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JP5239201B2 - Fuel cell system and impurity discharge method in fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system and impurity discharge method in fuel cell system Download PDF

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JP5239201B2 JP2007110074A JP2007110074A JP5239201B2 JP 5239201 B2 JP5239201 B2 JP 5239201B2 JP 2007110074 A JP2007110074 A JP 2007110074A JP 2007110074 A JP2007110074 A JP 2007110074A JP 5239201 B2 JP5239201 B2 JP 5239201B2
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Description

この発明は、固体高分子型燃料電池を備える燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system including a solid polymer fuel cell.

水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池では、燃料電池の運転中に、燃料電池内の種々の状態変化によって、電池性能が低下することが考えられる。
例えば、燃料電池の中には、水素極の排気ガス(以下、アノード排ガスと呼ぶ)を循環させて、再び水素極に供給する循環流路を設けて、アノード排ガスに含まれる残留水素を有効活用するようにしているものがある。このような燃料電池の場合、アノード排ガス中には、例えば、水蒸気、窒素なども含まれるため、アノード排ガスを長期間に亘って循環させ続けると、これらの成分濃度が高くなり、相対的に水素濃度が低減して、電池性能が低下するおそれがある。そのため、従来は、循環流路に、アノード排ガスの一部を外気へ排出するためのパージバルブを設け、パージバルブを定期的に開くことにより、窒素および水蒸気の濃度を低減させて、水素濃度の低下に起因する電池性能の低下を回避する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
In a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, it is considered that the cell performance is degraded due to various state changes in the fuel cell during operation of the fuel cell.
For example, in a fuel cell, a circulation passage for circulating the exhaust gas of the hydrogen electrode (hereinafter referred to as anode exhaust gas) and supplying it again to the hydrogen electrode is provided to effectively utilize the residual hydrogen contained in the anode exhaust gas. There is something to do. In the case of such a fuel cell, since the anode exhaust gas includes, for example, water vapor, nitrogen, etc., if the anode exhaust gas is continuously circulated for a long period of time, the concentration of these components increases, The concentration may be reduced, and the battery performance may be reduced. For this reason, conventionally, a purge valve for discharging a part of the anode exhaust gas to the outside air is provided in the circulation flow path, and the purge valve is opened periodically to reduce the concentration of nitrogen and water vapor, thereby reducing the hydrogen concentration. There has been proposed a technique for avoiding the deterioration in battery performance caused by the phenomenon (see, for example, Patent Document 1).

また、固体高分子型燃料電池では、電解質膜の含水量が低下すると、電解質膜におけるプロトン伝導性が低下して膜抵抗が増大し、その結果、出力電圧が低下して電池性能が低下する。このような不都合を抑制するために、電解質膜の含水量低下時における対策としては、カソード側におけるガス圧力を、より高める制御を行なう構成が提案されている(例えば、特許文献2参照。)。   In the polymer electrolyte fuel cell, when the water content of the electrolyte membrane decreases, proton conductivity in the electrolyte membrane decreases and membrane resistance increases. As a result, the output voltage decreases and the cell performance decreases. In order to suppress such inconvenience, as a countermeasure against a decrease in the water content of the electrolyte membrane, a configuration has been proposed in which the gas pressure on the cathode side is further increased (see, for example, Patent Document 2).

特開2003−151592号公報JP 2003-151592 A 特開2002−175821号公報JP 2002-175821 A

カソード側におけるガス圧力を高めると、アノード側に対してカソード側のガス圧が相対的に高くなるため、カソード側で生成される水が、アノード側に移動する。そのため、電解質膜の含水量を増加させることができるようになる。しかしながら、カソード側へのガス供給は、通常、ポンプ等を用いて空気を加圧供給することによって行なわれるため、カソード側のガス圧力を高めると、ポンプ等の消費電力、すなわち、補機損が増大することになる。このように補機損が増大すると、システム全体のエネルギ効率が低下する。   When the gas pressure on the cathode side is increased, the gas pressure on the cathode side becomes relatively higher than that on the anode side, so that water generated on the cathode side moves to the anode side. Therefore, the water content of the electrolyte membrane can be increased. However, since the gas supply to the cathode side is normally performed by pressurizing and supplying air using a pump or the like, if the gas pressure on the cathode side is increased, the power consumption of the pump or the like, that is, the loss of auxiliary equipment is reduced. Will increase. When the auxiliary machine loss increases in this way, the energy efficiency of the entire system decreases.

そこで、本発明は、補機損の増大等に起因するエネルギ効率の低下を伴うことなく、電解質膜の含水量の低下に起因する燃料電池の性能低下を抑制すると共に、水素濃度の低下に起因する燃料電池の性能低下を抑制することを目的とする。   Therefore, the present invention suppresses fuel cell performance degradation due to a decrease in the water content of the electrolyte membrane without causing a decrease in energy efficiency due to an increase in auxiliary machinery loss or the like, and also results from a decrease in hydrogen concentration. It aims at suppressing the performance fall of the fuel cell which carries out.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.

[適用例1] 固体高分子電解質膜を有する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
アノードガス中の不純物を排出させる不純物排出部と、
前記燃料電池のアノード側におけるガス圧を調節するアノードガス圧調節部と、
前記不純物排出部および前記アノードガス圧調節部を制御する制御部と、
を、さらに備え、
前記制御部は、
前記燃料電池のアノード側におけるガス圧が負圧に設定されている場合であって、前記不純物排出部を制御して、前記アノードガス中の不純物を前記燃料電池システム外へ排出させる場合には、その排出前に、前記アノードガス圧調節部を制御して、前記アノード側におけるガス圧を正圧まで上昇させることを要旨とする。
Application Example 1 A fuel cell system including a fuel cell having a solid polymer electrolyte membrane,
An impurity discharge part for discharging impurities in the anode gas;
An anode gas pressure adjusting unit for adjusting a gas pressure on the anode side of the fuel cell;
A control unit for controlling the impurity discharge unit and the anode gas pressure adjusting unit;
Further,
The controller is
When the gas pressure on the anode side of the fuel cell is set to a negative pressure, and when the impurity discharge unit is controlled to discharge the impurities in the anode gas to the outside of the fuel cell system, The gist of the invention is to control the anode gas pressure adjusting unit to increase the gas pressure on the anode side to a positive pressure before the discharge.

例えば、アノード側におけるガス圧(以下、アノード内圧ともいう。)が負圧のときに、アノードガス中の不純物を大気中へ排出しようとしても、圧力差により、不純物を大気中に排出することができない。本発明の燃料電池システムによれば、アノード内圧が負圧の場合には、アノードガス中の不純物を排出するに先立って、アノード内圧を正圧に制御しているため、良好に不純物を大気中へ排出することができる。従って、アノードガス中の不純物を大気中に排出して、アノードガス中の水素濃度を高めることによって、電池性能の低下を抑制することができる。   For example, when the gas pressure on the anode side (hereinafter also referred to as anode internal pressure) is negative, the impurities in the anode gas may be discharged into the atmosphere due to the pressure difference even if the impurities in the anode gas are discharged into the atmosphere. Can not. According to the fuel cell system of the present invention, when the anode internal pressure is a negative pressure, the anode internal pressure is controlled to a positive pressure before discharging the impurities in the anode gas. Can be discharged. Therefore, it is possible to suppress a decrease in battery performance by discharging impurities in the anode gas to the atmosphere and increasing the hydrogen concentration in the anode gas.

なお、アノードガス中の不純物を排出させるタイミングとしては、例えば、燃料電池の運転開始後、所定の時間間隔で定期的に排出させるようにしてもよいし、アノードガス中の不純物濃度に基づいて排出させるようにしてもよい。また、外部から排出の指示があった場合に排出させるようにしてもよい。その他、種々の基準に基づいて、アノードガス中の不純物を排出させるタイミングを定めることができる。   The timing for discharging the impurities in the anode gas may be, for example, periodically discharged at predetermined time intervals after the start of the fuel cell operation, or may be discharged based on the impurity concentration in the anode gas. You may make it make it. Further, it may be discharged when there is an instruction to discharge from the outside. In addition, the timing for discharging the impurities in the anode gas can be determined based on various criteria.

ところで、本発明の燃料電池システムでは、アノード内圧を負圧に設定している。通常、カソード内圧は正圧に維持されているため、アノード内圧を負圧にすると、カソードからアノードへの水の移動が促進されて、電解質膜の含水量の低下を抑制することができる。したがって、電解質膜の含水量低下に伴う膜抵抗の増大を抑制することができ、出力電圧の低下が抑制され、電池性能の低下を抑制することができる。   By the way, in the fuel cell system of the present invention, the anode internal pressure is set to a negative pressure. Usually, since the cathode internal pressure is maintained at a positive pressure, when the anode internal pressure is set to a negative pressure, the movement of water from the cathode to the anode is promoted, and a decrease in the water content of the electrolyte membrane can be suppressed. Therefore, an increase in membrane resistance due to a decrease in the water content of the electrolyte membrane can be suppressed, a decrease in output voltage can be suppressed, and a decrease in battery performance can be suppressed.

また、アノード内圧を負圧にすると、アノード内圧が正圧の場合に比べ、アノードガスの流速が大きくなり、アノードガスの流れによって、燃料電池内のアノード側に滞留している液体の水を燃料電池外へ排出し易くなるため、アノード側におけるフラッディングを抑制することができる。したがって、アノードガスの流通が改善されるため、燃料電池の性能低下を抑制することができる。すなわち、本発明の燃料電池システムによれば、総合的に、電池性能の低下を抑制することができる。さらに、アノード内圧を負圧に制御する際にはエネルギ消費の増大を伴う必要がないため、エネルギ効率を低下させることなく、電池性能の低下を抑制することができる   In addition, when the anode internal pressure is set to a negative pressure, the anode gas flow rate becomes larger than when the anode internal pressure is positive, and the liquid water remaining on the anode side in the fuel cell is fueled by the flow of the anode gas. Since it becomes easy to discharge out of the battery, flooding on the anode side can be suppressed. Accordingly, since the circulation of the anode gas is improved, it is possible to suppress the performance deterioration of the fuel cell. That is, according to the fuel cell system of the present invention, it is possible to comprehensively suppress a decrease in battery performance. Furthermore, since it is not necessary to increase energy consumption when controlling the anode internal pressure to a negative pressure, it is possible to suppress a decrease in battery performance without reducing energy efficiency.

[適用例2] 適用例1に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、
前記燃料電池内のアノードガス中の不純物濃度が上昇した状態であるか否かを判定し、前記不純物濃度が上昇した状態であると判定したときに、前記アノードガス中の不純物を前記燃料電池システム外へ排出させるようにしてもよい。
[Application Example 2] In the fuel cell system according to Application Example 1,
The controller is
It is determined whether or not the impurity concentration in the anode gas in the fuel cell is in an increased state. When it is determined that the impurity concentration is in an increased state, the impurity in the anode gas is determined as the fuel cell system. You may make it discharge | emit outside.

アノードガス中の不純物を排出する場合に、アノードガス中の水素も共に排出される場合がある。例えば、所定の時間間隔で定期的にアノードガス中の不純物を排出する場合には、アノードガス中の不純物濃度が小さい場合にも排出される可能性があり、そのような場合には、アノードガス中の水素を無駄に排出することになる。燃料電池内のアノードガス中の不純物濃度が上昇した状態であると判定された場合に、アノードガス中の不純物を燃料電池システム外へ排出させるように制御すると、不必要にアノーガス中の不純物の排出行なうことがないため、アノードガス中の水素を無駄に排出することを抑制することができる。   When the impurities in the anode gas are discharged, hydrogen in the anode gas may be discharged together. For example, when the impurities in the anode gas are periodically discharged at a predetermined time interval, the impurities may be discharged even when the impurity concentration in the anode gas is small. In such a case, the anode gas The hydrogen inside is wasted. If it is determined that the concentration of impurities in the anode gas in the fuel cell is in an increased state, the impurities in the anode gas are unnecessarily discharged if the control is performed so that the impurities in the anode gas are discharged out of the fuel cell system. Since this is not performed, it is possible to suppress wasteful discharge of hydrogen in the anode gas.

[適用例3] 適用例1または適用例2に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池のアノード側におけるガス圧が負圧に設定されている場合であって、前記燃料電池に要求される負荷が、所定の負荷要求値よりも大きい場合には、前記アノードガス中の不純物を排出させないようにしてもよい。 Application Example 3 In the fuel cell system according to Application Example 1 or Application Example 2, the control unit is a case where the gas pressure on the anode side of the fuel cell is set to a negative pressure, and the fuel cell When the load required for the above is larger than a predetermined load request value, impurities in the anode gas may not be discharged.

図7に、燃料電池の電流―電圧曲線の一例を示す。アノード内圧が所定の正圧値の場合を一点鎖線で、アノード内圧が所定の負圧値の場合を実線で示す。図7に示すように、アノード内圧が正圧の場合と負圧の場合とを比べると、電流が一定の場合は、アノード内圧が正圧の場合の方が、電圧が低くなる傾向にある。また、いずれの場合も、電流が大きいときには、電圧が急激に低下する傾向にある。したがって、燃料電池に対する負荷要求が大きく、要求される電流が大きい場合に、アノード内圧を負圧から正圧に上昇させると、電圧が急激に低下して、燃料電池が運転できなくなるおそれがある。   FIG. 7 shows an example of a current-voltage curve of the fuel cell. A case where the anode internal pressure is a predetermined positive pressure value is indicated by a one-dot chain line, and a case where the anode internal pressure is a predetermined negative pressure value is indicated by a solid line. As shown in FIG. 7, when the anode internal pressure is positive and the negative pressure is compared, when the current is constant, the voltage tends to be lower when the anode internal pressure is positive. In either case, when the current is large, the voltage tends to decrease rapidly. Therefore, when the load demand on the fuel cell is large and the required current is large, if the anode internal pressure is increased from the negative pressure to the positive pressure, the voltage may drop rapidly and the fuel cell may not be operated.

そこで、燃料電池に対する負荷要求が、所定値よりも大きい場合には、アノードガス中の不純物を排出させないようにする。すなわち、燃料電池に対する負荷要求が小さい場合にのみ、アノードガス圧を上昇させることになるため、電圧の低下により燃料電池の運転を継続できなくなることを回避することができるようになる。   Therefore, when the load demand on the fuel cell is larger than a predetermined value, impurities in the anode gas are not discharged. That is, since the anode gas pressure is increased only when the load demand on the fuel cell is small, it is possible to avoid that the operation of the fuel cell cannot be continued due to the voltage drop.

[適用例4] 適用例1または適用例2に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池のアノード側におけるガス圧が負圧に設定されている場合であって、前記燃料電池の内部温度が、所定の温度以上である場合には、前記アノードガス中の不純物を排出させないようにしても良い。 Application Example 4 In the fuel cell system according to Application Example 1 or Application Example 2, the control unit is a case where the gas pressure on the anode side of the fuel cell is set to a negative pressure, and the fuel cell When the internal temperature of the anode is equal to or higher than a predetermined temperature, impurities in the anode gas may not be discharged.

アノード内圧が負圧に設定されているときに、アノードガス中の不純物を排出させる場合には、上記したようにアノード内圧を正圧に設定しなければならない。しかしながら、燃料電池の内部温度が所定の温度以上の場合には、アノード内圧を正圧に設定することによって、カソード側の水がアノード側に移動し難くなるため、電解質膜の含水量が低下して、燃料電池性能が低下するおそれがある。   When impurities in the anode gas are discharged when the anode internal pressure is set to a negative pressure, the anode internal pressure must be set to a positive pressure as described above. However, when the internal temperature of the fuel cell is equal to or higher than a predetermined temperature, setting the anode internal pressure to a positive pressure makes it difficult for the water on the cathode side to move to the anode side, so the water content of the electrolyte membrane decreases. As a result, fuel cell performance may be reduced.

そこで、燃料電池の内部温度が所定の温度以上の場合には、アノードガス中の不純物を排出させないようにすると、燃料電池の内部温度が所定の温度以下の場合にのみ、アノード内圧を上昇させることになる。そのため、アノードガス中の不純物を排出させる際の、電解質膜の含水量低下に伴う燃料電池性能の低下を抑制することができるようになる。   Therefore, when the internal temperature of the fuel cell is equal to or higher than the predetermined temperature, if the impurities in the anode gas are not discharged, the internal pressure of the anode is increased only when the internal temperature of the fuel cell is equal to or lower than the predetermined temperature. become. For this reason, it is possible to suppress a decrease in fuel cell performance accompanying a decrease in the water content of the electrolyte membrane when impurities in the anode gas are discharged.

[適用例5] 適用例1ないし4のいずれか一つに記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の出力を調節する出力調節部を、
さらに備え、
前記制御部は、
前記アノード側におけるガス圧を正圧まで上昇させる前に、前記出力調節部を制御して、前記燃料電池の出力を所定の出力値に制限するようにしてもよい。
Application Example 5 In the fuel cell system according to any one of Application Examples 1 to 4,
An output adjusting unit for adjusting the output of the fuel cell;
In addition,
The controller is
Before the gas pressure on the anode side is increased to a positive pressure, the output adjusting unit may be controlled to limit the output of the fuel cell to a predetermined output value.

上記したように、燃料電池に対する負荷要求が大きい場合に、アノード内圧を負圧から正圧に上昇させると、出力電圧が低下して、燃料電池の運転を継続できない場合がある。適用例5の燃料電池システムによれば、たとえ、負荷要求が大きい場合であっても、燃料電池の出力を、燃料電池が運転を継続するのに充分な程度の出力値に制限することによって、アノード内圧を正圧にして、アノードガス中の不純物を排出することができ、かつ、燃料電池の運転を継続することができる。   As described above, when the load demand on the fuel cell is large, if the anode internal pressure is increased from a negative pressure to a positive pressure, the output voltage may decrease and the fuel cell operation may not be continued. According to the fuel cell system of Application Example 5, even when the load demand is large, by limiting the output of the fuel cell to an output value sufficient for the fuel cell to continue operation, Impurities in the anode gas can be discharged by setting the anode internal pressure to a positive pressure, and the operation of the fuel cell can be continued.

[適用例6] 適用例1ないし5のいずれか一つに記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の内部温度を調節する内部温度調節部を、
さらに備え、
前記制御部は、
前記アノード側におけるガス圧を正圧まで上昇させる前に、前記内部温度調節部を制御して、前記燃料電池の内部温度を所定の温度に低下させるようにしてもよい。
[Application Example 6] In the fuel cell system according to any one of Application Examples 1 to 5,
An internal temperature adjusting unit for adjusting the internal temperature of the fuel cell;
In addition,
The controller is
Before the gas pressure on the anode side is increased to a positive pressure, the internal temperature adjustment unit may be controlled to reduce the internal temperature of the fuel cell to a predetermined temperature.

上記したように、燃料電池の内部温度が高い場合に、アノード内圧を負圧から正圧に上昇させると、電解質膜の含水量が低下して、燃料電池性能が低下するおそれがある。適用例6の燃料電池システムによれば、たとえ、燃料電池の内部温度が所定の温度以上であっても、燃料電池の内部温度を、燃料電池の性能低下が許容できる程度の温度に低下させることによって、アノード内圧を正圧にして、アノードガス中の不純物を排出することができ、かつ、燃料電池の性能低下を抑制することができる。なお、燃料電池内を流通する冷却水の流通速度を速くしたり、燃料電池に対する負荷要求を小さく制限したりすることによって、燃料電池の内部温度を低下させることができる。   As described above, when the internal pressure of the fuel cell is high and the anode internal pressure is increased from a negative pressure to a positive pressure, the water content of the electrolyte membrane is decreased and the fuel cell performance may be decreased. According to the fuel cell system of Application Example 6, even if the internal temperature of the fuel cell is equal to or higher than a predetermined temperature, the internal temperature of the fuel cell is reduced to a temperature that allows the degradation of the performance of the fuel cell. Thus, the anode internal pressure can be set to a positive pressure, impurities in the anode gas can be discharged, and the performance degradation of the fuel cell can be suppressed. Note that the internal temperature of the fuel cell can be lowered by increasing the flow rate of the cooling water flowing through the fuel cell or by limiting the load demand on the fuel cell to be small.

[適用例7] 適用例1ないし6のいずれか一つに記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記燃料電池のアノードに対して、水素ガスを供給する水素ガス供給路と、
前記燃料電池のアノードから排出されたガスを前記水素ガス供給路へと導くアノード排ガス路と
を備え、
前記水素ガス供給路の一部と、前記アノード排ガス路とは、前記燃料電池の内部との間で水素を循環させる循環流路を形成し、
前記アノードガス圧調節部は、前記アノード側におけるガス圧力として、前記循環流路内の圧力を調節するようにしても良い。
Application Example 7 In the fuel cell system according to any one of Application Examples 1 to 6,
A hydrogen gas supply path for supplying hydrogen gas to the anode of the fuel cell;
An anode exhaust gas path that guides the gas discharged from the anode of the fuel cell to the hydrogen gas supply path,
A part of the hydrogen gas supply path and the anode exhaust gas path form a circulation path for circulating hydrogen between the inside of the fuel cell,
The anode gas pressure adjusting unit may adjust the pressure in the circulation channel as the gas pressure on the anode side.

このような構成とすれば、燃料ガスとして水素ガスを用いる燃料電池システムにおいて、水素ガスを効率良く利用しつつ、燃料電池性能の低下を抑制することができる。   With such a configuration, in the fuel cell system that uses hydrogen gas as the fuel gas, it is possible to suppress the deterioration of the fuel cell performance while efficiently using the hydrogen gas.

[適用例7] 適用例6に記載の燃料電池システムにおいて、
前記アノードガス圧調節部は、
前記水素ガス供給路において前記循環流路よりも上流に設けられ、前記水素ガスを前記循環流路側へと吐出する吐出口と、該吐出口を開閉するバルブと、を有するインジェクタを備え、
前記制御部は、
前記インジェクタの前記バルブによる前記吐出口の開閉状態を調節させることによって、前記アノード側におけるガス圧を正圧から負圧に低下させるように前記アノードガス調節部を制御するようにしても良い。
Application Example 7 In the fuel cell system according to Application Example 6,
The anode gas pressure adjusting unit is
An injector provided upstream of the circulation flow path in the hydrogen gas supply path and having a discharge port for discharging the hydrogen gas to the circulation flow path side and a valve for opening and closing the discharge port;
The controller is
The anode gas adjusting unit may be controlled so as to reduce the gas pressure on the anode side from a positive pressure to a negative pressure by adjusting the opening / closing state of the discharge port by the valve of the injector.

このような構成とすれば、バルブによる吐出口の開閉状態を調節することにより、アノード側におけるガス圧力を、容易に所望の圧力へと調節することができる。   With such a configuration, the gas pressure on the anode side can be easily adjusted to a desired pressure by adjusting the opening / closing state of the discharge port by the valve.

本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池システムにおける燃料電池のアノードガス中の不純物を前記燃料電池システム外へ排出させる不純物排出方法などの形態で実現することが可能である。   The present invention can be realized in various forms other than those described above. For example, the present invention can be realized in the form of an impurity discharge method for discharging impurities in the anode gas of the fuel cell in the fuel cell system to the outside of the fuel cell system. Is possible.

A.第1の実施例:
A1.装置の全体構成:
図1は、本発明の好適な一実施例としての燃料電池システム10の構成を示す説明図である。図1に示すように、燃料電池システム10は、燃料電池スタック22と、燃料ガスとしての水素を燃料電池スタック22に供給して、燃料電池スタック22から排出された排ガス(以下、アノード排ガスともいう。)を大気へ排出する水素給排系と、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池スタック22に供給して、燃料電池スタック22から排出された排気ガスを大気へ排出する空気給排系と、燃料電池システム10の各部の動きを制御する制御部70と、を備える。
A. First embodiment:
A1. Overall configuration of the device:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the configuration of a fuel cell system 10 as a preferred embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 10 supplies a fuel cell stack 22 and hydrogen as a fuel gas to the fuel cell stack 22, and exhaust gas discharged from the fuel cell stack 22 (hereinafter also referred to as anode exhaust gas). .) Is discharged to the atmosphere, and air as an oxidant gas is supplied to the fuel cell stack 22, and the exhaust gas discharged from the fuel cell stack 22 is discharged to the atmosphere. And a control unit 70 that controls the movement of each unit of the fuel cell system 10.

燃料電池スタック22は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池であり、燃料ガスとしての純水素と、酸化剤ガスとしての空気中の酸素が、各電極において電気化学反応を起こすことによって起電力を得るものである。   The fuel cell stack 22 is a polymer electrolyte fuel cell that is relatively small and excellent in power generation efficiency. Pure hydrogen as a fuel gas and oxygen in the air as an oxidant gas cause an electrochemical reaction at each electrode. Thus, an electromotive force is obtained.

水素供給系は、水素タンク23と、水素供給路60と、アノード排ガス路63と、排ガス排出路64と、から主に構成される。   The hydrogen supply system mainly includes a hydrogen tank 23, a hydrogen supply path 60, an anode exhaust gas path 63, and an exhaust gas discharge path 64.

水素タンク23は、例えば、高圧水素を貯蔵する水素ボンベである。あるいは、代わりに、水素吸蔵合金を内部に備え、水素吸蔵合金に吸蔵させることによって水素を貯蔵するタンクを用いても良い。   The hydrogen tank 23 is, for example, a hydrogen cylinder that stores high-pressure hydrogen. Alternatively, a tank that stores hydrogen by storing a hydrogen storage alloy inside and storing the hydrogen storage alloy in the hydrogen storage alloy may be used.

水素供給路60には、圧力調整弁61と、インジェクタ62とが設けられている。水素タンク23に貯蔵される水素ガスは、水素タンク23に接続する水素供給路60に放出された後、圧力調整弁61によって所定の圧力に調整(減圧)され、インジェクタ62を介して、燃料電池スタック22を構成する各単セルのアノードに燃料ガスとして供給される。なお、圧力調整弁61は、図1では単一の弁として記載されているが、水素タンク23から供給される高圧の水素ガスを、所望の圧力に減圧してインジェクタ62に供給できれば良く、必要な数の圧力調整弁を設けたものを用いてもよい。   The hydrogen supply path 60 is provided with a pressure regulating valve 61 and an injector 62. The hydrogen gas stored in the hydrogen tank 23 is discharged to the hydrogen supply path 60 connected to the hydrogen tank 23, and then adjusted (depressurized) to a predetermined pressure by the pressure adjustment valve 61, and the fuel cell is supplied via the injector 62. The fuel gas is supplied to the anode of each single cell constituting the stack 22. Although the pressure regulating valve 61 is shown as a single valve in FIG. 1, it is sufficient if the high-pressure hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 23 can be reduced to a desired pressure and supplied to the injector 62. A valve provided with any number of pressure regulating valves may be used.

インジェクタ62は、吐出口と、吐出口を開閉する電磁弁であるバルブとを備え、バルブの開放時に、インジェクタ62の前後にかかる差圧に応じた水素ガスを吐出口から噴射する装置である。そのため、インジェクタ62が備えるバルブの開弁時間によって、アノード側に供給する水素ガス量を調節することができる。具体的には、後述する制御部70からインジェクタ62に対して駆動信号(パルス信号)が送出され、インジェクタ62に入力された駆動信号がONのときにインジェクタ62のバルブが開弁され、OFFのときにバルブが閉弁される。この駆動信号のパルス幅(すなわちデューティー比)を調節することによって、インジェクタ62から噴射される水素ガス量を調節して、アノードに供給する水素ガス量を調節している。   The injector 62 is a device that includes a discharge port and a valve that is an electromagnetic valve that opens and closes the discharge port, and injects hydrogen gas from the discharge port according to the differential pressure applied before and after the injector 62 when the valve is opened. Therefore, the amount of hydrogen gas supplied to the anode side can be adjusted by the valve opening time of the valve provided in the injector 62. Specifically, a drive signal (pulse signal) is sent from the control unit 70 to be described later to the injector 62. When the drive signal input to the injector 62 is ON, the valve of the injector 62 is opened and turned OFF. Sometimes the valve is closed. By adjusting the pulse width (that is, duty ratio) of this drive signal, the amount of hydrogen gas injected from the injector 62 is adjusted, and the amount of hydrogen gas supplied to the anode is adjusted.

また、インジェクタ62のバルブの開閉状態を制御することにより、アノード内圧を制御することができる。図2は、アノード内圧とインジェクタ62の動作との関係を表わす説明図である。インジェクタ62におけるバルブの開閉制御は、例えば、インジェクタ62に入力される駆動信号において、一定の周波数fでパルス幅を変更することによって行なうことができる。図2に示すように、バルブによって吐出口が開放状態になる間は、アノード内圧は上昇し、閉鎖状態になる間は、循環流路内の水素が発電のために消費されることによってアノード内圧は低下する。そのため、バルブを開閉することによって、アノード内圧は、図2に示すΔPの圧力差の範囲で脈動する。したがって、インジェクタ62におけるデューティー比を制御することで、アノード内圧は、微細に脈動しつつ、全体として所望の圧力に維持される。なお、本実施例におけるインジェクタ62が、請求項におけるアノードガス圧調節部に相当する。   Further, the anode internal pressure can be controlled by controlling the open / close state of the valve of the injector 62. FIG. 2 is an explanatory diagram showing the relationship between the anode internal pressure and the operation of the injector 62. The valve opening / closing control in the injector 62 can be performed, for example, by changing the pulse width at a constant frequency f in the drive signal input to the injector 62. As shown in FIG. 2, the anode internal pressure increases while the discharge port is opened by the valve, and the anode internal pressure is consumed by the consumption of hydrogen in the circulation flow path for power generation while the discharge port is closed. Will decline. Therefore, by opening and closing the valve, the anode internal pressure pulsates within the range of the pressure difference ΔP shown in FIG. Therefore, by controlling the duty ratio in the injector 62, the anode internal pressure is maintained at a desired pressure as a whole while finely pulsating. In addition, the injector 62 in a present Example is equivalent to the anode gas pressure adjustment part in a claim.

アノード排ガス路63には、水素ポンプ65が設けられており、燃料電池スタック22のアノードから排出されるアノード排ガスを、水素供給路60においてインジェクタ62が配置される位置の下流側に再び流入させる。したがって、アノード排ガス中の残余の水素は、アノード排ガス路63と、水素供給路60の一部と、燃料電池スタック22内の流路と、から成る流路(以下、循環流路と呼ぶ)内を循環して再度電気化学反応に供される。このとき、電極反応による水素消費量(発電量や負荷要求に基づいて求められる)に応じて、インジェクタ62におけるデューティー比が調節され、水素消費量に相当する水素が、インジェクタ62を介して水素タンク23から循環流路へと補充される。また、アノード内圧に基づいて、インジェクタ62におけるデューティー比がフィードバック制御され、アノード内圧は、所定の略一定値に保たれている。なお、循環流路を構成する水素供給路60には、アノード内圧を計測するアノード内圧センサ50が設けられている。   A hydrogen pump 65 is provided in the anode exhaust gas path 63, and the anode exhaust gas discharged from the anode of the fuel cell stack 22 is caused to flow again downstream of the position where the injector 62 is disposed in the hydrogen supply path 60. Therefore, the remaining hydrogen in the anode exhaust gas is contained in a flow path (hereinafter referred to as a circulation flow path) composed of the anode exhaust gas path 63, a part of the hydrogen supply path 60, and the flow path in the fuel cell stack 22. It is used again for the electrochemical reaction. At this time, the duty ratio in the injector 62 is adjusted in accordance with the amount of hydrogen consumed by the electrode reaction (determined based on the amount of power generation and load demand), and the hydrogen corresponding to the amount of hydrogen consumed passes through the injector 62 to the hydrogen tank. 23 is replenished to the circulation channel. Further, the duty ratio in the injector 62 is feedback controlled based on the anode internal pressure, and the anode internal pressure is kept at a predetermined substantially constant value. In addition, the anode internal pressure sensor 50 for measuring the anode internal pressure is provided in the hydrogen supply path 60 constituting the circulation channel.

排ガス排出路64は、アノード排ガス路63から分岐して、設けられている。排ガス排出路64にはパージバルブ27が設けられており、パージバルブ27が開弁されると、アノード排ガス路63内を流れるアノード排ガスの一部が排ガス排出路64を介して、外部に排出される。これにより、循環する水素含有ガスの一部を外部に排出して、水素含有ガス中の不純物濃度(電解質膜を介してアノード側に移動した、酸化ガスである空気中の窒素等の濃度)の上昇を抑えることができる。なお、本実施例におけるパージバルブ27および排ガス排出路64が、請求項における不純物排出部に相当する。   The exhaust gas discharge path 64 is branched from the anode exhaust gas path 63. A purge valve 27 is provided in the exhaust gas discharge path 64, and when the purge valve 27 is opened, part of the anode exhaust gas flowing in the anode exhaust gas path 63 is discharged to the outside through the exhaust gas discharge path 64. As a result, a part of the circulating hydrogen-containing gas is discharged to the outside, and the impurity concentration in the hydrogen-containing gas (the concentration of nitrogen in the air, which is the oxidizing gas that has moved to the anode side through the electrolyte membrane) The rise can be suppressed. In addition, the purge valve 27 and the exhaust gas discharge path 64 in the present embodiment correspond to the impurity discharge portion in the claims.

パージバルブ27の開閉は、アノード排ガス路63内のアノード排ガス中の窒素濃度に基づいて制御されている。アノード排ガス中の窒素濃度は、例えば、以下のように求める。燃料電池スタック22内を流通する冷却水(後述する)の水温と、燃料電池スタック22の出力に応じた窒素濃度を予め測定して、その関係をマップとして制御部70(後述する)に記憶しておく。そして、燃料電池スタック22の運転中に上記水温および出力を計測して、上記マップを参照することにより、そのときの窒素濃度を求めることができる。なお、窒素濃度は、窒素濃度センサを用いて直接計測する等、種々の方法によって求めることができる。   The opening and closing of the purge valve 27 is controlled based on the nitrogen concentration in the anode exhaust gas in the anode exhaust gas path 63. The nitrogen concentration in the anode exhaust gas is determined as follows, for example. The temperature of cooling water (described later) flowing through the fuel cell stack 22 and the nitrogen concentration corresponding to the output of the fuel cell stack 22 are measured in advance, and the relationship is stored as a map in the control unit 70 (described later). Keep it. And the nitrogen concentration at that time can be calculated | required by measuring the said water temperature and output during the driving | operation of the fuel cell stack 22, and referring the said map. The nitrogen concentration can be obtained by various methods such as direct measurement using a nitrogen concentration sensor.

また、排ガス排出路64は、希釈器26に接続されている。この希釈器26は、アノード排ガスを外部に排出する際に、排出に先立って、アノード排ガス中の水素をカソード排ガスによって希釈するために設けられている。   The exhaust gas discharge path 64 is connected to the diluter 26. The diluter 26 is provided to dilute the hydrogen in the anode exhaust gas with the cathode exhaust gas before discharging the anode exhaust gas to the outside.

空気給排系は、エアコンプレッサ24と、酸化ガス供給路67と、カソード排ガス路68と、から主に構成されている。   The air supply / exhaust system mainly includes an air compressor 24, an oxidizing gas supply path 67, and a cathode exhaust gas path 68.

エアコンプレッサ24は、エアクリーナ28を介して外部から取り込んだ空気を加圧して、この加圧空気を、酸化ガス供給路67を介して酸化ガスとして燃料電池スタック22のカソードに供給する。   The air compressor 24 pressurizes air taken from the outside via the air cleaner 28, and supplies this pressurized air as an oxidizing gas to the cathode of the fuel cell stack 22 via the oxidizing gas supply path 67.

カソード排ガス路68は、カソードから排出されたカソード排ガスを外部に排出させる。カソード排ガス路68および酸化ガス供給路67は、加湿モジュール25を経由している。加湿モジュール25では、水蒸気透過性を有する膜によって酸化ガス供給路67とカソード排ガス路68とが隔てられており、水蒸気を含有するカソード排ガスを用いて、カソードに供給する加圧空気の加湿を行なっている。また、カソード排ガス路68は、上記した希釈器26に接続されている。したがって、希釈器26において、アノード排ガスと、カソード排ガスとが混合され、アノード排ガスが希釈されて、外部に排出される。   The cathode exhaust gas path 68 discharges the cathode exhaust gas discharged from the cathode to the outside. The cathode exhaust gas path 68 and the oxidizing gas supply path 67 pass through the humidification module 25. In the humidification module 25, the oxidizing gas supply path 67 and the cathode exhaust gas path 68 are separated from each other by a water vapor permeable film, and the pressurized air supplied to the cathode is humidified using the cathode exhaust gas containing water vapor. ing. Further, the cathode exhaust gas path 68 is connected to the diluter 26 described above. Therefore, in the diluter 26, the anode exhaust gas and the cathode exhaust gas are mixed, and the anode exhaust gas is diluted and discharged to the outside.

制御部70は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成されている。詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するCPU74と、CPU74で各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたROM75と、同じくCPU74で各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるRAM76と、各種の信号を入出力する入出力ポート78等を備える。この制御部70は、燃料電池システム10に設けた各種センサ(例えば、アノード内圧センサ50や温度センサ52や電圧センサ54)の計測信号や、燃料電池スタック22に対する負荷要求に関する情報などを取得する。また、燃料電池システム10が備えるインジェクタ62、エアコンプレッサ24、水素ポンプ65、あるいはパージバルブ27など、燃料電池スタック22の発電に関わる各部に駆動信号を出力する。なお、本実施例におけるCPU74が、請求項における制御部として機能する。   The control unit 70 is configured as a logic circuit centered on a microcomputer. Specifically, a CPU 74 that executes predetermined calculations in accordance with a preset control program, a ROM 75 that stores in advance control programs and control data necessary for executing various calculation processes by the CPU 74, and various types of CPUs 74. A RAM 76 for temporarily reading and writing various data necessary for arithmetic processing, an input / output port 78 for inputting and outputting various signals, and the like are provided. The control unit 70 acquires measurement signals from various sensors (for example, the anode internal pressure sensor 50, the temperature sensor 52, and the voltage sensor 54) provided in the fuel cell system 10, information related to a load request for the fuel cell stack 22, and the like. In addition, a drive signal is output to each part related to power generation of the fuel cell stack 22, such as the injector 62, the air compressor 24, the hydrogen pump 65, or the purge valve 27 provided in the fuel cell system 10. In addition, CPU74 in a present Example functions as a control part in a claim.

また、燃料電池スタック22は、その内部に、冷却水が循環する冷却水流路を備えている(図示せず)。燃料電池スタック22内部に形成される冷却水流路と、図示しないラジエータとの間で冷却水を循環させることによって、燃料電池スタック22の内部温度は、所定の温度範囲に保たれる。ここで、上記冷却水流路における燃料電池スタック22からの出口部近傍には、燃料電池スタック22の内部温度を計測するための温度センサとして、冷却水の出口温度を計測する温度センサ52が設けられている。なお、燃料電池スタック22の内部温度を計測する温度センサとしては、冷却水の出口温度を計測するセンサ以外のセンサを設けても良く、例えば、燃料電池スタック22の温度を直接計測する熱電対としても良い。また、燃料電池システム10には、燃料電池スタック22からの出力電圧を計測するための電圧センサ54が設けられている。   Further, the fuel cell stack 22 includes a cooling water flow path (not shown) through which cooling water circulates. By circulating the cooling water between the cooling water flow path formed inside the fuel cell stack 22 and a radiator (not shown), the internal temperature of the fuel cell stack 22 is maintained within a predetermined temperature range. Here, a temperature sensor 52 for measuring the outlet temperature of the cooling water is provided as a temperature sensor for measuring the internal temperature of the fuel cell stack 22 in the vicinity of the outlet from the fuel cell stack 22 in the cooling water flow path. ing. As a temperature sensor for measuring the internal temperature of the fuel cell stack 22, a sensor other than a sensor for measuring the outlet temperature of the cooling water may be provided. For example, as a thermocouple for directly measuring the temperature of the fuel cell stack 22. Also good. Further, the fuel cell system 10 is provided with a voltage sensor 54 for measuring the output voltage from the fuel cell stack 22.

本実施例の燃料電池システム10におけるアノード内圧は、燃料電池スタック22が定常運転を行なっているときには、燃料電池スタック22に対する負荷要求が変動して水素消費量が最大となる場合にも充分な水素量が確保できる値であって、カソード側のガス圧との釣り合いを考慮した正圧値として設定されている。ここで、燃料電池スタック22が定常運転を行なっているときとは、燃料電池スタック22の温度が充分に昇温しており、電解質膜の含水量が充分であって、負荷要求に応じて必要な電力を燃料電池スタック22によって支障なく発電可能な状態をいう。   The anode internal pressure in the fuel cell system 10 of the present embodiment is sufficient when the fuel cell stack 22 is in steady operation, even when the load demand on the fuel cell stack 22 fluctuates and the hydrogen consumption is maximized. It is a value that can ensure the amount, and is set as a positive pressure value considering the balance with the gas pressure on the cathode side. Here, when the fuel cell stack 22 is in steady operation, the temperature of the fuel cell stack 22 is sufficiently raised, the water content of the electrolyte membrane is sufficient, and it is necessary according to the load demand. A state in which a large amount of electric power can be generated by the fuel cell stack 22 without hindrance.

A2.膜含水量低下時における制御:
本実施例の燃料電池システム10は、固体高分子電解質膜における含水量の低下時には、含水量の低下に起因する電池性能の低下を抑制するために、アノード内圧を、定常運転時とは異なる、大気圧より低い値(負圧)に設定する制御を行なっている。図3は、燃料電池システム10が備える制御部70のCPU74において実行される膜含水量低下時処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池スタック22の発電中に、所定の間隔で繰り返し実行される。
A2. Control when membrane water content is reduced:
In the fuel cell system 10 of the present embodiment, when the water content in the solid polymer electrolyte membrane is reduced, the anode internal pressure is different from that during steady operation in order to suppress the reduction in battery performance due to the reduction in water content. Control to set a value lower than atmospheric pressure (negative pressure) is performed. FIG. 3 is a flowchart showing a membrane water content lowering processing routine executed by CPU 74 of control unit 70 provided in fuel cell system 10. This routine is repeatedly executed at predetermined intervals during the power generation of the fuel cell stack 22.

膜含水量低下時処理ルーチンが起動されると、CPU74は、まず、燃料電池スタック22が所定の高温条件に該当するか否かを判定する(ステップS110)。本実施例では、燃料電池スタック22の内部温度として温度センサ52の計測温度を用い、内部温度が90℃以上の場合には、燃料電池スタック22が所定の高温条件に該当すると判定している。燃料電池スタック22の内部温度が高くなると、飽和蒸気圧が高くなることにより電解質膜の含水量が低下した状態になると考えられる。通常、内部温度が90℃未満で運転されている場合には、燃料電池性能の低下がほとんど見られないため、電解質膜の含水量の低下状態が、許容範囲内であると考えられる。そのため、高温条件の判定基準を90℃としている。すなわち、ステップS110では、燃料電池スタック22の内部温度に基づいて、電解質膜の含水量の低下状態を判断している。   When the membrane moisture content lowering processing routine is started, the CPU 74 first determines whether or not the fuel cell stack 22 satisfies a predetermined high temperature condition (step S110). In this embodiment, the temperature measured by the temperature sensor 52 is used as the internal temperature of the fuel cell stack 22, and when the internal temperature is 90 ° C. or higher, it is determined that the fuel cell stack 22 meets a predetermined high temperature condition. It is considered that when the internal temperature of the fuel cell stack 22 increases, the water vapor content of the electrolyte membrane decreases due to an increase in the saturated vapor pressure. Usually, when the internal temperature is operated at less than 90 ° C., the fuel cell performance is hardly deteriorated, and thus the water content of the electrolyte membrane is considered to be within the allowable range. Therefore, the criterion for the high temperature condition is 90 ° C. That is, in step S110, the reduced state of the water content of the electrolyte membrane is determined based on the internal temperature of the fuel cell stack 22.

ステップS110において、所定の高温条件に該当すると判定したときには、CPU74は、アノード内圧の設定値を負圧まで低下させる制御を行なう(ステップS120)。上記したように、アノード内圧は、燃料電池スタック22が定常運転を行なっているとき(すなわち、ステップS120の処理が実行されるまで)は、カソード側のガス圧との釣り合いを考慮した一定の正圧値として設定されている。アノード内圧を負圧に設定する制御は、具体的には、制御部70からインジェクタ62へと駆動信号を出力することによって、アノード内圧センサ50における計測値が大気圧よりも低い所定の値となるように、インジェクタ62におけるデューティー比を調節することによって行なう。   When it is determined in step S110 that the predetermined high temperature condition is satisfied, the CPU 74 performs control to reduce the set value of the anode internal pressure to a negative pressure (step S120). As described above, the anode internal pressure is a constant positive value considering the balance with the gas pressure on the cathode side when the fuel cell stack 22 is in steady operation (that is, until the process of step S120 is executed). It is set as a pressure value. Specifically, the control for setting the anode internal pressure to a negative pressure is performed by outputting a drive signal from the control unit 70 to the injector 62, whereby the measured value in the anode internal pressure sensor 50 becomes a predetermined value lower than the atmospheric pressure. In this manner, the duty ratio in the injector 62 is adjusted.

後に詳述するように、電解質膜の含水量が低下した状態の場合には、アノード内圧を低下させることによって、電解質膜の含水量を増加させることができ、結果として、燃料電池性能の低下を抑制することができる。そこで、ステップS110において、所定の高温条件に該当する(すなわち、電解質膜の含水量が低下している)と判定された場合は、アノード内圧を低下させる制御(ステップS120)を行なっている。   As will be described in detail later, when the water content of the electrolyte membrane is reduced, the water content of the electrolyte membrane can be increased by reducing the anode internal pressure, resulting in a decrease in fuel cell performance. Can be suppressed. Therefore, in step S110, when it is determined that the predetermined high temperature condition is satisfied (that is, the water content of the electrolyte membrane is reduced), control for reducing the anode internal pressure is performed (step S120).

その後、CPU74は、アノードガス中の不純物濃度が上昇しているか否かを判定する(ステップS130)。本実施例においては、アノードガス中の不純物濃度として、循環流路内の窒素濃度を用いている。窒素濃度としては、上記したように、燃料電池スタック22の運転中に冷却水の水温および燃料電池スタック22の出力を計測して、マップを参照することにより求めた値を用いている。窒素濃度が所定の高濃度判定基準値を上回った場合は、ステップS130において、不純物濃度が上昇していると判定される。   Thereafter, the CPU 74 determines whether or not the impurity concentration in the anode gas has increased (step S130). In this embodiment, the nitrogen concentration in the circulation channel is used as the impurity concentration in the anode gas. As described above, as the nitrogen concentration, the value obtained by measuring the coolant temperature and the output of the fuel cell stack 22 during the operation of the fuel cell stack 22 and referring to the map is used. If the nitrogen concentration exceeds a predetermined high concentration criterion value, it is determined in step S130 that the impurity concentration has increased.

ステップS130において、不純物濃度が上昇していると判定されると、CPU74は、アノード内圧が負圧か否かを判定する(ステップS140)。本実施例において、アノード内圧が負圧か否かは、アノード内圧センサ50による計測値に基づいて判定される。ステップS140において、アノード内圧が負圧と判定された場合は、CPU74は、さらに、燃料電池スタック22に対する負荷要求が小さいか否か判定する(ステップS150)。本実施例において、負荷要求が小さいか否かは、燃料電池スタック22の出力電圧に基づいて判定する。具体的には、電圧センサ54によって測定された出力電圧に基づいて算出された燃料電池1つ当りの出力電圧が、例えば、0.7V以上の場合は、負荷要求が小さいと判定する。負荷要求の判定基準となる出力電圧値は、0.7Vに限定されず、例えば、燃料電池の種類等に応じて、異なる値に設定できる。本実施例においては、出力電圧が0.6V以下になると、燃料電池スタック22の運転が継続できない可能性があるため、余裕を見て、判定基準の出力電圧を、0.7Vに設定している。   If it is determined in step S130 that the impurity concentration has increased, the CPU 74 determines whether or not the anode internal pressure is negative (step S140). In the present embodiment, whether or not the anode internal pressure is a negative pressure is determined based on a measured value by the anode internal pressure sensor 50. If it is determined in step S140 that the anode internal pressure is negative, the CPU 74 further determines whether or not the load request for the fuel cell stack 22 is small (step S150). In the present embodiment, whether or not the load request is small is determined based on the output voltage of the fuel cell stack 22. Specifically, when the output voltage per fuel cell calculated based on the output voltage measured by the voltage sensor 54 is 0.7 V or more, for example, it is determined that the load requirement is small. The output voltage value that is the determination criterion of the load request is not limited to 0.7 V, and can be set to a different value depending on, for example, the type of fuel cell. In the present embodiment, when the output voltage becomes 0.6V or less, there is a possibility that the operation of the fuel cell stack 22 may not be continued. Yes.

ステップS150において、負荷が小さいと判定されると、CPU74は、アノード内圧を定常運転時と同様の正圧値に設定する制御を行なう(ステップS160)。具体的には、制御部70からインジェクタ62へと駆動信号を出力することによって、アノード内圧センサ50における計測値が定常運転時と同じ、所定の値となるように、インジェクタ62におけるデューティー比を調節することによって行なう。   If it is determined in step S150 that the load is small, the CPU 74 performs control to set the anode internal pressure to a positive pressure value similar to that during steady operation (step S160). Specifically, by outputting a drive signal from the control unit 70 to the injector 62, the duty ratio in the injector 62 is adjusted so that the measured value in the anode internal pressure sensor 50 becomes the same value as in the steady operation. To do.

また、CPU74は、アノード内圧を正圧に設定した後、アノード排ガス中の不純物を排出させるように制御する(ステップS170)。具体的には、CPU74からパージバルブ27へ駆動信号を出力することによって、パージバルブ27を開弁して、アノード排ガスの一部を排出させ、所定の時間経過した後、パージバルブ27を閉弁する。   Further, after setting the anode internal pressure to a positive pressure, the CPU 74 controls to discharge impurities in the anode exhaust gas (step S170). Specifically, by outputting a drive signal from the CPU 74 to the purge valve 27, the purge valve 27 is opened, a part of the anode exhaust gas is discharged, and after a predetermined time has elapsed, the purge valve 27 is closed.

ところで、ステップS150において、負荷要求が大きいと判定された場合(すなわち、出力電圧が0.7V未満の場合)は、アノード排ガスを排気せず、ステップS110に戻る。ステップS130において、アノードガス中の不純物濃度が上昇していると判断されているため、アノード排ガスの排気(ステップS170)を行なうのが好ましいが、負荷要求が大きい場合に、アノード内圧を正圧に上昇させると、図7に矢印で示すように、電圧が急激に降下して、燃料電池スタック22が運転できなくなるおそれがあるため、アノード排ガスの排気を行なわない。   By the way, when it is determined in step S150 that the load requirement is large (that is, when the output voltage is less than 0.7 V), the anode exhaust gas is not exhausted and the process returns to step S110. In step S130, since it is determined that the impurity concentration in the anode gas has increased, it is preferable to exhaust the exhaust gas of the anode (step S170). However, when the load demand is large, the anode internal pressure is set to a positive pressure. If it is raised, as shown by the arrow in FIG. 7, the voltage drops suddenly and the fuel cell stack 22 may not be operated, so the anode exhaust gas is not exhausted.

また、ステップS130において、アノードガス中の不純物濃度が上昇していると判定されなかった場合も、ステップS140〜250を行なわず(すなわち、アノード排ガスを排気せず)、ステップS110に戻る。不純物濃度が、所定の高濃度判定基準値を上回っていない場合は、アノードガス中の水素濃度の低下に基づく電池性能の低下が、許容範囲内であるため、アノード排ガスの排気をする必要がないと考えられるからである。   In Step S130, if it is not determined that the impurity concentration in the anode gas is increased, Steps S140 to 250 are not performed (that is, the anode exhaust gas is not exhausted), and the process returns to Step S110. When the impurity concentration does not exceed the predetermined high concentration criterion value, the decrease in battery performance based on the decrease in the hydrogen concentration in the anode gas is within the allowable range, so there is no need to exhaust the anode exhaust gas. Because it is considered.

以上、ステップS110において、所定の高温条件に該当すると判定された場合の、制御の流れについて説明した。一方、ステップS110において、所定の高温条件に該当しないと判定された場合(すなわち、燃料電池スタック22の内部温度が90℃未満の場合)は、アノード内圧を定常運転時の所定の正圧値に設定し(ステップS180)、ステップS130に移行する。   The control flow when it is determined in step S110 that the predetermined high temperature condition is satisfied has been described. On the other hand, when it is determined in step S110 that the predetermined high temperature condition is not satisfied (that is, when the internal temperature of the fuel cell stack 22 is less than 90 ° C.), the anode internal pressure is set to a predetermined positive pressure value during steady operation. Set (step S180), the process proceeds to step S130.

ステップS130において、アノードガス中の不純物濃度が上昇していると判定された場合は、CPU74は、アノード内圧が負圧か否かを判定する(ステップS140)。ステップS180において、アノード内圧は定常運転時の正圧値に設定されているため、CPU74は、ステップS150、160を行なわず、アノード排ガスを排気させて(ステップS170)、ステップS110に戻る。アノード内圧が正圧の場合には、アノード内圧を調節しなくても、アノード排ガスの排気を行なうことができるからである。   If it is determined in step S130 that the impurity concentration in the anode gas has increased, the CPU 74 determines whether or not the anode pressure is negative (step S140). In step S180, since the anode internal pressure is set to a positive pressure value during steady operation, the CPU 74 exhausts the anode exhaust gas without performing steps S150 and 160 (step S170), and returns to step S110. This is because when the anode internal pressure is positive, the anode exhaust gas can be exhausted without adjusting the anode internal pressure.

このように、本実施例における膜含水量低下時処理ルーチンでは、燃料電池スタック22の内部温度に基づいて、電解質膜の含水量の低下状態を判定し、含水量が低下している場合には、アノード内圧を負圧まで低下させることによって、膜含水量の低下を抑制している。   As described above, in the membrane water content lowering processing routine in the present embodiment, the reduced state of the water content of the electrolyte membrane is determined based on the internal temperature of the fuel cell stack 22, and the water content is reduced. By decreasing the anode internal pressure to a negative pressure, a decrease in the membrane water content is suppressed.

また、アノードガス中の窒素濃度に基づいて、アノードガス中の不純物濃度の上昇状態を判定し、アノードガス中の不純物濃度が上昇している場合であって、アノード内圧が負圧に制御されている場合には、アノード内圧を正圧まで上昇させて、その後、アノード排ガスを排出させている。アノード排ガスの一部を排出させ、新たに純水素が供給されることによって、アノードガス中の不純物濃度が低減されて、アノードガス中の水素濃度が上昇する。アノード内圧を正圧に上昇させるのは、アノード内圧が負圧の状態のままでは、パージバルブ27を開弁したとしても、循環路内の圧力が、外気圧より低いため、逆に、外気が循環路内に流入してしまい、アノード排ガスを排気することができないからである。   Further, the rising state of the impurity concentration in the anode gas is determined based on the nitrogen concentration in the anode gas, and the impurity concentration in the anode gas is increased, and the anode internal pressure is controlled to a negative pressure. If so, the anode internal pressure is raised to a positive pressure, and then the anode exhaust gas is discharged. By discharging a part of the anode exhaust gas and newly supplying pure hydrogen, the impurity concentration in the anode gas is reduced, and the hydrogen concentration in the anode gas is increased. The anode internal pressure is increased to a positive pressure because the pressure in the circulation path is lower than the outside air pressure even if the purge valve 27 is opened while the anode inside pressure remains in the negative pressure state. This is because it flows into the road and the anode exhaust gas cannot be exhausted.

さらに、本実施例においては、燃料電池スタック22に対する負荷要求の大小を、出力電圧に基づいて判定し、負荷要求が小さいと判定された場合にのみ、上記したように、アノード内圧を正圧に制御すると共に、アノード排ガスを排出させている。したがって、アノード内圧を負圧から正圧に制御することによって、電圧低下が生じても、燃料電池スタック22が停止するようなことを回避することができる。   Furthermore, in this embodiment, the magnitude of the load request for the fuel cell stack 22 is determined based on the output voltage, and only when the load request is determined to be small, as described above, the anode internal pressure is set to a positive pressure. While controlling, the anode exhaust gas is discharged. Therefore, by controlling the anode internal pressure from a negative pressure to a positive pressure, it is possible to avoid the fuel cell stack 22 from being stopped even if a voltage drop occurs.

以上のように、本実施例における膜含水量低下時処理ルーチンを実行することにより、電解質膜の含水量低下およびアノードガス中の水素濃度の低下に伴う燃料電池性能の低下を抑制することができる。   As described above, by performing the membrane moisture content lowering processing routine in the present embodiment, it is possible to suppress the degradation of the fuel cell performance accompanying the decrease in the moisture content of the electrolyte membrane and the decrease in the hydrogen concentration in the anode gas. .

A3.アノード内圧と膜抵抗との関係:
本実施例の燃料電池システム10は、固体高分子電解質膜における含水量の低下時には、含水量の低下に起因する電池性能の低下を抑制するために、アノード内圧を、定常運転時とは異なる、大気圧より低い値(負圧)に設定する制御を行なっている。そこで、燃料電池における内部抵抗(セル抵抗)とアノード内圧との関係について、以下に説明する。
A3. Relationship between anode internal pressure and membrane resistance:
In the fuel cell system 10 of the present embodiment, when the water content in the solid polymer electrolyte membrane is reduced, the anode internal pressure is different from that during steady operation in order to suppress the reduction in battery performance due to the reduction in water content. Control to set a value lower than atmospheric pressure (negative pressure) is performed. Therefore, the relationship between the internal resistance (cell resistance) and the anode internal pressure in the fuel cell will be described below.

図5は、アノード内圧と、セル抵抗およびセル電圧との関係を調べた結果を示す図である。ここでは、燃料電池として単セル(1対のセパレータで、MEA(膜電極接合体:Membrane‐Electrode Assembly)を挟持したもの)を用いており、燃料ガスである水素ガスの循環は行なっていない。そして、単セルを一定の負荷に接続しつつ、すなわち、出力電流値を一定値に保ちつつ、アノード側に供給する水素ガスの圧力(アノード内圧)を次第に変化させて、セル抵抗およびセル電圧を測定した。また、カソードに供給する酸化ガスとしては空気を用いており、単セル内の酸化ガス流路を流れる空気の圧力、すなわちカソード内圧は一定とした。また、単セル内には冷却水が流れる冷却水流路を設け、冷却水の出口温度を調節することによって、単セル内の温度を略一定に維持した。また、燃料ガスおよび酸化ガスの加湿条件としては、アノード内圧をカソード内圧と釣り合う圧力に設定する場合に、電解質膜の含水量が低下するような条件として設定した。   FIG. 5 is a graph showing the results of examining the relationship between anode internal pressure, cell resistance, and cell voltage. Here, a single cell (a pair of separators sandwiching an MEA (membrane electrode assembly)) is used as a fuel cell, and hydrogen gas as a fuel gas is not circulated. Then, while connecting the single cell to a constant load, that is, while maintaining the output current value at a constant value, the pressure of the hydrogen gas supplied to the anode side (anode internal pressure) is gradually changed, and the cell resistance and the cell voltage are changed. It was measured. Further, air is used as the oxidizing gas supplied to the cathode, and the pressure of the air flowing through the oxidizing gas flow path in the single cell, that is, the cathode internal pressure is constant. Moreover, the cooling water flow path through which cooling water flows was provided in the single cell, and the temperature in the single cell was maintained substantially constant by adjusting the outlet temperature of the cooling water. In addition, the humidification conditions of the fuel gas and the oxidizing gas were set such that the water content of the electrolyte membrane was lowered when the anode internal pressure was set to a pressure balanced with the cathode internal pressure.

ここで、燃料電池における内部抵抗としては、燃料電池の構成部材間における接触抵抗に起因するものと、燃料電池の各構成部材そのものが有する抵抗とがある。これら個々の抵抗を計測することは困難であるが、これらの抵抗の内、燃料電池の発電中に燃料電池の発電条件に応じて大きく変化し得るのは、含水量が変化することで値が変動する電解質膜の抵抗、すなわち膜抵抗である。そして、この膜抵抗は、電解質膜の含水量が低下して、電解質膜におけるプロトン伝導性が低下することによって値が上昇する。そのため、図5に示す結果においては、電解質膜の含水量の低下に起因する膜抵抗の増大を、燃料電池スタック22の内部抵抗の増加として計測している。   Here, the internal resistance in the fuel cell includes a resistance caused by contact resistance between the constituent members of the fuel cell and a resistance possessed by each constituent member of the fuel cell itself. Although it is difficult to measure these individual resistances, the value of these resistances can vary greatly depending on the power generation conditions of the fuel cell during power generation of the fuel cell. Fluctuating electrolyte membrane resistance, ie membrane resistance. This membrane resistance increases as the water content of the electrolyte membrane decreases and the proton conductivity in the electrolyte membrane decreases. Therefore, in the result shown in FIG. 5, an increase in membrane resistance due to a decrease in the water content of the electrolyte membrane is measured as an increase in the internal resistance of the fuel cell stack 22.

燃料電池の内部抵抗であるセル抵抗は、交流インピーダンス法により求めた。すなわち、単セルに対して、比較的周波数の高い(例えば10kHz)微弱な交流定電流を印加し、出力電圧から、フィルタ(コンデンサ)を用いて上記交流電流に起因する交流成分を分離して、交流成分の電圧値である交流インピーダンスを、セル抵抗として求めた。   The cell resistance, which is the internal resistance of the fuel cell, was determined by the AC impedance method. That is, a weak AC constant current having a relatively high frequency (for example, 10 kHz) is applied to a single cell, and an AC component caused by the AC current is separated from the output voltage using a filter (capacitor). The AC impedance, which is the voltage value of the AC component, was determined as the cell resistance.

図5に示すように、アノード内圧を低くすれば低くするほど、単セルにおけるセル抵抗が低下すると共に、セル電圧が上昇する結果が得られた。   As shown in FIG. 5, the lower the internal pressure of the anode, the lower the cell resistance in the single cell and the higher the cell voltage.

このように、アノード内圧を低下させるほど、セル抵抗が低下するのは、アノード内圧を低下させることにより、カソード内圧に対してアノード内圧が相対的に低くなって、両者間の差圧が大きくなるためであると考えられる。アノード内圧とカソード内圧との差圧が大きくなると、カソード側からアノード側へと向かう電解質膜内における水の移動が促進され、結果的に電解質膜の含水量が増加して、膜抵抗が低下するためであると考えられる。   As described above, the cell resistance decreases as the anode internal pressure decreases. By reducing the anode internal pressure, the anode internal pressure becomes relatively lower than the cathode internal pressure, and the differential pressure between the two increases. This is probably because of this. When the pressure difference between the anode internal pressure and the cathode internal pressure increases, the movement of water in the electrolyte membrane from the cathode side to the anode side is promoted, resulting in an increase in the water content of the electrolyte membrane and a decrease in membrane resistance. This is probably because of this.

以上のように、図5の結果から、電解質膜の含水量が低下した場合に、アノード内圧を低下させると、低下させるほどに、セル抵抗を低下させることができ、その結果、セル電圧を上昇させることができるという知見が得られた。そこで、本実施例の燃料電池システム10では、以上の知見を利用して、電解質膜の含水量の低下時に、アノード内圧を負圧まで低下させる制御を行なうことで、電池性能の維持を図っている。   As described above, from the results shown in FIG. 5, when the water content of the electrolyte membrane is reduced, if the anode internal pressure is lowered, the cell resistance can be lowered as the anode pressure is lowered. As a result, the cell voltage is increased. The knowledge that it can be made was obtained. Therefore, in the fuel cell system 10 of the present embodiment, by utilizing the above knowledge, when the water content of the electrolyte membrane is reduced, control is performed to reduce the anode internal pressure to a negative pressure, thereby maintaining the battery performance. Yes.

なお、一般的に、燃料ガスとして水素ガスを用い、酸化ガスとして酸素濃度が比較的低い空気を用いて燃料電池を運転する際には、アノード内圧は、カソード内圧との釣り合いを考慮して設定されるため、所望の電力を得るために必要な値に比べて過剰となっている。したがって、負荷要求に応じた発電を行なうためには充分な範囲でアノード内圧を負圧まで低下させることにより、所望の電力を得つつ、セル抵抗の低下およびセル電圧の上昇を図ることができる。   In general, when operating a fuel cell using hydrogen gas as the fuel gas and air having a relatively low oxygen concentration as the oxidizing gas, the anode internal pressure is set in consideration of the balance with the cathode internal pressure. Therefore, it is excessive as compared with a value necessary for obtaining a desired power. Therefore, by reducing the anode internal pressure to a negative pressure within a sufficient range to generate power according to the load demand, it is possible to reduce cell resistance and increase cell voltage while obtaining desired power.

A4.第1の実施例の効果:
図4は、膜含水量低下時処理ルーチンによる制御の影響を示すグラフである。図4(a)はアノードガス中の窒素濃度、(b)は出力電圧、(c)はアノード内圧、(d)はパージバルブの開閉状態を、それぞれ示す。なお、図4では、(a)〜(d)全てのグラフについて、横軸に時間を取って、同じ時間軸で示している。また、図4では、上記したステップS120において、アノード内圧が負圧に設定された後、燃料電池スタック22に対する負荷要求を変化させた場合を示している。
A4. Effects of the first embodiment:
FIG. 4 is a graph showing the influence of control by the processing routine when the membrane water content is reduced. 4A shows the nitrogen concentration in the anode gas, FIG. 4B shows the output voltage, FIG. 4C shows the anode pressure, and FIG. 4D shows the open / close state of the purge valve. In FIG. 4, all the graphs (a) to (d) are shown on the same time axis by taking time on the horizontal axis. FIG. 4 shows a case where the load demand on the fuel cell stack 22 is changed after the anode internal pressure is set to a negative pressure in step S120 described above.

燃料電池スタック22のアノードガス中の窒素濃度が高濃度判定基準値を超えたとき(すなわち、上記のステップS130において、不純物濃度が上昇していると判定されたとき:図4(a)時間t1)、図4(b)に示す、出力電圧が低負荷判定基準値を超えているため、負荷要求が小さいと判定されると、アノード内圧が定常運転時の所定の正圧値に設定される(図4(c))と共に、パージバルブ27が開弁される(図4(d))。パージバルブ27が開弁されると、アノード排ガスの一部が大気中に放出され、その分、純水素が供給されるため、アノードガス中の窒素濃度が低下する(図4(a))。   When the nitrogen concentration in the anode gas of the fuel cell stack 22 exceeds the high concentration determination reference value (that is, when it is determined in step S130 that the impurity concentration is increasing: FIG. 4A) time t1 4) When the load request is determined to be small because the output voltage exceeds the low load determination reference value shown in FIG. 4B, the anode internal pressure is set to a predetermined positive pressure value during steady operation. Together with (FIG. 4C), the purge valve 27 is opened (FIG. 4D). When the purge valve 27 is opened, a part of the anode exhaust gas is released into the atmosphere, and pure hydrogen is supplied accordingly, so that the nitrogen concentration in the anode gas decreases (FIG. 4A).

なお、本実施例において、アノード内圧を負圧から正圧に上昇させる際に、同時にパージバルブ27を開弁して、アノード排ガスの排気を行なっているが、同時でなくてもよい。アノード内圧が正圧に設定された後、所定の時間経過後に、パージバルブ27を開弁するように制御してもよい。また、アノード内圧を負圧から徐々に正圧に上昇させる場合には、アノード内圧が正圧に設定された後に、パージバルブ27を開弁する必要がある。   In this embodiment, when the anode internal pressure is increased from the negative pressure to the positive pressure, the purge valve 27 is opened at the same time to discharge the anode exhaust gas. The purge valve 27 may be controlled to open after a predetermined time has elapsed after the anode internal pressure is set to a positive pressure. Further, when the anode internal pressure is gradually increased from the negative pressure to the positive pressure, the purge valve 27 needs to be opened after the anode internal pressure is set to the positive pressure.

パージバルブ27が閉弁されると(図4(d))、アノード内圧は再び、負圧に設定される(図4(C))。なお、アノード排ガスの排気処理が終了した後、上記したステップS110において、所定の高温条件に該当しないと判定されれば、アノード内圧は、定常運転時の所定の正圧値に維持されるが、図4では、ステップS110において、所定の高温条件に該当すると判定されたものとする。   When the purge valve 27 is closed (FIG. 4D), the anode internal pressure is again set to a negative pressure (FIG. 4C). Note that after the exhaust processing of the anode exhaust gas is completed, if it is determined in step S110 described above that the predetermined high temperature condition is not met, the anode internal pressure is maintained at a predetermined positive pressure value during steady operation, In FIG. 4, it is determined in step S110 that the predetermined high temperature condition is met.

パージバルブ27が閉弁されると、アノードガス中の窒素濃度は再び上昇し、高濃度判定基準値を上回る(図4(a)時間t2)。しかしながら、このとき(時間t2)、出力電圧は、低負荷判定基準値を超えていない(図4(b))。すなわち、燃料電池スタック22に対する負荷要求が大きいため、アノード排ガスの排出は実行されない(図4(d))。したがって、アノード内圧も負圧に維持されている(図4(c))。パージバルブ27は閉弁されているため、その後もアノードガス中の窒素濃度は、上昇し続ける(図4(a))。その後、出力電圧が低負荷判定基準値を上回ると(図4(b)時間t3)、CPU74は、アノード内圧を定常運転時の正圧値に設定し(図4(c))、パージバルブ27を開弁する(図4(d))。パージバルブ27を開弁することにより、上述したように、アノードガス中の窒素濃度が低下する(図4(a))。   When the purge valve 27 is closed, the nitrogen concentration in the anode gas rises again and exceeds the high concentration criterion value (time t2 in FIG. 4 (a)). However, at this time (time t2), the output voltage does not exceed the low load determination reference value (FIG. 4B). That is, since the load demand on the fuel cell stack 22 is large, the anode exhaust gas is not discharged (FIG. 4D). Therefore, the anode internal pressure is also maintained at a negative pressure (FIG. 4C). Since the purge valve 27 is closed, the nitrogen concentration in the anode gas continues to rise thereafter (FIG. 4 (a)). Thereafter, when the output voltage exceeds the low load determination reference value (FIG. 4B, time t3), the CPU 74 sets the anode internal pressure to a positive pressure value during steady operation (FIG. 4C), and the purge valve 27 is turned on. The valve is opened (FIG. 4 (d)). By opening the purge valve 27, the nitrogen concentration in the anode gas decreases as described above (FIG. 4A).

一般的に、図7に示すように、負荷要求が大きくなると(すなわち、要求電流が大きくなると)、出力電流が急激に落ちる傾向にある。したがって、負荷要求が大きいときに、アノード内圧を負圧から正圧に上昇させると、燃料電池スタック22が運転を継続できない程度に、出力電圧が低下してしまうおそれがある。   In general, as shown in FIG. 7, when the load demand becomes large (that is, when the demand current becomes large), the output current tends to drop rapidly. Therefore, if the anode internal pressure is increased from a negative pressure to a positive pressure when the load demand is large, the output voltage may decrease to the extent that the fuel cell stack 22 cannot continue operation.

本実施例の膜含水量低下時処理ルーチンにおいては、アノードガス中の窒素濃度が上昇することによって(すなわち、アノードガス中の水素濃度が低下することによって)、燃料電池性能が低下するのを抑制するために、アノード排ガスの一部を排気する制御を行なうが、その前に、負荷要求の大きさを、出力電圧に基づいて判定し、負荷要求が小さい場合にのみ、アノード排ガスの排気制御を行なっている。   In the processing routine when the membrane water content is lowered in this embodiment, the decrease in fuel cell performance is suppressed by the increase in the nitrogen concentration in the anode gas (that is, the decrease in the hydrogen concentration in the anode gas). In order to achieve this, control is performed to exhaust a part of the anode exhaust gas, but before that, the magnitude of the load request is determined based on the output voltage, and the exhaust control of the anode exhaust gas is performed only when the load request is small. Is doing.

したがって、アノード排ガスの排気を行なう際に、アノード内圧を所定の正圧値に設定することによって、出力電圧が大きく低下するのを抑制することができる。したがって、燃料電池スタック22が運転できなくなるのを回避することができる。   Therefore, when the anode exhaust gas is exhausted, it is possible to suppress the output voltage from greatly decreasing by setting the anode internal pressure to a predetermined positive pressure value. Therefore, it can be avoided that the fuel cell stack 22 cannot be operated.

さらに、インジェクタ62のバルブの開閉時間を調節することによってアノード内圧を低下させているため、エネルギ消費の増大を伴う必要がない。そのため、エネルギ効率を低下させることなく、電解質膜の含水量低下に起因する電池性能の低下を抑制することができる。   Furthermore, since the anode internal pressure is reduced by adjusting the opening / closing time of the valve of the injector 62, there is no need to increase energy consumption. Therefore, it is possible to suppress a decrease in battery performance due to a decrease in water content of the electrolyte membrane without reducing energy efficiency.

また、本実施例では、インジェクタ62のバルブの開閉制御という簡便な動作により、アノード内圧を容易に所望の値へと制御することができる。なお、インジェクタ62のバルブの開閉時間を調節する方法以外の方法によって、アノード内圧を調節してもよい。例えば、バルブの開度を調節することで、アノード内圧を調節しても良い。   In this embodiment, the anode internal pressure can be easily controlled to a desired value by a simple operation of opening / closing control of the valve of the injector 62. The anode internal pressure may be adjusted by a method other than the method of adjusting the opening / closing time of the valve of the injector 62. For example, the anode internal pressure may be adjusted by adjusting the opening of the valve.

B.第2の実施例:
本発明の第2の実施例の燃料電池システムは、図1に示す第1の実施例の燃料電池システム10と、同様の構成を成しているが、本実施例の膜含水量低下時処理ルーチンの一部が、第1の実施例の膜含水量低下時処理ルーチンと異なっている。図6は、第2の実施例における膜含水量低下時処理ルーチンの一部を示すフローチャートである。本実施例では、図3に示す膜含水量低下時処理ルーチンにおけるステップS150に代えて、図6に示すステップS250を行う。
B. Second embodiment:
The fuel cell system according to the second embodiment of the present invention has the same configuration as that of the fuel cell system 10 according to the first embodiment shown in FIG. A part of the routine is different from the processing routine for when the membrane water content is reduced in the first embodiment. FIG. 6 is a flowchart showing a part of the processing routine when the membrane water content is lowered in the second embodiment. In the present embodiment, step S250 shown in FIG. 6 is performed instead of step S150 in the membrane water content lowering processing routine shown in FIG.

本実施例の膜含水量低下時処理ルーチンは、燃料電池スタック22に対する負荷要求が大きいと判定された場合の制御が、第1の実施例の膜含水量低下時処理ルーチンと異なる。第1の実施例においては、図3に示すように、ステップS150において、CPU74が、燃料電池スタック22に対する負荷要求が大きいと判断した場合に、アノード排ガスの排気を行なわず、ステップS110に戻っている。一方、本実施例では、図6に示すように、ステップS250において、CPU74が、燃料電池スタック22に対する負荷要求が大きいと判断した場合には、さらに、緊急排気が必要か否かを判定し、緊急排気の要否に基づいて、アノード排ガスの排気制御を行なっている。   The membrane moisture content reduction processing routine of this embodiment differs from the membrane moisture content reduction processing routine of the first embodiment in the control when it is determined that the load demand on the fuel cell stack 22 is large. In the first embodiment, as shown in FIG. 3, when the CPU 74 determines in step S150 that the load demand on the fuel cell stack 22 is large, the process returns to step S110 without exhausting the anode exhaust gas. Yes. On the other hand, in this embodiment, as shown in FIG. 6, when the CPU 74 determines in step S250 that the load demand on the fuel cell stack 22 is large, it further determines whether or not emergency exhaust is necessary, Based on the necessity of emergency exhaust, exhaust control of anode exhaust gas is performed.

具体的には、図6に示すように、ステップS250において、第1の実施例と同様に、燃料電池スタック22に対する負荷要求が小さいか否かを判定し、負荷が大きいと判定されると(すなわち、出力電圧が0.7V未満の場合)、CPU74は、さらに、アノード排ガスの緊急排気が必要か否かを判定する(ステップS260)。ステップS130では、アノードガス中の窒素濃度が、所定の基準値を上回った場合に、不純物濃度が上昇していると判定しているが、この判定基準は、窒素濃度の上昇によって、燃料電池スタック22の発電効率が低下するため、排気処理を実行するのが好ましいものの、即刻実行しなくても、燃料電池スタック22の運転が停止するような事態を招くものではないという、ある程度の余裕を含む値に設定されている。一方、ステップS260において、緊急排気が必要と判定される基準値は、アノード排ガスの排気処理を行わなければ、燃料電池スタック22が発電不可能となるおそれがあるという、U210における判定基準値よりも高い基準値が設定されている。   Specifically, as shown in FIG. 6, in step S250, as in the first embodiment, it is determined whether or not the load demand on the fuel cell stack 22 is small, and if it is determined that the load is large ( That is, when the output voltage is less than 0.7 V), the CPU 74 further determines whether or not emergency exhaust of the anode exhaust gas is necessary (step S260). In step S130, when the nitrogen concentration in the anode gas exceeds a predetermined reference value, it is determined that the impurity concentration is increasing. This determination criterion is based on the increase in the nitrogen concentration. Since the power generation efficiency of the engine 22 is reduced, it is preferable to execute the exhaust process, but there is a certain margin that the operation of the fuel cell stack 22 will not be stopped even if it is not executed immediately. Is set to a value. On the other hand, in step S260, the reference value determined to require emergency exhaust is higher than the determination reference value in U210 that the fuel cell stack 22 may not be able to generate power unless the exhaust treatment of the anode exhaust gas is performed. A high reference value is set.

ステップS260において、緊急排気が必要と判定された場合、CPU74は、燃料電池スタック22の出力を所定の制限値に制限する(ステップS270)。所定の制限値とは、アノード内圧を正圧に制御したとしても、燃料電池スタック22が停止しない程度の出力である。CPU74は、U260において、緊急排気が必要と判定された場合には、実際に必要な負荷要求値に代えて、制限値を用いて、燃料電池スタック22の電極反応を制御する。例えば、出力電圧が0.7Vになるように、エアコンプレッサ24およびインジェクタ62を制御する。このようにすることによって、燃料電池スタック22は、要求されている負荷よりは小さいものの、所定の出力を維持することができ、運転を継続することができる。このように、ステップS270の処理を実行する際には、エアコンプレッサ24およびインジェクタ62が、請求項における出力調節部として機能する。   If it is determined in step S260 that emergency exhaust is necessary, the CPU 74 limits the output of the fuel cell stack 22 to a predetermined limit value (step S270). The predetermined limit value is an output that does not stop the fuel cell stack 22 even if the anode internal pressure is controlled to a positive pressure. When it is determined in U260 that emergency exhaust is necessary, the CPU 74 controls the electrode reaction of the fuel cell stack 22 using the limit value instead of the actually required load request value. For example, the air compressor 24 and the injector 62 are controlled so that the output voltage becomes 0.7V. By doing in this way, although the fuel cell stack 22 is smaller than the required load, it can maintain a predetermined output and can continue the operation. Thus, when performing the process of step S270, the air compressor 24 and the injector 62 function as an output adjustment part in a claim.

続いて、CPU74は、アノード内圧を定常運転時と同様の正圧値に設定する制御を行なう(図3のステップS160)と共に、アノード排ガス中の不純物を排出させるように制御する(図3のステップS170)。   Subsequently, the CPU 74 performs control to set the anode internal pressure to the same positive pressure value as that in the steady operation (step S160 in FIG. 3), and controls to discharge impurities in the anode exhaust gas (step in FIG. 3). S170).

このように本実施例の燃料電池システムによれば、第1の実施例における効果を奏すると共に、さらに、燃料電池スタック22に対する負荷要求が大きい場合であっても、出力制限を行なうことによって、アノード内圧を正圧に設定して、アノードガス中の不純物を大気中に放出することができる。したがって、燃料電池スタック22の運転が停止するのを回避しつつ、アノードガス中の不純物濃度の上昇による燃料電池性能の低下を抑制することができる。   As described above, according to the fuel cell system of the present embodiment, the effects of the first embodiment can be obtained, and further, even when the load demand on the fuel cell stack 22 is large, the output is limited so that the anode By setting the internal pressure to a positive pressure, impurities in the anode gas can be released into the atmosphere. Therefore, it is possible to suppress a decrease in fuel cell performance due to an increase in the impurity concentration in the anode gas while avoiding the operation of the fuel cell stack 22 from being stopped.

C.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
C. Variations:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.

(1)上記した第1の実施例では、アノードガス中の窒素濃度が上昇していても、負荷要求が大きい場合には、アノード排ガスを排出する制御を行なわないようにしているが、燃料電池スタック22の内部温度が高い場合に、アノード排ガスを排出する制御を行なわないようにしてもよい。   (1) In the first embodiment described above, even if the nitrogen concentration in the anode gas is increased, the control for discharging the anode exhaust gas is not performed when the load requirement is large. When the internal temperature of the stack 22 is high, the control for discharging the anode exhaust gas may not be performed.

例えば、燃料電池スタック22の内部温度が、93℃より低ければ、アノード内圧を負圧から正圧に上昇させても燃料電池スタック22の性能低下が許容できる範囲内であるとすると、上記した実施例のステップS110において用いる温度(例えば、90℃)よりも高い温度になる。したがって、内部温度が93℃以上の場合にはアノード排ガスを排出する制御をしないようにすると、燃料電池スタック22の内部温度が90〜93℃の場合には、アノード内圧を負圧から正圧に上昇させて、アノード排ガスを排気することになる。このようにすると、アノード排ガスを排出させる処理を行う際の、燃料電池スタック22の性能低下を許容範囲内に収めつつ、アノードガス中の不純物濃度を低下させることができる。   For example, if the internal temperature of the fuel cell stack 22 is lower than 93 ° C., it is assumed that the performance degradation of the fuel cell stack 22 is within an allowable range even if the anode internal pressure is increased from a negative pressure to a positive pressure. The temperature is higher than the temperature used in step S110 of the example (for example, 90 ° C.). Therefore, if the control for discharging the anode exhaust gas is not performed when the internal temperature is 93 ° C. or higher, the anode internal pressure is changed from a negative pressure to a positive pressure when the internal temperature of the fuel cell stack 22 is 90 to 93 ° C. As a result, the anode exhaust gas is exhausted. By doing so, it is possible to reduce the impurity concentration in the anode gas while keeping the performance deterioration of the fuel cell stack 22 within the allowable range when performing the process of discharging the anode exhaust gas.

(2)上記した第2の実施例では、負荷要求が大きい場合であっても、緊急排気が必要な場合には、出力を所定の値に制限した後に、アノード排ガスを排気させる処理を行っているが、燃料電池スタック22の内部温度が高い場合に、緊急排気が必要なときは、燃料電池スタック22の内部温度を所定の温度に低下させた後に、アノード排ガスを排出させる処理を行うようにしてもよい。すなわち、ステップS250で内部温度が低温か否か判定し、高温と判定された場合には、ステップS270で、燃料電池スタック22の内部温度を低下させる処理を行う。例えば、燃料電池スタック22内を流通する冷却水の流通速度を速くすることによって、燃料電池の内部温度を低下させることができる。このようにしても、アノード排ガスを排出させる処理を行う際の、燃料電池スタック22の性能低下を許容範囲内に収めつつ、アノードガス中の不純物濃度を低下させることができる。   (2) In the above-described second embodiment, even when the load demand is large, when emergency exhaust is necessary, after the output is limited to a predetermined value, the anode exhaust gas is exhausted. However, when the internal temperature of the fuel cell stack 22 is high and emergency exhaust is required, the internal temperature of the fuel cell stack 22 is lowered to a predetermined temperature and then the anode exhaust gas is discharged. May be. That is, it is determined whether or not the internal temperature is low in step S250, and if it is determined that the internal temperature is high, processing for reducing the internal temperature of the fuel cell stack 22 is performed in step S270. For example, the internal temperature of the fuel cell can be lowered by increasing the flow rate of the cooling water flowing through the fuel cell stack 22. Even in this case, it is possible to reduce the impurity concentration in the anode gas while keeping the performance degradation of the fuel cell stack 22 within the allowable range when performing the process of discharging the anode exhaust gas.

(3)上記した実施例では、燃料電池スタック22の出力電圧に基づいて、燃料電池スタック22に対する負荷要求が小さいか否かを判定しているが、その他の方法で負荷要求の大きさを判定してもよい。例えば、出力電流に基づいて判定してもよいし、燃料電池の内部温度に基づいて判定してもよい。負荷要求が小さくなれば、燃料電池の内部温度も下がると考えられるからである。   (3) In the above-described embodiment, it is determined whether or not the load request to the fuel cell stack 22 is small based on the output voltage of the fuel cell stack 22, but the magnitude of the load request is determined by other methods. May be. For example, it may be determined based on the output current, or may be determined based on the internal temperature of the fuel cell. This is because if the load requirement is reduced, the internal temperature of the fuel cell is considered to decrease.

(4)上記した実施例では、燃料電池スタック22の内部温度に基づいて、電解質膜の含水量低下状態を判断し、電解質膜の含水量が低下していると判断された場合に、アノード内圧を負圧まで低下させる制御を行なっているが、その他の場合に、アノード内圧を負圧まで低下させるようにしてもよい。   (4) In the above-described embodiment, when the water content of the electrolyte membrane is reduced based on the internal temperature of the fuel cell stack 22, it is determined that the water content of the electrolyte membrane is reduced. However, in other cases, the anode internal pressure may be reduced to a negative pressure.

例えば、アノード側でフラッディングを起こしていると考えられる場合に、アノード内圧を負圧まで低下させる制御をするようにしてもよい。具体的には、ステップS110において、フラッディングの状態になりうる低温条件(例えば、80℃以下)か否かを判定し、低温条件に該当した場合には、出力電圧の低下状態を判定して、所定の割合以上低下している場合には、フラッディングの状態になっていると判定する。   For example, when it is considered that flooding occurs on the anode side, control may be performed to reduce the anode internal pressure to a negative pressure. Specifically, in step S110, it is determined whether or not a low temperature condition (for example, 80 ° C. or less) that may be in a flooding state. If the low temperature condition is satisfied, a decrease state of the output voltage is determined, If it is lower than a predetermined rate, it is determined that a flooding state has occurred.

出力電圧の低下状態を判定する方法としては、例えば、以下のように判定することができる。電圧センサ54が計測した燃料電池スタック22の出力電圧値を取得すると共に、図示しない電流センサが計測した燃料電池スタック22の出力電流値を取得する。一般に、定常運転を行なっている燃料電池は、出力電流値に応じて出力電圧値が一義的に定まる性質を有しており、出力電流値と出力電圧値との間には、一定の関係が成立する(電流―電圧特性)。CPU74は、取得した出力電流値と、制御部70に予め記憶されている燃料電池スタック22の電流―電圧特性と、に基づいて、定常運転時における出力電圧値の基準値である基準電圧値を求める。そして、求めた基準電圧値と、電圧センサ54から取得した出力電圧値の計測値とを比較して、出力電圧の低下状態を判定する。   As a method for determining the output voltage drop state, for example, it can be determined as follows. The output voltage value of the fuel cell stack 22 measured by the voltage sensor 54 is acquired, and the output current value of the fuel cell stack 22 measured by a current sensor (not shown) is acquired. In general, a fuel cell performing steady operation has a property that an output voltage value is uniquely determined according to an output current value, and there is a certain relationship between the output current value and the output voltage value. (Current-voltage characteristics) Based on the acquired output current value and the current-voltage characteristics of the fuel cell stack 22 stored in advance in the control unit 70, the CPU 74 determines a reference voltage value that is a reference value of the output voltage value during steady operation. Ask. Then, the obtained reference voltage value is compared with the measured value of the output voltage value acquired from the voltage sensor 54 to determine the output voltage drop state.

そして、ステップS110において、フラッディングの状態と判定された場合には、アノード内圧を負圧にする制御を行なう(ステップS120)。   If it is determined in step S110 that the flooding state has occurred, control is performed to make the anode internal pressure negative (step S120).

アノード内圧を負圧まで低下させると、アノードガスの流速が速くなるため、燃料電池スタック22内に滞留している水を排出し易くなり、フラッディングを抑制することができる。   When the anode internal pressure is reduced to a negative pressure, the flow rate of the anode gas is increased, so that water staying in the fuel cell stack 22 can be easily discharged, and flooding can be suppressed.

(5)上記した実施例では、図3のステップS110において燃料電池スタック22の内部温度に基づいて、電解質膜の含水量低下状態を判定しているが、異なる基準に基づいて行なっても良い。   (5) In the above-described embodiment, the reduced water content of the electrolyte membrane is determined based on the internal temperature of the fuel cell stack 22 in step S110 of FIG. 3, but may be performed based on different criteria.

例えば、燃料電池スタック22の出力電圧に基づいて、電解質膜の含水量が低下しているか否かを判定してもよい。(4)に述べたように、基準電圧値と、電圧センサ54から取得した出力電圧値の計測値とを比較して、基準電圧値に比べて実際の計測値が所定の割合以上低下している場合には、電解質膜の含水量が低下した状態であると判定してもよい。   For example, it may be determined based on the output voltage of the fuel cell stack 22 whether or not the water content of the electrolyte membrane is reduced. As described in (4), the reference voltage value is compared with the measured value of the output voltage value acquired from the voltage sensor 54, and the actual measured value is reduced by a predetermined percentage or more compared to the reference voltage value. If it is, the water content of the electrolyte membrane may be determined to be in a reduced state.

あるいは、電解質膜の膜抵抗に基づいて、電解質膜の含水量低下状態を判定しても良い。上記したように、電解質膜の含水量が低下すると電解質膜の膜抵抗が上昇するため、膜抵抗が所定値以上に上昇しているときには、含水量低下状態であると判定することができる。   Alternatively, the reduced water content of the electrolyte membrane may be determined based on the membrane resistance of the electrolyte membrane. As described above, when the water content of the electrolyte membrane decreases, the membrane resistance of the electrolyte membrane increases. Therefore, when the membrane resistance increases to a predetermined value or more, it can be determined that the water content is in a reduced state.

また、カソードに供給される酸化ガスにおける圧損(カソード圧損)に基づいて、電解質膜の含水量低下状態を判定することとしても良い。膜含水量が少ないときには、酸化ガスの流路内においても水が少ない状態となり、液水による酸化ガス流れの阻害が少なくなって圧損が小さくなるため、カソード圧損が小さい場合には、含水量低下状態と判定することができる。同様に、アノードに供給される燃料ガスにおける圧損(アノード圧損)に基づいて、電解質膜の含水量低下状態を判定することとしてもよい。   Moreover, it is good also as determining the moisture content fall state of an electrolyte membrane based on the pressure loss (cathode pressure loss) in the oxidizing gas supplied to a cathode. When the water content of the membrane is low, the amount of water is also low in the oxidizing gas flow path, and the pressure loss is reduced by reducing the obstruction of the oxidizing gas flow by the liquid water. The state can be determined. Similarly, the water content reduction state of the electrolyte membrane may be determined based on the pressure loss (anode pressure loss) in the fuel gas supplied to the anode.

また、排ガス(カソード排ガスあるいはアノード排ガス)の湿度に基づいて、電解質膜の含水量低下状態を判定しても良い。燃料電池においては、温度が比較的低いときには、排ガスにおける水蒸気圧は飽和蒸気圧となっている。しかしながら、燃料電池の温度が上昇して、電解質膜が含水量低下状態となり得るときには、排ガス中の水蒸気圧は飽和蒸気圧よりも低下する。そこで、含水量低下状態を判定するための基準となる排ガス湿度を予め定めておき、この基準となる排ガス湿度よりも、計測値に基づいて求めた排ガス湿度が下回るとき、電解質膜が含水量低下状態であると判定することができる。   Further, the moisture content reduction state of the electrolyte membrane may be determined based on the humidity of the exhaust gas (cathode exhaust gas or anode exhaust gas). In a fuel cell, when the temperature is relatively low, the water vapor pressure in the exhaust gas is a saturated vapor pressure. However, when the temperature of the fuel cell rises and the electrolyte membrane can be in a reduced water content state, the water vapor pressure in the exhaust gas falls below the saturated vapor pressure. Therefore, an exhaust gas humidity serving as a reference for determining a moisture content lowering state is determined in advance, and when the exhaust gas humidity determined based on the measured value is lower than the exhaust gas humidity serving as the reference, the electrolyte membrane has a reduced moisture content. It can be determined that it is in a state.

(6)上記した実施例では、循環流路に水素ガスを補充するためにインジェクタ62を用いたが、異なる構成としても良い。例えば、インジェクタ62に代えて減圧弁を設け、減圧弁により、燃料電池スタック22に供給する燃料ガス圧を調節して、アノード内圧を低下させる制御を行なっても良い。   (6) In the above-described embodiment, the injector 62 is used to replenish the circulation channel with hydrogen gas, but a different configuration may be used. For example, a pressure reducing valve may be provided in place of the injector 62, and the pressure inside the anode may be controlled by adjusting the fuel gas pressure supplied to the fuel cell stack 22 with the pressure reducing valve.

(7)上記した実施例では、水素給排系では、循環流路を構成して、アノード排ガスを水素供給路60に戻す構成を示したが、アノード排ガスを循環させない構成としてもよい。例えば、アノード排ガス路63を設けず、排ガス排出路64が、燃料電池スタック22に直接接続される構成としてもよい。このような構成とした場合も、パージバルブ27を開弁することによって、燃料電池スタック22内のアノードガス中の不純物を排出することができる。このような構成にすると、例えば、供給された水素が、全て電極反応に用いられる場合等に、好適である。   (7) In the above-described embodiment, the hydrogen supply / exhaust system has a configuration in which the circulation flow path is configured to return the anode exhaust gas to the hydrogen supply path 60, but the anode exhaust gas may not be circulated. For example, the anode exhaust gas path 63 may not be provided, and the exhaust gas exhaust path 64 may be directly connected to the fuel cell stack 22. Even in such a configuration, the impurities in the anode gas in the fuel cell stack 22 can be discharged by opening the purge valve 27. Such a configuration is suitable, for example, when all of the supplied hydrogen is used for the electrode reaction.

(8)上記した実施例では、水素を含有する燃料ガスとして、水素タンク23に貯蔵した水素ガスを用いたが、異なる構成としても良い。例えば、アルコールや炭化水素などの燃料から、水蒸気改質反応のような改質反応を利用して得られる水素リッチな改質ガスを、燃料ガスとして用いることとしても良い。この場合にも、電解質膜の含水量低下時には、アノード内圧を低下させる制御を行なうことによって電解質膜における抵抗の上昇を抑え、出力電圧を確保することにより、同様の効果を得ることができる。   (8) In the above-described embodiment, the hydrogen gas stored in the hydrogen tank 23 is used as the fuel gas containing hydrogen. However, a different configuration may be used. For example, a hydrogen-rich reformed gas obtained by using a reforming reaction such as a steam reforming reaction from a fuel such as alcohol or hydrocarbon may be used as the fuel gas. Also in this case, when the water content of the electrolyte membrane is reduced, the same effect can be obtained by controlling the reduction of the anode internal pressure to suppress an increase in resistance in the electrolyte membrane and securing the output voltage.

本発明の好適な一実施例としての燃料電池システム10の構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure of the fuel cell system 10 as one suitable Example of this invention. アノード内圧とインジェクタ62の動作との関係を表わす説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram showing a relationship between anode internal pressure and operation of an injector 62. 燃料電池システム10において実行される膜含水量低下時処理ルーチンを表わすフローチャートである。3 is a flowchart showing a membrane water content reduction processing routine executed in the fuel cell system 10. 膜含水量低下時処理ルーチンによる制御の影響を示すグラフである。It is a graph which shows the influence of control by the processing routine at the time of membrane water content fall. アノード内圧とセル抵抗およびセル電圧との関係を調べた結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having investigated the relationship between anode internal pressure, cell resistance, and cell voltage. 第2の実施例における膜含水量低下時処理ルーチンの一部を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows a part of process routine at the time of the film | membrane water content fall in a 2nd Example. 燃料電池の電流―電圧特性の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the current-voltage characteristic of a fuel cell.

符号の説明Explanation of symbols

10…燃料電池システム
22…燃料電池スタック
23…水素タンク
24…エアコンプレッサ
25…加湿モジュール
26…希釈器
27…パージバルブ
28…エアクリーナ
50…アノード内圧センサ
52…温度センサ
54…電圧センサ
60…水素供給路
61…圧力調整弁
62…インジェクタ
63…アノード排ガス路
64…排ガス排出路
65…水素ポンプ
67…酸化ガス供給路
68…カソード排ガス路
70…制御部
74…CPU
78…入出力ポート
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell system 22 ... Fuel cell stack 23 ... Hydrogen tank 24 ... Air compressor 25 ... Humidification module 26 ... Diluter 27 ... Purge valve 28 ... Air cleaner 50 ... Anode internal pressure sensor 52 ... Temperature sensor 54 ... Voltage sensor 60 ... Hydrogen supply path DESCRIPTION OF SYMBOLS 61 ... Pressure regulating valve 62 ... Injector 63 ... Anode exhaust gas path 64 ... Exhaust gas exhaust path 65 ... Hydrogen pump 67 ... Oxidation gas supply path 68 ... Cathode exhaust gas path 70 ... Control part 74 ... CPU
78 ... I / O port

Claims (9)

固体高分子電解質膜を有する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
アノードガス中の不純物を排出させる不純物排出部と、
前記燃料電池のアノード側におけるガス圧を調節するアノードガス圧調節部と、
前記不純物排出部および前記アノードガス圧調節部を制御する制御部と、
を、さらに備え、
前記制御部は、
前記燃料電池のアノード側におけるガス圧を通常は正圧に制御し、
前記固体高分子電解質膜の含水量が前記所定の量より少なくなった時に、前記燃料電池のアノード側におけるガス圧を正圧から負圧に変更してカソード側におけるガス圧との差圧を大きくする制御を実行し、
前記制御部は、さらに、
前記燃料電池のアノード側におけるガス圧が負圧に設定されている場合であって、前記不純物排出部を制御して、前記アノードガス中の不純物を前記燃料電池システム外へ排出させる場合には、その排出前に、前記アノードガス圧調節部を制御して、前記アノード側におけるガス圧を正圧まで上昇させることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell system comprising a fuel cell having a solid polymer electrolyte membrane,
An impurity discharge part for discharging impurities in the anode gas;
An anode gas pressure adjusting unit for adjusting a gas pressure on the anode side of the fuel cell;
A control unit for controlling the impurity discharge unit and the anode gas pressure adjusting unit;
Further,
The controller is
The gas pressure on the anode side of the fuel cell is normally controlled to a positive pressure,
When the water content of the solid polymer electrolyte membrane is less than the predetermined amount, the gas pressure on the anode side of the fuel cell is changed from positive pressure to negative pressure to increase the differential pressure from the gas pressure on the cathode side. Execute the control to
The control unit further includes:
When the gas pressure on the anode side of the fuel cell is set to a negative pressure, and when the impurity discharge unit is controlled to discharge the impurities in the anode gas to the outside of the fuel cell system, Before the discharge, the anode gas pressure adjusting unit is controlled to increase the gas pressure on the anode side to a positive pressure.
請求項1に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記燃料電池内のアノードガス中の不純物濃度が上昇した状態であるか否かを判定し、前記不純物濃度が上昇した状態であると判定したときに、前記アノードガス中の不純物を前記燃料電池システム外へ排出させることを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1,
The controller is
It is determined whether or not the impurity concentration in the anode gas in the fuel cell is in an increased state. When it is determined that the impurity concentration is in an increased state, the impurity in the anode gas is determined as the fuel cell system. A fuel cell system characterized by being discharged to the outside.
請求項1または請求項2に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記燃料電池のアノード側におけるガス圧が負圧に設定されている場合であって、前記燃料電池に要求される負荷が、所定の負荷要求値よりも大きい場合には、前記アノードガス中の不純物を排出させないことを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein
The controller is
When the gas pressure on the anode side of the fuel cell is set to a negative pressure and the load required for the fuel cell is larger than a predetermined load requirement value, impurities in the anode gas Cell system characterized by not discharging the fuel.
請求項1または請求項2に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記燃料電池のアノード側におけるガス圧が負圧に設定されている場合であって、前記燃料電池の内部温度が、所定の温度以上である場合には、前記アノードガス中の不純物を排出させないことを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein
The controller is
When the gas pressure on the anode side of the fuel cell is set to a negative pressure, and the internal temperature of the fuel cell is equal to or higher than a predetermined temperature, impurities in the anode gas are not discharged. A fuel cell system.
請求項1ないし4のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の出力を調節する出力調節部を、
さらに備え、
前記制御部は、
前記アノード側におけるガス圧を正圧まで上昇させる前に、前記出力調節部を制御して、前記燃料電池の出力を所定の出力値に制限することを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell system according to any one of claims 1 to 4,
An output adjusting unit for adjusting the output of the fuel cell;
In addition,
The controller is
Before increasing the gas pressure on the anode side to a positive pressure, the output adjustment unit is controlled to limit the output of the fuel cell to a predetermined output value.
請求項1ないし5のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の内部温度を調節する内部温度調節部を、
さらに備え、
前記制御部は、
前記アノード側におけるガス圧を正圧まで上昇させる前に、前記内部温度調節部を制御して、前記燃料電池の内部温度を所定の温度に低下させることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell system according to any one of claims 1 to 5,
An internal temperature adjusting unit for adjusting the internal temperature of the fuel cell;
In addition,
The controller is
Before increasing the gas pressure on the anode side to a positive pressure, the internal temperature adjusting unit is controlled to reduce the internal temperature of the fuel cell to a predetermined temperature.
請求項1ないし6のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池のアノードに対して、水素ガスを供給する水素ガス供給路と、
前記燃料電池のアノードから排出されたガスを前記水素ガス供給路へと導くアノード排ガス路と
を備え、
前記水素ガス供給路の一部と、前記アノード排ガス路とは、前記燃料電池の内部との間で水素を循環させる循環流路を形成し、
前記アノードガス圧調節部は、前記アノード側におけるガス圧力として、前記循環流路内の圧力を調節することを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, further comprising:
A hydrogen gas supply path for supplying hydrogen gas to the anode of the fuel cell;
An anode exhaust gas path that guides the gas discharged from the anode of the fuel cell to the hydrogen gas supply path,
A part of the hydrogen gas supply path and the anode exhaust gas path form a circulation path for circulating hydrogen between the inside of the fuel cell,
The anode gas pressure adjusting unit adjusts the pressure in the circulation channel as a gas pressure on the anode side.
請求項7に記載の燃料電池システムであって、
前記アノードガス圧調節部は、
前記水素ガス供給路において前記循環流路よりも上流に設けられ、前記水素ガスを前記循環流路側へと吐出する吐出口と、該吐出口を開閉するバルブと、を有するインジェクタを備え、
前記制御部は、
前記インジェクタの前記バルブによる前記吐出口の開閉状態を調節させることによって、前記アノード側におけるガス圧を正圧から負圧に低下させるように前記アノードガス調節部を制御することを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 7, wherein
The anode gas pressure adjusting unit is
An injector provided upstream of the circulation flow path in the hydrogen gas supply path and having a discharge port for discharging the hydrogen gas to the circulation flow path side and a valve for opening and closing the discharge port;
The controller is
A fuel cell comprising: controlling the anode gas adjusting unit so as to reduce the gas pressure on the anode side from a positive pressure to a negative pressure by adjusting an opening / closing state of the discharge port by the valve of the injector. system.
固体高分子電解質膜を有する燃料電池を備えた燃料電池システムにおける前記燃料電池のアノードガス中の不純物を前記燃料電池システム外へ排出させる不純物排出方法であって、
前記燃料電池のアノード側におけるガス圧を通常は正圧に制御し、前記固体高分子電解質膜の含水量が前記所定の量より少なくなった時に、前記燃料電池のアノード側におけるガス圧を正圧から負圧に変更してカソード側におけるガス圧との差圧を大きくする制御を実行する第1の工程と、
前記燃料電池内のアノードガス中の不純物濃度が上昇した状態であるか否かを判定する第の工程と、
前記第1の工程において前記燃料電池のアノード側におけるガス圧が負圧に設定されている場合であって、前記第の工程において、前記不純物濃度が上昇した状態であると判定された場合は、前記アノード側におけるガス圧を正圧に上昇させる第の工程と、
前記第の工程おいて、前記アノード側におけるガス圧が正圧に上昇された後に、前記アノードガス中の不純物を前記燃料電池システム外へ排出させる第の工程と、
を備える不純物排出方法。
An impurity discharging method for discharging impurities in an anode gas of the fuel cell in a fuel cell system including a fuel cell having a solid polymer electrolyte membrane, to the outside of the fuel cell system,
The gas pressure on the anode side of the fuel cell is normally controlled to a positive pressure, and when the water content of the solid polymer electrolyte membrane is less than the predetermined amount, the gas pressure on the anode side of the fuel cell is set to a positive pressure. A first step of executing control to increase the pressure difference from the gas pressure on the cathode side by changing from negative pressure to negative pressure;
A second step of determining whether or not an impurity concentration in the anode gas in the fuel cell is increased;
When the gas pressure on the anode side of the fuel cell is set to a negative pressure in the first step, and when the impurity concentration is determined to be increased in the second step A third step of increasing the gas pressure on the anode side to a positive pressure;
The third keep step, after the gas pressure in the anode is raised to a positive pressure, a fourth step of discharging the impurities in the anode gas to the outside of the fuel cell system,
An impurity discharging method comprising:
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