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JP2007242408A - Fuel cell system - Google Patents

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JP2007242408A
JP2007242408A JP2006062842A JP2006062842A JP2007242408A JP 2007242408 A JP2007242408 A JP 2007242408A JP 2006062842 A JP2006062842 A JP 2006062842A JP 2006062842 A JP2006062842 A JP 2006062842A JP 2007242408 A JP2007242408 A JP 2007242408A
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JP
Japan
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fuel
fuel cell
hydrogen
pressure
fuel gas
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Application number
JP2006062842A
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Japanese (ja)
Inventor
Mitsuhiro Kokubo
光浩 小久保
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Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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Publication date
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Abstract

【課題】燃料電池の起動時に、燃料循環系内部に水素と空気(酸素)の偏在による劣化を防止する。
【解決手段】燃料電池の発電停止中に、水素濃度計50が検出した水素濃度が所定の濃度範囲内にあるとき、水素循環ポンプ24を駆動して燃料ガスを循環させ、燃料極1bの触媒上で水素と酸素とを反応させ水素を除去する。
【選択図】 図1
Deterioration due to uneven distribution of hydrogen and air (oxygen) in a fuel circulation system at the time of starting of a fuel cell is prevented.
When a hydrogen concentration detected by a hydrogen concentration meter 50 is within a predetermined concentration range while power generation of a fuel cell is stopped, a hydrogen circulation pump 24 is driven to circulate a fuel gas and a catalyst for a fuel electrode 1b. Above, hydrogen and oxygen are reacted to remove hydrogen.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、起動時の劣化を抑制した燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system in which deterioration at startup is suppressed.

燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。   In a fuel cell, a fuel gas such as hydrogen gas and an oxidizing gas containing oxygen are electrochemically reacted through an electrolyte, and electric energy is directly taken out between electrodes provided on both surfaces of the electrolyte. In particular, solid polymer fuel cells using solid polymer electrolytes are attracting attention as power sources for electric vehicles because of their low operating temperature and easy handling. That is, a fuel cell vehicle is equipped with a hydrogen storage device such as a high-pressure hydrogen tank, a liquid hydrogen tank, or a hydrogen storage alloy tank in the vehicle, and reacts by supplying hydrogen supplied therefrom and oxygen-containing air to the fuel cell. This is the ultimate clean vehicle that drives the motor connected to the drive wheels with the electric energy extracted from the fuel cell, and that the only exhaust material is water.

しかしながら、燃料電池システムの起動、停止を繰り返すと、連続運転状態に比べて、燃料電池の劣化が促進されることが知られている。例えば、燃料電池システムの起動時に水素供給を開始する場合、停止中に燃料極へ入り込んだ空気と新規に供給される水素との界面(水素フロント)が形成される。そして水素フロントより後方の水素が供給されている燃料極の第1領域では水素が電離され、水素イオンが電解質膜を介して酸化剤極に到達する。このとき、未接続の外部回路からは酸化剤極に電子が供給されず、水素フロントより前の第2領域の酸化剤極触媒を担持している炭素と水との反応により二酸化炭素と水素イオンと電子が生成される。この電子は、酸化剤極内を第2領域から第1領域側へ移動して水の生成に寄与する。第2領域で電離した水素イオンは、電解質膜を介して対向する燃料極領域へ移動する。このような反応により、水素フロントより前の酸化剤極領域の触媒担持体の炭素が二酸化炭素へとガス化して失われてしまい、触媒微粒子が凝集して触媒性能が低下するという問題があった。   However, it is known that when the fuel cell system is repeatedly started and stopped, the deterioration of the fuel cell is promoted as compared to the continuous operation state. For example, when hydrogen supply is started when the fuel cell system is started, an interface (hydrogen front) between air that has entered the fuel electrode during the stop and newly supplied hydrogen is formed. In the first region of the fuel electrode to which hydrogen behind the hydrogen front is supplied, hydrogen is ionized, and hydrogen ions reach the oxidant electrode via the electrolyte membrane. At this time, electrons are not supplied from the unconnected external circuit to the oxidant electrode, and carbon dioxide and hydrogen ions are reacted by the reaction of carbon and water carrying the oxidant electrode catalyst in the second region before the hydrogen front. And electrons are generated. The electrons move from the second region to the first region side in the oxidizer electrode and contribute to the generation of water. Hydrogen ions ionized in the second region move to the opposite fuel electrode region via the electrolyte membrane. Due to such a reaction, the carbon of the catalyst support in the oxidant electrode region before the hydrogen front is lost by gasification to carbon dioxide, and the catalyst fine particles aggregate to deteriorate the catalyst performance. .

このような酸化剤極の劣化が早く進行するという問題を解決するために、起動時の燃料ガスを通常運転時の圧力よりも高圧で供給することで、燃料極に残留している酸素を短時間で排出し、電極触媒などの劣化を抑える発明がなされている(例えば、特許文献1)。
特開2004−139984号公報(第12頁、図14)
In order to solve such a problem that the deterioration of the oxidizer electrode proceeds quickly, the fuel gas at the time of startup is supplied at a pressure higher than the pressure during normal operation, so that the oxygen remaining in the fuel electrode can be reduced. There has been an invention that discharges in time and suppresses deterioration of an electrode catalyst or the like (for example, Patent Document 1).
JP 2004-139984 A (page 12, FIG. 14)

しかしながら、特許文献1記載の発明の燃料ガス循環ポンプを最初に回転させるような起動方法では、燃料電池内の燃料極側が空気で、燃料ガス循環経路内が燃料ガスのような系内のガス組成が不均一の場合に、ポンプの過渡応答性次第では燃料ガスが燃料極を通過するのに時間を有してしまい、劣化を促進してしまうという問題点があった。   However, in the start-up method in which the fuel gas circulation pump according to the invention described in Patent Document 1 is first rotated, the gas composition in the system is such that the fuel electrode side in the fuel cell is air and the fuel gas circulation path is fuel gas. However, depending on the transient response of the pump, there is a problem in that it takes time for the fuel gas to pass through the fuel electrode and promotes deterioration.

またポンプの過渡応答性を上げるためには、ポンプの体積、重量、消費電力が増加し、車両搭載に不向きとなる。   In order to increase the transient response of the pump, the volume, weight, and power consumption of the pump increase, making it unsuitable for mounting on a vehicle.

上記問題点を解決するために、本発明は、電解質を挟持する燃料極と酸化剤極を有し、当該燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、燃料電池からの排燃料ガスの一部を供給側へ再循環させるための燃料ガス循環経路と、燃料ガス循環手段とを備える燃料電池システムにおいて、前記燃料極内または前記燃料ガス循環経路内の水素濃度に関する値を検出する検出手段を備え、前記検出手段の検出値に基づく水素濃度が第一の所定値から第二の所定値の範囲内において、発電停止中に前記燃料ガス循環手段を稼動させることを特徴とする燃料電池システムである。   In order to solve the above problems, the present invention has a fuel electrode and an oxidant electrode that sandwich an electrolyte, and a fuel that generates electric power by receiving supply of fuel gas and oxidant gas to the fuel electrode and oxidant electrode, respectively. In a fuel cell system comprising a battery, a fuel gas circulation path for recirculating a part of the exhaust fuel gas from the fuel cell to the supply side, and a fuel gas circulation means, in the fuel electrode or the fuel gas circulation path Detecting means for detecting a value related to the hydrogen concentration in the fuel gas circulating means during a power generation stop when the hydrogen concentration based on the detection value of the detecting means is within the range of the first predetermined value to the second predetermined value. Is a fuel cell system characterized by operating the fuel cell.

本発明においては、燃料電池の発電停止中に、燃料極、燃料ガス循環経路及び燃料循環手段を含む燃料系の水素ガス濃度が徐々に低下する。これに伴って、電解質を介して酸化剤極から酸素を含む空気が燃料系へ進入する。この燃料系の水素ガス濃度に関する値を検出手段で検出し、この検出値に基づく水素ガス濃度が上限値である第一の所定値以上、または下限値である第二の所定値以下であれば、発電停止中に燃料ガス循環手段を稼動させない。そして、水素濃度が第一の所定値から第二の所定値の範囲内において、発電停止中に前記燃料ガス循環手段を稼動させる。これにより、十分水素ガス濃度が高い場合に、また逆に十分水素ガス濃度が低い場合には、次回起動時に燃料ガス循環ポンプを最初に回転開始したときに、水素フロントによる酸化剤極触媒の劣化の虞がないので、燃料ガス循環手段の停止状態を維持して燃料ガス循環手段の駆動エネルギーを節約したり、燃料ガス循環手段の駆動による騒音振動を回避することもできる。   In the present invention, the concentration of hydrogen gas in the fuel system including the fuel electrode, the fuel gas circulation path, and the fuel circulation means gradually decreases while the power generation of the fuel cell is stopped. Along with this, air containing oxygen enters the fuel system from the oxidant electrode via the electrolyte. If the value related to the hydrogen gas concentration of the fuel system is detected by the detecting means, and the hydrogen gas concentration based on the detected value is not less than the first predetermined value that is the upper limit value or less than the second predetermined value that is the lower limit value, The fuel gas circulation means is not operated while the power generation is stopped. Then, the fuel gas circulation means is operated during power generation stop when the hydrogen concentration is within the range of the first predetermined value to the second predetermined value. As a result, when the hydrogen gas concentration is high enough, and conversely, when the hydrogen gas concentration is low enough, the deterioration of the oxidizer electrode catalyst due to the hydrogen front will occur when the fuel gas circulation pump is first started at the next start-up. Therefore, it is possible to save the drive energy of the fuel gas circulation means by maintaining the stopped state of the fuel gas circulation means, and to avoid noise vibration due to the drive of the fuel gas circulation means.

さらに、次回起動時に燃料ガス供給を開始したときに、水素フロントによる酸化剤極触媒の劣化の虞がある水素濃度が第一の所定値から第二の所定値の範囲内において、発電停止中に前記燃料ガス循環手段を稼動させて、燃料ガス中の水素と燃料系に進入した酸素とを燃料極触媒上で反応させて消費させることができる。   Further, when the fuel gas supply is started at the next start-up, the hydrogen concentration that may cause deterioration of the oxidant electrode catalyst due to the hydrogen front is within the range of the first predetermined value to the second predetermined value, while the power generation is stopped. By operating the fuel gas circulation means, hydrogen in the fuel gas and oxygen that has entered the fuel system can be reacted on the fuel electrode catalyst and consumed.

本発明によれば、水素濃度を検出することで、燃料極内の空気の置換状態がわかり、空気の置換状態に応じて燃料ガス循環手段が稼動する。停止中に燃料系内(燃料極及び燃料ガス循環経路、燃料ガス循環手段)に残留水素と流入してきた空気が不均一に混在したガスが、燃料電池燃料極触媒に供給されて速やかに水素が消失するので、再起動時の高電圧下において、燃料極内に燃料ガスと空気の偏在が発生することによる燃料電池の劣化を回避できるという効果がある。   According to the present invention, by detecting the hydrogen concentration, the replacement state of air in the fuel electrode can be known, and the fuel gas circulation means operates according to the replacement state of air. During the stoppage, the gas in which the residual hydrogen and the air that has flowed into the fuel system (fuel electrode, fuel gas circulation path, fuel gas circulation means) are mixed non-uniformly is supplied to the fuel cell fuel electrode catalyst, so that Since it disappears, there is an effect that deterioration of the fuel cell due to the uneven distribution of fuel gas and air in the fuel electrode can be avoided under a high voltage at the time of restart.

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。   Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

<一般的な燃料電池システムの構成>
まず、燃料電池システムの概念図である図9と燃料電池の単一セルの概念図である図10を参照して、本発明が適用される燃料電池システム全体の構成について説明する。
<General fuel cell system configuration>
First, with reference to FIG. 9 which is a conceptual diagram of a fuel cell system and FIG. 10 which is a conceptual diagram of a single cell of a fuel cell, the overall configuration of the fuel cell system to which the present invention is applied will be described.

・ 燃料電池本体
図9の燃料電池本体1は、図10に示すように、例えば、固体高分子型電解質膜を用いた電解質膜102の両面に燃料極(アノード)触媒層103及び酸化剤極(カソード)触媒層104をそれぞれ形成した膜電極接合体(MEA)101と、MEA101の両面に配置された燃料ガス拡散層105、酸化剤ガス拡散層106、セパレータ107、108を備え、セパレータ107と燃料ガス拡散層105との間には燃料ガス流路109を、セパレータ108と酸化剤ガス拡散層106との間には酸化剤ガス流路110が設けられた燃料電池単セル100を複数枚積層したものから成っており、燃料電池本体1の外部から供給された燃料ガス(水素)と酸化剤ガス(空気)が、それぞれ燃料ガス流路109と酸化剤ガス流路110に供給され、電気化学反応により発電する。
Fuel cell body As shown in FIG. 10, the fuel cell body 1 of FIG. 9 includes, for example, a fuel electrode (anode) catalyst layer 103 and an oxidant electrode (on both sides of an electrolyte membrane 102 using a solid polymer electrolyte membrane). Cathode) A membrane electrode assembly (MEA) 101 having a catalyst layer 104 formed thereon, a fuel gas diffusion layer 105, an oxidant gas diffusion layer 106, and separators 107, 108 disposed on both sides of the MEA 101. The separator 107 and the fuel A plurality of fuel cell single cells 100 provided with a fuel gas flow path 109 between the gas diffusion layer 105 and an oxidant gas flow path 110 between the separator 108 and the oxidant gas diffusion layer 106 are stacked. The fuel gas (hydrogen) and the oxidant gas (air) supplied from the outside of the fuel cell main body 1 are respectively connected to the fuel gas channel 109 and the oxidant gas channel. Is supplied to the 10, it generates power through an electrochemical reaction.

・ 空気系
空気コンプレッサ11によって圧縮された空気は、空気供給経路12を介して空気系加湿装置13に送られ、加湿された後、燃料電池本体1の酸化剤極1aに送られる。燃料電池本体1内の電気化学反応で酸素が消費された後、空気排気経路14を通り、空気調圧弁15で圧力が調整され、システム外へ排気される。酸化剤極1aに供給される空気の圧力は、酸化剤極1aの入口に設けられた空気圧力計16により検出され、この圧力が所望の圧力となるように、空気調圧弁15が制御される。空気系加湿装置13は、排気中の水分を利用する水蒸気交換膜を用いたものや、外部から純水を供給するものなどを用いることができる。
Air system The air compressed by the air compressor 11 is sent to the air system humidifier 13 via the air supply path 12, and after being humidified, is sent to the oxidant electrode 1 a of the fuel cell body 1. After oxygen is consumed by the electrochemical reaction in the fuel cell main body 1, the pressure passes through the air exhaust path 14, the pressure is adjusted by the air pressure regulating valve 15, and the air is exhausted outside the system. The pressure of the air supplied to the oxidant electrode 1a is detected by an air pressure gauge 16 provided at the inlet of the oxidant electrode 1a, and the air pressure regulating valve 15 is controlled so that this pressure becomes a desired pressure. . As the air humidifier 13, a device using a water vapor exchange membrane that uses moisture in exhaust gas, a device that supplies pure water from the outside, or the like can be used.

また、空気調圧弁15の下流には排気空気中の水素を検出するための図示しない水素検知器を備え、燃料極から酸化剤極へ電解質膜102を介して透過してきた水素やシール部から漏れた水素を検出することができる。   In addition, a hydrogen detector (not shown) for detecting hydrogen in the exhaust air is provided downstream of the air pressure regulating valve 15, and leaks from hydrogen that has permeated from the fuel electrode to the oxidizer electrode through the electrolyte membrane 102 and from the seal portion. Hydrogen can be detected.

・ 水素系
高圧水素タンク21によって供給された水素は、水素供給経路22を通り、水素調圧弁23で所望の圧力に調圧され、水素循環ポンプ24により循環している排水素と合流した後、水素系加湿装置25で加湿されて、燃料電池本体1の燃料極1bに送られる。燃料極1bに供給される水素の圧力は、燃料極1bの入口に設けられた水素圧力計29で検出され、この圧力が所望の圧力となるように、水素調圧弁23が制御される。燃料電池本体1内の電気化学反応で水素が消費された後、未反応の水素は、水素循環経路26を通り、水素循環ポンプ24により再び発電に利用される。
-Hydrogen system Hydrogen supplied by the high-pressure hydrogen tank 21 passes through the hydrogen supply path 22, is adjusted to a desired pressure by the hydrogen pressure regulating valve 23, and joins with the exhausted hydrogen circulated by the hydrogen circulation pump 24. The fuel is humidified by the hydrogen humidifier 25 and sent to the fuel electrode 1b of the fuel cell main body 1. The pressure of hydrogen supplied to the fuel electrode 1b is detected by a hydrogen pressure gauge 29 provided at the inlet of the fuel electrode 1b, and the hydrogen pressure regulating valve 23 is controlled so that this pressure becomes a desired pressure. After the hydrogen is consumed by the electrochemical reaction in the fuel cell body 1, the unreacted hydrogen passes through the hydrogen circulation path 26 and is again used for power generation by the hydrogen circulation pump 24.

また、水素系には、運転中に酸化剤極1aから燃料極1bに透過してくる窒素や高圧水素タンク21中に含まれる不純物が蓄積してくるため、これらをシステム外部へ排出するための水素排気経路27と水素排出弁(パージ弁)28を有している。水素排出弁28は、燃料ガス循環経路(水素循環経路26)を大気圧に開放する圧力開放手段である。   Further, in the hydrogen system, nitrogen permeating from the oxidizer electrode 1a to the fuel electrode 1b during operation and impurities contained in the high-pressure hydrogen tank 21 accumulate, so that these are discharged to the outside of the system. A hydrogen exhaust path 27 and a hydrogen discharge valve (purge valve) 28 are provided. The hydrogen discharge valve 28 is a pressure release means that opens the fuel gas circulation path (hydrogen circulation path 26) to atmospheric pressure.

・ 冷却水系
燃料電池本体1の発電によって発生した熱を除去し、燃料電池本体1を適温に保つために、冷却水系が設けられている。冷却水ポンプ31によって圧送された冷却水は、燃料電池本体1を通り、熱を吸収した後、冷却水循環経路32を通り、熱交換器33でシステム外部へ熱を排熱して、再び冷却水ポンプ31で燃料電池本体1へ圧送される。また冷却水温度計34で冷却水温度をモニタしながら、燃料電池本体の発電に適正な温度に温度調整される。
-Cooling water system The cooling water system is provided in order to remove the heat generated by the power generation of the fuel cell main body 1 and keep the fuel cell main body 1 at an appropriate temperature. The cooling water pumped by the cooling water pump 31 passes through the fuel cell body 1, absorbs heat, passes through the cooling water circulation path 32, exhausts heat to the outside of the system by the heat exchanger 33, and is again cooled. At 31, the fuel cell body 1 is pumped. In addition, while monitoring the cooling water temperature with the cooling water thermometer 34, the temperature is adjusted to an appropriate temperature for power generation of the fuel cell body.

・ 負荷系
燃料電池本体1の発電電力を消費する負荷装置40は、例えば燃料電池車両においては、車両駆動モータに電力を供給するインバータ装置である。燃料電池本体1の発電電圧は、電圧計41により検出され、コントローラ45へ送信される。また燃料電池本体1には、電流計42を介して負荷装置40が接続され、燃料電池の発電電力が負荷装置40に供給される。また燃料電池システムは、蓄電装置としてのバッテリ44と、これの充放電を制御するバッテリコントローラ43を備える。バッテリコントローラ43は、燃料電池本体1の発電電力が不足する場合、バッテリ44から負荷装置40へ放電させるとともに、燃料電池本体1の発電電力に余剰がある場合に、燃料電池本体1からバッテリ44への充電を制御する。
-Load system The load device 40 that consumes the generated power of the fuel cell main body 1 is an inverter device that supplies power to a vehicle drive motor in a fuel cell vehicle, for example. The generated voltage of the fuel cell body 1 is detected by the voltmeter 41 and transmitted to the controller 45. In addition, a load device 40 is connected to the fuel cell main body 1 via an ammeter 42, and the generated power of the fuel cell is supplied to the load device 40. The fuel cell system includes a battery 44 as a power storage device and a battery controller 43 that controls charging and discharging thereof. The battery controller 43 discharges the battery 44 from the battery 44 to the load device 40 when the generated power of the fuel cell main body 1 is insufficient, and from the fuel cell main body 1 to the battery 44 when there is surplus in the generated power of the fuel cell main body 1. Control the charging.

また、バッテリコントローラ43は、バッテリ44の電圧及び充放電電流、さらに必要であればバッテリ温度等を検出し、これらの検出結果に基づいてバッテリ44の蓄電量を検出または推定して、コントローラ45へ送信する。   Further, the battery controller 43 detects the voltage and charge / discharge current of the battery 44, and further, if necessary, the battery temperature, etc., and detects or estimates the amount of electricity stored in the battery 44 based on these detection results, and sends it to the controller 45. Send.

・ 制御系
コントローラ45は、燃料電池本体1を含む燃料電池システム全体を制御する。また、コントローラ45は、空気圧力計16,水素圧力計29,冷却水温度計34,電圧計41及び電流計42の検出信号に基づいて、燃料電池本体1をあらかじめ設定されている最適な圧力・温度・流量・負荷にするために、コンプレッサ11、空気調圧弁15、水素調圧弁23、水素排出弁28、冷却水ポンプ31、負荷装置40、バッテリコントローラ43へ制御信号を出力する。
Control system The controller 45 controls the entire fuel cell system including the fuel cell main body 1. Further, the controller 45 sets the optimum pressure / pressure which is set in advance for the fuel cell body 1 based on the detection signals of the air pressure gauge 16, the hydrogen pressure gauge 29, the cooling water thermometer 34, the voltmeter 41 and the ammeter 42. Control signals are output to the compressor 11, the air pressure adjustment valve 15, the hydrogen pressure adjustment valve 23, the hydrogen discharge valve 28, the cooling water pump 31, the load device 40, and the battery controller 43 in order to obtain temperature, flow rate, and load.

尚、図示しない運転スイッチ(キースイッチ)がコントローラ45に接続され、ユーザが運転スイッチを操作することにより、燃料電池システムの運転または停止の指示をコントローラ45へ入力できるようになっている。また、コントローラ45は、燃料電池の低負荷時または無負荷時に発電を一時停止させるアイドルストップ機能を備えていてもよい。   Note that an operation switch (key switch) (not shown) is connected to the controller 45 so that the user can input an instruction to operate or stop the fuel cell system to the controller 45 by operating the operation switch. The controller 45 may have an idle stop function for temporarily stopping power generation when the fuel cell is at a low load or no load.

次に、このような燃料電池システムの停止から次の起動時の燃料室(水素供給経路22、水素循環ポンプ24、水素系加湿装置25、燃料極1b、水素循環経路26)の様子を図11、図12、図13を用いて説明する(図中には水素系加湿装置25を省略した)。   Next, the state of the fuel chamber (hydrogen supply path 22, hydrogen circulation pump 24, hydrogen-based humidifier 25, fuel electrode 1b, hydrogen circulation path 26) at the time of the next start-up after such a stop of the fuel cell system is shown in FIG. FIG. 12 and FIG. 13 are used to explain (hydrogen humidifier 25 is omitted in the figure).

(A)運転停止直後の状態(以下、状態(A))
燃料電池システムの停止直後は、燃料室内には、発電停止時の水素で充満している。
(A) State immediately after operation stop (hereinafter referred to as state (A))
Immediately after the fuel cell system is stopped, the fuel chamber is filled with hydrogen when power generation is stopped.

(B)運転停止後十分時間が経過した状態(以下、状態(B))
停止から十分な時間が経過した場合、MEA101を通して、酸化剤極1aから燃料極1bへ空気が透過して、拡散により、燃料室内は空気で充満している状態となる。空気で充満するまでの時間はMEAの素材、厚さ、温度等により様々であるが、一般的には数時間程度である。尚、運転停止直後に、燃料室を空気置換する場合には、置換後に状態(B)となる。
(B) A state in which sufficient time has elapsed after the operation is stopped (hereinafter referred to as state (B)).
When a sufficient time has elapsed from the stop, air permeates from the oxidant electrode 1a to the fuel electrode 1b through the MEA 101, and the fuel chamber is filled with air by diffusion. The time until it is filled with air varies depending on the material, thickness, temperature, etc. of the MEA, but is generally several hours. When the fuel chamber is replaced with air immediately after the operation is stopped, the state (B) is obtained after the replacement.

(C)停止後数分〜数十分経過後の状態(以下、状態(C))
停止からあまり時間が経過していない場合は、状態(B)に対して、燃料極1bは空気が存在しているが、その他の部位(水素循環ポンプ24や水素系加湿装置25、水素循環経路26)には前回の発電中の水素が満ちており、燃料室内に空気と水素が不均一に存在している状態となる。このような状態は、MEAの素材、厚さ、温度等により様々であるが、一般的には数分から数十分程度である。
(C) State after several minutes to several tens of minutes after stopping (hereinafter referred to as state (C))
When not much time has passed since the stop, air exists in the fuel electrode 1b with respect to the state (B), but other parts (hydrogen circulation pump 24, hydrogen humidifier 25, hydrogen circulation path) 26) is filled with hydrogen during the previous power generation, and air and hydrogen are unevenly present in the fuel chamber. Such a state varies depending on the material, thickness, temperature, etc. of the MEA, but is generally about several minutes to several tens of minutes.

<従来技術の問題点>
従来技術では、燃料極1bに残留している空気を短時間で排出するために、水素排出弁28を開にし、水素循環ポンプ24の作動を開始し、燃料極1bを負圧にした後、高圧の水素を供給し、負圧による吸引力と高圧の供給力によって素早く燃料極1b内に残留する酸素を排出しているが、先ほどの状態(C)のように燃料室内に空気と水素が不均一に存在する場合、水素循環ポンプ24の作動を開始した途端に、燃料極1b内に水素と酸素の偏在が生じる。
<Problems of conventional technology>
In the prior art, in order to discharge the air remaining in the fuel electrode 1b in a short time, the hydrogen discharge valve 28 is opened, the operation of the hydrogen circulation pump 24 is started, and the fuel electrode 1b is set to a negative pressure. High-pressure hydrogen is supplied, and oxygen remaining in the fuel electrode 1b is quickly discharged by the suction force due to the negative pressure and the high-pressure supply force. However, as in the state (C), air and hydrogen remain in the fuel chamber. If it exists unevenly, hydrogen and oxygen are unevenly distributed in the fuel electrode 1b as soon as the operation of the hydrogen circulation pump 24 is started.

水素循環ポンプ24の過渡応答性が十分な場合、この水素と酸素の偏在の存在時間を短くでき、劣化を抑制することが可能であるが、燃料電池車両のような小型、軽量のシステムを必要とする場合、水素循環ポンプ24も小型、軽量のものが適しており、この場合、水素循環ポンプ24の過渡応答性には限界があるため、水素と酸素の偏在の存在時間が長くなり、劣化を進行させるという問題点があった。   When the transient response of the hydrogen circulation pump 24 is sufficient, the existence time of the uneven distribution of hydrogen and oxygen can be shortened and deterioration can be suppressed. However, a small and lightweight system such as a fuel cell vehicle is required. In this case, the hydrogen circulation pump 24 is also suitable to be small and light. In this case, since the transient response of the hydrogen circulation pump 24 is limited, the existence time of the uneven distribution of hydrogen and oxygen becomes long and deteriorates. There was a problem of proceeding.

本発明は、この問題点を解決する燃料電池システムの制御方法を提供する。   The present invention provides a control method of a fuel cell system that solves this problem.

[構成]
次に、図1を参照して本発明に係る燃料電池システムの実施例1の構成を説明する。本実施例の構成は、一般的な燃料電池システムである図9に対して、燃料極1bの出口付近に水素濃度を計測できる水素濃度計50を加えたものである。その他の構成は、図9と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。
[Constitution]
Next, the configuration of Embodiment 1 of the fuel cell system according to the present invention will be described with reference to FIG. The configuration of this embodiment is obtained by adding a hydrogen concentration meter 50 capable of measuring the hydrogen concentration in the vicinity of the outlet of the fuel electrode 1b to FIG. 9 which is a general fuel cell system. Since other configurations are the same as those in FIG. 9, the same components are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

[制御方法]
次に、図2の制御フローチャートと、図7のタイムチャートを参照して本実施例の動作を説明する。
[Control method]
Next, the operation of this embodiment will be described with reference to the control flowchart of FIG. 2 and the time chart of FIG.

図2の制御フローチャートは、燃料電池の運転停止中に、一定時間毎(例えば、100[msec]毎)に呼び出されて実行されるものとするが、後述する実行許可条件を付加してもよい。尚、燃料電池の運転停止中であることは、燃料電池車両の場合、コントローラ45が図示しない運転スイッチ信号、アイドルストップ信号等に基づいて判断する。   The control flowchart of FIG. 2 is called and executed at regular time intervals (for example, every 100 [msec]) while the fuel cell is stopped. However, an execution permission condition described later may be added. . In the case of a fuel cell vehicle, the controller 45 determines that the operation of the fuel cell is being stopped based on an operation switch signal, an idle stop signal, etc. (not shown).

図2の制御フローチャートにおいて、まずステップ(以下、ステップをSと略す)61において、水素濃度計50に電源を投入し、水素濃度を検出する。次いでS62で、検出した水素濃度が所定の濃度範囲内にあるか否かを判定する。   In the control flowchart of FIG. 2, first, in step (hereinafter abbreviated as “S”) 61, the hydrogen concentration meter 50 is turned on to detect the hydrogen concentration. Next, in S62, it is determined whether or not the detected hydrogen concentration is within a predetermined concentration range.

第1の所定濃度211、第2の所定濃度212、発電中の水素濃度管理点210とするとき(210>211>212)、水素濃度は、3条件に基いて分けることができる。   When the first predetermined concentration 211, the second predetermined concentration 212, and the hydrogen concentration management point 210 during power generation are set (210> 211> 212), the hydrogen concentration can be divided based on three conditions.

<第1の所定濃度以上の場合(211以上)>
発電停止直後であり、まだ空気の置換が進んでおらず、高い水素濃度を維持している。そのため、再起動時にカソード空気供給と燃料ガス循環ポンプ回転を開始して燃料電池が高電圧状態になっても、アノード内に燃料ガスと空気の偏在が発生していないので、劣化を促進することはないので、S64へ進む。
<When the concentration is not less than the first predetermined concentration (211 or more)>
Immediately after power generation is stopped, air replacement has not progressed, and a high hydrogen concentration is maintained. Therefore, even if the cathode air supply and fuel gas circulation pump rotation start at the time of restart and the fuel cell is in a high voltage state, the fuel gas and air are not unevenly distributed in the anode, so that the deterioration is promoted. Since there is no, go to S64.

<第2の所定濃度以下の場合(212以下)>
発電停止から長時間放置された状態であり、空気へ置換が十分に進んでおり、少ない水素濃度を維持している。そのため、再起動時にカソード空気供給と燃料ガス循環ポンプ回転を開始して燃料電池が高電圧状態になっても、アノード内に燃料ガスと空気の偏在が発生していないので、劣化を促進することはないので、S64へ進む。
<When not more than second predetermined concentration (212 or less)>
It has been left for a long time since power generation was stopped, and it has been sufficiently replaced with air, maintaining a low hydrogen concentration. Therefore, even if the cathode air supply and fuel gas circulation pump rotation start at the time of restart and the fuel cell is in a high voltage state, the fuel gas and air are not unevenly distributed in the anode, so that the deterioration is promoted. Since there is no, go to S64.

<第1の所定濃度未満、かつ第2の所定濃度を超えた場合(211から212まで)>
発電停止から若干放置された状態であり、空気へ置換が進んでいるものの、高い水素濃度を維持している。そのため、再起動時にカソード空気供給と燃料ガス循環ポンプ回転を開始して燃料電池が高電圧状態になると、アノード内に燃料ガスと空気の偏在が発生して劣化が促進しうる状態にあるので、S63へ進む。
<When less than the first predetermined concentration and exceeds the second predetermined concentration (from 211 to 212)>
Although it has been left for a while since the power generation was stopped, the replacement with air has progressed, but a high hydrogen concentration is maintained. Therefore, when the fuel cell enters a high voltage state by starting the cathode air supply and the fuel gas circulation pump rotation at the time of restart, the fuel gas and the air are unevenly distributed in the anode, and the deterioration can be promoted. Proceed to S63.

S63では、燃料室内は前回発電中の水素と置換空気が不均一に存在している(状態C)と判断し、水素循環ポンプ24を稼動させ、燃料室内のガスを循環させて、燃料極1bの触媒上で化学反応操作を実行する。水素循環ポンプは所定回転数で回転させる。これは、アノードガスが循環し、かつ実験的にドライバ、または車両周囲の人に違和感を与えない程度に抑制した回転数(240)として、リターンする。   In S63, it is determined that the hydrogen and the replacement air that were being generated last time are non-uniformly present in the fuel chamber (state C), the hydrogen circulation pump 24 is operated, and the gas in the fuel chamber is circulated to thereby return the fuel electrode 1b. A chemical reaction operation is performed on the catalyst. The hydrogen circulation pump is rotated at a predetermined rotational speed. This is returned as the rotational speed (240) which is suppressed to such an extent that the anode gas circulates and does not give an uncomfortable feeling to the driver or people around the vehicle experimentally.

S64では、燃料極1b内での水素と酸素の偏在がなくなったと判断し、水素循環ポンプ24を停止させ(241)、燃料極触媒上での化学反応操作を終了し、リターンする。   In S64, it is determined that there is no longer any uneven distribution of hydrogen and oxygen in the fuel electrode 1b, the hydrogen circulation pump 24 is stopped (241), the chemical reaction operation on the fuel electrode catalyst is terminated, and the process returns.

[実施例1の効果]
(1)燃料極1b内が水素で満ちていると判断された場合、再起動要求がされたら、ただちに起動することができる(図7の時刻200から201)。また、水素循環ポンプ駆動操作を実行しないので、余分な補機電力を消費することがない。水素の過剰消費させることがなく燃費を改善することができる。
[Effect of Example 1]
(1) When it is determined that the fuel electrode 1b is filled with hydrogen, it can be started immediately after a restart request is made (time 200 to 201 in FIG. 7). Further, since the hydrogen circulation pump drive operation is not executed, no extra auxiliary power is consumed. Fuel consumption can be improved without excessive consumption of hydrogen.

(2)燃料極1b内が空気で満ちていると判断された場合、その間に再起動要求がされたら、ただちに起動することができる(図7の時刻202以降)。再起動要求されたら水素循環ポンプ24で燃料極1b内に負圧を生成させた後、高圧の水素を供給できるので燃料極1b内での水素と酸素の偏在状態を短くでき劣化を抑制できる。   (2) When it is determined that the inside of the fuel electrode 1b is filled with air, if a restart request is made during that time, it can be started immediately (after time 202 in FIG. 7). If a restart request is made, a negative pressure is generated in the fuel electrode 1b by the hydrogen circulation pump 24, and then high-pressure hydrogen can be supplied. Therefore, the uneven distribution state of hydrogen and oxygen in the fuel electrode 1b can be shortened and deterioration can be suppressed.

(3)燃料室内が前回発電時の水素と酸化剤極1aから透過してきた空気が不均一に存在していると判断された場合、再起動要求されたら水素循環ポンプを作動させた直後に発生する燃料極1b内の水素と酸素の偏在を避けることできず劣化が進行する。しかし、本実施例に示すように、循環ポンプ駆動操作を実行して水素消費するので、この区間を大幅に短時間にすることができる(図7の時刻201から202)。したがって、再起動回数における劣化を伴う起動の頻度を低減することができる。したがって、燃料電池の劣化を抑制することができる。   (3) When it is judged that the hydrogen in the fuel chamber and the air that has permeated from the oxidizer electrode 1a exist non-uniformly at the previous power generation, it is generated immediately after the hydrogen circulation pump is activated when a restart is requested. The uneven distribution of hydrogen and oxygen in the fuel electrode 1b to be performed cannot be avoided. However, as shown in the present embodiment, since the circulation pump drive operation is executed and hydrogen is consumed, this section can be shortened significantly (time 201 to 202 in FIG. 7). Therefore, it is possible to reduce the frequency of activation accompanied by deterioration in the number of restarts. Therefore, deterioration of the fuel cell can be suppressed.

ここで、水素濃度計50の設置位置について説明する。燃料電池の運転停止中に、酸化剤極1aから燃料極1bへ空気が透過してくるか、または水素排気経路28より空気が逆流してくるため、燃料電池本体1の燃料極1bの出口に水素濃度計50を設置することで、燃料室の空気置換状態を把握することができる。もちろん入口であっても構わない。   Here, the installation position of the hydrogen concentration meter 50 will be described. During the stop of the fuel cell operation, air permeates from the oxidant electrode 1a to the fuel electrode 1b or air flows backward from the hydrogen exhaust path 28, so that the fuel cell main body 1 has an outlet at the fuel electrode 1b. By installing the hydrogen concentration meter 50, it is possible to grasp the air replacement state of the fuel chamber. Of course, it may be the entrance.

また、実験的に燃料極1b、水素循環経路26等各部の水素濃度を測り、最も空気置換が進行する部位、最も空気置換が進みにくい部位を特定し、水素濃度計を設置する場合でもよい。燃料極、循環ラインに複数個の水素濃度計を設置してもよい。また、上下限判断を別の水素濃度計で行なってもよい。 Alternatively, a hydrogen concentration meter may be installed by experimentally measuring the hydrogen concentration in each part such as the fuel electrode 1b, the hydrogen circulation path 26, etc., specifying the part where the air replacement is most advanced and the part where the air replacement is most difficult to proceed. A plurality of hydrogen concentration meters may be installed in the fuel electrode and the circulation line. The upper and lower limits may be determined using another hydrogen concentration meter.

[構成]
次に、実施例2を説明する。本実施例の構成は、図1に示した実施例1の構成から水素濃度計50を除去した構成である。本実施例は、水素濃度計の検出値に代えて、燃料電池の運転停止からの経過時間や燃料極の圧力に基づいて水素濃度を推定する実施例である。
[Constitution]
Next, Example 2 will be described. The configuration of this embodiment is a configuration in which the hydrogen concentration meter 50 is removed from the configuration of the first embodiment shown in FIG. In this embodiment, the hydrogen concentration is estimated based on the elapsed time from the stop of the operation of the fuel cell and the pressure of the fuel electrode instead of the detected value of the hydrogen concentration meter.

[制御方法]
次に、本実施例の制御方法を図3の制御フローチャートと、図8のタイムチャートを参照して説明する。
[Control method]
Next, the control method of the present embodiment will be described with reference to the control flowchart of FIG. 3 and the time chart of FIG.

図3の制御フローチャートは、燃料電池の運転停止中に、一定時間毎(例えば、100[msec]毎)に呼び出されて実行されるものとするが、後述する実行許可条件を付加してもよい。尚、燃料電池の運転停止中であることは、燃料電池車両の場合、コントローラ45が図示しない運転スイッチ信号、アイドルストップ信号等に基づいて判断する。   The control flowchart of FIG. 3 is called and executed at regular time intervals (for example, every 100 [msec]) while the fuel cell is stopped. However, an execution permission condition to be described later may be added. . In the case of a fuel cell vehicle, the controller 45 determines that the operation of the fuel cell is being stopped based on an operation switch signal, an idle stop signal, etc. (not shown).

図3の制御フローチャートにおいて、まずS71において、運転スイッチがオフされたか、アイドルストップ状態に入ったかを判定する。   In the control flowchart of FIG. 3, first, in S71, it is determined whether the operation switch is turned off or an idle stop state is entered.

S71の判定で、Yesの場合、通常制御を行うために、S72へ進む。S71の判定で、Noの場合、S82へ進み、タイマAをリセットしてリターンする。   If the determination in S71 is Yes, the process proceeds to S72 to perform normal control. If the determination in S71 is No, the process proceeds to S82, the timer A is reset, and the process returns.

S72では、タイマAをカウントして、S73へ進む。本制御ルーチンが、例えば100[msec]毎に繰り返すならば、1回毎に100[msec]の積算和とすればよい。その場合、コントローラ外のタイマを用意する必要はない。   In S72, the timer A is counted and the process proceeds to S73. If this control routine is repeated, for example, every 100 [msec], an integrated sum of 100 [msec] may be used each time. In that case, it is not necessary to prepare a timer outside the controller.

S73では、現在のタイマAの値が第1所定時間と第2所定時間の間であるか否かを判定する。ここで、第1の所定時間、第2の所定時間は、燃料室内の空気置換度合いに基いて設定した時間である。   In S73, it is determined whether or not the current value of the timer A is between the first predetermined time and the second predetermined time. Here, the first predetermined time and the second predetermined time are times set based on the degree of air replacement in the fuel chamber.

第1の所定時間は、燃料室内に酸化剤極1aから透過してきたか、排気空気経路27より逆流してきた空気の量が、水素と空気との混在として起動時の劣化が無視できる上限に達した時間を設定している。第2所定時間は、燃料室内に前回発電時の水素と、酸化剤極1aから透過してきたか、空気排気経路27より逆流してきた空気とで不均一に混在しており、再起動時に劣化が顕著に進行すると判断される程度に、空気置換が十分でなく水素が残留している上限の時間を設定している。ここでは、予め実験的に値を設定しているが、最も水素が残りやすい条件で第2の所定時間を設定し、最も水素が残りにくい条件で第1の所定時間を設定すると、まず不均一化が起こると考えにくいところでは、ここで制御をぬけることができる。   During the first predetermined time, the amount of air that has permeated from the oxidant electrode 1a into the fuel chamber or has flowed back from the exhaust air passage 27 has reached an upper limit at which deterioration at startup can be ignored as a mixture of hydrogen and air. The time is set. During the second predetermined time, hydrogen at the time of the previous power generation and air that has permeated from the oxidizer electrode 1a or backflowed from the air exhaust path 27 are mixed unevenly in the fuel chamber, and the deterioration is remarkable at the time of restart. The upper limit time during which air replacement is not sufficient and hydrogen remains is set to such an extent that it is determined that the process proceeds to the time. Here, the value is experimentally set in advance. However, if the second predetermined time is set under the condition that the hydrogen is most likely to remain, and the first predetermined time is set under the condition that the hydrogen is hardly remaining, the first non-uniformity is obtained. Where it is difficult to think that the process will occur, control can be bypassed here.

S73の判定がNo(第1の所定時間以下)の場合、燃料室内の空気置換が殆ど進んでおらず、そのため水素が十分にある状態にあるので、リターンする。この区間が図8の時刻300以前である。   If the determination in S73 is No (below the first predetermined time), the air replacement in the fuel chamber has hardly progressed, and therefore there is sufficient hydrogen, so the process returns. This section is before time 300 in FIG.

S73の判定がNo(第2の所定時間以上)の場合、燃料室内の空気置換が十分に進んでおり、ほとんど水素がない状態にあるので、リターンする。この区間が図8の時刻309以降である。   If the determination in S73 is No (second predetermined time or longer), the air replacement in the fuel chamber is sufficiently advanced and there is almost no hydrogen, so the process returns. This section is after time 309 in FIG.

S73の判定がYesの場合、(第1の所定時間を超え第2の所定時間未満の場合)、空気置換が進んでいるものの、水素もかなり残留している状態であり、燃料室内が前回発電時の水素と酸化剤極1aから透過してきたか、排気空気経路27より逆流してきた空気とで不均一に混在しており再起動時に劣化が進行する状態にあるので、S74へ進む。この区間が図8の時刻300から時刻309である。   If the determination in S73 is Yes (when the first predetermined time is exceeded and less than the second predetermined time), the air replacement is progressing, but hydrogen is still remaining, and the fuel chamber is in the previous power generation. Since hydrogen is permeated from the oxidant electrode 1a at the time or air that has flowed back from the exhaust air passage 27 is unevenly mixed and the deterioration proceeds at the time of restart, the process proceeds to S74. This section is from time 300 to time 309 in FIG.

前回停止してから起動するまでの経過時間による燃料室内の空気置換状態であるが、あらかじめ燃料室内部の各部に酸素濃度センサまたは水素濃度センサを設置し、経過時間と濃度変化を実験的に求めて、燃料室内が起動直後に通常ルーチンへ移行しても劣化が進行しない酸素濃度以下(水素濃度以上)になるまでの時間を第1の所定時間、燃料室内が最初に水素循環ポンプ24を作動させても劣化がしない酸素濃度以上(水素濃度以下)になるまでの時間を第2の所定時間と設定することができる。   The air replacement state in the fuel chamber is based on the elapsed time from the previous stop to the start, but an oxygen concentration sensor or hydrogen concentration sensor is installed in each part of the fuel chamber in advance, and the elapsed time and concentration change are obtained experimentally. Thus, the time until the fuel chamber becomes oxygen concentration lower than the hydrogen concentration (higher than hydrogen concentration) where deterioration does not proceed even if the routine shifts to the normal routine immediately after startup is the first predetermined time, and the hydrogen circulation pump 24 is first operated in the fuel chamber. It is possible to set the second predetermined time as the time until the oxygen concentration is not deteriorated even if it is reduced (the hydrogen concentration is below).

また、酸化剤極1aから燃料極1bへ透過する空気の時間割合は燃料電池本体1の温度に依存する(温度が高いほうが透過速度は速い)ため、冷却水温度計34によって計測される温度を変化させて実験を実施し、経過時間と燃料室内の濃度変化を計測し補正式(マップ、テーブルでもよい)を求め、基本となる経過時間に乗ずることで補正することができる。   Moreover, since the time ratio of the air which permeate | transmits from the oxidizer electrode 1a to the fuel electrode 1b depends on the temperature of the fuel cell body 1 (the higher the temperature, the faster the permeation speed), the temperature measured by the cooling water thermometer 34 is The experiment can be performed while changing, measuring the elapsed time and the concentration change in the fuel chamber, obtaining a correction formula (may be a map or a table), and correcting the result by multiplying the basic elapsed time.

ここで、第2の所定時間を設けたのは、S74で水素濃度推定を行なっているが、十分に長時間経過しても、推定を誤った場合に水素循環ポンプが誤作動してしまうのを予め防止するものである。   Here, the second predetermined time is provided because the hydrogen concentration is estimated in S74, but even if a sufficiently long time has passed, if the estimation is incorrect, the hydrogen circulation pump will malfunction. Is to prevent in advance.

S74では、水素濃度を推定して、S75へ進む。ここでは、水素濃度は水素分圧に基いて演算する。まず、大気圧Pamb(320)より、水素循環ポンプを作動させ化学反応によりアノード圧力が降下しはじめる。圧力Pa(321)に達したところで、水素循環ポンプを停止する。   In S74, the hydrogen concentration is estimated, and the process proceeds to S75. Here, the hydrogen concentration is calculated based on the hydrogen partial pressure. First, from the atmospheric pressure Pamb (320), the hydrogen circulation pump is operated and the anode pressure begins to drop due to a chemical reaction. When the pressure Pa (321) is reached, the hydrogen circulation pump is stopped.

ここで差圧ΔPa は、ΔPa =Pamb(320)−Pa(321)で表される。
化学反応式は、2H2 +O2 =2H2Oである。
また、燃料極内の燃料ガスは飽和水蒸気圧まで水蒸気を含むものと仮定すれば、差圧ΔPa のうち2/3が水素の消失分(ΔPh2)に相当する。
Here, the differential pressure ΔPa is represented by ΔPa = Pamb (320) −Pa (321).
The chemical reaction formula is 2H 2 + O 2 = 2H 2 O.
Assuming that the fuel gas in the anode contains water vapor up to the saturated water vapor pressure, 2/3 of the differential pressure ΔPa corresponds to the disappearance of hydrogen (ΔPh2).

ΔPh2=2/3ΔPa
繰返し操作をする毎に、推定水素濃度は、初期水素濃度より、2/3ΔPa 積算和で減算することで、そのときの水素濃度を推定できる。
ΔPh2 = 2 / 3ΔPa
Each time the operation is repeated, the estimated hydrogen concentration can be estimated by subtracting the estimated hydrogen concentration from the initial hydrogen concentration by 2 / 3ΔPa integrated sum.

ΔPh2=P(310)−P(312)
=P(312)−P(313)
=P(313)−P(314)
=P(314)−P(315)
S75では、推定水素濃度が第1所定濃度と第2所定濃度との間にあるか否かを判定する。第1の所定濃度310 、第2の所定濃度311 、とするとき、水素濃度は、3条件に基いて分けることができる。
ΔPh2 = P (310) −P (312)
= P (312) -P (313)
= P (313) -P (314)
= P (314) -P (315)
In S75, it is determined whether or not the estimated hydrogen concentration is between the first predetermined concentration and the second predetermined concentration. When the first predetermined concentration 310 and the second predetermined concentration 311 are used, the hydrogen concentration can be divided based on three conditions.

S75の判定がNoの場合(第1の所定濃度以上(310以上)の場合)、発電停止直後であり、まだ燃料系内部の空気の置換が進んでおらず、高い水素濃度を維持している。そのため、再起動時にカソードに空気供給して高電圧状態になっても、アノード内に燃料ガスと空気の偏在が発生していないので、劣化が促進することはないので、リターンする。   When the determination in S75 is No (when the concentration is not less than the first predetermined concentration (310 or more)), it is immediately after the power generation is stopped, the replacement of air inside the fuel system has not yet progressed, and a high hydrogen concentration is maintained. . Therefore, even if air is supplied to the cathode at the time of restart and a high voltage state is reached, since the fuel gas and air are not unevenly distributed in the anode, the deterioration is not promoted and the process returns.

S75の判定がNoの場合(第2の所定濃度以下(311以下)の場合)、発電停止から長時間放置された状態であり、空気へ置換が十分に進んでおり、少ない水素濃度を維持している。そのため、再起動時にカソードに空気供給して高電圧状態になっても、アノード内に燃料ガスと空気の偏在が発生していないので、劣化が促進することはないので、リターンする。   When the determination of S75 is No (when the second predetermined concentration or less (311 or less)), the power generation has been left for a long time and the replacement with air is sufficiently advanced, and the low hydrogen concentration is maintained. ing. Therefore, even if air is supplied to the cathode at the time of restart and a high voltage state is reached, since the fuel gas and air are not unevenly distributed in the anode, the deterioration is not promoted and the process returns.

S75の判定がYesの場合(第1の所定濃度未満で、かつ第2の所定濃度を超えた場合(311から310まで))、発電停止から若干放置された状態であり、空気へ置換が進んでいるものの、高い水素濃度を維持している。そのため、再起動時にカソードに空気供給して高電圧状態になると、アノード内に燃料ガスと空気の偏在が発生して劣化が促進しうる状態にあるので、S76へ進む。   If the determination in S75 is Yes (less than the first predetermined concentration and exceeds the second predetermined concentration (from 311 to 310)), it is in a state of being left a little after the power generation stop, and the replacement with air proceeds. However, it maintains a high hydrogen concentration. Therefore, if air is supplied to the cathode at the time of restart and a high voltage state is reached, the fuel gas and air are unevenly distributed in the anode and the deterioration can be promoted, so the process proceeds to S76.

S76では、水素圧力計29からアノード圧力を読み込む。次いで、S77でアノード圧力が所定圧力未満であるか否かを判定する。判定用の所定圧力(321)は、スタック内の膜が損壊しない程度に安全な範囲に設定し、アノード−カソード間に過度な差圧が生じることを防止する。   In S76, the anode pressure is read from the hydrogen pressure gauge 29. Next, in S77, it is determined whether or not the anode pressure is less than a predetermined pressure. The predetermined pressure for determination (321) is set in a safe range to such an extent that the membrane in the stack is not damaged, and an excessive pressure difference between the anode and the cathode is prevented.

S77の判定で、アノード圧力が所定圧力未満の場合、S83へ進む。
S77の判定で、アノード圧力が所定圧力以上の場合、S78へ進む。
S78では、タイマBをカウントして、S79へ進む。S79では、タイマBが所定時間経過しているか判定する。ここで、アノード圧を大気圧(320)に戻すことで、空気置換を促進させる。
If it is determined in S77 that the anode pressure is less than the predetermined pressure, the process proceeds to S83.
If it is determined in S77 that the anode pressure is equal to or higher than the predetermined pressure, the process proceeds to S78.
In S78, the timer B is counted and the process proceeds to S79. In S79, it is determined whether the timer B has elapsed a predetermined time. Here, air replacement is promoted by returning the anode pressure to atmospheric pressure (320).

S79の判定で、タイマBが所定時間を超えている場合、アノード圧が大気圧に戻ったと判断し、化学反応を開始するためにS80へ進む。   If it is determined in S79 that the timer B exceeds the predetermined time, it is determined that the anode pressure has returned to the atmospheric pressure, and the process proceeds to S80 to start the chemical reaction.

S79の判定で、タイマBが所定時間以下の場合、アノード圧が大気圧に戻っていないと判断し、S84へ進む。   If it is determined in S79 that the timer B is equal to or shorter than the predetermined time, it is determined that the anode pressure has not returned to the atmospheric pressure, and the process proceeds to S84.

S80では、水素循環ポンプを所定回転数(330)で起動し、また水素排出弁(パージ弁)は閉(340)とする。これは、アノードガスが循環し、かつ実験的にドライバ、または車両周囲の人に違和感を与えない程度におさせた回転数とする。この区間が図8の300から301、302から303、304から305、306から307、308から309まである。そして、メインルーチンへリターンする。   In S80, the hydrogen circulation pump is started at a predetermined rotational speed (330), and the hydrogen discharge valve (purge valve) is closed (340). This is the rotational speed at which the anode gas circulates and is experimentally set so as not to cause a driver or a person around the vehicle to feel uncomfortable. These sections are 300 to 301, 302 to 303, 304 to 305, 306 to 307, and 308 to 309 in FIG. Then, the process returns to the main routine.

S83では、タイマBをリセットし、S84へ進む。
S84では、これ以上水素循環ポンプを駆動して化学反応を続けると、スタック内の膜間差圧が増加しつづけるので、水素循環ポンプを停止し、水素排出弁を開いて空気置換を行う。水素循環ポンプは回転停止(331)、パージ弁は開制御(340)を行なう。
In S83, the timer B is reset, and the process proceeds to S84.
In S84, if the hydrogen circulation pump is further driven to continue the chemical reaction, the transmembrane pressure difference in the stack continues to increase. Therefore, the hydrogen circulation pump is stopped and the hydrogen discharge valve is opened to perform air replacement. The rotation of the hydrogen circulation pump is stopped (331), and the purge valve is controlled to open (340).

この区間が図8の301から302、303から304、305から306、307から308である。そして、メインルーチンへリターンする。 These sections are 301 to 302, 303 to 304, 305 to 306, and 307 to 308 in FIG. Then, the process returns to the main routine.

[実施例2の効果]
(1)水素濃度を推定することで、アノード内の空気の置換状態がわかり、空気の置換状態に応じて燃料ガス循環手段が稼動する。停止中に燃料室内(燃料極及び燃料ガス循環経路、燃料ガス循環手段)に残留水素と流入してきた空気が不均一に混在したガスが、燃料極触媒に供給されて速やかに水素が消失するので、再起動時の高電圧下において、燃料室内に燃料ガスと空気の偏在が発生することによる燃料電池の劣化を回避できる。
[Effect of Example 2]
(1) By estimating the hydrogen concentration, the air replacement state in the anode can be determined, and the fuel gas circulation means operates according to the air replacement state. Because the gas in which the residual hydrogen and the air that has flowed into the fuel chamber (fuel electrode, fuel gas circulation path, fuel gas circulation means) are mixed inhomogeneously during the stop is supplied to the fuel electrode catalyst, hydrogen disappears quickly. The deterioration of the fuel cell due to the uneven distribution of fuel gas and air in the fuel chamber can be avoided under the high voltage at the time of restart.

(2)燃料室内の圧力を計測するシステムなので、燃料ガス循環手段が稼動開始したときの圧力を記憶し、稼動中の圧力を読みつづけることができ、燃料ガス循環手段稼動開始後の圧力降下の時間経過がわかる。圧力降下度合いから水素消失量がわかるので、水素消失量の時間経過がわかる。以上のことを水素濃度検出手段を用いずに実現することができる。   (2) Since it is a system that measures the pressure in the fuel chamber, it can memorize the pressure when the fuel gas circulation means starts operating, and continue to read the pressure during operation. You can see the passage of time. Since the amount of hydrogen disappearance can be determined from the degree of pressure drop, the time course of the amount of hydrogen disappearance can be determined. The above can be realized without using the hydrogen concentration detecting means.

(3)一度の燃料ガス循環手段の稼動で水素が消失されすぎてしまうと、膜をはさんで水素圧と空気圧の差圧が増加してしまい、スタックの物理的劣化につながるが、圧力開放手段を備えているので、アノード圧が所定値以下(または、カソード圧に対してアノード圧の差圧が所定値以上)に達したら、燃料ガス循環手段を停止し、開放操作を実行するので、膜が物理的劣化するほどの差圧が生じることはない。   (3) If hydrogen disappears too much after a single operation of the fuel gas circulation means, the pressure difference between the hydrogen pressure and air pressure increases across the membrane, leading to physical deterioration of the stack, but the pressure is released. Since the anode pressure reaches a predetermined value or less (or the differential pressure of the anode pressure with respect to the cathode pressure exceeds the predetermined value), the fuel gas circulation means is stopped and the opening operation is executed. There is no differential pressure to the extent that the membrane is physically degraded.

(4)アノード内の空気置換状態に基いて燃料ガス循環手段を操作し、アノード−カソード間の差圧に基いて圧力開放手段を操作する。それぞれの動作を交互に繰り返すので、スタックを差圧により損壊することなく、水素がほとんどない状態まで空気置換を促進することができる。   (4) The fuel gas circulation means is operated based on the air replacement state in the anode, and the pressure release means is operated based on the pressure difference between the anode and the cathode. Since each operation is repeated alternately, air replacement can be promoted to a state where there is almost no hydrogen without damaging the stack due to differential pressure.

[構成]
次に、図4を参照して、実施例3の構成を説明する。本実施例の構成は、一般的な燃料電池システムである図9に対して、燃料極1bの出口付近に酸素濃度を計測できる酸素濃度計51を加えたものである。その他の構成は、図9と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。
[Constitution]
Next, the configuration of the third embodiment will be described with reference to FIG. The configuration of this embodiment is obtained by adding an oxygen concentration meter 51 that can measure the oxygen concentration in the vicinity of the outlet of the fuel electrode 1b to FIG. 9 which is a general fuel cell system. Since other configurations are the same as those in FIG. 9, the same components are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

[制御方法]
次に、本実施例の制御方法を図5の制御フローチャートを参照して説明する。
[Control method]
Next, the control method of the present embodiment will be described with reference to the control flowchart of FIG.

図5の制御フローチャートは、燃料電池の運転停止中に、一定時間毎(例えば、100[msec]毎)に呼び出されて実行されるものとするが、後述する実行許可条件を付加してもよい。尚、燃料電池の運転停止中であることは、燃料電池車両の場合、コントローラ45が図示しない運転スイッチ信号、アイドルストップ信号等に基づいて判断する。   The control flowchart of FIG. 5 is called and executed at regular time intervals (for example, every 100 [msec]) while the fuel cell is stopped. However, an execution permission condition described later may be added. . In the case of a fuel cell vehicle, the controller 45 determines that the operation of the fuel cell is being stopped based on an operation switch signal, an idle stop signal, etc. (not shown).

図5の制御フローチャートにおいて、まず、S86において、酸素濃度計51に電源を投入し、酸素濃度を検出する。次いでS87で、酸素濃度が第3の所定濃度と第4の所定濃度の間にあるか否かを判定する。第3の所定濃度>第4の所定濃度とするとき、酸素濃度は、3条件に基いて分けることができる。   In the control flowchart of FIG. 5, first, in S86, the oxygen concentration meter 51 is turned on to detect the oxygen concentration. Next, in S87, it is determined whether or not the oxygen concentration is between the third predetermined concentration and the fourth predetermined concentration. When the third predetermined concentration> the fourth predetermined concentration, the oxygen concentration can be divided based on three conditions.

S87の判定がNoの場合(第4の所定濃度以下の場合)、発電停止直後であり、まだ空気の置換が進んでおらず、低い酸素濃度を維持している。そのため、再起動時にカソードに空気供給して高電圧状態になっても、アノード内に燃料ガスと空気の偏在が発生していないので、劣化が促進することはないので、S89へ進む。   When the determination in S87 is No (when the concentration is equal to or lower than the fourth predetermined concentration), it is immediately after the power generation is stopped, the air replacement has not progressed yet, and a low oxygen concentration is maintained. For this reason, even if air is supplied to the cathode at the time of restart and a high voltage state is reached, since the fuel gas and air are not unevenly distributed in the anode, the deterioration does not accelerate, and the process proceeds to S89.

S87の判定がNoの場合(第3の所定濃度以上の場合)、発電停止から長時間放置された状態であり、空気へ置換が十分に進んでおり、高い酸素濃度を維持している。そのため、再起動時にカソードに空気供給して高電圧状態になっても、アノード内に燃料ガスと空気の偏在が発生していないので、劣化が促進することはないので、S89へ進む。   If the determination in S87 is No (when the concentration is greater than or equal to the third predetermined concentration), the state has been left for a long time after power generation is stopped, and the replacement with air is sufficiently advanced, and a high oxygen concentration is maintained. For this reason, even if air is supplied to the cathode at the time of restart and a high voltage state is reached, since the fuel gas and air are not unevenly distributed in the anode, the deterioration does not accelerate, and the process proceeds to S89.

S87の判定がYesの場合(第3の所定濃度未満で、かつ第4の所定濃度を超える場合)、発電停止から若干放置された状態であり、高い酸素濃度を維持しつつ、水素も混在している。そのため、再起動時にカソードに空気供給して高電圧状態になると、アノード内に燃料ガスと空気の偏在が発生して劣化が促進しうる状態にあるので、S88へ進む。   If the determination in S87 is Yes (less than the third predetermined concentration and exceeds the fourth predetermined concentration), it is in a state of being left a little after the power generation is stopped, and hydrogen is mixed while maintaining a high oxygen concentration. ing. Therefore, if air is supplied to the cathode at the time of restart and a high voltage state is reached, the fuel gas and air are unevenly distributed in the anode and the deterioration can be promoted, so the process proceeds to S88.

S88では、燃料室内は前回発電中の水素と置換空気が不均一に存在している(状態C)と判断し、水素循環ポンプを稼動させ、燃料極触媒上で化学反応操作を実行する。水素循環ポンプは所定回転数で回転させ、リターンする。この所定回転数は、アノードガスが循環し、かつ実験的にドライバ、または車両周囲の人に違和感を与えない程度に抑制した回転数とする。   In S88, it is determined that hydrogen and replacement air that were being generated last time are unevenly present in the fuel chamber (state C), the hydrogen circulation pump is operated, and a chemical reaction operation is performed on the fuel electrode catalyst. The hydrogen circulation pump is rotated at a predetermined rotational speed and returned. The predetermined number of revolutions is a number of revolutions that is suppressed to such an extent that the anode gas circulates and does not experimentally cause a driver or a person around the vehicle to feel uncomfortable.

S89では、燃料極1b内での水素と酸素の偏在がなくなったと判断し、水素循環ポンプを停止させ、燃料極触媒上で化学反応操作を終了して、リターンする。   In S89, it is determined that hydrogen and oxygen are not unevenly distributed in the fuel electrode 1b, the hydrogen circulation pump is stopped, the chemical reaction operation is terminated on the fuel electrode catalyst, and the process returns.

[実施例3の効果]
(1)燃料極1b内が水素で満ちていると判断された場合、再起動要求がされたら、ただちに起動することができる。また、循環ポンプ駆動操作を実行しないので、余分な補機電力を消費することがない。水素の過剰消費させることがなく燃費を改善することができる。
[Effect of Example 3]
(1) When it is determined that the inside of the fuel electrode 1b is filled with hydrogen, it can be started immediately when a restart request is made. Further, since the circulation pump drive operation is not executed, no extra auxiliary power is consumed. Fuel consumption can be improved without excessive consumption of hydrogen.

(2)燃料極1b内が空気で満ちていると判断された場合、その間に再起動要求がされたら、ただちに起動することができる。再起動要求されたら水素循環ポンプ24で燃料極1b内に負圧を生成させた後、高圧の水素を供給できるので燃料極1b内での水素と酸素の偏在状態を短くでき劣化を抑制できる。   (2) When it is determined that the fuel electrode 1b is filled with air, if a restart request is made during that time, the fuel electrode 1b can be started immediately. If a restart request is made, a negative pressure is generated in the fuel electrode 1b by the hydrogen circulation pump 24, and then high-pressure hydrogen can be supplied. Therefore, the uneven distribution state of hydrogen and oxygen in the fuel electrode 1b can be shortened and deterioration can be suppressed.

(3)燃料室内が前回発電中の水素と酸化剤極1aから透過してきた空気が不均一に存在していると判断された場合、再起動要求されたら水素循環ポンプを作動させた直後に発生する燃料極1b内の水素と酸素の偏在を避けることできず劣化が進行する。しかし、本実施例に示すように、循環ポンプ駆動操作を実行して水素消費するので、この区間を大幅に短時間にすることができる。したがって、再起動回数における劣化を伴う起動の頻度を低減し、劣化を抑制することができる。   (3) When it is determined that the hydrogen in the fuel chamber and the air that has permeated from the oxidizer electrode 1a exist non-uniformly in the fuel chamber, this occurs immediately after the hydrogen circulation pump is activated when a restart is requested. The uneven distribution of hydrogen and oxygen in the fuel electrode 1b to be performed cannot be avoided. However, as shown in the present embodiment, since the circulation pump driving operation is executed and hydrogen is consumed, this section can be significantly shortened. Therefore, it is possible to reduce the frequency of activation accompanied by deterioration in the number of restarts, and to suppress deterioration.

次に、酸素濃度計の設置位置について補足説明する。停止中に酸化剤極1aから燃料極1bへ空気が透過してくるか、または水素排気経路28より空気が逆流してくるため燃料電池本体1出口に酸素素濃度計を設置することで、燃料室の空気置換状態を把握することができる。もちろん入口であっても構わない。   Next, a supplementary explanation will be given regarding the installation position of the oximeter. During the stop, air permeates from the oxidant electrode 1a to the fuel electrode 1b, or air flows backward from the hydrogen exhaust path 28. Therefore, an oxygen concentration meter is installed at the outlet of the fuel cell body 1 to The air replacement state of the chamber can be grasped. Of course, it may be the entrance.

また、実験的に燃料極、循環ラインこれら各部の酸素濃度を測り、最も空気置換が進行する部位、最も空気置換が進みにくい部位を特定し、酸素濃度計を設置する場合でもよい。燃料極、循環ラインに複数個の酸素濃度計を設置してもよい。また、上下限判断を別の酸素濃度計で行なってもよい。   Alternatively, the oxygen concentration of each part of the fuel electrode and the circulation line may be experimentally measured to identify the part where the air replacement is most advanced and the part where the air replacement is most difficult to proceed. A plurality of oxygen concentration meters may be installed in the fuel electrode and the circulation line. Further, the upper and lower limits may be determined by another oxygen concentration meter.

[実施例1から実施例3の許可判定]
各実施例の制御方法に先立ち、アノードガス循環実施の許可判定を行なうことが好ましい。この許可判定について、図6のフローチャートを参照して説明する。
[Permission determination of Example 1 to Example 3]
Prior to the control method of each embodiment, it is preferable to determine whether to permit anode gas circulation. This permission determination will be described with reference to the flowchart of FIG.

まず、S91において、電圧計41からスタック電圧、バッテリコントローラ43からバッテリ蓄電量(SOC量)を読み込む。次いで、S92で、スタック電圧、バッテリSOC量を判定する。スタック電圧は、停止電圧と再起動時の劣化傾向を実験的に調査し、許容できる劣化範囲内でスタック電圧の許容範囲を求める。   First, in S91, the stack voltage is read from the voltmeter 41, and the battery storage amount (SOC amount) is read from the battery controller 43. Next, in S92, the stack voltage and the battery SOC amount are determined. As for the stack voltage, the stop voltage and the deterioration tendency at the time of restart are experimentally investigated, and an allowable range of the stack voltage is determined within an allowable deterioration range.

また、バッテリSOC量は、再起動時の消費電力量を実験的に調査し、最低SOC量を求め、これを判定値とすればよい。 Further, the battery SOC amount may be determined by experimentally investigating the power consumption amount at the time of restart, obtaining the minimum SOC amount, and using this as the determination value.

S92の判定で、スタック電圧が所定電圧(220)未満かつ、バッテリSOC量が所定SOC量(230)を超える場合、S93へ進む。S93では、アノードガス循環を許可して、リターンする。   If it is determined in S92 that the stack voltage is less than the predetermined voltage (220) and the battery SOC amount exceeds the predetermined SOC amount (230), the process proceeds to S93. In S93, the anode gas circulation is permitted and the process returns.

S92の判定で、スタック電圧が所定電圧(220)以上、またはバッテリSOC量が所定SOC量(230)以下である場合、S94へ進む。S94では、アノードガス循環を禁止して、リターンする。   If it is determined in S92 that the stack voltage is equal to or higher than the predetermined voltage (220) or the battery SOC amount is equal to or lower than the predetermined SOC amount (230), the process proceeds to S94. In S94, the anode gas circulation is prohibited and the process returns.

このようにバッテリSOC量をモニタし、所定量以下ではアノード内の空気置換状態へ移行操作を禁止する。所定量を、起動時の補機消費電力量分と規定することで、SOC不足によって再起動できなくなることを回避することができるという効果がある。   In this way, the battery SOC amount is monitored, and if it is less than the predetermined amount, the operation for shifting to the air replacement state in the anode is prohibited. By prescribing the predetermined amount as the amount of power consumed by auxiliary equipment at the time of startup, there is an effect that it is possible to avoid a situation in which the system cannot be restarted due to insufficient SOC.

また燃料電池の電圧をモニタして、高電圧状態ではアノード内の空気置換状態へ移行操作を禁止するので、再起動時の高電圧下において、アノード内に燃料ガスと空気の偏在が発生することによる燃料電池の劣化を回避することができるという効果がある。   Also, since the fuel cell voltage is monitored and the operation to shift to the air replacement state in the anode is prohibited in the high voltage state, the fuel gas and air are unevenly distributed in the anode under the high voltage at the time of restart. It is possible to avoid the deterioration of the fuel cell due to the above.

本発明による燃料電池システムの実施例1の構成図である。It is a block diagram of Example 1 of the fuel cell system according to the present invention. 本発明による燃料電池システムの実施例1を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining Example 1 of the fuel cell system by this invention. 本発明による燃料電池システムの実施例2を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining Example 2 of the fuel cell system by this invention. 本発明による燃料電池システムの実施例3の構成図である。It is a block diagram of Example 3 of the fuel cell system according to the present invention. 本発明による燃料電池システムの実施例3を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining Example 3 of the fuel cell system by this invention. 本発明による燃料電池システムの実施例1から実施例3の許可判定を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the permission determination of Example 1- Example 3 of the fuel cell system by this invention. 本発明による燃料電池システムの実施例1を説明するタイムチャート図であり、(a)水素分圧、(b)水素循環ポンプの回転数、(c)燃料電池本体の総電圧、(d)バッテリのSOC量である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a time chart explaining Example 1 of the fuel cell system by this invention, (a) Hydrogen partial pressure, (b) The rotation speed of a hydrogen circulation pump, (c) Total voltage of a fuel cell main body, (d) Battery The amount of SOC. 本発明による燃料電池システムの実施例2を説明するタイムチャート図であり、(a)水素分圧、(b)アノード圧力、(c)水素循環ポンプの回転数、(d)水素排出弁(パージ弁)の開閉である。FIG. 5 is a time chart for explaining Example 2 of the fuel cell system according to the present invention, where (a) hydrogen partial pressure, (b) anode pressure, (c) rotation speed of hydrogen circulation pump, (d) hydrogen discharge valve (purge) Valve). 一般的な燃料電池システムの構成図である。It is a block diagram of a general fuel cell system. 燃料電池の単一セルの概念図である。It is a conceptual diagram of the single cell of a fuel cell. 燃料電池システムの停止直後の状態を説明する図である。It is a figure explaining the state immediately after the stop of a fuel cell system. 燃料電池システムの停止後十分に時間が経過した状態を説明する図である。It is a figure explaining the state which time passed fully after the stop of a fuel cell system. 燃料電池システムの停止後数分〜数十分経過後の状態を説明する図である。It is a figure explaining the state after several minutes-several tens of minutes have passed since the stop of the fuel cell system.

符号の説明Explanation of symbols

1:燃料電池本体(1a:酸化剤極、1b:燃料極)
11:空気コンプレッサ
12:空気供給経路
13:空気系加湿装置
14:空気排気経路
15:空気調圧弁
16:空気圧力計
21:高圧水素タンク
22:水素供給経路
23:水素調圧弁
24:水素循環装置
25:水素系加湿装置
26:水素循環経路
27:水素排気経路
28:水素排出弁
29:水素圧力計
31:冷却水ポンプ
32:冷却水循環経路
33:熱交換器
34:冷却水温度計
40:負荷装置
41:電圧計
42:電流計
43:バッテリコントローラ
44:バッテリ
45:コントローラ
50:水素濃度計
51:酸素濃度計
1: Fuel cell body (1a: oxidizer electrode, 1b: fuel electrode)
11: Air compressor 12: Air supply path 13: Air humidifier 14: Air exhaust path 15: Air pressure control valve 16: Air pressure gauge 21: High-pressure hydrogen tank 22: Hydrogen supply path 23: Hydrogen pressure control valve 24: Hydrogen circulation system 25: Hydrogen humidifier 26: Hydrogen circulation path 27: Hydrogen exhaust path 28: Hydrogen discharge valve 29: Hydrogen pressure gauge 31: Cooling water pump 32: Cooling water circulation path 33: Heat exchanger 34: Cooling water thermometer 40: Load Device 41: Voltmeter 42: Ammeter 43: Battery controller 44: Battery 45: Controller 50: Hydrogen concentration meter 51: Oxygen concentration meter

Claims (10)

電解質を挟持する燃料極と酸化剤極を有し、当該燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、燃料電池からの排燃料ガスの一部を供給側へ再循環させるための燃料ガス循環経路と、燃料ガス循環手段とを備える燃料電池システムにおいて、
前記燃料極内または前記燃料ガス循環経路内の水素濃度に関する値を検出する検出手段を備え、
前記検出手段の検出値に基づく水素濃度が第一の所定値から第二の所定値の範囲内において、発電停止中に前記燃料ガス循環手段を稼動させることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell that has a fuel electrode and an oxidant electrode that sandwich the electrolyte, and that generates power by receiving supply of fuel gas and oxidant gas to the fuel electrode and oxidant electrode, respectively, and part of the exhaust fuel gas from the fuel cell In a fuel cell system comprising a fuel gas circulation path for recirculating fuel to the supply side, and a fuel gas circulation means,
Detecting means for detecting a value relating to a hydrogen concentration in the fuel electrode or in the fuel gas circulation path;
A fuel cell system, wherein the fuel gas circulating means is operated during power generation stop when a hydrogen concentration based on a detection value of the detection means is within a range of a first predetermined value to a second predetermined value.
前記検出手段は、前記燃料極または前記燃料ガス循環経路内の圧力を検出する燃料極圧力検出手段であり、該燃料極圧力検出手段が検出した燃料ガス圧力に基いて水素濃度を推定する水素濃度推定手段を備えたことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。   The detecting means is a fuel electrode pressure detecting means for detecting a pressure in the fuel electrode or the fuel gas circulation path, and a hydrogen concentration for estimating a hydrogen concentration based on the fuel gas pressure detected by the fuel electrode pressure detecting means. The fuel cell system according to claim 1, further comprising an estimation unit. 前記水素濃度推定手段は、前記燃料ガス循環手段が稼動を開始したときの圧力を記憶し、前記燃料ガス循環手段稼動時の圧力と前記燃料ガス循環手段稼動中の圧力との圧力差に基いて水素濃度を推定することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。   The hydrogen concentration estimating means stores a pressure when the fuel gas circulation means starts operation, and is based on a pressure difference between a pressure when the fuel gas circulation means is operated and a pressure during operation of the fuel gas circulation means. The fuel cell system according to claim 2, wherein the hydrogen concentration is estimated. 前記燃料ガス循環経路内の圧力を大気圧へ開放する圧力開放手段を備え、
燃料極圧力が所定圧力以下に達した時点で、前記圧力開放手段を稼動させて、前記燃料極および前記燃料ガス循環経路内へ空気を供給することを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。
Pressure release means for releasing the pressure in the fuel gas circulation path to atmospheric pressure;
4. The fuel cell according to claim 3, wherein when the fuel electrode pressure reaches a predetermined pressure or less, the pressure release means is operated to supply air into the fuel electrode and the fuel gas circulation path. system.
前記燃料ガス循環手段と圧力開放手段の操作を交互に動作させ、前記燃料ガス循環手段の駆動毎の前記圧力差を記憶し、前記圧力差の積算和より水素濃度を推定することを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システム。   The operations of the fuel gas circulation means and the pressure release means are alternately operated, the pressure difference for each drive of the fuel gas circulation means is stored, and the hydrogen concentration is estimated from an integrated sum of the pressure differences. The fuel cell system according to claim 4. 電解質を挟持する燃料極と酸化剤極を有し、当該燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、燃料電池からの排燃料ガスの一部を供給側へ再循環させるための燃料ガス循環経路と、燃料ガス循環手段とを備える燃料電池システムにおいて、
前記燃料極または前記燃料ガス循環経路内の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段を備え、酸素濃度が第三の所定値から第四の所定値の範囲内において、発電停止中に前記燃料ガス循環手段を稼動させることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell that has a fuel electrode and an oxidant electrode that sandwich the electrolyte, and that generates power by receiving supply of fuel gas and oxidant gas to the fuel electrode and oxidant electrode, respectively, and part of the exhaust fuel gas from the fuel cell In a fuel cell system comprising a fuel gas circulation path for recirculating fuel to the supply side, and a fuel gas circulation means,
Oxygen concentration detection means for detecting the oxygen concentration in the fuel electrode or the fuel gas circulation path is provided, and the fuel gas circulation is performed when power generation is stopped when the oxygen concentration is within a range of a third predetermined value to a fourth predetermined value. A fuel cell system characterized by operating the means.
燃料電池システムの運転停止を指示する運転スイッチを備え、
該運転スイッチの指示が停止中に前記燃料ガス循環手段を稼動させることを特徴とする請求項1乃至請求項6の何れか1項に記載の燃料電池システム。
An operation switch is provided to instruct to stop the operation of the fuel cell system,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, wherein the fuel gas circulation means is operated while an instruction of the operation switch is stopped.
アイドルストップ中に前記燃料ガス循環手段を稼動させることを特徴とする請求項1乃至請求項7の何れか1項に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7, wherein the fuel gas circulation means is operated during an idle stop. 燃料電池電圧を検出する電圧検出手段を備え、燃料電池電圧が所定値以上のときには、発電停止中の前記燃料ガス循環手段の稼動を禁止または停止することを特徴とする請求項1乃至請求項8の何れか1項に記載の燃料電池システム。   9. A voltage detection means for detecting a fuel cell voltage is provided, and when the fuel cell voltage is equal to or higher than a predetermined value, operation of the fuel gas circulation means during power generation stop is prohibited or stopped. The fuel cell system according to any one of the above. 燃料電池の発電停止中に燃料電池の負荷装置に電力を供給する蓄電手段と、
該蓄電手段の蓄電量を検出する蓄電量検出手段とを備え、
蓄電量が所定値以下のときには、発電停止中の前記燃料ガス循環手段の稼動を禁止または停止することを特徴とする請求項1乃至請求項9の何れか1項に記載の燃料電池システム。
Power storage means for supplying power to the load device of the fuel cell during power generation stop of the fuel cell;
A power storage amount detecting means for detecting a power storage amount of the power storage means,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 9, wherein when the amount of stored electricity is equal to or less than a predetermined value, the operation of the fuel gas circulation means during power generation stop is prohibited or stopped.
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