JP2015056387A

JP2015056387A - Fuel cell system and method for operating the same

Info

Publication number: JP2015056387A
Application number: JP2013191107A
Authority: JP
Inventors: 統大神; Osamu Ogami; 章二安藤; Shoji Ando; 幸一郎宮田; Koichiro Miyata
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2013-09-13
Filing date: 2013-09-13
Publication date: 2015-03-23

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To efficiently perform prompt purge processing with a simple constitution and process.SOLUTION: A fuel cell system 10 includes a fuel cell 12, a control unit 20, an air supply passage 48, an air exhaust passage 56, a hydrogen supply passage 66, and an off-gas passage 76. A gas-liquid separator 78 is arranged in the off-gas passage 76, the gas-liquid separator being located further on an upstream than a circulation passage 80 to separate moisture contained in fuel exhaust gas. The gas-liquid separator 78 and the air exhaust passage 56 are connected by a water exhaust passage 86, and a water-containing fluid is led out from the gas-liquid separator 78 into the air exhaust passage 56 through a drain valve 88.

Description

本発明は、電解質膜を挟んで、カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備える燃料電池システム及びその運転方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between an oxidant gas supplied to a cathode side and a fuel gas supplied to an anode side with an electrolyte membrane interposed therebetween, and an operating method thereof.

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒（電極触媒層）と多孔質カーボン（ガス拡散層）とを有するアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されることにより、発電セルを構成している。通常、燃料電池では、発電セルを所定の数だけ積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。 For example, a solid polymer fuel cell employs a solid polymer electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane. This fuel cell has an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode electrode and a cathode electrode each having an electrode catalyst (electrode catalyst layer) and porous carbon (gas diffusion layer) are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane ( MEA). The electrolyte membrane / electrode structure constitutes a power generation cell by being sandwiched between separators (bipolar plates). Normally, in a fuel cell, a fuel cell stack in which a predetermined number of power generation cells are stacked is used as, for example, an in-vehicle fuel cell stack.

燃料電池では、特に燃料ガスを効率的且つ経済的に利用することが求められている。このため、燃料電池に供給されてアノード電極から排出された少なくとも一部が使用された燃料ガス（以下、燃料排ガスともいう）を、該燃料電池の外部で循環させる燃料ガス循環流路が採用されている。燃料排ガス中には、未使用の燃料ガスが含まれており、この未使用の燃料ガスを燃料電池に供給することにより、効率的に使用することができる。 In fuel cells, it is particularly required to use fuel gas efficiently and economically. For this reason, a fuel gas circulation passage that circulates the fuel gas (hereinafter also referred to as fuel exhaust gas) that is supplied to the fuel cell and discharged from the anode electrode is used outside the fuel cell. ing. The fuel exhaust gas contains unused fuel gas. By supplying this unused fuel gas to the fuel cell, it can be used efficiently.

ところで、燃料ガス循環流路では、燃料電池内を循環する燃料ガス中に不純物（窒素や二酸化炭素等）が混在し易く、前記不純物が電極反応面に付着して発電性能が低下するという問題がある。 By the way, in the fuel gas circulation passage, impurities (nitrogen, carbon dioxide, etc.) are likely to be mixed in the fuel gas circulating in the fuel cell, and the impurities adhere to the electrode reaction surface and the power generation performance is lowered. is there.

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池装置が知られている。この燃料電池装置では、燃料電池に水素を供給する水素供給管と、前記燃料電池から使用済みの水素を排出する水素排出管とが、循環ラインによって互いに接続されている。循環ラインには、パージバルブが配置されている。パージバルブは、通常、閉弁状態にされており、開弁時には、水素循環系内と大気とを連通し、前記水素循環系内のガスを放出するように構成されている。 Therefore, for example, a fuel cell device disclosed in Patent Document 1 is known. In this fuel cell apparatus, a hydrogen supply pipe for supplying hydrogen to the fuel cell and a hydrogen discharge pipe for discharging used hydrogen from the fuel cell are connected to each other by a circulation line. A purge valve is arranged in the circulation line. The purge valve is normally in a closed state, and when opened, the purge valve is configured to communicate with the atmosphere in the hydrogen circulation system and release the gas in the hydrogen circulation system.

そして、水素循環系内の水素濃度を検出し、前記水素濃度が所定状態から低下した際に、水素以外の不純物が蓄積されているとして、パージバルブを所定時間だけ開弁させてパージを行っている。しかしながら、水素循環系のパージ処理として、排出水素濃度を低く保持しつつ、パージバルブのみにより大気放出を行うと、パージ処理に相当の時間がかかるという問題がある。 Then, the hydrogen concentration in the hydrogen circulation system is detected, and purging is performed by opening the purge valve for a predetermined time, assuming that impurities other than hydrogen are accumulated when the hydrogen concentration drops from a predetermined state. . However, if the hydrogen circulation system is purged to the atmosphere only with a purge valve while keeping the exhaust hydrogen concentration low, there is a problem that the purge process takes a considerable amount of time.

そこで、例えば、特許文献２に開示されている燃料電池システムでは、燃料電池スタックの水素循環系に気液分離器を配置するとともに、前記気液分離器から希釈器が燃料ガス排出配管を介して接続されている。この希釈器には、燃料電池に供給された酸化剤ガスが酸化剤ガス排出配管を介して供給されている。このため、希釈器には、排出酸化剤ガスと排出燃料ガスとが混合した混合排ガスが導入されており、混合ガス中の水素が希釈されて水素濃度の低減が図られている。 Thus, for example, in the fuel cell system disclosed in Patent Document 2, a gas-liquid separator is disposed in the hydrogen circulation system of the fuel cell stack, and a diluter is connected from the gas-liquid separator via a fuel gas discharge pipe. It is connected. The diluter is supplied with the oxidant gas supplied to the fuel cell via the oxidant gas discharge pipe. For this reason, a mixed exhaust gas in which the exhaust oxidant gas and the exhaust fuel gas are mixed is introduced into the diluter, and hydrogen in the mixed gas is diluted to reduce the hydrogen concentration.

特開２０００−２４３４１７号公報JP 2000-243417 A 国際公開第２０１１／０４２９３２号パンフレットInternational Publication No. 2011/042932 Pamphlet

しかしながら、上記の特許文献２では、排出される水素と酸化剤ガスとを一旦貯留させて希釈するために、希釈器が必要になっている。このため、燃料電池システム全体が相当に大型化するとともに、コストが高騰して経済的ではないという問題がある。 However, in Patent Document 2 described above, a diluter is required to temporarily store and dilute the discharged hydrogen and the oxidant gas. For this reason, there is a problem that the entire fuel cell system is considerably increased in size, and the cost is increased, which is not economical.

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成及び工程で、迅速なパージ処理を効率的に遂行することが可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve this kind of problem, and to provide a fuel cell system capable of efficiently performing a rapid purge process with a simple configuration and process and an operation method thereof. To do.

本発明に係る燃料電池システムは、電解質膜を挟んで、カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池及び制御装置を備えている。 The fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell and a control device that generate electricity by an electrochemical reaction between an oxidant gas supplied to the cathode side and a fuel gas supplied to the anode side with the electrolyte membrane interposed therebetween.

燃料電池システムは、さらに酸化剤ガス供給流路、酸化剤排ガス排出流路、燃料ガス供給流路及び燃料排ガス排出流路を備えている。酸化剤ガス供給流路は、燃料電池に酸化剤ガスを供給する一方、酸化剤排ガス排出流路は、カソード側で少なくとも一部が使用された酸化剤ガスである酸化剤排ガスを、前記燃料電池から排出する。燃料ガス供給流路は、燃料電池に燃料ガスを供給する。一方、燃料排ガス排出流路は、アノード側で少なくとも一部が使用された燃料ガスである燃料排ガスを、前記燃料電池から導出するとともに、循環流路を介して前記燃料ガス供給流路に接続される一方、パージ弁を介して前記酸化剤排ガス排出流路に合流する。 The fuel cell system further includes an oxidant gas supply channel, an oxidant exhaust gas discharge channel, a fuel gas supply channel, and a fuel exhaust gas discharge channel. The oxidant gas supply channel supplies oxidant gas to the fuel cell, while the oxidant exhaust gas discharge channel supplies oxidant exhaust gas, which is an oxidant gas at least partially used on the cathode side, to the fuel cell. To discharge from. The fuel gas supply channel supplies fuel gas to the fuel cell. On the other hand, the fuel exhaust gas discharge passage is connected to the fuel gas supply passage through the circulation passage and leads out the fuel exhaust gas, which is the fuel gas at least partly used on the anode side, from the fuel cell. On the other hand, it joins the oxidant exhaust gas discharge passage through a purge valve.

この燃料電池システムは、燃料排ガス排出流路に、循環流路よりも上流に位置して配置され、燃料排ガスに含まれる水分を分離する気液分離部を備えている。燃料電池システムは、気液分離部と酸化剤排ガス排出流路とを接続し、ドレイン弁を介して前記気液分離部から前記酸化剤排ガス排出流路に水を含む流体を導出する排水流路を備えている。 This fuel cell system includes a gas-liquid separation unit that is disposed in the fuel exhaust gas discharge channel, upstream of the circulation channel, and separates moisture contained in the fuel exhaust gas. A fuel cell system connects a gas-liquid separation unit and an oxidant exhaust gas discharge channel, and drains a fluid containing water from the gas-liquid separation unit to the oxidant exhaust gas discharge channel via a drain valve It has.

この燃料電池システムでは、制御装置は、燃料電池の発電電流を検出する電流検出部と、前記燃料電池のアノード側循環系内の窒素濃度を推定する窒素濃度推定部とを有することが好ましい。制御装置は、検出された電流値に基づいて、供給される酸化剤ガス流量を把握する酸化剤ガス流量把握部を有することが好ましい。制御装置は、推定された窒素濃度と把握された酸化剤ガス流量とに基づいて、ドレイン弁の開弁時における酸化剤排ガス排出流路の燃料ガス濃度上昇の有無を判定する燃料ガス濃度上昇判定部を有することが好ましい。 In this fuel cell system, it is preferable that the control device includes a current detection unit that detects a generated current of the fuel cell and a nitrogen concentration estimation unit that estimates a nitrogen concentration in the anode-side circulation system of the fuel cell. It is preferable that the control device has an oxidant gas flow rate grasping unit that grasps the supplied oxidant gas flow rate based on the detected current value. The control device determines whether or not there is an increase in the fuel gas concentration in the oxidant exhaust gas discharge channel when the drain valve is open based on the estimated nitrogen concentration and the grasped oxidant gas flow rate. It is preferable to have a part.

そして、制御装置は、燃料ガス濃度上昇が無いと判定された際、ドレイン弁を開弁させて酸化剤排ガス排出流路に流体を排出可能にさせることが好ましい。 When it is determined that there is no increase in the fuel gas concentration, the control device preferably opens the drain valve so that the fluid can be discharged into the oxidant exhaust gas discharge passage.

さらに、この燃料電池システムでは、制御装置は、燃料電池の起動時におけるパージ処理が完了しているか否かを判定する起動パージ判定部を有することが好ましい。 Furthermore, in this fuel cell system, it is preferable that the control device has an activation purge determination unit that determines whether or not a purge process at the time of activation of the fuel cell is completed.

さらにまた、この燃料電池システムでは、制御装置は、燃料電池の前回停止時から今回起動時までの停止時間を検出する停止時間検出部を有することが好ましい。 Furthermore, in this fuel cell system, it is preferable that the control device has a stop time detection unit that detects a stop time from the previous stop of the fuel cell to the current start.

また、この燃料電池システムでは、制御装置は、燃料ガス供給流路の流体圧力を検出する燃料ガス圧力検出部と、酸化剤ガス供給流路の流体圧力を検出する酸化剤ガス圧力検出部とを有することが好ましい。 In this fuel cell system, the control device includes a fuel gas pressure detection unit that detects the fluid pressure in the fuel gas supply channel, and an oxidant gas pressure detection unit that detects the fluid pressure in the oxidant gas supply channel. It is preferable to have.

さらに、本発明に係る運転方法が適用される燃料電池システムは、燃料電池、酸化剤ガス供給流路、酸化剤排ガス排出流路、燃料ガス供給流路、燃料排ガス排出流路、気液分離部、排水流路及び制御装置を備えている。 Furthermore, the fuel cell system to which the operation method according to the present invention is applied includes a fuel cell, an oxidant gas supply channel, an oxidant exhaust gas discharge channel, a fuel gas supply channel, a fuel exhaust gas discharge channel, and a gas-liquid separation unit. A drainage channel and a control device.

この運転方法は、燃料電池の発電電流を検出する工程と、前記燃料電池のアノード側循環系内の窒素濃度を推定する工程と、検出された電流値に基づいて、供給される酸化剤ガス流量を把握する工程とを有している。この運転方法は、さらに推定された窒素濃度と把握された酸化剤ガス流量とに基づいて、ドレイン弁の開弁時における酸化剤排ガス排出流路の燃料ガス濃度上昇の有無を判定する工程を有している。この運転方法は、燃料ガス濃度上昇が無いと判定された際、ドレイン弁を開弁させて酸化剤排ガス排出流路に流体を排出可能にさせる工程を有している。 This operating method includes a step of detecting a power generation current of a fuel cell, a step of estimating a nitrogen concentration in the anode-side circulation system of the fuel cell, and a flow rate of an oxidant gas supplied based on the detected current value. The process of grasping. This operation method further includes a step of determining whether or not the fuel gas concentration in the oxidant exhaust gas discharge channel has increased when the drain valve is opened based on the estimated nitrogen concentration and the grasped oxidant gas flow rate. doing. This operation method has a step of allowing the fluid to be discharged into the oxidant exhaust gas discharge passage by opening the drain valve when it is determined that there is no increase in the fuel gas concentration.

さらにまた、この運転方法では、燃料電池の起動時におけるパージ処理が完了しているか否かを判定する工程を有し、前記パージ処理の完了判定が行われるまでは、ドレイン弁を開弁させて流体の排出を行うことが好ましい。 Furthermore, this operation method includes a step of determining whether or not the purge process at the start of the fuel cell is completed, and the drain valve is opened until the completion of the purge process is determined. It is preferable to discharge the fluid.

また、この運転方法では、燃料電池の前回停止時から今回起動時までの停止時間を検出する工程を有することが好ましい。検出された停止時間が、燃料電池のカソード側の燃料ガス濃度がパージ可能な規定濃度以下となる時間内であると判断された際、パージ処理の完了判定が行われるまで、ドレイン弁を開弁させて流体の排出を行うことが好ましい。 Further, this operation method preferably includes a step of detecting a stop time from the previous stop of the fuel cell to the current start. When it is determined that the detected stop time is within the time when the fuel gas concentration on the cathode side of the fuel cell is equal to or less than the purgeable specified concentration, the drain valve is opened until the completion of the purge process is determined. It is preferable to discharge the fluid.

さらに、この運転方法では、燃料ガス供給流路の流体圧力を検出する工程と、酸化剤ガス供給流路の流体圧力を検出する工程とを有することが好ましい。燃料ガス供給流路の流体圧力と酸化剤ガス供給流路の流体圧力との差圧が、電解質膜に損傷が惹起すると想定される差圧閾値よりも高いと判断された際、ドレイン弁を開弁させて流体排出を行うことが好ましい。 Furthermore, this operation method preferably includes a step of detecting the fluid pressure in the fuel gas supply channel and a step of detecting the fluid pressure in the oxidant gas supply channel. When it is determined that the differential pressure between the fluid pressure in the fuel gas supply channel and the fluid pressure in the oxidant gas supply channel is higher than the differential pressure threshold that is assumed to cause damage to the electrolyte membrane, the drain valve is opened. Preferably, the fluid is discharged by valve.

本発明によれば、燃料排ガス排出流路は、パージ弁を介して酸化剤排ガス排出流路に接続されるとともに、気液分離部と前記酸化剤排ガス排出流路とは、ドレイン弁を介装した排水流路により接続されている。このため、燃料排ガスを一旦貯留させて酸化剤排ガスにより希釈するための希釈器が不要になり、燃料電池システム全体の小型化及び簡素化が容易に図られる。 According to the present invention, the fuel exhaust gas discharge passage is connected to the oxidant exhaust gas discharge passage through the purge valve, and the gas-liquid separation unit and the oxidant exhaust gas discharge passage are provided with the drain valve. Connected by a drainage channel. For this reason, a diluter for temporarily storing the fuel exhaust gas and diluting the fuel exhaust gas with the oxidant exhaust gas becomes unnecessary, and the entire fuel cell system can be easily downsized and simplified.

しかも、例えば、酸化剤ガス流量が比較的多い場合には、パージ弁に代えて、又は、前記パージ弁と同時にドレイン弁を開弁させることができる。従って、パージ処理が迅速且つ確実に行われ、効率的なパージ処理が遂行可能になる。 Moreover, for example, when the flow rate of the oxidant gas is relatively large, the drain valve can be opened instead of the purge valve or simultaneously with the purge valve. Therefore, the purge process can be performed quickly and reliably, and an efficient purge process can be performed.

また、本発明の運転方法によれば、アノード側循環系内の窒素濃度を推定し、前記窒素濃度が高いと判断された際、すなわち、排出される燃料ガス量が少量であると判断された際、ドレイン弁が開弁されて酸化剤排ガス排出流路に流体が排出されている。これにより、カソード側への酸化剤ガスの供給量を増量させる必要がなく、排出される燃料ガス濃度を低く維持することができる。このため、簡単な構成及び工程で、迅速なパージ処理を効率的に遂行することが可能になるとともに、システム効率の向上と排出される燃料ガス濃度の抑制とを両立させることができる。 According to the operating method of the present invention, the nitrogen concentration in the anode-side circulation system is estimated, and when it is determined that the nitrogen concentration is high, that is, it is determined that the amount of discharged fuel gas is small. At this time, the drain valve is opened, and the fluid is discharged to the oxidant exhaust gas discharge passage. Thereby, it is not necessary to increase the supply amount of the oxidant gas to the cathode side, and the concentration of the discharged fuel gas can be kept low. For this reason, it is possible to efficiently perform a rapid purge process with a simple configuration and process, and to achieve both improvement in system efficiency and suppression of the concentration of discharged fuel gas.

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。1 is an explanatory diagram of a schematic configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 前記燃料電池システムを構成する制御装置の説明図である。It is explanatory drawing of the control apparatus which comprises the said fuel cell system. 膜透過係数の湿度による発電電流の説明図である。It is explanatory drawing of the electric power generation electric current by the humidity of a membrane permeability coefficient. 前記膜透過係数の温度による説明図である。It is explanatory drawing by the temperature of the said membrane permeability coefficient. 窒素透過量、空気流量及び排水量の変化によるパージ弁とドレイン弁との使用説明図である。It is use explanatory drawing of the purge valve and drain valve by the change of nitrogen permeation | transmission amount, an air flow rate, and the amount of drainage. 本発明の第１の実施形態に係る運転方法を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the driving | running method which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施形態に係る運転方法を説明するタイミングチャートである。It is a timing chart explaining the driving | running method which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. ソーク時間とカソード水素量との関係に応じた前記パージ弁と前記ドレイン弁との使用説明図である。It is use explanatory drawing of the said purge valve and the said drain valve according to the relationship between soak time and the amount of cathode hydrogen. 本発明の第３の実施形態に係る運転方法を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the driving | running method which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第４の実施形態に係る運転方法を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the driving | running method which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第５の実施形態に係る運転方法を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the driving | running method which concerns on the 5th Embodiment of this invention.

図１に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両（図示せず）に搭載される車載用燃料電池システムを構成する。 As shown in FIG. 1, a fuel cell system 10 according to an embodiment of the present invention constitutes an in-vehicle fuel cell system mounted on a fuel cell vehicle (not shown) such as a fuel cell electric vehicle.

燃料電池システム１０は、複数の燃料電池１２が積層される燃料電池スタック１４と、前記燃料電池スタック１４に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１６と、前記燃料電池スタック１４に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１８とを備える。燃料電池システム１０は、さらに燃料電池スタック１４に冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置（図示せず）と、前記燃料電池システム１０全体の制御を行う制御装置（ＥＣＵ）２０とを備える。 The fuel cell system 10 includes a fuel cell stack 14 in which a plurality of fuel cells 12 are stacked, an oxidant gas supply device 16 that supplies an oxidant gas to the fuel cell stack 14, and fuel gas to the fuel cell stack 14. And a fuel gas supply device 18 to be supplied. The fuel cell system 10 further includes a cooling medium supply device (not shown) that supplies a cooling medium to the fuel cell stack 14 and a control device (ECU) 20 that controls the entire fuel cell system 10.

燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体２４を第１セパレータ２６及び第２セパレータ２８で挟持する。第１セパレータ２６及び第２セパレータ２８は、金属セパレータ又はカーボンセパレータにより構成される。電解質膜・電極構造体２４は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３０と、前記固体高分子電解質膜３０を挟持するアノード電極３２及びカソード電極３４とを備える。固体高分子電解質膜３０は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。 In the fuel cell 12, the electrolyte membrane / electrode structure 24 is sandwiched between the first separator 26 and the second separator 28. The first separator 26 and the second separator 28 are constituted by a metal separator or a carbon separator. The electrolyte membrane / electrode structure 24 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 30 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and an anode electrode 32 and a cathode electrode 34 sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 30. Prepare. As the solid polymer electrolyte membrane 30, an HC (hydrocarbon) electrolyte is used in addition to the fluorine electrolyte.

第１セパレータ２６は、電解質膜・電極構造体２４との間に、アノード電極３２に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路３６を設ける。第２セパレータ２８は、電解質膜・電極構造体２４との間に、カソード電極３４に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路３８を設ける。互いに隣接する第１セパレータ２６と第２セパレータ２８との間には、冷却媒体を流通させるための冷却媒体流路４０が設けられる。 The first separator 26 is provided with a fuel gas flow path 36 for supplying fuel gas to the anode electrode 32 between the electrolyte membrane / electrode structure 24. The second separator 28 is provided with an oxidant gas flow path 38 for supplying an oxidant gas to the cathode electrode 34 between the electrolyte membrane / electrode structure 24. A cooling medium flow path 40 is provided between the first separator 26 and the second separator 28 adjacent to each other for circulating the cooling medium.

燃料電池スタック１４には、各燃料電池１２の積層方向に互いに連通して、燃料ガス入口連通孔４２ａ、燃料ガス出口連通孔４２ｂ、酸化剤ガス入口連通孔４４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔４４ｂが形成される。燃料ガス入口連通孔４２ａ及び燃料ガス出口連通孔４２ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガス（以下、水素ガスともいう）を流通させる。酸化剤ガス入口連通孔４４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔４４ｂは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（以下、空気ともいう）を流通させる。 The fuel cell stack 14 communicates with each other in the stacking direction of the fuel cells 12, and includes a fuel gas inlet communication hole 42a, a fuel gas outlet communication hole 42b, an oxidant gas inlet communication hole 44a, and an oxidant gas outlet communication hole 44b. It is formed. The fuel gas inlet communication hole 42a and the fuel gas outlet communication hole 42b allow a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas (hereinafter also referred to as hydrogen gas) to flow therethrough. The oxidant gas inlet communication hole 44a and the oxidant gas outlet communication hole 44b allow an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas (hereinafter also referred to as air) to flow therethrough.

酸化剤ガス供給装置１６は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ（コンプレッサ）４６を備え、前記エアポンプ４６が空気供給流路（酸化剤ガス供給流路）４８に配設される。空気供給流路４８は、エアポンプ４６の下流側に位置して加湿器５２及び入口封止弁５４ａを配設するとともに、燃料電池スタック１４の酸化剤ガス入口連通孔４４ａに連通する。空気供給流路４８は、燃料電池スタック１４に空気を供給する。 The oxidant gas supply device 16 includes an air pump (compressor) 46 that compresses and supplies air from the atmosphere, and the air pump 46 is disposed in an air supply channel (oxidant gas supply channel) 48. The air supply flow path 48 is located on the downstream side of the air pump 46 and is provided with a humidifier 52 and an inlet sealing valve 54 a and communicates with the oxidant gas inlet communication hole 44 a of the fuel cell stack 14. The air supply channel 48 supplies air to the fuel cell stack 14.

燃料電池スタック１４の酸化剤ガス出口連通孔４４ｂには、空気排出流路（酸化剤排ガス排出流路）５６が連通する。空気排出流路５６には、出口封止弁５４ｂ、加湿器５２及び背圧弁５８が配設される。空気供給流路４８と空気排出流路５６とには、加湿器５２とエアポンプ４６との間に位置してバイパス流路６０が接続される。バイパス流路６０には、バイパス弁６２が配置される。空気排出流路５６は、カソード電極３４で少なくとも一部が使用された酸化剤ガスである酸化剤排ガスを、燃料電池スタック１４から排出する。 An air discharge channel (oxidant exhaust gas discharge channel) 56 communicates with the oxidant gas outlet communication hole 44 b of the fuel cell stack 14. In the air discharge channel 56, an outlet sealing valve 54b, a humidifier 52 and a back pressure valve 58 are disposed. A bypass flow path 60 is connected to the air supply flow path 48 and the air discharge flow path 56 between the humidifier 52 and the air pump 46. A bypass valve 62 is disposed in the bypass channel 60. The air discharge channel 56 discharges the oxidant exhaust gas, which is the oxidant gas at least partially used in the cathode electrode 34, from the fuel cell stack 14.

燃料ガス供給装置１８は、高圧水素を貯留する水素タンク６４を備え、この水素タンク６４は、水素供給流路（燃料ガス供給流路）６６を介して燃料電池スタック１４の燃料ガス入口連通孔４２ａに連通する。水素供給流路６６は、燃料電池スタック１４に水素を供給する。 The fuel gas supply device 18 includes a hydrogen tank 64 that stores high-pressure hydrogen. The hydrogen tank 64 is connected to a fuel gas inlet communication hole 42 a of the fuel cell stack 14 via a hydrogen supply channel (fuel gas supply channel) 66. Communicate with. The hydrogen supply channel 66 supplies hydrogen to the fuel cell stack 14.

水素供給流路６６には、遮断弁６８及びエゼクタ７０が設けられるとともに、前記エゼクタ７０をバイパスするバイパス流路７２には、インジェクタ７４が設けられる。インジェクタ７４は、燃料ガスの流量調整、湿度調整及び温度調整に利用される。例えば、インジェクタ７４により未加湿の水素を供給することにより、湿度を下げることができる。 The hydrogen supply channel 66 is provided with a shut-off valve 68 and an ejector 70, and an injector 74 is provided in a bypass channel 72 that bypasses the ejector 70. The injector 74 is used for fuel gas flow rate adjustment, humidity adjustment, and temperature adjustment. For example, the humidity can be lowered by supplying unhumidified hydrogen by the injector 74.

燃料電池スタック１４の燃料ガス出口連通孔４２ｂには、オフガス流路（燃料排ガス排出流路）７６が連通する。オフガス流路７６は、アノード電極３２で少なくとも一部が使用された燃料ガスである燃料排ガスを、燃料電池スタック１４から導出する。このオフガス流路７６には、気液分離器（気液分離部）７８が接続されるとともに、前記気液分離器７８の下流から分岐する循環流路８０を介してエゼクタ７０が接続される。循環流路８０には、水素循環用の水素ポンプ８２が配設される。 An off gas passage (fuel exhaust gas discharge passage) 76 communicates with the fuel gas outlet communication hole 42 b of the fuel cell stack 14. The off-gas flow path 76 guides fuel exhaust gas, which is fuel gas at least partially used in the anode electrode 32, from the fuel cell stack 14. A gas-liquid separator (gas-liquid separator) 78 is connected to the off-gas channel 76, and an ejector 70 is connected via a circulation channel 80 branched from the downstream side of the gas-liquid separator 78. A hydrogen pump 82 for circulating hydrogen is disposed in the circulation channel 80.

オフガス流路７６には、循環流路８０の下流に位置してパージ弁８４が設けられるとともに、前記オフガス流路７６は、空気排出流路５６に、背圧弁５８の下流に位置して合流される。 The off-gas channel 76 is provided with a purge valve 84 positioned downstream of the circulation channel 80, and the off-gas channel 76 is joined to the air discharge channel 56 and positioned downstream of the back pressure valve 58. The

気液分離器７８の底部には、主に液体成分を含む流体を排出する排水流路８６が設けられる。排水流路８６は、ドレイン弁８８を配設するとともに、オフガス流路７６に、パージ弁８４の下流に位置して接続される。排水流路８６は、空気排出流路５６に接続されていればよく、前記空気排出流路５６に、背圧弁５８の下流に位置して直接合流してもよい。ドレイン弁８８の開弁時の開口径（開口断面積）は、パージ弁８４の開弁時の開口径（開口断面積）よりも大径に（大きく）設定される。なお、上記とは逆に、パージ弁８４の開弁時の開口径（開口断面積）は、ドレイン弁８８の開弁時の開口径（開口断面積）よりも大径に（大きく）設定することも可能である。 At the bottom of the gas-liquid separator 78, a drainage channel 86 for discharging a fluid mainly containing a liquid component is provided. The drain passage 86 is provided with a drain valve 88 and is connected to the off gas passage 76 at a position downstream of the purge valve 84. The drainage flow path 86 only needs to be connected to the air discharge flow path 56, and may be directly joined to the air discharge flow path 56 located downstream of the back pressure valve 58. The opening diameter (opening cross-sectional area) when the drain valve 88 is opened is set larger (larger) than the opening diameter (opening cross-sectional area) when the purge valve 84 is opened. Contrary to the above, the opening diameter (opening cross-sectional area) when the purge valve 84 is opened is set larger (larger) than the opening diameter (opening cross-sectional area) when the drain valve 88 is opened. It is also possible.

空気供給流路４８には、燃料電池スタック１４に供給される空気圧力（流体圧力）を測定するためのカソード側圧力センサ９０ａが配設される。水素供給流路６６には、燃料電池スタック１４に供給される水素圧力（流体圧力）を測定するためのアノード側圧力センサ９０ｂが配設される。燃料電池スタック１４には、発電電流を測定するための電流センサ９２が配設される。なお、燃料電池スタック１４の発電電流は、電流センサ９２に代えて、電圧センサ（図示せず）から得られる電圧に基づいて電流を検出してもよく、又は、他の方式で電流を把握することもできる。 A cathode-side pressure sensor 90 a for measuring the air pressure (fluid pressure) supplied to the fuel cell stack 14 is disposed in the air supply channel 48. An anode-side pressure sensor 90 b for measuring the hydrogen pressure (fluid pressure) supplied to the fuel cell stack 14 is disposed in the hydrogen supply channel 66. The fuel cell stack 14 is provided with a current sensor 92 for measuring the generated current. The generated current of the fuel cell stack 14 may be detected based on a voltage obtained from a voltage sensor (not shown) instead of the current sensor 92, or the current may be grasped by another method. You can also

制御装置２０は、図２に示すように、燃料電池スタック１４の発電電流を検出する電流検出部１００と、前記燃料電池スタック１４のアノード側循環系内の窒素濃度を推定する窒素濃度推定部１０２とを有する。 As shown in FIG. 2, the control device 20 includes a current detection unit 100 that detects the generated current of the fuel cell stack 14 and a nitrogen concentration estimation unit 102 that estimates the nitrogen concentration in the anode-side circulation system of the fuel cell stack 14. And have.

制御装置２０は、さらに流量センサ（図示せず）を用いて、供給される酸化剤ガス流量を把握する空気流量把握部（酸化剤ガス流量把握部）１０４を有する。制御装置２０は、推定された窒素濃度と把握された酸化剤ガス流量とに基づいて、ドレイン弁８８の開弁時における空気排出流路５６の水素濃度（燃料ガス濃度）上昇（の可能性）の有無を判定する水素濃度上昇判定部（燃料ガス濃度上昇判定部）１０６を有する。 The control device 20 further includes an air flow rate grasping unit (oxidant gas flow rate grasping unit) 104 that grasps the supplied oxidant gas flow rate using a flow rate sensor (not shown). Based on the estimated nitrogen concentration and the grasped oxidant gas flow rate, the control device 20 increases (possibility of) an increase in the hydrogen concentration (fuel gas concentration) in the air discharge channel 56 when the drain valve 88 is opened. A hydrogen concentration increase determination unit (fuel gas concentration increase determination unit) 106 that determines the presence or absence of fuel.

制御装置２０は、さらに燃料電池スタック１４の起動時におけるパージ処理が完了しているか否かを判定する起動パージ判定部１０８を有する。制御装置２０は、燃料電池スタック１４の前回停止時から今回起動時までの停止時間を検出する停止時間検出部１１０を有する。制御装置２０は、水素供給流路６６の水素圧力を検出する水素圧力検出部（燃料ガス圧力検出部）１１２と、空気供給流路４８の空気圧力を検出する空気圧力検出部（酸化剤ガス圧力検出部）１１４とを有する。 The control device 20 further includes an activation purge determination unit 108 that determines whether or not the purge process at the activation of the fuel cell stack 14 is completed. The control device 20 includes a stop time detection unit 110 that detects a stop time from the previous stop of the fuel cell stack 14 to the current start. The control device 20 includes a hydrogen pressure detection unit (fuel gas pressure detection unit) 112 that detects the hydrogen pressure in the hydrogen supply channel 66 and an air pressure detection unit (oxidant gas pressure) that detects the air pressure in the air supply channel 48. Detection section) 114.

電流検出部１００は、燃料電池スタック１４に設けられている電流センサ９２からの検出信号に基づいて電流検出を行う。 The current detection unit 100 performs current detection based on a detection signal from a current sensor 92 provided in the fuel cell stack 14.

窒素濃度推定部１０２は、以下のようにして、アノード側循環系内の窒素濃度を推定する。アノード側窒素（Ｎ₂）量＝前回アノード側窒素（Ｎ₂）量＋膜透過窒素（Ｎ₂）量−パージ排出窒素（Ｎ₂）量から求められる。前回アノード側窒素（Ｎ₂）量は、前回推定されたアノード側循環系内の窒素量である。 The nitrogen concentration estimation unit 102 estimates the nitrogen concentration in the anode-side circulation system as follows. Anode side nitrogen (N ₂ ) amount = previous anode side nitrogen (N ₂ ) amount + membrane permeation nitrogen (N ₂ ) amount−purge exhaust nitrogen (N ₂ ) amount. The previous amount of nitrogen (N ₂ ) on the anode side is the amount of nitrogen in the anode-side circulation system estimated last time.

膜透過窒素（Ｎ₂）量は、固体高分子電解質膜３０をカソード側からアノード側に透過する窒素量であり、膜透過窒素（Ｎ₂）量＝膜透過係数×｛カソード側窒素（Ｎ₂）分圧−アノード側窒素（Ｎ₂）分圧）｝から算出することができる。膜透過係数は、燃料電池スタック１４の温度と直近のインピーダンス測定値によるマップに基づいて、算出される。又は、膜透過係数は、燃料電池スタック１４の発電電流と直近のインピーダンス測定値によるマップに基づいて、算出してもよい。 The amount of nitrogen permeating through the membrane (N ₂ ) is the amount of nitrogen permeating the solid polymer electrolyte membrane 30 from the cathode side to the anode side, and the amount of membrane permeating nitrogen (N ₂ ) = membrane permeation coefficient × {cathode side nitrogen (N ₂₎ ) Partial pressure−anode side nitrogen (N ₂ ) partial pressure)}. The membrane permeability coefficient is calculated based on a map based on the temperature of the fuel cell stack 14 and the latest impedance measurement value. Alternatively, the membrane permeability coefficient may be calculated based on a map based on the generated current of the fuel cell stack 14 and the latest impedance measurement value.

さらに、パージ排出窒素（Ｎ₂）量は、燃料電池スタック１４をパージする際に排出される窒素量であり、パージ排出窒素（Ｎ₂）量＝パージ排出量（１００％水素と仮定）÷√（平均分子量÷２）×Ｎ₂濃度から求められる。 Further, the purge exhaust nitrogen (N ₂ ) amount is the amount of nitrogen exhausted when purging the fuel cell stack 14, and the purge exhaust nitrogen (N ₂ ) amount = the purge exhaust amount (assuming 100% hydrogen) ÷ √ It is obtained from (average molecular weight ÷ 2) × N ₂ concentration.

また、膜透過係数は、湿度及び温度に依存している。図３に示すように、発電条件が乾燥状態のときには、膜透過係数が低くなり、発電電流に対する窒素の透過量が低下する。また、図４に示すように、膜透過係数は、温度が低い程、低下しており、低温での窒素の透過量が減少する。 Further, the membrane permeability coefficient depends on humidity and temperature. As shown in FIG. 3, when the power generation condition is in a dry state, the membrane permeability coefficient is low, and the amount of nitrogen permeated with respect to the generated current is reduced. Further, as shown in FIG. 4, the membrane permeability coefficient decreases as the temperature decreases, and the amount of nitrogen permeation at a low temperature decreases.

図５に示すように、パージ弁８４及びドレイン弁８８の使用状態は、窒素透過量、空気流量及び排水量に基づいて設定される。窒素透過量、空気流量及び排水量が、相当に少量（ほとんど排水量がゼロの場合も含む）の際には、排出される水素濃度が高くなり易いため、ドレイン弁８８の開弁を禁止し、パージ弁８４のみが使用される。 As shown in FIG. 5, the use state of the purge valve 84 and the drain valve 88 is set based on the nitrogen permeation amount, the air flow rate, and the drainage amount. When the nitrogen permeation amount, the air flow rate, and the drainage amount are considerably small (including the case where the drainage amount is almost zero), the hydrogen concentration to be discharged tends to be high, so that the drain valve 88 is prohibited from being opened and purged. Only valve 84 is used.

窒素透過量、空気流量及び排水量が、比較的少量の場合には、パージ弁８４又はドレイン弁８８のいずれか一方のみが使用される。パージ弁８４及びドレイン弁８８の同時使用により、排出される水素によって水素濃度が上昇することを阻止するためである。さらに、窒素透過量、空気流量及び排水量が、比較的多量になる場合には、排出される水素の濃度の上昇が懸念されず、パージ弁８４及びドレイン弁８８を同時に使用することが可能な状態となる。 When the nitrogen permeation amount, the air flow rate, and the drainage amount are relatively small, only one of the purge valve 84 or the drain valve 88 is used. This is because the simultaneous use of the purge valve 84 and the drain valve 88 prevents the hydrogen concentration from increasing due to the discharged hydrogen. Furthermore, when the nitrogen permeation amount, the air flow rate, and the drainage amount are relatively large, there is no concern about an increase in the concentration of discharged hydrogen, and the purge valve 84 and the drain valve 88 can be used simultaneously. It becomes.

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。 The operation of the fuel cell system 10 configured as described above will be described below.

図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１６を構成するエアポンプ４６を介して、空気供給流路４８に酸化剤ガス（空気）が送られる。この酸化剤ガスは、加湿器５２を通って加湿された後、燃料電池スタック１４の酸化剤ガス入口連通孔４４ａに供給される。 As shown in FIG. 1, the oxidant gas (air) is sent to the air supply flow path 48 via the air pump 46 constituting the oxidant gas supply device 16. The oxidant gas is humidified through the humidifier 52 and then supplied to the oxidant gas inlet communication hole 44 a of the fuel cell stack 14.

一方、燃料ガス供給装置１８では、遮断弁６８の開放作用下に、水素タンク６４から水素供給流路６６に燃料ガス（水素ガス）が供給される。この燃料ガスは、エゼクタ７０を通った後、燃料電池スタック１４の燃料ガス入口連通孔４２ａに供給される。 On the other hand, in the fuel gas supply device 18, the fuel gas (hydrogen gas) is supplied from the hydrogen tank 64 to the hydrogen supply channel 66 under the opening action of the shutoff valve 68. The fuel gas passes through the ejector 70 and is then supplied to the fuel gas inlet communication hole 42 a of the fuel cell stack 14.

酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔４４ａから第２セパレータ２８の酸化剤ガス流路３８に導入され、電解質膜・電極構造体２４のカソード電極３４に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔４２ａから第１セパレータ２６の燃料ガス流路３６に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路３６に沿って移動し、電解質膜・電極構造体２４のアノード電極３２に供給される。 The oxidant gas is introduced from the oxidant gas inlet communication hole 44 a into the oxidant gas flow path 38 of the second separator 28 and supplied to the cathode electrode 34 of the electrolyte membrane / electrode structure 24. On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel gas flow path 36 of the first separator 26 from the fuel gas inlet communication hole 42a. The fuel gas moves along the fuel gas flow path 36 and is supplied to the anode electrode 32 of the electrolyte membrane / electrode structure 24.

従って、各電解質膜・電極構造体２４では、カソード電極３４に供給される酸化剤ガスと、アノード電極３２に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。なお、冷却媒体流路４０には、図示しない冷却媒体供給装置から冷却媒体が供給される。 Therefore, in each electrolyte membrane / electrode structure 24, the oxidant gas supplied to the cathode electrode 34 and the fuel gas supplied to the anode electrode 32 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layer to generate power. Done. The cooling medium flow path 40 is supplied with a cooling medium from a cooling medium supply device (not shown).

次いで、カソード電極３４に供給されて一部が消費された酸化剤ガスである酸化剤排ガスは、酸化剤ガス出口連通孔４４ｂから空気排出流路５６に排出される。酸化剤排ガスは、加湿器５２を通って新たな酸化剤ガスを加湿した後、背圧弁５８の設定圧力に昇圧された後、外部に排出される。 Next, the oxidant exhaust gas, which is the oxidant gas supplied to the cathode electrode 34 and partially consumed, is discharged from the oxidant gas outlet communication hole 44 b to the air discharge channel 56. The oxidant exhaust gas is humidified with a new oxidant gas through the humidifier 52, then boosted to the set pressure of the back pressure valve 58, and then discharged to the outside.

同様に、アノード電極３２に供給されて一部が消費された燃料ガスである燃料排ガスは、燃料ガス出口連通孔４２ｂからオフガス流路７６に排出される。燃料排ガスは、オフガス流路７６から気液分離器７８に導入され、液状水分が除去された後、循環流路８０を介してエゼクタ７０に吸引される。 Similarly, the fuel exhaust gas, which is the fuel gas that is supplied to the anode electrode 32 and partially consumed, is discharged from the fuel gas outlet communication hole 42 b to the off-gas passage 76. The fuel exhaust gas is introduced into the gas-liquid separator 78 from the off-gas channel 76, and after the liquid water is removed, the fuel exhaust gas is sucked into the ejector 70 through the circulation channel 80.

次いで、本発明の第１の実施形態に係る運転方法について、図６に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。 Next, an operation method according to the first embodiment of the present invention will be described below along the flowchart shown in FIG.

制御装置２０では、電流センサ９２からの検出信号に基づいて、電流検出部１００により燃料電池スタック１４の発電電流が検出される。一方、窒素濃度推定部１０２は、燃料電池スタック１４のアノード側循環系内の窒素濃度を推定する。そして、空気流量把握部１０４は、流量センサ（図示せず）を用いて、供給される空気流量を把握する。さらに、水素濃度上昇判定部１０６は、推定された窒素濃度と把握された空気流量とに基づいて、ドレイン弁８８の開弁時における空気排出流路５６の水素濃度上昇（の可能性）の有無を判定する。 In the control device 20, the generated current of the fuel cell stack 14 is detected by the current detection unit 100 based on the detection signal from the current sensor 92. On the other hand, the nitrogen concentration estimation unit 102 estimates the nitrogen concentration in the anode-side circulation system of the fuel cell stack 14. The air flow rate grasping unit 104 grasps the supplied air flow rate using a flow rate sensor (not shown). Further, the hydrogen concentration increase determination unit 106 determines whether or not there is an increase (possibility) of the hydrogen concentration in the air discharge channel 56 when the drain valve 88 is opened based on the estimated nitrogen concentration and the grasped air flow rate. Determine.

具体的には、パージ弁８４の開口径よりも大径な開口径を有するドレイン弁８８のみが開弁された際に、空気排出流路５６の水素濃度上昇の可能性が無いと判定される空気流量を下限閾値に設定する。一方、ドレイン弁８８とパージ弁８４とを同時に開弁させた際に、空気排出流路５６の水素濃度上昇の可能性が無いと判定される空気流量を上限閾値に設定する。 Specifically, when only the drain valve 88 having an opening diameter larger than the opening diameter of the purge valve 84 is opened, it is determined that there is no possibility of an increase in the hydrogen concentration in the air discharge channel 56. Set the air flow rate to the lower threshold. On the other hand, when the drain valve 88 and the purge valve 84 are simultaneously opened, the air flow rate determined that there is no possibility of an increase in the hydrogen concentration in the air discharge passage 56 is set as the upper limit threshold value.

そこで、ステップＳ１では、推定された窒素濃度が大きく、排出される水素濃度が上昇し難いと判定されるとともに、空気流量が上限閾値を超えていると判断されると（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２に進む。 Therefore, in step S1, when it is determined that the estimated nitrogen concentration is large and the discharged hydrogen concentration is difficult to increase, and it is determined that the air flow rate exceeds the upper limit threshold value (YES in step S1). The process proceeds to step S2.

ステップＳ２では、パージ弁８４とドレイン弁８８とが、同時に使用可能な状態に操作される。このため、燃料電池スタック１４のパージ処理時に、アノード系から排出される流体は、パージ弁８４を通過するとともに、気液分離器７８からドレイン弁８８を介して空気排出流路５６に排出される。従って、酸化剤ガス供給装置１６による空気増量を行う必要がなく、パージ処理が有効に促進される。 In step S2, the purge valve 84 and the drain valve 88 are operated to be usable at the same time. Therefore, when the fuel cell stack 14 is purged, the fluid discharged from the anode system passes through the purge valve 84 and is discharged from the gas-liquid separator 78 to the air discharge channel 56 via the drain valve 88. . Therefore, it is not necessary to increase the air amount by the oxidant gas supply device 16, and the purge process is effectively promoted.

一方、ステップＳ１において、窒素濃度が低く、又は空気流量が上限閾値以下であると判断されると（ステップＳ１中、ＮＯ）、ステップＳ３に進む。ステップＳ３では、窒素濃度が大きく、且つ空気流量が下限閾値を超えていると判断されると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進む。 On the other hand, if it is determined in step S1 that the nitrogen concentration is low or the air flow rate is equal to or lower than the upper limit threshold value (NO in step S1), the process proceeds to step S3. In step S3, if it is determined that the nitrogen concentration is high and the air flow rate exceeds the lower limit threshold value (YES in step S3), the process proceeds to step S4.

ステップＳ４では、パージ弁８４又はドレイン弁８８の一方のみが使用可能となる。これにより、パージ弁８４よりも開口径の大きなドレイン弁８８を用いることができ、パージ効率の向上が図られるとともに、パージを迅速に完了させることが可能になる。 In step S4, only one of the purge valve 84 or the drain valve 88 can be used. As a result, the drain valve 88 having a larger opening diameter than the purge valve 84 can be used, so that the purge efficiency can be improved and the purge can be completed quickly.

また、ステップＳ３において、窒素濃度が低く、又は空気流量が下限閾値以下であると判断されると（ステップＳ３中、ＮＯ）、ステップＳ５に進む。このステップＳ５では、排出される水素濃度が高くなると推定されるため、パージ弁８４のみが使用され、空気排出流路５６に排出される水素量の低減が図られる。 If it is determined in step S3 that the nitrogen concentration is low or the air flow rate is equal to or lower than the lower limit threshold (NO in step S3), the process proceeds to step S5. In this step S5, it is presumed that the concentration of discharged hydrogen becomes high, so that only the purge valve 84 is used, and the amount of hydrogen discharged to the air discharge passage 56 is reduced.

この場合、燃料電池システム１０では、オフガス流路７６は、パージ弁８４を介して空気排出流路５６に接続されるとともに、気液分離器７８と前記空気排出流路５６とは、ドレイン弁８８を介装した排水流路８６により接続されている。このため、燃料排ガスを一旦貯留させて酸化剤排ガスにより希釈するための希釈器が不要になり、燃料電池システム１０全体の小型化及び簡素化が容易に図られる。 In this case, in the fuel cell system 10, the off gas passage 76 is connected to the air discharge passage 56 via the purge valve 84, and the gas-liquid separator 78 and the air discharge passage 56 are connected to the drain valve 88. It is connected by a drainage flow path 86 interposing. For this reason, a diluter for temporarily storing the fuel exhaust gas and diluting the fuel exhaust gas with the oxidant exhaust gas becomes unnecessary, and the entire fuel cell system 10 can be easily reduced in size and simplified.

しかも、例えば、空気流量が比較的多い場合には、パージ弁８４に代えて又は前記パージ弁８４と同時に、ドレイン弁８８を開弁させることができる。従って、パージ処理が迅速且つ確実に行われ、効率的なパージ処理が遂行可能になる。 Moreover, for example, when the air flow rate is relatively large, the drain valve 88 can be opened instead of or simultaneously with the purge valve 84. Therefore, the purge process can be performed quickly and reliably, and an efficient purge process can be performed.

さらに、第１の実施形態に係る運転方法では、アノード側循環系内の窒素濃度が推定され、前記窒素濃度が高いと判断された際、すなわち、空気排出流路５６に排出される水素量が少量であって、水素濃度上昇が無いと判断された際、ドレイン弁８８が開弁されている。これにより、カソード側への空気の供給量を上昇させる必要がなく、排出される水素濃度を低く維持することができる。このため、簡単な構成及び工程で、迅速なパージ処理が効率的に遂行されるとともに、システム効率の向上と、排出される水素濃度の抑制とを、両立させることが可能になるという効果が得られる。 Furthermore, in the operation method according to the first embodiment, the nitrogen concentration in the anode-side circulation system is estimated, and when it is determined that the nitrogen concentration is high, that is, the amount of hydrogen discharged into the air discharge channel 56 is When it is determined that the amount of hydrogen is small and there is no increase in the hydrogen concentration, the drain valve 88 is opened. Thereby, it is not necessary to increase the supply amount of air to the cathode side, and the discharged hydrogen concentration can be kept low. For this reason, with a simple configuration and process, a rapid purge process can be efficiently performed, and it is possible to achieve both improvement in system efficiency and suppression of discharged hydrogen concentration. It is done.

次いで、図７には、燃料電池システム１０の起動時における運転制御方法（本発明の第２の実施形態）が示されている。図７中、ソークとは、燃料電池スタック１４の前回停止時から今回起動時までの停止時間をいう。第２の実施形態では、ソーク時間によってパージ弁８４とドレイン弁８８とをそれぞれ開閉制御する。 Next, FIG. 7 shows an operation control method (second embodiment of the present invention) when the fuel cell system 10 is activated. In FIG. 7, the soak refers to the stop time from the previous stop of the fuel cell stack 14 to the current start. In the second embodiment, the purge valve 84 and the drain valve 88 are controlled to open and close according to the soak time.

具体的には、図８に示すように、ソーク時間が短く、第１所定時間ｔ１以下である場合には、パージ弁８４及びドレイン弁８８が同時に使用可能となる。第１所定時間ｔ１以下では、カソード側に透過している水素量が相当に少なく、カソード側から排出される水素を考慮する必要がないからである。ソーク時間が第１所定時間ｔ１よりも長い第２所定時間ｔ２以下である場合には、パージ弁８４又はドレイン弁８８の一方のみが使用される。なお、パージ弁８４が優先的に使用されることが好ましい。 Specifically, as shown in FIG. 8, when the soak time is short and is equal to or shorter than the first predetermined time t1, the purge valve 84 and the drain valve 88 can be used simultaneously. This is because after the first predetermined time t1, the amount of hydrogen permeating to the cathode side is considerably small and it is not necessary to consider the hydrogen discharged from the cathode side. When the soak time is equal to or shorter than the second predetermined time t2, which is longer than the first predetermined time t1, only one of the purge valve 84 or the drain valve 88 is used. Note that the purge valve 84 is preferably used preferentially.

さらに、ソーク時間が第２所定時間ｔ２を超えると、カソード側に透過している水素量が多量となり、パージ処理が不可となる。このため、パージ弁８４及びドレイン弁８８の両方ともが閉弁制御される。 Furthermore, if the soak time exceeds the second predetermined time t2, the amount of hydrogen permeating to the cathode side becomes large and the purge process becomes impossible. For this reason, both the purge valve 84 and the drain valve 88 are controlled to close.

制御装置２０では、停止時間検出部１１０がソーク時間を検出し、このソーク時間が第１所定時間ｔ１以下であるか、前記第１所定時間ｔ１を超える時間から第２所定時間ｔ２の間であるか、又は前記第２所定時間ｔ２を超える時間であるか否かを判定する。 In the control device 20, the stop time detection unit 110 detects the soak time, and the soak time is equal to or shorter than the first predetermined time t1, or is between the time exceeding the first predetermined time t1 and the second predetermined time t2. Or whether it is a time exceeding the second predetermined time t2.

そこで、図７に示すように、燃料電池システム１０が起動され、エアポンプ４６がオンされて、バイパス流路６０を通って空気排出流路５６に空気が排出される（図１参照）。一方、水素タンク６４から燃料電池スタック１４に水素が供給される。その際、ソーク時間によってパージ弁８４及びドレイン弁８８がそれぞれ開閉制御され、アノードパージが行われる。 Therefore, as shown in FIG. 7, the fuel cell system 10 is activated, the air pump 46 is turned on, and air is discharged through the bypass flow path 60 to the air discharge flow path 56 (see FIG. 1). On the other hand, hydrogen is supplied from the hydrogen tank 64 to the fuel cell stack 14. At that time, the purge valve 84 and the drain valve 88 are controlled to open and close according to the soak time, and anode purge is performed.

そして、発電許可がなされると、バイパス弁６２が閉弁される一方、入口封止弁５４ａ及び出口封止弁５４ｂが開弁されて、燃料電池スタック１４に空気が酸化剤ガスとして供給される。従って、燃料電池スタック１４では、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである空気とが供給されて、発電が開始される。 When power generation is permitted, the bypass valve 62 is closed, while the inlet sealing valve 54a and the outlet sealing valve 54b are opened, and air is supplied to the fuel cell stack 14 as an oxidant gas. . Therefore, in the fuel cell stack 14, hydrogen as fuel gas and air as oxidant gas are supplied, and power generation is started.

このように、第２の実施形態では、ソーク時間に基づいて、パージ弁８４及びドレイン弁８８の開閉制御が行われるため、パージ処理が簡便な制御で効率的に遂行されるという効果が得られる。 As described above, in the second embodiment, since the opening / closing control of the purge valve 84 and the drain valve 88 is performed based on the soak time, the effect that the purge process is efficiently performed with simple control is obtained. .

図９には、燃料電池システム１０の加速時（急速高負荷時）における制御方法（第３の実施形態に係る運転方法）を説明するフローチャートが示されている。 FIG. 9 shows a flowchart for explaining a control method (an operation method according to the third embodiment) at the time of acceleration (during rapid high load) of the fuel cell system 10.

燃料電池システム１０の加速時には、ストイキ保護のため、系内水素濃度を上げる必要がある。このため、空気流量が上限閾値を超えると判断されると（ステップＳ１０１中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０２に進んで、パージ弁８４及びドレイン弁８８の両方が同時に使用される。従って、燃料電池スタック１４には、水素タンク６４から新たな水素が迅速に供給され、所望の水素ストイキを確保することが可能になる。なお、水素ストイキとは、必要な電流を得るために理論的に必要な水素の供給量に対し、実際に何倍の水素を供給しているかを表した比である。 When the fuel cell system 10 is accelerated, it is necessary to increase the concentration of hydrogen in the system for stoichiometric protection. For this reason, if it is determined that the air flow rate exceeds the upper limit threshold value (YES in step S101), the process proceeds to step S102, and both the purge valve 84 and the drain valve 88 are used simultaneously. Therefore, new hydrogen is rapidly supplied from the hydrogen tank 64 to the fuel cell stack 14, and a desired hydrogen stoichiometry can be secured. The hydrogen stoichiometry is a ratio representing how many times hydrogen is actually supplied with respect to the supply amount of hydrogen theoretically necessary for obtaining a necessary current.

また、加速時に空気流量が下限閾値を超えると判断されると（ステップＳ１０３中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０４に進んで、パージ弁８４又はドレイン弁８８の一方のみが使用される。従って、燃料電池スタック１４には、水素タンク６４から新たな水素が供給可能となり、ストイキ保護が容易に行われる。なお、空気排出流路５６に排出される水素濃度が高くなる場合には、ステップＳ１０５に進んで、パージ弁８４のみが使用される。 If it is determined that the air flow rate exceeds the lower threshold during acceleration (YES in step S103), the process proceeds to step S104, and only one of the purge valve 84 or the drain valve 88 is used. Therefore, new hydrogen can be supplied to the fuel cell stack 14 from the hydrogen tank 64, and stoichiometric protection is easily performed. When the concentration of hydrogen discharged to the air discharge channel 56 becomes high, the process proceeds to step S105, and only the purge valve 84 is used.

図１０には、滞留水が多い運転条件における燃料電池システム１０の運転方法（第４の実施形態に係る運転方法）を説明するフローチャートが示されている。 FIG. 10 shows a flowchart for explaining an operation method (operation method according to the fourth embodiment) of the fuel cell system 10 under an operation condition with a large amount of accumulated water.

先ず、滞留水が非常に多い、例えば、暖機完了直前や高負荷からの減速後、と判断されると（ステップＳ２０１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２０２に進む。ステップＳ２０２では、供給される空気流量が増量されるとともに、パージ弁８４及びドレイン弁８８が同時使用可能となる。このため、カソード側とアノード側との間に大きな差圧が発生し、燃料電池スタック１４内の滞留水を確実に排水することができる。 First, if it is determined that the amount of accumulated water is very large, for example, immediately before completion of warming up or after deceleration from a high load (YES in step S201), the process proceeds to step S202. In step S202, the supplied air flow rate is increased and the purge valve 84 and the drain valve 88 can be used simultaneously. For this reason, a large differential pressure is generated between the cathode side and the anode side, and the accumulated water in the fuel cell stack 14 can be surely drained.

滞留水が非常に多いとはいえない場合には（ステップＳ２０１中、ＮＯ）、ステップＳ２０３に進む。そして、滞留水が多い、例えば、暖機初期や中負荷からの減速後、と判断されると（ステップＳ２０３中、ＹＥＳ）、ステップＳ２０４に進む。ステップＳ２０４では、供給される空気流量が増量されるとともに、パージ弁８４又はドレイン弁８８の一方のみの使用が可能となる。従って、燃料電池スタック１４内に差圧が発生し、滞留水の排水が円滑に遂行される。また、滞留水が多くない場合には（ステップＳ２０３中、ＮＯ）、ステップＳ２０５に進み、パージ弁８４のみの使用が許可される。 When it cannot be said that there is very much stagnant water (NO in step S201), the process proceeds to step S203. If it is determined that there is a large amount of accumulated water, for example, after the initial warm-up or after deceleration from medium load (YES in step S203), the process proceeds to step S204. In step S204, the supplied air flow rate is increased and only one of the purge valve 84 or the drain valve 88 can be used. Accordingly, a differential pressure is generated in the fuel cell stack 14, and the accumulated water is smoothly drained. If there is not a large amount of accumulated water (NO in step S203), the process proceeds to step S205, where only the purge valve 84 is permitted.

図１１には、燃料電池システム１０の減速時等にアノード側とカソード側との間の極間差圧が過大となる際の運転方法（第５の実施形態に係る運転方法）を説明するフローチャートが示されている。 FIG. 11 is a flowchart for explaining an operation method (operation method according to the fifth embodiment) when the pressure difference between the anode side and the cathode side becomes excessive during deceleration of the fuel cell system 10 or the like. It is shown.

燃料電池システム１０では、空気供給流路４８に配設されるカソード側圧力センサ９０ａにより、燃料電池スタック１４のカソード側の空気圧力が測定されている。一方、水素供給流路６６に配設されているアノード側圧力センサ９０ｂにより、燃料電池スタック１４のアノード側の水素圧力が測定されている。 In the fuel cell system 10, the cathode-side air pressure of the fuel cell stack 14 is measured by the cathode-side pressure sensor 90 a disposed in the air supply channel 48. On the other hand, the anode-side hydrogen pressure on the anode side of the fuel cell stack 14 is measured by the anode-side pressure sensor 90 b disposed in the hydrogen supply channel 66.

水素圧力検出部１１２では、アノード側の水素圧力を検出する一方、空気圧力検出部１１４では、カソード側の空気圧力を検出し、極間差圧が演算される。そして、極間差圧が過大であると判断され、且つ空気流量が上限閾値を超えていると判断されると（ステップＳ３０１中、ＹＥＳ）、ステップＳ３０２に進む。ステップＳ３０２では、パージ弁８４とドレイン弁８８とが同時使用可能となり、アノード側の水素圧力が迅速に低下される。 The hydrogen pressure detection unit 112 detects the hydrogen pressure on the anode side, while the air pressure detection unit 114 detects the air pressure on the cathode side, and the inter-electrode differential pressure is calculated. If it is determined that the pressure difference between the electrodes is excessive and the air flow rate exceeds the upper limit threshold value (YES in step S301), the process proceeds to step S302. In step S302, the purge valve 84 and the drain valve 88 can be used simultaneously, and the hydrogen pressure on the anode side is quickly reduced.

また、極間差圧が過大であり、且つ、空気流量が下限閾値を超えていると判断されると（ステップＳ３０３中、ＹＥＳ）、ステップＳ３０４に進む。ステップＳ３０４では、パージ弁８４又はドレイン弁８８の一方のみが使用可能となり、例えば、前記ドレイン弁８８の開弁作用下に、燃料電池スタック１４のアノード圧力を低下させることができる。 If it is determined that the inter-electrode differential pressure is excessive and the air flow rate exceeds the lower limit threshold value (YES in step S303), the process proceeds to step S304. In step S304, only one of the purge valve 84 or the drain valve 88 can be used. For example, the anode pressure of the fuel cell stack 14 can be lowered while the drain valve 88 is opened.

なお、極間差圧が過大ではなく、又は、空気流量が下限閾値以下であると判断されると（ステップＳ３０３中、ＮＯ）、ステップＳ３０５に進み、パージ弁８４のみが使用可能となる。これにより、燃料電池スタック１４では、アノード圧力を迅速に低下させることができ、反応応答性を向上させることが可能になる。 If it is determined that the pressure difference between the electrodes is not excessive or the air flow rate is equal to or lower than the lower limit threshold value (NO in step S303), the process proceeds to step S305, and only the purge valve 84 can be used. Thereby, in the fuel cell stack 14, the anode pressure can be rapidly reduced, and the reaction responsiveness can be improved.

１０…燃料電池システム１２…燃料電池
１４…燃料電池スタック１６…酸化剤ガス供給装置
１８…燃料ガス供給装置２０…制御装置
２４…電解質膜・電極構造体２６、２８…セパレータ
３０…固体高分子電解質膜３２…アノード電極
３４…カソード電極３６…燃料ガス流路
３８…酸化剤ガス流路４２ａ…燃料ガス入口連通孔
４２ｂ…燃料ガス出口連通孔４４ａ…酸化剤ガス入口連通孔
４４ｂ…酸化剤ガス出口連通孔４６…エアポンプ
４８…空気供給流路５２…加湿器
５６…空気排出流路５８…背圧弁
６０…バイパス流路６４…水素タンク
６６…水素供給流路７６…オフガス流路
７８…気液分離器８０…循環流路
８４…パージ弁８６…排水流路
８８…ドレイン弁１００…電流検出部
１０２…窒素濃度推定部１０４…空気流量把握部
１０６…水素濃度上昇判定部１０８…起動パージ判定部
１１０…停止時間検出部１１２…水素圧力検出部
１１４…空気圧力検出部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell system 12 ... Fuel cell 14 ... Fuel cell stack 16 ... Oxidant gas supply device 18 ... Fuel gas supply device 20 ... Control device 24 ... Electrolyte membrane and electrode structure 26, 28 ... Separator 30 ... Solid polymer electrolyte Membrane 32 ... Anode electrode 34 ... Cathode electrode 36 ... Fuel gas flow path 38 ... Oxidant gas flow path 42a ... Fuel gas inlet communication hole 42b ... Fuel gas outlet communication hole 44a ... Oxidant gas inlet communication hole 44b ... Oxidant gas outlet Communication hole 46 ... Air pump 48 ... Air supply channel 52 ... Humidifier 56 ... Air discharge channel 58 ... Back pressure valve 60 ... Bypass channel 64 ... Hydrogen tank 66 ... Hydrogen supply channel 76 ... Off gas channel 78 ... Gas-liquid separation 80 ... circulation channel 84 ... purge valve 86 ... drain channel 88 ... drain valve 100 ... current detection unit 102 ... nitrogen concentration estimation unit 104 ... air flow rate grasping unit 06 ... hydrogen concentration rise judgment unit 108 ... startup purge determination portion 110 ... stop time detecting unit 112 ... hydrogen pressure detection unit 114 ... air pressure detector

Claims

A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction of an oxidant gas supplied to the cathode side and a fuel gas supplied to the anode side with the electrolyte membrane interposed therebetween;
An oxidant gas supply channel for supplying the oxidant gas to the fuel cell;
An oxidant exhaust gas discharge passage for discharging the oxidant exhaust gas, which is the oxidant gas at least partly used on the cathode side, from the fuel cell;
A fuel gas supply channel for supplying the fuel gas to the fuel cell;
The fuel exhaust gas, which is the fuel gas at least partly used on the anode side, is led out from the fuel cell and connected to the fuel gas supply flow path via a circulation flow path, while via a purge valve. A fuel exhaust gas discharge passage that joins the oxidant exhaust gas discharge passage;
A control device;
A fuel cell system comprising:
A gas-liquid separation unit that is disposed in the fuel exhaust gas discharge flow channel and is located upstream of the circulation flow channel, and separates moisture contained in the fuel exhaust gas;
A drainage flow path for connecting the gas-liquid separation section and the oxidant exhaust gas discharge flow path, and leading a fluid containing water from the gas-liquid separation section to the oxidant exhaust gas discharge flow path via a drain valve;
A fuel cell system comprising:

2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control device includes a current detection unit that detects a generated current of the fuel cell;
A nitrogen concentration estimator for estimating the nitrogen concentration in the anode-side circulation system of the fuel cell;
An oxidant gas flow rate grasping unit for grasping the supplied oxidant gas flow rate based on the detected current value;
Based on the estimated nitrogen concentration and the grasped oxidant gas flow rate, a fuel gas concentration increase determination is made to determine whether or not the oxidant exhaust gas discharge flow path has increased when the drain valve is opened. And
Have
When it is determined that there is no increase in the fuel gas concentration, the control device opens the drain valve so that the fluid can be discharged into the oxidant exhaust gas discharge passage.

3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control device includes an activation purge determination unit that determines whether or not purge processing at the time of activation of the fuel cell is completed. .

4. The fuel cell system according to claim 3, wherein the control device includes a stop time detection unit that detects a stop time from a previous stop of the fuel cell to a current start of the fuel cell. 5.

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the control device includes a fuel gas pressure detection unit that detects a fluid pressure in the fuel gas supply channel;
An oxidant gas pressure detector for detecting a fluid pressure in the oxidant gas supply flow path;
A fuel cell system comprising:

A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction of an oxidant gas supplied to the cathode side and a fuel gas supplied to the anode side with the electrolyte membrane interposed therebetween;
An oxidant gas supply channel for supplying the oxidant gas to the fuel cell;
An oxidant exhaust gas discharge passage for discharging an oxidant exhaust gas, which is an oxidant gas at least partially used on the cathode side, from the fuel cell;
A fuel gas supply channel for supplying the fuel gas to the fuel cell;
A fuel exhaust gas, which is a fuel gas at least partly used on the anode side, is led out from the fuel cell and connected to the fuel gas supply flow path through a circulation flow path, while via a purge valve A fuel exhaust gas discharge passage that joins the oxidant exhaust gas discharge passage;
A gas-liquid separation unit that is disposed in the fuel exhaust gas discharge flow channel and is located upstream of the circulation flow channel, and separates moisture contained in the fuel exhaust gas;
A drainage flow path for connecting the gas-liquid separation section and the oxidant exhaust gas discharge flow path, and leading a fluid containing water from the gas-liquid separation section to the oxidant exhaust gas discharge flow path via a drain valve;
A control device;
A method for operating a fuel cell system comprising:
Detecting the generated current of the fuel cell;
Estimating the nitrogen concentration in the anode-side circulation system of the fuel cell;
Based on the detected current value, grasping the supplied oxidant gas flow rate,
Determining whether or not there is an increase in fuel gas concentration in the oxidant exhaust gas discharge passage when the drain valve is opened based on the estimated nitrogen concentration and the grasped oxidant gas flow rate; and
When it is determined that there is no increase in the fuel gas concentration, the drain valve is opened to allow the fluid to be discharged into the oxidant exhaust gas discharge flow path;
A method for operating a fuel cell system, comprising:

The operation method according to claim 6, further comprising a step of determining whether or not a purge process at the start of the fuel cell is completed.
The fuel cell system operating method is characterized in that the drain valve is opened and the fluid is discharged until the completion of the purge process is determined.

The operation method according to claim 7, further comprising a step of detecting a stop time from a previous stop of the fuel cell to a current start-up,
When it is determined that the detected stop time is within a time during which the fuel gas concentration on the cathode side of the fuel cell is equal to or less than a prescribed concentration that can be purged, the drain process is performed until the completion of the purge process is determined. A method of operating a fuel cell system, wherein the fluid is discharged by opening a valve.

The operation method according to any one of claims 6 to 8, wherein a step of detecting a fluid pressure in the fuel gas supply channel;
Detecting a fluid pressure in the oxidant gas supply channel;
Have
When it is determined that the differential pressure between the fluid pressure in the fuel gas supply channel and the fluid pressure in the oxidant gas supply channel is higher than a differential pressure threshold that is assumed to cause damage to the electrolyte membrane, An operation method of a fuel cell system, wherein a drain valve is opened to discharge the fluid.