JP2013033673A - Fuel cell system and residual gas purging method therefor - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system that allows quick purging of residual gas by inert gas after operation of a fuel cell is stopped and that consumes less hydrogen.SOLUTION: A fuel cell system includes: a fuel cell 1; hydrogen supply means 3 for supplying hydrogen to the fuel cell 1; and oxygen supply means 5 for supplying oxygen to the fuel cell 1. Exhaust gas during operation of the fuel cell 1 is burned completely to generate inert gas. The inert gas is stored in a storage reservoir 19. After the operation of the fuel cell 1 is stopped, residual gas remaining in the fuel cell 1 and a hydrogen supply path 2 is purged by the inert gas stored in the storage reservoir 19.

Description

この発明は、燃料電池システムおよびその残留ガスパージ方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell system and a residual gas purging method thereof.

水素と酸素の化学反応を利用して電気を取り出す固体高分子形燃料電池と、燃料電池へ水素を供給する水素供給手段と、燃料電池へ酸素を供給する酸素供給手段とを備える燃料電池システムにおいては、燃料電池の停止時にシステム内に水素及び空気が残留し、外部回路との電気的接続が絶たれると、電極触媒の劣化や電池構成部品の腐食等が起こることが知られている。   A fuel cell system comprising: a solid polymer fuel cell that takes out electricity using a chemical reaction between hydrogen and oxygen; a hydrogen supply unit that supplies hydrogen to the fuel cell; and an oxygen supply unit that supplies oxygen to the fuel cell. It is known that when hydrogen and air remain in the system when the fuel cell is stopped, and the electrical connection with the external circuit is cut off, the electrode catalyst is deteriorated and the battery components are corroded.

この課題を解決する残留ガスパージ装置は、特許文献１などで種々提案されている。特許文献１の残留ガスパージ装置は、水素を空気と反応させ不活性ガスを得るための水素燃焼器を有し、燃料電池の停止時に水素燃焼器に水素及び空気を送給し、得られた不活性ガスを燃料電池に送給するものである。   Various residual gas purging apparatuses that solve this problem have been proposed in Patent Document 1 and the like. The residual gas purging apparatus of Patent Document 1 has a hydrogen combustor for reacting hydrogen with air to obtain an inert gas, and supplying hydrogen and air to the hydrogen combustor when the fuel cell is stopped. The active gas is supplied to the fuel cell.

残留ガスのパージは、固体高分子形燃料電池の停止後に直ちに行うことが望ましい。固体高分子形燃料電池は、イオン交換膜を挟んで、正極に酸化剤としての酸素を、負極に還元剤としての水素を供給することにより発電するものである。運転を停止すると、電極反応で酸素および水素が消費されなくなり、ガス分圧が高くなってイオン交換膜から酸素および水素がリークする。リークしたガスは、触媒により反応して、正極側および負極側で過酸化水素（H2O2）を生成する。この過酸化水素は、イオン交換膜を分解するので、燃料電池の劣化を引き起こす。よって、残留ガスのパージは、固体高分子形燃料電池においては、運転停止後直ちに行うことが望ましい。 It is desirable to purge the residual gas immediately after the solid polymer fuel cell is stopped. A polymer electrolyte fuel cell generates electricity by supplying oxygen as an oxidant to a positive electrode and hydrogen as a reducing agent to a negative electrode with an ion exchange membrane interposed therebetween. When the operation is stopped, oxygen and hydrogen are not consumed by the electrode reaction, the gas partial pressure is increased, and oxygen and hydrogen leak from the ion exchange membrane. The leaked gas reacts with the catalyst to generate hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) on the positive electrode side and the negative electrode side. Since this hydrogen peroxide decomposes the ion exchange membrane, it causes deterioration of the fuel cell. Therefore, it is desirable to purge the residual gas immediately after the operation is stopped in the polymer electrolyte fuel cell.

ところで、特許文献１の残留ガスパージ装置は、専用の不活性ガスタンクが不要であるが、燃料電池の停止時に水素燃焼器へ水素及び空気を送給し、不活性ガスを生成するので、パージ開始までに時間遅れが生じ、電極触媒の劣化や電池構成部品の腐食等を生ずるという課題がある。   By the way, the residual gas purging device of Patent Document 1 does not require a dedicated inert gas tank. However, when the fuel cell is stopped, hydrogen and air are supplied to the hydrogen combustor to generate an inert gas. There is a problem in that there is a time delay, and the electrode catalyst is deteriorated and the battery components are corroded.

なお、固体高分子形以外の燃料電池においても水素がシステム内に残留することは安全上好ましくはないので、固体高分子形以外の燃料電池を用いた燃料電池システムにおいても燃料電池の運転停止後速やかに残留ガスのパージを行うことが望ましい。   In addition, it is not preferable from the viewpoint of safety that hydrogen remains in the system even in fuel cells other than the solid polymer type. Therefore, even in a fuel cell system using a fuel cell other than the solid polymer type, after the operation of the fuel cell is stopped. It is desirable to quickly purge the residual gas.

また、特許文献１の残留ガスパージ装置は、不活性ガスの生成のために、燃料電池の運転と別に水素を消費するので、水素の消費量が多くなるという課題がある。
特開２００２−５０３７２号公報 Moreover, since the residual gas purging apparatus of Patent Document 1 consumes hydrogen separately from the operation of the fuel cell to generate an inert gas, there is a problem that the amount of hydrogen consumption increases.
JP 2002-50372 A

この発明が解決しようとする課題は、燃料電池の運転停止後に速やかに不活性ガスにより残留ガスのパージを行うことができるとともに、水素の消費を少なくすることである。   The problem to be solved by the present invention is to quickly purge residual gas with an inert gas after stopping the operation of the fuel cell and to reduce the consumption of hydrogen.

この発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、水素と酸素の化学反応を利用して電気を取り出す燃料電池と、水素を水素供給経路により前記燃料電池へ供給する水素供給手段と、酸素を酸素供給経路により前記燃料電池へ供給する酸素供給手段とを備える燃料電池システムであって、前記燃料電池の運転時の排ガスを
完全燃焼させて不活性ガスを生成し、生成した不活性ガスを貯留タンクに貯留する不活性ガス生成・貯留手段と、前記燃料電池の停止後に、前記貯留タンクに貯留した不活性ガスにより前記燃料電池および前記水素供給経路内に残留した残留ガスをパージする残留ガスパージ手段とを備えたことを特徴としている。 The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems. The invention according to claim 1 is directed to a fuel cell for taking out electricity using a chemical reaction between hydrogen and oxygen, and the fuel through a hydrogen supply path. A fuel cell system comprising hydrogen supply means for supplying a battery and oxygen supply means for supplying oxygen to the fuel cell through an oxygen supply path, wherein the exhaust gas during the operation of the fuel cell is completely burned to produce an inert gas And an inert gas generation / storage means for storing the generated inert gas in a storage tank; and after the fuel cell is stopped, an inert gas stored in the storage tank causes the fuel cell and the hydrogen supply path to And a residual gas purging means for purging the residual gas remaining in the apparatus.

請求項１に記載の発明によれば、前記燃料電池の運転時に前記貯留タンクに貯留した不活性ガスを用いて、前記燃料電池の停止後、速やかに残留ガスをパージすることができるとともに、不活性ガスは、前記燃料電池の運転時に生ずる排ガスを用いて生成しているので、前記燃料電池の運転に使用する水素以外に水素を消費せず、水素使用量を少なくできるという効果を奏する。   According to the first aspect of the present invention, the inert gas stored in the storage tank during operation of the fuel cell can be used to quickly purge the residual gas after the fuel cell is stopped. Since the active gas is generated using exhaust gas generated during operation of the fuel cell, hydrogen is not consumed other than hydrogen used for operation of the fuel cell, and the amount of hydrogen used can be reduced.

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記燃料電池が固体高分子形燃料電池とされ、前記水素供給経路の前記燃料電池上流側に加湿器を備え、前記残留ガスパージ手段は、前記燃料電池の運転開始前に前記加湿器を作動させた状態で、前記貯留タンクに貯留した不活性ガスを前記水素供給経路に流すことを特徴としている。   According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell, and includes a humidifier on the upstream side of the fuel cell in the hydrogen supply path. An inert gas stored in the storage tank is caused to flow through the hydrogen supply path in a state where the humidifier is operated before the operation of the fuel cell is started.

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明による効果に加えて、前記燃料電池の運転開始前の加湿を前記貯留タンクに貯留した不活性ガスを用いて行うことができるとともに、イオン交換膜の劣化を防止することができるという効果を奏する。   According to the second aspect of the invention, in addition to the effect of the first aspect of the invention, humidification before the start of operation of the fuel cell can be performed using the inert gas stored in the storage tank. In addition, there is an effect that the deterioration of the ion exchange membrane can be prevented.

さらに、請求項３に記載の発明は、水素と酸素の化学反応を利用して電気を取り出す燃料電池と、水素を水素供給経路により前記燃料電池へ供給する水素供給手段と、酸素を酸素供給経路により前記燃料電池へ供給する酸素供給手段とを備える燃料電池システムの残留ガスパージ方法であって、前記燃料電池の運転時の排ガスを完全燃焼させて不活性ガスを生成し、生成した不活性ガスを貯留タンクに貯留する不活性ガス生成・貯留ステップと、前記燃料電池の停止後に、前記不活性ガス生成・貯留ステップにて前記貯留タンクに貯留した不活性ガスにより前記燃料電池および前記水素供給経路内に残留した残留ガスをパージするパージステップとを含むことを特徴としている。   Furthermore, the invention described in claim 3 is a fuel cell for taking out electricity using a chemical reaction between hydrogen and oxygen, a hydrogen supply means for supplying hydrogen to the fuel cell through a hydrogen supply path, and an oxygen supply path for oxygen. A residual gas purging method for a fuel cell system comprising an oxygen supply means for supplying the fuel cell to the fuel cell, wherein the exhaust gas during operation of the fuel cell is completely burned to generate an inert gas, and the generated inert gas is An inert gas generation / storage step stored in a storage tank; and after the fuel cell is stopped, an inert gas stored in the storage tank in the inert gas generation / storage step causes the fuel cell and the hydrogen supply path to And a purge step for purging residual gas remaining in the substrate.

請求項３に記載の発明によれば、前記燃料電池の運転時に前記貯留タンクに貯留した不活性ガスを用いて、前記燃料電池の停止後、速やかに残留ガスをパージすることができるとともに、不活性ガスは、前記燃料電池の運転時に生ずる排ガスを用いて生成しているので、前記燃料電池の運転に使用する水素以外に水素を消費せず、水素使用量を少なくできるという効果を奏する。   According to the third aspect of the present invention, the inert gas stored in the storage tank during operation of the fuel cell can be used to quickly purge the residual gas after the fuel cell is stopped. Since the active gas is generated using exhaust gas generated during operation of the fuel cell, hydrogen is not consumed other than hydrogen used for operation of the fuel cell, and the amount of hydrogen used can be reduced.

この発明によれば、燃料電池の運転停止後に速やかに不活性ガスにより残留ガスのパージを行うことができるとともに、水素ガスの消費を少なくすることができる。   According to this invention, after the operation of the fuel cell is stopped, the residual gas can be quickly purged with the inert gas, and the consumption of hydrogen gas can be reduced.

この発明の実施例１の概略構成を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining schematic structure of Example 1 of this invention. 同実施例１の制御手順を説明するフローチャート図である。It is a flowchart figure explaining the control procedure of the Example 1. FIG. 同実施例１の運転状態と構成要素の動作との関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship between the driving | running state of the Example 1, and operation | movement of a component. 同実施例１の不活性ガス貯留運転の状態を説明する概略構成図である。It is a schematic block diagram explaining the state of the inert gas storage driving | operation of the Example 1. FIG. 同実施例１の排ガス排出運転の状態を説明する概略構成図である。It is a schematic block diagram explaining the state of the exhaust gas discharge driving | operation of the Example 1. FIG. 同実施例１のポストパージ運転の状態を説明する概略構成図である。It is a schematic block diagram explaining the state of the post purge operation | movement of the Example 1. FIG. 同実施例１の運転停止の状態を説明する概略構成図である。It is a schematic block diagram explaining the state of the operation stop of the Example 1. FIG. 同実施例１のプレパージ運転の状態を説明する概略構成図である。It is a schematic block diagram explaining the state of the pre-purge driving | operation of the Example 1. FIG.

つぎに、この発明の燃料電池システムの実施の形態について説明する。この発明の実施の形態は、水素と酸素の化学反応を利用して電気を取り出す燃料電池を含む燃料電池システムに好適に実施される。   Next, an embodiment of the fuel cell system of the present invention will be described. The embodiment of the present invention is suitably implemented in a fuel cell system including a fuel cell that takes out electricity using a chemical reaction between hydrogen and oxygen.

この実施の形態を具体的に説明する。この実施の形態の燃料電池システムは、水素と酸素の化学反応を利用して電気を取り出す燃料電池と、前記燃料電池へ水素を水素供給経路により供給する水素供給手段と、前記燃料電池へ酸素を第一酸素供給経路により供給する第一酸素供給手段とを含んで構成されている。   This embodiment will be specifically described. The fuel cell system of this embodiment includes a fuel cell that takes out electricity using a chemical reaction between hydrogen and oxygen, a hydrogen supply means that supplies hydrogen to the fuel cell through a hydrogen supply path, and oxygen to the fuel cell. And a first oxygen supply unit that supplies the first oxygen supply path.

この実施の形態の特徴部分は、不活性ガス生成・貯留手段と残留ガスパージ手段とを備えたところにある。前記不活性ガス生成・貯留手段は、前記燃料電池の運転時の排ガスを完全燃焼させて不活性ガスを生成し、生成した不活性ガスを貯留タンクに貯留する手段である。また、前記残留ガスパージ手段は、前記燃料電池の停止後に、前記貯留タンクに貯留した不活性ガスにより前記燃料電池および前記水素供給経路内に残留した残留ガスをパージする手段である。   The characteristic part of this embodiment is that an inert gas generation / storage unit and a residual gas purge unit are provided. The inert gas generation / storage means is a means for generating an inert gas by completely combusting exhaust gas during operation of the fuel cell and storing the generated inert gas in a storage tank. The residual gas purging means is means for purging the residual gas remaining in the fuel cell and the hydrogen supply path with the inert gas stored in the storage tank after the fuel cell is stopped.

この発明の実施の形態によれば、まず、前記不活性ガス生成・貯留手段により、前記燃料電池の運転時、前記燃料電池から排出される排ガスを完全燃焼させて生成された水素と酸素を含まない不活性ガスが前記貯留タンクに貯留される。そして、運転停止後、前記残留ガスパージ手段により、前記貯留タンクに貯留した不活性ガスを用いて、前記燃料電池および前記水素供給経路内に残留した残留ガスがパージされる。   According to an embodiment of the present invention, first, the inert gas generation / storage unit includes hydrogen and oxygen generated by completely burning exhaust gas discharged from the fuel cell during operation of the fuel cell. No inert gas is stored in the storage tank. After the operation is stopped, the residual gas purging means purges the residual gas remaining in the fuel cell and the hydrogen supply path using the inert gas stored in the storage tank.

こうして、この実施の形態においては、前記燃料電池の運転時に生じた排ガスを原料として不活性ガスを生成して貯留し、貯留した不活性ガスを用いて前記燃料電池の運転停止時のポストパージを行うので、前記燃料電池の運転停止時、速やかに残留ガスをパージすることができる。   Thus, in this embodiment, an inert gas is generated and stored using the exhaust gas generated during operation of the fuel cell as a raw material, and post purge when the fuel cell is stopped using the stored inert gas. Therefore, the residual gas can be quickly purged when the fuel cell is stopped.

ここで、この実施の形態の構成要素について説明する。前記燃料電池は、好ましくは、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）とする。固体高分子形燃料電池は、両側に触媒層を設けたイオン交換膜（高分子膜で、固体高分子膜ともいう。）を挟んで、正極（酸素極）に酸化剤としての酸素を、負極（水素極）へ還元剤としての水素を供給することにより発電するように構成されている。そして、イオン交換膜の水素極側および酸素極側には、それぞれ電極触媒層を形成している。   Here, the components of this embodiment will be described. The fuel cell is preferably a polymer electrolyte fuel cell (PEFC). A polymer electrolyte fuel cell has an ion exchange membrane (a polymer membrane, also referred to as a solid polymer membrane) provided with a catalyst layer on both sides, and oxygen as an oxidant is added to the positive electrode (oxygen electrode). Electricity is generated by supplying hydrogen as a reducing agent to (hydrogen electrode). Electrode catalyst layers are formed on the hydrogen electrode side and the oxygen electrode side of the ion exchange membrane, respectively.

前述のように、水素および酸素を含む残留ガスが存在すると、前記燃料電池のイオン交換膜を分解し、燃料電池の劣化を引き起こす。よって、運転停止時直ちに残留ガスをパージできるこの実施の形態は、前記燃料電池を固体高分子形燃料電池とした場合に好適である。   As described above, when a residual gas containing hydrogen and oxygen is present, the ion exchange membrane of the fuel cell is decomposed to cause deterioration of the fuel cell. Therefore, this embodiment in which the residual gas can be purged immediately after the operation is stopped is suitable when the fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell.

前記燃料電池は、固体高分子形燃料電池以外の燃料電池，例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）とすることができる。その場合、残留ガスによって前述のイオン交換膜の分解を生ずることはないが、前記燃料電池および前記水素供給経路内に爆発のおそれのある水素が残留することは、安全上好ましくない。よって、固体高分子形燃料電池以外の燃料電池においては、安全性向上の目的においてこの実施の形態のポストパージを行うことは有効である。   The fuel cell may be a fuel cell other than the polymer electrolyte fuel cell, for example, a solid oxide fuel cell (SOFC). In this case, the above-described ion exchange membrane is not decomposed by the residual gas, but it is not preferable from the viewpoint of safety that hydrogen that may explode remains in the fuel cell and the hydrogen supply path. Therefore, in a fuel cell other than the polymer electrolyte fuel cell, it is effective to perform the post-purge of this embodiment for the purpose of improving safety.

前記水素供給手段は、前記燃料電池の負極へ水素を水素供給経路により供給するものである。前記水素供給経路の一端には、水素源が接続される。前記水素源としては、純水素貯留タンクや純水素貯留ボンベとすることもできるが、通常は燃料ガスを改質器により改質して得られる水素ガスとする。   The hydrogen supply means supplies hydrogen to the negative electrode of the fuel cell through a hydrogen supply path. A hydrogen source is connected to one end of the hydrogen supply path. The hydrogen source may be a pure hydrogen storage tank or a pure hydrogen storage cylinder, but is usually a hydrogen gas obtained by reforming a fuel gas with a reformer.

また、前記水素供給経路は、必要に応じて、第一開閉弁，流量調整弁，加湿器などが設けられる。前記第一開閉弁は、水素の供給、停止を制御するもので、手動弁および／または電磁弁が採用される。前記流量調整弁は、水素の流量および不活性ガスの流量を調整する弁である。前記加湿器は、前記イオン交換膜を加湿するためのものである。   Moreover, the said hydrogen supply path is provided with a 1st on-off valve, a flow regulating valve, a humidifier, etc. as needed. The first on-off valve controls supply and stop of hydrogen, and a manual valve and / or an electromagnetic valve is employed. The flow rate adjusting valve is a valve that adjusts the flow rate of hydrogen and the flow rate of inert gas. The humidifier is for humidifying the ion exchange membrane.

前記水素供給手段にて供給された水素は、前記負極側で反応して排ガスとなって排ガス経路から排出されるように構成されている。   The hydrogen supplied by the hydrogen supply means reacts on the negative electrode side to become exhaust gas and is discharged from the exhaust gas path.

前記第一酸素供給手段は、前記第一酸素供給経路により前記燃料電池の正極側へ酸素を供給するものである。酸素の供給は、純酸素の供給だけでなく、大気の供給によって実現できる。前記第一酸素供給経路には、大気を押し込む送風機（ファン，ブロワと称することができる。）と、酸素の流れを制御する開閉弁を設ける。   The first oxygen supply means supplies oxygen to the positive electrode side of the fuel cell through the first oxygen supply path. The supply of oxygen can be realized not only by supplying pure oxygen but also by supplying air. The first oxygen supply path is provided with a blower (which can be referred to as a fan or a blower) that pushes in the atmosphere and an on-off valve that controls the flow of oxygen.

前記不活性ガス生成・貯留手段は、前記水素供給手段と、前記第一酸素供給手段と、前記燃料電池と、前記排ガス経路と、前記排ガス経路を流れる排ガスを完全燃焼させる完全燃焼手段とを含み、完全燃焼して得られた不活性ガスを前記貯留タンクへ貯留するように構成される。   The inert gas generation / storage means includes the hydrogen supply means, the first oxygen supply means, the fuel cell, the exhaust gas path, and a complete combustion means for completely burning the exhaust gas flowing through the exhaust gas path. The inert gas obtained by complete combustion is configured to be stored in the storage tank.

前記完全燃焼手段は、前記排ガス経路へ第二酸素供給経路を通して酸素を供給する前記第一酸素供給手段（または別の第二酸素供給手段）と、酸素が供給された排ガスを燃焼させる燃焼器とを含み、前記排ガス経路を流れる排ガス中に含まれる水素を完全燃焼させるように前記酸素供給手段による酸素供給量を制御するように構成される。前記第二酸素供給経路は、好ましくは、前記第一酸素供給経路から分岐して形成され、送風機および第二開閉弁を備える。前記燃焼器は、好ましくは、触媒による燃焼器とする。   The complete combustion means includes the first oxygen supply means (or another second oxygen supply means) for supplying oxygen to the exhaust gas path through a second oxygen supply path, and a combustor for burning the exhaust gas supplied with oxygen. And the oxygen supply amount by the oxygen supply means is controlled so that hydrogen contained in the exhaust gas flowing through the exhaust gas path is completely combusted. The second oxygen supply path is preferably formed by branching from the first oxygen supply path, and includes a blower and a second on-off valve. The combustor is preferably a catalyst combustor.

前記貯留手段は、前記排ガス経路の前記燃焼器の下流側と前記水素供給経路の前記加湿器上流側とを連絡する不活性ガス経路と、前記不活性ガス経路に設けた貯留タンクと、前記貯留タンクの上流側に設けられ不活性ガスを昇圧して前記貯留タンクへ供給する昇圧機（送風機、ファン，ブロワと称することができる。）と、水素，酸素，排ガスおよび不活性ガスの流れを制御する制御弁機構とを含んで構成される。   The storage means includes an inert gas path that communicates a downstream side of the combustor in the exhaust gas path and an upstream side of the humidifier in the hydrogen supply path, a storage tank provided in the inert gas path, and the storage A booster (which can be referred to as a blower, a fan, or a blower) that is provided upstream of the tank and boosts the inert gas and supplies it to the storage tank, and controls the flow of hydrogen, oxygen, exhaust gas, and inert gas. And a control valve mechanism.

前記制御弁機構は、前記第一開閉弁と、前記第二開閉弁と、前記排ガス経路の前記不活性ガス経路との接続部より下流側に設ける第三開閉弁と、前記不活性ガス経路の前記昇圧機の上流側に設ける第四開閉弁と、前記不活性ガス経路の前記貯留タンクの下流側に設ける第五開閉弁と、前記第一酸素供給経路の開閉弁（第六開閉弁）と、前記不活性ガス経路および前記水素供給経路の接続部に設ける切替弁とを含んで構成される。前記切替弁は、好ましくは、一つの三方弁とするが、複数の開閉弁に代えることができる。また、第三開閉弁および前記第四開閉弁は、一つの三方弁とすることができる。前記各開閉弁は、好ましくは、電磁開閉弁（電磁弁）とする。   The control valve mechanism includes a first on-off valve, a second on-off valve, a third on-off valve provided on a downstream side of a connection portion between the exhaust gas path and the inert gas path, and the inert gas path. A fourth on-off valve provided on the upstream side of the booster, a fifth on-off valve provided on the downstream side of the storage tank of the inert gas path, and an on-off valve (sixth on-off valve) of the first oxygen supply path And a switching valve provided at a connection portion between the inert gas path and the hydrogen supply path. The switching valve is preferably a single three-way valve, but can be replaced with a plurality of on-off valves. The third on-off valve and the fourth on-off valve can be a single three-way valve. Each on-off valve is preferably an electromagnetic on-off valve (electromagnetic valve).

前記不活性ガス生成・貯留手段と前記残留ガスパージ手段は、制御手段により予め記憶した制御手順により制御される。前記制御手順は、前記燃料電池の運転制御手順と、前記燃料電池の停止制御手順と、プレパージ制御手順とを含んで構成される。前記運転制御手順には、前記貯留タンク内の圧力が設定値未満のとき実行される不活性ガス貯留運転制御手順と、前記貯留タンク内の圧力が設定値以上のとき実行される排ガス排出運転制御手順とを含む。   The inert gas generation / storage unit and the residual gas purge unit are controlled by a control procedure stored in advance by a control unit. The control procedure includes an operation control procedure for the fuel cell, a stop control procedure for the fuel cell, and a pre-purge control procedure. The operation control procedure includes an inert gas storage operation control procedure executed when the pressure in the storage tank is less than a set value, and an exhaust gas discharge operation control executed when the pressure in the storage tank is greater than or equal to a set value. Procedures.

前記不活性ガス貯留運転制御手順には、排ガスを前記燃焼器にて完全燃焼させる完全燃焼制御手順が含まれる。前記完全燃焼制御手順は、前記燃焼器を触媒とした場合、触媒出
口の排ガス温度を測定しながら空気の送風量を制御することができる。具体的には、水素を空気比=1で燃焼させるために必要な空気量は、水素1Nm3/hに対して、2.38Nm3/hとなる。水素流量当たりの発熱量及び空気量が一定であるので、触媒反応部での排ガスの温度上昇ΔTが一定となり、触媒出口の排ガス温度により空燃比を制御できる。空気比１で完全燃焼させる制御は、触媒出口の排ガス温度による制御以外にも可能であり、例えば、酸素濃度センサを用いることにより行うことができる。 The inert gas storage operation control procedure includes a complete combustion control procedure in which exhaust gas is completely burned in the combustor. In the complete combustion control procedure, when the combustor is used as a catalyst, the air blowing amount can be controlled while measuring the exhaust gas temperature at the catalyst outlet. Specifically, the amount of air necessary for burning hydrogen at an air ratio = 1 is 2.38 Nm 3 / h with respect to 1 Nm 3 / h of hydrogen. Since the heat generation amount and the air amount per hydrogen flow rate are constant, the temperature rise ΔT of the exhaust gas in the catalyst reaction section is constant, and the air-fuel ratio can be controlled by the exhaust gas temperature at the catalyst outlet. Control for complete combustion at an air ratio of 1 is possible in addition to control by the exhaust gas temperature at the catalyst outlet, and can be performed by using, for example, an oxygen concentration sensor.

以上説明した燃料電池システムの実施の形態は、つぎの燃料電池システムの残留ガスパージ方法の実施の形態を実現する。この燃料電池システムの残留ガスパージ方法の実施の形態は、水素と酸素の化学反応を利用して電気を取り出す燃料電池と、前記燃料電池へ水素を水素供給経路により供給する水素供給手段と、前記燃料電池へ酸素を酸素供給経路により供給する酸素供給手段とを備える燃料電池システムの残留ガスパージ方法であって、前記燃料電池の運転時の排ガスを完全燃焼させて不活性ガスを生成し、生成した不活性ガスを貯留タンクへ貯留する不活性ガス生成・貯留ステップと、前記燃料電池の停止後に、前記不活性ガス生成・貯留ステップにて前記貯留タンクに貯留した不活性ガスにより前記燃料電池および前記水素供給経路内に残留した残留ガスをパージするパージステップとを含む。   The embodiment of the fuel cell system described above realizes the following embodiment of the residual gas purging method for the fuel cell system. An embodiment of the residual gas purging method of the fuel cell system includes a fuel cell that takes out electricity using a chemical reaction between hydrogen and oxygen, a hydrogen supply means that supplies hydrogen to the fuel cell through a hydrogen supply path, and the fuel A residual gas purging method for a fuel cell system comprising oxygen supply means for supplying oxygen to the battery through an oxygen supply path, wherein the exhaust gas during operation of the fuel cell is completely burned to generate an inert gas, and Inert gas generation / storage step for storing active gas in a storage tank, and after stopping the fuel cell, the fuel cell and the hydrogen are generated by the inert gas stored in the storage tank in the inert gas generation / storage step. And a purging step for purging residual gas remaining in the supply path.

ついで、この発明の燃料電池システムの実施例１を図面に従い説明する。図１は、この発明の実施例１の概略構成を説明する説明図であり、図２は、同実施例１の制御手順を説明するフローチャート図であり、図３は、同実施例１の運転状態と構成要素の動作との関係を説明する図であり、図４〜図８は、同実施例１の異なる運転の状態を説明する概略構成図である。図４〜図８において、実線矢示は、気体の流れ方向を示し、弁の黒塗り部は当該部分を閉じていることを示している。   Next, Embodiment 1 of the fuel cell system of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining a schematic configuration of the first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a flowchart for explaining a control procedure of the first embodiment, and FIG. 3 is an operation of the first embodiment. It is a figure explaining the relationship between a state and operation | movement of a component, FIGS. 4-8 is a schematic block diagram explaining the state of the different driving | operation of the Example 1. FIG. 4-8, the solid line arrow shows the flow direction of gas, and has shown that the black coating part of the valve has closed the said part.

＜実施例１の構成＞
この実施例１の燃料電池システムは、水素と酸素の化学反応を利用して電気を取り出す固体高分子形燃料電池（以下、単に燃料電池という。）１と、燃料電池１へ水素を水素供給経路２により供給する水素供給手段３と、燃料電池１へ酸素を第一酸素供給経路４により供給する第一酸素供給手段５と、不活性ガス生成・貯留手段６と、残留ガスパージ手段７と、これらの手段を制御する制御手段としての制御器８とを主要部として備えている。 <Configuration of Example 1>
The fuel cell system according to the first embodiment includes a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter simply referred to as a fuel cell) 1 that takes out electricity using a chemical reaction between hydrogen and oxygen, and a hydrogen supply path for supplying hydrogen to the fuel cell 1. 2, a hydrogen supply means 3 supplied by 2, a first oxygen supply means 5 for supplying oxygen to the fuel cell 1 through a first oxygen supply path 4, an inert gas generation / storage means 6, a residual gas purge means 7, And a controller 8 as control means for controlling the above means.

燃料電池１は、公知のもので、イオン交換膜９を挟んで、酸素極１０と水素極１１とを備え、酸素極１０に酸化剤としての酸素を、水素極１１に還元剤としての水素を供給することにより発電する。イオン交換膜９の酸素極１０側および水素極１１側には、それぞれ電極触媒層１２，１３を形成している。   The fuel cell 1 is a known one, and includes an oxygen electrode 10 and a hydrogen electrode 11 with an ion exchange membrane 9 interposed therebetween, oxygen as an oxidizing agent in the oxygen electrode 10, and hydrogen as a reducing agent in the hydrogen electrode 11. It generates electricity by supplying it. Electrode catalyst layers 12 and 13 are formed on the oxygen electrode 10 side and the hydrogen electrode 11 side of the ion exchange membrane 9, respectively.

水素供給手段２は、その一端に、水素源１４が接続される。水素源１４は、説明を簡単にするために、ここでは純水素貯留ボンベとする。勿論、純水素ではなく、燃料ガスを改質器により改質して得られる水素ガスを用いることができる。   A hydrogen source 14 is connected to one end of the hydrogen supply means 2. The hydrogen source 14 is a pure hydrogen storage cylinder here for the sake of simplicity. Of course, hydrogen gas obtained by reforming the fuel gas with a reformer can be used instead of pure hydrogen.

そして、水素供給経路２には、第一電磁弁１５，流量調整弁１６，加湿器１７を設けている。第一電磁弁１５は、水素の供給、停止を制御するためものであり、流量調整弁１６は、水素の流量および不活性ガスの流量を調整するためのものである。加湿器１７は、イオン交換膜９を加湿するためのものである。この加湿器１７は、透湿膜式のものやヒータ加熱によるものやバブリング方式のものが採用されるが、制御器８により運転が制御される。   The hydrogen supply path 2 is provided with a first electromagnetic valve 15, a flow rate adjustment valve 16, and a humidifier 17. The first electromagnetic valve 15 is for controlling supply and stop of hydrogen, and the flow rate adjusting valve 16 is for adjusting the flow rate of hydrogen and the flow rate of inert gas. The humidifier 17 is for humidifying the ion exchange membrane 9. As the humidifier 17, a moisture permeable membrane type, a heater-heated type, or a bubbling type is adopted, but the operation is controlled by the controller 8.

水素極１１には、水素極１１で反応して生成される排ガスが流れる排ガス経路１８が接
続されている。 An exhaust gas path 18 through which exhaust gas generated by reaction at the hydrogen electrode 11 flows is connected to the hydrogen electrode 11.

第一酸素供給手段５は、第一酸素供給経路４を備えている。第一酸素供給経路４は、後記第二酸素供給経路２１の送風機２５と第二電磁弁２６の間から分岐して形成しているが、第二酸素供給経路２１から分岐することなく別経路とすることができる。   The first oxygen supply means 5 includes a first oxygen supply path 4. The first oxygen supply path 4 is formed by branching from between the blower 25 and the second electromagnetic valve 26 of the second oxygen supply path 21 to be described later. can do.

不活性ガス生成・貯留手段６は、燃料電池１の運転（発電）時に排ガス経路１８を通して排出される排ガスを触媒２４で完全燃焼させて不活性ガス化し、生成した不活性ガスを貯留タンク１９に貯留する手段である。   The inert gas generating / storing means 6 completely converts the exhaust gas discharged through the exhaust gas path 18 during the operation (power generation) of the fuel cell 1 into an inert gas by the catalyst 24, and the generated inert gas is stored in the storage tank 19. It is a means to store.

不活性ガス生成・貯留手段６は、水素供給手段３と、第一酸素供給手段５と、燃料電池１と、排ガス経路１８と、排ガス経路１８を流れる排ガスを完全燃焼させる完全燃焼手段６Ａと、完全燃焼して得られた不活性ガスを貯留タンク１９へ貯留する貯留手段６Ｂとを含んで構成されている。   The inert gas generation / storage unit 6 includes a hydrogen supply unit 3, a first oxygen supply unit 5, a fuel cell 1, an exhaust gas path 18, a complete combustion unit 6 </ b> A that completely combusts exhaust gas flowing through the exhaust gas path 18, The storage unit 6B stores the inert gas obtained by complete combustion in the storage tank 19.

完全燃焼手段６Ａは、排ガス経路１８へ第二酸素供給経路２２を通して酸素を供給する第二酸素供給手段２３と、酸素が供給された排ガスを燃焼させる燃焼器としての触媒２４とを含んでいる。第二酸素供給経路２２には、大気を押し込む送風機２５と第二電磁弁２６とを設けている。排ガス経路１８と第二酸素供給経路２２との合流部には、第二酸素供給経路２２を流れる大気を駆動源とするエゼクタ２７を設けている。   The complete combustion means 6A includes a second oxygen supply means 23 for supplying oxygen to the exhaust gas path 18 through the second oxygen supply path 22, and a catalyst 24 as a combustor for burning the exhaust gas supplied with oxygen. The second oxygen supply path 22 is provided with a blower 25 and a second electromagnetic valve 26 for pushing the atmosphere. An ejector 27 that uses the air flowing through the second oxygen supply path 22 as a drive source is provided at the junction of the exhaust gas path 18 and the second oxygen supply path 22.

また、排ガス経路１８の触媒２４の下流側には、熱交換器２８，脱水器２９を設けている。熱交換器２８は、触媒２４で燃焼した排ガスの温度を低減するためのものである。脱水器２９は、後流の機器のウォーターハンマーや腐食を防止するためのものである。排ガス経路１８の燃料電池１とエゼクタ２７との間にも脱水器３０を設けている。脱水器２９、３０は、サイクロン式のものや重力分離式ものなどが採用され、分離した水を排出する排出路（図示省略）に備えた弁（図示省略）の開閉が制御器８により制御される。   Further, a heat exchanger 28 and a dehydrator 29 are provided on the downstream side of the catalyst 24 in the exhaust gas path 18. The heat exchanger 28 is for reducing the temperature of the exhaust gas combusted by the catalyst 24. The dehydrator 29 is for preventing water hammer and corrosion of downstream equipment. A dehydrator 30 is also provided between the fuel cell 1 and the ejector 27 in the exhaust gas path 18. The dehydrators 29 and 30 are of a cyclone type or a gravity separation type, and the controller 8 controls the opening and closing of a valve (not shown) provided in a discharge path (not shown) for discharging the separated water. The

そして、完全燃焼手段６Ａは、制御器８による後記の完全燃焼制御手順により、触媒２４の下流側の排ガス温度を検出する温度センサ３１の検出信号に基づき、排ガス経路１８を流れる排ガス中に含まれる余剰水素を完全燃焼させるように、送風機２５による酸素供給量が制御される。   The complete combustion means 6A is included in the exhaust gas flowing through the exhaust gas path 18 based on the detection signal of the temperature sensor 31 that detects the exhaust gas temperature downstream of the catalyst 24 by the complete combustion control procedure described later by the controller 8. The amount of oxygen supplied by the blower 25 is controlled so that surplus hydrogen is completely combusted.

貯留手段６Ｂは、排ガス経路１８の脱水器２９下流側と水素供給経路２の加湿器１７上流側（具体的には流量調整弁１６の上流側）とを連絡する不活性ガス経路３２と、貯留タンク１９と、貯留タンク１９の上流側に設けられ不活性ガスを昇圧して貯留タンク１９へ供給する昇圧機３３と、酸素，水素，排ガスおよび不活性ガスの流れを制御する制御弁機構とを含んで構成される。   The storage means 6B includes an inert gas path 32 that communicates the downstream side of the dehydrator 29 of the exhaust gas path 18 and the upstream side of the humidifier 17 of the hydrogen supply path 2 (specifically, the upstream side of the flow rate adjustment valve 16), and storage. A tank 19, a booster 33 that is provided upstream of the storage tank 19 and boosts the inert gas to supply it to the storage tank 19; and a control valve mechanism that controls the flow of oxygen, hydrogen, exhaust gas, and inert gas. Consists of including.

前記制御弁機構は、第一電磁弁１５と、第二電磁弁２６と、排ガス経路１８の不活性ガス経路３２との接続部よりも下流側に設ける第三電磁弁３４と、不活性ガス経路３２の昇圧機３３の上流側に設ける第四電磁弁３５と、不活性ガス経路３２の貯留タンク１９の下流側に設ける第五電磁弁３６と、不活性ガス経路３２および水素供給経路２の接続部に設ける三方弁３７と、第一酸素供給経路４に設ける第六電磁弁３８とを含んで構成される。三方弁３７は、第一接続口３７Ａと第二接続口３７Ｂとを連通する水素供給位置（図４参照）と、第一接続口３７Ａと第三接続口３７Ｃとを連通接続する水素遮断位置（図６参照）とに切り替えられる。水素供給位置では、水素が水素供給経路２を流れることを許容するとともに、不活性ガス経路３２と燃料電池１とを連通を遮断する。また、水素遮断位置では、水素が水素供給経路２を流れることを遮断するとともに、不活性ガス経路３２と燃料電池１とを連通接続する。この弁制御機構は、制御器８により、運転状態（運転工程ま
たは運転ステージと称することができる。）に応じて、図３にように開閉が制御される。 The control valve mechanism includes a first electromagnetic valve 15, a second electromagnetic valve 26, a third electromagnetic valve 34 provided on the downstream side of a connection portion between the inert gas path 32 of the exhaust gas path 18, and an inert gas path. The fourth solenoid valve 35 provided on the upstream side of the booster 33 of 32, the fifth solenoid valve 36 provided on the downstream side of the storage tank 19 in the inert gas path 32, and the connection of the inert gas path 32 and the hydrogen supply path 2 The three-way valve 37 provided in the section and the sixth electromagnetic valve 38 provided in the first oxygen supply path 4 are configured. The three-way valve 37 includes a hydrogen supply position (see FIG. 4) for communicating the first connection port 37A and the second connection port 37B, and a hydrogen cutoff position (for connection between the first connection port 37A and the third connection port 37C). (See FIG. 6). At the hydrogen supply position, hydrogen is allowed to flow through the hydrogen supply path 2 and communication between the inert gas path 32 and the fuel cell 1 is blocked. Further, at the hydrogen cutoff position, hydrogen is blocked from flowing through the hydrogen supply path 2 and the inert gas path 32 and the fuel cell 1 are connected in communication. The valve control mechanism is controlled to be opened and closed as shown in FIG. 3 by the controller 8 in accordance with the operation state (which can be referred to as an operation process or an operation stage).

残留ガスパージ手段７は、燃料電池１の運転停止後に、貯留タンク１９に貯留した不活性ガスにより燃料電池１および水素供給経路２，排ガス経路１８内に残留した残留ガスをパージする手段である。   The residual gas purging means 7 is means for purging residual gas remaining in the fuel cell 1, the hydrogen supply path 2, and the exhaust gas path 18 with the inert gas stored in the storage tank 19 after the operation of the fuel cell 1 is stopped.

制御器８は、予め記憶した図２に示す制御手順により、図３のように前記制御弁機構を制御して、不活性ガス生成・貯留手段６と残留ガスパージ手段７などを制御する。制御器８の制御手順は、燃料電池１の運転制御手順と、燃料電池１の停止制御手順と、プレパージ制御手順とを含んで構成されている。運転制御手順には、貯留タンク１９内の圧力を検出する圧力センサ３９の検出値が設定値Ｐ０未満のとき（設定値Ｐ０よりディファレンシャル分ΔＰだけ低い値となると）実行される貯留運転制御手順と、貯留タンク１９内の圧力が設定値Ｐ０以上のとき実行される排ガス排出運転制御手順とを含む。   The controller 8 controls the control valve mechanism as shown in FIG. 3 according to the control procedure shown in FIG. 2 stored in advance, thereby controlling the inert gas generation / storage unit 6 and the residual gas purge unit 7. The control procedure of the controller 8 includes an operation control procedure for the fuel cell 1, a stop control procedure for the fuel cell 1, and a pre-purge control procedure. The operation control procedure includes a storage operation control procedure that is executed when the detected value of the pressure sensor 39 that detects the pressure in the storage tank 19 is less than the set value P0 (when the value becomes lower than the set value P0 by a differential amount ΔP), And an exhaust gas discharge operation control procedure executed when the pressure in the storage tank 19 is equal to or higher than the set value P0.

前記貯留運転制御手順には、排ガスを完全燃焼させる制御手順が含まれる。前記完全燃焼制御手順は、触媒２出口の排ガス温度上昇ΔＴが一定となるように送風機２５による送風量を制御するものである。   The storage operation control procedure includes a control procedure for completely burning the exhaust gas. The complete combustion control procedure controls the amount of air blown by the blower 25 so that the exhaust gas temperature rise ΔT at the outlet of the catalyst 2 is constant.

＜実施例１の動作＞
以上の構成を備える実施例１の動作を図面に基づき説明する。 <Operation of Example 1>
The operation of the first embodiment having the above configuration will be described with reference to the drawings.

（燃料電池の運転）
図２を参照して、処理ステップＳ１（以下、処理ステップＳＮは、単にＳＮと称する。）において、運転開始スイッチ（図示省略）が操作されたかどうかを判定する。ＹＥＳが判定されると、Ｓ２へ移行して、プレパージを行う。プレパージを行うには、貯留タンク１９内に不活性ガスが貯留されている必要がある。今、燃料電池１が運転され、貯留タンク１９内に不活性ガスが貯留されているものとする。なお、燃料電池１の最初の運転時には、貯留タンク１９内に不活性ガスが貯留されていないので、貯留タンク１９内に不活性ガスを補充しておく。Ｓ２の動作は、後で説明するとして、Ｓ３以降の説明を先に行う。 (Fuel cell operation)
Referring to FIG. 2, it is determined whether or not an operation start switch (not shown) is operated in process step S1 (hereinafter, process step SN is simply referred to as SN). If YES is determined, the process proceeds to S2 and pre-purge is performed. In order to perform the pre-purge, the inert gas needs to be stored in the storage tank 19. Now, it is assumed that the fuel cell 1 is operated and the inert gas is stored in the storage tank 19. During the initial operation of the fuel cell 1, since the inert gas is not stored in the storage tank 19, the inert gas is replenished in the storage tank 19. As the operation of S2 will be described later, the description after S3 will be given first.

Ｓ３では、貯留タンク１９内の圧力が設定値（Ｐ０−ΔＰ）以下かどうかを判定する。貯留タンク１９内の不活性ガスを用いてＳ２のプレパージが行われた後は、設定値（Ｐ０−ΔＰ）以下であるので、Ｓ３にてＹＥＳが判定される。するとＳ４へ移行して、Ｓ４の不活性ガス貯留運転が行われる。   In S3, it is determined whether or not the pressure in the storage tank 19 is equal to or lower than a set value (P0−ΔP). After the pre-purge of S2 is performed using the inert gas in the storage tank 19, it is equal to or less than the set value (P0−ΔP), so YES is determined in S3. Then, it transfers to S4 and the inert gas storage operation of S4 is performed.

（燃料電池運転−不活性ガス貯留運転）
Ｓ４では、図３に示すように、制御器８により、第一電磁弁１５：開放，第二電磁弁２６：開放，第三電磁弁３４：閉止，第四電磁弁３５：開放，第五電磁弁３６：閉止，第六電磁弁３８：開放，三方電磁弁３７：水素供給位置，送風機２５：運転，昇圧機３３：運転に制御される。この制御状態は、図４に示される。 (Fuel cell operation-inert gas storage operation)
In S4, as shown in FIG. 3, the controller 8 controls the first solenoid valve 15: opened, the second solenoid valve 26: opened, the third solenoid valve 34: closed, the fourth solenoid valve 35: opened, and the fifth solenoid. Valve 36: closed, sixth solenoid valve 38: open, three-way solenoid valve 37: hydrogen supply position, blower 25: operation, booster 33: operation. This control state is shown in FIG.

図４において、水素源１４からの水素は、第一電磁弁１５，三方電磁弁，流量調整弁１６を経て、加湿器１７で加湿されて、水素極１１へ供給される。一方、第二酸素経路２２の送風機２５により送風される空気が、第一酸素供給経路５の第六電磁弁３８を経て酸素極１０へ供給されて、燃料電池１にて、定格電圧を出力する。   In FIG. 4, hydrogen from a hydrogen source 14 is humidified by a humidifier 17 through a first electromagnetic valve 15, a three-way electromagnetic valve, and a flow rate adjustment valve 16, and is supplied to the hydrogen electrode 11. On the other hand, the air blown by the blower 25 in the second oxygen path 22 is supplied to the oxygen electrode 10 through the sixth electromagnetic valve 38 in the first oxygen supply path 5, and the fuel cell 1 outputs a rated voltage. .

この燃料電池１の運転時、水素極１１において余剰水素を含んだ排ガスが生成される。生成された排ガスは、送風機２５からの空気流を駆動源とするエゼクタ２７に吸引される。その結果、排ガスは、脱水器３０で脱水された後、触媒２４へ送られる。   During operation of the fuel cell 1, exhaust gas containing surplus hydrogen is generated at the hydrogen electrode 11. The generated exhaust gas is sucked into the ejector 27 using the air flow from the blower 25 as a drive source. As a result, the exhaust gas is dehydrated by the dehydrator 30 and then sent to the catalyst 24.

触媒２４では、排ガスに含まれる余剰水素が送風機２５から送られる空気により完全燃焼する。この完全燃焼は、触媒２４出口での空気比が1となるように、触媒燃焼により行われる。その結果、触媒２４出口での排ガスの組成比（体積比％）は、例えば、完全燃焼前において、窒素：55.07％，酸素：14.76％，アルゴン：0.65％，水素：29.52％であったものを、完全燃焼後には、窒素：98.83％，酸素：0.00％，アルゴン：1.17％，水素：0.00％とすることができる。この成分比から完全燃焼後の排ガスは、不活性ガスとして機能することが言える。   In the catalyst 24, surplus hydrogen contained in the exhaust gas is completely burned by the air sent from the blower 25. This complete combustion is performed by catalytic combustion so that the air ratio at the outlet of the catalyst 24 becomes 1. As a result, the composition ratio (volume ratio%) of the exhaust gas at the outlet of the catalyst 24 was, for example, nitrogen: 55.07%, oxygen: 14.76%, argon: 0.65%, hydrogen: 29.52% before complete combustion. After complete combustion, nitrogen: 98.83%, oxygen: 0.00%, argon: 1.17%, hydrogen: 0.00%. From this component ratio, it can be said that the exhaust gas after complete combustion functions as an inert gas.

不活性ガスとなった高温の排ガスは、熱交換器２８にて冷却され、脱水器２９にて脱水された後、昇圧機３３にて昇圧されて、貯留タンク１９に貯留される。   The high-temperature exhaust gas that has become an inert gas is cooled by the heat exchanger 28, dehydrated by the dehydrator 29, then pressurized by the booster 33, and stored in the storage tank 19.

ついで、Ｓ５にて、圧力センサ３９の検出圧力が設定以上となったかどうかが判定される。Ｓ５でＮＯが判定されると、Ｓ６で燃料電池の運転停止操作がなされたかどうかを判定し、Ｓ６でＮＯが判定されると、Ｓ４へ戻って、不活性ガス貯留運転が継続される。   Next, in S5, it is determined whether or not the pressure detected by the pressure sensor 39 is equal to or higher than a set value. If NO is determined in S5, it is determined whether a fuel cell operation stop operation has been performed in S6. If NO is determined in S6, the process returns to S4 and the inert gas storage operation is continued.

（燃料電池運転−排ガス排出運転）
Ｓ５で、ＹＥＳが判定されると、Ｓ７へ移行して、排ガス排出運転が行われる。Ｓ７では、図３に示すように、制御器８により、それまで閉止であった第三電磁弁３４が開放され、開放であった第四電磁弁３５が閉止されるとともに、昇圧機３３が停止される。その他の構成要素の制御は、Ｓ４と同様である。この制御状態は、図５に示される。 (Fuel cell operation-exhaust gas emission operation)
If YES is determined in S5, the process proceeds to S7, and the exhaust gas discharge operation is performed. In S7, as shown in FIG. 3, the controller 8 opens the third electromagnetic valve 34 that has been closed until then, closes the fourth electromagnetic valve 35 that has been opened, and stops the booster 33. Is done. The control of other components is the same as S4. This control state is shown in FIG.

図５を参照して、この排ガス排出運転では、触媒２４にて生成された不活性ガスは、第三電磁弁３４を備える排ガス経路１８を通して、燃料電池システム外へ排出される。Ｓ４で貯留された不活性ガスは、第四電磁弁３５と第五電磁弁３６の閉止により、貯留タンク１９内に密閉状態で貯留される。   Referring to FIG. 5, in this exhaust gas discharge operation, the inert gas generated by catalyst 24 is discharged out of the fuel cell system through exhaust gas path 18 including third electromagnetic valve 34. The inert gas stored in S4 is stored in a closed state in the storage tank 19 by closing the fourth electromagnetic valve 35 and the fifth electromagnetic valve 36.

（ポストパージ運転）
Ｓ６で、ＹＥＳが判定されると、Ｓ８へ移行して、ポストパージ運転が実行される。Ｓ８では、図３に示すように、制御器８により、第一電磁弁１５：閉止，第二電磁弁２６：閉止，第三電磁弁３４：開放，第四電磁弁３５：閉止，第五電磁弁３６：開放，第六電磁弁３８：開放，三方電磁弁３７：水素遮断位置，送風機２５：停止，昇圧機３３：停止に制御される。この制御状態は、図６に示される。この時、加湿器１７は運転し、触媒２４は運転停止である。 (Post-purge operation)
If YES is determined in S6, the process proceeds to S8, and the post-purge operation is performed. In S8, as shown in FIG. 3, the controller 8 controls the first solenoid valve 15: closed, the second solenoid valve 26: closed, the third solenoid valve 34: opened, the fourth solenoid valve 35: closed, and the fifth solenoid. The valve 36 is opened, the sixth solenoid valve 38 is opened, the three-way solenoid valve 37 is hydrogen shut off position, the blower 25 is stopped, and the booster 33 is stopped. This control state is shown in FIG. At this time, the humidifier 17 is operated, and the catalyst 24 is stopped.

このポストパージ運転では、貯留タンク１９に貯留された不活性ガスが、第五電磁弁３６，三方電磁弁３７，流量調整弁１６を経て燃料電池１の水素極１１へ供給される。その後、燃料電池１から排ガス経路１８を経てエゼクタ２７に至り、エゼクタ２７の下流側の排ガス経路１８を通して、システム外へ排出される。この不活性ガスの流れにより、水素供給経路２，燃料電池１の水素極１１，排ガス経路１８内に残留する余剰水素を含む残留ガスが速やかにパージされる。S４にて貯留タンク１９へ貯留する不活性ガス量は、ポストパージ運転とその後に行われるプレパージ運転に必要な不活性ガス量より十分大きい値にしておくことは言うまでもない。   In this post-purge operation, the inert gas stored in the storage tank 19 is supplied to the hydrogen electrode 11 of the fuel cell 1 through the fifth electromagnetic valve 36, the three-way electromagnetic valve 37, and the flow rate adjustment valve 16. Thereafter, the fuel cell 1 reaches the ejector 27 through the exhaust gas path 18, and is discharged out of the system through the exhaust gas path 18 on the downstream side of the ejector 27. Due to the flow of the inert gas, the residual gas containing surplus hydrogen remaining in the hydrogen supply path 2, the hydrogen electrode 11 of the fuel cell 1, and the exhaust gas path 18 is quickly purged. It goes without saying that the amount of inert gas stored in the storage tank 19 in S4 is set to a value sufficiently larger than the amount of inert gas necessary for the post-purge operation and the pre-purge operation performed thereafter.

（燃料電池の運転停止）
所定時間のポストパージ運転が行われた後、処理は、Ｓ９へ移行して、運転停止処理が行われる。Ｓ９では、図３に示すように、制御器８により、第一電磁弁１５：閉止，第二電磁弁２６：閉止，第三電磁弁３４：閉止，第四電磁弁３５：閉止，第五電磁弁３６：閉止（開放でもよい），第六電磁弁３８：閉止，三方電磁弁３７：水素遮断位置，送風機２５：停止，昇圧機３３：停止に制御される。この制御状態は、図７に示される。 (Fuel cell shutdown)
After the post purge operation for a predetermined time is performed, the process proceeds to S9, and the operation stop process is performed. In S9, as shown in FIG. 3, the controller 8 controls the first solenoid valve 15: closed, the second solenoid valve 26: closed, the third solenoid valve 34: closed, the fourth solenoid valve 35: closed, and the fifth solenoid. Valve 36: closed (may be opened), sixth solenoid valve 38: closed, three-way solenoid valve 37: hydrogen shut-off position, blower 25: stopped, booster 33: stopped. This control state is shown in FIG.

（プレパージ運転）
Ｓ９の運転停止後、Ｓ１でＹＥＳが判定されると、Ｓ２へ移行して、プレパージ運転が行われる。Ｓ２では、図３に示すように、制御器８により、第一電磁弁１５：閉止，第二電磁弁２６：閉止，第三電磁弁３４：閉止，第四電磁弁３５：開放，第五電磁弁３６：開放，第六電磁弁３８：開放，三方電磁弁３７：水素遮断位置，送風機２５：停止，昇圧機３３：運転に制御される。この制御状態は、図８に示される。この時、加湿器１７は運転し，触媒２４は運転停止である。 (Pre-purge operation)
After YES in S9, if YES is determined in S1, the process proceeds to S2 and a pre-purge operation is performed. In S2, as shown in FIG. 3, the controller 8 controls the first solenoid valve 15: closed, the second solenoid valve 26: closed, the third solenoid valve 34: closed, the fourth solenoid valve 35: opened, and the fifth solenoid. Valve 36: open, sixth solenoid valve 38: open, three-way solenoid valve 37: hydrogen shut off position, blower 25: stop, booster 33: controlled to run. This control state is shown in FIG. At this time, the humidifier 17 is operated and the catalyst 24 is stopped.

このプレパージ運転では、貯留タンク１９に貯留された不活性ガスが、第五電磁弁３６，三方電磁弁３７を経て、流量調整弁１６，加湿器１７を燃料電池１の水素極１１へ供給される。その後、燃料電池１から排ガス経路１８を経てエゼクタ２７に至り、エゼクタ２７の下流側の排ガス経路１８を流れ、その後、不活性ガス経路３２の第五電磁弁３５を経て、再び貯留タンク１９へ戻る。こうして、不活性ガスが加湿されながら昇圧機３３により循環して流れることになる。その結果、燃料電池１のイオン交換膜９を加湿状態とし、つぎのＳ４およびＳ７の燃料電池１の発電を効果的に行うことができる。   In this pre-purge operation, the inert gas stored in the storage tank 19 is supplied to the hydrogen electrode 11 of the fuel cell 1 through the fifth electromagnetic valve 36 and the three-way electromagnetic valve 37, and the flow regulating valve 16 and the humidifier 17. . Thereafter, the fuel cell 1 reaches the ejector 27 via the exhaust gas path 18, flows through the exhaust gas path 18 downstream of the ejector 27, and then returns to the storage tank 19 again via the fifth electromagnetic valve 35 of the inert gas path 32. . In this way, the inert gas is circulated by the booster 33 while being humidified. As a result, the ion exchange membrane 9 of the fuel cell 1 can be in a humidified state, and power generation of the fuel cell 1 in the next S4 and S7 can be performed effectively.

以上の実施例１によれば、燃料電池１の運転時に生じた排ガスを原料として不活性ガスを生成して貯留タンク１９に貯留し、その貯留した不活性ガスを用いて燃料電池１の運転停止時のポストパージを行うので、燃料電池１の運転停止時、速やかにシステムに残留する水素を含む残留ガスをパージすることができる。その結果、残留ガス中の水素が燃料電池１のイオン交換膜９を分解することによる燃料電池１の劣化が防止される。また、ポストパージ運転およびプレージ運転には、燃料電池１の運転時に生じた排ガスを原料として生成した不活性ガスを用いるので、ポストパージのために水素を余分に消費しないので、水素の消費量を低減できる。   According to the first embodiment described above, an inert gas is generated using the exhaust gas generated during operation of the fuel cell 1 as a raw material and stored in the storage tank 19, and the operation of the fuel cell 1 is stopped using the stored inert gas. Therefore, when the operation of the fuel cell 1 is stopped, the residual gas containing hydrogen remaining in the system can be quickly purged. As a result, hydrogen in the residual gas is prevented from degrading the fuel cell 1 due to decomposition of the ion exchange membrane 9 of the fuel cell 1. In addition, since the inert gas generated using the exhaust gas generated during the operation of the fuel cell 1 as a raw material is used for the post-purge operation and the purge operation, hydrogen is not consumed excessively for the post-purge. Can be reduced.

この発明は、前記実施例１に限定されるものではなく、種々変更可能であり、例えば、エゼクタ２７を用いることなく、脱水器３０の下流側に均圧弁（図示省略）を設けたものとすることができる。前記均圧弁は、流路（配管）の合流部で２流路を流れる流体の圧力を等しくする機能を有する弁で、図１でいえば、脱水器３０を設けた排ガス経路１８を流れる排ガスと、第二空気供給経路２２を流れる空気とを圧力を等しくして合流させることができる。   The present invention is not limited to the first embodiment and can be variously modified. For example, a pressure equalizing valve (not shown) is provided on the downstream side of the dehydrator 30 without using the ejector 27. be able to. The pressure equalizing valve is a valve having a function of equalizing the pressure of the fluid flowing through the two flow paths at the junction of the flow paths (piping). In FIG. 1, the exhaust gas flowing through the exhaust gas path 18 provided with the dehydrator 30 The air flowing through the second air supply path 22 can be merged with the same pressure.

１ 固体高分子形燃料電池（燃料電池）
２ 水素供給経路
３ 水素供給手段
４ 第一酸素供給経路（酸素供給経路）
５ 第一酸素供給手段（酸素供給手段）
６ 不活性ガス生成・貯留手段
７ 残留ガスパージ手段
８ 制御器（制御手段）
１９ 貯留タンク 1 Polymer electrolyte fuel cell (fuel cell)
2 Hydrogen supply path 3 Hydrogen supply means 4 First oxygen supply path (oxygen supply path)
5 First oxygen supply means (oxygen supply means)
6 Inert gas generation / storage means 7 Residual gas purging means 8 Controller (control means)
19 Storage tank

Claims (3)

水素と酸素の化学反応を利用して電気を取り出す燃料電池と、水素を水素供給経路により前記燃料電池へ供給する水素供給手段と、酸素を酸素供給経路により前記燃料電池へ供給する酸素供給手段とを備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池の運転時の排ガスを完全燃焼させて不活性ガスを生成し、生成した不活性ガスを貯留タンクに貯留する不活性ガス生成・貯留手段と、
前記燃料電池の停止後に、前記貯留タンクに貯留した不活性ガスにより前記燃料電池および前記水素供給経路内に残留した残留ガスをパージする残留ガスパージ手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell for extracting electricity using a chemical reaction between hydrogen and oxygen, a hydrogen supply means for supplying hydrogen to the fuel cell via a hydrogen supply path, and an oxygen supply means for supplying oxygen to the fuel cell via an oxygen supply path A fuel cell system comprising:
An inert gas generating and storing means for generating an inert gas by completely burning exhaust gas during operation of the fuel cell, and storing the generated inert gas in a storage tank;
A fuel cell system comprising: a residual gas purging unit that purges residual gas remaining in the fuel cell and the hydrogen supply path with an inert gas stored in the storage tank after the fuel cell is stopped. 前記燃料電池が固体高分子形燃料電池とされ、
前記水素供給経路の前記燃料電池上流側に加湿器を備え、
前記残留ガスパージ手段は、前記燃料電池の運転開始前に前記加湿器を作動させた状態で、前記不活性ガスタンクに貯留した不活性ガスを前記水素供給経路に流す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 fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell;
A humidifier is provided upstream of the fuel cell in the hydrogen supply path,
2. The residual gas purging unit flows the inert gas stored in the inert gas tank to the hydrogen supply path in a state where the humidifier is operated before the operation of the fuel cell is started. The fuel cell system described. 水素と酸素の化学反応を利用して電気を取り出す燃料電池と、水素を水素供給経路により前記燃料電池へ供給する水素供給手段と、酸素を酸素供給経路により前記燃料電池へ供給する酸素供給手段とを備える燃料電池システムの残留ガスパージ方法であって、
前記燃料電池の運転時の排ガスを完全燃焼させて不活性ガスを生成し、生成した不活性ガスを貯留タンクに貯留する不活性ガス生成・貯留ステップと、
前記燃料電池の停止後に、前記不活性ガス生成・貯留ステップにて前記貯留タンクに貯留した不活性ガスにより前記燃料電池および前記水素供給経路内に残留した残留ガスをパージするパージステップとを含むことを特徴とする燃料電池システムの残留ガスパージ方法。 A fuel cell for extracting electricity using a chemical reaction between hydrogen and oxygen, a hydrogen supply means for supplying hydrogen to the fuel cell via a hydrogen supply path, and an oxygen supply means for supplying oxygen to the fuel cell via an oxygen supply path A residual gas purging method for a fuel cell system comprising:
An inert gas generation / storage step of generating an inert gas by completely burning the exhaust gas during operation of the fuel cell, and storing the generated inert gas in a storage tank;
A purge step of purging residual gas remaining in the fuel cell and the hydrogen supply path with the inert gas stored in the storage tank in the inert gas generation / storage step after the fuel cell is stopped. A residual gas purging method for a fuel cell system.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2018200166A (en) * 2017-05-26 2018-12-20 三浦工業株式会社 Hydrogen combustion boiler
DE102020102719A1 (en) 2020-02-04 2021-08-05 Audi Aktiengesellschaft Method for inerting a tank container containing a fuel gas, a tank container and a fuel cell device with a tank container

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