JP5422979B2

JP5422979B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP5422979B2
Application number: JP2008299642A
Authority: JP
Inventors: 靖市川; 光徳熊田; 要介冨田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2008-11-25
Filing date: 2008-11-25
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2028-11-25
Also published as: JP2010129207A

Description

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

従来より、燃料極に燃料ガス（例えば、水素）が供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガス（例えば、空気）が供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。この類の燃料電池システムでは、発電反応にともない生成水が精製されることから、これを外部に排出する処理を行っている。 Conventionally, a fuel gas (for example, hydrogen) is supplied to the fuel electrode, and an oxidant gas (for example, air) is supplied to the oxidant electrode, and these gases are reacted electrochemically to generate power. There is known a fuel cell system including a fuel cell for performing the above. In this type of fuel cell system, the generated water is purified in accordance with the power generation reaction, and therefore, a process for discharging it is performed.

例えば、特許文献１には、燃料電池の燃料極側の生成水を排出する手法が開示されている。具体的には、燃料電池の発電動作により燃料極側に生成水が溜まると、燃料電池の燃料極側の上流の水素供給弁と、燃料極側の下流の排水弁とを閉じる。この状態において、燃料電池の発電を行い、燃料電池内および燃料電池に連通した容器が減圧状態になった後、供給弁を開いて減圧状態の燃料電池内に水素を噴入する。これにより、燃料電池の燃料極側の生成水を容器に押し出して排出する。
特開２００７−１４９６３０号公報 For example, Patent Document 1 discloses a technique for discharging generated water on the fuel electrode side of a fuel cell. Specifically, when generated water accumulates on the fuel electrode side due to the power generation operation of the fuel cell, the upstream hydrogen supply valve on the fuel electrode side of the fuel cell and the drain valve on the downstream side of the fuel electrode are closed. In this state, the fuel cell generates power, and after the inside of the fuel cell and the container communicating with the fuel cell are in a decompressed state, the supply valve is opened to inject hydrogen into the decompressed fuel cell. Thereby, the generated water on the fuel electrode side of the fuel cell is pushed out into the container and discharged.
JP 2007-149630 A

しかしながら、特許文献１に開示された手法によれば、生成水が溜まるまで排水弁が閉じられ続けるので、窒素などの不活性ガスの濃度が上昇し、発電を効率が低下する虞がある。 However, according to the technique disclosed in Patent Document 1, since the drain valve is kept closed until the generated water is accumulated, the concentration of an inert gas such as nitrogen may increase, and the efficiency of power generation may be reduced.

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料ガスの排出を抑制しつつ、不活性ガスを効率的に排出することにある。 This invention is made | formed in view of this situation, The objective is to discharge | emit inert gas efficiently, suppressing discharge | emission of fuel gas.

かかる課題を解決するために、本発明は、燃料電池システムが、燃料電池の燃料極からの排出ガスが流入する排出流路を有している。そして、上限圧力と下限圧力との間で圧力増減を行う制御パターンに基づいて、燃料電池の燃料極における燃料ガスの圧力を周期的に変動させながら、燃料極へ燃料ガスを供給する。この場合、燃料極における燃料ガスの圧力増加過程に対応して、開閉手段により排出流路を開放する。 In order to solve this problem, according to the present invention, the fuel cell system has a discharge passage through which exhaust gas from the fuel electrode of the fuel cell flows. The fuel gas is supplied to the fuel electrode while periodically changing the pressure of the fuel gas at the fuel electrode of the fuel cell based on a control pattern for increasing or decreasing the pressure between the upper limit pressure and the lower limit pressure. In this case, the discharge passage is opened by the opening / closing means corresponding to the process of increasing the pressure of the fuel gas at the fuel electrode.

本発明によれば、圧力増加により高濃度の燃料ガスが導入されると、燃料極に残留する低濃度の燃料ガスを含むガスが排出流路へと押し出され、燃料極は高濃度の燃料ガスにより置換される。また、排出流路へと押し出された低濃度の燃料ガスを含むガス、すなわち、不活性ガスを多く含むガスは、開閉手段により開放された排出流路から排出される。これにより、燃料ガスの排出を抑制しつつ、不活性ガスを効率的に排出することができる。 According to the present invention, when a high-concentration fuel gas is introduced due to an increase in pressure, a gas containing a low-concentration fuel gas remaining in the fuel electrode is pushed out to the discharge channel, and the fuel electrode is a high-concentration fuel gas. Is replaced by Further, the gas containing the low-concentration fuel gas pushed out to the discharge channel, that is, the gas containing a large amount of inert gas is discharged from the discharge channel opened by the opening / closing means. Thereby, it is possible to efficiently discharge the inert gas while suppressing the discharge of the fuel gas.

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。燃料電池システムは、例えば、移動体である車両に搭載されており、この車両は燃料電池システムから供給される電力によって駆動する。 (First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram schematically showing the configuration of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention. The fuel cell system is mounted on, for example, a vehicle that is a moving body, and the vehicle is driven by electric power supplied from the fuel cell system.

燃料電池システムは、燃料電池セルを複数積層して構成される燃料電池スタック１を備えている。燃料電池スタック１を構成する個々の燃料電池セルは、固体高分子電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とを対設した燃料電池構造体を一対のセパレータで挟持して構成される。燃料電池スタック１は、個々の燃料電池セル毎に、燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスを電気化学的に反応させて電力を発生する。 The fuel cell system includes a fuel cell stack 1 configured by stacking a plurality of fuel cells. Each fuel cell constituting the fuel cell stack 1 is configured by sandwiching a fuel cell structure in which a fuel electrode and an oxidant electrode are opposed to each other with a solid polymer electrolyte membrane interposed between a pair of separators. The fuel cell stack 1 generates electric power by electrochemically reacting the fuel gas and the oxidant gas supplied to the fuel electrode and the oxidant electrode, for each individual fuel cell.

燃料電池スタック１には、燃料電池セルの積層方向に延在する一対の内部流路（マニホールド）が、燃料ガスおよび酸化剤ガスのそれぞれに対応して構成されている。燃料ガス側に対応する一対のマニホールドのうち、一方のマニホールドである供給用マニホールドは、個々の燃料電池セルが備えるガス用流路（セル流路）を介して燃料極の反応面に燃料ガスをそれぞれ供給し、他方のマニホールドである排出用マニホールドは、当該セル流路から排出されたガス（以下「燃料極オフガス」という）がそれぞれ流入する。同様に、酸化剤ガスに対応する一対の内部流路（マニホールド）のうち、一方のマニホールドである供給用マニホールドは、個々の燃料電池セルが備えるガス用流路（セル流路）を介して酸化剤極の反応面に酸化剤ガスをそれぞれ供給し、他方のマニホールドである排出用マニホールドは、当該ガス流路から排出されたガス（以下「酸化剤極オフガス」という）が流入する。 In the fuel cell stack 1, a pair of internal flow paths (manifolds) extending in the stacking direction of the fuel cells are configured corresponding to each of the fuel gas and the oxidant gas. Among the pair of manifolds corresponding to the fuel gas side, the supply manifold, which is one of the manifolds, supplies fuel gas to the reaction surface of the fuel electrode via the gas flow path (cell flow path) provided for each fuel cell. Gases supplied from the respective cell flow paths (hereinafter referred to as “fuel electrode off-gas”) flow into the discharge manifolds that are supplied and the other manifold, respectively. Similarly, the supply manifold, which is one of the pair of internal flow paths (manifolds) corresponding to the oxidant gas, is oxidized via the gas flow paths (cell flow paths) included in the individual fuel cells. Oxidant gas is respectively supplied to the reaction surface of the agent electrode, and gas discharged from the gas flow path (hereinafter referred to as “oxidant electrode off-gas”) flows into the discharge manifold which is the other manifold.

ここで、本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして空気を用いるケースについて説明する。また、本明細書では、「燃料電池セル」、「燃料極」または「酸化剤極」という用語を、単一の燃料電池セル、またはその燃料極または酸化剤極を指す場合のみに用いだけではなく、燃料電池スタック１を構成する燃料電池セルのすべて、または、その燃料極または酸化剤極のすべてを総称する場合にも用いることとする。 Here, in this embodiment, a case where hydrogen is used as the fuel gas and air is used as the oxidant gas will be described. Also, in this specification, the terms “fuel cell”, “fuel electrode” or “oxidant electrode” are not used only when referring to a single fuel cell, or its fuel electrode or oxidant electrode. Rather, it is also used when referring to all of the fuel cells constituting the fuel cell stack 1 or all of its fuel electrodes or oxidizer electrodes.

燃料電池システムは、燃料電池スタック１に水素を供給するための水素系と、燃料電池スタック１に空気を供給するための空気系とをさらに有している。 The fuel cell system further includes a hydrogen system for supplying hydrogen to the fuel cell stack 1 and an air system for supplying air to the fuel cell stack 1.

水素系において、燃料ガスである水素は、燃料タンク１０（例えば、高圧水素ボンベ）に貯蔵されており、この燃料タンク１０から水素供給流路（燃料極入口流路）Ｌ１を介して燃料電池スタック１に供給される。具体的には、水素供給流路Ｌ１は、一方の端部が燃料タンク１０に接続されるとともに、他方の端部が燃料電池スタック１の燃料ガス供給用マニホールドの入口側に接続されている。この水素供給流路Ｌ１において、燃料タンク１０の下流にはタンク元バルブ（図示せず）が設けられており、このタンク元バルブが開状態となると、燃料タンク１０からの高圧水素ガスは、その下流に設けられた減圧バルブ（図示せず）によって機械的に所定の圧力まで減圧される。減圧された水素ガスは、減圧バルブよりも下流に設けられた水素調圧バルブ１１によってさらに減圧された後に、燃料電池スタック１に供給される。燃料電池スタック１に供給される水素圧力、すなわち、燃料電池スタック１の燃料極における水素圧力は、水素調圧バルブ１１の開度を制御することによって調整することができる。燃料タンク１０、水素供給流路Ｌ１およびこの水素供給流路Ｌ１に設けられた水素調圧バルブ１１によって、燃料電池スタック１の燃料極へ水素を供給する水素供給手段が構成される。 In the hydrogen system, hydrogen, which is a fuel gas, is stored in a fuel tank 10 (for example, a high-pressure hydrogen cylinder), and from this fuel tank 10 through a hydrogen supply channel (fuel electrode inlet channel) L1, a fuel cell stack. 1 is supplied. Specifically, one end of the hydrogen supply flow path L1 is connected to the fuel tank 10, and the other end is connected to the inlet side of the fuel gas supply manifold of the fuel cell stack 1. In the hydrogen supply flow path L1, a tank original valve (not shown) is provided downstream of the fuel tank 10, and when the tank original valve is opened, the high-pressure hydrogen gas from the fuel tank 10 The pressure is reduced to a predetermined pressure mechanically by a pressure reducing valve (not shown) provided downstream. The depressurized hydrogen gas is further depressurized by a hydrogen pressure regulating valve 11 provided downstream of the depressurizing valve, and then supplied to the fuel cell stack 1. The hydrogen pressure supplied to the fuel cell stack 1, that is, the hydrogen pressure at the fuel electrode of the fuel cell stack 1 can be adjusted by controlling the opening of the hydrogen pressure regulating valve 11. The fuel tank 10, the hydrogen supply flow path L1, and the hydrogen pressure regulating valve 11 provided in the hydrogen supply flow path L1 constitute hydrogen supply means for supplying hydrogen to the fuel electrode of the fuel cell stack 1.

本実施形態において、燃料電池スタック１は、燃料ガス排出用マニホールドの外部へ通じる出口側が基本的に閉塞されており、燃料電池スタック１から燃料極オフガスの排出が制限されている、いわゆる、閉塞系を採用するシステムである。ただし、これは厳密な意味での閉塞を指すものではなく、窒素などの不活性ガスや液水などの不純物を燃料極から排出するために、燃料ガス用の排出用マニホールドの出口側を例外的に開放する排出システムが設けられている。具体的には、燃料ガス排出用マニホールドの出口側には、燃料極オフガス流路（排出流路）Ｌ２が接続されている。燃料極オフガス流路Ｌ２は、他方の端部が、後述する酸化剤極オフガス流路Ｌ６に接続されている。 In the present embodiment, the fuel cell stack 1 is basically closed at the outlet side leading to the outside of the fuel gas discharge manifold, and the so-called closed system in which discharge of the fuel electrode off-gas from the fuel cell stack 1 is restricted. It is a system that adopts. However, this does not indicate a strict blockage, and in order to discharge impurities such as inert gas such as nitrogen and liquid water from the fuel electrode, the outlet side of the discharge manifold for fuel gas is exceptional. A discharge system is provided that opens to the front. Specifically, a fuel electrode off-gas flow path (discharge flow path) L2 is connected to the outlet side of the fuel gas discharge manifold. The other end of the fuel electrode off-gas channel L2 is connected to an oxidant electrode off-gas channel L6 described later.

燃料極オフガス流路Ｌ２には、所定容量、例えば、燃料電池スタック１を構成する全燃料電池セルに関する燃料極側の容積と同程度もしくは８割程度の容積を空間として備える容積部（容積手段）１２が設けられている。この容積部１２は、燃料極オフガス流路Ｌ２の一部を構成するとともに、燃料極側から流入する燃料極オフガスを一次的に蓄えるバッファとして機能する。容積部１２の鉛直方向の下部には、一方の端部が開放された排水流路Ｌ３が接続されており、この排水流路Ｌ３には、排水バルブ１３が設けられている。容積部１２へと流入した燃料極オフガスに含まれる液水は容積部１２の下部にたまり、排水バルブ１３の開閉状態を制御することにより、排出することができる。また、燃料極オフガス流路Ｌ２には、容積部１２よりも下流側にパージバルブ（開閉手段）１４が設けられている。容積部１２へと流入した燃料極オフガス、具体的には、不純物（主として、窒素など）および未反応な水素を含むガスは、パージバルブ１４の開閉状態を制御することにより、排出することができる。 The fuel electrode off-gas flow path L2 has a predetermined capacity, for example, a volume part (volume means) having a volume equal to or about 80% of the volume on the fuel electrode side for all the fuel cells constituting the fuel cell stack 1 as a space. 12 is provided. The volume portion 12 constitutes a part of the fuel electrode off-gas flow path L2 and functions as a buffer for temporarily storing the fuel electrode off-gas flowing from the fuel electrode side. A drainage flow path L3 having one end opened is connected to the lower portion of the volume portion 12 in the vertical direction, and a drainage valve 13 is provided in the drainage flow path L3. The liquid water contained in the fuel electrode off-gas flowing into the volume part 12 collects in the lower part of the volume part 12 and can be discharged by controlling the open / close state of the drain valve 13. Further, a purge valve (opening / closing means) 14 is provided in the fuel electrode off-gas flow path L2 on the downstream side of the volume portion 12. The fuel electrode off-gas flowing into the volume 12, specifically, a gas containing impurities (mainly nitrogen, etc.) and unreacted hydrogen can be discharged by controlling the open / close state of the purge valve 14.

一方、空気系において、酸化剤ガスである空気は、例えば、大気がコンプレッサ２０によって取り込まれるとこれが加圧され、空気供給流路Ｌ５を介して燃料電池スタック１に供給される。空気供給流路Ｌ５は、一方の端部がコンプレッサ２０に接続されるとともに、他方の端部が燃料電池スタック１における酸化剤ガス供給用マニホールドの入口側に接続されている。また、空気供給流路Ｌ５には、燃料電池スタック１へ供給される空気を加湿するための加湿装置２１が設けられている。 On the other hand, in the air system, for example, air that is an oxidant gas is pressurized when the atmosphere is taken in by the compressor 20 and is supplied to the fuel cell stack 1 via the air supply flow path L5. The air supply flow path L5 has one end connected to the compressor 20 and the other end connected to the inlet side of the oxidant gas supply manifold in the fuel cell stack 1. The air supply flow path L5 is provided with a humidifier 21 for humidifying the air supplied to the fuel cell stack 1.

燃料電池スタック１における酸化剤ガス排出用マニホールドの出口側には、酸化剤極オフガス流路Ｌ６が接続されている。燃料電池スタック１における酸化剤極からの酸化剤極オフガスは、酸化剤極オフガス流路Ｌ６を介して外部に排出される。この酸化剤極オフガス流路Ｌ６には、上述した加湿装置２１が設けられており、発電により生成された水分の除湿が行われる（この除湿した水分は、供給空気の加湿に用いられる）。また、酸化剤極オフガス流路Ｌ６には、加湿装置２１により下流側に、空気調圧バルブ２２が設けられている。燃料電池スタック１に供給される空気圧力、すなわち、燃料電池スタック１の酸化剤極における空気圧力は、空気調圧バルブ２２の開度を制御することによって調整することができる。 An oxidant electrode off-gas flow path L6 is connected to the outlet side of the oxidant gas discharge manifold in the fuel cell stack 1. The oxidant electrode off-gas from the oxidant electrode in the fuel cell stack 1 is discharged to the outside through the oxidant electrode off-gas channel L6. The humidifier 21 described above is provided in the oxidant electrode off-gas flow path L6, and moisture generated by power generation is dehumidified (the dehumidified moisture is used for humidifying the supply air). An air pressure regulating valve 22 is provided downstream of the oxidant electrode off-gas flow path L6 by the humidifier 21. The air pressure supplied to the fuel cell stack 1, that is, the air pressure at the oxidant electrode of the fuel cell stack 1 can be adjusted by controlling the opening of the air pressure regulating valve 22.

また、燃料電池システムには、燃料電池スタック１から取り出す出力（例えば、電流）を制御する出力取出装置３０が備えられている。燃料電池スタック１において発電された電力は、出力取出装置３０を介して負荷、例えば、車両駆動用の電動モータ（図示せず）や燃料電池スタック１の発電動作に必要な種々の補機に供給される。また、出力取出装置３０において発電された電力は、二次電池（図示せず）にも供給されている。この二次電池は、システムの起動時や過渡応答時などに、燃料電池スタック１から負荷へ供給される電力の不足を補うために備えられている。 Further, the fuel cell system includes an output extraction device 30 that controls an output (for example, current) extracted from the fuel cell stack 1. The electric power generated in the fuel cell stack 1 is supplied to a load, for example, an electric motor (not shown) for driving the vehicle and various auxiliary devices necessary for the power generation operation of the fuel cell stack 1 via the output extraction device 30. Is done. Moreover, the electric power generated in the output extraction device 30 is also supplied to a secondary battery (not shown). This secondary battery is provided to compensate for the shortage of power supplied from the fuel cell stack 1 to the load at the time of system startup or transient response.

制御部（制御手段）４０は、システム全体を統合的に制御する機能を担っており、制御プログラムに従って動作することにより、システムの運転状態を制御する。制御部４０としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。この制御部４０は、ＲＯＭに格納された制御プログラムに従い各種の演算を行い、この演算結果を制御信号として各種のアクチュエータ（図示せず）に出力する。これにより、水素調圧バルブ１１、排水バルブ１３、パージバルブ１４、コンプレッサ２０、空気調圧バルブ２２、出力取出装置３０といった種々の要素を制御し、燃料電池スタック１の発電動作を行う。 The control unit (control means) 40 has a function of controlling the entire system in an integrated manner, and controls the operating state of the system by operating according to the control program. As the control unit 40, a microcomputer mainly composed of a CPU, a ROM, a RAM, and an I / O interface can be used. The control unit 40 performs various calculations according to a control program stored in the ROM, and outputs the calculation results to various actuators (not shown) as control signals. Thus, various elements such as the hydrogen pressure regulating valve 11, the drain valve 13, the purge valve 14, the compressor 20, the air pressure regulating valve 22, and the output extraction device 30 are controlled, and the power generation operation of the fuel cell stack 1 is performed.

制御部４０には、システムの状態を検出するために、各種センサ等からのセンサ信号が入力されている。本実施形態では、水素圧力センサ４１と、空気圧力センサ４２と、スタック温度センサ４３とが挙げられる。水素圧力センサ４１は、燃料電池スタック１に供給される水素の圧力を検出する。空気圧力センサ４２は、燃料電池スタック１に供給される空気の圧力を検出する。スタック温度センサ４３は、燃料電池スタック１の温度を検出する。 Sensor signals from various sensors and the like are input to the control unit 40 in order to detect the state of the system. In the present embodiment, a hydrogen pressure sensor 41, an air pressure sensor 42, and a stack temperature sensor 43 are exemplified. The hydrogen pressure sensor 41 detects the pressure of hydrogen supplied to the fuel cell stack 1. The air pressure sensor 42 detects the pressure of the air supplied to the fuel cell stack 1. The stack temperature sensor 43 detects the temperature of the fuel cell stack 1.

制御部４０は、以下に示す形態で燃料電池システムを制御する。制御部４０は、燃料電池スタック１に空気および水素を供給し、これにより、燃料電池スタック１による発電を行う。この場合、制御部４０は、空気および水素を所定の運転圧力で供給する。燃料電池スタック１に供給する空気および水素の圧力（運転圧力）は、例えば、燃料電池スタック１による発電電力に応じた値（可変値）として設定される。 The controller 40 controls the fuel cell system in the form shown below. The control unit 40 supplies air and hydrogen to the fuel cell stack 1, thereby generating power by the fuel cell stack 1. In this case, the control unit 40 supplies air and hydrogen at a predetermined operating pressure. The pressure (operating pressure) of air and hydrogen supplied to the fuel cell stack 1 is set as a value (variable value) according to the power generated by the fuel cell stack 1, for example.

本実施形態の特徴の一つとして、制御部４０は、酸化剤極への空気供給については、発電電力に応じた運転圧力にしたがって圧力制御を行うものの、燃料極の水素供給については、図２に示すように、上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２との範囲内において圧力を周期的に増減させる圧力制御を行う。換言すれば、制御部４０は、上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２との間で圧力増減を行う制御パターンに基づいて、燃料電池スタック１の燃料極における水素の圧力を周期的に変動させる。 As one of the features of the present embodiment, the control unit 40 controls the pressure according to the operating pressure corresponding to the generated power for the air supply to the oxidant electrode, but the hydrogen supply for the fuel electrode is shown in FIG. As shown in FIG. 4, pressure control is performed to periodically increase or decrease the pressure within the range of the upper limit pressure P1 and the lower limit pressure P2. In other words, the control unit 40 periodically varies the hydrogen pressure at the fuel electrode of the fuel cell stack 1 based on a control pattern in which the pressure is increased or decreased between the upper limit pressure P1 and the lower limit pressure P2.

具体的には、制御部４０は、燃料極の水素圧力が上限圧力Ｐ１に到達しており、燃料極内に発電を行うための十分な水素濃度が確保されていることを前提に、燃料電池スタック１への水素の供給を停止させる。制御部４０は、出力取出装置３０を介して燃料電池スタック１から電流を取り出すことにより、発電反応により水素が消費され、燃料極の水素の圧力が低下する。つぎに、制御部４０は、燃料極の水素圧力が下限圧力Ｐ２まで低下したことを条件に、燃料電池スタック１へ水素の供給を再開させる。これにより、燃料極における水素の圧力を増加させる。そして、制御部４０は、水素圧力が上限圧力Ｐ１まで増加したことを条件に、水素の供給を再度停止させる。このような一連の処理を単位制御パターンとして繰り返すことで、制御部４０は、水素の圧力を周期的に変動させながら、燃料電池スタック１の燃料極へ水素を供給する。 Specifically, the control unit 40 assumes that the hydrogen pressure of the fuel electrode has reached the upper limit pressure P1 and that a sufficient hydrogen concentration for generating power is secured in the fuel electrode. The supply of hydrogen to the stack 1 is stopped. The control unit 40 extracts current from the fuel cell stack 1 via the output extraction device 30, so that hydrogen is consumed by the power generation reaction, and the pressure of hydrogen at the fuel electrode decreases. Next, the control unit 40 restarts the supply of hydrogen to the fuel cell stack 1 on the condition that the hydrogen pressure of the fuel electrode has decreased to the lower limit pressure P2. Thereby, the pressure of hydrogen in the fuel electrode is increased. And the control part 40 stops supply of hydrogen again on condition that the hydrogen pressure increased to the upper limit pressure P1. By repeating such a series of processes as a unit control pattern, the control unit 40 supplies hydrogen to the fuel electrode of the fuel cell stack 1 while periodically changing the hydrogen pressure.

燃料電池スタック１への水素供給および停止は、水素調圧バルブ１１の開閉状態を切り換えることにより可能であり、燃料極の水素圧力は、水素圧力センサ４１の検出値を参照することにより、モニタリング可能である。なお、圧力増加を行う場合には、水素調圧バルブ１１よりも上流側の水素圧力を十分に高くしておき、圧力の増加速度を極力速めることが望ましい。例えば、０．１〜０．５秒程度に設定するといった如くである。一方、上限圧力Ｐ１、下限圧力Ｐ２まで達する時間は、１秒から１０秒程度であるが、この時間は、上下限圧力Ｐ１，Ｐ２、および、燃料電池スタック１から取り出す電流値、すなわち水素消費速度に依存する。 Hydrogen supply and stop to the fuel cell stack 1 can be performed by switching the open / close state of the hydrogen pressure regulating valve 11, and the hydrogen pressure of the fuel electrode can be monitored by referring to the detection value of the hydrogen pressure sensor 41. It is. In addition, when performing a pressure increase, it is desirable to make the hydrogen pressure upstream from the hydrogen pressure regulating valve 11 sufficiently high so as to increase the pressure increase rate as much as possible. For example, it is set to about 0.1 to 0.5 seconds. On the other hand, the time to reach the upper limit pressure P1 and the lower limit pressure P2 is about 1 to 10 seconds. This time is the upper and lower limit pressures P1 and P2 and the current value taken out from the fuel cell stack 1, that is, the hydrogen consumption rate. Depends on.

また、本実施形態の特徴の一つとして、制御部４０は、パージバルブ１４により燃料極オフガス流路Ｌ２におけるガスの流れを制限しているものの、燃料極に供給される水素の圧力増加過程に対応して、パージバルブ１４により燃料極オフガス流路Ｌ２を開放する。 Further, as one of the features of the present embodiment, the control unit 40 corresponds to the process of increasing the pressure of hydrogen supplied to the fuel electrode, although the purge valve 14 restricts the gas flow in the fuel electrode off-gas flow path L2. Then, the fuel electrode off-gas flow path L2 is opened by the purge valve 14.

図３は、本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池スタック１の制御方法、具体的には、制御パラメータの決定方法を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、所定の周期で呼び出され、制御部４０によって実行される。この処理によって設定される制御パラメータは、水素供給用の上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２と、パージバルブ１４の開閉タイミングとであり、設定された各パラメータは、ガス供給制御およびパージバルブ１４の開閉制御における制御パラメータとして反映される。 FIG. 3 is a flowchart showing a control method of the fuel cell stack 1 according to the first embodiment of the present invention, specifically, a control parameter determination method. The process shown in this flowchart is called at a predetermined cycle and executed by the control unit 40. The control parameters set by this process are the upper limit pressure P1 and lower limit pressure P2 for supplying hydrogen, and the opening / closing timing of the purge valve 14. The set parameters are controls in the gas supply control and the opening / closing control of the purge valve 14. It is reflected as a parameter.

まず、ステップ１（Ｓ１）において、制御部４０は、負荷電流Ｃｔを演算する。制御部４０は、車両の速度、ドライバーのアクセル操作量、さらには二次電池に関する情報に基づいて、燃料電池スタック１の目標発電電力を決定する。制御部４０は、目標発電電力に基づいて、燃料電池スタック１から取り出す電流値である負荷電流Ｃｔを演算する。 First, in step 1 (S1), the control unit 40 calculates the load current Ct. The control unit 40 determines the target generated power of the fuel cell stack 1 based on the vehicle speed, the accelerator operation amount of the driver, and information on the secondary battery. The control unit 40 calculates a load current Ct, which is a current value extracted from the fuel cell stack 1, based on the target generated power.

ステップ２（Ｓ２）において、制御部４０は、上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２を設定する。上述したように、燃料極への水素供給を行う場合、制御部４０は、上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２との間で圧力増減を行い、この制御パターンを繰り返すことにより、燃料極の水素圧力を周期的に変動させる。上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２は、制御パターンを規定するパラメータであり、負荷電流Ｃｔに応じて設定される。 In step 2 (S2), the control unit 40 sets an upper limit pressure P1 and a lower limit pressure P2. As described above, when supplying hydrogen to the fuel electrode, the control unit 40 increases or decreases the pressure between the upper limit pressure P1 and the lower limit pressure P2, and repeats this control pattern to thereby increase the hydrogen pressure of the fuel electrode. Change periodically. The upper limit pressure P1 and the lower limit pressure P2 are parameters that define the control pattern, and are set according to the load current Ct.

図４は、負荷電流Ｃｔと、上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２との対応関係を示す説明図である。燃料電池スタック１から負荷電流Ｃｔを取り出すために必要な反応ガスを供給するための運転圧力Ｐsaは、燃料電池スタック１、水素系および空気系などのシステムの特性を考慮することにより、実験やシミュレーションを通じて定義することができる。酸化剤極へ空気を供給する場合には、この運転圧力Ｐsaは目標運転圧力として設定される。
これに対して、燃料極へ水素を供給する場合には、運転圧力Ｐsaをベースに、燃料電池セルにおける酸化剤極と燃料極との許容膜間差圧を限度として、上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２がそれぞれ設定されている。 FIG. 4 is an explanatory diagram showing a correspondence relationship between the load current Ct and the upper limit pressure P1 and the lower limit pressure P2. The operating pressure Psa for supplying the reaction gas necessary for taking out the load current Ct from the fuel cell stack 1 is determined based on the characteristics of the system such as the fuel cell stack 1, the hydrogen system and the air system. Can be defined through. When air is supplied to the oxidizer electrode, this operating pressure Psa is set as the target operating pressure.
On the other hand, when hydrogen is supplied to the fuel electrode, the upper limit pressure P1 and the lower limit pressure are limited to the allowable transmembrane pressure difference between the oxidant electrode and the fuel electrode in the fuel cell, based on the operating pressure Psa. P2 is set for each.

具体的には、低負荷の場合、すなわち、負荷電流Ｃｔが小さい場合は、上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２との差圧ΔＰが相対的に小さくなるように、例えば、５０ｋＰａ程度に設定されている。この場合、個々の燃料電池セルにおける平均的な水素濃度は、４０％程度となる。これに対して、高負荷の場合、すなわち、負荷電流Ｃｔが大きい場合、ガス圧力を大きくしたほうが発電効率が高くなることから、酸化剤極側および燃料極側とも全体的に供給圧力を上げている。また、上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２との差圧ΔＰは、１００ｋＰａ程度に設定されている。この場合、個々の燃料電池セルにおける平均的な水素濃度は、７５％程度で運転が行われる。 Specifically, when the load is low, that is, when the load current Ct is small, the pressure difference ΔP between the upper limit pressure P1 and the lower limit pressure P2 is set to, for example, about 50 kPa. . In this case, the average hydrogen concentration in each fuel cell is about 40%. On the other hand, when the load is high, that is, when the load current Ct is large, the power generation efficiency increases when the gas pressure is increased. Therefore, the supply pressure is increased on the oxidant electrode side and the fuel electrode side as a whole. Yes. Further, the differential pressure ΔP between the upper limit pressure P1 and the lower limit pressure P2 is set to about 100 kPa. In this case, the operation is performed at an average hydrogen concentration in each fuel cell of about 75%.

周期的な圧力増減を行う本実施形態において、燃料電池スタック１の内部（燃料極）の雰囲気は、下限圧力Ｐ２のタイミングにおいて水素濃度が低い状態にあり、上限圧力Ｐ１のタイミングおいて水素濃度が高い状態になる。そのため、下限圧力Ｐ２から上限圧力Ｐ１まで圧力を増加させることにより、高水素濃度のガスが燃料極へ導入され、これにより、低水素濃度のガスが燃料電池スタック１から容積部１２へ押し込まれる。また、高水素濃度のガスにより燃料極内のガスが攪拌されることとなる。 In this embodiment in which the pressure is periodically increased and decreased, the atmosphere inside the fuel cell stack 1 (fuel electrode) is in a state where the hydrogen concentration is low at the timing of the lower limit pressure P2, and the hydrogen concentration is at the timing of the upper limit pressure P1. Become high. Therefore, by increasing the pressure from the lower limit pressure P2 to the upper limit pressure P1, a gas with a high hydrogen concentration is introduced into the fuel electrode, whereby a gas with a low hydrogen concentration is pushed into the volume portion 12 from the fuel cell stack 1. Further, the gas in the fuel electrode is agitated by the gas having a high hydrogen concentration.

図５は、燃料電池スタック１における燃料極側の容積Ｒｓと容積部１２の容積Ｒｔとを模式的に示す説明図である。例えば、上限圧力Ｐ１を２００ｋＰａ（絶対圧）とし、下限圧力Ｐ２を１５０ｋＰａ（絶対圧）とした場合、上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２との圧力比Ｐ１／Ｐ２は概ね１．３３となる。この場合、同図（ａ）に示すように、下限圧力Ｐ２から上限圧力Ｐ１への圧力増加により、燃料系の容積（具体的には、燃料電池スタック１および容積部１２の容積）のうち１／４程度、つまり燃料電池スタック１の５割地点まで新たな水素が流入することとなる（以下、この状態を水素交換率０．５と表現する）。 FIG. 5 is an explanatory diagram schematically showing the volume Rs on the fuel electrode side and the volume Rt of the volume portion 12 in the fuel cell stack 1. For example, when the upper limit pressure P1 is 200 kPa (absolute pressure) and the lower limit pressure P2 is 150 kPa (absolute pressure), the pressure ratio P1 / P2 between the upper limit pressure P1 and the lower limit pressure P2 is approximately 1.33. In this case, as shown in FIG. 9A, 1 of the volume of the fuel system (specifically, the volume of the fuel cell stack 1 and the volume portion 12) is increased by the pressure increase from the lower limit pressure P2 to the upper limit pressure P1. / 4, that is, new hydrogen flows into 50% of the fuel cell stack 1 (hereinafter, this state is expressed as a hydrogen exchange rate of 0.5).

負荷電流Ｃｔが低い場合には水素の消費速度が遅いため、概ねこの程度の水素交換率において燃料電池スタック１の発電が可能となる。このシーンにおいて、例えば、時間平均された燃料極オフガス中の水素濃度は、約４０％である。これに対して、負荷電流が高い場合には、燃料電池スタック１の燃料極全体が新たな水素で置き換わる程の圧力比Ｐ１／Ｐ２（例えば、２以上）、つまり水素交換率が１程度となることが望ましい。排出される水素濃度を低く抑えたいものの、水素消費速度が速いため、発電を安定的に行うためにはある一定以上の水素濃度が必要となる（例えば、約７５％以上が必要となる）。 When the load current Ct is low, the hydrogen consumption rate is slow, so that the fuel cell stack 1 can generate power at a hydrogen exchange rate of this level. In this scene, for example, the time-averaged hydrogen concentration in the anode off-gas is about 40%. On the other hand, when the load current is high, the pressure ratio P1 / P2 (for example, 2 or more), that is, the hydrogen exchange rate is about 1 so that the entire fuel electrode of the fuel cell stack 1 is replaced with new hydrogen. It is desirable. Although the hydrogen concentration to be discharged is desired to be kept low, the hydrogen consumption rate is fast, so that a certain hydrogen concentration or more is necessary for stable power generation (for example, about 75% or more is required).

制御部４０は、以上の点を考慮して作成された上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２と負荷電流Ｃｔとの対応関係を、マップまたは演算式として保持している。そして、制御部４０は、現在の負荷電流Ｃｔに基づいて、上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２を設定する。 The control unit 40 holds the correspondence relationship between the upper limit pressure P1 and the lower limit pressure P2 and the load current Ct created in consideration of the above points as a map or an arithmetic expression. Then, the control unit 40 sets the upper limit pressure P1 and the lower limit pressure P2 based on the current load current Ct.

ステップ３（Ｓ３）において、制御部４０は、パージバルブ１４の開閉タイミングを設定する。パージバルブ１４の開閉は、不純物の排出、すなわち、燃料極の水素濃度を調整するために必要となる。そこで、パージバルブ１４から、周期的な圧力増減による水素の供給を妨げない程度の微小流量を連続的あるいは間欠的に排出させる。パージバルブ１４より排出されるガスは微小流量のため、カソード側の排気により希釈され安全に系外へ排出される。パージバルブ１４の開放は、燃料極から不純物（窒素や水蒸気）を排出するために行うものであるが、燃料極には水素も混在している。そのため、水素の排出を抑制して、不純物を有効に排出することが好ましい。 In step 3 (S3), the control unit 40 sets the opening / closing timing of the purge valve 14. The opening and closing of the purge valve 14 is necessary to discharge impurities, that is, to adjust the hydrogen concentration of the fuel electrode. Therefore, a very small flow rate is prevented from the purge valve 14 continuously or intermittently so as not to hinder the supply of hydrogen due to periodic pressure fluctuations. Since the gas discharged from the purge valve 14 has a minute flow rate, it is diluted by the exhaust on the cathode side and safely discharged out of the system. The purge valve 14 is opened to discharge impurities (nitrogen and water vapor) from the fuel electrode, but hydrogen is also mixed in the fuel electrode. Therefore, it is preferable to effectively discharge impurities while suppressing hydrogen discharge.

そこで、本実施形態では、水素供給において、その圧力を下限圧力Ｐ２から上限圧力Ｐ１へと増加させる過程に対応して、パージバルブ１４を開状態に制御し、これを開放する。具体的には、図６に示すように、制御部４０は、燃料電池スタック１の燃料極の水素圧力をモニタリングし、これが下限圧力Ｐ２に到達したタイミングＴｏに対応してパージバルブ１４を開状態に制御し、また、これが上限圧力Ｐ１に到達したタイミングＴｃに対応してパージバルブ１４を閉状態に制御する（基本制御パターン）。これにより、低水素濃度のガスが燃料電池スタック１から容積部１２に押し込まれ、かつ、高濃度水素がパージバルブ１４に到達する前に、容積部１２から低水素濃度のガスがパージバルブ１４を介して排出される。これにより、効率よく多くの不純物を排出することが可能となる。 Therefore, in the present embodiment, in the hydrogen supply, the purge valve 14 is controlled to be opened and opened in response to the process of increasing the pressure from the lower limit pressure P2 to the upper limit pressure P1. Specifically, as shown in FIG. 6, the control unit 40 monitors the hydrogen pressure at the fuel electrode of the fuel cell stack 1 and opens the purge valve 14 in response to the timing To when this reaches the lower limit pressure P2. Further, the purge valve 14 is controlled to be closed in accordance with the timing Tc when the pressure reaches the upper limit pressure P1 (basic control pattern). As a result, the low hydrogen concentration gas is pushed from the fuel cell stack 1 into the volume portion 12 and before the high concentration hydrogen reaches the purge valve 14, the low hydrogen concentration gas passes through the purge valve 14. Discharged. Thereby, it becomes possible to discharge many impurities efficiently.

ただし、パージバルブ１４の開閉制御は、図６に示す基本制御パターンに限定されず、少なくとも下限圧力Ｐ２から上限圧力Ｐ１へと圧力を増加させる過程を含むように、パージバルブ１４が開状態に制御されていれば足りる。そのため、図７に示すように、パージバルブ１４を閉状態に制御するタイミングは、水素圧力が上限圧力Ｐ１に到達したタイミングＴｃ（以下「基準閉タイミングＴｃ」という）よりも遅延したタイミングＴcaに修正することもできる。 However, the opening / closing control of the purge valve 14 is not limited to the basic control pattern shown in FIG. 6, and the purge valve 14 is controlled to be in the open state so as to include at least a process of increasing the pressure from the lower limit pressure P2 to the upper limit pressure P1. If it is enough. Therefore, as shown in FIG. 7, the timing at which the purge valve 14 is controlled to be closed is corrected to a timing Tca delayed from the timing Tc at which the hydrogen pressure reaches the upper limit pressure P1 (hereinafter referred to as “reference closing timing Tc”). You can also

高濃度水素と低濃度水素の境目は、拡散速度を考えた場合、短時間の範囲なら一定の面として判別できる。そこで、水素の供給時、燃料電池スタック１および容積部１２において、どのくらいの時間でどの位置まで境界面（いわゆる、水素フロント）が到達するかを、実験やシミュレーションを通じて予測しておく。そして、この境界面がパージバルブ１４に到達するまでのタイミングまで、パージバルブ１４を閉状態に制御するタイミングを基準閉タイミングＴｃよりも遅らせることができる。 The boundary between high-concentration hydrogen and low-concentration hydrogen can be determined as a constant surface within a short time range when considering the diffusion rate. Therefore, at the time of supply of hydrogen, the position at which the boundary surface (so-called hydrogen front) arrives in the fuel cell stack 1 and the volume portion 12 is predicted through experiments and simulations. The timing for controlling the purge valve 14 to the closed state can be delayed from the reference closing timing Tc until the timing until the boundary surface reaches the purge valve 14.

また、パージバルブ１４を閉状態に制御するタイミングは、上限圧力Ｐ１が低い程、基準閉タイミングＴｃよりも遅く設定することができる。燃料極へ流入する水素の速度は、上限圧力Ｐ１が低い時の方が、それが高いときと比較して遅くなる。そのため、不純物の排出が抑制されてしまう傾向があるからである。 The timing for controlling the purge valve 14 to be closed can be set later than the reference closing timing Tc as the upper limit pressure P1 is lower. The speed of hydrogen flowing into the fuel electrode is slower when the upper limit pressure P1 is lower than when it is higher. For this reason, the discharge of impurities tends to be suppressed.

また、パージバルブ１４を閉状態に制御するタイミングは、燃料電池スタック１の温度が高い程、基準閉タイミングＴｃよりも遅く設定することができる。燃料電池スタック１の温度が高い程、酸化剤極から燃料極へと透過する窒素量が増えるため、流路内に多くの不純物が存在する傾向となるからである。 The timing for controlling the purge valve 14 to be closed can be set later than the reference closing timing Tc as the temperature of the fuel cell stack 1 increases. This is because, as the temperature of the fuel cell stack 1 is higher, the amount of nitrogen that permeates from the oxidant electrode to the fuel electrode increases, so that more impurities tend to exist in the flow path.

また、パージバルブ１４を閉状態に制御するタイミングは、燃料電池スタック１の燃料電池構造体の湿度が高い程、基準閉タイミングＴｃよりも遅く設定することができる。燃料電池構造体の湿度が高い程、燃料極側へ透過する窒素量が増えるため、流路内に多くの不純物が存在する傾向となるからである。なお、燃料電池構造体の湿度は、負荷電流から予測したり、セル抵抗を計測することによって予測したりしてもよい。 The timing for controlling the purge valve 14 to be closed can be set later than the reference closing timing Tc as the humidity of the fuel cell structure of the fuel cell stack 1 is higher. This is because the higher the humidity of the fuel cell structure, the greater the amount of nitrogen that permeates to the fuel electrode side, so that more impurities tend to exist in the flow path. The humidity of the fuel cell structure may be predicted from a load current or may be predicted by measuring cell resistance.

また、パージバルブ１４を閉状態に制御するタイミングは、酸化剤極へ供給される空気の圧力が高い程、基準閉タイミングＴｃよりも遅く設定することができる。酸化剤極へ供給される空気の圧力が高い程、燃料極側へ透過する窒素量が増えるため、流路内に多くの不純物が存在する傾向となるからである。 The timing for controlling the purge valve 14 to be closed can be set later than the reference closing timing Tc as the pressure of the air supplied to the oxidant electrode is higher. This is because the higher the pressure of the air supplied to the oxidant electrode, the more nitrogen will permeate to the fuel electrode side, so that more impurities tend to exist in the flow path.

一方、図７に示すように、パージバルブ１４を開状態に制御するタイミングは、水素圧力が下限圧力Ｐ２に到達したタイミングＴｏ（以下「基準開タイミングＴｏ」）よりも先行したタイミングＴoaに設定することできる。例えば、パージバルブ１４を開状態に制御するタイミングは、燃料電池スタック１の温度が高い程、基準開タイミングＴｏよりも先行させることができる。上述したように、燃料電池スタック１の温度が高い程、酸化剤極から燃料極へと透過する窒素量が増えるため、流路内に多くの不純物が存在する傾向となるからである。 On the other hand, as shown in FIG. 7, the timing for controlling the purge valve 14 to open is set to timing Toa that precedes timing To (hereinafter referred to as “reference opening timing To”) when the hydrogen pressure reaches the lower limit pressure P2. it can. For example, the timing for controlling the purge valve 14 to the open state can be preceded by the reference opening timing To as the temperature of the fuel cell stack 1 increases. This is because, as described above, the higher the temperature of the fuel cell stack 1, the more nitrogen that permeates from the oxidant electrode to the fuel electrode, so that more impurities tend to exist in the flow path.

また、パージバルブ１４を開状態に制御するタイミングは、燃料電池スタック１の燃料電池構造体の湿度が高い程基準開タイミングＴｏよりも先行させることができる。燃料電池構造体の湿度が高い程、燃料極側へ透過する窒素量が増えるため、流路内に多くの不純物が存在する傾向となるからである。 Further, the timing at which the purge valve 14 is controlled to be opened can be preceded by the reference opening timing To as the humidity of the fuel cell structure of the fuel cell stack 1 increases. This is because the higher the humidity of the fuel cell structure, the greater the amount of nitrogen that permeates to the fuel electrode side, so that more impurities tend to exist in the flow path.

また、パージバルブ１４を開状態に制御するタイミングは、酸化剤極へ供給される空気の圧力が高い程、基準開タイミングＴｏよりも先行させることができる。酸化剤極へ供給される空気の圧力が高い程、燃料極側へ透過する窒素量が増えるため、流路内に多くの不純物が存在する傾向となるからである。 Further, the timing for controlling the purge valve 14 to be opened can be preceded by the reference opening timing To as the pressure of the air supplied to the oxidant electrode is higher. This is because the higher the pressure of the air supplied to the oxidant electrode, the more nitrogen will permeate to the fuel electrode side, so that more impurities tend to exist in the flow path.

制御部４０は、以上の点を考慮して、基準閉タイミングＴｃおよび基準開タイミングＴｏに基づいて、あるいは、修正された閉タイミングＴcaおよび修正された開タイミングＴoaに基づいて、パージバルブ１４の開閉タイミングを設定する。 In consideration of the above points, the controller 40 opens or closes the purge valve 14 based on the reference closing timing Tc and the reference opening timing To, or based on the corrected closing timing Tca and the corrected opening timing Toa. Set.

このように本実施形態において、制御部４０は、燃料電池スタック１の燃料極における水素の圧力増加過程に対応して、パージバルブ１４を開放する。かかる構成によれば、圧力増加に対応して高水素濃度のガスが導入されると、燃料極に残留する低水素濃度のガスが容積部１２へと押し出され、高水素濃度のガスにより置換される。また、容積部１２へと押し出された低水素濃度のガスは、パージバルブ１４から排出される。これにより、水素よりも不純物を優先的に排出することができる。また、新たに導入された高水素濃度のガスが、パージバルブ１４から排出される前にパージバルブ１４を閉じることが可能となるので、高濃度の水素が排出されるといった事態を抑制することができる。そのため、水素の排出を抑制しつつ、窒素などの不活性ガスを効率的に排出することができる。 Thus, in the present embodiment, the control unit 40 opens the purge valve 14 in response to the hydrogen pressure increasing process at the fuel electrode of the fuel cell stack 1. According to such a configuration, when a gas with a high hydrogen concentration is introduced in response to an increase in pressure, the gas with a low hydrogen concentration remaining in the fuel electrode is pushed out to the volume portion 12 and replaced with the gas with a high hydrogen concentration. The In addition, the low hydrogen concentration gas pushed out to the volume portion 12 is discharged from the purge valve 14. Thereby, impurities can be discharged preferentially over hydrogen. In addition, since the purge valve 14 can be closed before the newly introduced high hydrogen concentration gas is discharged from the purge valve 14, it is possible to suppress a situation where high concentration hydrogen is discharged. Therefore, it is possible to efficiently discharge an inert gas such as nitrogen while suppressing the discharge of hydrogen.

また、本実施形態において、制御部４０は、燃料極における水素圧力が下限圧力Ｐ２に到達したタイミングＴｏに対応してパージバルブ１４により燃料極オフガス流路Ｌ２を開放し、そして、燃料極における水素圧力が上限圧力Ｐ１に到達したタイミングＴｃに対応してパージバルブ１４により燃料極オフガス流路Ｌ２におけるガスの流れを制限する。これにより、上述した制御パターンを実現することができ、水素の排出を抑制しつつ、窒素などの不活性ガスを効率的に排出することができる。 In the present embodiment, the control unit 40 opens the fuel electrode off-gas flow path L2 by the purge valve 14 in response to the timing To when the hydrogen pressure at the fuel electrode reaches the lower limit pressure P2, and the hydrogen pressure at the fuel electrode. Corresponding to the timing Tc when the pressure reaches the upper limit pressure P1, the purge valve 14 restricts the gas flow in the fuel electrode off-gas flow path L2. Thereby, the control pattern mentioned above is realizable, and inert gas, such as nitrogen, can be discharged | emitted efficiently, suppressing discharge | emission of hydrogen.

また、本実施形態において、制御部４０は、燃料極における水素圧力が下限圧力Ｐ２に到達するタイミングＴｏよりも先行したタイミングＴoaにおいてパージバルブ１４により燃料極オフガス流路Ｌ２を開放する。また、制御部４０は、燃料極における水素圧力が上限圧力Ｐ１に到達したタイミングＴｃよりも遅れたタイミングＴcaにおいてパージバルブ１４により燃料極オフガス流路Ｌ２におけるガスの流れを制限する。かかる構成によれば、パージバルブ１４による開放時間を増やすことできるので、より効率的に不活性ガスを排出することができる。 In the present embodiment, the control unit 40 opens the fuel electrode off-gas flow path L2 by the purge valve 14 at a timing Toa that precedes the timing To when the hydrogen pressure at the fuel electrode reaches the lower limit pressure P2. Further, the control unit 40 restricts the gas flow in the fuel electrode off-gas flow path L2 by the purge valve 14 at a timing Tca delayed from the timing Tc at which the hydrogen pressure at the fuel electrode reaches the upper limit pressure P1. According to this configuration, since the opening time by the purge valve 14 can be increased, the inert gas can be discharged more efficiently.

なお、本実施形態において、パージバルブ１４は、燃料極オフガス流路Ｌ２において、最大限下流位置に設置されていることが好ましい。これにより、水素フロントがパージバルブ１４に到達するまでの時間を長く設定することができるので、より多くの不純物の排出を行うことができる。 In the present embodiment, the purge valve 14 is preferably installed at the maximum downstream position in the fuel electrode off-gas flow path L2. Thereby, since the time until the hydrogen front reaches the purge valve 14 can be set longer, more impurities can be discharged.

また、本実施形態の燃料電池システムでは、パージバルブ１４は、図８に示すように、開度を制御するタイプのバルブであってもよい。この場合、パージバルブ１４を開放するタイミングでは、その開度は１００％で一律に固定せずに、適宜、必要な開度に調整することも可能である。さらに、パージバルブ１４は、開閉状態の切換をパルス的に行うタイプのバルブであってもよい。このケースでは、図９に示すように、燃料極における水素の圧力増加過程に対応して、パージバルブ１４の開閉頻度を小から大へと切り換えることにより、上述したパージバルブ１４の開閉制御と同様に、燃料極オフガス流路Ｌ２を開放したり、燃料極オフガス流路Ｌ２におけるガスの流れを制限したりすることができる。 In the fuel cell system of the present embodiment, the purge valve 14 may be a valve of a type that controls the opening degree, as shown in FIG. In this case, at the timing when the purge valve 14 is opened, the opening degree is not fixed uniformly at 100%, but can be appropriately adjusted to a necessary opening degree. Further, the purge valve 14 may be a type of valve that switches between open and closed states in a pulsed manner. In this case, as shown in FIG. 9, the switching frequency of the purge valve 14 is switched from small to large in accordance with the hydrogen pressure increasing process in the fuel electrode. The fuel electrode off-gas channel L2 can be opened, or the gas flow in the fuel electrode off-gas channel L2 can be restricted.

また、本実施形態において、制御部４０は、パージバルブ１４の開放を、水素供給の圧力増加の全てに対応して行う必要はない。例えば、燃料極における水素濃度がある判定閾値以上となった場合に、水素供給の圧力増加に対応してパージバルブ１４を開放すればよい。 Further, in the present embodiment, the controller 40 does not have to open the purge valve 14 in response to all of the hydrogen supply pressure increases. For example, when the hydrogen concentration at the fuel electrode exceeds a certain threshold value, the purge valve 14 may be opened in response to an increase in the hydrogen supply pressure.

また、発電反応を阻害する要因として液水も考えられるので、これも併せて排出してもよい。ただし、不活性ガスの存在に比べ、液水が影響するまでの時間は長いため、周期的な圧力増減の毎回ではなく、複数回に１回、あるいは一定時間毎に、この液水排出のための処理を実行することが好ましい。液水は、燃料電池スタック１内から除去されればよいので、これを燃料電池スタック１から容積部１２へと排出することを考える。この場合、流速を上げる必要があるので、上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２との差圧ΔＰを１００ｋＰａ程度とすることが好ましい。 Moreover, since liquid water is also considered as a factor that inhibits the power generation reaction, it may be discharged together. However, since the time until the liquid water is affected is longer than the presence of the inert gas, the liquid water is discharged not once every time the pressure is periodically increased / decreased, but once every multiple times or every fixed time. It is preferable to execute the process. Since the liquid water only needs to be removed from the fuel cell stack 1, it is considered that the liquid water is discharged from the fuel cell stack 1 to the volume portion 12. In this case, since it is necessary to increase the flow velocity, it is preferable to set the differential pressure ΔP between the upper limit pressure P1 and the lower limit pressure P2 to about 100 kPa.

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池システムについて説明する。第１の実施形態では、燃料電池スタック１において負荷電流Ｃｔに対応した発電を行う通常運転時の処理を述べたが、本実施形態では、システムの起動時およびシステムの停止時の処理についてそれぞれ説明する。なお、燃料電池システムの構成は第１の実施形態と同じであるため、重複する説明は省略することとし、以下相違点を中心に説明を行う。 (Second Embodiment)
The fuel cell system according to the second embodiment of the present invention will be described below. In the first embodiment, the processing at the time of normal operation in which power generation corresponding to the load current Ct is performed in the fuel cell stack 1 has been described. In the present embodiment, processing at the time of starting the system and at the time of stopping the system will be described. To do. In addition, since the structure of a fuel cell system is the same as 1st Embodiment, suppose that the overlapping description is abbreviate | omitted and demonstrates centering on difference below.

まず、起動処理について説明する。システム停止後、燃料電池スタック１が直ぐに起動されることなく暫く放置された場合、燃料極内には、低水素濃度のガスが充満している。このような状況において燃料電池システムを起動する場合には、この低水素濃度のガスを燃料電池スタック１の燃料極から排出させるため、高水素濃度のガスを燃料タンク１０から所定の起動時上限圧力で瞬間的に供給し、燃料極におけるガス圧力を昇圧する。この際、パージバルブ１４も開状態へと制御する。これにより、低水素濃度のガスと、高水素濃度のガスとの境界面である、水素フロントの通過を速めることができるとともに、水素フロントを燃料極から押し出すことができる。 First, the activation process will be described. When the fuel cell stack 1 is left for a while without being started immediately after the system is stopped, the fuel electrode is filled with a gas having a low hydrogen concentration. When the fuel cell system is started in such a situation, the low hydrogen concentration gas is discharged from the fuel electrode of the fuel cell stack 1, so that the high hydrogen concentration gas is discharged from the fuel tank 10 to a predetermined starting upper limit pressure. Is supplied instantaneously to increase the gas pressure at the fuel electrode. At this time, the purge valve 14 is also controlled to open. As a result, the passage of the hydrogen front, which is the boundary surface between the low hydrogen concentration gas and the high hydrogen concentration gas, can be accelerated, and the hydrogen front can be pushed out of the fuel electrode.

つぎに、水素フロントがパージバルブ１４に到達するタイミングよりも前に、水素調圧バルブ１１およびパージバルブ１４を閉状態に制御し、発電を行い、水素を消費させるとにより、燃料極における水素圧力を減圧させる。そして、水素圧力が、所定の起動時下限圧力まで到達したら、再度、所定の起動時上限圧力まで昇圧させる。そして、燃料電池スタック１の燃料極の濃度が所定の平均水素濃度になるまで、このような圧力増減を繰り返し行う。 Next, before the timing at which the hydrogen front reaches the purge valve 14, the hydrogen pressure regulating valve 11 and the purge valve 14 are controlled to be closed, power is generated, and hydrogen is consumed, so that the hydrogen pressure at the fuel electrode is reduced. Let When the hydrogen pressure reaches a predetermined starting lower limit pressure, the pressure is increased again to a predetermined starting upper limit pressure. Then, such pressure increase / decrease is repeated until the concentration of the fuel electrode of the fuel cell stack 1 reaches a predetermined average hydrogen concentration.

なお、実際の車両では、このような起動処理を実行している間にも発進してしまう可能性があるが、この場合には、搭載された二次電池からの出力を利用すればよい。 In an actual vehicle, there is a possibility that the vehicle starts while such a startup process is being executed. In this case, the output from the mounted secondary battery may be used.

つぎに、停止処理について説明する。停止後の起動のシーンとして、低温環境を想定した場合、停止時に燃料電池スタック１およびバルブ等に液水が存在すると、凍結等により起動不能に陥る可能性がある。そのため、停止時にこの液水を除去するための処理が必要となる。まず、酸化剤極に空気を供給しながら、低負荷の状態で発電を行う。燃料極側は、第１の実施形態と同様に制御パターンにしたがって圧力増減を繰り返し行う。この場合、例えば、上限圧力Ｐ１を２００ｋＰａ（絶対圧）、下限圧力Ｐ２を１０１．３ｋＰａとして、燃料極から液水が排出されるのに十分な値を設定しておく。また、この繰り返す回数は、実験やシミュレーションを通じて、液水を十分に排出できる回数を取得しておき、この回数に基づいて行う。これにより発電を終了させる。 Next, the stop process will be described. Assuming a low temperature environment as a start scene after the stop, if liquid water is present in the fuel cell stack 1 and the valve at the stop, the start may be impossible due to freezing or the like. Therefore, the process for removing this liquid water at the time of a stop is needed. First, power is generated in a low load state while supplying air to the oxidizer electrode. On the fuel electrode side, the pressure increase / decrease is repeated according to the control pattern as in the first embodiment. In this case, for example, the upper limit pressure P1 is set to 200 kPa (absolute pressure) and the lower limit pressure P2 is set to 101.3 kPa, and values sufficient to discharge liquid water from the fuel electrode are set. The number of repetitions is based on the number of times that liquid water can be sufficiently discharged through experiments and simulations. This terminates power generation.

次に、燃料電池スタック１から容積部１２へ排出された液水を排水バルブ１３を開状態に制御して排水する。そして、排水後、直前まで発電していた電力を用いて、ヒータなどの加熱手段を作動させ、パージバルブ１４および排水バルブ１３を加熱し、乾燥させる。 Next, the liquid water discharged from the fuel cell stack 1 to the volume portion 12 is drained by controlling the drain valve 13 in the open state. Then, using the electric power generated immediately before draining, heating means such as a heater is operated, and the purge valve 14 and the drain valve 13 are heated and dried.

このように本実施形態によれば、停止処理により起動時の起動性を図るとともに、起動時の処理であっても、水素よりも不純物を優先的に排出することができる。 As described above, according to the present embodiment, the startability at the time of start-up can be achieved by the stop processing, and impurities can be preferentially discharged over hydrogen even at the time of start-up processing.

（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態にかかる燃料電池システムについて説明する。第３の実施形態にかかる燃料電池システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、容積部１２の形態である。なお、基本的なシステム構成は、第１の実施形態と同じであるため、重複する説明は省略することとし、以下相違点を中心に説明を行う。 (Third embodiment)
Hereinafter, a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention will be described. The fuel cell system according to the third embodiment is different from that of the first embodiment in the form of the volume portion 12. Since the basic system configuration is the same as that of the first embodiment, redundant description will be omitted, and the following description will be focused on differences.

図１０は、第３の実施形態にかかる燃料電池システムの容積部１２の中心とする模式図である。同図に示す形態では、燃料電池スタック１における燃料ガス排出用マニホールド３の出口側には、気液分離装置１５が設けられており、この気液分離装置１５を介して気液分離されたガス成分が容積部１２へと導入される形態となっている。また、気液分離された液体成分は、気液分離装置１５の底部に貯留され、その底部に接続された排水流路Ｌ３を介して外部に排出可能となっている。また、この実施形態では、容積部１２の鉛直方向の上方側が尖鋭形状に形成されており、その先端部に燃料極オフガス流路Ｌ２が接続されている。 FIG. 10 is a schematic view of the center of the volume 12 of the fuel cell system according to the third embodiment. In the form shown in the figure, a gas-liquid separation device 15 is provided on the outlet side of the fuel gas discharge manifold 3 in the fuel cell stack 1, and the gas and liquid separated through the gas-liquid separation device 15. The component is introduced into the volume 12. In addition, the liquid component that has been subjected to gas-liquid separation is stored at the bottom of the gas-liquid separator 15 and can be discharged to the outside via a drainage channel L3 connected to the bottom. Moreover, in this embodiment, the upper side of the vertical direction of the volume part 12 is formed in the sharp shape, and the fuel electrode off-gas flow path L2 is connected to the front-end | tip part.

図１１は、第３の実施形態にかかる燃料電池システムの容積部１２の中心とする模式図である。同図に示す形態では、燃料ガス排出用マニホールド３の容積が、図１０に示す形態と比較して拡大されている。かかる形態では、このマニホールドの空間が、燃料極におけるガスが流入することにより容積部としての機能を担い、燃料極オフガス流路Ｌ２に設ける容積部１２を省略している。 FIG. 11 is a schematic diagram centered on the volume 12 of the fuel cell system according to the third embodiment. In the form shown in the figure, the volume of the fuel gas discharge manifold 3 is enlarged as compared with the form shown in FIG. In this form, the space of this manifold bears the function as a volume part when the gas in a fuel electrode flows in, and the volume part 12 provided in the fuel electrode off-gas flow path L2 is abbreviate | omitted.

図１２は、第３の実施形態にかかる燃料電池システムの容積部１２の中心とする模式図である。同図に示す形態では、燃料ガス供給用マニホールド２および燃料ガス排出用マニホールド３の容積が、図１０に示す形態と比較して拡大されている。かかる形態では、これらのマニホールドの空間が、燃料極におけるガスが流入することにより容積部としての機能を担い、これにより、燃料極オフガス流路Ｌ２に設ける容積部１２を省略している。 FIG. 12 is a schematic diagram centered on the volume 12 of the fuel cell system according to the third embodiment. In the form shown in the figure, the volumes of the fuel gas supply manifold 2 and the fuel gas discharge manifold 3 are enlarged as compared with the form shown in FIG. In such a form, the space of these manifolds functions as a volume part when the gas in the fuel electrode flows in, thereby omitting the volume part 12 provided in the fuel electrode off-gas flow path L2.

このように本実施形態によれば、燃料電池スタック１の燃料極からの排出ガスが流入する容積手段を種々の形態で実現することができる。これにより、システムの実施形態のバリエーションを豊富化し、また、車両への搭載性の向上を図ることができる。 Thus, according to the present embodiment, the volume means through which the exhaust gas from the fuel electrode of the fuel cell stack 1 flows can be realized in various forms. Thereby, the variation of embodiment of a system can be enriched and the mounting property to a vehicle can be aimed at.

第１の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図1 is a block diagram schematically showing the configuration of a fuel cell system according to a first embodiment. 燃料極における圧力の制御パターンを示す説明図Explanatory drawing showing the control pattern of pressure in the fuel electrode 燃料電池スタック１の制御パラメータの決定方法を示すフローチャートA flowchart showing a method for determining control parameters of the fuel cell stack 1 負荷電流Ｃｔと、上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２との対応関係を示す説明図Explanatory drawing showing the correspondence between load current Ct and upper limit pressure P1 and lower limit pressure P2 燃料電池スタック１における燃料極側の容積Ｒｓと容積部１２の容積Ｒｔとを模式的に示す説明図Explanatory drawing which shows typically the volume Rs of the fuel electrode side and the volume Rt of the volume part 12 in the fuel cell stack 1. パージバルブ１４の基本的な開閉タイミングを示す説明図Explanatory drawing which shows the basic opening and closing timing of the purge valve 14 パージバルブ１４の修正された開閉タイミングを示す説明図Explanatory drawing which shows the corrected opening and closing timing of the purge valve 14 パージバルブの開度推移を示す説明図Explanatory diagram showing changes in the opening of the purge valve パージバルブの開閉頻度を示す説明図Explanatory diagram showing the opening and closing frequency of the purge valve 第３の実施形態にかかる燃料電池システムの容積部１２の中心とする模式図The schematic diagram made into the center of the volume part 12 of the fuel cell system concerning 3rd Embodiment 第３の実施形態にかかる燃料電池システムの容積部の中心とする模式図The schematic diagram made into the center of the volume part of the fuel cell system concerning 3rd Embodiment 第３の実施形態にかかる燃料電池システムの容積部の中心とする模式図The schematic diagram made into the center of the volume part of the fuel cell system concerning 3rd Embodiment

Explanation of symbols

１…燃料電池スタック
２…燃料ガス供給用マニホールド
３…燃料ガス排出用マニホールド
１０…燃料タンク
１１…水素調圧バルブ
１２…容積部
１３…排水バルブ
１４…パージバルブ
１５…気液分離装置
２０…コンプレッサ
２１…加湿装置
２２…空気調圧バルブ
３０…出力取出装置
４０…制御部
Ｌ１…水素供給流路
Ｌ２…燃料極オフガス流路
Ｌ３…排水流路
Ｌ５…空気供給流路
Ｌ６…酸化剤極オフガス流路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell stack 2 ... Fuel gas supply manifold 3 ... Fuel gas discharge manifold 10 ... Fuel tank 11 ... Hydrogen pressure regulating valve 12 ... Volume control part 13 ... Drain valve 14 ... Purge valve 15 ... Gas-liquid separator 20 ... Compressor 21 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Humidifier 22 ... Air pressure regulating valve 30 ... Output extraction device 40 ... Control part L1 ... Hydrogen supply flow path L2 ... Fuel electrode off gas flow path L3 ... Drain flow path L5 ... Air supply flow path L6 ... Oxidant electrode off gas flow path

Claims

A fuel cell that generates electric power by electrochemically reacting an oxidant gas supplied to the oxidant electrode and a fuel gas supplied to the fuel electrode;
Fuel gas supply means for supplying the fuel gas to the fuel electrode of the fuel cell;
A discharge passage having a space of a predetermined capacity, into which exhaust gas from the fuel electrode of the fuel cell flows,
An opening / closing means provided in the discharge channel, for opening and closing the discharge channel;
By controlling the fuel gas supply means, based on a control pattern for increasing or decreasing the pressure between the upper limit pressure and the lower limit pressure, while periodically varying the pressure of the fuel gas at the fuel electrode of the fuel cell, Control means for supplying the fuel gas to the fuel electrode of the fuel cell;
In response to the pressure increase process of the fuel gas at the fuel electrode, the control means opens the discharge passage by the opening / closing means ,
The control means variably sets the upper limit pressure and the lower limit pressure according to the electric power generated by the fuel cell,
The control means opens the discharge passage by the opening / closing means in response to the timing when the pressure of the fuel gas at the fuel electrode reaches the lower limit pressure, and the pressure of the fuel gas at the fuel electrode is at the upper limit. A fuel cell system, wherein the flow of gas in the discharge flow path is restricted by the opening / closing means corresponding to the timing when the pressure is reached .

It said control means, according to claim 1, characterized in that the pressure of the fuel gas in the fuel electrode to open the discharge passage by the switching means at a timing that precedes the timing of reaching the lower limit pressure Fuel cell system.

The control means restricts the gas flow in the discharge passage by the opening / closing means at a timing delayed from a timing at which the pressure of the fuel gas at the fuel electrode reaches the upper limit pressure. 1. The fuel cell system described in 1 .