JP2019110031A - Fuel cell system and operation method therefor - Google Patents

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隆宏 藤井
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功一 古賀
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聡司 大谷
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Abstract

To provide a reliable fuel cell system capable of accurately determining discharge abnormality of anode off-gas from a fuel gas circulation path via a discharge valve.SOLUTION: A fuel cell system comprises: an anode off-gas discharge path 7 that branches from a fuel gas circulation path 5 and has a tip opening to the atmosphere; a sensor 8 for measuring a concentration of impurities in anode off-gas; a discharge valve 9 that is provided on the anode off-gas discharge path 7 and opens/closes the anode off-gas discharge path 7; a first electrode 11 and second electrode 12 arranged so as to interpose the discharge valve 9 therebetween on the anode off-gas discharge path 7 and be capable of coming into contact with the anode off-gas; an insulation unit 10 provided on the anode off-gas discharge path 7 so as to insulate the first electrode 11 from the second electrode 12; a voltmeter 13 connected to the first electrode 11 and second electrode 12; and a controller 14 that determines abnormality in the case that a voltage measured by the voltmeter 13 at the time of opening the discharge valve 9 on the basis of a measured value of the sensor 8 does not become equal to or lower than a predetermined value.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、燃料電池から排出されるアノードオフガスを燃料ガスとして利用するための燃料ガス循環経路から高濃度の不純物を含むアノードオフガスを排出する燃料電池システム及びその運転方法に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell system that discharges an anode off gas containing a high concentration of impurities from a fuel gas circulation path for using the anode off gas discharged from the fuel cell as a fuel gas, and a method of operating the same.

高分子電解質膜を用いた燃料電池のアノードに燃料ガスとして水素を、カソードに酸化剤ガスとして空気を供給して発電する燃料電池システムにおいて、燃料電池から排出されるアノードオフガスを循環して使用する場合、高分子電解質膜を介してカソード側からアノード側へ窒素が透過して蓄積し燃料電池システムの出力が低下するため、アノード側に蓄積した窒素を排出する必要がある。   In a fuel cell system that generates electricity by supplying hydrogen as a fuel gas to the anode of a fuel cell using a polymer electrolyte membrane and air as an oxidant gas to the cathode, the anode off gas discharged from the fuel cell is circulated and used In this case, nitrogen permeates and accumulates from the cathode side to the anode side through the polymer electrolyte membrane and the output of the fuel cell system is reduced, so it is necessary to discharge the nitrogen accumulated on the anode side.

アノードオフガスを排出する際に、アノードオフガス中の水素濃度が高い状態で排出すると、過剰に水素を排出することになり燃料電池システムの発電効率が低下してしまう。また、水素濃度が過剰に低い状態になってから排出すると、燃料電池システムの出力が低下したり、アノード側の触媒層が劣化したりする。   If the anode off gas is discharged in a state where the hydrogen concentration in the anode off gas is high when the anode off gas is discharged, the hydrogen is excessively discharged and the power generation efficiency of the fuel cell system is reduced. In addition, if the hydrogen concentration is excessively low and then discharged, the output of the fuel cell system may be reduced or the catalyst layer on the anode side may be degraded.

そこで、排出される水素を最小限に抑えつつ、発電効率を向上させる燃料電池の運転方法の従来例としては、例えば、特許文献1に開示されたものがある。図6は、特許文献1に開示された従来の燃料電池システムのブロック図を示すものである。   Therefore, as a conventional example of a fuel cell operating method for improving power generation efficiency while minimizing emitted hydrogen, for example, there is the one disclosed in Patent Document 1. FIG. 6 is a block diagram of a conventional fuel cell system disclosed in Patent Document 1. As shown in FIG.

図6に示すように、従来の燃料電池システム101は、燃料電池102と、燃料電池102のアノードに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給器103および燃料ガス供給経路104と、燃料電池102で消費されなかったアノードオフガスを燃料供給経路へ循環させる燃料ガス循環経路105と、燃料ガス循環経路105においてアノードオフガスを循環させる循環ポンプ106と、燃料電池102における反応で使用されない不純物を燃料ガス循環経路105から排出するアノードオフガス排出経路107と、制御器113を備えている。   As shown in FIG. 6, the conventional fuel cell system 101 includes a fuel cell 102, a fuel gas supplier 103 for supplying fuel gas to the anode of the fuel cell 102, a fuel gas supply path 104, and the fuel cell 102. The fuel gas circulation path 105 for circulating the anode off gas not consumed to the fuel supply path, the circulation pump 106 for circulating the anode off gas in the fuel gas circulation path 105, and the impurities not used in the reaction in the fuel cell 102 An anode off gas exhaust path 107 for exhausting from 105 and a controller 113 are provided.

また、このアノードオフガス排出経路107に第1排出弁108と、第1排出弁108の下流に第2排出弁109を設け、第1排出弁108と第2排出弁109との間の圧力をパージライン圧力センサ112によって検出し、圧力の時間変化によりアノードオフガス排出経路107内の気体密度を推定し、推定結果に基づいて第1排出弁108及び第2排出109の開閉を制御してアノードオフガスを排出することで排出される水素を最小限に抑えていた。   Further, a first discharge valve 108 and a second discharge valve 109 downstream of the first discharge valve 108 are provided in the anode off gas discharge path 107, and the pressure between the first discharge valve 108 and the second discharge valve 109 is purged. The gas density is detected by the line pressure sensor 112, and the gas density in the anode off gas discharge path 107 is estimated by the time change of pressure, and the opening and closing of the first discharge valve 108 and the second discharge 109 are controlled based on the estimation result. Exhausting was to minimize the emitted hydrogen.

特開2006−324058号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 2006-324058

特許文献1に開示された従来のものは、アノードオフガス排出経路に第1排出弁と第2排出弁を設け、第1排出弁と第2排出弁の間の計測される圧力の時間変化より気体密度を推定している。この気体密度は、水素濃度が高くなると低くなり、水素濃度が低くなると高くなる。   The prior art disclosed in Patent Document 1 is provided with a first discharge valve and a second discharge valve in the anode off gas discharge path, and the gas from the time change of the measured pressure between the first discharge valve and the second discharge valve The density is estimated. The gas density decreases as the hydrogen concentration increases, and increases as the hydrogen concentration decreases.

従来の構成において、第1排出弁と第2排出弁の間で水による閉塞が発生してアノードオフガスの水素濃度が推定される水素濃度よりも高くなる場合は、水素を過剰に排出することになり、発電効率が低下する。一方、アノードオフガスの水素濃度が推定される水素濃度より低くなる場合は、不純物を含むアノードオフガスが十分に排出されず、アノードオフガス経路中の水素濃度が低い状態のままとなるため、燃料電池の出力が低下したり、アノード側の触媒層が不純物により劣化したりする。   In the conventional configuration, when the blockade by water occurs between the first discharge valve and the second discharge valve and the hydrogen concentration of the anode off gas becomes higher than the estimated hydrogen concentration, the hydrogen is excessively discharged. Power generation efficiency is reduced. On the other hand, when the hydrogen concentration of the anode off gas is lower than the estimated hydrogen concentration, the anode off gas containing impurities is not sufficiently discharged, and the hydrogen concentration in the anode off gas path remains low. The output decreases, or the catalyst layer on the anode side is degraded by impurities.

以上のように、前記従来の構成では、第1排出弁と第2排出弁の間で水による閉塞が発生した場合、アノードオフガスの水素濃度と、推定される水素濃度が異なると、アノードオフガスが過剰に排出されたり、排出が不十分となったりして、アノードオフガスが正常に排出されているか判断できないという課題を有していた。   As described above, in the above-described conventional configuration, when the blockade by water occurs between the first discharge valve and the second discharge valve, the anode off gas is different from the hydrogen concentration of the anode off gas and the estimated hydrogen concentration. There is a problem that it can not be determined whether the anode off gas is properly discharged due to excessive discharge or insufficient discharge.

本発明は、従来の課題を解決するもので、アノードオフガスが正常に排出されているかどうかを正確に判定できる信頼性の高い燃料電池システムと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 the conventional problems, and it is an object of the present invention to provide a highly reliable fuel cell system capable of accurately determining whether anode off gas is properly discharged and its operation method.

従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給器と、アノードから排出されるアノードオフガスを燃料ガスとして燃料ガス供給経路に戻すための燃料ガス循環経路と、燃料ガス循環経路から分岐し先端が大気開放するアノードオフガス排出経路と、アノードオフガス排出経路に設けられアノードオフガス排出経路を開閉する排出弁と、アノードオフガスと接触可能に配置された第1電極と、排出弁とアノードオフガス排出経路の先端との間のアノードオフガス排出経路内のガスと接触可能に配置された第2電極と、一端が第1電極に接続され他端が第2電極に接続された電圧計と、制御器とを備えており、制御器は、アノードオフガスに含まれる不純物の濃度が所定濃度に達する前に排出弁を開き、排出弁を開いた時に、電圧計により計測した電圧が所定値以下にならなかった場合は、アノードオフガスの排出に異常があると判定する、又は燃料電池システムの状態若しくは異常を報知する、又は運転を停止するものである。   In order to solve the conventional problems, the fuel cell system of the present invention comprises a fuel cell, a fuel gas supply unit for supplying a fuel gas to an anode, and an anode off gas exhausted from the anode as a fuel gas supply path. A fuel gas circulation path for returning, an anode off gas discharge path branched from the fuel gas circulation path and having the tip open to the atmosphere, a discharge valve provided in the anode off gas discharge path to open and close the anode off gas discharge path, and contact with the anode off gas A second electrode disposed in the anode off-gas discharge path between the discharge valve and the tip of the anode off-gas discharge path, and one end connected to the first electrode The controller includes a voltmeter whose end is connected to the second electrode, and the controller is configured to control the concentration of impurities contained in the anode off gas to a predetermined concentration. If the voltage measured by the voltmeter does not fall below a predetermined value when the exhaust valve is opened before the exhaust valve is reached, it is determined that the anode off gas has an abnormality or the fuel cell system Informing the state or abnormality or stopping the operation.

この構成とすることにより、アノードオフガス排出経路に閉塞がなくアノードオフガスの排出が正常に行われている場合は、第1電極に接触しているガスと、第2電極に接触しているガスとは組成が同じであるため、電極間に化学ポテンシャルの差は生じない。   With this configuration, when the anode off gas discharge path is not clogged and discharge of the anode off gas is normally performed, the gas in contact with the first electrode and the gas in contact with the second electrode are used. Since the composition is the same, there is no difference in chemical potential between the electrodes.

化学ポテンシャルの差は、ネルンストの式より起電力として表されるので、電極間の電圧を計測すると、電圧は所定値以下を示す。一方、排出経路で閉塞が発生した場合は、第1電極と接触しているガスと第2電極に接触しているガス組成が異なるので、化学ポテンシャルが異なる。   Since the difference in chemical potential is expressed as an electromotive force according to the Nernst equation, when the voltage between the electrodes is measured, the voltage shows a predetermined value or less. On the other hand, when clogging occurs in the discharge path, the chemical potential is different because the gas composition in contact with the first electrode and the gas composition in contact with the second electrode are different.

したがって電極間で計測された電圧は所定値以下とはならないので、アノードオフガスが正常に排出されているか正確に判定できる信頼性の高い燃料電池システムとすることができる。   Therefore, since the voltage measured between the electrodes does not fall below a predetermined value, it is possible to provide a highly reliable fuel cell system which can accurately determine whether the anode off gas is properly discharged.

本発明の燃料電池システムは、電圧計により検出した電圧の変化でガス組成を検知しアノードオフガスの排出が正常に行われているか否かを判定できる。これにより、適切にアノードオフガスを排出できるようになるので、燃料電池システムの信頼性を高くすることができる。   The fuel cell system according to the present invention can detect the gas composition on the basis of a change in voltage detected by a voltmeter, and can determine whether or not the discharge of the anode off gas is normally performed. As a result, the anode off gas can be properly discharged, so the fuel cell system can be made more reliable.

本発明の実施の形態1における燃料電池システムのブロック図Block diagram of fuel cell system according to the first embodiment of the present invention 本発明の実施の形態1における燃料電池システムのアノードオフガス排出経路の構成図Block diagram of anode off gas discharge path of fuel cell system according to the first embodiment of the present invention 本発明の実施の形態1における燃料電池システムのアノードオフガス排出制御処理を示すフローチャートFlow chart showing an anode off gas discharge control process of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention 本発明の実施の形態1の実施例2における燃料電池システムのアノードオフガス排出経路の構成図The block diagram of the anode off-gas discharge path of the fuel cell system in Example 2 of Embodiment 1 of this invention 本発明の実施の形態2における燃料電池システムのアノードオフガス排出経路の構成図Configuration diagram of anode off gas discharge path of fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention 従来の燃料電池システムのブロック図Block diagram of conventional fuel cell system

第1の発明は、燃料電池と、燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給器と、アノードに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給経路と、アノードから排出されるアノードオフガスを燃料ガスとして燃料ガス供給経路に戻すための燃料ガス循環経路と、燃料ガス循環経路から分岐し先端が大気開放するアノードオフガス排出経路と、アノードオフガス排出経路に設けられアノードオフガス排出経路を開閉する排出弁と、アノードオフガスと接触可能に配置された第1電極と、排出弁とアノードオフガス排出経路の先端との間のアノードオフガス排出経路内のガスと接触可能に配置された第2電極と、一端が第1電極に接続され他端が第2電極に接続された電圧計と、制御器とを備えた燃料電池システムであって、制御器は、アノードオフガスに含まれる不純物の濃度が所定濃度に達する前に排出弁を開き、排出弁を開いた時に、電圧計により計測した電圧が所定値以下にならなかった場合は、アノードオフガスの排出に異常があると判定する、又は燃料電池システムの状態若しくは異常を報知する、又は運転を停止する燃料電池システムである。   According to a first aspect of the present invention, there is provided a fuel cell, a fuel gas supply device for supplying a fuel gas to the anode of the fuel cell, a fuel gas supply path for supplying the fuel gas to the anode, and an anode off gas discharged from the anode. A fuel gas circulation path for returning to the fuel gas supply path as a gas, an anode off gas discharge path branched from the fuel gas circulation path and having a tip open to the atmosphere, and a discharge valve provided in the anode off gas discharge path to open and close the anode off gas discharge path A first electrode disposed in contact with the anode off gas, a second electrode disposed in contact with the gas in the anode off gas exhaust path between the exhaust valve and the tip of the anode off gas exhaust path, and one end thereof A fuel cell system comprising a voltmeter connected to a first electrode and the other end connected to a second electrode, and a controller, the controller comprising: When the discharge valve is opened and the discharge valve is opened before the concentration of impurities contained in the do-off gas reaches the predetermined concentration, if the voltage measured by the voltmeter does not fall below the predetermined value, the discharge of the anode off gas is abnormal. It is a fuel cell system that determines that there is a condition or reports the state or abnormality of the fuel cell system, or stops operation.

これにより正常にアノードオフガスの排出が行われている場合は、第1電極に接触しているガスと、第2電極が接触しているガスの組成が同じであるので電圧は所定値以下を示し、正常にアノードオフガスの排出が行われていない場合は、第1電極に接触しているガスと第2電極に接触しているガスの組成が異なるので電圧は所定値以上を示すことから、アノードオフガスの排出が正常に行われているかどうか判断することができる。   Thus, when the anode off gas is normally discharged, the composition of the gas in contact with the first electrode is the same as the composition of the gas in contact with the second electrode, so that the voltage is less than a predetermined value. Since the composition of the gas in contact with the first electrode is different from the composition of the gas in contact with the second electrode when discharge of the anode off gas is not normally performed, the voltage shows a predetermined value or more, It can be determined whether or not the offgas discharge is performed normally.

第2の発明は、特に第1の発明の、アノードオフガス排出経路において排出弁より燃料電池側の部分、もしくは排出弁と燃料電池側の部分を第1電極、排出弁より大気開放側の部分、もしくは排出弁と大気開放側の部分を第2電極とし、第1電極と第2電極とは絶縁するものである。   According to a second aspect of the present invention, in the anode off gas discharge path of the first aspect, a portion on the fuel cell side with respect to the exhaust valve, or a portion on the exhaust valve and the fuel cell side as the first electrode, and a portion on the air open side with respect to the exhaust valve Alternatively, the discharge valve and the part on the air release side are used as the second electrode, and the first electrode and the second electrode are insulated.

これにより、各電極を個別部品ではなく、配管と一体化させることで機器構成を簡略化し、信頼性を向上させることができる。   As a result, by integrating each electrode with the pipe instead of the individual parts, the device configuration can be simplified and the reliability can be improved.

第3の発明は、燃料電池と、燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給器と、アノードに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給経路と、アノードから排出されるアノードオフガスを燃料ガスとして燃料ガス供給経路に戻すための燃料ガス循環経路と、燃料ガス循環経路から分岐し先端が大気開放するアノードオフガス排出経路と、アノードオフガス排出経路に設けられたアノードオフガス排出経路を開閉する排出弁と、アノードオフガスと接触可能に配置された第1電極と、排出弁とアノードオフガス排出経路の先端との間のアノードオフガス排出経路内のガスと接触可能に配置された第2電極と、一端が第1電極に接続され他端が第2電極に接続された電圧計とを備えた燃料電池システムの運転方法であって、アノードオフガスに含まれる不純物である窒素の濃度が所定濃度に達する前に排出弁を開き、排出弁を開いた時に、電圧計により計測した電圧が所定値以下にならなかった場合は、アノードオフガスの排出に異常があると判定する、又は燃料電池シス
テムの状態若しくは異常を報知する、又は運転を停止する燃料電池システムの運転方法である。
According to a third aspect of the present invention, there is provided a fuel cell, a fuel gas supplier for supplying a fuel gas to the anode of the fuel cell, a fuel gas supply path for supplying the fuel gas to the anode, and an anode off gas exhausted from the anode. A fuel gas circulation path for returning to the fuel gas supply path as a gas, an anode off gas discharge path branched from the fuel gas circulation path and whose tip is open to the atmosphere, and an anode off gas discharge path provided in the anode off gas discharge path A valve, a first electrode disposed in contact with the anode off gas, and a second electrode disposed in contact with the gas in the anode off gas discharge path between the exhaust valve and the tip of the anode off gas discharge path; Is a method of operating a fuel cell system comprising a voltmeter connected to the first electrode and the other end connected to the second electrode, the anode being off If the voltage measured by the voltmeter does not fall below a predetermined value when the discharge valve is opened and the discharge valve is opened before the concentration of nitrogen contained in the gas reaches the predetermined concentration, the anode off gas is discharged It is determined that the fuel cell system has an abnormality, or the state or abnormality of the fuel cell system is notified, or the operation method of the fuel cell system is to stop the operation.

これにより、正常にアノードオフガスの排出が行われている場合は、第1電極に接触しているガスと、第2電極が接触しているガスの組成が同じであるので電圧は所定値以下を示し、一方、正常にアノードオフガスの排出が行われていない場合は、第1電極に接触しているガスと第2電極に接触しているガスの組成が異なり電圧は所定値以上を示すことから、アノードオフガスの排出が正常に行われているかどうか判断することが可能な燃料電池システムの運転方法を提供できる。さらに、測定結果の信頼性が低下するという懸念がなく、燃料電池システムの信頼性を高くすることができる。   Thus, when the anode off gas is being discharged normally, the composition of the gas in contact with the first electrode and the composition of the gas in contact with the second electrode are the same, so the voltage is less than a predetermined value. On the other hand, when the anode off gas is not properly discharged, the composition of the gas in contact with the first electrode and the composition of the gas in contact with the second electrode are different, and the voltage shows a predetermined value or more. According to the present invention, it is possible to provide a method of operating a fuel cell system capable of determining whether the discharge of anode off gas is normally performed. Furthermore, there is no concern that the reliability of the measurement results will be reduced, and the reliability of the fuel cell system can be increased.

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明するが、この実施の形態によって、本発明が限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited by the embodiments.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における燃料電池システムのブロック図である。
Embodiment 1
FIG. 1 is a block diagram of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention.

図2は、本発明の実施の形態1における燃料電池システムのアノードオフガス排出経路の構成図である。   FIG. 2 is a configuration diagram of an anode off gas discharge path of the fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention.

図3は、本発明の実施の形態1における燃料電池システムのアノードオフガス排出制御処理を示すフローチャートである。   FIG. 3 is a flowchart showing an anode off gas discharge control process of the fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention.

図1及び図2に示すように、本実施の形態の燃料電池システム1は、燃料電池2と、燃料電池2のアノードに燃料ガスとして水素を供給する燃料ガス供給器3と、燃料電池2のカソードに酸化剤ガスとして水素を供給する酸化剤ガス供給器15と、燃料ガス供給器3からアノードに水素を供給するための燃料ガス供給経路4と、アノードから排出されるアノードオフガスを燃料ガス供給経路4に戻すための燃料ガス循環経路5と、燃料ガス循環経路5に設けられた循環ポンプ6と、燃料ガス循環経路5から分岐して先端が大気開放するアノードオフガス排出経路7と、燃料ガス循環経路5に設けられアノードオフガスの不純物の濃度を測定するセンサ8と、アノードオフガス排出経路7に設けられアノードオフガス排出経路7を開閉する排出弁9と、アノードオフガス排出経路7において排出弁9および絶縁部10の下流側に設けられた絶縁部10と、アノードオフガス排出経路7において排出弁9の上流側のアノードオフガスと接触可能に配置された第1電極11と、排出弁9の下流側のアノードオフガス排出経路7内のアノードオフガスと接触可能に配置された第2電極12と、第1電極11と第2電極12に接続された電圧計13と、制御器14とで構成される。   As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell system 1 of the present embodiment includes a fuel cell 2, a fuel gas supply device 3 for supplying hydrogen as a fuel gas to the anode of the fuel cell 2, and An oxidant gas supply unit 15 for supplying hydrogen as an oxidant gas to the cathode, a fuel gas supply path 4 for supplying hydrogen from the fuel gas supply unit 3 to the anode, and an anode off gas discharged from the anode for the fuel gas supply A fuel gas circulation path 5 for returning to the path 4, a circulation pump 6 provided in the fuel gas circulation path 5, an anode off gas discharge path 7 branched from the fuel gas circulation path 5 and open at the tip to the atmosphere, a fuel gas A sensor 8 provided in the circulation path 5 for measuring the concentration of impurities in the anode off gas, and an exhaust provided in the anode off gas exhaust path 7 for opening and closing the anode off gas exhaust path 7 9, an insulating portion 10 provided on the downstream side of the exhaust valve 9 and the insulating portion 10 in the anode off gas exhaust path 7, and an anode off gas on the upstream side of the exhaust valve 9 in the anode off gas exhaust path 7 A first electrode 11, a second electrode 12 disposed in contact with the anode off gas in the anode off gas discharge path 7 downstream of the discharge valve 9, and a voltmeter connected to the first electrode 11 and the second electrode 12 13 and a controller 14.

次に、以上のように構成された本実施の形態の燃料電池システム1によるアノードオフガスの排出制御処理を図3のフローチャートに基づいて説明する。   Next, discharge control processing of the anode off gas by the fuel cell system 1 of the present embodiment configured as described above will be described based on the flowchart of FIG.

まず、燃料電池2が発電している状態で、燃料ガス循環経路5のアノードオフガスに含まれる不純物の濃度を、センサ8を用いて求める(S01)。   First, in a state where the fuel cell 2 is generating electricity, the concentration of impurities contained in the anode off gas of the fuel gas circulation path 5 is determined using the sensor 8 (S01).

次に、燃料ガス循環経路5のアノードオフガスに含まれる不純物の濃度が所定の上限濃度に達するかどうかを判定する(S02)。本実施の形態では、所定の上限濃度を40%とする。   Next, it is determined whether the concentration of impurities contained in the anode off gas of the fuel gas circulation path 5 reaches a predetermined upper limit concentration (S02). In the present embodiment, the predetermined upper limit concentration is 40%.

不純物の濃度が上限濃度に達すると排出弁9を開き(S03)、電圧計13が示す電圧計測を開始する(S04)。不純物の濃度が上限濃度に達していない場合は、再度S01
に戻る。
When the concentration of the impurities reaches the upper limit concentration, the discharge valve 9 is opened (S03), and the voltage measurement indicated by the voltmeter 13 is started (S04). If the concentration of impurities has not reached the upper limit concentration, S01 is performed again.
Return to

次に、電圧計13の電圧が所定値以上であるかどうかを判定する(S05)。所定値とは、第1電極11に接触するガスと、第2電極12が接触するガスの組成が同じ場合に示される電圧であり、0Vである。   Next, it is determined whether the voltage of the voltmeter 13 is equal to or more than a predetermined value (S05). The predetermined value is a voltage indicated when the composition of the gas in contact with the first electrode 11 and the composition of the gas in contact with the second electrode 12 is 0 V.

S05で電圧計13が示す電圧が所定値より大きかった場合は、アノードオフガスの排出に異常があると判定し異常を報知する(S06)。次に、排出弁9を閉じ(S07)、運転を停止する(S08)。   If the voltage indicated by the voltmeter 13 is larger than the predetermined value in S05, it is determined that there is an abnormality in the discharge of the anode off gas, and the abnormality is notified (S06). Next, the discharge valve 9 is closed (S07), and the operation is stopped (S08).

一方、電圧計13が示す電圧が所定値以下であった場合は、アノードオフガスの排出に異常がないと判定する(S09)。次に、アノードオフガス排出経路7の不純物の濃度が所定の下限濃度以下となったかどうかを判定する(S10)。本実施形態では下限濃度は10%とする。   On the other hand, when the voltage indicated by the voltmeter 13 is equal to or less than the predetermined value, it is determined that there is no abnormality in the discharge of the anode off gas (S09). Next, it is determined whether or not the concentration of impurities in the anode off gas discharge path 7 has become equal to or less than a predetermined lower limit concentration (S10). In the present embodiment, the lower limit concentration is 10%.

燃料ガス循環経路5の不純物の濃度が所定の下限濃度以下となった場合は、排出弁9を閉とし(S11)、排出処理を終了し、S01に戻る。下限濃度以下とならなかった場合は、再びS05に戻る。このような制御を行うことで、アノードオフガスに含まれる不純物の濃度を正確に把握して適切な処理を行える。   If the concentration of the impurities in the fuel gas circulation path 5 falls below the predetermined lower limit concentration, the discharge valve 9 is closed (S11), the discharge processing is ended, and the process returns to S01. If the concentration does not fall below the lower limit concentration, the process returns to S05 again. By performing such control, the concentration of impurities contained in the anode off gas can be accurately grasped, and appropriate processing can be performed.

以上のように、本実施の形態の燃料電池システム1は、アノードオフガス排出経路7に設けられたアノードオフガス排出経路7を開閉する排出弁9と、アノードオフガス排出経路7において排出弁9の下流側に設けられた絶縁部10と、アノードオフガス排出経路7において排出弁9の上流側のアノードオフガスと接触可能に配置された第1電極11と、排出弁9および絶縁部10とアノードオフガス排出経路7の先端との間のアノードオフガス排出経路7内のガスと接触可能に配置された第2電極12と、一端が第1電極11に接続され他端が第2電極12に接続された電圧計13と、制御器14とを備えた燃料電池システム1とし、電圧計13により検出した電圧の変化でガス組成を検知することにより、アノードオフガスの排出が正常に行われているか否かを判定することができる。   As described above, the fuel cell system 1 of the present embodiment includes the discharge valve 9 for opening and closing the anode off gas discharge passage 7 provided in the anode off gas discharge passage 7, and the downstream side of the discharge valve 9 in the anode off gas discharge passage 7. , An anode off gas discharge path 7, a first electrode 11 disposed in contact with the anode off gas on the upstream side of the discharge valve 9, a discharge valve 9, an insulator 10 and an anode off gas discharge path 7. A second electrode 12 disposed in contact with the gas in the anode off-gas discharge path 7 between the first electrode 11 and the tip of the second electrode 12; and a voltmeter 13 having one end connected to the first electrode 11 and the other end connected to the second electrode 12; The fuel cell system 1 is provided with the controller 14 and the discharge of the anode off gas is normal by detecting the gas composition by the change of the voltage detected by the voltmeter 13 It is possible to determine whether or not made.

また、アノードオフガスの排出を流量や圧力で検知する方式と比較して、アノードオフガスの水素濃度と、推定される水素濃度の違いが小さくなるため、流量計や圧力計の閉塞による測定結果の信頼性が低下するという懸念がない、信頼性の高い燃料電池システム1の運転方法とすることができる。   In addition, since the difference between the hydrogen concentration of the anode off gas and the estimated hydrogen concentration becomes smaller compared to the method of detecting the discharge of the anode off gas by the flow rate or pressure, the reliability of the measurement result due to the blockage of the flowmeter or pressure gauge The fuel cell system 1 can be operated with high reliability without concern that the sex may be reduced.

なお、本実施の形態では、燃料ガスに水素を用いたが、水素ガスに限らず、本実施の形態で実施可能であれば、どんなガスでも構わない。   Although hydrogen is used as the fuel gas in the present embodiment, it is not limited to hydrogen gas, and any gas may be used as long as it can be implemented in the present embodiment.

なお、本実施の形態では、電圧計の材質はガスに対する耐食性があれば、どんな材質を選定しても構わない。   In the present embodiment, any material may be selected as the material of the voltmeter as long as it has corrosion resistance to gas.

なお、本実施の形態では、異常があると判定した後、異常を報知し、その後運転を停止する燃料電池システム1としているが、異常があると判定する燃料電池システム1、または異常があると判定した後、異常を報知する燃料電池システム1としても構わない。   In the present embodiment, after it is determined that there is an abnormality, the fuel cell system 1 reports an abnormality and then stops the operation. However, if the fuel cell system 1 determines that there is an abnormality or there is an abnormality After the determination, the fuel cell system 1 may be notified of an abnormality.

また、本実施の形態では、センサ8に不純物ガスセンサを用いたが、水素ガス濃度を直接検出するセンサ8であっても構わない。   Further, although the impurity gas sensor is used as the sensor 8 in the present embodiment, it may be the sensor 8 that directly detects the hydrogen gas concentration.

以下、本実施の形態1のより具体的な内容について実施例を用いて説明する。なお、こ
の実施例によって本発明が限定されるものではない。
Hereinafter, more specific contents of the first embodiment will be described using an example. The present invention is not limited by this embodiment.

(実施例1)
図1及び図2に示す燃料電池システム1を用い、アノードオフガス排出経路7には、図2の詳細に示す通り、排出弁9、絶縁部10、第1電極11、第2電極12を設置する構成とした。また、電圧計13で第1電極11と第2電極12間の電圧を計測した。
Example 1
Using the fuel cell system 1 shown in FIGS. 1 and 2, in the anode off gas discharge path 7, as shown in detail in FIG. 2, the discharge valve 9, the insulator 10, the first electrode 11, and the second electrode 12 are installed. It was composition. Further, the voltage between the first electrode 11 and the second electrode 12 was measured by the voltmeter 13.

絶縁部10はPTFE等の絶縁性を持つ材質(ニチアス製TOMBO NO.9000)のガスケットとし、排出弁9との接続には絶縁ボルトを使用し、第1電極11、排出弁9と第2電極12とを絶縁させた。   The insulating portion 10 is a gasket made of an insulating material such as PTFE (TOMBO NO. 9000 made by Nichias), and an insulating bolt is used for connection with the discharge valve 9, and the first electrode 11, the discharge valve 9 and the second electrode Insulated from 12.

第1電極11と第2電極12には、アノードオフガス配管経路内に設置できる3mm角の金板を用いた。この金板からそれぞれ電圧計に電圧を計測するための信号線を取り出し電圧計13に接続した。   For the first electrode 11 and the second electrode 12, a 3 mm square gold plate that can be installed in the anode off gas piping path was used. A signal line for measuring a voltage from the gold plate to a voltmeter was taken out and connected to the voltmeter 13.

電圧計13は、COSTOM CORPORATION社製のデジタルマルチメータCDM−2000Dを使用した。   The voltmeter 13 used digital multimeter CDM-2000D made from COSTOM CORPORATION.

この構成において、第1電極11に接触するガスを水素、第2電極12に接触するガスと空気として電圧を予め測定した結果、電圧計は77.5mVを示した。また、第1電極11に接触するガスを純水素、第2電極12に接触するガスも純水素とし、電圧を予め計測した結果、電圧計は0mVを示した。   In this configuration, the voltmeter showed 77.5 mV as a result of measuring the voltage in advance as hydrogen in contact with the first electrode 11, gas in contact with the second electrode 12, and air. Further, the gas in contact with the first electrode 11 was pure hydrogen, and the gas in contact with the second electrode 12 was also pure hydrogen, and the voltage was measured in advance. As a result, the voltmeter showed 0 mV.

センサ8には超音波ガス濃度計(第一熱研株式会社製US100)を用いて窒素濃度を計測した。   The nitrogen concentration of the sensor 8 was measured using an ultrasonic gas concentration meter (US100 manufactured by Daiichi Hakken Co., Ltd.).

まず燃料電池2に燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして空気を供給して、アノードオフガスを循環して発電を開始した。センサ8の窒素濃度が40%を示した際に排出弁9が作動して、アノードオフガスが排出された。その際、電圧計13は0mVを示した。その後、センサ8の窒素濃度が10%を示した際に、排出弁9が閉まることを確認した。   First, hydrogen as a fuel gas and air as an oxidant gas were supplied to the fuel cell 2, and the anode off gas was circulated to start power generation. When the nitrogen concentration of the sensor 8 indicates 40%, the discharge valve 9 is actuated to discharge the anode off gas. At that time, the voltmeter 13 showed 0 mV. Thereafter, when the nitrogen concentration of the sensor 8 showed 10%, it was confirmed that the discharge valve 9 was closed.

これにより第1電極11と第2電極12に接触するガスが同じ場合に、正常にアノードオフガスの排出処理が実行できることを確認できた。   As a result, when the gas contacting the first electrode 11 and the second electrode 12 is the same, it can be confirmed that the discharge process of the anode off gas can be normally performed.

(実施例2)
図4は、実施例2の燃料電池システム1のアノードオフガス排出経路の構成図を示すものである。図4に示す通り、絶縁部10を排出弁9と大気開放側の間ではなく、排出弁9よりも燃料電池2側のアノードオフガス排出経路7に配置した以外は、実施例1と同じとし、実施例1と同じ手法でアノードオフガス排出時の電圧を計測した。
(Example 2)
FIG. 4 is a block diagram of the anode off gas discharge path of the fuel cell system 1 of the second embodiment. As shown in FIG. 4, the same as in Example 1 except that the insulating part 10 is disposed not on the discharge valve 9 and the atmosphere open side but on the anode off gas discharge path 7 on the fuel cell 2 side of the discharge valve 9 The voltage at the time of anode off gas discharge was measured in the same manner as in Example 1.

まず燃料電池2燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして空気を供給して、アノードオフガスを循環して発電を開始した。センサ8の窒素濃度が40%を示した際に排出弁9が作動して、アノードオフガスが排出された。その際、電圧計13は0mVを示した。その後、センサ8の窒素濃度が10%を示した際に、排出弁9が閉まることを確認した。   First, hydrogen was supplied as fuel cell 2 fuel gas and air was supplied as oxidant gas, and the anode off gas was circulated to start power generation. When the nitrogen concentration of the sensor 8 indicates 40%, the discharge valve 9 is actuated to discharge the anode off gas. At that time, the voltmeter 13 showed 0 mV. Thereafter, when the nitrogen concentration of the sensor 8 showed 10%, it was confirmed that the discharge valve 9 was closed.

これにより第1電極11と第2電極12に接触するガスが同じ場合に、正常にアノードオフガスの排出処理が実行できることを確認できた。   As a result, when the gas contacting the first electrode 11 and the second electrode 12 is the same, it can be confirmed that the discharge process of the anode off gas can be normally performed.

(実施の形態2)
図5は、実施の形態2の燃料電池システムのアノードオフガス排出経路の構成図を示す
ものである。
Second Embodiment
FIG. 5 shows a configuration diagram of an anode off gas discharge path of the fuel cell system of Embodiment 2. As shown in FIG.

本実施の形態は、図5に示すアノードオフガス排出経路の構成以外は、実施の形態1と同じである。   The present embodiment is the same as Embodiment 1 except for the configuration of the anode off gas discharge path shown in FIG.

図5に示す通り、アノードオフガス排出経路7において、排出弁9よりも燃料電池2側のアノードオフガス排出経路7の配管に電圧計13の一方の端子を接続して第1電極11とし、他方の端子を排出弁9よりも大気開放側のアノードオフガス排出経路7の配管に接続し、第2電極12とした。   As shown in FIG. 5, in the anode off gas discharge path 7, one terminal of the voltmeter 13 is connected to a pipe of the anode off gas discharge path 7 closer to the fuel cell 2 than the discharge valve 9 to form a first electrode 11; The terminal was connected to the pipe of the anode off gas discharge path 7 on the air release side of the discharge valve 9 and used as the second electrode 12.

第1電極11と排出弁9、第2電極12と排出弁9との接続を、共に絶縁性ガスケット(ニチアス製TOMBO NO.9000)と絶縁ボルトを用いて、配管と配管の間に絶縁体を設けた。配管は、導電性材料であるSUS304製の配管とした。この構成で、実施例1と同じ手法でアノードオフガス排出時の電圧を計測した。   The connection between the first electrode 11 and the discharge valve 9, and the connection between the second electrode 12 and the discharge valve 9 are both insulating pipes between pipings using insulating gaskets (TOMBO NO. 9000 made by Nichias) and insulating bolts. Provided. The pipe was a pipe made of SUS304, which is a conductive material. In this configuration, the voltage at the time of discharging the anode off gas was measured in the same manner as in Example 1.

まず、燃料電池2に燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして空気を供給して、アノードオフガスを循環して発電を開始した。センサ8の窒素濃度が40%を示した際に排出弁9が作動して、アノードオフガスが排出された。その際、電圧計は0mVであった。その後、センサ8の窒素濃度が10%を示した際に、排出弁9が閉まることを確認した。   First, hydrogen as a fuel gas and air as an oxidant gas were supplied to the fuel cell 2, and the anode off gas was circulated to start power generation. When the nitrogen concentration of the sensor 8 indicates 40%, the discharge valve 9 is actuated to discharge the anode off gas. At that time, the voltmeter was 0 mV. Thereafter, when the nitrogen concentration of the sensor 8 showed 10%, it was confirmed that the discharge valve 9 was closed.

これにより第1電極11と第2電極12に接触するガスが同じ場合に、正常にアノードオフガスの排出処理が実行できることを確認できた。   As a result, when the gas contacting the first electrode 11 and the second electrode 12 is the same, it can be confirmed that the discharge process of the anode off gas can be normally performed.

(変形例)
実施例2の構造で、予め排出弁9に水を入れて閉塞した状態にして、アノードオフガス排出時の電圧計13により電圧を計測した。まず、燃料電池2に燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして空気を供給して、アノードオフガスを循環して発電を開始した。
(Modification)
In the structure of Example 2, water was previously put in the discharge valve 9 to be in a closed state, and the voltage was measured by the voltmeter 13 at the time of anode off gas discharge. First, hydrogen as a fuel gas and air as an oxidant gas were supplied to the fuel cell 2, and the anode off gas was circulated to start power generation.

センサ8の窒素濃度が40%を示した際に排出弁9が作動して、アノードオフガスが排出された。1分間経過後、電圧計13は5mVを示すと同時に、制御器の警告ブザーが作動した。   When the nitrogen concentration of the sensor 8 indicates 40%, the discharge valve 9 is actuated to discharge the anode off gas. After one minute, the voltmeter 13 showed 5 mV and at the same time the controller's warning buzzer was activated.

これにより、第1電極11と第2電極12に接触するガスが異なる場合に、異常を報知できることを確認できた。   Thereby, when the gas which contacts the 1st electrode 11 and the 2nd electrode 12 differs, it has checked that an alarm could be notified.

以上のように本発明の燃料電池システムは、アノードオフガスが正常に排出されているかどうかを正確に判定でき、信頼性が高いので、燃料電池の電解質に高分子電解質膜を用い、燃料電池から排出されるアノードオフガスを燃料ガスとして利用するための燃料ガス循環経路から高濃度の不純物を含むアノードオフガスを排出弁を介して排出する燃料電池システムで信頼性が求められる用途に好適である。   As described above, the fuel cell system of the present invention can accurately determine whether the anode off gas is properly discharged and has high reliability. Therefore, a polymer electrolyte membrane is used as the fuel cell electrolyte, and the fuel cell system is discharged from the fuel cell The fuel cell system according to the present invention is suitable for applications requiring reliability in a fuel cell system in which an anode off gas containing a high concentration of impurities is discharged through a discharge valve from a fuel gas circulation path for using the anode off gas as fuel gas.

1 燃料電池システム
2 燃料電池
3 燃料ガス供給器
4 燃料ガス供給経路
5 燃料ガス循環経路
6 循環ポンプ
7 アノードオフガス排出経路
8 センサ
9 排出弁
10 絶縁部
11 第1電極
12 第2電極
13 電圧計
14 制御器
15 酸化剤ガス供給器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 fuel cell system 2 fuel cell 3 fuel gas supply apparatus 4 fuel gas supply path 5 fuel gas circulation path 6 circulation pump 7 anode off gas exhaust path 8 sensor 9 exhaust valve 10 insulating part 11 first electrode 12 second electrode 13 voltmeter 14 Controller 15 Oxidizer gas feeder

Claims (3)

燃料電池と、前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給器と、前記アノードに前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給経路と、前記アノードから排出されるアノードオフガスを前記燃料ガスとして前記燃料ガス供給経路に戻すための燃料ガス循環経路と、前記燃料ガス循環経路から分岐し先端が大気開放するアノードオフガス排出経路と、前記アノードオフガス排出経路に設けられ前記アノードオフガス排出経路を開閉する排出弁と、前記アノードオフガスと接触可能に配置された第1電極と、前記排出弁と前記アノードオフガス排出経路の前記先端との間の前記アノードオフガス排出経路内のガスと接触可能に配置された第2電極と、一端が前記第1電極に接続され他端が前記第2電極に接続された電圧計と、制御器とを備えた燃料電池システムであって、前記制御器は、前記アノードオフガスに含まれる不純物の濃度が所定濃度に達する前に前記排出弁を開き、前記排出弁を開いた時に、前記電圧計により計測した電圧が所定値以下にならなかった場合は、前記アノードオフガスの排出に異常があると判定する、又は前記燃料電池システムの状態若しくは異常を報知する、又は運転を停止する燃料電池システム。   A fuel cell, a fuel gas supply device for supplying a fuel gas to the anode of the fuel cell, a fuel gas supply path for supplying the fuel gas to the anode, and an anode off gas discharged from the anode The fuel gas circulation path for returning to the fuel gas supply path, the anode off gas discharge path branched from the fuel gas circulation path and having the tip open to the atmosphere, and the anode off gas discharge path provided on the anode off gas discharge path And a first electrode disposed in contact with the anode off gas, and a gas in the anode off gas exhaust path between the exhaust valve and the tip of the anode off gas exhaust path. A second electrode, a voltmeter having one end connected to the first electrode and the other end connected to the second electrode, and a controller The controller is configured to open the discharge valve before the concentration of impurities contained in the anode off gas reaches a predetermined concentration and to measure the voltage by the voltmeter when the discharge valve is opened. A fuel cell system that determines that there is an abnormality in the discharge of the anode off gas, reports a state or abnormality of the fuel cell system, or stops operation if the obtained voltage does not fall below a predetermined value. 前記アノードオフガス排出経路において、前記排出弁より燃料電池側の部分、もしくは前記排出弁と前記排出弁より燃料電池側の部分を第1電極、前記排出弁より大気開放側の部分、もしくは前記排出弁と前記排出弁より大気開放側の部分を第2電極とし、前記第1電極と前記第2電極とは絶縁する請求項1記載の燃料電池システム。   In the anode off gas discharge path, a portion closer to the fuel cell than the discharge valve, or a portion closer to the fuel cell than the discharge valve and the discharge valve is a first electrode, a portion closer to the atmosphere than the discharge valve, or the discharge valve 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein a portion on the air release side of the exhaust valve is used as a second electrode, and the first electrode and the second electrode are insulated. 燃料電池と、前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給器と、前記アノードに前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給経路と、前記アノードから排出されるアノードオフガスを前記燃料ガスとして前記燃料ガス供給経路に戻すための燃料ガス循環経路と、前記燃料ガス循環経路から分岐し先端が大気開放するアノードオフガス排出経路と、前記アノードオフガス排出経路に設けられ前記アノードオフガス排出経路を開閉する排出弁と、前記アノードオフガスと接触可能に配置された第1電極と、前記排出弁と前記アノードオフガス排出経路の前記先端との間の前記アノードオフガス排出経路内のガスと接触可能に配置された第2電極と、一端が前記第1電極に接続され他端が前記第2電極に接続された電圧計とを備えた燃料電池システムの運転方法であって、前記アノードオフガスに含まれる不純物の濃度が所定濃度に達する前に前記排出弁を開き、前記排出弁を開いた時に、前記電圧計により計測した電圧が所定値以下にならなかった場合は、前記アノードオフガスの排出に異常があると判定する、又は前記燃料電池システムの状態若しくは異常を報知する、又は運転を停止する燃料電池システムの運転方法。   A fuel cell, a fuel gas supply device for supplying a fuel gas to the anode of the fuel cell, a fuel gas supply path for supplying the fuel gas to the anode, and an anode off gas discharged from the anode The fuel gas circulation path for returning to the fuel gas supply path, the anode off gas discharge path branched from the fuel gas circulation path and having the tip open to the atmosphere, and the anode off gas discharge path provided on the anode off gas discharge path And a first electrode disposed in contact with the anode off gas, and a gas in the anode off gas exhaust path between the exhaust valve and the tip of the anode off gas exhaust path. And a voltmeter having one end connected to the first electrode and the other end connected to the second electrode. In the method of operating a fuel cell system, when the discharge valve is opened and the discharge valve is opened before the concentration of impurities contained in the anode off gas reaches a predetermined concentration, the voltage measured by the voltmeter is a predetermined value. When it does not become below, it determines with there being abnormality in discharge of the said anode off gas, or reports the state or abnormality of the said fuel cell system, or the operating method of the fuel cell system which stops operation | movement.
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JP2022553685A (en) * 2019-10-29 2022-12-26 ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング METHOD AND CONTROLLER FOR OPERATING FUEL CELL SYSTEM

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