cathode off-gas sent from the air discharge pipe 10g toward the diluter 4 corresponds to “dilution gas” in the claims.
This air discharge pipe 10g detects the flow rate of cathode offgas (air) flowing through the air discharge pipe 10g and outputs a flow rate detection signal, and detects the temperature of the cathode offgas and outputs a temperature detection signal. And a pressure sensor 9b that detects the pressure of the cathode offgas and outputs a pressure detection signal. The flow rate detection signal, the temperature detection signal, and the pressure detection signal are output to the ECU 1.

燃料電池スタック２には、発電に伴ってアノードで生成されて凝縮した水（ドレン）を排出するためのアノードドレン配管１０ｈの一端が接続されている。そして、アノードドレン配管１０ｈの他端は、希釈器４に接続されている。このアノードドレン配管１０ｈには、ドレンの流路を開閉するための開閉弁２０ｂが取り付けられている。この開閉弁２０ｂが間欠的に開かれることによって、燃料電池スタック２で生成した水が希釈器４に向かって排出されることとなる。 The fuel cell stack 2 is connected to one end of an anode drain pipe 10h for discharging water (drain) generated and condensed at the anode with power generation. The other end of the anode drain pipe 10 h is connected to the diluter 4. An open / close valve 20b for opening and closing the drain flow path is attached to the anode drain pipe 10h. By opening the on-off valve 20b intermittently, the water generated in the fuel cell stack 2 is discharged toward the diluter 4.

加湿器３は、燃料電池スタック２に供給される水素ガスに対して加湿を行うものであって、燃料電池スタック２と高圧水素容器５との間で延びる水素供給配管１０ａの途中に設けられている。この加湿器３には、加湿器３内に溜まった水（ドレン）を排出するための加湿器ドレン配管１０ｊの一端が接続されている。そして、加湿器ドレン配管１０ｊの他端は、希釈器４に接続されている。この加湿器ドレン配管１０ｊには、ドレンの流路を開閉するための開閉弁２０ｃが取り付けられている。この開閉弁２０ｃが間欠的に開かれることによって、加湿器３内に溜まった水が希釈器４に向かって排出されることとなる。 The humidifier 3 humidifies the hydrogen gas supplied to the fuel cell stack 2 and is provided in the middle of a hydrogen supply pipe 10 a extending between the fuel cell stack 2 and the high-pressure hydrogen container 5. Yes. One end of a humidifier drain pipe 10j for discharging water (drain) accumulated in the humidifier 3 is connected to the humidifier 3. The other end of the humidifier drain pipe 10j is connected to the diluter 4. The humidifier drain pipe 10j is provided with an on-off valve 20c for opening and closing the drain flow path. By opening the on-off valve 20c intermittently, the water accumulated in the humidifier 3 is discharged toward the diluter 4.

希釈器４は、パージ水素配管１０ｆを通じて排出されるアノードオフガス（水素ガス）を、空気排出配管１０ｇを通じて排出されるカソードオフガス（空気）で希釈して大気中に放出するものである。 The diluter 4 dilutes the anode off-gas (hydrogen gas) discharged through the purge hydrogen pipe 10f with the cathode off-gas (air) discharged through the air discharge pipe 10g and releases it to the atmosphere.

ＥＣＵ１は、燃料電池スタック２の発電電流値や、燃料電池スタック２を構成する各単セル２ａの電圧値といった燃料電池スタック２の運転状態を検知するように構成されている。このような運転状態は、燃料電池スタック２に配設された図示しない電力取出用端子や、燃料電池スタック２の単セル２ａ毎に配設された図示しないセルＶ端子を介して検知されている。 The ECU 1 is configured to detect an operation state of the fuel cell stack 2 such as a generated current value of the fuel cell stack 2 and a voltage value of each single cell 2 a constituting the fuel cell stack 2. Such an operating state is detected through a power extraction terminal (not shown) provided in the fuel cell stack 2 or a cell V terminal (not shown) provided for each single cell 2a of the fuel cell stack 2. .

また、ＥＣＵ１は、燃料電池スタック２の発電電流値や各単セル２ａの電圧値が予め設定した所定値を下回った場合に、開指令信号をパージ弁２０ｄに出力してパージ弁２０ｄを開けるようになっている。そして、ＥＣＵ１は、パージ弁２０ｄを所定時間が経過するまで開けた後に、閉指令信号をパージ弁２０ｄに出力してパージ弁２０ｄを閉めるようになっている。そして、燃料電池システムＳは、ＥＣＵ１によって、次の水素ガスのパージを禁止するように設定されることとなる。 Further, the ECU 1 opens the purge valve 20d by outputting an open command signal to the purge valve 20d when the generated current value of the fuel cell stack 2 or the voltage value of each single cell 2a falls below a predetermined value set in advance. It has become. The ECU 1 opens the purge valve 20d until a predetermined time elapses, and then outputs a close command signal to the purge valve 20d to close the purge valve 20d. The fuel cell system S is set by the ECU 1 so as to prohibit purging of the next hydrogen gas.

また、ＥＣＵ１は、パージ弁２０ｄが開かれた時間（水素ガスのパージ量）、流量計８の流量検出信号、温度センサ９ａの温度検出信号、及び圧力センサ９ｂの圧力検出信号に基づいて、後記する手順に従って次の水素ガスのパージ禁止設定を解除するようになっている。そして、ＥＣＵ１は、パージ禁止設定が解除されており、パージ要求、つまり、燃料電池スタック２の発電電流値や各単セル２ａの電圧値が予め設定した所定値を下回った場合に限り、開指令信号をパージ弁２０ｄに出力するようになっている。 Further, the ECU 1 will be described later based on the time when the purge valve 20d is opened (hydrogen gas purge amount), the flow rate detection signal of the flow meter 8, the temperature detection signal of the temperature sensor 9a, and the pressure detection signal of the pressure sensor 9b. The next hydrogen gas purge prohibition setting is canceled according to the procedure. The ECU 1 only opens the purge prohibition setting, and only when the purge request, that is, the generated current value of the fuel cell stack 2 or the voltage value of each single cell 2a falls below a predetermined value set in advance. A signal is output to the purge valve 20d.

次に、燃料電池システムＳの動作について説明しながら本発明のパージ燃料ガス処理方法の実施形態について説明する。なお、参照する図面において、図３は、燃料電池システムＳの動作を説明するためのフローチャート、図４は、燃料電池システムＳの動作を説明するためのタイムチャートである。 Next, an embodiment of the purge fuel gas processing method of the present invention will be described while explaining the operation of the fuel cell system S. 3 is a flowchart for explaining the operation of the fuel cell system S, and FIG. 4 is a time chart for explaining the operation of the fuel cell system S.

この燃料電池システムＳでは、図２に示すように、高圧水素容器５からの水素ガスが燃料電池スタック２に加湿器３を介して供給されると共に、空気がコンプレッサ６によって燃料電池スタック２に供給されると、燃料電池スタック２が発電を開始する。このときＥＣＵ１は、燃料電池スタック２の発電電流値や、単セル２ａの電圧値といった燃料電池スタック２の運転状態を検知している。そして、燃料電池スタック２から水素排出配管１０ｃに排出されるアノードオフガス（未反応の水素ガスを含む）は、パージ弁２０ｄが閉じられている状態で、水素循環用配管１０ｅ及び水素供給配管１０ａを経由することによって、燃料電池スタック２で循環使用される。また、燃料電池スタック２から空気排出配管１０ｇに排出される空気は、希釈器４を介して大気中に放出される。このとき流量計８は、空気排出配管１０ｇを流れる空気の流量検出信号を出力し、温度センサ９ａは、空気排出配管１０ｇを流れる空気の温度検出信号を出力し、圧力センサ９ｂは、空気排出配管１０ｇを流れる空気の圧力検出信号を出力する。そして、ＥＣＵ１は、これら流量検出信号、温度検出信号及び圧力検出信号を入力する。 In this fuel cell system S, as shown in FIG. 2, hydrogen gas from the high-pressure hydrogen container 5 is supplied to the fuel cell stack 2 via the humidifier 3, and air is supplied to the fuel cell stack 2 by the compressor 6. Then, the fuel cell stack 2 starts power generation. At this time, the ECU 1 detects the operating state of the fuel cell stack 2, such as the generated current value of the fuel cell stack 2 and the voltage value of the single cell 2a. The anode off-gas (including unreacted hydrogen gas) discharged from the fuel cell stack 2 to the hydrogen discharge pipe 10c passes through the hydrogen circulation pipe 10e and the hydrogen supply pipe 10a while the purge valve 20d is closed. By being routed, the fuel cell stack 2 circulates and uses it. Further, the air discharged from the fuel cell stack 2 to the air discharge pipe 10 g is released into the atmosphere via the diluter 4. At this time, the flow meter 8 outputs a flow detection signal of air flowing through the air discharge pipe 10g, the temperature sensor 9a outputs a temperature detection signal of air flowing through the air discharge pipe 10g, and the pressure sensor 9b outputs the air discharge pipe. A pressure detection signal of air flowing through 10 g is output. Then, the ECU 1 inputs these flow rate detection signal, temperature detection signal, and pressure detection signal.

その一方で、循環使用している水素ガス中に不純物が蓄積されてくると、燃料電池スタック２の発電電流値や単セル２ａの電圧値は低下する。そして、これら発電電流値や電圧値が予め設定した所定値を下回った場合に、ＥＣＵ１は、図４に示すように、パージ要求フラグ（図４中、「１回目のパージ要求」と記す）がオンになるように設定されると共に、パージ実行フラグ（図４中、「１回目のパージ実行」と記す）がオンになるように設定される。その結果、ＥＣＵ１は、パージ弁２０ｄに開指令信号を出力する。そして、パージ弁２０ｄが開かれることによって、アノードオフガスは、パージ水素配管１０ｆを介して希釈器４に向けて排出される。その結果、図４に示すように、希釈器４の入口における水素ガス濃度は、１回目のパージ実行に対応して増加していく。 On the other hand, when impurities accumulate in the hydrogen gas being circulated, the generated current value of the fuel cell stack 2 and the voltage value of the single cell 2a are lowered. When the generated current value or the voltage value falls below a predetermined value set in advance, the ECU 1 sets a purge request flag (indicated as “first purge request” in FIG. 4) as shown in FIG. The purge execution flag (denoted as “first purge execution” in FIG. 4) is set to be turned on. As a result, the ECU 1 outputs an open command signal to the purge valve 20d. When the purge valve 20d is opened, the anode off-gas is discharged toward the diluter 4 through the purge hydrogen pipe 10f. As a result, as shown in FIG. 4, the hydrogen gas concentration at the inlet of the diluter 4 increases corresponding to the first purge execution.

そして、１回目のパージが実行された後に、ＥＣＵ１は、図３に示すように、パージ禁止設定を行う（ステップＳ１）。つまりＥＣＵ１は、パージ弁２０ｄに閉指令信号を出力すると共に、後記するステップＳ７の「パージ禁止設定の解除」を実行するまでは、パージ弁２０ｄに開指令信号を出力しない。この工程は、特許請求の範囲（請求項３）にいう「パージ禁止工程」に相当する。この工程において、ＥＣＵ１は、図４に示すように、パージ要求フラグ（図４中、「１回目のパージ要求」と記す）がオフになるように設定され、パージ実行フラグ（図４中、「１回目のパージ実行」と記す）がオフになるように設定され、パージ禁止フラグ（図４中、「１回目のパージ禁止」と記す）がオンになるように設定される。 Then, after the first purge is executed, the ECU 1 performs purge prohibition setting as shown in FIG. 3 (step S1). That is, the ECU 1 outputs a close command signal to the purge valve 20d, and does not output an open command signal to the purge valve 20d until the “release of purge prohibition setting” in step S7 described later is executed. This step corresponds to a “purge prohibition step” in the claims (Claim 3). In this step, as shown in FIG. 4, the ECU 1 is set so that the purge request flag (indicated as “first purge request” in FIG. 4) is turned off, and the purge execution flag (in FIG. "Purge execution for the first time") is set to be off, and the purge prohibition flag (indicated as "prohibition of the first purge" in FIG. 4) is set to be on.

次に、ＥＣＵ１は、図３に示すように、１回目の水素ガスのパージ量（図４中、「前回のパージ量」と記す）を算出する（ステップＳ２）。この水素ガスのパージ量の算出は、例えば、パージ弁２０ｄの開弁時間、燃料電池スタック２の発電量等によって見積もられるアノードオフガス中の水素ガス量に基づいて算出される。そして、ＥＣＵ１は、算出したパージ量の水素ガスを予め設定した目標濃度に希釈するために必要な空気量（Ａ）を算出する（ステップＳ３）。 Next, as shown in FIG. 3, the ECU 1 calculates the first hydrogen gas purge amount (referred to as “previous purge amount” in FIG. 4) (step S2). The hydrogen gas purge amount is calculated based on, for example, the hydrogen gas amount in the anode off-gas estimated from the valve opening time of the purge valve 20d, the power generation amount of the fuel cell stack 2, and the like. Then, the ECU 1 calculates an air amount (A) necessary for diluting the calculated purge amount of hydrogen gas to a preset target concentration (step S3).

次に、ＥＣＵ１は、図４に示すように、１回目のパージ実行が完了した後、つまり、図４中、Ｒで示される時点で積算空気量（流量計８を通過したカソードオフガス量（空気量）の積算値）をリセットする（ステップＳ４（図３参照））と共に、積算空気量の積算を開始する（ステップＳ５（図３参照））。その結果、積算空気量は、図４に示すように、空気排出配管１０ｇ（図２参照）の空気流量（カソードオフガス流量）に応じて増大していく。なお、この積算空気量の積算では、ＥＣＵ１によって、流量計８で検出される空気流量は、温度センサ９ａで検出されるカソードオフガスの温度と、圧力センサ９ｂで検出されるカソードオフガスの圧力とによって補正される。ちなみに、カソードオフガスの温度及び圧力による空気流量の補正は、例えば、空気流量、圧力及び温度の相対関係を示すテーブルを予めＥＣＵ１に設定すると共に、ＥＣＵ１が、このテーブルを参照して行うようにすればよい。 Next, as shown in FIG. 4, the ECU 1 completes the first purge execution, that is, at the time indicated by R in FIG. 4, the accumulated air amount (the cathode off-gas amount that has passed through the flow meter 8 (air (The integrated value of the amount)) is reset (step S4 (see FIG. 3)) and the integration of the integrated air amount is started (step S5 (see FIG. 3)). As a result, as shown in FIG. 4, the integrated air amount increases in accordance with the air flow rate (cathode off-gas flow rate) of the air discharge pipe 10g (see FIG. 2). In addition, in the integration of the integrated air amount, the air flow rate detected by the flow meter 8 by the ECU 1 depends on the temperature of the cathode off gas detected by the temperature sensor 9a and the pressure of the cathode off gas detected by the pressure sensor 9b. It is corrected. Incidentally, the correction of the air flow rate by the temperature and pressure of the cathode off-gas is performed, for example, by setting a table indicating the relative relationship between the air flow rate, pressure and temperature in the ECU 1 in advance, and the ECU 1 referring to this table. That's fine.

次に、ＥＣＵ１は、図３に示すように、積算空気量が、ステップＳ３で算出した空気量（Ａ）以上になっているか否かを判断する（ステップＳ６）。この際、積算空気量が、空気量（Ａ）未満の場合（ステップＳ６のＮｏ）には、その判断が繰り返される。そして、積算空気量が、空気量（Ａ）以上の場合（ステップＳ６のＹｅｓ）には、パージ禁止設定が解除される（ステップＳ７）。つまり、ＥＣＵ１は、図４に示すように、積算空気量が、空気量（Ａ）に達したことによって、パージ禁止フラグ（図４中、「１回目のパージ禁止」と記す）がオフになるように設定される。この工程は、特許請求の範囲（請求項３）にいう「パージ禁止解除工程」に相当する。 Next, as shown in FIG. 3, the ECU 1 determines whether or not the integrated air amount is equal to or larger than the air amount (A) calculated in step S3 (step S6). At this time, if the integrated air amount is less than the air amount (A) (No in step S6), the determination is repeated. If the integrated air amount is equal to or greater than the air amount (A) (Yes in step S6), the purge prohibition setting is canceled (step S7). That is, as shown in FIG. 4, the ECU 1 turns off the purge prohibition flag (indicated as “first purge prohibition” in FIG. 4) when the integrated air amount reaches the air amount (A). Is set as follows. This step corresponds to a “purging prohibition release step” in the scope of claims.

そして、この燃料電池システムＳでは、燃料電池スタック２の発電電流値や単セル２ａの電圧値が低下したか否か、つまり、図３に示すように、パージの要求があったか否かが判断される（ステップＳ８）。この際、パージの要求がない場合（ステップＳ８のＮｏ）には、この判断が繰り返される。そして、パージの要求があった場合（ステップＳ８のＹｅｓ）には、パージが実行される（ステップＳ９）。このようにしてパージが実行される際、ＥＣＵ１は、図４に示すように、パージ要求フラグ（図４中、「２回目のパージ要求」と記す）がオンになるように設定されると共に、パージ実行フラグ（図４中、「２回目のパージ実行」と記す）がオンになるように設定されることとなる。そして、この燃料電池システムＳでは、１回目のパージが実行された後と同様にして、ＥＣＵ１は、図４に示すように、パージ要求フラグ（図４中、「２回目のパージ要求」と記す）がオフになるように設定され、パージ実行フラグ（図４中、「２回目のパージ実行」と記す）がオフになるように設定され、パージ禁止フラグ（図４中、「２回目のパージ禁止」と記す）がオンになるように設定される。さらに、この燃料電池システムＳでは、図３に示すステップＳ２（２回目（前回）のパージ量の算出）からステップＳ７（パージ禁止設定の解除）までの工程が実行されると共に、ステップＳ８及びステップＳ９の工程を経ることによって、図示しない３回目のパージが行われることとなる。つまり、この燃料電池システムＳでは、パージが実行されるたびに、図３に示すステップＳ１からステップＳ９に示す工程が繰り返されることとなる。 In this fuel cell system S, it is determined whether or not the generated current value of the fuel cell stack 2 or the voltage value of the single cell 2a has decreased, that is, whether or not there has been a purge request as shown in FIG. (Step S8). At this time, if there is no purge request (No in step S8), this determination is repeated. If there is a purge request (Yes in step S8), the purge is executed (step S9). When the purge is executed in this way, the ECU 1 is set so that the purge request flag (indicated as “second purge request” in FIG. 4) is turned on, as shown in FIG. The purge execution flag (denoted as “second purge execution” in FIG. 4) is set to be on. Then, in this fuel cell system S, as shown in FIG. 4, the ECU 1 writes a purge request flag (in FIG. 4, “second purge request”) in the same manner as after the first purge. ) Is set to be turned off, the purge execution flag (indicated as “second purge execution” in FIG. 4) is set to be turned off, and the purge prohibition flag (in FIG. 4, “second purge” is set). Is set to be on. Further, in this fuel cell system S, steps from Step S2 (calculation of the purge amount for the second time (previous)) to Step S7 (release of purge prohibition setting) shown in FIG. Through the step S9, a third purge (not shown) is performed. That is, in this fuel cell system S, the steps shown in steps S1 to S9 shown in FIG. 3 are repeated every time the purge is executed.

ここで燃料電池システムＳと比較するために、参考例としての燃料電池システムを示す。図５は、参考例として示した燃料電池システムの動作を説明するためのタイムチャートである。
この燃料電池システムは、図５に示すように、パージ禁止の条件が、パージ実行の間隔が一定時間ｔ（固定値）になるように設定されている。この燃料電池システムでは、例えば、空気排出配管を流れる空気流量が増大することによって、燃料電池システムから大気中に排出される水素ガスの濃度（図５中、「水素ガスの排出濃度」と記す）が、次のパージを許容する程度に充分に低くなると共に、燃料電池スタックの発電電流値や単セルの電圧値は低下して、次のパージ要求があった場合であっても、次のパージを行うまでの一定時間ｔに至っていないとパージ禁止が維持されることとなる。つまり、この燃料電池システムでは、一定時間ｔが経過することによってパージ禁止が解除された後でないと、次のパージ実行は行われない。その結果、この燃料電池システムは、燃料電池スタックの発電電流値や単セルの電圧値は低下したままとなる。 Here, for comparison with the fuel cell system S, a fuel cell system as a reference example is shown. FIG. 5 is a time chart for explaining the operation of the fuel cell system shown as a reference example.
In this fuel cell system, as shown in FIG. 5, the purge prohibition condition is set so that the purge execution interval is a fixed time t (fixed value). In this fuel cell system, for example, the concentration of hydrogen gas discharged from the fuel cell system into the atmosphere by increasing the flow rate of air flowing through the air discharge pipe (referred to as “hydrogen gas discharge concentration” in FIG. 5). However, the value is sufficiently low to allow the next purge, and the generated current value of the fuel cell stack and the voltage value of the single cell are reduced, so that even if there is a next purge request, the next purge The purge prohibition is maintained unless the predetermined time t until the operation is performed. In other words, in this fuel cell system, the next purge execution is not performed unless the purge prohibition is canceled after the lapse of the predetermined time t. As a result, in this fuel cell system, the generated current value of the fuel cell stack and the voltage value of the single cell remain lowered.

これに対し、本実施形態に係る燃料電池システムＳは、パージされた燃料ガスを希釈するカソードオフガスの量が、パージされた水素ガスを目標濃度に希釈する量以上になったときにパージ禁止設定が解除されるので、参考例の燃料電池システムのように、大気中に排出される水素ガスの濃度が次のパージを許容する程度に充分に低くなっているにも関わらず、不要にパージの禁止が維持されるという問題を生じない。その結果、この燃料電池システムＳでは、水素ガスのパージが効率的に行われると共に、パージされた水素ガスは、目標濃度に希釈する量のカソードオフガスで充分に希釈されることとなる。 In contrast, in the fuel cell system S according to the present embodiment, the purge prohibition setting is performed when the amount of the cathode off gas for diluting the purged fuel gas becomes equal to or greater than the amount for diluting the purged hydrogen gas to the target concentration. Since the concentration of hydrogen gas discharged into the atmosphere is sufficiently low to allow the next purge, as in the fuel cell system of the reference example, the purge is unnecessary. It does not cause the problem of prohibition being maintained. As a result, in the fuel cell system S, the hydrogen gas is efficiently purged, and the purged hydrogen gas is sufficiently diluted with an amount of cathode off-gas diluted to the target concentration.

また、燃料電池システムＳでは、パージされた水素ガスを希釈するカソードオフガスの量が、パージされた水素ガスを目標濃度に希釈する量以上になったときに水素ガスのパージが行われるので、パージされた水素ガスは、効率良く目標濃度にまで希釈される。 Further, in the fuel cell system S, the purge of the hydrogen gas is performed when the amount of the cathode off gas for diluting the purged hydrogen gas becomes equal to or greater than the amount for diluting the purged hydrogen gas to the target concentration. The hydrogen gas thus diluted is efficiently diluted to the target concentration.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態には限定されない。前記実施形態では、カソードオフガスが希釈ガスとして使用されているが、希釈ガスは、窒素等の不活性ガスであればよく、例えば、不活性ガスが充填されたボンベから希釈器４に投入されてもよい。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment. In the embodiment, the cathode off-gas is used as a diluent gas. However, the diluent gas may be an inert gas such as nitrogen. For example, the cathode off-gas is introduced into the diluter 4 from a cylinder filled with the inert gas. Also good.

また、前記実施形態では、高圧水素容器５から供給される水素ガスを燃料ガスとして使用しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、改質ガスを燃料ガスとして使用するものであってもよい。 Moreover, in the said embodiment, although hydrogen gas supplied from the high pressure hydrogen container 5 is used as fuel gas, this invention is not limited to this, It uses reformed gas as fuel gas. There may be.

また、前記実施形態では、ステップＳ７の「パージの禁止設定の解除」の後に、ステップＳ８でパージの要求があったか否かを判断しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、このステップＳ８をとばして、すぐにステップＳ９の「パージの実行」が行われるようにしたものであってもよい。このような燃料電池システムでは、循環使用する水素ガス（燃料ガス）中の不純物によって発電時の電圧が低下する前にパージを行うことができる。その結果、この燃料電池システムは、発電時の電圧の低下を引き起こすことなく、発電を継続することができる。また、この燃料電池システムは、パージの禁止が解除されるとすぐにパージの要求を行うことができるので、複雑なパージ制御を行う必要がなく好ましい。 Further, in the embodiment, it is determined whether or not a purge request has been made in step S8 after “cancellation of purge prohibition setting” in step S7, but the present invention is not limited to this. This step S8 may be skipped and the “execution of purging” of step S9 may be performed immediately. In such a fuel cell system, purging can be performed before the voltage during power generation decreases due to impurities in the hydrogen gas (fuel gas) used in circulation. As a result, this fuel cell system can continue power generation without causing a decrease in voltage during power generation. Further, this fuel cell system is preferable because it is possible to make a purge request as soon as the prohibition of purge is released, and it is not necessary to perform complicated purge control.

また、前記実施形態では、パージされた水素ガスの量が、パージ弁２０ｄの開弁時間に基づいて算出されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、パージ水素配管１０ｆに流量計を取り付けることによってパージされた水素ガスの量を求めてもよい。 In the above embodiment, the amount of purged hydrogen gas is calculated based on the valve opening time of the purge valve 20d. However, the present invention is not limited to this, and the flow rate to the purge hydrogen pipe 10f You may obtain | require the quantity of the hydrogen gas purged by attaching a meter.

また、前記実施形態では、パージされる燃料ガスの量を特に規定していないが、本発明はパージされるごとにパージされる燃料ガスの量が一定になるようにしたものであってもよい。このような燃料電池システムは、希釈ガスの量を算出する必要がなく、希釈ガスの量を一定値に設定することができる。 In the above embodiment, the amount of fuel gas to be purged is not particularly defined, but the present invention may be such that the amount of fuel gas to be purged becomes constant every time it is purged. . In such a fuel cell system, it is not necessary to calculate the amount of dilution gas, and the amount of dilution gas can be set to a constant value.

実施形態に係る燃料電池システムが搭載された車両の平面図である。1 is a plan view of a vehicle equipped with a fuel cell system according to an embodiment. 実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。1 is a block diagram of a fuel cell system according to an embodiment. 実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating operation | movement of the fuel cell system which concerns on embodiment. 実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明するためのタイムチャートである。It is a time chart for demonstrating operation | movement of the fuel cell system which concerns on embodiment. 参考例として示した燃料電池システムの動作を説明するためのタイムチャートである。It is a time chart for demonstrating operation | movement of the fuel cell system shown as a reference example.

Explanation of symbols

１ＥＣＵ（制御手段）
２燃料電池スタック
８流量計
９ａ温度センサ
９ｂ圧力センサ
１０ｆパージ水素配管
１０ｇ空気排出配管
２０ｄパージ弁
Ｓ燃料電池システム 1 ECU (control means)
2 Fuel cell stack 8 Flow meter 9a Temperature sensor 9b Pressure sensor 10f Purge hydrogen piping 10g Air exhaust piping 20d Purge valve S Fuel cell system

Claims

In a fuel cell system comprising a diluter for diluting a purged fuel cell fuel gas with a diluent gas,
A procedure for performing a purge prohibition setting for prohibiting purging of the next fuel gas when the fuel gas is purged;
And a control means for executing a procedure for canceling the purge prohibition setting when the amount of the dilution gas introduced into the diluter after the fuel gas is purged exceeds a preset amount. A fuel cell system.

In a fuel cell system comprising a diluter for diluting a purged fuel cell fuel gas with a diluent gas,
Control means for executing a procedure for purging the next fuel gas when the amount of the dilution gas introduced into the diluter after the fuel gas is purged exceeds a preset amount. A fuel cell system comprising:

In the purged fuel gas processing method for a fuel cell, the fuel gas for the purged fuel cell is diluted with a diluent gas and then discharged.
A purge prohibiting step for performing purge prohibition setting so as to prohibit purging of the next fuel gas by purging the fuel gas;
A purge prohibition release step of canceling the purge prohibition setting when the amount of the dilution gas for diluting the fuel gas after the fuel gas is purged is equal to or greater than a preset amount. A purge fuel gas processing method for a fuel cell.