JP3981626B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アノード電極に供給される水素含有ガスとカソード電極に供給される酸素含有ガスとを反応させることで電気エネルギを生成する燃料電池と、前記燃料電池からの排気ガスの排出制御を行う排出制御装置と、前記排気ガスに含まれる水素の濃度を希釈する水素希釈装置とを備える燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード電極およびカソード電極を配置した電解質膜（電解質）・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体およびセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
燃料電池において、アノード電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード電極側へと移動し、その移動の間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード電極には、酸化剤ガス、例えば、エア等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード電極において、前記水素イオン、前記電子および酸素ガスが反応して水が生成される。
【０００４】
このように構成される燃料電池において、電気エネルギを効率的に生成するためには、カソード電極から電解質膜を透過してアノード電極に溜まった水や窒素ガスを発電電流に応じた所定の間隔で外部に排出する必要がある。このとき、これらの排出物には、電気エネルギの生成に寄与しなかった未反応の水素ガスが混入している。水素ガスは、有毒ガスではないものの、可燃性ガスであるため、所定濃度以下に希釈して排出する必要がある。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１に記載された従来技術では、燃料電池の起動および停止が短期間に繰り返し行われる場合、水素処理部での水素ガスの酸化処理が十分に遂行されず、排出される水素ガスの濃度が高まり易いことに鑑み、所定時間内における燃料電池の起動指令の割合、あるいは、所定期間内における燃料電池の起動指令の回数が所定以上となったとき、燃料電池の起動を禁止することにより、残留する水素ガスの濃度が所定値以下となるまで待機させるようにしている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−１９８０７５号公報（段落［００１０］〜［００１３］、図１、図２）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記の従来技術では、残留する水素ガスの濃度が高い場合、燃料電池が長期間起動できない状態になってしまうため、その間、電気エネルギを生成できないことになる。
【０００８】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池による発電効率を低下させることなく、排気ガスの水素濃度を基準値以下として外部に排出することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池システムでは、アノード電極に供給される水素含有ガスとカソード電極に供給される酸素含有ガスとを反応させることで電気エネルギを生成する燃料電池と、前記燃料電池の前記アノード電極から排出された排水素含有ガスの排出制御を行う排出制御装置と、前記排水素含有ガスに前記カソード電極から排出された排気エアを混合することにより前記排水素含有ガスに含まれる水素の濃度を希釈する水素希釈装置と、前記排水素含有ガスを前記アノード電極の供給側に循環させる循環ループとを備える燃料電池システムにおいて、
前記排出制御装置は、
前記燃料電池システムの停止直前における前記排出制御装置による前記排水素含有ガスの排出制御時間と、前記燃料電池システムの停止直前における前記排出制御装置による前記排水素含有ガスの排出制御終了から前記燃料電池システムの停止時までの経過時間とを計時する計時部と、
計時された前記排出制御時間を記憶する排出制御時間記憶部と、
計時された前記経過時間を記憶する経過時間記憶部と、
前記排出制御時間および前記経過時間に基づき、前記排水素含有ガスの排出制御の要否を判定する判定部と、
を備え、前記排出制御時間が第１所定時間以上であり、且つ、前記経過時間が第２所定時間以下であるとき、前記燃料電池システムの再起動後の第３所定時間内における前記排水素含有ガスの前記水素希釈装置への排出制御を禁止して該排水素含有ガスを前記循環ループにより前記アノード電極の供給側へと循環させながら、前記排気エアを前記水素希釈装置へ供給することを特徴とする。
【００１０】
この場合、排出制御装置は、燃料電池システムの停止直前での排水素含有ガスの排出制御時間と、排水素含有ガスの排出制御終了から燃料電池システムの停止時までの経過時間とを計時して記憶しておき、燃料電池システムの再起動時において、前記排出制御時間が長く、且つ、前記経過時間が短い場合、燃料電池から排出される水素ガスの濃度が高く、高濃度の水素ガスが水素希釈装置内に残留しているものと判断し、排水素含有ガスの排出を所定期間禁止する。一方、前記排出制御時間が短く、あるいは、前記経過時間が長い場合には、燃料電池から排出される水素ガスの濃度が低く、あるいは、水素ガスが十分に排出されているものと判断し、燃料電池の再起動後の排水素含有ガスの排出を許容する。
【００１１】
なお、アノード電極から排出される排水素含有ガスをアノード電極の供給側に循環させることにより、排水素含有ガスに含まれる水素を有効に利用して電気エネルギを生成することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本実施形態の燃料電池システム１０を示す。なお、図１において、実線で示すラインは、ガスの流通路を表し、点線で示すラインは、電気的な信号線を表すものとする。
【００１３】
燃料電池システム１０は、燃料ガスである水素ガスＨ2が供給されるアノード電極１２と、酸化剤ガスであるエアが供給されるカソード電極１４とを有し、これらが電解質膜１５を介して結合される燃料電池を複数個積層した燃料電池スタック１６を備える。なお、アノード電極１２およびカソード電極１４は、出力端子１８、２０より所定電圧の直流を出力する。
【００１４】
アノード電極１２の入力側には、水素供給装置２２より水素供給バルブ２４を介して水素ガスＨ2が供給される。カソード電極１４には、エア供給装置２６よりエア供給バルブ２８を介してエアが供給される。また、アノード電極１２の出力側は、水素排出バルブ３２を介して水素希釈装置３４に接続されるとともに、循環ループを介してアノード電極１２の入力側に接続される。カソード電極１４の出力側は、水素希釈装置３４に接続される。
【００１５】
水素希釈装置３４は、例えば、未反応状態でアノード電極１２から排出された水素ガスＨ2を、カソード電極１４から排出された排気エアと混合することにより、水素ガスＨ2を所定濃度以下の排気ガスとして外部に排出する。
【００１６】
燃料電池スタック１６を除く燃料電池システム１０の各構成要素は、制御装置３６によって制御される。なお、図１では、水素排出バルブ３２の制御を要部とする構成のみを示す。制御装置３６は、主制御部３８（計時部、判定部）と、主制御部３８からの指令に基づいて水素排出バルブ３２を制御する水素排出バルブ制御部４０と、水素排出バルブ３２を開弁させている時間（排出制御時間、水素排出バルブ開弁時間Ｔ１）を記憶する水素排出バルブ開弁時間記憶部４２（排出制御時間記憶部）と、水素排出バルブ３２を閉弁してから燃料電池システム１０を停止させるまでの経過時間（経過時間、水素排出後経過時間Ｔ２）を記憶する水素排出後経過時間記憶部４４（経過時間記憶部）と、水素排出バルブ３２の開閉の要否を判定するための水素排出判定マップを記憶する水素排出判定マップ記憶部４６とを備える。
【００１７】
本実施形態の燃料電池システム１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その動作について説明する。
【００１８】
先ず、システム起動フラグがＯＮに設定され、燃料電池システム１０が起動されると、制御装置３６は、水素供給装置２２を駆動し、所定量の水素ガスＨ2を水素供給バルブ２４を介してアノード電極１２に供給する。また、制御装置３６は、エア供給装置２６を駆動し、所定量のエアをエア供給バルブ２８を介してカソード電極１４に供給する。燃料電池スタック１６は、供給された水素ガスＨ2とエアに含まれる酸素ガスとを反応させ、電気エネルギを生成する。なお、アノード電極１２から出力された未反応の水素ガスＨ2は、循環ループを介してアノード電極１２に循環されるため、水素ガスＨ2が発電に効率的に再利用されることになる。
【００１９】
ここで、制御装置３６は、発電効率を維持するため、水素排出バルブ３２を制御し、電気エネルギの生成に伴って発生する水と、反応に寄与しない窒素ガスとを発電電流に応じた所定時間間隔でアノード電極１２から外部に排出する処理を行う。このとき、未反応の水素ガスＨ2の一部が水や窒素ガスを含む排気エアとともに排出される。そのため、水素希釈装置３４は、アノード電極１２から排出された水素ガスＨ2をカソード電極１４から排出された排気エアによって所定濃度以下に希釈して外部に排出する。
【００２０】
図２は、燃料電池スタック１６によって発電された発電電流、発電に伴ってカソード電極１４から排出される排気エア流量、制御装置３６による水素排出バルブ３２の開閉許可指令を行う排出フラグ、水素希釈装置３４によって希釈されて外部に排出される排出水素濃度、および、燃料電池システム１０のシステム起動フラグの対応関係を表す。
【００２１】
この場合、燃料電池スタック１６によって生成される発電電流は、水素供給装置２２から供給する水素ガスＨ2の流量と、エア供給装置２６から供給するエアの流量とに依存する。従って、カソード電極１４から排出される排気エアの流量も発電電流に依存する。水素希釈装置３４は、アノード電極１２から排出される水素ガスＨ2をカソード電極１４から排出される排気ガスによって希釈して排出するため、外部に排出される排出水素濃度は、排気エア流量に依存して変動する。
【００２２】
そこで、制御装置３６の主制御部３８は、排出水素濃度が許容上限値である閾値ＴＨ以下となるよう、例えば、水素希釈装置３４での排出水素濃度に基づき、水素排出バルブ制御部４０に対して、水素排出バルブ開弁許可指令としての水素排出フラグを設定する。水素排出バルブ制御部４０は、水素排出フラグに従って水素排出バルブ３２を制御し、水素希釈装置３４を介して水素ガスＨ2を外部に排出する。
【００２３】
ところで、システム起動フラグがＯＦＦに設定され、燃料電池システム１０が停止されると、制御装置３６は、燃料電池スタック１６に対する水素ガスＨ2およびエアの供給を停止する。このとき、水素希釈装置３４に対する排気エアの供給も停止されるため、水素希釈装置３４には、所定濃度の水素ガスＨ2が残留することになる。この場合、高い濃度の水素ガスＨ2が水素希釈装置３４に残留した状態で燃料電池システム１０が再起動され、水素排出フラグがＯＮとなって水素排出バルブ３２が開弁されてしまうと、燃料電池スタック１６のアノード電極１２から排出された水素ガスＨ2が水素希釈装置３４に残留している水素ガスＨ2に加算されるため、許容上限値である閾値ＴＨ以上の濃度の水素ガスＨ2が外部に排出されてしまうおそれがある（図２の点線参照）。
【００２４】
制御装置３６は、このような不具合が生じることのないよう、図３に示すフローチャートに従って水素排出バルブ３２の制御を行う。
【００２５】
主制御部３８は、燃料電池システム１０の起動中において、排出フラグがＯＮとなり水素排出バルブ３２が開弁されたことを検出すると（ステップＳ１）、水素排出バルブ開弁時間Ｔ１（第１所定時間）の計時を開始する（ステップＳ２）。次いで、排出フラグがＯＦＦになったことを検出すると（ステップＳ３）、水素排出バルブ開弁時間Ｔ１の計時を終了するとともに（ステップＳ４）、水素排出後経過時間Ｔ２（第２所定時間）の計時を開始する（ステップＳ５）。計時の終了した水素排出バルブ開弁時間Ｔ１は、水素排出バルブ開弁時間記憶部４２に記憶される（ステップＳ６）。
【００２６】
主制御部３８は、システム起動フラグを確認し（ステップＳ７）、ＯＮ状態を維持しており、排出フラグが再びＯＮになった場合には（ステップＳ１）、再度水素排出バルブ開弁時間Ｔ１および水素排出後経過時間Ｔ２の計時を０から開始する（ステップＳ２〜Ｓ７）。
【００２７】
一方、システム起動フラグがＯＦＦになったことを検出すると（ステップＳ７）、水素排出後経過時間Ｔ２の計時を終了し（ステップＳ８）、水素排出後経過時間Ｔ２を水素排出後経過時間記憶部４４に記憶させる（ステップＳ９）。
【００２８】
次に、システム起動フラグがＯＮとなり燃料電池システム１０が再起動されたとき（ステップＳ１０）、主制御部３８は、水素排出バルブ開弁時間Ｔ１および水素排出後経過時間Ｔ２をパラメータとして、水素ガスＨ2の排出の要否判定を行う（ステップＳ１１）。
【００２９】
すなわち、主制御部３８は、水素排出バルブ開弁時間記憶部４２に記憶された水素排出バルブ開弁時間Ｔ１と、水素排出後経過時間記憶部４４に記憶された水素排出後経過時間Ｔ２とを読み出すとともに、水素排出判定マップ記憶部４６に記憶された水素排出判定マップを読み出す。この場合、水素排出判定マップは、図４に示すように、水素排出バルブ開弁時間Ｔ１および水素排出後経過時間Ｔ２をパラメータとし、水素排出ＯＫ領域にあるか水素排出ＮＧ領域にあるかを判定するマップである。
【００３０】
そこで、主制御部３８は、水素排出バルブ開弁時間Ｔ１および水素排出後経過時間Ｔ２が水素排出判定マップの水素排出ＯＫの領域にあるか、水素排出ＮＧの領域にあるかを判定する。
【００３１】
この場合、水素排出バルブ開弁時間Ｔ１が短いと、燃料電池システム１０の起動中での水や排気エア等の排出量が少ないため、水素希釈装置３４に残留している水素ガスＨ2の量も少ない。また、水素排出後経過時間Ｔ２が長いと、水素希釈装置３４に残留する水素ガスＨ2が排気エアによって希釈され、外部に十分に排出されている。従って、水素希釈装置３４に残留している水素ガスＨ2の濃度は十分に低く、水素排出ＯＫの領域にあるものと判定される。
【００３２】
一方、水素排出バルブ開弁時間Ｔ１が長く、且つ、水素排出後経過時間Ｔ２が短い場合には、水素希釈装置３４に残留している水素ガスＨ2の濃度が高く、水素排出ＮＧの領域にあるものと判定される。
【００３３】
ステップＳ１１において水素排出ＯＫと判定された場合、主制御部３８は、水素排出バルブ制御部４０に対して水素排出バルブ開弁許可指令を出力する（ステップＳ１２）。水素排出バルブ制御部４０は、水素排出バルブ開弁許可指令に基づき水素排出バルブ３２を開弁し、水素ガスＨ2を水素希釈装置３４を介して外部に排出する。
【００３４】
また、ステップＳ１１において水素排出ＮＧと判定された場合、主制御部３８は、水素排出バルブ制御部４０に対して水素排出バルブ開弁禁止指令を出力する（ステップＳ１３）。従って、水素排出バルブ３２は、所定時間閉弁状態を維持する。この間、燃料電池スタック１６は、発電動作を遂行して電気エネルギを生成するとともに、カソード電極１４から排出された排気エアが水素希釈装置３４に供給されることで、残留する水素ガスＨ2が希釈されて外部に排出される。
【００３５】
次いで、所定禁止時間Ｔ３（第３所定時間）が経過した後（ステップＳ１４）、主制御部３８は、水素排出バルブ制御部４０に対して水素排出バルブ開弁許可指令を出力し（ステップＳ１２）、水素ガスＨ2が水素希釈装置３４を介して外部に排出される。この場合、水素希釈装置３４に残留する水素ガスＨ2は、十分に希釈されているため、許容上限値である閾値ＴＨ以下の状態で排出される。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池システムの再起動時において、直前の停止時における排気ガスの排出制御時間と排出停止までの経過時間とから、排気ガスの排出の要否を判定し、排気される水素ガスの濃度が所定値以上であると判定した場合には、燃料電池を起動させた状態で水素ガスの排出を一時停止させるようにしているため、燃料電池による発電効率を低下させることなく、排気ガスの水素濃度を基準値以下として外部に排出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成ブロック図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムにおける各物理量と排出フラグとのタイミングの説明図である。
【図３】図１に示す燃料電池システムにおける制御装置の処理フローチャートである。
【図４】図１に示す燃料電池システムにおける制御装置に設定される水素排出判定マップの説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池システム １２…アノード電極
１４…カソード電極 １６…燃料電池スタック
２２…水素供給装置 ２４…水素供給バルブ
２６…エア供給装置 ２８…エア供給バルブ
３２…水素排出バルブ ３４…水素希釈装置
３６…制御装置 ３８…主制御部
４０…水素排出バルブ制御部 ４２…水素排出バルブ開弁時間記憶部
４４…水素排出後経過時間記憶部 ４６…水素排出判定マップ記憶部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention controls a fuel cell that generates electric energy by reacting a hydrogen-containing gas supplied to an anode electrode and an oxygen-containing gas supplied to a cathode electrode, and controls exhaust gas emission from the fuel cell. The present invention relates to a fuel cell system including an emission control device and a hydrogen dilution device that dilutes the concentration of hydrogen contained in the exhaust gas.
[0002]
[Prior art]
For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane (electrolyte) / electrode structure in which an anode electrode and a cathode electrode are arranged on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane) is separated by a separator. It is comprised by pinching. This type of fuel cell is usually used as a fuel cell stack by laminating a predetermined number of electrolyte membrane / electrode structures and separators.
[0003]
In a fuel cell, a fuel gas supplied to an anode electrode, for example, a hydrogen-containing gas, moves to the cathode electrode side through an electrolyte membrane that is appropriately humidified and hydrogen is ionized on the electrode catalyst. The electrons generated in the meantime are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. Since the cathode electrode is supplied with an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas such as air, the hydrogen ions, the electrons and the oxygen gas react with each other to produce water.
[0004]
In the fuel cell configured as described above, in order to efficiently generate electric energy, water or nitrogen gas that has permeated the electrolyte membrane from the cathode electrode and accumulated in the anode electrode at predetermined intervals according to the generated current. It is necessary to discharge to the outside. At this time, unreacted hydrogen gas that did not contribute to the generation of electrical energy is mixed in these emissions. Although hydrogen gas is not a toxic gas, it is a flammable gas. Therefore, it is necessary to dilute the hydrogen gas to a predetermined concentration or less.
[0005]
Therefore, for example, in the conventional technique described in Patent Document 1, when the start and stop of the fuel cell are repeatedly performed in a short period of time, the oxidation treatment of the hydrogen gas in the hydrogen treatment unit is not sufficiently performed and discharged. In view of the fact that the concentration of hydrogen gas is likely to increase, the start of the fuel cell is prohibited when the ratio of the start command of the fuel cell within a predetermined time or the number of start commands of the fuel cell within a predetermined period exceeds a predetermined value. By doing so, it is made to wait until the density | concentration of the residual hydrogen gas becomes below a predetermined value.
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2002-198075 A (paragraphs [0010] to [0013], FIG. 1 and FIG. 2)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described prior art, when the concentration of the remaining hydrogen gas is high, the fuel cell cannot be started for a long period of time, so that electric energy cannot be generated during that time.
[0008]
The present invention solves this type of problem, and provides a fuel cell system that can discharge the hydrogen concentration of exhaust gas to a reference value or less without reducing the power generation efficiency of the fuel cell. Objective.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In the fuel cell system of the present invention, a fuel cell that generates electric energy by reacting a hydrogen-containing gas supplied to the anode electrode and an oxygen-containing gas supplied to the cathode electrode, and the anode electrode of the fuel cell dilution and discharge controller for discharging control of the discharged waste water-containing gas, the concentration of hydrogen contained in the exhaust hydrogen-containing gas by mixing the discharged exhaust air from the cathode electrode to the discharged hydrogen-containing gas A fuel cell system comprising: a hydrogen dilution device that circulates; and a circulation loop that circulates the exhaust hydrogen-containing gas to the supply side of the anode electrode .
The discharge control device
And the discharge control device discharge control time of the exhaust hydrogen-containing gas by immediately before the stop the fuel cell system, the fuel cell from the discharge control end of the exhaust hydrogen-containing gas by the discharge control device immediately before the stop the fuel cell system A timekeeping unit that measures the elapsed time until the system is stopped;
A discharge control time storage unit for storing the measured discharge control time;
An elapsed time storage unit for storing the elapsed time measured;
Based on the discharge control time and the elapsed time, and the determination unit whether or not it is necessary to discharge control of the exhaust hydrogen-containing gas,
Wherein the exhaust control time is greater than or equal to the first predetermined time, and, when the elapsed time is equal to or less than the second predetermined time, the exhaust hydrogen containing within the fuel cell third predetermined time after the system restart Discharge control of gas to the hydrogen dilution device is prohibited , and the exhaust air is supplied to the hydrogen dilution device while circulating the exhaust hydrogen-containing gas to the supply side of the anode electrode through the circulation loop. And
[0010]
In this case, the discharge control device includes a discharge control time of the exhaust hydrogen-containing gas immediately before stopping the fuel cell system, by counting the elapsed time until the stop of the fuel cell system from the discharge control end of the exhaust hydrogen-containing gas If the emission control time is long and the elapsed time is short when the fuel cell system is restarted, the concentration of hydrogen gas discharged from the fuel cell is high, and the high concentration hydrogen gas is hydrogen. it is determined that remaining in the diluter, to prohibit a predetermined period the discharge of exhaust hydrogen-containing gas. On the other hand, when the discharge control time is short or the elapsed time is long, it is determined that the concentration of hydrogen gas discharged from the fuel cell is low or the hydrogen gas is sufficiently discharged, allowing the discharge of exhaust hydrogen-containing gas after restarting of the battery.
[0011]
Incidentally, it is possible by the Turkish circulate exhaust hydrogen-containing gas discharged from the anode electrode to the supply side of the anode electrode, and generates electrical energy by effectively utilizing the hydrogen contained in the exhaust hydrogen-containing gas.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a fuel cell system 10 of the present embodiment. In FIG. 1, a line indicated by a solid line represents a gas flow path, and a line indicated by a dotted line represents an electrical signal line.
[0013]
The fuel cell system 10 includes an anode electrode 12 to which hydrogen gas H 2 as a fuel gas is supplied and a cathode electrode 14 to which air as an oxidant gas is supplied, and these are coupled via an electrolyte membrane 15. The fuel cell stack 16 includes a plurality of stacked fuel cells. The anode electrode 12 and the cathode electrode 14 output a direct current having a predetermined voltage from the output terminals 18 and 20.
[0014]
Hydrogen gas H 2 is supplied from the hydrogen supply device 22 through the hydrogen supply valve 24 to the input side of the anode electrode 12. Air is supplied to the cathode electrode 14 from an air supply device 26 via an air supply valve 28. The output side of the anode electrode 12 is connected to the hydrogen dilution device 34 via the hydrogen discharge valve 32 and is connected to the input side of the anode electrode 12 via the circulation loop. The output side of the cathode electrode 14 is connected to a hydrogen dilution device 34.
[0015]
The hydrogen dilution device 34, for example, mixes the hydrogen gas H 2 discharged from the anode electrode 12 in an unreacted state with the exhaust air discharged from the cathode electrode 14, thereby exhausting the hydrogen gas H 2 to a predetermined concentration or less. Discharge to the outside as gas.
[0016]
Each component of the fuel cell system 10 excluding the fuel cell stack 16 is controlled by a control device 36. FIG. 1 shows only a configuration in which the control of the hydrogen discharge valve 32 is a main part. The control device 36 opens the hydrogen discharge valve 32, a main control unit 38 (timer unit, determination unit), a hydrogen discharge valve control unit 40 that controls the hydrogen discharge valve 32 based on a command from the main control unit 38. A hydrogen discharge valve opening time storage unit 42 (discharge control time storage unit) for storing the time (discharge control time, hydrogen discharge valve opening time T1) and the fuel cell after closing the hydrogen discharge valve 32 It is determined whether or not the hydrogen discharge valve 32 needs to be opened and closed, and the hydrogen discharge elapsed time storage unit 44 (elapsed time storage unit) that stores the elapsed time until the system 10 is stopped (elapsed time, elapsed time after hydrogen discharge T2). A hydrogen discharge determination map storage unit 46 for storing a hydrogen discharge determination map for performing the operation.
[0017]
The fuel cell system 10 of the present embodiment is basically configured as described above. Next, the operation thereof will be described.
[0018]
First, when the system activation flag is set to ON and the fuel cell system 10 is activated, the control device 36 drives the hydrogen supply device 22 to supply a predetermined amount of hydrogen gas H 2 through the hydrogen supply valve 24 to the anode. Supply to the electrode 12. Further, the control device 36 drives the air supply device 26 to supply a predetermined amount of air to the cathode electrode 14 via the air supply valve 28. The fuel cell stack 16 reacts the supplied hydrogen gas H 2 with oxygen gas contained in the air to generate electrical energy. Note that the unreacted hydrogen gas H 2 output from the anode electrode 12 is circulated to the anode electrode 12 through the circulation loop, so that the hydrogen gas H 2 is efficiently reused for power generation.
[0019]
Here, in order to maintain the power generation efficiency, the control device 36 controls the hydrogen discharge valve 32 to supply water generated with the generation of electric energy and nitrogen gas not contributing to the reaction for a predetermined time according to the generated current. A process of discharging from the anode electrode 12 to the outside at intervals is performed. At this time, a part of the unreacted hydrogen gas H 2 is discharged together with the exhaust air containing water and nitrogen gas. Therefore, the hydrogen dilution device 34 dilutes the hydrogen gas H 2 discharged from the anode electrode 12 to a predetermined concentration or less by the exhaust air discharged from the cathode electrode 14 and discharges it to the outside.
[0020]
FIG. 2 shows a power generation current generated by the fuel cell stack 16, a flow rate of exhaust air discharged from the cathode electrode 14 as a result of power generation, a discharge flag for issuing an opening / closing permission command for the hydrogen discharge valve 32 by the control device 36, and a hydrogen dilution device The correspondence relationship between the concentration of exhaust hydrogen diluted by 34 and discharged to the outside and the system activation flag of the fuel cell system 10 is shown.
[0021]
In this case, the generated current generated by the fuel cell stack 16 depends on the flow rate of the hydrogen gas H 2 supplied from the hydrogen supply device 22 and the flow rate of the air supplied from the air supply device 26. Accordingly, the flow rate of the exhaust air discharged from the cathode electrode 14 also depends on the generated current. Since the hydrogen dilution device 34 dilutes and discharges the hydrogen gas H 2 discharged from the anode electrode 12 with the exhaust gas discharged from the cathode electrode 14, the concentration of discharged hydrogen discharged to the outside depends on the exhaust air flow rate. And fluctuate.
[0022]
Therefore, the main control unit 38 of the control device 36 controls the hydrogen discharge valve control unit 40 based on, for example, the discharge hydrogen concentration in the hydrogen dilution device 34 so that the discharge hydrogen concentration is equal to or lower than the threshold value TH that is the allowable upper limit value. Then, a hydrogen discharge flag is set as a hydrogen discharge valve opening permission command. The hydrogen discharge valve control unit 40 controls the hydrogen discharge valve 32 in accordance with the hydrogen discharge flag, and discharges hydrogen gas H 2 to the outside via the hydrogen dilution device 34.
[0023]
By the way, when the system activation flag is set to OFF and the fuel cell system 10 is stopped, the control device 36 stops the supply of hydrogen gas H 2 and air to the fuel cell stack 16. At this time, the supply of the exhaust air to the hydrogen dilution device 34 is also stopped, so that the hydrogen gas H 2 having a predetermined concentration remains in the hydrogen dilution device 34. In this case, if the fuel cell system 10 is restarted in a state where the high-concentration hydrogen gas H 2 remains in the hydrogen diluting device 34, the hydrogen discharge flag is turned on and the hydrogen discharge valve 32 is opened, the fuel since the hydrogen gas H 2 which is discharged from the anode electrode 12 of the cell stack 16 is added to the hydrogen gas H 2 remaining in the hydrogen dilution device 34, hydrogen gas threshold TH concentrations above the allowable upper limit value H 2 May be discharged to the outside (see dotted line in FIG. 2).
[0024]
The controller 36 controls the hydrogen discharge valve 32 according to the flowchart shown in FIG. 3 so that such a problem does not occur.
[0025]
When the main control unit 38 detects that the discharge flag is turned ON and the hydrogen discharge valve 32 is opened during the startup of the fuel cell system 10 (step S1), the hydrogen discharge valve opening time T1 (first predetermined time) ) Is started (step S2). Next, when it is detected that the discharge flag is turned off (step S3), the time measurement of the hydrogen discharge valve opening time T1 is finished (step S4), and the time elapsed after the hydrogen discharge T2 (second predetermined time) is timed. Is started (step S5). The hydrogen discharge valve opening time T1 whose timing has been completed is stored in the hydrogen discharge valve opening time storage unit 42 (step S6).
[0026]
The main control unit 38 checks the system activation flag (step S7), maintains the ON state, and when the discharge flag is turned ON again (step S1), the hydrogen discharge valve opening time T1 and again The elapsed time T2 after hydrogen discharge is started from 0 (steps S2 to S7).
[0027]
On the other hand, when it is detected that the system activation flag is turned off (step S7), the time measurement of the elapsed time T2 after hydrogen discharge ends (step S8), and the elapsed time T2 after hydrogen discharge is stored in the elapsed time storage unit 44 after hydrogen discharge. (Step S9).
[0028]
Next, when the system start flag is turned ON and the fuel cell system 10 is restarted (step S10), the main control unit 38 uses the hydrogen discharge valve opening time T1 and the elapsed time T2 after hydrogen discharge as parameters to supply hydrogen gas. It is determined whether or not H 2 needs to be discharged (step S11).
[0029]
That is, the main control unit 38 uses the hydrogen discharge valve opening time T1 stored in the hydrogen discharge valve opening time storage unit 42 and the post-hydrogen discharge elapsed time T2 stored in the post-hydrogen discharge elapsed time storage unit 44. While reading, the hydrogen discharge determination map memorize | stored in the hydrogen discharge determination map memory | storage part 46 is read. In this case, as shown in FIG. 4, the hydrogen discharge determination map uses the hydrogen discharge valve opening time T1 and the elapsed time T2 after hydrogen discharge as parameters, and determines whether the hydrogen discharge is in the hydrogen discharge OK region or the hydrogen discharge NG region. It is a map to do.
[0030]
Therefore, the main control unit 38 determines whether the hydrogen discharge valve opening time T1 and the post-hydrogen discharge elapsed time T2 are in the hydrogen discharge OK region or the hydrogen discharge NG region of the hydrogen discharge determination map.
[0031]
In this case, if the hydrogen discharge valve opening time T1 is short, the discharge amount of water, exhaust air, etc. during the start-up of the fuel cell system 10 is small, so the amount of hydrogen gas H 2 remaining in the hydrogen dilution device 34 There are few. Further, if the elapsed time T2 after the hydrogen discharge is long, the hydrogen gas H 2 remaining in the hydrogen dilution device 34 is diluted by the exhaust air and sufficiently discharged outside. Therefore, it is determined that the concentration of the hydrogen gas H 2 remaining in the hydrogen diluting device 34 is sufficiently low and is in the hydrogen discharge OK region.
[0032]
On the other hand, when the hydrogen discharge valve opening time T1 is long and the elapsed time T2 after the hydrogen discharge is short, the concentration of the hydrogen gas H 2 remaining in the hydrogen diluting device 34 is high, and the hydrogen discharge valve NG region is not filled. It is determined that there is.
[0033]
If it is determined in step S11 that hydrogen discharge is OK, the main control unit 38 outputs a hydrogen discharge valve opening permission command to the hydrogen discharge valve control unit 40 (step S12). The hydrogen discharge valve control unit 40 opens the hydrogen discharge valve 32 based on the hydrogen discharge valve opening permission command, and discharges the hydrogen gas H 2 to the outside through the hydrogen dilution device 34.
[0034]
If it is determined in step S11 that hydrogen is discharged NG, the main control unit 38 outputs a hydrogen discharge valve opening prohibition command to the hydrogen discharge valve control unit 40 (step S13). Accordingly, the hydrogen discharge valve 32 remains closed for a predetermined time. During this time, the fuel cell stack 16 performs a power generation operation to generate electrical energy, and exhaust air discharged from the cathode electrode 14 is supplied to the hydrogen dilution device 34, so that the remaining hydrogen gas H 2 is diluted. And discharged to the outside.
[0035]
Next, after a predetermined prohibition time T3 (third predetermined time) has elapsed (step S14), the main control unit 38 outputs a hydrogen discharge valve opening permission command to the hydrogen discharge valve control unit 40 (step S12). , Hydrogen gas H 2 is discharged to the outside through the hydrogen dilution device 34. In this case, the hydrogen gas H 2 remaining in the hydrogen dilution device 34 is sufficiently diluted, and is discharged in a state equal to or lower than the threshold value TH that is the allowable upper limit value.
[0036]
【The invention's effect】
According to the present invention, when the fuel cell system is restarted, it is determined whether or not the exhaust gas needs to be discharged from the exhaust gas discharge control time at the last stop and the elapsed time until the discharge stop. When it is determined that the concentration of hydrogen gas is equal to or higher than a predetermined value, the discharge of hydrogen gas is temporarily stopped in a state where the fuel cell is activated, so that the power generation efficiency by the fuel cell is not reduced. The hydrogen concentration of the exhaust gas can be discharged outside with a reference value or less.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration block diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of timings of physical quantities and discharge flags in the fuel cell system shown in FIG.
FIG. 3 is a process flowchart of a control device in the fuel cell system shown in FIG. 1;
4 is an explanatory diagram of a hydrogen discharge determination map set in the control device in the fuel cell system shown in FIG. 1. FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell system 12 ... Anode electrode 14 ... Cathode electrode 16 ... Fuel cell stack 22 ... Hydrogen supply device 24 ... Hydrogen supply valve 26 ... Air supply device 28 ... Air supply valve 32 ... Hydrogen discharge valve 34 ... Hydrogen dilution device 36 ... Control unit 38 ... main control unit 40 ... hydrogen discharge valve control unit 42 ... hydrogen discharge valve opening time storage unit 44 ... elapsed time storage unit after hydrogen discharge 46 ... hydrogen discharge determination map storage unit

Claims (1)

アノード電極に供給される水素含有ガスとカソード電極に供給される酸素含有ガスとを反応させることで電気エネルギを生成する燃料電池と、前記燃料電池の前記アノード電極から排出された排水素含有ガスの排出制御を行う排出制御装置と、前記排水素含有ガスに前記カソード電極から排出された排気エアを混合することにより前記排水素含有ガスに含まれる水素の濃度を希釈する水素希釈装置と、前記排水素含有ガスを前記アノード電極の供給側に循環させる循環ループとを備える燃料電池システムにおいて、
前記排出制御装置は、
前記燃料電池システムの停止直前における前記排出制御装置による前記排水素含有ガスの排出制御時間と、前記燃料電池システムの停止直前における前記排出制御装置による前記排水素含有ガスの排出制御終了から前記燃料電池システムの停止時までの経過時間とを計時する計時部と、
計時された前記排出制御時間を記憶する排出制御時間記憶部と、
計時された前記経過時間を記憶する経過時間記憶部と、
前記排出制御時間および前記経過時間に基づき、前記排水素含有ガスの排出制御の要否を判定する判定部と、
を備え、前記排出制御時間が第１所定時間以上であり、且つ、前記経過時間が第２所定時間以下であるとき、前記燃料電池システムの再起動後の第３所定時間内における前記排水素含有ガスの前記水素希釈装置への排出制御を禁止して該排水素含有ガスを前記循環ループにより前記アノード電極の供給側へと循環させながら、前記排気エアを前記水素希釈装置へ供給することを特徴とする燃料電池システム。A fuel cell that generates electrical energy by reacting a hydrogen-containing gas supplied to the anode electrode and an oxygen-containing gas supplied to the cathode electrode, and a waste hydrogen-containing gas discharged from the anode electrode of the fuel cell. a discharge controller for discharging control, and the hydrogen dilution device for diluting the concentration of the hydrogen contained in the exhaust hydrogen-containing gas by mixing the discharged exhaust air from the cathode electrode to the discharged hydrogen-containing gas, the drainage A fuel cell system comprising a circulation loop for circulating an element-containing gas to the supply side of the anode electrode ,
The discharge control device
And the discharge control device discharge control time of the exhaust hydrogen-containing gas by immediately before the stop the fuel cell system, the fuel cell from the discharge control end of the exhaust hydrogen-containing gas by the discharge control device immediately before the stop the fuel cell system A timekeeping unit that measures the elapsed time until the system is stopped;
A discharge control time storage unit for storing the measured discharge control time;
An elapsed time storage unit for storing the elapsed time measured;
Based on the discharge control time and the elapsed time, and the determination unit whether or not it is necessary to discharge control of the exhaust hydrogen-containing gas,
Wherein the exhaust control time is greater than or equal to the first predetermined time, and, when the elapsed time is equal to or less than the second predetermined time, the exhaust hydrogen containing within the fuel cell third predetermined time after the system restart Discharge control of gas to the hydrogen dilution device is prohibited , and the exhaust air is supplied to the hydrogen dilution device while circulating the exhaust hydrogen-containing gas to the supply side of the anode electrode through the circulation loop. A fuel cell system.
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