JP4441168B2

JP4441168B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP4441168B2
Application number: JP2002334101A
Authority: JP
Inventors: 響佐伯; 義一村上; 健一郎上田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-11-18
Filing date: 2002-11-18
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2022-11-18
Also published as: JP2004171842A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アノード電極に供給される水素含有ガスとカソード電極に供給される酸素含有ガスとを反応させることで電気エネルギを生成する燃料電池と、前記アノード電極から排出される水素ガスを含む排気ガスを前記カソード電極から排出される排気ガスにより希釈して排出する水素希釈部とを備える燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード電極およびカソード電極を配置した電解質膜（電解質）・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体およびセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
燃料電池において、アノード電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード電極側へと移動し、その移動の間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード電極には、酸化剤ガス、例えば、エア等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード電極において、前記水素イオン、前記電子および酸素ガスが反応して水が生成される。
【０００４】
このように構成される燃料電池において、電気エネルギを効率的に生成するためには、カソード電極から電解質膜を透過してアノード電極に溜まった水や窒素ガスを発電電流に応じた所定の間隔で外部に排出する必要がある。このとき、これらの排出物には、電気エネルギの生成に寄与しなかった未反応の水素ガスが混入している。水素ガスは、有毒ガスではないものの、可燃性ガスであるため、所定濃度以下に希釈して排出する必要がある。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１に記載された従来技術では、燃料電池におけるアノード電極の排出側に酸化触媒を含む水素処理部を接続し、燃料電池から消費されずに排出された水素ガスを酸化触媒によって酸化し、排出水素濃度が所定濃度以下となるようにしている。また、燃料電池の起動および停止が短期間に繰り返し行われる場合には、水素処理部での水素ガスの酸化処理が十分に遂行されず、排出される水素ガスの濃度が高まり易いことに鑑み、所定時間内における燃料電池の起動指令の割合、あるいは、所定期間内における燃料電池の起動指令の回数が所定以上となったとき、燃料電池の起動を禁止することにより、燃料電池から水素処理部に至る経路中の水素ガスの濃度が所定値以下となるまで待機させるようにしている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−１９８０７５号公報（要約書、図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記の従来技術では、燃料電池に対するエア等の供給状態に応じて水素ガスの排出制御を行うものではなく、排出される水素ガスの濃度が高くなるおそれがある場合には、燃料電池自体の起動を停止させているため、その間、電気エネルギを生成できなくなる不具合が生じる。
【０００８】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池による発電能力を低下させることなく、排気ガス中の水素濃度が基準値以下となるように希釈し、適切なタイミングで排気ガスを外部に排出することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池システムでは、アノード電極に供給される水素含有ガスとカソード電極に供給される酸素含有ガスとを反応させることで電気エネルギを生成する燃料電池と、前記アノード電極から排出される水素ガスを含むアノード排気ガスを前記カソード電極から排出されるカソード排気ガスにより希釈して排出する水素希釈部とを備える燃料電池システムにおいて、
前記カソード電極から排出されるカソード排気ガスの排出量を検出するカソード排出量検出部と、
前記カソード排出量検出部により検出されたカソード排気ガスの排出開始からの平均流量である平均希釈ガス流量に基づき、前記アノード電極からの前記アノード排気ガスの排出を制御するアノード排出制御部と、
を備え、
前記アノード排出制御部は、
前記カソード排出量検出部により検出されたカソード排気ガスの前記平均希釈ガス流量に基づき、前記アノード電極からアノード排気ガスを前記水素希釈部に排出する排出時間およびアノード排気ガスの前記水素希釈部への排出を禁止する排出禁止時間を、前記平均希釈ガス流量が多ければ前記排出時間を長く且つ前記排出禁止時間を短く設定する一方、前記平均希釈ガス流量が少なければ前記排出時間を短く且つ前記排出禁止時間を長く設定するように算出する排出制御時間算出部を備え、前記排出時間および前記排出禁止時間に基づいてアノード排気ガスの排出を制御することを特徴とする。
【００１０】
この場合、カソード排出量検出部によって検出されたカソード排気ガスの平均希釈ガス流量が多い場合、水素希釈部は、カソード電極からのカソード排気ガスによってアノード電極からのアノード排気ガスを十分に希釈し、排出水素濃度を低い状態に維持して外部に排出することができるため、アノード排出制御部は、アノード電極からのアノード排気ガスの排出を許容するように制御する。この結果、効率的な発電状態が維持される。一方、カソード排出量検出部によって検出されたカソード排気ガスの平均希釈ガス流量が少ない場合、アノード排出制御部は、アノード電極からのアノード排気ガスの排出を制限し、排出される排気ガスの排出水素濃度の上昇を抑制する。
【００１１】
カソード電極から排出されるカソード排気ガスの平均希釈ガス流量は、カソード電極に供給される酸素含有ガスの供給量をカソード供給量検出部により検出するとともに、供給された酸素含有ガスおよび水素含有ガスによって生成された発電電流を発電電流検出部により検出し、排出量算出部において、酸素含有ガスの供給量から、発電電流より得た酸素含有ガスの消費量を差し引くことにより求めることができる。
【００１２】
また、アノード排出制御部は、検出されたカソード電極からのカソード排気ガスの排出量に基づき、排出制御時間算出部において、水素希釈部に対するアノード電極からのアノード排気ガスの排出時間および排出禁止時間を、平均希釈ガス流量が多ければ前記排出時間を長く且つ前記排出禁止時間を短く設定する一方、平均希釈ガス流量が少なければ前記排出時間を短く且つ前記排出禁止時間を長く設定するように算出し、算出された排出時間および排出禁止時間に従ってアノード排気ガスの排出を制御することにより、基準値以下の水素濃度からなる排気ガスを適切なタイミングで外部に排出することができる。
【００１３】
さらに、燃料電池による発電中において、発電電圧が閾値電圧よりも低下したことを発電電圧検出部が検出した際、燃料電池に対する酸素含有ガスの供給量を所定量増加するようにカソード供給制御部が制御を行い、カソード電極から排出されるカソード排気ガスの排出量を増大させる。従って、アノード排出制御部は、水素希釈部から外部に排出される排気ガスの水素濃度を上昇させることなく、アノード電極から積極的にアノード排気ガスを排出するように動作する。この結果、燃料電池における反応が促進され、発電電圧が基準電圧に復帰する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本実施形態の燃料電池システム１０を示す。なお、図１において、二重線で示すラインは、ガスの流通路を表し、一重線で示すラインは、電気的な信号線を表すものとする。
【００１５】
燃料電池システム１０は、燃料ガスである水素ガスＨ₂と酸化剤ガスであるエアとが供給されることで電気エネルギを生成する燃料電池スタック１２（燃料電池）と、燃料電池スタック１２に供給する燃料ガス、酸化剤ガスの制御を行うとともに、燃料電池スタック１２から排出される排気ガスの制御を行う制御装置１４とから基本的に構成される。
【００１６】
燃料電池スタック１２は、水素ガスＨ₂が供給されるアノード電極と、エアが供給されるカソード電極とを電解質膜を介して結合してなる多数のセル１６を直列に接続して構成される。この場合、燃料電池スタック１２には、発電による発熱温度の上昇を抑制し、燃料電池スタック１２を最適な温度範囲に保持するための冷却部１７が接続される。燃料電池スタック１２の温度は、冷却部１７に接続された温度検出部１９によって検出される。
【００１７】
燃料電池スタック１２のアノード電極のガス供給口には、水素タンク１８からの水素ガスＨ₂がレギュレータ２０により所定圧力に調整されて供給される。また、燃料電池スタック１２のカソード電極のガス供給口には、エアがコンプレッサ２２により圧縮されて供給される。この場合、コンプレッサ２２から出力されるエアは、レギュレータ２０に供給されており、このエアの圧力によって水素ガスＨ₂との圧力比が調整される。コンプレッサ２２の上流には、カソード電極に供給するエアの流量を検出する流量検出部２４（カソード供給量検出部）が接続される。
【００１８】
燃料電池スタック１２のアノード電極のガス排出口には、パージバルブ２６を介して水素希釈ボックス２８（水素希釈部）が接続される。このガス排出口からは、燃料電池スタック１２において発電に寄与しなかった水素ガスＨ₂、発電によって生成されカソード電極から電解質膜を介して浸透した水、エア中に含まれ電解質膜を介して浸透した窒素ガス等が排気ガスとして排出される。パージバルブ２６は、オン／オフバルブによって構成され、前記排気ガスを必要に応じて水素希釈ボックス２８に排出する。
【００１９】
なお、アノード電極のガス排出口は、ポンプ２９を介してガス供給口に接続されており、発電に寄与しないで排出された水素ガスＨ₂を再度燃料電池スタック１２に供給するフィードバックループを構成する。
【００２０】
燃料電池スタック１２のカソード電極のガス排出口には、圧力制御バルブ３０を介して水素希釈ボックス２８が接続される。このガス排出口からは、発電によって生成された水が排出されるとともに、ガス供給口から供給されたエアの一部が排気ガスとして排出される。圧力制御バルブ３０は、排気ガスの圧力を調整することにより、燃料電池スタック１２に供給されるエアの圧力を制御する。
【００２１】
水素希釈ボックス２８は、パージバルブ２６を介してアノード電極から排出される水素ガスＨ₂を含む排気ガスを、圧力制御バルブ３０を介してカソード電極から排出されるエアを含む排気ガスにより希釈して外部に排出する。
【００２２】
制御装置１４は、燃料電池スタック１２による目標発電電流を設定する目標発電電流設定部３２と、目標発電電流を得るための目標エア流量を算出する目標エア流量算出部３４と、目標発電電流を得るための最適な目標エア圧力を算出する目標エア圧力算出部３６とを備える。
【００２３】
目標エア流量算出部３４によって算出された目標エア流量は、加算器３８を介して流量調整部４０に供給される。流量調整部４０は、コンプレッサ２２に接続されており、目標エア流量に従ってコンプレッサ２２の調整を行う。また、目標エア圧力算出部３６によって算出された目標エア圧力は、圧力制御バルブ調整部４２に供給される。圧力制御バルブ調整部４２は、圧力制御バルブ３０に接続されており、目標エア圧力に従って圧力制御バルブ３０の調整を行うことにより、燃料電池スタック１２に供給されるエアの圧力を調整する。
【００２４】
制御装置１４は、さらに、燃料電池スタック１２によって生成される電圧および電流を検出する電圧／電流検出部４４（発電電圧検出部、発電電流検出部）と、燃料電池スタック１２によって生成された電流と流量検出部２４により検出されたエア流量とからカソード電極より排出される排出ガスの排出量を算出する排出量算出部４５と、排出量に基づいて後述するパージパラメータを算出するパージパラメータ算出部４６（排出制御時間算出部）と、算出されたパージパラメータに従ってパージバルブ２６を調整するパージバルブ調整部４８と、電圧／電流検出部４４により検出された電圧が閾値電圧よりも低下したとき、エア流量の所定の増加量を加算器３８に加算するとともに、目標エア圧力算出部３６に供給するエア流量増量制御部５０（カソード供給制御部）とを備える。
【００２５】
この場合、電圧／電流検出部４４は、燃料電池スタック１２を構成する各セル１６により生成された電圧のうちの最低電圧を検出するとともに、各セル１６により生成された全電流の加算値を検出する。排出量算出部４５は、電圧／電流検出部４４により検出された発電電流値から、燃料電池スタック１２で消費された酸素ガス量を算出し、この酸素ガス量を流量検出部２４で検出したエア流量から減算することにより、カソード電極から排出される排気ガスの排出量を算出する。パージパラメータ算出部４６は、排出量算出部４５によって算出された排出ガスの排出量から、パージバルブ２６を開いている時間である排気ガスの排出時間（パージ時間）と、パージバルブ２６を閉じている時間である排出禁止時間（パージインターバル時間）とを算出する。
【００２６】
本実施形態の燃料電池システム１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その動作について図２に示すフローチャートに従って説明する。
【００２７】
先ず、目標発電電流設定部３２において目標発電電流ＩＦＣ_OBが設定されると（ステップＳ１）、温度検出部１９は、冷却部１７により制御される燃料電池スタック１２の冷却水の温度θを検出し（ステップＳ２）、目標エア流量算出部３４および目標エア圧力算出部３６に供給する。
【００２８】
目標エア流量算出部３４は、目標発電電流設定部３２によって設定された目標発電電流ＩＦＣ_OBを得ることのできる目標エア流量Ｑ_OBを、図３に示す目標発電電流−目標エア流量マップを用いて算出する（ステップＳ３）。なお、燃料電池スタック１２によって生成される電流は、燃料電池スタック１２の温度に依存しており、目標発電電流−目標エア流量マップは、冷却水の温度θ１、θ２、θ３、…に応じたマップとして実験的に求めることができる。
【００２９】
また、目標エア圧力算出部３６は、目標発電電流設定部３２によって設定された目標発電電流ＩＦＣ_OBと、温度検出部１９によって検出された冷却水の温度θとに基づき、燃料電池スタック１２に供給される水素ガスＨ₂およびエアの圧力を基準圧力とするための目標エア圧力Ｐ_OBを算出する（ステップＳ４）。なお、目標エア圧力Ｐ_OBは、目標エア流量Ｑ_OBの場合と同様に、実験的に求めたマップを用いて算出することができる。
【００３０】
流量調整部４０は、目標エア流量算出部３４から供給された目標エア流量Ｑ_OBに従ってコンプレッサ２２を制御し、圧力制御バルブ調整部４２は、目標エア圧力算出部３６から供給された目標エア圧力Ｐ_OBに従って圧力制御バルブ３０を制御する（ステップＳ５）。
【００３１】
コンプレッサ２２が目標エア流量Ｑ_OBに従って制御されることにより、所定量のエアが流量検出部２４を介して燃料電池スタック１２のカソード電極に供給される。また、圧力制御バルブ３０が目標エア圧力Ｐ_OBに従って制御されることにより、燃料電池スタック１２に供給されるエアの圧力が調整される。
【００３２】
コンプレッサ２２から出力されたエアの一部は、レギュレータ２０に所定の圧力で供給されている。従って、水素タンク１８から出力された水素ガスＨ₂は、エアとの圧力比がレギュレータ２０により調整され、燃料電池スタック１２のアノード電極に供給される。この結果、カソード電極に供給されたエアに含まれる酸素ガスと、アノード電極に供給された水素ガスＨ₂とが反応し、電気エネルギが生成される（ステップＳ６）。
【００３３】
一方、燃料電池スタック１２のアノード電極からは、反応に寄与しなかった水素ガスＨ₂が排出される。この水素ガスＨ₂は、ポンプ２９によってアノード電極のガス供給口に復帰されることで発電に再利用される。また、燃料電池スタック１２のカソード電極からは、反応によって生成された水が排出されるとともに、エアに含まれる窒素ガスや反応に寄与しなかった酸素ガスが排出される。なお、カソード電極で生成された水や排出ガスの一部は、セル１６を構成する電解質膜を透過してアノード電極のガス排出口からも排出される。
【００３４】
ここで、燃料電池システム１０では、発電能力を維持するため、生成された水や反応に寄与しない窒素ガス、余分なエア等を外部に排出する処理が行われる。このとき、未反応の水素ガスＨ₂の一部が水や窒素ガスを含む排気ガスとともに排出される。この場合、高濃度の水素ガスＨ₂が外部に排出されることのないよう、パージバルブ２６および水素希釈ボックス２８を用いて、アノード電極から排出される水素ガスＨ₂を許容濃度以下に希釈して外部に排出する処理が行われる。
【００３５】
すなわち、燃料電池スタック１２のカソード電極から排出されたエアを主体とする排気ガスは、圧力制御バルブ３０を介して水素希釈ボックス２８に供給される。一方、燃料電池スタック１２のアノード電極から排出された水素ガスＨ₂を含む排気ガスは、パージバルブ２６が開放されている所定時間、水素希釈ボックス２８に供給されることにより、カソード電極からの排気ガスによって水素ガスＨ₂の濃度が希釈されて外部に排出される。
【００３６】
そこで、パージバルブ２６の制御につき、図４に示すタイミングチャートに基づいて詳細に説明する。
【００３７】
制御装置１４において、電圧／電流検出部４４は、燃料電池スタック１２を構成する各セル１６の発電電圧Ｖを検出し（ステップＳ７）、エア流量増量制御部５０に出力する。エア流量増量制御部５０は、最低電圧を示すセル１６の電圧が閾値電圧Ｖ_TH以下であるか否かを判定する（ステップＳ８）。最低電圧Ｖ_NG＜閾値電圧Ｖ_THである場合、エア流量増量制御部５０は、燃料電池スタック１２における発電能力が低下しているものと判断し、目標エア流量Ｑ_OBを増加量ΔＱだけ増加させる信号を加算器３８および目標エア圧力算出部３６に供給する（ステップＳ９）。
【００３８】
ステップＳ９において目標エア流量Ｑ_OBが増加量ΔＱだけ増加された場合、流量調整部４０は、増加された目標エア流量（Ｑ_OB＋ΔＱ）となるようにコンプレッサ２２を制御する。また、目標エア圧力算出部３６は、増加された目標エア流量（Ｑ_OB＋ΔＱ）に対して発電電流ＩＦＣが一定となるように、増加量ΔＱに基づいて目標エア圧力Ｐ_OBを修正した後、圧力制御バルブ３０を制御して燃料電池スタック１２に供給されるエアの圧力を調整する（ステップＳ１０）。
【００３９】
一方、最低電圧Ｖ_OK＞閾値電圧Ｖ_THである場合には、エア流量増量制御部５０は、燃料電池スタック１２が正常に動作しているものと判断し、目標エア流量Ｑ_OBの増加を行わず、あるいは、既に増加されている場合には、最低電圧Ｖ_OK＞閾値電圧Ｖ_THとなってから所定時間ΔＴだけ経過後、目標エア流量Ｑ_OBの増加を中止する。
【００４０】
次に、流量検出部２４は、燃料電池スタック１２に供給する供給エア流量Ｑ_Wを検出し（ステップＳ１１）、また、電圧／電流検出部４４が燃料電池スタック１２の発電電流ＩＦＣを検出し（ステップＳ１２）、これらの検出値が排出量算出部４５に供給される。排出量算出部４５は、供給された供給エア流量Ｑ_Wと発電電流ＩＦＣとに基づき、燃料電池スタック１２のカソード電極から排出される排気ガスの排出開始からの平均流量である平均希釈ガス流量Ｑ_AVEを算出する（ステップＳ１３）。この流量は、図５に示す供給エア流量−平均希釈ガス流量マップを用いて算出することができる。なお、燃料電池スタック１２に供給されるエアに含まれる酸素ガスは、発電によって消費されるため、カソード電極から排出される排気ガスの流量は、燃料電池スタック１２によって生成される発電電流ＩＦＣ１、ＩＦＣ２、ＩＦＣ３、…に応じて変化する。
【００４１】
パージパラメータ算出部４６は、排出量算出部４５から供給される平均希釈ガス流量Ｑ_AVEに基づき、パージバルブ２６を開放する時間であるパージ時間Ｔ１と、パージバルブ２６を閉塞する時間であるパージインターバル時間Ｔ２とを算出する（ステップＳ１４、Ｓ１５）。パージ時間Ｔ１は、図６に示す平均希釈ガス流量−パージ時間マップを用いて算出することができる。また、パージインターバル時間Ｔ２は、図７に示す平均希釈ガス流量−パージインターバル時間マップを用いて算出することができる。この場合、平均希釈ガス流量Ｑ_AVEが多ければ、水素希釈ボックス２８において水素ガスＨ₂を十分に希釈することができるため、パージ時間Ｔ１が長く設定され、パージインターバル時間Ｔ２が短く設定される。
【００４２】
算出されたパージパラメータは、パージバルブ調整部４８に出力される。パージバルブ調整部４８は、供給されたパージパラメータに基づいてパージバルブ２６の開閉制御を行う（ステップＳ１６）。パージバルブ２６がパージ時間Ｔ１だけ開放される間、燃料電池スタック１２のアノード電極から排出された水素ガスＨ₂を含む排気ガスは、水素希釈ボックス２８に供給され、カソード電極から排出された希釈ガスである排気ガスによって排気許容濃度Ｈ_TH以下の排出水素濃度Ｈ_Dに希釈されて排出される。この場合、アノード電極からの排気が積極的に行われるため、各セル１６の電圧が基準電圧まで速やかに復帰する。以上のようにして発電が継続される（ステップＳ１７）。
【００４３】
ここで、本実施形態では、パージ時間Ｔ１およびパージインターバル時間Ｔ２を、燃料電池スタック１２から排出される平均希釈ガス流量Ｑ_AVEに応じて制御することにより、パージバルブ２６の開閉制御を行っている。
【００４４】
すなわち、図４に示すように、燃料電池スタック１２に供給される供給エア流量Ｑ_W１が多く、発電電流ＩＦＣ１が大きい場合には、水素ガスＨ₂を十分に希釈することができるため、パージ時間Ｔ１を長く設定して水素ガスＨ₂を排出することができる。また、発電電圧Ｖ_NGが閾値電圧Ｖ_TH以下となった場合には、燃料電池スタック１２に供給する供給エア流量Ｑ_W１を増加量ΔＱ１だけ増加させることにより、パージ時間Ｔ１がさらに長く設定されることでアノード電極からの排気が促進されるため、発電電圧Ｖを基準電圧まで速やかに復帰させることができる。なお、パージバルブ２６を開放して水素ガスＨ₂を排出した直後は、水素希釈ボックス２８に高濃度の水素ガスＨ₂が残留しているおそれがあるため、パージバルブ２６の閉塞後であって発電電圧Ｖ_OKが基準電圧に復帰後の所定時間ΔＴだけ供給エア流量Ｑ_W１の増量を継続し、残留している水素ガスＨ₂を排出する。
【００４５】
また、燃料電池スタック１２に供給される供給エア流量Ｑ_W２が少なく、発電電流ＩＦＣ２が小さい場合には、高濃度の水素ガスＨ₂が排出されるおそれがあるため、パージ時間Ｔ１を短く設定して水素ガスＨ₂の排出を抑制する。そして、この間に発電電圧Ｖ_NGが閾値電圧Ｖ_TH以下となった場合には、燃料電池スタック１２に供給する供給エア流量Ｑ_W２を十分な増加量ΔＱ２（ΔＱ１＜ΔＱ２）だけ増加させることにより、発電電圧Ｖを速やかに基準電圧まで復帰させることができる。
【００４６】
なお、上述した実施形態では、燃料電池スタック１２のカソード電極から排出される平均希釈ガス流量Ｑ_AVEを、カソード電極に供給される供給エア流量ＱＷと発電電流ＩＦＣとから算出して推定するようにしているが、カソード電極から排出される排出ガスの流量を流量検出器を用いて直接検出するようにしてもよい。
【００４７】
また、平均希釈ガス流量Ｑ_AVEは、目標発電電流設定部３２において設定される目標発電電流ＩＦＣ_OB、コンプレッサ２２の回転数、電圧／電流検出部４４によって検出される発電電流ＩＦＣ等から推定して求めることも可能である。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池のカソード電極から排出される排気ガスの排出量に応じてアノード電極からの排気ガスの排出を制御することにより、発電能力を低下させることなく、排気ガス中の水素濃度が基準値以下となるように希釈し、適切なタイミングで排気ガスを外部に排出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成ブロック図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムにおける制御装置の処理フローチャートである。
【図３】目標発電電流−目標エア流量マップの説明図である。
【図４】図１に示す燃料電池システムにおける各物理量とパージバルブの制御との関係の説明図である。
【図５】供給エア流量−平均希釈ガス流量マップの説明図である。
【図６】平均希釈ガス流量に対して設定されるパージ時間の説明図である。
【図７】平均希釈ガス流量に対して設定されるパージインターバル時間の説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池システム１２…燃料電池スタック
１４…制御装置１７…冷却部
１８…水素タンク１９…温度検出部
２０…レギュレータ２２…コンプレッサ
２４…流量検出部２６…パージバルブ
２８…水素希釈ボックス３０…圧力制御バルブ
３２…目標発電電流設定部３４…目標エア流量算出部
３６…目標エア圧力算出部３８…加算器
４０…流量調整部４２…圧力制御バルブ調整部
４４…電圧／電流検出部４５…排出量算出部
４６…パージパラメータ算出部４８…パージバルブ調整部
５０…エア流量増量制御部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell that generates electric energy by reacting a hydrogen-containing gas supplied to an anode electrode and an oxygen-containing gas supplied to a cathode electrode, and an exhaust gas containing hydrogen gas discharged from the anode electrode. The present invention relates to a fuel cell system including a hydrogen dilution section that dilutes and discharges gas with exhaust gas discharged from the cathode electrode.
[0002]
[Prior art]
For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane (electrolyte) / electrode structure in which an anode electrode and a cathode electrode are arranged on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane) is separated by a separator. It is comprised by pinching. This type of fuel cell is normally used as a fuel cell stack by stacking a predetermined number of electrolyte membrane / electrode structures and separators.
[0003]
In a fuel cell, a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, supplied to an anode electrode is hydrogen-ionized on the electrode catalyst and moves to the cathode electrode side through an appropriately humidified electrolyte membrane. The generated electrons are taken out to an external circuit and used as DC electric energy. Since the cathode electrode is supplied with an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas such as air, the hydrogen ions, the electrons and the oxygen gas react with each other to produce water.
[0004]
In the fuel cell configured as described above, in order to efficiently generate electric energy, water or nitrogen gas that has permeated the electrolyte membrane from the cathode electrode and accumulated in the anode electrode at a predetermined interval according to the generated current. It is necessary to discharge to the outside. At this time, unreacted hydrogen gas that has not contributed to the generation of electrical energy is mixed in these emissions. Although hydrogen gas is not a toxic gas, it is a flammable gas. Therefore, it is necessary to dilute the hydrogen gas to a predetermined concentration or less.
[0005]
Therefore, for example, in the prior art described in Patent Document 1, a hydrogen treatment unit including an oxidation catalyst is connected to the discharge side of the anode electrode in the fuel cell, and the hydrogen gas discharged without being consumed from the fuel cell is converted into the oxidation catalyst. In this way, the exhaust hydrogen concentration is reduced to a predetermined concentration or less. Further, in the case where the start and stop of the fuel cell are repeatedly performed in a short period of time, in view of the fact that the oxidation treatment of the hydrogen gas in the hydrogen treatment unit is not sufficiently performed, and the concentration of the discharged hydrogen gas is likely to increase. By prohibiting the start of the fuel cell when the ratio of the start command of the fuel cell within the predetermined time or the number of start commands of the fuel cell within the predetermined period exceeds a predetermined value, It is made to wait until the concentration of hydrogen gas in the route to reach the predetermined value or less.
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2002-198075 (abstract, FIG. 1)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described prior art, the discharge control of hydrogen gas is not performed according to the supply state of air or the like to the fuel cell. If there is a risk that the concentration of the discharged hydrogen gas may increase, the fuel cell itself Since the activation of is stopped, there is a problem that electric energy cannot be generated during that time.
[0008]
The present invention solves this type of problem, and without reducing the power generation capability of the fuel cell, the hydrogen concentration in the exhaust gas is diluted so that it is below the reference value. An object of the present invention is to provide a fuel cell system that can be discharged.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In the fuel cell system of the present invention, a fuel cell that generates electric energy by reacting a hydrogen-containing gas supplied to the anode electrode and an oxygen-containing gas supplied to the cathode electrode, and hydrogen discharged from the anode electrode In a fuel cell system comprising a hydrogen dilution section that dilutes and discharges anode exhaust gas containing gas with cathode exhaust gas discharged from the cathode electrode,
A cathode discharge amount detection unit for detecting a discharge amount of cathode exhaust gas discharged from the cathode electrode;
An anode discharge control unit that controls discharge of the anode exhaust gas from the anode electrode based on an average dilution gas flow rate that is an average flow rate from the start of discharge of the cathode exhaust gas detected by the cathode discharge amount detection unit;
With
The anode discharge controller is
Based on the average dilution gas flow rate of the cathode exhaust gas detected by the cathode emission amount detection unit, the discharge time for discharging the anode exhaust gas from the anode electrode to the hydrogen dilution unit and the anode exhaust gas to the hydrogen dilution unit When the average dilution gas flow rate is high, the discharge prohibition time for prohibiting discharge is set to be long and the discharge prohibition time is set short. On the other hand, when the average dilution gas flow rate is low, the discharge time is set to be short and the discharge prohibition time is prohibited. An emission control time calculation unit for calculating so as to set a longer time is provided, and discharge of anode exhaust gas is controlled based on the emission time and the emission inhibition time.
[0010]
In this case, when the average dilution gas flow rate of the cathode exhaust gas detected by the cathode emission amount detection unit is large, the hydrogen dilution unit sufficiently dilutes the anode exhaust gas from the anode electrode by the cathode exhaust gas from the cathode electrode, Since the discharged hydrogen concentration can be maintained at a low state and discharged to the outside, the anode discharge control unit performs control so as to allow discharge of the anode exhaust gas from the anode electrode. As a result, an efficient power generation state is maintained. On the other hand, when the average dilution gas flow rate of the cathode exhaust gas detected by the cathode exhaust amount detection unit is small, the anode exhaust control unit restricts the discharge of the anode exhaust gas from the anode electrode, and the exhaust hydrogen discharged from the exhaust gas is discharged. Suppresses the increase in concentration.
[0011]
The average dilution gas flow rate of the cathode exhaust gas discharged from the cathode electrode is determined by detecting the supply amount of the oxygen-containing gas supplied to the cathode electrode by the cathode supply amount detection unit, and depending on the supplied oxygen-containing gas and hydrogen-containing gas. The generated power generation current can be detected by the power generation current detection unit, and the emission amount calculation unit can obtain the generated current by subtracting the consumption amount of the oxygen-containing gas obtained from the power generation current from the supply amount of the oxygen-containing gas.
[0012]
Further, the anode discharge control unit sets the discharge time and the discharge prohibition time of the anode exhaust gas from the anode electrode to the hydrogen dilution unit in the discharge control time calculation unit based on the detected discharge amount of the cathode exhaust gas from the cathode electrode. If the average dilution gas flow rate is high, the discharge time is set to be long and the discharge prohibition time is set short, while if the average dilution gas flow rate is low, the discharge time is set to be short and the discharge prohibition time is set to be long, By controlling the discharge of the anode exhaust gas according to the calculated discharge time and discharge prohibition time, the exhaust gas having a hydrogen concentration below the reference value can be discharged to the outside at an appropriate timing.
[0013]
Further, during power generation by the fuel cell, when the power generation voltage detection unit detects that the power generation voltage has dropped below the threshold voltage, the cathode supply control unit increases the supply amount of the oxygen-containing gas to the fuel cell by a predetermined amount. Control is performed to increase the amount of cathode exhaust gas discharged from the cathode electrode. Accordingly, the anode discharge control unit operates to positively discharge the anode exhaust gas from the anode electrode without increasing the hydrogen concentration of the exhaust gas discharged to the outside from the hydrogen dilution unit. As a result, the reaction in the fuel cell is promoted, and the generated voltage returns to the reference voltage.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a fuel cell system 10 of the present embodiment. In FIG. 1, a line indicated by a double line represents a gas flow path, and a line indicated by a single line represents an electrical signal line.
[0015]
The fuel cell system 10 is supplied with hydrogen gas H ₂ that is a fuel gas and air that is an oxidant gas to generate electric energy, and supplies the fuel cell stack 12 to the fuel cell stack 12. The system basically includes a control device 14 that controls fuel gas and oxidant gas and controls exhaust gas discharged from the fuel cell stack 12.
[0016]
The fuel cell stack 12 is configured by connecting in series a number of cells 16 formed by coupling an anode electrode supplied with hydrogen gas H ₂ and a cathode electrode supplied with air via an electrolyte membrane. In this case, the fuel cell stack 12 is connected with a cooling unit 17 for suppressing an increase in heat generation temperature due to power generation and maintaining the fuel cell stack 12 in an optimum temperature range. The temperature of the fuel cell stack 12 is detected by a temperature detection unit 19 connected to the cooling unit 17.
[0017]
Hydrogen gas H ₂ from the hydrogen tank 18 is adjusted to a predetermined pressure by the regulator 20 and supplied to the gas supply port of the anode electrode of the fuel cell stack 12. Air is compressed by the compressor 22 and supplied to the gas supply port of the cathode electrode of the fuel cell stack 12. In this case, the air output from the compressor 22, is supplied to the regulator 20, the pressure ratio of hydrogen gas H ₂ is adjusted by the pressure of the air. A flow rate detection unit 24 (cathode supply amount detection unit) that detects the flow rate of air supplied to the cathode electrode is connected upstream of the compressor 22.
[0018]
A hydrogen dilution box 28 (hydrogen dilution section) is connected to the gas discharge port of the anode electrode of the fuel cell stack 12 via a purge valve 26. From this gas discharge port, hydrogen gas H ₂ that has not contributed to power generation in the fuel cell stack 12, water generated by power generation and permeated through the electrolyte membrane from the cathode electrode, and permeated through the electrolyte membrane contained in the air Nitrogen gas or the like is discharged as exhaust gas. The purge valve 26 is constituted by an on / off valve, and discharges the exhaust gas to the hydrogen dilution box 28 as necessary.
[0019]
The gas discharge port of the anode electrode is connected to the gas supply port via the pump 29, and constitutes a feedback loop for supplying again the hydrogen gas H ₂ discharged without contributing to power generation to the fuel cell stack 12. .
[0020]
A hydrogen dilution box 28 is connected to the gas discharge port of the cathode electrode of the fuel cell stack 12 via a pressure control valve 30. From this gas discharge port, water generated by power generation is discharged, and part of the air supplied from the gas supply port is discharged as exhaust gas. The pressure control valve 30 controls the pressure of air supplied to the fuel cell stack 12 by adjusting the pressure of the exhaust gas.
[0021]
The hydrogen dilution box 28 dilutes the exhaust gas containing the hydrogen gas H ₂ discharged from the anode electrode through the purge valve 26 with the exhaust gas containing the air discharged from the cathode electrode through the pressure control valve 30 to the outside. To discharge.
[0022]
The control device 14 obtains a target generated current, a target generated current setting unit 32 that sets a target generated current by the fuel cell stack 12, a target air flow rate calculating unit 34 that calculates a target air flow rate for obtaining a target generated current. And a target air pressure calculation unit 36 for calculating an optimal target air pressure for the purpose.
[0023]
The target air flow rate calculated by the target air flow rate calculation unit 34 is supplied to the flow rate adjustment unit 40 via the adder 38. The flow rate adjustment unit 40 is connected to the compressor 22 and adjusts the compressor 22 according to the target air flow rate. Further, the target air pressure calculated by the target air pressure calculation unit 36 is supplied to the pressure control valve adjustment unit 42. The pressure control valve adjustment unit 42 is connected to the pressure control valve 30 and adjusts the pressure of the air supplied to the fuel cell stack 12 by adjusting the pressure control valve 30 according to the target air pressure.
[0024]
The control device 14 further includes a voltage / current detection unit 44 (a generated voltage detection unit, a generated current detection unit) that detects a voltage and a current generated by the fuel cell stack 12, and a current generated by the fuel cell stack 12. A discharge amount calculation unit 45 that calculates the discharge amount of the exhaust gas discharged from the cathode electrode from the air flow rate detected by the flow rate detection unit 24, and a purge parameter calculation unit 46 that calculates a purge parameter to be described later based on the discharge amount. (Discharge control time calculation unit), purge valve adjustment unit 48 that adjusts the purge valve 26 according to the calculated purge parameter, and when the voltage detected by the voltage / current detection unit 44 falls below the threshold voltage, a predetermined air flow rate is determined. Is added to the adder 38 and is supplied to the target air pressure calculation unit 36. And a 0 (cathode supply controller).
[0025]
In this case, the voltage / current detection unit 44 detects the lowest voltage among the voltages generated by the cells 16 constituting the fuel cell stack 12, and detects the sum of the total currents generated by the cells 16. To do. The discharge amount calculation unit 45 calculates the amount of oxygen gas consumed by the fuel cell stack 12 from the generated current value detected by the voltage / current detection unit 44, and the air amount detected by the flow rate detection unit 24. By subtracting from the flow rate, the amount of exhaust gas discharged from the cathode electrode is calculated. The purge parameter calculation unit 46 determines the exhaust gas discharge time (purge time), which is the time during which the purge valve 26 is open, and the time during which the purge valve 26 is closed, from the exhaust gas discharge amount calculated by the discharge amount calculation unit 45. The discharge prohibition time (purge interval time) is calculated.
[0026]
The fuel cell system 10 of the present embodiment is basically configured as described above. Next, the operation will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
[0027]
First, when the target generated current IFC _OB is set in the target generated current setting unit 32 (step S1), the temperature detecting unit 19 detects the temperature θ of the cooling water of the fuel cell stack 12 controlled by the cooling unit 17. (Step S <b> 2), the target air flow rate calculation unit 34 and the target air pressure calculation unit 36 are supplied.
[0028]
The target air flow rate calculation unit 34 uses the target generated current-target air flow rate map shown in FIG. 3 to determine the target air flow rate Q _OB from which the target generated current IFC _OB set by the target generated current setting unit 32 can be obtained. Calculate (step S3). The current generated by the fuel cell stack 12 depends on the temperature of the fuel cell stack 12, and the target generated current-target air flow rate map is a map corresponding to the cooling water temperatures θ1, θ2, θ3,. Can be obtained experimentally.
[0029]
The target air pressure calculation unit 36 supplies the fuel cell stack 12 based on the target generated current IFC _OB set by the target generated current setting unit 32 and the coolant temperature θ detected by the temperature detector 19. The target air pressure P _OB for setting the hydrogen gas H ₂ and the air pressure to be the reference pressure is calculated (step S4). The target air pressure P _OB can be calculated using an experimentally determined map, as in the case of the target air flow rate Q _OB .
[0030]
The flow rate adjusting unit 40 controls the compressor 22 according to the target air flow rate Q _OB supplied from the target air flow rate calculating unit 34, and the pressure control valve adjusting unit 42 is a target air pressure P supplied from the target air pressure calculating unit 36. _The pressure control valve 30 is controlled according to _OB (step S5).
[0031]
By controlling the compressor 22 according to the target air flow rate Q _OB , a predetermined amount of air is supplied to the cathode electrode of the fuel cell stack 12 via the flow rate detection unit 24. Further, the pressure of the air supplied to the fuel cell stack 12 is adjusted by controlling the pressure control valve 30 according to the target air pressure _POB .
[0032]
Part of the air output from the compressor 22 is supplied to the regulator 20 at a predetermined pressure. Accordingly, the hydrogen gas H ₂ output from the hydrogen tank 18 is supplied to the anode electrode of the fuel cell stack 12 after the pressure ratio with the air is adjusted by the regulator 20. As a result, the oxygen gas contained in the air supplied to the cathode electrode reacts with the hydrogen gas H ₂ supplied to the anode electrode to generate electric energy (step S6).
[0033]
On the other hand, the hydrogen gas H _{2 that} has not contributed to the reaction is discharged from the anode electrode of the fuel cell stack 12. The hydrogen gas H ₂ is reused for power generation by being returned to the gas supply port of the anode electrode by the pump 29. Further, water generated by the reaction is discharged from the cathode electrode of the fuel cell stack 12, and nitrogen gas contained in the air and oxygen gas that has not contributed to the reaction are discharged. A part of the water and exhaust gas generated at the cathode electrode passes through the electrolyte membrane constituting the cell 16 and is also discharged from the gas discharge port of the anode electrode.
[0034]
Here, in the fuel cell system 10, in order to maintain power generation capacity, a process of discharging generated water, nitrogen gas that does not contribute to the reaction, excess air, and the like to the outside is performed. At this time, a part of the unreacted hydrogen gas H ₂ is discharged together with the exhaust gas containing water and nitrogen gas. In this case, as the high concentration of hydrogen gas H ₂ it is not being discharged to the outside, with the purge valve 26 and the hydrogen dilution box 28, by diluting hydrogen gas H ₂ which is discharged from the anode electrode than the allowable concentration Processing to discharge to the outside is performed.
[0035]
That is, the exhaust gas mainly composed of air discharged from the cathode electrode of the fuel cell stack 12 is supplied to the hydrogen dilution box 28 via the pressure control valve 30. On the other hand, the exhaust gas containing the hydrogen gas H ₂ discharged from the anode electrode of the fuel cell stack 12 is supplied to the hydrogen dilution box 28 for a predetermined time during which the purge valve 26 is opened, whereby the exhaust gas from the cathode electrode. As a result, the concentration of the hydrogen gas H ₂ is diluted and discharged to the outside.
[0036]
Therefore, the control of the purge valve 26 will be described in detail based on the timing chart shown in FIG.
[0037]
In the control device 14, the voltage / current detection unit 44 detects the power generation voltage V of each cell 16 constituting the fuel cell stack 12 (step S 7) and outputs it to the air flow rate increase control unit 50. The air flow rate increase control unit 50 determines whether or not the voltage of the cell 16 indicating the lowest voltage is equal to or lower than the threshold voltage V _TH (step S8). When the minimum voltage V _NG <threshold voltage V _TH , the air flow rate increase control unit 50 determines that the power generation capacity in the fuel cell stack 12 has decreased, and increases the target air flow rate Q _OB by the increase amount ΔQ. The signal is supplied to the adder 38 and the target air pressure calculation unit 36 (step S9).
[0038]
When the target air flow rate Q _OB is increased by the increase amount ΔQ in step S9, the flow rate adjustment unit 40 controls the compressor 22 so that the increased target air flow rate (Q _OB + ΔQ) is obtained. Further, the target air pressure calculation unit 36 corrects the target air pressure P _OB based on the increase amount ΔQ so that the generated current IFC becomes constant with respect to the increased target air flow rate (Q _OB + ΔQ). The pressure of the air supplied to the fuel cell stack 12 is adjusted by controlling the pressure control valve 30 (step S10).
[0039]
On the other hand, if the minimum voltage V _OK > the threshold voltage V _TH , the air flow rate increase control unit 50 determines that the fuel cell stack 12 is operating normally, and increases the target air flow rate Q _OB. not, or if it is already increased, elapses after the lowest voltage V _OK> threshold voltage V _TH for a predetermined time [Delta] T, to stop the increase in the target air flow rate Q _OB.
[0040]
Next, the flow rate detection unit 24 detects the supply air flow rate Q _W supplied to the fuel cell stack 12 (step S11), and the voltage / current detection unit 44 detects the generated current IFC of the fuel cell stack 12 ( In step S12), these detection values are supplied to the discharge amount calculation unit 45. Based on the supplied supply air flow rate Q _W and the generated current IFC, the discharge amount calculation unit 45 calculates an average dilution gas flow rate Q that is an average flow rate from the start of exhaust gas discharge from the cathode electrode of the fuel cell stack 12. _AVE is calculated (step S13). This flow rate can be calculated using the supply air flow rate-average dilution gas flow rate map shown in FIG. Since the oxygen gas contained in the air supplied to the fuel cell stack 12 is consumed by power generation, the flow rate of the exhaust gas discharged from the cathode electrode depends on the power generation currents IFC1 and IFC2 generated by the fuel cell stack 12. , IFC3,...
[0041]
The purge parameter calculation unit 46 is based on the average dilution gas flow rate Q _AVE supplied from the discharge amount calculation unit 45, and a purge time T1 that is a time for opening the purge valve 26 and a purge interval time T2 that is a time for closing the purge valve 26. Are calculated (steps S14 and S15). The purge time T1 can be calculated using the average dilution gas flow rate-purge time map shown in FIG. The purge interval time T2 can be calculated using the average dilution gas flow rate-purge interval time map shown in FIG. In this case, if the average dilution gas flow rate Q _AVE is large, the hydrogen gas H ₂ can be sufficiently diluted in the hydrogen dilution box 28, so the purge time T1 is set long and the purge interval time T2 is set short.
[0042]
The calculated purge parameter is output to the purge valve adjustment unit 48. The purge valve adjustment unit 48 performs opening / closing control of the purge valve 26 based on the supplied purge parameter (step S16). While the purge valve 26 is opened for the purge time T1, the exhaust gas including the hydrogen gas H ₂ discharged from the anode electrode of the fuel cell stack 12 is supplied to the hydrogen dilution box 28, and the diluted gas discharged from the cathode electrode. The exhaust gas is diluted with a certain exhaust gas to a discharge hydrogen concentration H _D less than the allowable exhaust concentration H _TH and discharged. In this case, since the exhaust from the anode electrode is positively performed, the voltage of each cell 16 quickly returns to the reference voltage. Power generation is continued as described above (step S17).
[0043]
In this embodiment, the purge valve 26 is controlled to be opened and closed by controlling the purge time T1 and the purge interval time T2 according to the average dilution gas flow rate Q _AVE discharged from the fuel cell stack 12.
[0044]
That is, as shown in FIG. 4, when the supply air flow rate Q _W 1 supplied to the fuel cell stack 12 is large and the generated current IFC1 is large, the hydrogen gas H ₂ can be sufficiently diluted. The hydrogen gas H ₂ can be discharged by setting the time T1 long. Further, when the generated voltage V _NG becomes equal to or lower than the threshold voltage V _TH , the purge time T1 is set longer by increasing the supply air flow rate Q _W 1 supplied to the fuel cell stack 12 by the increase amount ΔQ1. As a result, exhaust from the anode electrode is promoted, so that the generated voltage V can be quickly returned to the reference voltage. Immediately after the purge valve 26 is opened and the hydrogen gas H ₂ is discharged, there is a possibility that high-concentration hydrogen gas H ₂ may remain in the hydrogen dilution box 28. The increase in the supply air flow rate Q _W 1 is continued for a predetermined time ΔT after V _OK returns to the reference voltage, and the remaining hydrogen gas H ₂ is discharged.
[0045]
Also, less supply air flow rate Q _W 2 to be supplied to the fuel cell stack 12, when the power generation current IFC2 is small, because there is a possibility that a high concentration of hydrogen gas H ₂ is discharged, set short purge times T1 Thus, the discharge of hydrogen gas H ₂ is suppressed. If the generated voltage V _NG falls below the threshold voltage V _TH during this period, the supply air flow rate Q _W 2 supplied to the fuel cell stack 12 is increased by a sufficient increase amount ΔQ2 (ΔQ1 <ΔQ2). The generated voltage V can be quickly returned to the reference voltage.
[0046]
In the above-described embodiment, the average dilution gas flow rate Q _AVE discharged from the cathode electrode of the fuel cell stack 12 is calculated and estimated from the supply air flow rate QW supplied to the cathode electrode and the generated current IFC. However, the flow rate of the exhaust gas discharged from the cathode electrode may be directly detected using a flow rate detector.
[0047]
The average dilution gas flow rate Q _AVE is estimated from the target generated current IFC _OB set in the target generated current setting section 32, the rotation speed of the compressor 22, the generated current IFC detected by the voltage / current detection section 44, and the like. It is also possible to ask for it.
[0048]
【The invention's effect】
According to the present invention, by controlling the exhaust gas exhaust from the anode electrode according to the exhaust gas exhaust amount discharged from the cathode electrode of the fuel cell, the hydrogen in the exhaust gas can be reduced without reducing the power generation capacity. The exhaust gas can be discharged outside at an appropriate timing by diluting so that the concentration is below the reference value.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration block diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a process flowchart of a control device in the fuel cell system shown in FIG. 1;
FIG. 3 is an explanatory diagram of a target generated current-target air flow map.
FIG. 4 is an explanatory diagram of a relationship between each physical quantity and control of a purge valve in the fuel cell system shown in FIG.
FIG. 5 is an explanatory diagram of a supply air flow rate-average dilution gas flow rate map.
FIG. 6 is an explanatory diagram of a purge time set for an average dilution gas flow rate.
FIG. 7 is an explanatory diagram of a purge interval time set for an average dilution gas flow rate.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell system 12 ... Fuel cell stack 14 ... Control apparatus 17 ... Cooling part 18 ... Hydrogen tank 19 ... Temperature detection part 20 ... Regulator 22 ... Compressor 24 ... Flow rate detection part 26 ... Purge valve 28 ... Hydrogen dilution box 30 ... Pressure control Valve 32 ... Target generated current setting unit 34 ... Target air flow rate calculation unit 36 ... Target air pressure calculation unit 38 ... Adder 40 ... Flow rate adjustment unit 42 ... Pressure control valve adjustment unit 44 ... Voltage / current detection unit 45 ... Emission amount calculation Unit 46 ... purge parameter calculation unit 48 ... purge valve adjustment unit 50 ... air flow rate increase control unit

Claims

アノード電極に供給される水素含有ガスとカソード電極に供給される酸素含有ガスとを反応させることで電気エネルギを生成する燃料電池と、前記アノード電極から排出される水素ガスを含むアノード排気ガスを前記カソード電極から排出されるカソード排気ガスにより希釈して排出する水素希釈部とを備える燃料電池システムにおいて、
前記カソード電極から排出されるカソード排気ガスの排出量を検出するカソード排出量検出部と、
前記カソード排出量検出部により検出されたカソード排気ガスの排出開始からの平均流量である平均希釈ガス流量に基づき、前記アノード電極からの前記アノード排気ガスの排出を制御するアノード排出制御部と、
を備え、
前記アノード排出制御部は、
前記カソード排出量検出部により検出されたカソード排気ガスの前記平均希釈ガス流量に基づき、前記アノード電極からアノード排気ガスを前記水素希釈部に排出する排出時間およびアノード排気ガスの前記水素希釈部への排出を禁止する排出禁止時間を、前記平均希釈ガス流量が多ければ前記排出時間を長く且つ前記排出禁止時間を短く設定する一方、前記平均希釈ガス流量が少なければ前記排出時間を短く且つ前記排出禁止時間を長く設定するように算出する排出制御時間算出部を備え、前記排出時間および前記排出禁止時間に基づいてアノード排気ガスの排出を制御することを特徴とする燃料電池システム。A fuel cell that generates electric energy by reacting a hydrogen-containing gas supplied to the anode electrode and an oxygen-containing gas supplied to the cathode electrode, and an anode exhaust gas containing hydrogen gas discharged from the anode electrode In a fuel cell system comprising a hydrogen dilution section that is diluted with a cathode exhaust gas discharged from a cathode electrode and discharged.
A cathode discharge amount detection unit for detecting a discharge amount of cathode exhaust gas discharged from the cathode electrode;
An anode discharge control unit that controls discharge of the anode exhaust gas from the anode electrode based on an average dilution gas flow rate that is an average flow rate from the start of discharge of the cathode exhaust gas detected by the cathode discharge amount detection unit;
With
The anode discharge controller is
Based on the average dilution gas flow rate of the cathode exhaust gas detected by the cathode emission amount detection unit, the discharge time for discharging the anode exhaust gas from the anode electrode to the hydrogen dilution unit and the anode exhaust gas to the hydrogen dilution unit When the average dilution gas flow rate is high, the discharge prohibition time for prohibiting discharge is set to be long and the discharge prohibition time is set short. On the other hand, when the average dilution gas flow rate is low, the discharge time is set to be short and the discharge prohibition time is prohibited. A fuel cell system comprising: an emission control time calculation unit for calculating so as to set a longer time, and controlling discharge of anode exhaust gas based on the emission time and the emission inhibition time.

請求項１記載のシステムにおいて、
前記カソード排出量検出部は、
前記カソード電極に供給される前記酸素含有ガスの供給量を検出するカソード供給量検出部と、
前記燃料電池により生成された発電電流を検出する発電電流検出部と、
前記酸素含有ガスの前記供給量および前記発電電流より、前記カソード電極から排出されるカソード排気ガスの前記平均希釈ガス流量を算出する排出量算出部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。The system of claim 1, wherein
The cathode discharge amount detection unit
A cathode supply amount detection unit for detecting a supply amount of the oxygen-containing gas supplied to the cathode electrode;
A generated current detection unit for detecting a generated current generated by the fuel cell;
An emission amount calculation unit for calculating the average dilution gas flow rate of the cathode exhaust gas discharged from the cathode electrode from the supply amount of the oxygen-containing gas and the generated current;
A fuel cell system comprising:

請求項１記載のシステムにおいて、
前記アノード電極の排気口及び前記水素希釈部の間に設けられ、前記アノード排気ガスの前記水素希釈部への排出を許容及び禁止するバルブ手段と、
前記アノード電極の排気口及び前記バルブ手段の間と、前記アノード電極の供給口との間を接続し、前記アノード電極の排気口から排出されるアノード排気ガスを前記アノード電極の供給口に循環可能な循環ループと、
を備え、
前記排出制御時間算出部により算出された前記排出禁止時間には、前記アノード排気ガスが前記循環ループにより前記アノード電極の供給口へと循環されることを特徴とする燃料電池システム。The system of claim 1, wherein
Valve means provided between the exhaust port of the anode electrode and the hydrogen dilution part, and allowing and prohibiting the discharge of the anode exhaust gas to the hydrogen dilution part;
Between the exhaust port of the anode electrode and the valve means and between the supply port of the anode electrode, the anode exhaust gas discharged from the exhaust port of the anode electrode can be circulated to the supply port of the anode electrode A circular loop,
With
The fuel cell system, wherein the anode exhaust gas is circulated to the supply port of the anode electrode by the circulation loop during the emission inhibition time calculated by the emission control time calculation unit.

請求項１記載のシステムにおいて、
前記燃料電池により生成された発電電圧を検出する発電電圧検出部と、
前記発電電圧を閾値電圧と比較し、前記発電電圧が前記閾値電圧よりも低下したとき、前記カソード電極に対する前記酸素含有ガスの供給量を所定量だけ増加制御するカソード供給制御部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。The system of claim 1, wherein
A power generation voltage detector for detecting a power generation voltage generated by the fuel cell;
A cathode supply control unit that compares the generated voltage with a threshold voltage, and controls to increase the supply amount of the oxygen-containing gas to the cathode electrode by a predetermined amount when the generated voltage is lower than the threshold voltage;
A fuel cell system comprising: