JP2006331966A - Fuel cell system - Google Patents

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Yoshihito Sugano
善仁 菅野
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Toyota Motor Corp
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Toyota Motor Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To restrain hydrogen gas from being exhausted in vain before being supplied to a fuel cell without using a check valve, in a fuel cell system utilizing hydrogen contained in anode offgas in circulation. <P>SOLUTION: A control computer detects a flow of anode offgas with the use of a flow meter 80, in which, if a flow is smaller than a reference value, exhaust of the anode offgas is carried out with a first exhaust valve 71 located at an upstream side of a circulation pump 40 in order to restrain fuel gas from flowing into a hydrogen circulation tube 33 from a branch point 38 to be wastefully exhausted. On the other hand, if a flow detected is larger than the reference value, it is judged that the fuel gas will not flow into the hydrogen circulation tube 33 from the branched part 38, and the anode offgas is exhausted with a second exhaust valve 72 located at a downstream side of the circulation pump 40. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、アノードオフガス中に含まれる水素を循環して再利用する燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system that circulates and reuses hydrogen contained in an anode off gas.

近年、水素と酸素の電気化学反応によって発電を行う燃料電池が、電気自動車に搭載される電力源として注目されている。このような燃料電池を備える燃料電池システムでは、燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを燃料電池に循環させて供給することで、アノードオフガス中に含まれる残留水素を効率的に利用することが行われている(特許文献1乃至4参照)。   In recent years, fuel cells that generate electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen have attracted attention as power sources mounted in electric vehicles. In a fuel cell system including such a fuel cell, the anode off gas discharged from the anode of the fuel cell is circulated and supplied to the fuel cell, so that the residual hydrogen contained in the anode off gas can be efficiently used. (See Patent Documents 1 to 4).

特開2004−172025号公報JP 2004-172025 A 特開2004−165094号公報JP 2004-165094 A 特開2004−31234号公報JP 200431234 A 特開平6−223859号公報JP-A-6-223859

例えば、特許文献1に記載の燃料電池システムでは、水素タンクから燃料電池に供給される水素ガスが、アノードオフガスを循環させる循環系に流れ込まないように、水素供給系と循環系との結合部分に逆止弁が設けられている。循環系には、定期的にアノードオフガスを外部に排出する排出弁が設けられているため、水素供給系から循環系に水素ガスが流れ込んだとすると、この排出弁から水素ガスが燃料電池に供給される前に排出されてしまう場合があるからである。   For example, in the fuel cell system described in Patent Document 1, the hydrogen gas supplied from the hydrogen tank to the fuel cell does not flow into the circulation system that circulates the anode off-gas, so that the hydrogen supply system and the circulation system are connected to each other. A check valve is provided. Since the circulation system is provided with a discharge valve that periodically discharges the anode off gas to the outside, if hydrogen gas flows into the circulation system from the hydrogen supply system, hydrogen gas is supplied from the discharge valve to the fuel cell. This is because it may be discharged before.

しかしながら、逆止弁を備える燃料電池システムでは、0℃以下の環境で放置された場合などに、逆止弁が凍結してアノードオフガスの循環が阻害されてしまうおそれがあった。また、通常、逆止弁は、その動作に電力が必要とされず、発熱することがないため、一旦凍結してしまうと自立的に解氷することは困難であった。   However, in a fuel cell system equipped with a check valve, when left in an environment of 0 ° C. or less, the check valve may freeze and hinder circulation of the anode off gas. Further, since the check valve normally does not require electric power for its operation and does not generate heat, once it is frozen, it is difficult to unfreeze the ice independently.

このような状況に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、アノードオフガス中に含まれる水素を循環して利用する燃料電池システムにおいて、逆止弁を用いることなく、水素ガスが燃料電池に供給される前に無駄に排出されてしまうことを抑制することにある。   In view of such circumstances, the problem to be solved by the present invention is to supply hydrogen gas to a fuel cell without using a check valve in a fuel cell system that circulates and uses hydrogen contained in the anode off-gas. This is to prevent wasteful discharge before being done.

上記課題を解決するため、本発明の燃料電池システムを次のように構成した。すなわち、
燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池に接続され、該燃料電池に水素ガスを供給する水素供給流路と、
前記燃料電池と前記水素供給流路とに接続され、前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを前記水素供給流路に流す循環流路と、
前記循環流路中に設けられ、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを加圧して前記水素供給流路に流す循環ポンプと、
前記循環流路中の前記燃料電池と前記循環ポンプとの間に設けられ、前記循環流路内に流れる前記アノードオフガスを外部に排出する第1の排出弁と、
前記循環流路中の前記循環ポンプと前記水素供給流路との間に設けられ、前記循環流路内に流れる前記アノードオフガスを外部に排出する第2の排出弁と、
前記循環流路中に流れるアノードオフガスの状態量に基づき、前記第1の排出弁または前記第2の排出弁のいずれかを選択し、該選択した排出弁を開閉させて前記アノードオフガスを外部に排出させる制御部と
を備えることを要旨とする。
In order to solve the above problems, the fuel cell system of the present invention is configured as follows. That is,
A fuel cell system comprising a fuel cell,
A hydrogen supply channel connected to the fuel cell and supplying hydrogen gas to the fuel cell;
A circulation flow path connected to the fuel cell and the hydrogen supply flow path for flowing an anode off-gas discharged from the fuel cell to the hydrogen supply flow path;
A circulation pump which is provided in the circulation flow path and pressurizes the anode off gas discharged from the fuel cell and flows it to the hydrogen supply flow path;
A first discharge valve provided between the fuel cell in the circulation flow path and the circulation pump, for discharging the anode off gas flowing in the circulation flow path to the outside;
A second discharge valve that is provided between the circulation pump in the circulation flow path and the hydrogen supply flow path, and discharges the anode off gas flowing in the circulation flow path to the outside;
Based on the state quantity of the anode off gas flowing in the circulation flow path, either the first exhaust valve or the second exhaust valve is selected, and the selected exhaust valve is opened and closed to bring the anode off gas to the outside. And a control unit for discharging.

本発明の燃料電池システムでは、循環流路中に流れるアノードオフガスの状態量に基づき、循環ポンプの上流側(燃料電池側)に備えられた第1の排出弁と循環ポンプの下流側(水素供給流路側)に備えられた第2の排出弁とを使い分けてアノードオフガスを外部に排出する。そのため、アノードオフガスの状態量が、水素供給流路から循環流路に水素ガスが流れ込まない状態量であれば、循環ポンプの下流側の第2の排出弁からアノードオフガスを排出し、アノードオフガスの状態量が、水素供給流路から循環流路に水素ガスが流れ込むおそれがある状態量であれば、循環ポンプの上流側の第1の排出弁からアノードオフガスを排出することで、水素ガスが、燃料電池に供給される前に無駄に排出されてしまうことを抑制することができる。なお、アノードオフガスの状態量とは、水素ガスが水素供給流路から循環流路に流れ込み、排出弁から無駄に排出されるおそれがあることを推定可能なパラメータであって、例えば、アノードオフガスの流量や圧力等のことをいう。   In the fuel cell system of the present invention, the first discharge valve provided on the upstream side (fuel cell side) of the circulation pump and the downstream side of the circulation pump (hydrogen supply) based on the state quantity of the anode off gas flowing in the circulation channel The anode off gas is discharged to the outside by properly using the second discharge valve provided on the flow path side). Therefore, if the state quantity of the anode off gas is such that the hydrogen gas does not flow from the hydrogen supply flow path into the circulation flow path, the anode off gas is discharged from the second discharge valve downstream of the circulation pump, If the state quantity is a state quantity that may cause hydrogen gas to flow from the hydrogen supply flow path to the circulation flow path, the hydrogen off gas is discharged by discharging the anode off-gas from the first discharge valve on the upstream side of the circulation pump. It is possible to suppress wasteful discharge before being supplied to the fuel cell. The state quantity of the anode off gas is a parameter that can be estimated that hydrogen gas may flow from the hydrogen supply flow path into the circulation flow path and be exhausted from the discharge valve. It refers to the flow rate and pressure.

上記構成の燃料電池システムにおいて、
更に、前記循環流路内を流れるアノードオフガスの流量を検出する流量検出手段を備え、
前記制御部は、前記アノードオフガスの状態量として前記流量検出手段によって検出した流量に基づき、前記排出弁の選択を行うものとしてもよい。
この場合には、前記制御部は、前記流量検出手段によって検出した流量が所定の基準値よりも小さい場合に、前記第1の排出弁を選択し、前記流量が前記所定の基準値よりも大きい場合に、前記第2の排出弁を選択するものとすることができる。
In the fuel cell system configured as described above,
Furthermore, it comprises a flow rate detection means for detecting the flow rate of the anode off gas flowing in the circulation channel,
The control unit may select the discharge valve based on a flow rate detected by the flow rate detection unit as a state quantity of the anode off gas.
In this case, the control unit selects the first discharge valve when the flow rate detected by the flow rate detection unit is smaller than a predetermined reference value, and the flow rate is larger than the predetermined reference value. In this case, the second discharge valve can be selected.

このような構成の燃料電池システムでは、アノードオフガスの流量が基準値よりも少ないために、水素供給流路から循環流路に水素ガスが流れ込むおそれがある場合には、循環ポンプの上流に位置する第1の排出弁を用いてアノードオフガスを排出する。従って、循環ポンプの存在により、水素ガスが第1の排出弁まで到達することが抑制されるため、水素ガスが無駄に排出されてしまうことを抑制することができる。更に、かかる構成では、アノードオフガスの流量が基準値よりも多く、水素供給流路から循環流路に水素ガスが流れ込むことを抑制することが可能な場合には、循環ポンプの下流に位置する第2の排出弁を用いてアノードオフガスを排出することができる。従って、アノードオフガスの循環量の増加に伴い循環ポンプの吸い込み量が増加し、循環ポンプの上流側が負圧になって第1の排出弁からアノードオフガスを排出することが困難となる場合であっても、第2の排出弁からスムーズにアノードオフガスを排出することが可能になる。   In the fuel cell system having such a configuration, since the flow rate of the anode off-gas is smaller than the reference value, when there is a possibility that hydrogen gas may flow from the hydrogen supply channel to the circulation channel, it is located upstream of the circulation pump. The anode off gas is discharged using the first discharge valve. Accordingly, the presence of the circulation pump suppresses the hydrogen gas from reaching the first discharge valve, so that it is possible to suppress the wasteful discharge of the hydrogen gas. Further, in such a configuration, when the flow rate of the anode off gas is higher than the reference value and the hydrogen gas can be prevented from flowing from the hydrogen supply channel to the circulation channel, the second gas is disposed downstream of the circulation pump. The anode off-gas can be discharged using two discharge valves. Accordingly, the amount of suction of the circulation pump increases as the circulation amount of the anode off gas increases, and the upstream side of the circulation pump becomes negative pressure, making it difficult to discharge the anode off gas from the first exhaust valve. In addition, the anode off gas can be discharged smoothly from the second discharge valve.

なお、前記流量検出手段は、前記アノードオフガスの圧力、前記アノードオフガスの温度、前記循環ポンプの駆動量、前記燃料電池の発電量、の少なくともいずれか一つに応じて前記アノードオフガスの流量を推定するものとしてもよい。   The flow rate detection means estimates the flow rate of the anode off gas according to at least one of the pressure of the anode off gas, the temperature of the anode off gas, the driving amount of the circulation pump, and the power generation amount of the fuel cell. It is good also as what to do.

このような構成であれば、アノードオフガスの流量を流量センサなどで直接検出しなくとも、排出弁の選択を行うことが可能になる。   With such a configuration, it is possible to select the discharge valve without directly detecting the flow rate of the anode off gas with a flow sensor or the like.

上記構成の燃料電池システムにおいて、
更に、前記循環流路内を流れるアノードオフガスの圧力を検出する圧力検出手段を備え、
前記制御部は、前記アノードオフガスの状態量として前記圧力検出手段によって検出した圧力に基づき、前記排出弁の選択を行うものとしてもよい。
In the fuel cell system configured as described above,
Furthermore, it comprises a pressure detection means for detecting the pressure of the anode off gas flowing in the circulation channel,
The control unit may select the discharge valve based on a pressure detected by the pressure detection unit as a state quantity of the anode off gas.

かかる構成において、
前記圧力検出手段は、前記循環流路中の、前記循環ポンプと前記燃料電池との間に設けられ、
前記制御部は、前記圧力検出手段によって検出した圧力から、前記アノードオフガスが前記第1の排出弁または前記第2の排出弁を通じて排出される空間における圧力を差し引いた差圧が、所定の基準値よりも大きい場合に、前記第1の排出弁を選択し、前記差圧が前記所定の基準値よりも小さい場合に、前記第2の排出弁を選択するものとすることができる。
In such a configuration,
The pressure detection means is provided between the circulation pump and the fuel cell in the circulation flow path,
The control unit has a predetermined reference value obtained by subtracting a pressure in a space in which the anode off-gas is discharged through the first discharge valve or the second discharge valve from the pressure detected by the pressure detection unit. The first discharge valve is selected when the pressure is larger than the second discharge valve, and the second discharge valve is selected when the differential pressure is smaller than the predetermined reference value.

このような構成の燃料電池システムによれば、循環ポンプの吸引力によってその上流側のアノードオフガスの圧力が低下した場合には、循環ポンプの上流側に位置する第1の排出弁ではなく、循環ポンプの下流側に位置する第2の排出弁からアノードオフガスを排出するため、スムーズにアノードオフガスを排出することができる。このような場合には、循環ポンプによってアノードオフガスの循環量が増加しているため、第2の排出弁からアノードオフガスを排出したとしても、水素供給流路から循環流路に水素ガスが流れ込むことが妨げられることになり、水素ガスが無駄に排出されることを抑制することができる。更に、かかる構成では、循環ポンプの上流側の圧力が大きい場合には、循環ポンプの上流に位置する第1の排出弁を開閉させることにより、アノードオフガスをスムーズに排出することができる。この場合において、水素供給流路から循環流路に水素ガスが流れ込んだとしても、循環ポンプによってその流れは妨げられることになるため、水素ガスが無駄に排出されることが抑制されることになる。   According to the fuel cell system having such a configuration, when the pressure of the anode off-gas on the upstream side of the circulation pump is reduced by the suction force of the circulation pump, the circulation is not performed on the first discharge valve located on the upstream side of the circulation pump. Since the anode off gas is discharged from the second discharge valve located on the downstream side of the pump, the anode off gas can be discharged smoothly. In such a case, since the circulation amount of the anode off gas is increased by the circulation pump, even if the anode off gas is discharged from the second discharge valve, the hydrogen gas flows from the hydrogen supply channel into the circulation channel. This prevents the hydrogen gas from being discharged wastefully. Further, in such a configuration, when the pressure on the upstream side of the circulation pump is large, the anode off gas can be smoothly discharged by opening and closing the first discharge valve located upstream of the circulation pump. In this case, even if hydrogen gas flows from the hydrogen supply flow path into the circulation flow path, the flow is hindered by the circulation pump, so that the wasteful discharge of hydrogen gas is suppressed. .

なお、前記アノードオフガスが前記第1の排出弁または前記第2の排出弁を通じて排出される空間の圧力とは、大気圧であるものとしてもよい。アノードオフガスは、最終的に大気中に排出されるからである。   The pressure in the space where the anode off gas is discharged through the first discharge valve or the second discharge valve may be atmospheric pressure. This is because the anode off gas is finally discharged into the atmosphere.

このような構成であれば、大気圧を定数として扱うことができるため、前記空間の圧力を検出するためのセンサを別途設ける必要がなく、システムを簡略化することができる。   With such a configuration, atmospheric pressure can be handled as a constant, so that it is not necessary to separately provide a sensor for detecting the pressure in the space, and the system can be simplified.

また、上記構成の燃料電池システムにおいて、
前記圧力検出手段は、前記循環流路中の、前記循環ポンプと前記水素供給流路との間に設けられ、
前記制御部は、前記圧力検出手段によって検出した圧力から、前記水素供給流路内の前記循環流路と結合する部分よりも上流における水素ガスの圧力を差し引いた差圧が、所定の基準値よりも小さい場合に、前記第1の排出弁を選択し、前記差圧が前記基準値よりも大きい場合に、前記第2の排出弁を選択するものとすることができる。
In the fuel cell system configured as described above,
The pressure detection means is provided between the circulation pump and the hydrogen supply channel in the circulation channel,
The control unit is configured such that a differential pressure obtained by subtracting a pressure of hydrogen gas upstream from a portion coupled with the circulation flow path in the hydrogen supply flow path from a pressure detected by the pressure detection unit is greater than a predetermined reference value. The first discharge valve is selected when the pressure is smaller, and the second discharge valve is selected when the differential pressure is larger than the reference value.

このような構成の燃料電池システムによれば、循環流路内の圧力が水素供給流路内の圧力に比べて十分に大きければ、水素供給流路から循環流路に水素ガスが流れ込むことが抑制されるため、循環ポンプの下流側に位置する第2の排出弁を用いてアノードオフガスを排出することができる。更に、循環流路内の圧力が水素供給流路内の圧力に比べて低ければ、循環ポンプの上流側に位置する第1の排出弁を用いてアノードオフガスを排出するため、水素供給流路から循環流路に水素ガスが流れ込んだとしても、循環ポンプによってその流れが妨げられることになり、水素ガスが無駄に排出されてしまうことを抑制することができる。   According to the fuel cell system having such a configuration, if the pressure in the circulation channel is sufficiently larger than the pressure in the hydrogen supply channel, the hydrogen gas is prevented from flowing from the hydrogen supply channel into the circulation channel. Therefore, the anode off gas can be discharged using the second discharge valve located on the downstream side of the circulation pump. Furthermore, if the pressure in the circulation channel is lower than the pressure in the hydrogen supply channel, the anode off-gas is discharged using the first discharge valve located upstream of the circulation pump. Even if hydrogen gas flows into the circulation channel, the flow is hindered by the circulation pump, and it is possible to suppress the wasteful discharge of hydrogen gas.

以下、上述した本発明の作用・効果を一層明らかにするため、本発明の実施の形態を実施例に基づき次の順序で説明する。
A.第1実施例:
(A1)燃料電池システムの構成:
(A2)アノードオフガスの排出制御:
B.第2実施例:
(B1)燃料電池システムの構成:
(B2)アノードオフガスの排出制御:
C.第3実施例:
(C1)燃料電池システムの構成:
(C2)アノードオフガスの排出制御:
Hereinafter, in order to further clarify the operations and effects of the present invention described above, embodiments of the present invention will be described based on examples in the following order.
A. First embodiment:
(A1) Configuration of fuel cell system:
(A2) Anode off gas discharge control:
B. Second embodiment:
(B1) Configuration of fuel cell system:
(B2) Anode off gas discharge control:
C. Third embodiment:
(C1) Configuration of fuel cell system:
(C2) Anode off gas discharge control:

A.第1実施例:
(A1)燃料電池システムの構成:
図1は、第1実施例としての燃料電池システム100aの全体構成を示す説明図である。図示するように、燃料電池システム100aは、水素と酸素の電気化学反応によって発電を行う燃料電池10や、高圧の水素ガスを貯蔵する水素タンク20、燃料電池10に対して空気を供給するエアコンプレッサ30、燃料電池10から排出されたアノードオフガスを循環させる循環ポンプ40、燃料電池システム100aの動作を制御する制御コンピュータ60などを備えている。燃料電池システム100aは、車両に搭載され、車軸駆動用のモータ50等の負荷を動作させる電力源として用いられる。
A. First embodiment:
(A1) Configuration of fuel cell system:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the overall configuration of a fuel cell system 100a as a first embodiment. As shown in the figure, a fuel cell system 100a includes a fuel cell 10 that generates power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, a hydrogen tank 20 that stores high-pressure hydrogen gas, and an air compressor that supplies air to the fuel cell 10. 30, a circulation pump 40 for circulating the anode off gas discharged from the fuel cell 10, a control computer 60 for controlling the operation of the fuel cell system 100 a, and the like. The fuel cell system 100a is mounted on a vehicle and used as a power source for operating a load such as an axle driving motor 50.

燃料電池10は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、構成単位である単セル(図示せず)を複数積層したスタック構造を有している。各単セルは、電解質膜を挟んで水素極(以下、アノードと呼ぶ)と酸素極(以下、カソードと呼ぶ)とを配置した構成となっている。燃料電池10の各単セルのアノード側に水素を含有する燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含有する酸化ガスを供給することで、電気化学反応が進行し、起電力が生じる。   The fuel cell 10 is a solid polymer electrolyte type fuel cell, and has a stack structure in which a plurality of unit cells (not shown) are stacked. Each single cell has a configuration in which a hydrogen electrode (hereinafter referred to as an anode) and an oxygen electrode (hereinafter referred to as a cathode) are arranged with an electrolyte membrane interposed therebetween. By supplying a fuel gas containing hydrogen to the anode side of each single cell of the fuel cell 10 and supplying an oxidizing gas containing oxygen to the cathode side, an electrochemical reaction proceeds and an electromotive force is generated.

燃料電池10のカソードには、空気供給配管31とカソードオフガス排出管36とが接続されている。燃料電池10には、空気供給配管31を通じて、エアコンプレッサ30により圧縮された空気が酸化ガスとして供給される。この空気は、燃料電池10内での電気化学反応によって酸素が消費された後、カソードオフガス排出管36を通じて外部に排出される。こうしてカソードから排出されるガスをカソードオフガスという。   An air supply pipe 31 and a cathode offgas discharge pipe 36 are connected to the cathode of the fuel cell 10. The air compressed by the air compressor 30 is supplied to the fuel cell 10 as an oxidizing gas through the air supply pipe 31. This air is exhausted to the outside through the cathode offgas exhaust pipe 36 after oxygen is consumed by an electrochemical reaction in the fuel cell 10. The gas discharged from the cathode in this way is called cathode off gas.

燃料電池10のアノードには、水素供給配管32と水素循環管33とが接続されている。アノードには、水素供給配管32を通じて、水素タンク20から燃料ガスとしての水素が供給される。水素供給配管32には、シャットバルブ34と調圧バルブ35とが備えられている。シャットバルブ34は、水素タンク20からの燃料ガスの供給を遮断するためのバルブである。一方、調圧バルブ35は、水素タンク20から供給される燃料ガスの圧力を、燃料電池10による発電に適した圧力まで減圧するためのバルブである。   A hydrogen supply pipe 32 and a hydrogen circulation pipe 33 are connected to the anode of the fuel cell 10. Hydrogen as fuel gas is supplied from the hydrogen tank 20 to the anode through the hydrogen supply pipe 32. The hydrogen supply pipe 32 is provided with a shut valve 34 and a pressure regulating valve 35. The shut valve 34 is a valve for shutting off the supply of fuel gas from the hydrogen tank 20. On the other hand, the pressure regulating valve 35 is a valve for reducing the pressure of the fuel gas supplied from the hydrogen tank 20 to a pressure suitable for power generation by the fuel cell 10.

燃料電池10内では、燃料ガス中の水素の一部が電気化学反応によって消費され、電気化学反応によって消費しきれなかった水素は、アノードオフガスとして燃料電池10から水素循環管33に排出される。水素循環管33は、調圧バルブ35と燃料電池10との間に設けられた分岐部38を介して水素供給配管32に接続されている。この水素循環管33を流れるアノードオフガス中には、水素以外にも、燃料電池10内の電解質膜を通じてカソード側から透過してきた水分や窒素等が含まれる。   In the fuel cell 10, a part of the hydrogen in the fuel gas is consumed by the electrochemical reaction, and the hydrogen that cannot be consumed by the electrochemical reaction is discharged from the fuel cell 10 to the hydrogen circulation pipe 33 as the anode off gas. The hydrogen circulation pipe 33 is connected to the hydrogen supply pipe 32 via a branch portion 38 provided between the pressure regulating valve 35 and the fuel cell 10. In addition to hydrogen, the anode off gas flowing through the hydrogen circulation pipe 33 contains moisture, nitrogen, and the like that have permeated from the cathode side through the electrolyte membrane in the fuel cell 10.

水素循環管33に排出されたアノードオフガスは、水素循環管33中に設けられた循環ポンプ40によって加圧される。そして、加圧されたアノードオフガスは分岐部38を通じて、再度、水素供給配管32に供給される。つまり、燃料電池10から排出されたアノードオフガスは、燃料電池10に循環して供給されることになる。上述したように、アノードオフガスには、燃料電池10による電気化学反応で消費しきれなかった水素が含まれるため、アノードオフガスを燃料電池10に循環して供給することにより、効率的に水素を利用することができる。   The anode off gas discharged to the hydrogen circulation pipe 33 is pressurized by a circulation pump 40 provided in the hydrogen circulation pipe 33. Then, the pressurized anode off gas is supplied again to the hydrogen supply pipe 32 through the branch portion 38. That is, the anode off gas discharged from the fuel cell 10 is circulated and supplied to the fuel cell 10. As described above, since the anode off gas contains hydrogen that could not be consumed by the electrochemical reaction by the fuel cell 10, the anode off gas is circulated and supplied to the fuel cell 10 to efficiently use hydrogen. can do.

循環ポンプ40によるアノードオフガスの循環量の調整は、制御コンピュータ60によって制御される。詳しくは、制御コンピュータ60は、モータ50等の負荷に多くの電力が必要となるほど、循環ポンプ40の駆動量を大きくすることで、アノードオフガスの循環量を増加させる。こうすることで、燃料電池10に多くの水素が供給されることになり発電量が増加する。   Adjustment of the circulation amount of the anode off gas by the circulation pump 40 is controlled by the control computer 60. Specifically, the control computer 60 increases the circulation amount of the anode off gas by increasing the drive amount of the circulation pump 40 so that more electric power is required for the load such as the motor 50. By doing so, a large amount of hydrogen is supplied to the fuel cell 10 and the amount of power generation increases.

水素循環管33中の循環ポンプ40の上流側(燃料電池10側)には、第1排出弁71が設けられ、下流側(水素供給配管32側)には、第2排出弁72が設けられている。水素循環管33は、これらの排出弁71,72を介して、アノードオフガス排出配管75に接続されている。本実施例では、水素循環管33中の燃料電池10と第1排出弁71との間に、水素循環管33内を流れるアノードオフガスの流量を検出する流量計80が備えられている。   A first discharge valve 71 is provided on the upstream side (fuel cell 10 side) of the circulation pump 40 in the hydrogen circulation pipe 33, and a second discharge valve 72 is provided on the downstream side (hydrogen supply pipe 32 side). ing. The hydrogen circulation pipe 33 is connected to the anode offgas discharge pipe 75 through these discharge valves 71 and 72. In this embodiment, a flow meter 80 for detecting the flow rate of the anode off gas flowing in the hydrogen circulation pipe 33 is provided between the fuel cell 10 in the hydrogen circulation pipe 33 and the first discharge valve 71.

第1排出弁71と第2排出弁72の開閉は、制御コンピュータ60によって制御される。本実施例では、制御コンピュータ60は、流量計80によって検出したアノードオフガスの流量に応じて、どちらの排出弁を用いてアノードオフガスを排出するかを選択する。そして、選択した排出弁を所定のタイミングで開閉することにより、水素循環管33中のアノードオフガスを、アノードオフガス排出配管75を通じて外部に排出する。上述したように、アノードオフガスには水分や窒素などが含まれるため、循環を繰り返すとこれらの濃度が高くなり水素分圧が低下する。そのため、第1排出弁71もしくは第2排出弁72を定期的に開弁して排出することで、これらの不純物を水素とともに外部に排出し、その濃度を低下させることができる。   Opening and closing of the first discharge valve 71 and the second discharge valve 72 is controlled by the control computer 60. In this embodiment, the control computer 60 selects which discharge valve to discharge the anode off gas according to the flow rate of the anode off gas detected by the flow meter 80. Then, by opening and closing the selected discharge valve at a predetermined timing, the anode off gas in the hydrogen circulation pipe 33 is discharged to the outside through the anode off gas discharge pipe 75. As described above, since the anode off gas contains moisture, nitrogen, and the like, the concentration thereof increases and the hydrogen partial pressure decreases when the circulation is repeated. Therefore, by periodically opening and discharging the first discharge valve 71 or the second discharge valve 72, these impurities can be discharged together with hydrogen to reduce the concentration thereof.

制御コンピュータ60は、CPU61とRAM62とROM63と各種入出力ポートとを備えている。ROM63には、第1排出弁71や第2排出弁72の開閉制御を行うためのプログラムや、燃料電池システム100全体の運転制御を行うためのプログラムが記録されている。CPU61は、これらのプログラムをROM63から読み出し、RAM62をワークエリアとして用いつつ実行する。この制御コンピュータ60には、入出力ポートを介して、流量計80や第1排出弁71、第2排出弁72、シャットバルブ34、調圧バルブ35、エアコンプレッサ30、循環ポンプ40などが接続されている。   The control computer 60 includes a CPU 61, a RAM 62, a ROM 63, and various input / output ports. The ROM 63 stores a program for performing opening / closing control of the first discharge valve 71 and the second discharge valve 72 and a program for performing operation control of the entire fuel cell system 100. The CPU 61 reads these programs from the ROM 63 and executes them using the RAM 62 as a work area. The control computer 60 is connected to a flow meter 80, a first discharge valve 71, a second discharge valve 72, a shut valve 34, a pressure regulating valve 35, an air compressor 30, a circulation pump 40, and the like via an input / output port. ing.

(A2)アノードオフガスの排出制御:
図2は、制御コンピュータ60が燃料電池システム100aの動作中、常時実行するアノードオフガス排出制御ルーチンのフローチャートである。このアノードオフガス排出制御ルーチンは、水素循環管33内を循環するアノードオフガスを、第1排出弁71または第2排出弁72を用いて外部に排出するために実行される。
(A2) Anode off gas discharge control:
FIG. 2 is a flowchart of an anode offgas discharge control routine that is always executed by the control computer 60 during operation of the fuel cell system 100a. This anode off-gas discharge control routine is executed to discharge the anode off-gas circulating in the hydrogen circulation pipe 33 to the outside using the first discharge valve 71 or the second discharge valve 72.

このルーチンが実行されると、まず、制御コンピュータ60は、流量計80を用いて、水素循環管33内を流れるアノードオフガスの流量Q(l/s)を検出する(ステップS100)。そして、この流量Qと、予め設定された基準値αとを比較して、流量Qが基準値α未満であるか否かを判定する(ステップS110)。基準値αは、例えば、燃料ガスが分岐部38から水素循環管33に流れ込むことを抑えることが可能なアノードオフガスの流量を実験的に求めて設定することができる。   When this routine is executed, first, the control computer 60 detects the flow rate Q (l / s) of the anode off gas flowing through the hydrogen circulation pipe 33 using the flow meter 80 (step S100). Then, the flow rate Q is compared with a preset reference value α to determine whether or not the flow rate Q is less than the reference value α (step S110). The reference value α can be set, for example, by experimentally determining the flow rate of the anode off gas that can prevent the fuel gas from flowing into the hydrogen circulation pipe 33 from the branch portion 38.

上記ステップS110による判定の結果、流量Qが基準値α未満であれば(ステップS110:Yes)、制御コンピュータ60は、燃料ガスが分岐部38から水素循環管33に流れ込むおそれがあると判断して、アノードオフガスの排出を行う排出弁として循環ポンプ40の上流に位置する第1排出弁71を選択し(ステップS120)、第2排出弁72を閉弁状態にする(ステップS130)。一方、流量Qが基準値α以上であれば(ステップS110:No)、制御コンピュータ60は、燃料ガスが分岐部38から水素循環管33に流れ込まないと判断し、アノードオフガスの排出を行う排出弁として、循環ポンプ40の下流に位置する第2排出弁72を選択し(ステップS140)、第1排出弁を閉弁状態にする(ステップS150)。   As a result of the determination in step S110, if the flow rate Q is less than the reference value α (step S110: Yes), the control computer 60 determines that the fuel gas may flow into the hydrogen circulation pipe 33 from the branch portion 38. Then, the first discharge valve 71 located upstream of the circulation pump 40 is selected as the discharge valve for discharging the anode off gas (step S120), and the second discharge valve 72 is closed (step S130). On the other hand, if the flow rate Q is equal to or greater than the reference value α (step S110: No), the control computer 60 determines that the fuel gas does not flow into the hydrogen circulation pipe 33 from the branch portion 38 and discharges the anode off-gas. The second discharge valve 72 located downstream of the circulation pump 40 is selected (step S140), and the first discharge valve is closed (step S150).

次に、制御コンピュータ60は、上記ステップS120もしくはステップS140で選択された排出弁をt1秒開弁し(ステップS160)、その後、この排出弁をt2秒閉弁する(ステップS170)。上述したように、アノードオフガスには、窒素や水分などの不純物が含まれる。そのため、アノードオフガス中の不純物を低減するためには、時間t1を長く設定することが必要である。しかし、アノードオフガスの排出を行えば、不純物とともに水素も排出されることになるため、水素の無駄な排出を抑えるとともに安全上の観点から時間t1は、できるだけ短く設定することが好ましい。従って、時間t1およびt2は、この両者の要求を満たすことのできる時間を実験などによって求めて設定することができる。例えば、時間t1は、数十〜数百ミリ秒の範囲で設定することができ、時間t2は、数秒から数十秒の範囲内で設定することができる。なお、このt1、t2は、固定の値としてもよいが、外気温や発電量などに応じてアノードオフガス中の不純物の量を推定し、推定された不純物の量に応じてデューティ比を調整するものとしてもよい。また、排出弁71,72が可変絞りを備える場合には、その開度を調整してアノードオフガスの排出量を調整するものとしてもよい。制御コンピュータ60は、上述した一連の処理を繰り返し実行する。   Next, the control computer 60 opens the discharge valve selected in step S120 or step S140 for t1 seconds (step S160), and then closes the discharge valve for t2 seconds (step S170). As described above, the anode off gas contains impurities such as nitrogen and moisture. Therefore, in order to reduce impurities in the anode off gas, it is necessary to set the time t1 long. However, if the anode off-gas is discharged, hydrogen is discharged together with the impurities. Therefore, it is preferable to set the time t1 as short as possible from the viewpoint of safety while suppressing unnecessary discharge of hydrogen. Therefore, the times t1 and t2 can be set by obtaining the time that can satisfy both requirements by experiments. For example, the time t1 can be set in the range of several tens to several hundreds of milliseconds, and the time t2 can be set in the range of several seconds to several tens of seconds. These t1 and t2 may be fixed values, but the amount of impurities in the anode off-gas is estimated according to the outside air temperature, the amount of power generation, etc., and the duty ratio is adjusted according to the estimated amount of impurities. It may be a thing. Further, when the discharge valves 71 and 72 are provided with a variable throttle, the discharge amount of the anode off gas may be adjusted by adjusting the opening degree. The control computer 60 repeatedly executes the series of processes described above.

以上のように構成した第1実施例の燃料電池システム100aでは、燃料電池システム100aの起動直後など、モータ50等の負荷に要する電力が少なく、アノードオフガスの循環量が少ない場合には、循環ポンプ40の下流側にある第2排出弁72を閉じて、循環ポンプ40よりも上流側に位置する第1排出弁71からアノードオフガスを排出する。従って、アノードオフガスの循環量が少ないために燃料ガスが水素供給配管32から水素循環管33に流れ込んだとしても、その流れは、循環ポンプ40によって妨げられることになり、燃料ガスが無駄に排出されてしまうことを抑制することが可能になる。   In the fuel cell system 100a of the first embodiment configured as described above, when the power required for the load of the motor 50 or the like is small and the circulation amount of the anode off gas is small, such as immediately after the start of the fuel cell system 100a, the circulation pump The second discharge valve 72 on the downstream side of the 40 is closed, and the anode off gas is discharged from the first discharge valve 71 located on the upstream side of the circulation pump 40. Therefore, even if the fuel gas flows from the hydrogen supply pipe 32 into the hydrogen circulation pipe 33 because the circulation amount of the anode off gas is small, the flow is hindered by the circulation pump 40, and the fuel gas is wasted. Can be suppressed.

更に、本実施例では、モータ50等の負荷に多くの電力が必要となり、アノードオフガスの循環量が増した場合には、循環ポンプ40の下流側に位置する第2排出弁72からアノードオフガスの排出を行う。従って、アノードオフガスの循環量の増加に伴い循環ポンプ40の吸い込み量が増加することで、循環ポンプ40の上流側の圧力が低くなり、アノードオフガス排出配管75内の圧力(大気圧)と水素循環管33内の圧力との圧力差が十分にとれず、第1排出弁71からアノードオフガスを排出することが困難となる場合であっても、第2排出弁72からスムーズにアノードオフガスを排出することが可能になる。なお、アノードオフガスの循環量が多ければ、水素供給配管32から水素循環管33に燃料ガスが流れ込むことが妨げられるため、第2排出弁72からアノードオフガスを排出したとしても、この第2排出弁72から燃料ガスが無駄に排出されてしまうことが抑制されることになる。   Further, in this embodiment, when a large amount of electric power is required for the load such as the motor 50 and the circulation amount of the anode off gas is increased, the anode off gas is discharged from the second discharge valve 72 located on the downstream side of the circulation pump 40. Discharge. Accordingly, the amount of suction of the circulation pump 40 increases with the increase in the circulation amount of the anode off gas, so that the pressure on the upstream side of the circulation pump 40 decreases, and the pressure (atmospheric pressure) in the anode off gas discharge pipe 75 and the hydrogen circulation. Even when the pressure difference from the pressure in the pipe 33 is not sufficient and it is difficult to discharge the anode off gas from the first discharge valve 71, the anode off gas is discharged smoothly from the second discharge valve 72. It becomes possible. If the circulation amount of the anode off gas is large, the fuel gas is prevented from flowing from the hydrogen supply pipe 32 to the hydrogen circulation pipe 33. Therefore, even if the anode off gas is discharged from the second discharge valve 72, the second discharge valve It is suppressed that fuel gas is discharged from 72 wastefully.

以上で説明した第1実施例によれば、水素循環管33内を流れるアノードオフガスの循環量に応じて、アノードオフガスを排出する排出弁を、第1排出弁71と第2排出弁72のいずれかに切り替えることにより、分岐部38に逆止弁を設けなくとも、燃料ガスが無駄に排出されてしまうことを抑制することができる。   According to the first embodiment described above, the discharge valve for discharging the anode off gas according to the circulation amount of the anode off gas flowing in the hydrogen circulation pipe 33 is either the first discharge valve 71 or the second discharge valve 72. By switching to this, it is possible to suppress the wasteful discharge of the fuel gas without providing a check valve at the branch portion 38.

なお、本実施例では、流量計80によって検出したアノードオフガスの流量に応じて、アノードオフガスの排出を行う排出弁を切り換えるものとしたが、流量計80を用いることなく、制御コンピュータ60が種々の状態量から水素循環管33を流れるアノードオフガスの循環量を推測し、この推測値に基づき、排出弁の切り替えを行うものとすることもできる。   In the present embodiment, the discharge valve for discharging the anode off-gas is switched according to the flow rate of the anode off-gas detected by the flow meter 80. However, the control computer 60 can be used in various ways without using the flow meter 80. It is also possible to estimate the circulation amount of the anode off-gas flowing through the hydrogen circulation pipe 33 from the state quantity and switch the discharge valve based on this estimated value.

例えば、循環ポンプ40が容積型ポンプであれば、このポンプの効率をγ、容器容量をVc(L)、ポンプモータの回転数をR(rpm)、ロータとモータの回転数比をK(=ロータ回転数/モータ回転数)、循環ポンプ40が吸引するアノードオフガスの温度と圧力をそれぞれ、T(℃)、P(kPa)とすると、下記の式(1)によって、アノードオフガスの流量Q(NL/min)を推測することができる。ただし、式(1)に基づき流量Qを推測する場合には、水素循環管33中の循環ポンプ40の上流に、アノードオフガスの温度を検出する温度センサと圧力を検出する圧力センサとを設けるものとする。   For example, if the circulation pump 40 is a positive displacement pump, the efficiency of this pump is γ, the container capacity is Vc (L), the rotational speed of the pump motor is R (rpm), and the rotational speed ratio of the rotor to the motor is K (= When the temperature and pressure of the anode off-gas sucked by the circulation pump 40 are T (° C.) and P (kPa), respectively, the anode off-gas flow rate Q ( NL / min) can be estimated. However, when the flow rate Q is estimated based on the formula (1), a temperature sensor for detecting the temperature of the anode off-gas and a pressure sensor for detecting the pressure are provided upstream of the circulation pump 40 in the hydrogen circulation pipe 33. And

Q=(γ*Vc*R*K*P*273)/((273+T)*101.3) ・・・(1) Q = (γ * Vc * R * K * P * 273) / ((273 + T) * 101.3) (1)

なお、上記式(1)では、その一部の変数を所定の値に固定し、残りの変数を実測するものとしてもよい。こうすることにより、制御コンピュータ60の処理負担を軽減することができる。   In the above equation (1), some of the variables may be fixed to predetermined values and the remaining variables may be actually measured. By doing so, the processing burden on the control computer 60 can be reduced.

また、上記式(1)によって循環量を推測する以外にも、燃料電池10から出力される電流値や、循環ポンプ40の回転数あるいは循環ポンプ40に印加する電圧を検出し、これらの値からアノードオフガスの循環量を所定のマップや関数に基づき推測するものとしてもよい。一般的に、上述した電流値や回転数、電圧が高くなれば、アノードオフガスの循環量も多くなる。なお、循環流量を推定することなく、電流値や回転数、電圧の実測値と、これらの値に対応する所定の基準値とを直接比較することにより、排出弁を切り換えるものとしてもよい。   In addition to estimating the amount of circulation by the above equation (1), the current value output from the fuel cell 10, the number of revolutions of the circulation pump 40, or the voltage applied to the circulation pump 40 are detected, and from these values The circulation amount of the anode off gas may be estimated based on a predetermined map or function. In general, the higher the current value, the number of rotations, and the voltage, the greater the circulation amount of the anode off gas. It should be noted that the discharge valve may be switched by directly comparing current values, rotation speeds, and actual measured values of voltages with predetermined reference values corresponding to these values without estimating the circulation flow rate.

B.第2実施例:
(B1)燃料電池システムの構成:
図3は、第2実施例としての燃料電池システム100bの全体構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池システム100bは、上述した第1実施例の燃料電池システム100aとほぼ同様の構成であるが、流量計80を備えていない点と、いくつかの圧力センサを備えている点で異なる。すなわち、本実施例の燃料電池システム100bは、水素循環管33中の循環ポンプ40の上流部分に、かかる部分におけるアノードオフガスの圧力P1を検出する第1圧力センサ81を設け、さらに、アノードオフガス排出配管75中に、このアノードオフガス排出配管75内の圧力を検出する第2圧力センサ82を設け、これらの圧力センサ81,82によって検出された圧力に応じて、アノードオフガスを排出する排出弁71,72を切り換える。
B. Second embodiment:
(B1) Configuration of fuel cell system:
FIG. 3 is an explanatory diagram showing the overall configuration of the fuel cell system 100b as the second embodiment. The fuel cell system 100b of the present embodiment has substantially the same configuration as the fuel cell system 100a of the first embodiment described above, but does not include the flow meter 80 and includes several pressure sensors. It is different. That is, the fuel cell system 100b according to the present embodiment is provided with a first pressure sensor 81 for detecting the pressure P1 of the anode off-gas at the upstream portion of the circulation pump 40 in the hydrogen circulation pipe 33, and further discharging the anode off-gas. A second pressure sensor 82 for detecting the pressure in the anode off-gas discharge pipe 75 is provided in the pipe 75, and a discharge valve 71 for discharging the anode off-gas according to the pressure detected by the pressure sensors 81 and 82, 72 is switched.

(B2)アノードオフガスの排出制御:
図4は、第2実施例におけるアノードオフガス排出制御ルーチンのフローチャートである。このルーチンが実行されると、まず、制御コンピュータ60は、第1圧力センサ81を用いて、循環ポンプ40の上流部分におけるアノードオフガスの圧力P1を検出し、更に、第2圧力センサ82を用いて、アノードオフガス排出配管75内の圧力P2を検出する(ステップS200)。そして、検出した圧力P1と圧力P2の差圧ΔP(=P1−P2)を求め、この差圧ΔPが、基準値βよりも大きいか否かを判定する(ステップS210)。基準値βは、第1排出弁71を介して水素循環管33内のアノードオフガスがアノードオフガス排出配管75にスムーズに排出することができる差圧を実験的に求めて設定することができる。
(B2) Anode off gas discharge control:
FIG. 4 is a flowchart of an anode off-gas discharge control routine in the second embodiment. When this routine is executed, first, the control computer 60 detects the pressure P1 of the anode offgas in the upstream portion of the circulation pump 40 using the first pressure sensor 81, and further uses the second pressure sensor 82. Then, the pressure P2 in the anode off gas discharge pipe 75 is detected (step S200). Then, a differential pressure ΔP (= P1−P2) between the detected pressure P1 and pressure P2 is obtained, and it is determined whether or not this differential pressure ΔP is larger than a reference value β (step S210). The reference value β can be set by experimentally obtaining a differential pressure at which the anode off gas in the hydrogen circulation pipe 33 can be smoothly discharged to the anode off gas discharge pipe 75 via the first discharge valve 71.

上記ステップS210による判定の結果、差圧ΔPが基準値βよりも大きければ(ステップS210:Yes)、制御コンピュータ60は、第1排出弁71からアノードオフガス排出配管75に対してアノードオフガスを排出できるだけの差圧が確保されていると判断して、アノードオフガスの排出を行う排出弁として第1排出弁71を選択し(ステップS220)、第2排出弁72を閉弁状態にする(ステップS230)。一方、差圧ΔPが基準値β以下であれば(ステップS210:No)、制御コンピュータ60は、第1排出弁71からアノードオフガス排出配管75に対してアノードオフガスを排出できるだけの差圧が確保されていないと判断して、アノードオフガスの排出を行う排出弁として第2排出弁72を選択し(ステップS240)、第1排出弁71を閉弁状態にする(ステップS250)。   If the result of determination in step S210 is that the differential pressure ΔP is larger than the reference value β (step S210: Yes), the control computer 60 can discharge the anode off gas from the first discharge valve 71 to the anode off gas discharge pipe 75. Therefore, the first discharge valve 71 is selected as a discharge valve for discharging the anode off-gas (step S220), and the second discharge valve 72 is closed (step S230). . On the other hand, if the differential pressure ΔP is equal to or less than the reference value β (step S210: No), the control computer 60 secures a differential pressure sufficient to discharge the anode off gas from the first discharge valve 71 to the anode off gas discharge pipe 75. Therefore, the second discharge valve 72 is selected as a discharge valve for discharging the anode off gas (step S240), and the first discharge valve 71 is closed (step S250).

次に、制御コンピュータ60は、上記ステップS220もしくはステップS240で選択された排出弁をt1秒開弁し(ステップS260)、その後、この排出弁をt2秒閉弁する(ステップS270)。制御コンピュータ60は、上述した一連の処理を繰り返し実行する。   Next, the control computer 60 opens the discharge valve selected in step S220 or step S240 for t1 seconds (step S260), and then closes the discharge valve for t2 seconds (step S270). The control computer 60 repeatedly executes the series of processes described above.

以上のように構成した第2実施例の燃料電池システム100bでは、循環ポンプ40の吸引力によって循環ポンプ40の上流側のアノードオフガスの圧力P1が低下した場合には、循環ポンプ40の下流側に位置する第2排出弁72からアノードオフガスを排出する。そのため、アノードオフガスをスムーズに排出することができる。このような場合には、第2排出弁72からアノードオフガスを排出したとしても、循環ポンプ40によってアノードオフガスの循環量が増加しているため、水素供給配管32から分岐部38を通じて燃料ガスが流れ込むことが妨げられることになり、燃料ガスが無駄に排出されることが抑制されることになる。   In the fuel cell system 100b of the second embodiment configured as described above, when the pressure P1 of the anode off-gas upstream of the circulation pump 40 decreases due to the suction force of the circulation pump 40, the fuel cell system 100b moves downstream of the circulation pump 40. The anode off gas is discharged from the second discharge valve 72 located. Therefore, the anode off gas can be discharged smoothly. In such a case, even if the anode off gas is discharged from the second discharge valve 72, the circulation amount of the anode off gas is increased by the circulation pump 40, so that the fuel gas flows from the hydrogen supply pipe 32 through the branch portion 38. This prevents the fuel gas from being discharged wastefully.

更に、本実施例の燃料電池システム100bでは、循環ポンプ40の上流側のアノードオフガスの圧力P1が十分確保されている場合には、循環ポンプ40の上流側に位置する第1排出弁71を開閉させることで、アノードオフガスをスムーズに排出することができる。この場合には、分岐部38から水素循環管33に燃料ガスが流れ込んだとしても、循環ポンプ40によってその流れが妨げられることになるため、第1排出弁71から燃料ガスが無駄に排出されることが抑制されることになる。   Furthermore, in the fuel cell system 100b of this embodiment, when the pressure P1 of the anode off-gas upstream of the circulation pump 40 is sufficiently secured, the first discharge valve 71 located upstream of the circulation pump 40 is opened and closed. By doing so, the anode off-gas can be discharged smoothly. In this case, even if the fuel gas flows into the hydrogen circulation pipe 33 from the branch portion 38, the flow is hindered by the circulation pump 40, so that the fuel gas is discharged from the first discharge valve 71 wastefully. This will be suppressed.

なお、上記第2実施例では、アノードオフガス排出配管75に第2圧力センサ82を設けるものとしたが、アノードオフガス排出配管75は、大気と連通しているため、その内部は、大気圧と同じ圧力であると考えることができる。そのため、第2圧力センサ82は省略するものとしてもよく、上記アノードオフガス排出制御ルーチンのステップS200において、アノードオフガスの圧力P1のみを検出するものとしてもよい。この場合には、基準値βを、予め大気圧を加えた値に設定し、ステップS210において、その値と圧力P1とを比較するものとすることができる。   In the second embodiment, the second pressure sensor 82 is provided in the anode offgas discharge pipe 75. However, since the anode offgas discharge pipe 75 communicates with the atmosphere, the inside thereof is the same as the atmospheric pressure. It can be thought of as pressure. Therefore, the second pressure sensor 82 may be omitted, and only the anode off gas pressure P1 may be detected in step S200 of the anode off gas discharge control routine. In this case, the reference value β can be set to a value obtained by adding atmospheric pressure in advance, and the value can be compared with the pressure P1 in step S210.

また、上記第2実施例では、第1圧力センサ81と第2圧力センサ82の2つの圧力センサを用いるものとしたが、圧力P1と圧力P2の差圧を検出する差圧センサを用いるものとしてもよい。   In the second embodiment, two pressure sensors, the first pressure sensor 81 and the second pressure sensor 82, are used. However, a differential pressure sensor that detects the differential pressure between the pressure P1 and the pressure P2 is used. Also good.

C.第3実施例:
(C1)燃料電池システムの構成:
図5は、第3実施例としての燃料電池システム100cの全体構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池システム100cは、上述した第2実施例の燃料電池システム100bとほぼ同様の構成であるが、圧力センサを設けた位置が異なる。すなわち、本実施例の燃料電池システム100cは、循環ポンプ40の下流側のアノードオフガスの圧力を測定する第3圧力センサ83と、水素供給配管32の調圧バルブ35よりも下流側でかつ分岐部38の上流側の燃料ガスの圧力を測定する第4圧力センサ84とを備え、これらの圧力センサによって検出された圧力に応じて、アノードオフガスを排出する排出弁71,72を切り換える。
C. Third embodiment:
(C1) Configuration of fuel cell system:
FIG. 5 is an explanatory diagram showing the overall configuration of a fuel cell system 100c as a third embodiment. The fuel cell system 100c of the present embodiment has substantially the same configuration as the fuel cell system 100b of the second embodiment described above, but differs in the position where the pressure sensor is provided. That is, the fuel cell system 100c according to the present embodiment includes a third pressure sensor 83 that measures the pressure of the anode off-gas downstream of the circulation pump 40, and a branching portion that is downstream of the pressure regulating valve 35 of the hydrogen supply pipe 32. And a fourth pressure sensor 84 for measuring the pressure of the fuel gas upstream of 38, and the discharge valves 71 and 72 for discharging the anode off-gas are switched according to the pressure detected by these pressure sensors.

(C2)アノードオフガスの排出制御:
図6は、第3実施例におけるアノードオフガス排出制御ルーチンのフローチャートである。このルーチンが実行されると、まず、制御コンピュータ60は、第3圧力センサ83を用いて循環ポンプ40の下流側のアノードオフガスの圧力P3を検出し、更に、第4圧力センサ84を用いて水素供給配管32の調圧バルブ35よりも下流側でかつ分岐部38の上流側の燃料ガスの圧力P4を検出する(ステップS300)。そして、検出した圧力P3と圧力P4の差圧ΔPc(=P3−P4)を求め。この差圧ΔPcが、所定の基準値βcよりも小さいか否かを判定する(ステップS310)。基準値βcは、例えば、第2排出弁72がt1秒間開いたとしても、圧力P3が圧力P4以下とならない差圧を実験的に求めて設定することができる。
(C2) Anode off gas discharge control:
FIG. 6 is a flowchart of an anode offgas discharge control routine in the third embodiment. When this routine is executed, the control computer 60 first detects the pressure P3 of the anode off-gas downstream of the circulation pump 40 using the third pressure sensor 83, and further uses the fourth pressure sensor 84 to detect hydrogen. The pressure P4 of the fuel gas downstream of the pressure regulating valve 35 of the supply pipe 32 and upstream of the branch portion 38 is detected (step S300). Then, a differential pressure ΔPc (= P3−P4) between the detected pressure P3 and pressure P4 is obtained. It is determined whether or not this differential pressure ΔPc is smaller than a predetermined reference value βc (step S310). The reference value βc can be set, for example, by experimentally obtaining a differential pressure at which the pressure P3 does not become equal to or lower than the pressure P4 even when the second discharge valve 72 is opened for t1 seconds.

上記ステップS310による判定の結果、差圧ΔPcが基準値βcよりも小さければ(ステップS310:Yes)、制御コンピュータ60は、燃料ガスが分岐部38から水素循環管33に流れ込むおそれがあると判断して、アノードオフガスの排出を行う排出弁として第1排出弁71を選択し(ステップS320)、第2排出弁72を閉弁状態にする(ステップS330)。一方、差圧ΔPcが基準値βcよりも大きければ(ステップS310:No)、制御コンピュータ60は、燃料ガスが分岐部38から水素循環管33に流れ込まないと判断して、アノードオフガスの排出を行う排出弁として第2排出弁72を選択し(ステップS340)、第1排出弁71を閉弁状態にする(ステップS350)。   If the result of determination in step S310 is that the differential pressure ΔPc is smaller than the reference value βc (step S310: Yes), the control computer 60 determines that fuel gas may flow into the hydrogen circulation pipe 33 from the branch portion 38. Then, the first discharge valve 71 is selected as a discharge valve for discharging the anode off gas (step S320), and the second discharge valve 72 is closed (step S330). On the other hand, if the differential pressure ΔPc is larger than the reference value βc (step S310: No), the control computer 60 determines that the fuel gas does not flow into the hydrogen circulation pipe 33 from the branch portion 38 and discharges the anode off gas. The second discharge valve 72 is selected as the discharge valve (step S340), and the first discharge valve 71 is closed (step S350).

次に、制御コンピュータ60は、上記ステップS320もしくはステップS340で選択された排出弁をt1秒開弁し(ステップS360)、その後、この排出弁をt2秒閉弁する(ステップS370)。制御コンピュータ60は、上述した一連の処理を繰り返し実行する。   Next, the control computer 60 opens the discharge valve selected in step S320 or step S340 for t1 seconds (step S360), and then closes the discharge valve for t2 seconds (step S370). The control computer 60 repeatedly executes the series of processes described above.

以上のように構成した第3実施例の燃料電池システム100cでは、循環ポンプ40によって加圧されたアノードオフガスの圧力P3と水素供給配管32内の燃料ガスの圧力P4との差が少ない場合には、第1排出弁71からアノードオフガスを排出する。こうすることにより、燃料ガスが水素循環管33に流れ込んだとしても、その流れは循環ポンプ40によって妨げられることになり、燃料ガスが無駄に排出されてしまうことを抑制することができる。   In the fuel cell system 100c of the third embodiment configured as described above, when the difference between the anode off-gas pressure P3 pressurized by the circulation pump 40 and the fuel gas pressure P4 in the hydrogen supply pipe 32 is small. The anode off gas is discharged from the first discharge valve 71. By doing so, even if the fuel gas flows into the hydrogen circulation pipe 33, the flow is hindered by the circulation pump 40, and the fuel gas can be prevented from being discharged wastefully.

更に、本実施例の燃料電池システム100cでは、循環ポンプ40によって加圧されたアノードオフガスの圧力P3が水素供給配管32内の燃料ガスの圧力P4よりも十分高い場合には、第2排出弁72からアノードオフガスを排出する。このような場合には、循環ポンプ40の吸引力が大きいため、循環ポンプ40の上流側の圧力が低くなり、第1排出弁71からアノードオフガスを排出することが困難な場合がある。そこで、第2排出弁72を用いてアノードオフガスを排出することにより、アノードオフガスをスムーズに排出することができる。なお、アノードオフガスの圧力P3が、燃料ガスの圧力P4よりも十分に高ければ、水素供給配管32の分岐部38から水素循環管33に水素が流れ込むことが妨げられるため、第2排出弁72を用いてアノードオフガスを排出しても、燃料ガスが無駄に排出されることはない。   Further, in the fuel cell system 100c of the present embodiment, when the pressure P3 of the anode off gas pressurized by the circulation pump 40 is sufficiently higher than the pressure P4 of the fuel gas in the hydrogen supply pipe 32, the second exhaust valve 72 is used. The anode off gas is discharged from In such a case, since the suction force of the circulation pump 40 is large, the pressure on the upstream side of the circulation pump 40 becomes low, and it may be difficult to discharge the anode off gas from the first discharge valve 71. Therefore, by discharging the anode off gas using the second discharge valve 72, the anode off gas can be discharged smoothly. If the pressure P3 of the anode off gas is sufficiently higher than the pressure P4 of the fuel gas, hydrogen is prevented from flowing into the hydrogen circulation pipe 33 from the branch portion 38 of the hydrogen supply pipe 32. Even if the anode off gas is discharged by using the fuel gas, the fuel gas is not discharged wastefully.

なお、上記第3実施例では、第3圧力センサ83と第4圧力センサ84の2つの圧力センサを用いるものとしたが、圧力P3と圧力P4の差圧を検出する差圧センサを用いるものとしてもよい。   In the third embodiment, two pressure sensors, the third pressure sensor 83 and the fourth pressure sensor 84, are used. However, a differential pressure sensor that detects the differential pressure between the pressure P3 and the pressure P4 is used. Also good.

また、上記第3実施例では、第4圧力センサ84によって燃料ガスの圧力を検出するものとしたが、通常、この圧力は、調圧バルブ35に設定された圧力であると考えることができる。そのため、第4圧力センサ84は省略するものとしてもよく、上記アノードオフガス排出制御ルーチンのステップS300において、アノードオフガスの圧力P3のみを検出するものとしてもよい。この場合、ΔPcは、検出した圧力P3から調圧バルブ35に設定された圧力を差し引いて求めることができる。   In the third embodiment, the pressure of the fuel gas is detected by the fourth pressure sensor 84. Normally, this pressure can be considered as the pressure set in the pressure regulating valve 35. Therefore, the fourth pressure sensor 84 may be omitted, or only the anode offgas pressure P3 may be detected in step S300 of the anode offgas discharge control routine. In this case, ΔPc can be obtained by subtracting the pressure set in the pressure regulating valve 35 from the detected pressure P3.

以上、本発明の種々の実施例について説明した。上述した各実施例によれば、水素循環管33が水素供給配管32に合流する部分に逆止弁を設けなくとも、燃料ガスが燃料電池10に到達する前に無駄に排出されてしまうことを抑制することができる。なお、本発明はこのような実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができることはいうまでもない。   In the foregoing, various embodiments of the present invention have been described. According to each of the above-described embodiments, the fuel gas is exhausted before reaching the fuel cell 10 even if a check valve is not provided at a portion where the hydrogen circulation pipe 33 joins the hydrogen supply pipe 32. Can be suppressed. Needless to say, the present invention is not limited to such embodiments, and various configurations can be adopted without departing from the spirit of the present invention.

第1実施例としての燃料電池システム100aの全体構成を示す説明図。Explanatory drawing which shows the whole structure of the fuel cell system 100a as 1st Example. アノードオフガス排出制御ルーチンのフローチャート。The flowchart of an anode off gas discharge control routine. 第2実施例としての燃料電池システム100bの全体構成を示す説明図。Explanatory drawing which shows the whole structure of the fuel cell system 100b as 2nd Example. 第2実施例におけるアノードオフガス排出制御ルーチンのフローチャート。The flowchart of the anode offgas discharge | emission control routine in 2nd Example. 第3実施例としての燃料電池システム100cの全体構成を示す説明図。Explanatory drawing which shows the whole structure of the fuel cell system 100c as a 3rd Example. 第3実施例におけるアノードオフガス排出制御ルーチンのフローチャート。The flowchart of the anode offgas discharge | emission control routine in 3rd Example.

符号の説明Explanation of symbols

100a,100b,100c...燃料電池システム
10...燃料電池
20...水素タンク
30...エアコンプレッサ
31...空気供給配管
32...水素供給配管
33...水素循環管
34...シャットバルブ
35...調圧バルブ
36...カソードオフガス排出管
38...分岐部
40...循環ポンプ
50...モータ
60...制御コンピュータ
61...CPU
62...RAM
63...ROM
71...第1排出弁
72...第2排出弁
75...アノードオフガス排出配管
80...流量計
81...第1圧力センサ
82...第2圧力センサ
83...第3圧力センサ
84...第4圧力センサ
100a, 100b, 100c ... Fuel cell system 10 ... Fuel cell 20 ... Hydrogen tank 30 ... Air compressor 31 ... Air supply pipe 32 ... Hydrogen supply pipe 33 ... Hydrogen circulation pipe 34 ... Shut valve 35 ... Pressure regulating valve 36 ... Cathode off-gas discharge pipe 38 ... Branch 40 ... Circulation pump 50 ... Motor 60 ... Control computer 61 ... CPU
62 ... RAM
63 ... ROM
71 ... First discharge valve 72 ... Second discharge valve 75 ... Anode off-gas discharge piping 80 ... Flow meter 81 ... First pressure sensor 82 ... Second pressure sensor 83 ... Third pressure sensor 84 ... Fourth pressure sensor

Claims (8)

燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池に接続され、該燃料電池に水素ガスを供給する水素供給流路と、
前記燃料電池と前記水素供給流路とに接続され、前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを前記水素供給流路に流す循環流路と、
前記循環流路中に設けられ、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを加圧して前記水素供給流路に流す循環ポンプと、
前記循環流路中の前記燃料電池と前記循環ポンプとの間に設けられ、前記循環流路内に流れる前記アノードオフガスを外部に排出する第1の排出弁と、
前記循環流路中の前記循環ポンプと前記水素供給流路との間に設けられ、前記循環流路内に流れる前記アノードオフガスを外部に排出する第2の排出弁と、
前記循環流路中に流れるアノードオフガスの状態量に基づき、前記第1の排出弁または前記第2の排出弁のいずれかを選択し、該選択した排出弁を開閉させて前記アノードオフガスを外部に排出させる制御部と
を備える燃料電池システム。
A fuel cell system comprising a fuel cell,
A hydrogen supply channel connected to the fuel cell and supplying hydrogen gas to the fuel cell;
A circulation flow path connected to the fuel cell and the hydrogen supply flow path for flowing an anode off-gas discharged from the fuel cell to the hydrogen supply flow path;
A circulation pump which is provided in the circulation flow path and pressurizes the anode off gas discharged from the fuel cell and flows it to the hydrogen supply flow path;
A first discharge valve provided between the fuel cell in the circulation flow path and the circulation pump, for discharging the anode off gas flowing in the circulation flow path to the outside;
A second discharge valve that is provided between the circulation pump in the circulation flow path and the hydrogen supply flow path, and discharges the anode off gas flowing in the circulation flow path to the outside;
Based on the state quantity of the anode off gas flowing in the circulation flow path, either the first exhaust valve or the second exhaust valve is selected, and the selected exhaust valve is opened and closed to bring the anode off gas to the outside. A fuel cell system comprising a control unit for discharging.
請求項1に記載の燃料電池システムであって、
更に、前記循環流路内を流れるアノードオフガスの流量を検出する流量検出手段を備え、
前記制御部は、前記アノードオフガスの状態量として前記流量検出手段によって検出した流量に基づき、前記排出弁の選択を行う
燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1,
Furthermore, it comprises a flow rate detection means for detecting the flow rate of the anode off gas flowing in the circulation channel,
The said control part performs the selection of the said exhaust valve based on the flow volume detected by the said flow volume detection means as a state quantity of the said anode off gas. Fuel cell system.
請求項2に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記流量検出手段によって検出した流量が所定の基準値よりも小さい場合に、前記第1の排出弁を選択し、前記流量が前記所定の基準値よりも大きい場合に、前記第2の排出弁を選択する
燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 2, wherein
The control unit selects the first discharge valve when the flow rate detected by the flow rate detection unit is smaller than a predetermined reference value, and when the flow rate is larger than the predetermined reference value, Select a discharge valve of 2. Fuel cell system.
請求項2または3のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記流量検出手段は、前記アノードオフガスの圧力、前記アノードオフガスの温度、前記循環ポンプの駆動量、前記燃料電池の発電量、の少なくともいずれか一つに応じて前記アノードオフガスの流量を推定する
燃料電池システム。
The fuel cell system according to any one of claims 2 and 3,
The flow rate detection means estimates the flow rate of the anode offgas according to at least one of the pressure of the anode offgas, the temperature of the anode offgas, the driving amount of the circulation pump, and the power generation amount of the fuel cell. Battery system.
請求項1に記載の燃料電池システムであって、
更に、前記循環流路内を流れるアノードオフガスの圧力を検出する圧力検出手段を備え、
前記制御部は、前記アノードオフガスの状態量として前記圧力検出手段によって検出した圧力に基づき、前記排出弁の選択を行う
燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1,
Furthermore, it comprises a pressure detection means for detecting the pressure of the anode off gas flowing in the circulation channel,
The said control part performs the selection of the said discharge valve based on the pressure detected by the said pressure detection means as a state quantity of the said anode off gas. Fuel cell system.
請求項5に記載の燃料電池システムであって、
前記圧力検出手段は、前記循環流路中の、前記循環ポンプと前記燃料電池との間に設けられ、
前記制御部は、前記圧力検出手段によって検出した圧力から、前記アノードオフガスが前記第1の排出弁または前記第2の排出弁を通じて排出される空間における圧力を差し引いた差圧が、所定の基準値よりも大きい場合に、前記第1の排出弁を選択し、前記差圧が前記所定の基準値よりも小さい場合に、前記第2の排出弁を選択する
燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 5, wherein
The pressure detection means is provided between the circulation pump and the fuel cell in the circulation flow path,
The control unit has a predetermined reference value obtained by subtracting a pressure in a space in which the anode off-gas is discharged through the first discharge valve or the second discharge valve from the pressure detected by the pressure detection unit. The fuel cell system selects the first discharge valve when the pressure is larger than the first discharge valve, and selects the second discharge valve when the differential pressure is smaller than the predetermined reference value.
請求項6に記載の燃料電池システムであって、
前記アノードオフガスが前記第1の排出弁または前記第2の排出弁を通じて排出される空間の圧力とは、大気圧である
燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 6,
The pressure of the space where the anode off gas is discharged through the first discharge valve or the second discharge valve is an atmospheric pressure.
請求項5に記載の燃料電池システムであって、
前記圧力検出手段は、前記循環流路中の、前記循環ポンプと前記水素供給流路との間に設けられ、
前記制御部は、前記圧力検出手段によって検出した圧力から、前記水素供給流路内の前記循環流路と結合する部分よりも上流における水素ガスの圧力を差し引いた差圧が、所定の基準値よりも小さい場合に、前記第1の排出弁を選択し、前記差圧が前記基準値よりも大きい場合に、前記第2の排出弁を選択する
燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 5, wherein
The pressure detection means is provided between the circulation pump and the hydrogen supply channel in the circulation channel,
The control unit is configured such that a differential pressure obtained by subtracting a pressure of hydrogen gas upstream from a portion coupled with the circulation flow path in the hydrogen supply flow path from a pressure detected by the pressure detection unit is greater than a predetermined reference value. The first discharge valve is selected when the difference is smaller, and the second discharge valve is selected when the differential pressure is larger than the reference value.
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