JP2007005170A - Fuel cell system - Google Patents

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Takahiro Fujii
隆宏 藤井
Ryoichi Shimoi
亮一 下井
Yoshitaka Ono
義隆 小野
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of completely consuming fuel gas at stoppage of operation, and capable of supplying oxidant gas from a buffer tank. <P>SOLUTION: The fuel cell system 1 is provided with a buffer tank 70. A controller 100 supplies air in the buffer tank 70 to an oxidant electrode 12 when the fuel cell system 1 is stopped. In this embodiment, a capacity of the buffer tank 70 is variable to enable to supply an appropriate amount of air to the oxidant electrode 12. Here, the capacity is decided by pressure of a fuel electrode 11, temperature of fuel gas, temperature of the oxidant gas, and fuel gas density in the fuel electrode 11 or the like. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

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

従来、燃料電池スタックの空気供給配管上に一定の容量を有するバッファタンクを設け、運転停止時に燃料電池スタック内のガスをすべて窒素雰囲気とするように、バッファタンクから空気を供給してスタック内に残存する水素を完全消費させようとする燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムにおいてバッファタンクは、燃料電池スタック内の水素を完全に消費できるだけの酸素分子数を有する空気量を貯蔵可能な容量となっている(例えば特許文献1参照)。
特開2004−27310号公報
Conventionally, a buffer tank having a certain capacity is provided on the air supply pipe of the fuel cell stack, and air is supplied from the buffer tank into the stack so that all the gas in the fuel cell stack has a nitrogen atmosphere when the operation is stopped. Fuel cell systems that attempt to completely consume the remaining hydrogen are known. In this fuel cell system, the buffer tank has a capacity capable of storing the amount of air having the number of oxygen molecules that can completely consume hydrogen in the fuel cell stack (see, for example, Patent Document 1).
JP 2004-27310 A

しかしながら、従来の燃料電池システムでは、バッファタンクの容量が固定されているため、バッファタンク内の酸素分子数は、空気温度が高い場合に少なくなり、空気温度が低い場合に多くなる。このため、運転停止時にバッファタンク内の空気を燃料電池に供給しても、空気温度が高い場合には酸素分子数が不足することとなり、水素ガスを完全消費させることができなくなってしまう。すなわち、従来の燃料電池システムでは、水素ガスを完全消費させるだけの酸素の提供を行うことができない可能性があった。また、空気温度が低い場合には酸素分子数が過剰となり、スタック内のガスを全て窒素雰囲気とする事が出来ない可能性があった。   However, in the conventional fuel cell system, since the capacity of the buffer tank is fixed, the number of oxygen molecules in the buffer tank decreases when the air temperature is high and increases when the air temperature is low. For this reason, even if the air in the buffer tank is supplied to the fuel cell when the operation is stopped, the number of oxygen molecules is insufficient when the air temperature is high, and the hydrogen gas cannot be completely consumed. That is, in the conventional fuel cell system, there is a possibility that it is not possible to provide oxygen enough to completely consume hydrogen gas. Further, when the air temperature is low, the number of oxygen molecules becomes excessive, and there is a possibility that all the gases in the stack cannot be made into a nitrogen atmosphere.

本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、運転停止時において燃料ガスを完全消費させることが可能な酸化剤ガスをバッファタンクから供給することができ、スタック内のガスを全て窒素雰囲気とすることが可能な燃料電池システムを提供することにある。   The present invention has been made to solve such a conventional problem, and an object of the present invention is to supply an oxidant gas from the buffer tank that can completely consume the fuel gas when the operation is stopped. An object of the present invention is to provide a fuel cell system in which all the gases in the stack can be in a nitrogen atmosphere.

本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、酸化剤ガス供給系と、バッファタンクと、制御手段とを備えている。燃料電池は、燃料ガスの供給を受ける燃料極及び酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電するものである。酸化剤ガス供給系は、通常運転時において燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給するものである。バッファタンクは燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給可能なものであり、酸化剤ガスの貯蔵容量が可変とされている。制御手段は、運転停止を行うにあたり酸化剤ガス供給系によって燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給せず、バッファタンク内の酸化剤ガスを燃料電池の酸化剤極に供給させ、燃料電池の燃料極に残存する燃料ガスを消費させるものである。また、制御手段は、酸化剤ガスの温度などに基き、燃料電池の燃料極に残存する燃料ガスを消費させるだけの分子数を有する酸化剤ガス量を演算し、演算した酸化剤ガス量を貯蔵する容量にバッファタンクの容量を変更するものである。   The fuel cell system of the present invention includes a fuel cell, an oxidant gas supply system, a buffer tank, and control means. A fuel cell has a fuel electrode supplied with a fuel gas and an oxidant electrode supplied with an oxidant gas, and generates electricity by reacting the fuel gas with the oxidant gas. The oxidant gas supply system supplies oxidant gas to the oxidant electrode of the fuel cell during normal operation. The buffer tank can supply an oxidant gas to the oxidant electrode of the fuel cell, and the storage capacity of the oxidant gas is variable. The control means does not supply the oxidant gas to the oxidant electrode of the fuel cell by the oxidant gas supply system when stopping the operation, but supplies the oxidant gas in the buffer tank to the oxidant electrode of the fuel cell. The fuel gas remaining in the fuel electrode is consumed. The control means calculates the amount of oxidant gas having the number of molecules sufficient to consume the fuel gas remaining in the fuel electrode of the fuel cell based on the temperature of the oxidant gas, and stores the calculated amount of oxidant gas. The capacity of the buffer tank is changed to the capacity to be performed.

本発明によれば、燃料電池の燃料極に残存する燃料ガスを消費させるだけの分子数を有する酸化剤ガス量を演算し、演算した酸化剤ガス量を貯蔵する容量にバッファタンクの容量を変更することとしている。このため、温度状況などの要因により、単位体積あたりの酸化剤ガスの分子数が変化する状況においても、必要な分子数を含む酸化剤ガス量が求められ、その量が貯蔵されるようにバッファタンクの容量が変更される。故に、バッファタンクには燃料ガスを消費させるだけの分子数を有する酸化剤ガスが適切に貯蔵されることとなる。従って、運転停止時において燃料ガスを完全消費させることが可能な酸化剤ガスをバッファタンクから供給することができる。さらに、スタック内のガスを全て窒素雰囲気とする事ができる。   According to the present invention, the amount of oxidant gas having the number of molecules sufficient to consume the fuel gas remaining in the fuel electrode of the fuel cell is calculated, and the capacity of the buffer tank is changed to a capacity for storing the calculated amount of oxidant gas. To do. For this reason, even in a situation where the number of molecules of oxidant gas per unit volume changes due to factors such as temperature conditions, the amount of oxidant gas including the required number of molecules is obtained and the buffer is stored so that the amount is stored. The capacity of the tank is changed. Therefore, the buffer tank appropriately stores the oxidant gas having the number of molecules sufficient to consume the fuel gas. Therefore, the oxidant gas that can completely consume the fuel gas when the operation is stopped can be supplied from the buffer tank. Further, all the gas in the stack can be in a nitrogen atmosphere.

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。   DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図1に示す燃料電池システム1は、車両の駆動動力源として用いられるものであって、燃料電池10と、燃料ガス供給系20と、燃料ガス排出系30と、燃料ガス循環系40と、酸化剤ガス供給系50と、酸化剤ガス排出系60とを備えている。   FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. A fuel cell system 1 shown in FIG. 1 is used as a driving power source for a vehicle, and includes a fuel cell 10, a fuel gas supply system 20, a fuel gas discharge system 30, a fuel gas circulation system 40, an oxidation system. An agent gas supply system 50 and an oxidant gas discharge system 60 are provided.

燃料電池10は、燃料ガスの供給を受ける燃料極11及び酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極12を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電するものである。ここで、本実施形態では燃料ガスとして水素ガスが用いられ、酸化剤ガスとして酸素が用いられる。   The fuel cell 10 includes a fuel electrode 11 that receives supply of fuel gas and an oxidant electrode 12 that receives supply of oxidant gas, and generates power by reacting the fuel gas and oxidant gas. Here, in this embodiment, hydrogen gas is used as the fuel gas, and oxygen is used as the oxidant gas.

燃料ガス供給系20は、燃料電池10に燃料ガスである水素ガスを供給するものであって、図示しない水素タンクに接続され、水素タンクからの水素ガスを燃料電池10の燃料極11に供給するものである。この燃料ガス供給系20は、水素ガス供給配管21と、水素加湿器22とを備えている。水素ガス供給配管21は、水素タンクと燃料電池10の燃料極11とを接続し、水素タンクからの水素ガスを燃料電池10の燃料極11まで導くための流路となるものである。水素加湿器22は、燃料電池10の電解質膜を湿潤に保つべく、燃料電池10に供給する空気を加湿するものであり、内部に貯水部を有し、貯水部に蓄えられる水などによって水素ガスを加湿するようになっている。   The fuel gas supply system 20 supplies hydrogen gas, which is a fuel gas, to the fuel cell 10 and is connected to a hydrogen tank (not shown) and supplies the hydrogen gas from the hydrogen tank to the fuel electrode 11 of the fuel cell 10. Is. The fuel gas supply system 20 includes a hydrogen gas supply pipe 21 and a hydrogen humidifier 22. The hydrogen gas supply pipe 21 serves as a flow path for connecting the hydrogen tank and the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 and guiding the hydrogen gas from the hydrogen tank to the fuel electrode 11 of the fuel cell 10. The hydrogen humidifier 22 humidifies the air supplied to the fuel cell 10 in order to keep the electrolyte membrane of the fuel cell 10 moist. The hydrogen humidifier 22 has a water storage part inside, and hydrogen gas is generated by water stored in the water storage part. It comes to humidify.

また、燃料ガス供給系20は、水素ガス流量調整弁23と、水素ガス供給弁24と、第1分岐管25と、第2分岐管26と、水素加湿器入口弁27と、水素加湿器出口弁28と、燃料極入口弁29とを備えている。水素ガス流量調整弁23は、水素ガス供給配管21に設けられ、開度を調整することにより水素タンクから燃料電池10の燃料極11に供給される水素ガス量を制御するものである。水素ガス供給弁24は、水素ガス流量調整弁23と燃料極11との間の水素ガス供給配管21に設けられ、開閉動作することにより水素ガス供給配管21内の流路を遮断したり開放したりするものである。   The fuel gas supply system 20 includes a hydrogen gas flow rate adjustment valve 23, a hydrogen gas supply valve 24, a first branch pipe 25, a second branch pipe 26, a hydrogen humidifier inlet valve 27, and a hydrogen humidifier outlet. A valve 28 and a fuel electrode inlet valve 29 are provided. The hydrogen gas flow rate adjustment valve 23 is provided in the hydrogen gas supply pipe 21 and controls the amount of hydrogen gas supplied from the hydrogen tank to the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 by adjusting the opening degree. The hydrogen gas supply valve 24 is provided in the hydrogen gas supply pipe 21 between the hydrogen gas flow rate adjustment valve 23 and the fuel electrode 11, and shuts or opens the flow path in the hydrogen gas supply pipe 21 by opening and closing. It is something to do.

第1分岐管25は、一端が水素ガス流量調整弁23と水素ガス供給弁24との間の水素ガス供給配管21(図1中の接続点A)に接続され、他端が水素加湿器22に接続されている。また、第1分岐管25の他端は、水素加湿器22の貯水部まで伸びており、貯水部に蓄えられる水に浸かるようになっている。第2分岐管26は、一端が水素加湿器22に接続され、他端が水素ガス供給弁24と燃料極11との間の水素ガス供給配管21(図1中の接続点B)に接続されている。なお、第2分岐管26の一端は、水素加湿器22の貯水部まで伸びているが、貯水部に蓄えられる水には浸かっていない。   One end of the first branch pipe 25 is connected to a hydrogen gas supply pipe 21 (connection point A in FIG. 1) between the hydrogen gas flow rate adjustment valve 23 and the hydrogen gas supply valve 24, and the other end is a hydrogen humidifier 22. It is connected to the. The other end of the first branch pipe 25 extends to the water storage part of the hydrogen humidifier 22 and is immersed in water stored in the water storage part. The second branch pipe 26 has one end connected to the hydrogen humidifier 22 and the other end connected to a hydrogen gas supply pipe 21 (connection point B in FIG. 1) between the hydrogen gas supply valve 24 and the fuel electrode 11. ing. In addition, although the end of the 2nd branch pipe 26 is extended to the water storage part of the hydrogen humidifier 22, it is not immersed in the water stored in a water storage part.

また、水素加湿器入口弁27は第1分岐管25に設けられ、開閉動作することにより第1分岐管25内の流路を遮断したり開放したりするものである。水素加湿器出口弁28は、第2分岐管26に設けられ、開閉動作することにより第2分岐管26内の流路を遮断したり開放したりするものである。燃料極入口弁29は、接続点Bと燃料極11との間の水素ガス供給配管21に設けられ、開閉動作することにより水素ガス供給配管21内の流路を遮断したり開放したりするものである。   The hydrogen humidifier inlet valve 27 is provided in the first branch pipe 25 and shuts or opens the flow path in the first branch pipe 25 by opening and closing. The hydrogen humidifier outlet valve 28 is provided in the second branch pipe 26 and shuts or opens the flow path in the second branch pipe 26 by opening and closing. The fuel electrode inlet valve 29 is provided in the hydrogen gas supply pipe 21 between the connection point B and the fuel electrode 11, and shuts or opens the flow path in the hydrogen gas supply pipe 21 by opening and closing. It is.

このように構成されるため、燃料極入口弁29が開放されている場合、水素ガス流量調整弁23の開度に応じて水素ガスが燃料電池10の燃料極11に供給される。また、水素ガス供給弁24が閉じられ、水素加湿器入口弁27及び水素加湿器出口弁28が開けられている場合、水素ガス流量調整弁23を介して流れてきた水素ガスは、第1分岐管25を通じて水素加湿器22に流入し、貯水部を通過する過程で加湿されて第2分岐管26を通り、燃料電池10の燃料極11に供給される。一方、水素ガス供給弁24が開けられ、水素加湿器入口弁27及び水素加湿器出口弁28が閉じられている場合、水素ガスは、水素加湿器22を介することなく、燃料極11に供給される。   With this configuration, when the fuel electrode inlet valve 29 is opened, hydrogen gas is supplied to the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 according to the opening degree of the hydrogen gas flow rate adjustment valve 23. Further, when the hydrogen gas supply valve 24 is closed and the hydrogen humidifier inlet valve 27 and the hydrogen humidifier outlet valve 28 are opened, the hydrogen gas flowing through the hydrogen gas flow rate adjusting valve 23 passes through the first branch. It flows into the hydrogen humidifier 22 through the pipe 25, is humidified in the process of passing through the water reservoir, passes through the second branch pipe 26, and is supplied to the fuel electrode 11 of the fuel cell 10. On the other hand, when the hydrogen gas supply valve 24 is opened and the hydrogen humidifier inlet valve 27 and the hydrogen humidifier outlet valve 28 are closed, the hydrogen gas is supplied to the fuel electrode 11 without passing through the hydrogen humidifier 22. The

燃料ガス排出系30は、水素ガス排出配管31と、燃料極出口弁32とを備えている。水素ガス排出配管31は、燃料電池10の燃料極11と外部とを接続し、燃料極11から排出されたオフガスを外部に導くものである。燃料極出口弁32は、水素ガス排出配管31に設けられ、開閉動作することにより水素ガス排出配管31の流路を遮断したり開放したりしてオフガスの排出を制御するものである。   The fuel gas discharge system 30 includes a hydrogen gas discharge pipe 31 and a fuel electrode outlet valve 32. The hydrogen gas discharge pipe 31 connects the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 and the outside, and guides the off gas discharged from the fuel electrode 11 to the outside. The fuel electrode outlet valve 32 is provided in the hydrogen gas discharge pipe 31, and controls the discharge of off-gas by opening and closing the flow path of the hydrogen gas discharge pipe 31.

燃料ガス循環系40は、発電に寄与することなく排出された水素ガスを、燃料電池10の燃料極11の下流から上流に循環させるものであって、水素循環配管41と、水素循環ポンプ42と、水素ガス脱水器(脱水手段)43と、水素循環配管入口弁44と、水素循環配管出口弁45とを備えている。水素循環配管41は、燃料極11から排出されたオフガスを燃料極11の下流から上流に循環させるための流路となるものであって、一端が燃料電池10の燃料極11と燃料極出口弁32との間の水素ガス排出配管31(図1中の接続点C)に接続され、他端が燃料極入口弁29と燃料電池10の燃料極11との間の水素ガス供給配管21(図1中の接続点D)に接続されている。水素循環ポンプ42は、水素循環配管41に設けられており、燃料電池10の燃料極11から排出されたオフガスを循環させて再度燃料極11に送り込むための循環動力源となるものである。   The fuel gas circulation system 40 circulates the hydrogen gas discharged without contributing to power generation from the downstream side to the upstream side of the fuel electrode 11 of the fuel cell 10, and includes a hydrogen circulation pipe 41, a hydrogen circulation pump 42, , A hydrogen gas dehydrator (dehydrating means) 43, a hydrogen circulation pipe inlet valve 44, and a hydrogen circulation pipe outlet valve 45 are provided. The hydrogen circulation pipe 41 serves as a flow path for circulating the off-gas discharged from the fuel electrode 11 from the downstream side to the upstream side of the fuel electrode 11, and one end thereof is the fuel electrode 11 and the fuel electrode outlet valve of the fuel cell 10. 32 is connected to a hydrogen gas discharge pipe 31 (connection point C in FIG. 1), and the other end is connected to a hydrogen gas supply pipe 21 (shown in FIG. 1) between the fuel electrode inlet valve 29 and the fuel electrode 11 of the fuel cell 10. 1 is connected to a connection point D) in FIG. The hydrogen circulation pump 42 is provided in the hydrogen circulation pipe 41 and serves as a circulation power source for circulating off-gas discharged from the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 and sending it to the fuel electrode 11 again.

水素ガス脱水器43は、燃料電池10の発電により生成された生成水を除去するものであって、例えば水素ガスに含まれる水分を凝縮して取りだすことにより生成水を除去する構成となっている。また、水素ガス脱水器43は、凝縮して取り出した水分を不図示の配管を通じて水素加湿器22に送るようになっている。水素循環配管入口弁44は、接続点Cと水素ガス脱水器43との間の水素循環配管41に設けられ、開閉動作することにより水素循環配管41内の流路を遮断したり開放したりするものである。水素循環配管出口弁45は水素循環ポンプ42と接続点Dとの間の水素循環配管41に設けられ、開閉動作することにより水素循環配管41内の流路を遮断したり開放したりするものである。   The hydrogen gas dehydrator 43 removes the produced water generated by the power generation of the fuel cell 10, and is configured to remove the produced water by condensing and removing moisture contained in the hydrogen gas, for example. . In addition, the hydrogen gas dehydrator 43 is configured to send moisture extracted by condensation to the hydrogen humidifier 22 through a pipe (not shown). The hydrogen circulation pipe inlet valve 44 is provided in the hydrogen circulation pipe 41 between the connection point C and the hydrogen gas dehydrator 43, and shuts or opens the flow path in the hydrogen circulation pipe 41 by opening and closing. Is. The hydrogen circulation pipe outlet valve 45 is provided in the hydrogen circulation pipe 41 between the hydrogen circulation pump 42 and the connection point D, and shuts or opens the flow path in the hydrogen circulation pipe 41 by opening and closing. is there.

このような構成であるため、燃料極11からのオフガスは、燃料極出口弁32が開放されると外部に排出されることとなる。他方、燃料極出口弁32が開放されていない場合、水素循環配管入口弁44と水素循環配管出口弁45とが開けられ、燃料極11からのオフガスは、水素循環ポンプ42により燃料極11の上流に戻されることとなる。この際に、オフガスは水素ガス脱水器43により脱水され、余分な水分が除去される。   Due to such a configuration, the off-gas from the fuel electrode 11 is discharged to the outside when the fuel electrode outlet valve 32 is opened. On the other hand, when the fuel electrode outlet valve 32 is not opened, the hydrogen circulation pipe inlet valve 44 and the hydrogen circulation pipe outlet valve 45 are opened, and the off-gas from the fuel electrode 11 is upstream of the fuel electrode 11 by the hydrogen circulation pump 42. It will be returned to. At this time, the off-gas is dehydrated by the hydrogen gas dehydrator 43 to remove excess moisture.

酸化剤ガス供給系50は、燃料電池10に酸化剤ガスである酸素を供給するものであって、図示しないコンプレッサに接続され、コンプレッサから圧送される空気を燃料電池10の酸化剤極12に供給するものである。この酸化剤ガス供給系50は、空気供給配管51と、空気加湿器52とを備えている。空気供給配管51は、コンプレッサと燃料電池10の酸化剤極12とを接続し、コンプレッサから圧送される空気を燃料電池10の酸化剤極12まで導くための流路となるものである。空気加湿器52は、燃料電池10の電解質膜を湿潤に保つべく、燃料電池10に供給する空気を加湿するものであり、内部に貯水部を有し、貯水部に蓄えられる水などによって空気を加湿するようになっている。   The oxidant gas supply system 50 supplies oxygen, which is an oxidant gas, to the fuel cell 10. The oxidant gas supply system 50 is connected to a compressor (not shown) and supplies air fed from the compressor to the oxidant electrode 12 of the fuel cell 10. To do. The oxidant gas supply system 50 includes an air supply pipe 51 and an air humidifier 52. The air supply pipe 51 connects the compressor and the oxidant electrode 12 of the fuel cell 10, and serves as a flow path for guiding the air pumped from the compressor to the oxidant electrode 12 of the fuel cell 10. The air humidifier 52 humidifies the air supplied to the fuel cell 10 in order to keep the electrolyte membrane of the fuel cell 10 moist. The air humidifier 52 has a water storage part inside, and the air is stored by water stored in the water storage part. It comes to humidify.

また、酸化剤ガス供給系50は、空気流量調整弁53と、空気供給弁54と、第3分岐管55と、第4分岐管56と、空気加湿器入口弁57と、空気加湿器出口弁58と、酸化剤極入口弁59とを備えている。空気流量調整弁53は、空気供給配管51に設けられ、開度を調整することによりコンプレッサから燃料電池10の酸化剤極12に供給される空気量を制御するものである。空気供給弁54は、空気流量調整弁53と酸化剤極12との間の空気供給配管51に設けられ、開閉動作することにより空気供給配管51内の流路を遮断したり開放したりするものである。   The oxidant gas supply system 50 includes an air flow rate adjustment valve 53, an air supply valve 54, a third branch pipe 55, a fourth branch pipe 56, an air humidifier inlet valve 57, and an air humidifier outlet valve. 58 and an oxidant electrode inlet valve 59. The air flow rate adjusting valve 53 is provided in the air supply pipe 51 and controls the amount of air supplied from the compressor to the oxidant electrode 12 of the fuel cell 10 by adjusting the opening degree. The air supply valve 54 is provided in the air supply pipe 51 between the air flow rate adjustment valve 53 and the oxidant electrode 12, and shuts or opens the flow path in the air supply pipe 51 by opening and closing operation. It is.

第3分岐管55は、一端が空気流量調整弁53と空気供給弁54との間の空気供給配管51(図1中の接続点E)に接続され、他端が空気加湿器52に接続されている。また、第3分岐管55の他端は、空気加湿器52の貯水部まで伸びており、貯水部に蓄えられる水に浸かるようになっている。第4分岐管56は、一端が空気加湿器52に接続され、他端が空気供給弁54と酸化剤極12との間の空気供給配管51(図1中の接続点F)に接続されている。なお、第4分岐管56の一端は、空気加湿器52の貯水部まで伸びているが、貯水部に蓄えられる水には浸かっていない。   One end of the third branch pipe 55 is connected to an air supply pipe 51 (connection point E in FIG. 1) between the air flow rate adjustment valve 53 and the air supply valve 54, and the other end is connected to the air humidifier 52. ing. Further, the other end of the third branch pipe 55 extends to the water storage part of the air humidifier 52 and is immersed in water stored in the water storage part. The fourth branch pipe 56 has one end connected to the air humidifier 52 and the other end connected to an air supply pipe 51 (connection point F in FIG. 1) between the air supply valve 54 and the oxidant electrode 12. Yes. One end of the fourth branch pipe 56 extends to the water storage part of the air humidifier 52, but is not immersed in the water stored in the water storage part.

また、空気加湿器入口弁57は、第3分岐管55に設けられ、開閉動作することにより第3分岐管55内の流路を遮断したり開放したりするものである。空気加湿器出口弁58は、第4分岐管56に設けられ、開閉動作することにより第4分岐管56内の流路を遮断したり開放したりするものである。酸化剤極入口弁59は、接続点Fと酸化剤極12との間の空気供給配管51に設けられ、開閉動作することにより酸化剤極入口弁59内の流路を遮断したり開放したりするものである。   The air humidifier inlet valve 57 is provided in the third branch pipe 55, and shuts or opens the flow path in the third branch pipe 55 by opening and closing. The air humidifier outlet valve 58 is provided in the fourth branch pipe 56 and shuts or opens the flow path in the fourth branch pipe 56 by opening and closing. The oxidant electrode inlet valve 59 is provided in the air supply pipe 51 between the connection point F and the oxidant electrode 12, and opens and closes the flow path in the oxidant electrode inlet valve 59. To do.

このように構成されるため、酸化剤極入口弁59が開放されている場合、空気流量調整弁53の開度に応じて空気が燃料電池10の酸化剤極12に供給される。また、空気の供給経路は2種類あり、空気供給弁54が閉じられ、空気加湿器入口弁57及び空気加湿器出口弁58が開けられている場合、空気流量調整弁53を介して流れてきた空気は、第3分岐管55を通じて空気加湿器52に流入し、貯水部を通過する過程で加湿されて第4分岐管56を通り、燃料電池10の酸化剤極12に供給される。一方、空気供給弁54が開けられ、空気加湿器入口弁57及び空気加湿器出口弁58が閉じられている場合、空気は、空気加湿器52を介することなく、酸化剤極12に供給される。   With this configuration, when the oxidant electrode inlet valve 59 is opened, air is supplied to the oxidant electrode 12 of the fuel cell 10 according to the opening of the air flow rate adjustment valve 53. In addition, there are two types of air supply paths. When the air supply valve 54 is closed and the air humidifier inlet valve 57 and the air humidifier outlet valve 58 are opened, the air flows through the air flow rate adjustment valve 53. The air flows into the air humidifier 52 through the third branch pipe 55, is humidified in the process of passing through the water storage unit, passes through the fourth branch pipe 56, and is supplied to the oxidant electrode 12 of the fuel cell 10. On the other hand, when the air supply valve 54 is opened and the air humidifier inlet valve 57 and the air humidifier outlet valve 58 are closed, air is supplied to the oxidizer electrode 12 without passing through the air humidifier 52. .

酸化剤ガス排出系60は、空気排出配管61と、酸化剤極出口弁62とを備えている。空気排出配管61は、燃料電池10の酸化剤極12と外部とを接続し、酸化剤極12からのオフガスを外部に導くものである。酸化剤極出口弁62は、空気排出配管61に設けられ、開閉動作することにより空気排出配管61内の流路を遮断したり開放したりしてオフガスの排出を制御するものである。このような構成であるため、酸化剤極12からのオフガスは、酸化剤極出口弁62が開放されると外部に排出されることとなる。   The oxidant gas discharge system 60 includes an air discharge pipe 61 and an oxidant electrode outlet valve 62. The air discharge pipe 61 connects the oxidant electrode 12 of the fuel cell 10 and the outside, and guides offgas from the oxidant electrode 12 to the outside. The oxidant electrode outlet valve 62 is provided in the air discharge pipe 61, and controls the discharge of off-gas by opening and closing the flow path in the air discharge pipe 61. Because of such a configuration, the off-gas from the oxidant electrode 12 is discharged to the outside when the oxidant electrode outlet valve 62 is opened.

さらに、燃料電池システム1は、バッファタンク70と、タンク供給配管71と、タンク容量制御弁72と、タンク排出配管73と、容量調整用排出弁74と、第1空気供給ライン80と、第1空気供給ライン弁81とを備えている。   Further, the fuel cell system 1 includes a buffer tank 70, a tank supply pipe 71, a tank capacity control valve 72, a tank discharge pipe 73, a capacity adjustment discharge valve 74, a first air supply line 80, And an air supply line valve 81.

バッファタンク70は、酸化剤ガスである空気の貯蔵容量が可変とされたタンクであり、内部空間を二分する容量調整板70aを有している。この容量調整板70aは、バッファタンク70内をスライド可能に設けられ、バッファタンク70内部に貯蔵可能な空気量を変更可能になっている。また、バッファタンク70のうち容量調整板70aにより隔てられる一方の空間側には第1空気供給ライン80の一端が接続されている。この第1空気供給ライン80は、他端が酸化剤極入口弁59と燃料電池10の酸化剤極12との間の空気供給配管51(図1中の接続点G)に接続されており、バッファタンク70内部の空気を酸化剤極12に供給するための流路となるものである。第1空気供給ライン弁81は、第1空気供給ライン80に設けられ、開閉動作することにより第1空気供給ライン80内の流路を遮断したり開放したりするものである。   The buffer tank 70 is a tank in which the storage capacity of air, which is an oxidant gas, is variable, and has a capacity adjustment plate 70a that bisects the internal space. The capacity adjustment plate 70a is slidably provided in the buffer tank 70 so that the amount of air that can be stored in the buffer tank 70 can be changed. One end of the first air supply line 80 is connected to one space side of the buffer tank 70 that is separated by the capacity adjustment plate 70a. The other end of the first air supply line 80 is connected to an air supply pipe 51 (connection point G in FIG. 1) between the oxidant electrode inlet valve 59 and the oxidant electrode 12 of the fuel cell 10. This is a flow path for supplying the air inside the buffer tank 70 to the oxidant electrode 12. The first air supply line valve 81 is provided in the first air supply line 80 and shuts or opens the flow path in the first air supply line 80 by opening and closing.

このように第1空気供給ライン80及び第1空気供給ライン弁81が設けられているため、バッファタンク70は、燃料電池10の酸化剤極12にバッファタンク70内の空気を供給可能に構成されていることとなる。   Since the first air supply line 80 and the first air supply line valve 81 are thus provided, the buffer tank 70 is configured to be able to supply the air in the buffer tank 70 to the oxidant electrode 12 of the fuel cell 10. Will be.

タンク供給配管71は、コンプレッサなどから圧送される空気をバッファタンク70に供給するための流路となるものであり、一端が例えばコンプレッサに接続され、他端が容量調整板70aにより隔てられる他方側の空間につながっている。タンク容量制御弁72は、タンク供給配管71に設けられ、開度を調整することによりコンプレッサからバッファタンク70の他方側空間に供給される空気量を制御するものである。   The tank supply pipe 71 serves as a flow path for supplying air sent from the compressor or the like to the buffer tank 70. One end of the tank supply pipe 71 is connected to the compressor, for example, and the other end is separated by the capacity adjustment plate 70a. Connected to the space. The tank capacity control valve 72 is provided in the tank supply pipe 71, and controls the amount of air supplied from the compressor to the other side space of the buffer tank 70 by adjusting the opening degree.

また、タンク排出配管73は、バッファタンク70内の空気を排出するための流路となるものであり、一端が容量調整板70aにより隔てられる他方側の空間につながっており、他端が外部につながっている。容量調整用排出弁74は、タンク排出配管73に設けられ、開閉動作することによりタンク排出配管73内の流路を遮断したり開放したりして、バッファタンク70の他方側空間内に存在する空気の排出を制御するものである。   The tank discharge pipe 73 is a flow path for discharging the air in the buffer tank 70. One end of the tank discharge pipe 73 is connected to the space on the other side separated by the capacity adjustment plate 70a, and the other end is connected to the outside. linked. The capacity adjusting discharge valve 74 is provided in the tank discharge pipe 73, and opens and closes to block or open the flow path in the tank discharge pipe 73, and exists in the other side space of the buffer tank 70. It controls the discharge of air.

このように構成されるため、タンク容量制御弁72の開度に応じて空気がバッファタンク70の他方側の空間に供給される。このとき、容量調整板70aはスライドして他方側の空間を広げていく。これにより、バッファタンク70の一方側の空間内の容量が小さくなる。また、一方側の空間内の空気圧力を高めることにもなる。また、容量調整用排出弁74が開けられると、バッファタンク70内の空気は外部に排出される。このとき、容量調整板70aはスライドして他方側の空間を狭めていく。すなわち、バッファタンク70の一方側の空間内の容量が大きくなる。また、一方側の空間内の空気圧力を低めることにもなる。このように、バッファタンク70は容量が可変となっており、さらには空気圧力についても可変とできる構成となっている。   With this configuration, air is supplied to the space on the other side of the buffer tank 70 in accordance with the opening of the tank capacity control valve 72. At this time, the capacity adjustment plate 70a slides to widen the space on the other side. Thereby, the capacity in the space on one side of the buffer tank 70 is reduced. In addition, the air pressure in the space on one side is increased. When the capacity adjusting discharge valve 74 is opened, the air in the buffer tank 70 is discharged to the outside. At this time, the capacity adjustment plate 70a slides to narrow the space on the other side. That is, the capacity in the space on one side of the buffer tank 70 is increased. In addition, the air pressure in the space on one side is lowered. Thus, the capacity of the buffer tank 70 is variable, and the air pressure is also variable.

また、燃料電池システム1は、第2空気供給ライン90と、第2空気供給ライン弁91とを備えている。第2空気供給ライン90は、バッファタンク70内部の空気を燃料極11に供給するための流路となるものであり、一端がバッファタンク70と第1空気供給ライン弁81との間の第1空気供給ライン80(図1中の接続点H)に接続され、他端が接続点Dと燃料電池10の燃料極11との間の水素ガス供給配管21(図1中の接続点I)に接続されている。第2空気供給ライン弁91は、第2空気供給ライン90に設けられ、開閉動作することにより第2空気供給ライン90内の流路を遮断したり開放したりするものである。   The fuel cell system 1 includes a second air supply line 90 and a second air supply line valve 91. The second air supply line 90 serves as a flow path for supplying air inside the buffer tank 70 to the fuel electrode 11, and one end of the second air supply line 90 is between the buffer tank 70 and the first air supply line valve 81. 1 is connected to an air supply line 80 (connection point H in FIG. 1), and the other end is connected to a hydrogen gas supply pipe 21 (connection point I in FIG. 1) between the connection point D and the fuel electrode 11 of the fuel cell 10. It is connected. The second air supply line valve 91 is provided in the second air supply line 90 and shuts or opens the flow path in the second air supply line 90 by opening and closing.

このように第2空気供給ライン90及び第2空気供給ライン弁91が設けられているため、バッファタンク70は、酸化剤極12のみならず、内部のガスを燃料極11にも供給可能に構成されていることとなる。   Since the second air supply line 90 and the second air supply line valve 91 are thus provided, the buffer tank 70 can supply not only the oxidant electrode 12 but also the internal gas to the fuel electrode 11. Will be.

さらに、燃料電池システム1は、コントローラ(制御手段)100と、酸化剤ガス循環系110とを備えている。コントローラ100は、燃料電池システム1全体を制御するものである。このコントローラ100は、通常運転制御と停止運転制御を行えるようになっている。   Furthermore, the fuel cell system 1 includes a controller (control means) 100 and an oxidant gas circulation system 110. The controller 100 controls the entire fuel cell system 1. The controller 100 can perform normal operation control and stop operation control.

通常運転制御とは、負荷側から要求される電流量に応じた発電を行う制御である。この通常運転制御においてコントローラ100は、燃料ガス供給系20を制御して適量の水素ガスを燃料電池10の燃料極11に供給する。また、コントローラ100は、酸化剤ガス供給系50を制御して適量の水素ガスを燃料電池10の酸化剤極12に供給する。   The normal operation control is control that performs power generation according to the amount of current required from the load side. In this normal operation control, the controller 100 controls the fuel gas supply system 20 to supply an appropriate amount of hydrogen gas to the fuel electrode 11 of the fuel cell 10. The controller 100 also controls the oxidant gas supply system 50 to supply an appropriate amount of hydrogen gas to the oxidant electrode 12 of the fuel cell 10.

また、停止運転制御とは、燃料電池システム1を停止させる制御であり、燃料電池10の触媒を劣化させないようにするために、燃料電池10内の水素ガス及び酸素を可能な限り消費させる制御である。この停止運転制御においてコントローラ100は、燃料極入口弁29、燃料極出口弁32、酸化剤極入口弁59、及び酸化剤極出口弁62を閉じる。また、コントローラ100は、第1空気供給ライン弁81を開け、バッファタンク70内の空気を燃料電池10の酸化剤極12に供給する。これにより、コントローラ100は燃料電池10の燃料極11に存在する水素ガスを消費させる。   The stop operation control is control for stopping the fuel cell system 1 and is control for consuming as much hydrogen gas and oxygen in the fuel cell 10 as possible so as not to deteriorate the catalyst of the fuel cell 10. is there. In this stop operation control, the controller 100 closes the fuel electrode inlet valve 29, the fuel electrode outlet valve 32, the oxidant electrode inlet valve 59, and the oxidant electrode outlet valve 62. In addition, the controller 100 opens the first air supply line valve 81 and supplies the air in the buffer tank 70 to the oxidant electrode 12 of the fuel cell 10. As a result, the controller 100 consumes the hydrogen gas present in the fuel electrode 11 of the fuel cell 10.

酸化剤ガス循環系110は、燃料電池10の酸化剤極12の下流からバッファタンク70を介して酸化剤極12の上流にガスを循環させるものであり、上記停止運転制御の際に利用されるものである。この酸化剤ガス循環系110は、空気循環配管111と、空気循環ポンプ112、空気脱水器(脱水手段)113と、空気循環配管入口弁114と、空気循環配管出口弁115とを備えている。   The oxidant gas circulation system 110 circulates gas from the downstream of the oxidant electrode 12 of the fuel cell 10 to the upstream of the oxidant electrode 12 through the buffer tank 70, and is used in the stop operation control. Is. The oxidant gas circulation system 110 includes an air circulation pipe 111, an air circulation pump 112, an air dehydrator (dehydration means) 113, an air circulation pipe inlet valve 114, and an air circulation pipe outlet valve 115.

空気循環配管111は、酸化剤極12から排出されたオフガスを酸化剤極12の下流から上流に循環させるために、オフガスをバッファタンク70に送り込む流路となるものである。この空気循環配管111は、一端が燃料電池10の酸化剤極12と酸化剤極出口弁62との間の空気排出配管61(図1中の接続点J)に接続され、他端がバッファタンク70の一方側の空間につながっている。空気循環ポンプ112は、空気循環配管111に設けられており、燃料電池10の酸化剤極12から排出されたオフガスを循環させるために、バッファタンク70に送り込むための動力源となるものである。   The air circulation pipe 111 serves as a flow path for sending off gas to the buffer tank 70 in order to circulate off gas discharged from the oxidant electrode 12 from downstream to upstream of the oxidant electrode 12. One end of the air circulation pipe 111 is connected to an air discharge pipe 61 (connection point J in FIG. 1) between the oxidant electrode 12 and the oxidant electrode outlet valve 62 of the fuel cell 10, and the other end is a buffer tank. It is connected to the space on one side of 70. The air circulation pump 112 is provided in the air circulation pipe 111 and serves as a power source for feeding the buffer tank 70 to circulate off-gas discharged from the oxidant electrode 12 of the fuel cell 10.

空気脱水器113は、燃料電池10の発電により生成された生成水を除去するものであって、例えば空気に含まれる水分を凝縮して取りだすことにより生成水を除去する構成となっている。また、空気脱水器113は、凝縮して取り出した水分を不図示の配管を通じて空気加湿器52に送るようになっている。空気循環配管入口弁114は、接続点Jと空気脱水器113との間の空気循環配管111に設けられ、開閉動作することにより空気循環配管111内の流路を遮断したり開放したりするものである。空気循環配管出口弁115は空気循環ポンプ112とバッファタンク70との間の空気循環配管111に設けられ、開閉動作することにより空気循環配管111内の流路を遮断したり開放したりするものである。   The air dehydrator 113 removes the produced water generated by the power generation of the fuel cell 10 and is configured to remove the produced water by condensing and taking out moisture contained in the air, for example. The air dehydrator 113 is configured to send moisture condensed and taken out to the air humidifier 52 through a pipe (not shown). The air circulation pipe inlet valve 114 is provided in the air circulation pipe 111 between the connection point J and the air dehydrator 113, and shuts or opens the flow path in the air circulation pipe 111 by opening and closing operation. It is. The air circulation pipe outlet valve 115 is provided in the air circulation pipe 111 between the air circulation pump 112 and the buffer tank 70, and shuts or opens the flow path in the air circulation pipe 111 by opening and closing. is there.

このような構成であるため、酸化剤極12からのオフガスは、酸化剤極出口弁62が開放されると外部に排出されることとなるが、停止運転制御に際しては、酸化剤極出口弁62が閉じられ、空気循環配管入口弁114と空気循環配管出口弁115とが開けられる。そして、空気循環ポンプ112が駆動し、酸化剤極12からのオフガスは空気脱水器113により脱水されたうえでバッファタンク70に戻されることとなる。また、停止運転制御では、バッファタンク70内の空気は燃料電池10の酸化剤極12に供給されることから、バッファタンク70内の空気は、第1空気供給ライン80と空気循環配管111とを通って循環することとなる。   Due to such a configuration, the off-gas from the oxidant electrode 12 is discharged to the outside when the oxidant electrode outlet valve 62 is opened. However, in the stop operation control, the oxidant electrode outlet valve 62 is discharged. Is closed and the air circulation pipe inlet valve 114 and the air circulation pipe outlet valve 115 are opened. Then, the air circulation pump 112 is driven, and the off-gas from the oxidant electrode 12 is dehydrated by the air dehydrator 113 and then returned to the buffer tank 70. In the stop operation control, the air in the buffer tank 70 is supplied to the oxidant electrode 12 of the fuel cell 10, so that the air in the buffer tank 70 passes through the first air supply line 80 and the air circulation pipe 111. Will circulate through.

なお、図1に示す燃料電池10には、負荷装置120、二次電池121、及び電圧測定器122が接続されている。負荷装置120は、例えば燃料電池車両の駆動源となるモータなどの機器である。二次電池121は、補助的なバッテリであって、負荷装置120にて消費されない余剰電力を蓄えておき、燃料電池10にて発電を行えなかったり発電量が不足したりする場合に負荷装置120に電力を供給するものである。電圧測定器122は、燃料電池10の発電電圧を測定するものである。   In addition, the load apparatus 120, the secondary battery 121, and the voltage measuring device 122 are connected to the fuel cell 10 shown in FIG. The load device 120 is a device such as a motor serving as a drive source of the fuel cell vehicle. The secondary battery 121 is an auxiliary battery, and stores the surplus power that is not consumed by the load device 120. When the fuel cell 10 cannot generate power or the power generation amount is insufficient, the load device 120 is used. It supplies power to The voltage measuring device 122 measures the generated voltage of the fuel cell 10.

次に、本実施形態に係る燃料電池システム1の動作の概略を説明する。通常運転時において燃料電池システム1は、負荷装置120の要求に応じた発電を行うべく、燃料ガス供給系20と酸化剤ガス供給系50とを制御して適量の水素ガス及び酸素を燃料電池10に供給する。そして、車両停止など燃料電池システム1を停止させる場合、コントローラ100は、停止運転制御を実行する。この際、コントローラ100は、各弁29,32,59,62を閉じ、第1空気供給ライン弁81を開けて、バッファタンク70内の空気を燃料電池10の酸化剤極12に供給する。ここで、従来では、バッファタンク70が一定容量分の空気しか貯蔵できなかったため、温度変化により酸化剤ガスが膨張した場合などには、停止運転制御において燃料電池10の酸化剤極12に供給する空気分子数が減少して、燃料電池10の水素ガスを消費しきることができなかった。   Next, an outline of the operation of the fuel cell system 1 according to the present embodiment will be described. During normal operation, the fuel cell system 1 controls the fuel gas supply system 20 and the oxidant gas supply system 50 to supply appropriate amounts of hydrogen gas and oxygen to the fuel cell 10 in order to generate power according to the demand of the load device 120. To supply. When the fuel cell system 1 is stopped, such as when the vehicle is stopped, the controller 100 executes stop operation control. At this time, the controller 100 closes the valves 29, 32, 59, 62, opens the first air supply line valve 81, and supplies the air in the buffer tank 70 to the oxidant electrode 12 of the fuel cell 10. Here, conventionally, since the buffer tank 70 can store only a certain amount of air, when the oxidant gas expands due to a temperature change, etc., it is supplied to the oxidant electrode 12 of the fuel cell 10 in the stop operation control. The number of air molecules decreased and the hydrogen gas of the fuel cell 10 could not be consumed.

しかし、本実施形態では、バッファタンク70は容量が可変となっている。このため、停止運転制御にあたり、適切な量の空気を燃料電池10の酸化剤極12に提供できることとなる。具体的に説明すると、コントローラ100は、燃料電池10の停止直前における燃料極11の圧力、水素ガスの温度、空気の温度、及び燃料極11内の水素ガス濃度の少なくとも1つに基づいて、燃料電池10の燃料極11に残存する水素ガスを消費させるだけの分子数を有できる酸素量(空気量)を演算する。そして、コントローラ100は、演算した酸素量を貯蔵する容量にバッファタンク70の容量を変更する。これにより、運転停止時において燃料電池10内の水素ガスを完全消費させることが可能な酸素をバッファタンク70から供給することができる。   However, in this embodiment, the capacity of the buffer tank 70 is variable. For this reason, an appropriate amount of air can be provided to the oxidant electrode 12 of the fuel cell 10 in the stop operation control. More specifically, the controller 100 determines the fuel based on at least one of the pressure of the fuel electrode 11 immediately before the fuel cell 10 is stopped, the temperature of hydrogen gas, the temperature of air, and the concentration of hydrogen gas in the fuel electrode 11. An oxygen amount (air amount) capable of having a molecular number sufficient to consume the hydrogen gas remaining in the fuel electrode 11 of the battery 10 is calculated. Then, the controller 100 changes the capacity of the buffer tank 70 to a capacity for storing the calculated oxygen amount. Thereby, oxygen that can completely consume the hydrogen gas in the fuel cell 10 when the operation is stopped can be supplied from the buffer tank 70.

次に、本実施形態に係る燃料電池システム1の詳細動作を説明する。図2は、本実施形態に係る燃料電池システム1の詳細動作を示すフローチャートである。なお、図2に示す処理は、停止運転制御を示すものであり、停止運転制御が行われるまえには、通常運転制御が行われているものとする。   Next, detailed operation of the fuel cell system 1 according to the present embodiment will be described. FIG. 2 is a flowchart showing a detailed operation of the fuel cell system 1 according to the present embodiment. Note that the processing shown in FIG. 2 indicates the stop operation control, and it is assumed that the normal operation control is performed before the stop operation control is performed.

同図に示すように、停止運転制御にあたりコントローラ100は、まず、水素ガス供給弁24と空気供給弁54とを開け、水素加湿器入口弁27と水素加湿器出口弁28と空気加湿器入口弁57と空気加湿器出口弁58とを閉じる(ST1)。そして、コントローラ100は、第1空気供給ライン弁81、空気循環配管入口弁114及び空気循環配管出口弁115を開ける(ST2)。   As shown in the figure, in the stop operation control, the controller 100 first opens the hydrogen gas supply valve 24 and the air supply valve 54, and then the hydrogen humidifier inlet valve 27, the hydrogen humidifier outlet valve 28, and the air humidifier inlet valve. 57 and the air humidifier outlet valve 58 are closed (ST1). Then, the controller 100 opens the first air supply line valve 81, the air circulation pipe inlet valve 114, and the air circulation pipe outlet valve 115 (ST2).

その後、コントローラ100は、燃料電池10の停止直前における燃料極11の圧力、水素ガスの温度、空気の温度、及び燃料極11内の水素ガス濃度に基づいて、燃料電池10の燃料極11に残存する水素ガスを消費させるだけの分子数を有する酸素量(空気量)を演算する(ST3)。次に、コントローラ100は、空気循環ポンプ112を起動する(ST4)。   Thereafter, the controller 100 remains in the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 based on the pressure of the fuel electrode 11 immediately before the fuel cell 10 is stopped, the temperature of hydrogen gas, the temperature of air, and the hydrogen gas concentration in the fuel electrode 11. The amount of oxygen (the amount of air) having the number of molecules sufficient to consume the hydrogen gas to be consumed is calculated (ST3). Next, the controller 100 activates the air circulation pump 112 (ST4).

そして、コントローラ100は、タンク容量制御弁72、及び容量調整用排出弁74を制御して、演算された酸素量を取り込めるようにバッファタンク70の容量を変化させ、該酸素量(空気量)をバッファタンク70内に取り込む(ST5)。これにより、バッファタンク70内に適量の空気が取り込まれる。   Then, the controller 100 controls the tank capacity control valve 72 and the capacity adjustment discharge valve 74 to change the capacity of the buffer tank 70 so that the calculated oxygen amount can be taken in, and the oxygen amount (air amount) is changed. The sample is taken into the buffer tank 70 (ST5). As a result, an appropriate amount of air is taken into the buffer tank 70.

その後、コントローラ100は、空気流量調整弁53、酸化剤極入口弁59及び酸化剤極出口弁62を閉じ、ガスを循環させる(ST6)。次いで、コントローラ100は、水素ガス流量調整弁23、燃料極入口弁29及び燃料極出口弁32を閉じ、水素循環配管入口弁44及び水素循環配管出口弁45を開け、水素循環ポンプ42を起動して、ガスを循環させる(ST7)。このように、ガスを循環させることで、水素ガスと酸素との電気化学反応を促進させて水素ガスを素早く消費し、燃料電池システム1の運転停止を早期に行うようにしている。   Thereafter, the controller 100 closes the air flow rate adjustment valve 53, the oxidant electrode inlet valve 59, and the oxidant electrode outlet valve 62, and circulates the gas (ST6). Next, the controller 100 closes the hydrogen gas flow rate adjustment valve 23, the fuel electrode inlet valve 29 and the fuel electrode outlet valve 32, opens the hydrogen circulation pipe inlet valve 44 and the hydrogen circulation pipe outlet valve 45, and activates the hydrogen circulation pump 42. Then, the gas is circulated (ST7). In this way, by circulating the gas, the electrochemical reaction between the hydrogen gas and oxygen is promoted, the hydrogen gas is consumed quickly, and the operation of the fuel cell system 1 is stopped early.

その後、コントローラ100は、両脱水器43,113を作動させる(ST8)。すなわち、コントローラ100は、空気脱水器113を作動させることにより運転停止の処理中に生成された生成水を除去すると共に、水素ガス脱水器43を作動させることによりクロスリークにより酸化剤極12側に移動してきた水を除去する。これにより、水が酸化剤極12の流路を塞いで電気化学反応に遅れが生じてしまうことを防止している。   Thereafter, the controller 100 operates both the dehydrators 43 and 113 (ST8). That is, the controller 100 operates the air dehydrator 113 to remove the generated water generated during the shutdown process, and operates the hydrogen gas dehydrator 43 to cross the oxidizer electrode 12 due to cross leak. Remove the water that has moved. This prevents water from blocking the flow path of the oxidant electrode 12 and causing a delay in the electrochemical reaction.

そして、コントローラ100は、セル電圧が一定値以下となったか否かを判断する(ST9)。すなわち、コントローラ100は、水素ガスと酸素とが消費されて、セル電圧が小さくなったか否かを判断している。ここで、燃料電池10のガスは完全に消費されることが望ましいため、一定値は略「0V」に設定される。なお、一定値は「0V」に限るものではない。   Then, controller 100 determines whether or not the cell voltage has become a certain value or less (ST9). That is, the controller 100 determines whether or not the hydrogen gas and oxygen are consumed and the cell voltage is reduced. Here, since the gas of the fuel cell 10 is desirably consumed completely, the constant value is set to approximately “0V”. The constant value is not limited to “0V”.

セル電圧が一定値以下となっていないと判断した場合(ST9:NO)、コントローラ100は、セル電圧が一定値以下となったと判断されるまで、この処理を繰り返す。一方、セル電圧が一定値以下となったと判断した場合(ST9:YES)、コントローラ100は、燃料電池10内の水素ガス及び酸素がほぼ消費されたと判断する。すなわち、この時点で、燃料電池10内はほぼ窒素ガスにより占められている。   If it is determined that the cell voltage is not lower than the predetermined value (ST9: NO), the controller 100 repeats this process until it is determined that the cell voltage is lower than the predetermined value. On the other hand, when it is determined that the cell voltage has become equal to or lower than a certain value (ST9: YES), the controller 100 determines that the hydrogen gas and oxygen in the fuel cell 10 are almost consumed. That is, at this time, the fuel cell 10 is almost occupied by nitrogen gas.

そして、コントローラ100は、第1空気供給ライン弁81を閉じ、第2空気供給ライン弁91を開ける(ST10)。これにより、コントローラ100は窒素ガスを燃料電池10の燃料極11に送り込む。その後、コントローラ100は、燃料極11と酸化剤極12とが等圧となったか否かを判断する(ST11)。すなわち、コントローラ100は、両極11,12を等圧とし、燃料電池システム1の停止処理を完了させることができるか否かを判断している。   Then, the controller 100 closes the first air supply line valve 81 and opens the second air supply line valve 91 (ST10). As a result, the controller 100 sends nitrogen gas to the fuel electrode 11 of the fuel cell 10. Thereafter, the controller 100 determines whether or not the fuel electrode 11 and the oxidant electrode 12 have the same pressure (ST11). That is, the controller 100 determines whether or not the stop processing of the fuel cell system 1 can be completed by setting both the electrodes 11 and 12 to the same pressure.

燃料極11と酸化剤極12とが等圧となっていないと判断した場合(ST11:NO)、コントローラ100は、燃料極11と酸化剤極12とが等圧となったと判断するまで、この処理を繰り返す。一方、燃料極11と酸化剤極12とが等圧となったと判断した場合(ST11:YES)、燃料電池システム1の停止処理が完了することとなる。   When it is determined that the fuel electrode 11 and the oxidant electrode 12 are not at the same pressure (ST11: NO), the controller 100 determines this until the fuel electrode 11 and the oxidant electrode 12 are at the same pressure. Repeat the process. On the other hand, when it is determined that the fuel electrode 11 and the oxidant electrode 12 have the same pressure (ST11: YES), the stop process of the fuel cell system 1 is completed.

このようにして、本実施形態に係る燃料電池システム1によれば、燃料電池10の燃料極11に残存する水素ガスを消費させるだけの分子数を有する酸素量(空気量)を演算し、演算した酸素量を貯蔵する容量にバッファタンク70の容量を変更することとしている。このため、温度状況などの要因により、単位体積あたりの酸素分子数が変化する状況においても、必要な分子数を含む酸素量が求められ、その量が貯蔵されるようにバッファタンク70の容量が変更される。故に、バッファタンク70には水素ガスを消費させるだけの分子数を有する酸素が適切に貯蔵されることとなる。従って、運転停止時において水素ガスを完全消費させることが可能な酸素をバッファタンクから供給することができ、さらに、スタック内のガスを全て窒素雰囲気とすることができる。   In this way, according to the fuel cell system 1 according to the present embodiment, the oxygen amount (air amount) having the number of molecules sufficient to consume the hydrogen gas remaining in the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 is calculated, and the calculation is performed. The capacity of the buffer tank 70 is changed to a capacity for storing the oxygen amount. For this reason, even in a situation where the number of oxygen molecules per unit volume changes due to factors such as temperature conditions, the amount of oxygen including the necessary number of molecules is obtained, and the capacity of the buffer tank 70 is set so that the amount is stored. Be changed. Therefore, oxygen having a molecular number sufficient to consume hydrogen gas is appropriately stored in the buffer tank 70. Therefore, oxygen capable of completely consuming hydrogen gas when the operation is stopped can be supplied from the buffer tank, and all the gas in the stack can be made a nitrogen atmosphere.

また、バッファタンク70内の空気を燃料電池10の酸化剤極12に供給させて燃料電池10の燃料極11に残存する水素ガスを消費させた後に、バッファタンク70内のガスを燃料電池10の燃料極11に供給して、燃料極11と酸化剤極12とを等圧とさせることとしている。このため、速やかに燃料極11と酸化剤極12とを等圧とし、燃料電池システム1の運転停止を早期に行うことができる。   Further, after the air in the buffer tank 70 is supplied to the oxidant electrode 12 of the fuel cell 10 to consume the hydrogen gas remaining in the fuel electrode 11 of the fuel cell 10, the gas in the buffer tank 70 is changed to the fuel cell 10. The fuel electrode 11 is supplied to make the fuel electrode 11 and the oxidant electrode 12 have the same pressure. For this reason, the fuel electrode 11 and the oxidant electrode 12 can be quickly made to have equal pressure, and the operation of the fuel cell system 1 can be stopped early.

また、バッファタンク70内の空気を燃料電池10の酸化剤極12に供給させて燃料電池10の燃料極11に残存する水素ガスを消費させるにあたり、酸化剤ガス循環系110(第1空気供給ライン80を含む)及び燃料ガス循環系40においてそれぞれのガスを循環させることとしている。このため、水素ガスと酸素との電気化学反応を促進させて水素ガスを素早く消費し、燃料電池システム1の運転停止を早期に行うことができる。   Further, when the air in the buffer tank 70 is supplied to the oxidant electrode 12 of the fuel cell 10 and the hydrogen gas remaining in the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 is consumed, the oxidant gas circulation system 110 (first air supply line) 80) and the fuel gas circulation system 40 circulates each gas. For this reason, the electrochemical reaction between hydrogen gas and oxygen can be promoted to quickly consume the hydrogen gas, and the fuel cell system 1 can be shut down early.

また、バッファタンク70内の空気を燃料電池10の酸化剤極12に供給させて燃料電池10の燃料極11に残存する水素ガスを消費させるにあたり、両脱水器43,113を作動させて生成水を除去するので、運転停止の処理中に生成された生成水が酸化剤極12の流路などを塞ぐことを防止できる。これにより、電気化学反応の遅れを防止し、燃料電池システム1の運転停止を早期に行うことができる。   In addition, when the air in the buffer tank 70 is supplied to the oxidant electrode 12 of the fuel cell 10 and the hydrogen gas remaining in the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 is consumed, both dehydrators 43 and 113 are operated to generate water. Therefore, it is possible to prevent the generated water generated during the operation stop process from blocking the flow path of the oxidant electrode 12 and the like. Thereby, delay of an electrochemical reaction can be prevented and the operation of the fuel cell system 1 can be stopped early.

また、燃料極11の圧力、水素ガスの温度、空気の温度、及び燃料極11内の水素ガス濃度の少なくとも1つに基づいて、燃料電池10の燃料極11に残存する水素ガスを消費させるだけの分子数を有する空気量を演算するので、正確にバッファタンク70の容量を演算することができる。   Further, the hydrogen gas remaining in the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 is only consumed based on at least one of the pressure of the fuel electrode 11, the temperature of hydrogen gas, the temperature of air, and the hydrogen gas concentration in the fuel electrode 11. Therefore, the capacity of the buffer tank 70 can be calculated accurately.

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。例えば、本実施形態において、燃料ガスを水素ガスとし酸化剤ガスを酸素としているが、これに限らず、他の気体であってもよい。   As described above, the present invention has been described based on the embodiment, but the present invention is not limited to the above embodiment, and may be modified without departing from the gist of the present invention. For example, in the present embodiment, the fuel gas is hydrogen gas and the oxidant gas is oxygen. However, the present invention is not limited to this, and other gases may be used.

本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. 制御装置の制御内容を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the control content of a control apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

1…燃料電池システム
10…燃料電池
11…燃料極
12…酸化剤極
20…燃料ガス供給系
21…水素ガス供給配管
22…水素加湿器
23…水素ガス流量調整弁
24…水素ガス供給弁
25…第1分岐管
26…第2分岐管
27…水素加湿器入口弁
28…水素加湿器出口弁
29…燃料極入口弁
30…燃料ガス排出系
31…水素ガス排出配管
32…燃料極出口弁
40…燃料ガス循環系
41…水素循環配管
42…水素循環ポンプ
43…水素ガス脱水器(脱水手段)
44…水素循環配管入口弁
45…水素循環配管出口弁
50…酸化剤ガス供給系
51…空気供給配管
52…空気加湿器
53…空気流量調整弁
54…空気供給弁
55…第3分岐管
56…第4分岐管
57…空気加湿器入口弁
58…空気加湿器出口弁
59…酸化剤極入口弁
60…酸化剤ガス排出系
61…空気排出配管
62…酸化剤極出口弁
70…バッファタンク
70a…容量調整板
71…タンク供給配管
72…タンク容量制御弁
73…タンク排出配管
74…容量調整用排出弁
80…第1空気供給ライン
81…第1空気供給ライン弁
90…第2空気供給ライン
91…第2空気供給ライン弁
100…コントローラ(制御手段)
110…酸化剤ガス循環系
111…空気循環配管
112…空気循環ポンプ
113…空気脱水器(脱水手段)
114…空気循環配管入口弁
115…空気循環配管出口弁
120…負荷装置
121…二次電池
122…電圧測定器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system 10 ... Fuel cell 11 ... Fuel electrode 12 ... Oxidant electrode 20 ... Fuel gas supply system 21 ... Hydrogen gas supply piping 22 ... Hydrogen humidifier 23 ... Hydrogen gas flow control valve 24 ... Hydrogen gas supply valve 25 ... 1st branch pipe 26 ... 2nd branch pipe 27 ... Hydrogen humidifier inlet valve 28 ... Hydrogen humidifier outlet valve 29 ... Fuel electrode inlet valve 30 ... Fuel gas discharge system 31 ... Hydrogen gas discharge pipe 32 ... Fuel electrode outlet valve 40 ... Fuel gas circulation system 41 ... Hydrogen circulation pipe 42 ... Hydrogen circulation pump 43 ... Hydrogen gas dehydrator (dehydration means)
44 ... Hydrogen circulation pipe inlet valve 45 ... Hydrogen circulation pipe outlet valve 50 ... Oxidant gas supply system 51 ... Air supply pipe 52 ... Air humidifier 53 ... Air flow rate adjustment valve 54 ... Air supply valve 55 ... Third branch pipe 56 ... Fourth branch pipe 57 ... Air humidifier inlet valve 58 ... Air humidifier outlet valve 59 ... Oxidant electrode inlet valve 60 ... Oxidant gas discharge system 61 ... Air discharge pipe 62 ... Oxidant electrode outlet valve 70 ... Buffer tank 70a ... Capacity adjustment plate 71 ... Tank supply pipe 72 ... Tank capacity control valve 73 ... Tank discharge pipe 74 ... Capacity adjustment discharge valve 80 ... First air supply line 81 ... First air supply line valve 90 ... Second air supply line 91 ... Second air supply line valve 100... Controller (control means)
110 ... oxidant gas circulation system 111 ... air circulation pipe 112 ... air circulation pump 113 ... air dehydrator (dehydration means)
114 ... Air circulation piping inlet valve 115 ... Air circulation piping outlet valve 120 ... Load device 121 ... Secondary battery 122 ... Voltage measuring instrument

Claims (4)

燃料ガスの供給を受ける燃料極及び酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、
通常運転時において前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給系と、
前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給可能なバッファタンクと、
運転停止を行うにあたり前記酸化剤ガス供給系によって前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給せず、前記バッファタンク内の酸化剤ガスを前記燃料電池の酸化剤極に供給させ、前記燃料電池の燃料極に残存する燃料ガスを消費させる制御手段と、を備え、
前記バッファタンクは、酸化剤ガスの貯蔵容量が可変とされており、
前記制御手段は、燃料極の圧力、燃料ガスの温度、酸化剤ガスの温度、及び燃料極内の燃料ガス濃度の少なくとも1つに基づいて、前記燃料電池の燃料極に残存する燃料ガスを消費させるだけの分子数を有する酸化剤ガス量を演算し、演算した酸化剤ガス量を貯蔵する容量にバッファタンクの容量を変更する
ことを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell having a fuel electrode supplied with a fuel gas and an oxidizer electrode supplied with an oxidant gas, and reacting the fuel gas with the oxidant gas to generate electric power;
An oxidant gas supply system for supplying an oxidant gas to the oxidant electrode of the fuel cell during normal operation;
A buffer tank capable of supplying an oxidant gas to the oxidant electrode of the fuel cell;
When the operation is stopped, the oxidant gas supply system does not supply the oxidant gas to the oxidant electrode of the fuel cell, but the oxidant gas in the buffer tank is supplied to the oxidant electrode of the fuel cell. Control means for consuming fuel gas remaining in the fuel electrode of the battery,
The buffer tank has a variable oxidant gas storage capacity,
The control means consumes the fuel gas remaining in the fuel electrode of the fuel cell based on at least one of the pressure of the fuel electrode, the temperature of the fuel gas, the temperature of the oxidant gas, and the fuel gas concentration in the fuel electrode. A fuel cell system, comprising: calculating an amount of oxidant gas having a number of molecules sufficient to allow the buffer tank to have a capacity for storing the calculated amount of oxidant gas.
前記バッファタンクは、前記燃料電池の燃料極に酸化剤ガスを供給可能となっており、
前記制御手段は、前記バッファタンク内の酸化剤ガスを前記燃料電池の酸化剤極に供給させて前記燃料電池の燃料極に残存する燃料ガスを消費させた後に、バッファタンク内のガスを前記燃料電池の燃料極に供給して、燃料極と酸化剤極とを等圧とさせる
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
The buffer tank is capable of supplying an oxidant gas to the fuel electrode of the fuel cell,
The control means supplies the oxidant gas in the buffer tank to the oxidant electrode of the fuel cell and consumes the fuel gas remaining in the fuel electrode of the fuel cell, and then converts the gas in the buffer tank to the fuel The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel electrode and the oxidant electrode are supplied with an equal pressure by being supplied to the fuel electrode of the battery.
前記燃料電池の酸化剤極下流からバッファタンクを介して酸化剤極上流にガスを循環させる酸化剤ガス循環系と、
前記燃料電池の燃料極の下流から上流にガスを循環させる燃料ガス循環系と、を備え、
前記制御手段は、前記バッファタンク内の酸化剤ガスを前記燃料電池の酸化剤極に供給させて前記燃料電池の燃料極に残存する燃料ガスを消費させるにあたり、前記酸化剤ガス循環系及び前記燃料ガス循環系においてそれぞれガスを循環させる
ことを特徴とする請求項1又は請求項2のいずれかに記載の燃料電池システム。
An oxidant gas circulation system for circulating gas from the oxidant electrode downstream of the fuel cell through the buffer tank to the oxidant electrode upstream;
A fuel gas circulation system for circulating gas from downstream to upstream of the fuel electrode of the fuel cell,
The control means supplies the oxidant gas in the buffer tank to the oxidant electrode of the fuel cell and consumes the fuel gas remaining in the fuel electrode of the fuel cell. The fuel cell system according to claim 1, wherein the gas is circulated in the gas circulation system.
前記燃料電池での発電により生成された生成水を除去する脱水手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記バッファタンク内の酸化剤ガスを前記燃料電池の酸化剤極に供給させて前記燃料電池の燃料極に残存する燃料ガスを消費させるにあたり、前記脱水手段を作動させて生成水を除去する
ことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
Further comprising dehydrating means for removing generated water generated by power generation in the fuel cell;
The control means operates the dehydration means to supply the oxidant gas in the buffer tank to the oxidant electrode of the fuel cell and consume the fuel gas remaining in the fuel electrode of the fuel cell. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the fuel cell system is removed.
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