JP2019102283A

JP2019102283A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2019102283A
Application number: JP2017232423A
Authority: JP
Inventors: 青木　正和; Masakazu Aoki; 正和青木; 宏之三井; Hiroyuki Mitsui; 山内　崇史; Takashi Yamauchi; 崇史山内
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2017-12-04
Filing date: 2017-12-04
Publication date: 2019-06-24

Abstract

To provide a fuel cell system capable of reducing an amount of hydrogen to be discharged to the outside of the system.SOLUTION: A fuel cell system 10 comprises: a hydrogen tank 12 for storing hydrogen gas; a fuel cell 14 that takes the hydrogen gas as fuel; a hydrogen line 30 for supplying the hydrogen gas from the hydrogen tank 12 to an anode passage of the fuel cell 14; a hydrogen circulation line 40 for returning anode off-gas discharged from an outlet of the anode passage to an inlet of the anode passage; a gas-liquid separator 16 for removing water vapor from the anode off-gas, the gas-liquid separator provided on the hydrogen circulation line 40; a bypass hydrogen line 50 that exists between the outlet of the anode passage and an inlet of the gas-liquid separator 16 and is connected in parallel to the hydrogen circulation line 40; a hydrogen collector 18 for collecting the hydrogen gas from the anode off-gas, the hydrogen collector provided on the bypass hydrogen line 50; and a controller for controlling operation of the fuel cell system 10.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、さらに詳しくは、システム外に排出される水素量を低減することが可能な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 capable of reducing the amount of hydrogen discharged out of the system.

水素を燃料とする燃料電池においては、アノードに水素ガスを連続的に又は間欠的に供給しながら発電が行われる。この場合、アノードに供給された水素ガスがすべて発電に消費されるわけではなく、未反応の水素ガスがそのままアノードから排出される。そのため、燃料電池外に排出される未反応の水素量を低減するために、アノードオフガスを再循環させる方法が提案されている。 In a fuel cell using hydrogen as a fuel, power generation is performed while supplying hydrogen gas to the anode continuously or intermittently. In this case, not all hydrogen gas supplied to the anode is consumed for power generation, and unreacted hydrogen gas is discharged from the anode as it is. Therefore, in order to reduce the amount of unreacted hydrogen discharged to the outside of the fuel cell, a method of recycling the anode off gas has been proposed.

また、カソードにおいては、電極反応により水が生成する。生成水の一部は電解質膜を通ってアノード流路に排出されるため、アノードオフガスには、未反応の水素ガスに加えて、水蒸気が含まれる。水蒸気を含んだアノードオフガスをそのまま再循環させると、アノードに供給される水素ガスの濃度が低下し、発電効率が低下する。そのため、アノードオフガスを再循環させる場合には、気液分離器を用いてアノードオフガスから水蒸気を分離することが行われている。 Also, at the cathode, water is produced by the electrode reaction. The anode off gas contains water vapor in addition to the unreacted hydrogen gas because a part of the generated water is discharged through the electrolyte membrane to the anode flow channel. If the anode off gas containing water vapor is recirculated as it is, the concentration of hydrogen gas supplied to the anode decreases, and the power generation efficiency decreases. Therefore, when the anode off gas is recirculated, the vapor is separated from the anode off gas using a gas-liquid separator.

このようなアノードオフガスを再循環させる燃料電池システムに関し、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、
（ａ）アノードオフガスに含まれる水を気液分離器で分離し、水が分離されたアノードオフガスを循環ポンプを用いて燃料電池のアノードに還流させる手段と、
（ｂ）循環ポンプを停止させた後、循環ポンプの回転数が所定の回転数以下になった時に気液分離器の排気・排水弁を開き、気液分離器内に滞留している水を排出する停止時排水モードと
を備えた燃料電池システムが開示されている。 Various proposals have been made in the past regarding fuel cell systems in which such anode off gas is recirculated.
For example, in Patent Document 1,
(A) means for separating water contained in the anode off gas with a gas-liquid separator and returning the anode off gas from which water has been separated to the anode of the fuel cell using a circulation pump;
(B) After stopping the circulation pump, open the exhaust / drain valve of the gas-liquid separator when the rotational speed of the circulation pump becomes less than a predetermined number of rotations, and keep the water staying in the gas-liquid separator A fuel cell system is disclosed with a draining stop drain mode.

同文献には、
（Ａ）循環ポンプを停止させた直後は、循環ポンプが通常運転時とほぼ同じ速度で回転しているため、循環ポンプの停止直後に排気・排水弁を開いても、還流配管内に滞留している水を排出できない点、
（Ｂ）循環ポンプの回転数が所定の回転数以下になった時に排気・排水弁を開くと、還流配管内に滞留している水を排出することができる点、及び
（Ｃ）排気・排水弁を開いた時に水と共に排出されるアノードオフガスには水素が含まれているため、水素を燃焼させて不活性化した後、不活性化したアノードオフガスを大気に放出する点
が記載されている。 In the same document,
(A) Immediately after the circulation pump is stopped, the circulation pump rotates at almost the same speed as during normal operation, so even if the exhaust / drain valve is opened immediately after the circulation pump is stopped, it stays in the reflux piping. Can not discharge the water
(B) When the exhaust / drain valve is opened when the rotational speed of the circulation pump falls below a predetermined rotational speed, the water remaining in the reflux piping can be discharged, and (C) exhaust / drain Since the anode off gas exhausted with water when the valve is opened contains hydrogen, it is described that after the hydrogen is burned and inactivated, the deactivated anode off gas is released to the atmosphere. .

特許文献２には、アノードオフガスに含まれる水を気液分離器で分離し、水が分離されたアノードオフガスを循環ポンプを用いて燃料電池のアノードに還流させる燃料電池システムに用いられる排気排水弁であって、
気液分離器から排出される生成水を流通させるための第１気液流通部の周囲を包囲するように、希釈装置に連通する第２気液流通部を形成した排気排水弁が開示されている。 Patent Document 2 discloses an exhaust drainage valve used in a fuel cell system in which water contained in anode off gas is separated by a gas-liquid separator and the anode off gas from which water is separated is returned to the anode of a fuel cell using a circulation pump. And
There is disclosed an exhaust drainage valve formed with a second gas-liquid circulation unit communicating with the dilution device so as to surround the first gas-liquid circulation unit for circulating the product water discharged from the gas-liquid separator. There is.

同文献には、
（Ａ）第１気液流通部は第２気液流通部で包囲されているため、第１気液流通部から燃料ガスが漏れても、燃料ガスが直接外気に放出されることがない点、及び、
（Ｂ）排気排水弁を開いた時に排出される残存水素ガスは、希釈装置において空気により希釈された後、水と共に外部に放出される点
が記載されている。 In the same document,
(A) Since the first gas-liquid circulation unit is surrounded by the second gas-liquid circulation unit, even if the fuel gas leaks from the first gas-liquid circulation unit, the fuel gas is not directly released to the outside air ,as well as,
(B) It is described that the residual hydrogen gas discharged when the exhaust drainage valve is opened is released to the outside together with water after being diluted with air in a dilution device.

さらに、特許文献３には、アノードオフガスに含まれる水を気液分離器で分離し、水が分離されたアノードオフガスを循環ポンプを用いて燃料電池のアノードに還流させる燃料電池システムにおいて、
燃料電池への水素ガスの供給を停止した場合において、燃料電池のセル電圧が所定の電圧値を上回る時には、水素供給を停止した状態で水素循環ポンプを稼働させる方法
が開示されている。 Furthermore, Patent Document 3 discloses a fuel cell system in which water contained in an anode off gas is separated by a gas-liquid separator, and the anode off gas from which water is separated is returned to the anode of a fuel cell using a circulation pump.
There is disclosed a method of operating a hydrogen circulation pump in a state of stopping the supply of hydrogen when the cell voltage of the fuel cell exceeds a predetermined voltage value when the supply of hydrogen gas to the fuel cell is stopped.

同文献には、
（Ａ）燃料電池が無負荷状態になると、燃料電池内に残留した水素及び酸素によって燃料電池が高電位状態となり、触媒の耐久性が低下する点、
（Ｂ）燃料電池が無負荷状態にある時に、水素供給を停止した状態で水素を再循環させると、残留している水素及び酸素が電気化学反応を起こし、燃料電池の電位が低下する点、及び、
（Ｃ）気液分離器から排出されるアノードオフガスは、空気を多く含むカソードオフガスによって希釈されて、外部に排出される点
が記載されている。 In the same document,
(A) When the fuel cell is in a no-load state, the hydrogen and oxygen remaining in the fuel cell cause the fuel cell to be in a high potential state, which lowers the durability of the catalyst.
(B) Recirculating hydrogen with the hydrogen supply stopped while the fuel cell is in a non-loaded state, the remaining hydrogen and oxygen cause an electrochemical reaction to lower the potential of the fuel cell, as well as,
(C) It is described that the anode off gas discharged from the gas-liquid separator is diluted by the cathode off gas containing a large amount of air and discharged to the outside.

アノードオフガス循環式の燃料電池システムにおいては、気液分離器内に溜まった水を定期的に排出する必要がある。その際に、気液分離器から未反応の水素を含むアノードオフガスも排出される。気液分離器から排出されるアノードオフガスは、従来、燃焼又は希釈によって処理されている（特許文献１〜３参照）。しかしながら、この方法では、水素ガスの有効利用が十分ではない。 In an anode off-gas circulating fuel cell system, it is necessary to periodically discharge the water accumulated in the gas-liquid separator. At this time, the anode off gas containing unreacted hydrogen is also discharged from the gas-liquid separator. The anode off gas discharged from the gas-liquid separator is conventionally treated by combustion or dilution (see Patent Documents 1 to 3). However, in this method, effective utilization of hydrogen gas is not sufficient.

特開２００６−３３１６７４号公報JP, 2006-331674, A 特開２０１３−０９３２５６号公報JP, 2013-093256, A 特開２０１４−２３２７０２号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 2014-232702

本発明が解決しようとする課題は、システム外に排出される水素量を低減することが可能な燃料電池システムを提供することにある。 The problem to be solved by the present invention is to provide a fuel cell system capable of reducing the amount of hydrogen discharged out of the system.

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、以下の構成を備えていることを要旨とする。
（１）前記燃料電池システムは、
水素ガスを貯蔵する水素タンクと、
前記水素ガスを燃料とする燃料電池と、
前記水素タンクから前記燃料電池のアノード流路に前記水素ガスを供給するための水素ラインと、
前記アノード流路の出口から排出されるアノードオフガスを前記アノード流路の入口に戻す水素循環ラインと、
前記水素循環ライン上に設けられた、前記アノードオフガスから水蒸気を分離するための気液分離器と、
前記アノード流路の出口と前記気液分離器の入口との間にある前記水素循環ラインに対して並列に接続されたバイパス水素ラインと、
前記バイパス水素ライン上に設けられた、前記アノードオフガスから水素ガスを回収するための水素回収器と、
前記燃料電池システムの動作を制御する制御装置と
を備えている。
（２）前記制御装置は、
（ａ）定常運転時において、前記アノード流路から排出された前記アノードオフガスを前記気液分離器に供給し、前記気液分離器で処理された前記アノードオフガスを前記アノード流路の入口に戻す定常運転制御手段と、
（ｂ）前記アノードオフガスに含まれる不純物濃度がしきい値を超えたと判断された時に、前記アノード流路から排出された前記アノードオフガスを、前記バイパス水素ラインを介して前記水素回収器に供給し、前記水素回収器で処理された前記アノードオフガスを前記気液分離器を介して大気に排出する水素回収手段と、
を備えている。 In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention has the following configuration.
(1) The fuel cell system
A hydrogen tank for storing hydrogen gas,
A fuel cell fueled by the hydrogen gas;
A hydrogen line for supplying the hydrogen gas from the hydrogen tank to the anode channel of the fuel cell;
A hydrogen circulation line for returning anode off gas discharged from the outlet of the anode flow channel to the inlet of the anode flow channel;
A gas-liquid separator provided on the hydrogen circulation line for separating water vapor from the anode off gas;
A bypass hydrogen line connected in parallel to the hydrogen circulation line between the outlet of the anode channel and the inlet of the gas-liquid separator;
A hydrogen recovery unit provided on the bypass hydrogen line for recovering hydrogen gas from the anode off gas;
And a controller for controlling the operation of the fuel cell system.
(2) The control device
(A) During steady operation, the anode off gas discharged from the anode flow channel is supplied to the gas-liquid separator, and the anode off gas processed by the gas-liquid separator is returned to the inlet of the anode flow channel Steady operation control means,
(B) The anode off gas exhausted from the anode flow channel is supplied to the hydrogen recovery unit through the bypass hydrogen line when it is determined that the concentration of impurities contained in the anode off gas has exceeded a threshold value. Hydrogen recovery means for discharging the anode off gas treated by the hydrogen recovery unit to the atmosphere via the gas-liquid separator;
Is equipped.

前記制御装置は、
（ｃ）前記水素回収手段を実行した後、前記不純物濃度が前記しきい値未満となったと判断された時に、前記アノード流路から排出された前記アノードオフガスを前記気液分離器に供給し、前記気液分離器で処理された前記アノードオフガスを前記アノード流路の入口に戻すと同時に、前記水素回収器から前記水素ガスを放出し、放出された前記水素ガスを前記アノードオフガスに添加する再生手段
を備さらに備えていても良い。 The controller is
(C) supplying the anode off gas discharged from the anode flow channel to the gas-liquid separator when it is determined that the impurity concentration has become less than the threshold after executing the hydrogen recovery means; At the same time as the anode off gas processed by the gas-liquid separator is returned to the inlet of the anode flow path, the hydrogen recovery unit releases the hydrogen gas and the released hydrogen gas is added to the anode off gas. A means may be further provided.

アノードオフガス循環式の燃料電池システムにおいては、気液分離器を用いてアノードオフガスから水蒸気が分離される。しかしながら、アノードオフガス循環を継続すると、やがてアノードオフガス中の不純物（例えば、気液分離器で除去しきれなかった水蒸気）の濃度が増大する。この場合、アノードオフガス循環を停止した状態で発電を継続すれば、アノード流路から不純物を排出することができる。しかしながら、この方法では、システム外に排出される未反応の水素量が増大する。 In an anode off-gas circulation fuel cell system, a vapor-liquid separator is used to separate water vapor from the anode off-gas. However, when the anode off gas circulation is continued, the concentration of impurities (for example, water vapor which can not be completely removed by the gas-liquid separator) in the anode off gas eventually increases. In this case, if power generation is continued with the anode off gas circulation stopped, impurities can be discharged from the anode flow channel. However, this method increases the amount of unreacted hydrogen discharged out of the system.

これに対し、アノードオフガス中の不純物濃度がしきい値を超えたと判断された時に、アノードオフガスを水素回収器に供給すると、アノードオフガスから未反応の水素ガスを回収することができる。水素回収器で処理されたアノードオフガスは、大半が不純物のみからなるので、そのままシステム外に排出することができる。また、回収された水素ガスは、燃料として再利用することができる。そのため、システム外に排出される水素量が低減され、燃料電池システムのエネルギー効率が向上する。 On the other hand, when it is determined that the impurity concentration in the anode off gas has exceeded the threshold value, unreacted hydrogen gas can be recovered from the anode off gas if the anode off gas is supplied to the hydrogen recovery unit. The majority of the anode off gas processed by the hydrogen recovery unit is composed only of impurities, and can be discharged out of the system as it is. Moreover, the recovered hydrogen gas can be reused as fuel. Therefore, the amount of hydrogen discharged out of the system is reduced, and the energy efficiency of the fuel cell system is improved.

本発明に係る燃料電池システムの模式図である。FIG. 1 is a schematic view of a fuel cell system according to the present invention. 図１に示す燃料電池システムの定常運転モード時におけるガス及び冷却水の流れの模式図である。FIG. 2 is a schematic view of flows of gas and cooling water in a steady operation mode of the fuel cell system shown in FIG. 1. 図１に示す燃料電池システムの水素回収モード時におけるガス及び冷却水の流れの模式図である。It is a schematic diagram of the flow of gas and cooling water at the time of hydrogen recovery mode of the fuel cell system shown in FIG. 図１に示す燃料電池システムの再生モード時におけるガス及び冷却水の流れの模式図である。It is a schematic diagram of the flow of gas and cooling water at the time of the regeneration mode of the fuel cell system shown in FIG.

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１．燃料電池システム］
図１に、本発明に係る燃料電池システムの模式図を示す。なお、図１では、ガスが流れる経路と、冷却水が流れる経路のみが図示されており、電気回路は省略されている。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
[1. Fuel cell system]
FIG. 1 shows a schematic view of a fuel cell system according to the present invention. In FIG. 1, only the flow path of the gas and the flow path of the cooling water are illustrated, and the electric circuit is omitted.

図１において、燃料電池システム１０は、
水素ガスを貯蔵する水素タンク１２と、
水素ガスを燃料とする燃料電池１４と、
水素タンク１２から燃料電池１４のアノード流路に水素ガスを供給するための水素ライン３０と、
アノード流路の出口から排出されるアノードオフガスをアノード流路の入口に戻す水素循環ライン４０と、
水素循環ライン４０上に設けられた、アノードオフガスから水蒸気を分離するための気液分離器１６と、
アノード流路の出口と気液分離器１６の入口との間にある水素循環ライン４０に対して並列に接続されたバイパス水素ライン５０と、
バイパス水素ライン５０上に設けられた、アノードオフガスから水素ガスを回収するための水素回収器１８と、
燃料電池システム１０の動作を制御する制御装置（図示せず）と
を備えている。 In FIG. 1, the fuel cell system 10
A hydrogen tank 12 for storing hydrogen gas,
A fuel cell 14 fueled by hydrogen gas;
A hydrogen line 30 for supplying hydrogen gas from the hydrogen tank 12 to the anode channel of the fuel cell 14;
A hydrogen circulation line 40 for returning anode off gas exhausted from the outlet of the anode flow channel to the inlet of the anode flow channel;
A gas-liquid separator 16 provided on a hydrogen circulation line 40 for separating water vapor from anode off gas;
A bypass hydrogen line 50 connected in parallel to the hydrogen circulation line 40 between the outlet of the anode flow path and the inlet of the gas-liquid separator 16;
A hydrogen recovery unit 18 provided on the bypass hydrogen line 50 for recovering hydrogen gas from the anode off gas;
A controller (not shown) for controlling the operation of the fuel cell system 10 is provided.

また、図１において、燃料電池システム１０は、
水素回収器１８又は燃料電池１４を冷却するための冷却装置２０と
冷却水を燃料電池１４と水素回収器１８との間で循環させる第１熱交換ライン６０と、
冷却水を水素回収器１８と冷却装置２０との間、又は、燃料電池１４と冷却装置２０との間で循環させる第２熱交換ライン７０と、
燃料電池１４の冷却流路の出口から排出された冷却水をそのまま燃料電池１４の冷却流路の入口に戻すためのバイパス冷却水ライン８０と
をさらに備えている。 Further, in FIG. 1, the fuel cell system 10
A cooling device 20 for cooling the hydrogen recovery unit 18 or the fuel cell 14, and a first heat exchange line 60 for circulating cooling water between the fuel cell 14 and the hydrogen recovery unit 18;
A second heat exchange line 70 for circulating cooling water between the hydrogen recovery unit 18 and the cooling device 20 or between the fuel cell 14 and the cooling device 20;
The fuel cell system further includes a bypass cooling water line 80 for returning the cooling water discharged from the outlet of the cooling channel of the fuel cell 14 as it is to the inlet of the cooling channel of the fuel cell 14.

［１．１．水素タンク］
水素タンク１２は、燃料電池１４に供給される水素ガスを貯蔵するためのものである。本発明において、水素タンク１２の構造は、特に限定されない。水素タンク１２としては、例えば、高圧水素ガスタンク、水素吸蔵合金が内封されたＭＨタンク、液体水素タンクなどがある。 [1.1. Hydrogen tank]
The hydrogen tank 12 is for storing hydrogen gas supplied to the fuel cell 14. In the present invention, the structure of the hydrogen tank 12 is not particularly limited. Examples of the hydrogen tank 12 include a high pressure hydrogen gas tank, an MH tank in which a hydrogen storage alloy is enclosed, and a liquid hydrogen tank.

［１．２．燃料電池］
本発明において、燃料電池１４は、水素ガスを燃料とするものである限りにおいて、特に限定されない。燃料電池１４としては、例えば、固体高分子形燃料電池、固体酸化物形燃料電池などがある。 [1.2. Fuel cell]
In the present invention, the fuel cell 14 is not particularly limited as long as it uses hydrogen gas as a fuel. Examples of the fuel cell 14 include a polymer electrolyte fuel cell and a solid oxide fuel cell.

［１．３．水素ライン］
水素ライン３０は、水素タンク１２から燃料電池１４に水素ガスを供給するためのものである。図１に示す例において、水素ライン３０は、水素タンク１２と燃料電池１４のアノード流路の入口とを繋ぐガス管３２と、ガス管３２に設けられた第１開閉バルブＶ１とを備えている。第１開閉バルブＶ１は、流量調節機構を有していても良い。この点は、以下に説明する第２〜第５開閉バルブＶ２〜Ｖ５も同様である。 [1.3. Hydrogen line]
The hydrogen line 30 is for supplying hydrogen gas from the hydrogen tank 12 to the fuel cell 14. In the example shown in FIG. 1, the hydrogen line 30 includes a gas pipe 32 connecting the hydrogen tank 12 and the inlet of the anode flow path of the fuel cell 14, and a first on-off valve V1 provided in the gas pipe 32. . The first on-off valve V1 may have a flow rate adjustment mechanism. The same applies to the second to fifth on-off valves V2 to V5 described below.

［１．４．水素循環ライン］
水素循環ライン４０は、アノード流路の出口から排出されるアノードオフガスをアノード流路の入口に戻すためのものである。図１に示す例において、水素循環ライン４０は、
燃料電池１４のアノード流路の出口と気液分離器１６の入口とを繋ぐガス管４２と、
ガス管３２と気液分離器１６の出口とを繋ぐガス管４４と、
ガス管４２に設けられた第２開閉バルブＶ２と、
ガス管４４に設けられた水素ポンプ４６と
を備えている。
第２開閉バルブＶ２は、後述する第３開閉バルブＶ３及び第４開閉バルブＶ４と共に、アノードオフガスの流れの方向を切り替えるためのものである。水素ポンプ４６は、アノードオフガスを循環させるためのものである。 [1.4. Hydrogen circulation line]
The hydrogen circulation line 40 is for returning the anode off gas exhausted from the outlet of the anode flow channel to the inlet of the anode flow channel. In the example shown in FIG.
A gas pipe 42 connecting an outlet of the anode channel of the fuel cell 14 and an inlet of the gas-liquid separator 16;
A gas pipe 44 connecting the gas pipe 32 and the outlet of the gas-liquid separator 16;
A second on-off valve V2 provided in the gas pipe 42;
A hydrogen pump 46 provided in the gas pipe 44 is provided.
The 2nd on-off valve V2 is for switching the flow direction of anode off gas with the 3rd on-off valve V3 mentioned later, and the 4th on-off valve V4. The hydrogen pump 46 is for circulating the anode off gas.

［１．５．気液分離器］
気液分離器１６は、アノードオフガスから水蒸気を分離するためのものである。気液分離器１６は、水素循環ライン４０上に設けられている。
また、気液分離器１６の排気・排水口には、気液分離器１６内に滞留している水及びガスをシステム外に排出するための排気・配水管４８が接続されている。さらに、排気・配水管４８には、第５開閉バルブＶ５が設けられている。 [1.5. Gas-liquid separator]
The gas-liquid separator 16 is for separating water vapor from the anode off gas. The gas-liquid separator 16 is provided on the hydrogen circulation line 40.
In addition, an exhaust and drainage pipe 48 for discharging water and gas accumulated in the gas and liquid separator 16 to the outside of the system is connected to the exhaust and drainage ports of the gas and liquid separator 16. Further, the exhaust / water distribution pipe 48 is provided with a fifth on-off valve V5.

［１．６．バイパス水素ライン］
バイパス水素ライン５０は、アノードオフガスから水素を回収する時に、アノードオフガスを水素回収器１８に供給するためのものである。バイパス水素ライン５０は、アノード流路の出口と気液分離器１６の入口との間にある水素循環ライン４０に対して並列に接続されている。図１に示す例において、バイパス水素ライン５０は、
ガス管４２と水素回収器１８の入口とを繋ぐガス管５２と、
ガス管４２と水素回収器１８の出口とを繋ぐガス管５４と、
ガス管５２に設けられた第３開閉バルブＶ３と、
ガス管５４に設けられた第４開閉バルブＶ４と
を備えている。 [1.6. Bypass hydrogen line]
The bypass hydrogen line 50 is for supplying the anode off gas to the hydrogen recovery unit 18 when recovering hydrogen from the anode off gas. The bypass hydrogen line 50 is connected in parallel to the hydrogen circulation line 40 located between the outlet of the anode channel and the inlet of the gas-liquid separator 16. In the example shown in FIG.
A gas pipe 52 connecting the gas pipe 42 and the inlet of the hydrogen recovery unit 18;
A gas pipe 54 connecting the gas pipe 42 and the outlet of the hydrogen recovery unit 18;
A third on-off valve V3 provided in the gas pipe 52;
A fourth on-off valve V4 provided in the gas pipe 54 is provided.

［１．７．水素回収器］
水素回収器１８は、アノードオフガスから水素ガスを回収するためのものである。水素回収器１８は、バイパス水素ライン５０上に設けられている。回収された水素ガスは、アノードオフガスから不純物ガスを取り除いた後、アノードオフガスに戻される。
本発明において、水素回収器１８の構造は、アノードオフガスから水素ガスを回収することが可能な限りにおいて、特に限定されない。水素回収器１８としては、例えば、その内部に水素貯蔵材料が内封されているＭＨタンクなどがある。 [1.7. Hydrogen recovery unit]
The hydrogen recovery unit 18 is for recovering hydrogen gas from the anode off gas. The hydrogen recovery unit 18 is provided on the bypass hydrogen line 50. The recovered hydrogen gas is returned to the anode off gas after removing the impurity gas from the anode off gas.
In the present invention, the structure of the hydrogen recovery unit 18 is not particularly limited as long as hydrogen gas can be recovered from the anode off gas. The hydrogen recovery unit 18 may be, for example, an MH tank in which a hydrogen storage material is enclosed.

特に、ＭＨタンクは、燃料電池１４の排熱を利用して水素ガスを放出することができるので、水素回収器１８として好適である。水素回収器１８に供給されるアノードオフガスは、水素ガス以外の不純物ガス（例えば、水蒸気など）が含まれている。そのため、水素回収器１８としてＭＨタンクを用いる場合、水素貯蔵材料は、表面が水素透過膜で被覆されているものが好ましい。水素貯蔵材料の表面を水素透過膜で被覆すると、不純物ガスによる水素貯蔵材料の劣化を抑制することができる。 In particular, since the MH tank can release hydrogen gas by utilizing the exhaust heat of the fuel cell 14, it is suitable as the hydrogen recovery unit 18. The anode off gas supplied to the hydrogen recovery unit 18 contains an impurity gas (for example, water vapor) other than the hydrogen gas. Therefore, when using a MH tank as the hydrogen recovery unit 18, the hydrogen storage material is preferably one whose surface is coated with a hydrogen permeable membrane. By covering the surface of the hydrogen storage material with a hydrogen permeable membrane, it is possible to suppress the deterioration of the hydrogen storage material due to the impurity gas.

［１．８．冷却装置］
冷却装置２０は、水素回収器１８又は燃料電池１４を冷却するためのものである。冷却装置２０は、第２熱交換ライン７０に設けられている。
水素回収器１８がＭＨタンクである場合、水素吸蔵時に発熱を伴う。この場合、冷却装置２０を用いて水素回収器１８を冷却するのが好ましい。
また、燃料電池１４の熱収支のバランスが取れている場合、燃料電池１４の冷却は必ずしも必要ではない。しかし、不可抗力により燃料電池１４の温度が過度に上昇することがある。このような場合、冷却装置２０を用いて燃料電池１４を冷却するのが好ましい。 [1.8. Cooling system]
The cooling device 20 is for cooling the hydrogen recovery unit 18 or the fuel cell 14. The cooling device 20 is provided in the second heat exchange line 70.
When the hydrogen recovery unit 18 is an MH tank, heat generation occurs when storing hydrogen. In this case, the hydrogen recovery unit 18 is preferably cooled using the cooling device 20.
In addition, when the heat balance of the fuel cell 14 is balanced, cooling of the fuel cell 14 is not necessarily required. However, due to force majeure, the temperature of the fuel cell 14 may rise excessively. In such a case, the cooling device 20 is preferably used to cool the fuel cell 14.

［１．９．第１熱交換ライン］
第１熱交換ライン６０は、冷却水を燃料電池１４と水素回収器１８との間で循環させるためのものからなる。水素回収器１８がＭＨタンクである場合、水素放出時には吸熱を伴う。この場合、外部熱源を用いて水素回収器１８に放出熱を供給することもできる。しかしながら、外部熱源を用いる方法では熱効率が悪い。これに対し、燃料電池１４からの廃熱を利用すると、外部熱源を用いることなく、水素を放出させることができる。 [1.9. 1st heat exchange line]
The first heat exchange line 60 is for circulating cooling water between the fuel cell 14 and the hydrogen recovery unit 18. When the hydrogen recovery unit 18 is an MH tank, heat release is accompanied by heat absorption. In this case, the heat of discharge can be supplied to the hydrogen recovery unit 18 using an external heat source. However, the method using an external heat source has poor thermal efficiency. On the other hand, when waste heat from the fuel cell 14 is used, hydrogen can be released without using an external heat source.

図１に示す例において、第１熱交換ライン６０は、
燃料電池１４の冷却流路の出口と水素回収器１８の冷却流路の入口とを繋ぐ水管６２と、
水素回収器１８の冷却流路の出口と燃料電池１４の冷却流路の入口とを繋ぐ水管６４と、
水管６２に設けられた第１熱媒ポンプ６６及び第１三方弁ＣＶ１と、
水管６４に設けられた第２三方弁ＣＶ２と
を備えている。
第１熱媒ポンプ６６は、第１三方弁ＣＶ１と燃料電池１４の冷却流路の出口との間にある水管６２上に設けられている。
第１熱媒ポンプ６６は、冷却水を循環させるためのものである。第１三方弁ＣＶ１及び第２三方弁ＣＶ２は、冷却水の流れの方向を切り替えるためのものである。 In the example shown in FIG. 1, the first heat exchange line 60 is
A water pipe 62 connecting the outlet of the cooling channel of the fuel cell 14 and the inlet of the cooling channel of the hydrogen recovery unit 18;
A water pipe 64 connecting the outlet of the cooling channel of the hydrogen recovery unit 18 and the inlet of the cooling channel of the fuel cell 14;
A first heat medium pump 66 and a first three-way valve CV1 provided in the water pipe 62;
And a second three-way valve CV2 provided in the water pipe 64.
The first heat medium pump 66 is provided on the water pipe 62 located between the first three-way valve CV1 and the outlet of the cooling channel of the fuel cell 14.
The first heat medium pump 66 is for circulating cooling water. The first three-way valve CV1 and the second three-way valve CV2 are for switching the flow direction of the cooling water.

［１．１０．第２熱交換ライン］
第２熱交換ライン７０は、冷却水を水素回収器１８と冷却装置２０との間、又は、燃料電池１４と冷却装置２０との間で循環させるためのものである。上述したように、冷却装置２０は必ずしも必要ではないが、冷却装置２０を備えていると、水素回収器１８及び／又は燃料電池１４の温度制御が容易となる。 [1.10. Second heat exchange line]
The second heat exchange line 70 is for circulating cooling water between the hydrogen recovery unit 18 and the cooling device 20 or between the fuel cell 14 and the cooling device 20. As described above, the cooling device 20 is not always necessary. However, when the cooling device 20 is provided, temperature control of the hydrogen recovery unit 18 and / or the fuel cell 14 is facilitated.

図１に示す例において、第２熱交換ライン７０は、
水管６２と冷却装置２０の冷却流路の入口とを繋ぐ水管７２と、
水管６４と冷却装置２０の冷却流路の出口とを繋ぐ水管７４と、
水管７２に設けられた第６開閉バルブＶ６と、
水管７４に設けられた第２熱媒ポンプ７６及び第７開閉バルブＶ７と
を備えている。
第２熱媒ポンプ７６は、第７開閉バルブＶ７と冷却装置２０の冷却流路の出口との間にある水管７４上に設けられている。
第２熱媒ポンプ７６は、冷却装置２０に冷却水を供給するためのものである。第６開閉バルブＶ６及び第７開閉バルブＶ７は、冷却水の流れの方向を切り替えるためのものである。 In the example shown in FIG. 1, the second heat exchange line 70 is
A water pipe 72 connecting the water pipe 62 and the inlet of the cooling channel of the cooling device 20;
A water pipe 74 connecting the water pipe 64 and the outlet of the cooling channel of the cooling device 20;
A sixth on-off valve V6 provided in the water pipe 72;
A second heat medium pump 76 and a seventh on-off valve V7 provided in the water pipe 74 are provided.
The second heat medium pump 76 is provided on the water pipe 74 located between the seventh on-off valve V7 and the outlet of the cooling channel of the cooling device 20.
The second heat medium pump 76 is for supplying cooling water to the cooling device 20. The sixth on-off valve V6 and the seventh on-off valve V7 are for switching the flow direction of the cooling water.

［１．１１．バイパス冷却水ライン］
バイパス冷却水ライン８０は、燃料電池１４の冷却流路の出口から排出された冷却水をそのまま燃料電池１４の冷却流路の入口に戻すためのものである。上述したように、燃料電池１４の熱収支のバランスが取れている場合、燃料電池１４の冷却は不要である。このような場合、冷却装置２０を介すことなく、単に冷却水を循環させるだけで良い。
図１に示す例において、バイパス冷却水ライン８０は、水管８２と、水管８２の一方の端部に接続された第１三方弁ＣＶ１と、水管８２の他方の端部に接続された第２三方弁ＣＶ２とを備えている。 [1.11. Bypass cooling water line]
The bypass cooling water line 80 is for returning the cooling water discharged from the outlet of the cooling channel of the fuel cell 14 as it is to the inlet of the cooling channel of the fuel cell 14. As described above, when the heat balance of the fuel cell 14 is balanced, cooling of the fuel cell 14 is unnecessary. In such a case, the cooling water may simply be circulated without using the cooling device 20.
In the example shown in FIG. 1, the bypass cooling water line 80 includes a water pipe 82, a first three-way valve CV1 connected to one end of the water pipe 82, and a second three-way valve connected to the other end of the water pipe 82. And a valve CV2.

［１．１２．圧力検出器］
燃料電池システム１０は、バイパス水素ライン５０の圧力を検出するための圧力検出器（図示せず）をさらに備えていても良い。圧力検出器は、アノードオフガスの排出量を制御する際に用いられる。排出量の制御の詳細については、後述する。 [1.12. Pressure detector]
The fuel cell system 10 may further include a pressure detector (not shown) for detecting the pressure of the bypass hydrogen line 50. The pressure detector is used to control the amount of discharge of the anode off gas. Details of the control of the discharge amount will be described later.

［１．１３．制御装置］
制御装置（図示せず）は、燃料電池システム１０の動作を制御するためのものである。本発明において、制御装置は、通常の制御に加えて、定常運転制御手段と、水素回収手段とを備えている。制御装置は、再生手段及び／又は排出量制御手段をさらに備えていても良い。 [1.13. Control device]
The controller (not shown) is for controlling the operation of the fuel cell system 10. In the present invention, the control device includes steady operation control means and hydrogen recovery means in addition to normal control. The controller may further comprise regeneration means and / or emission control means.

［１．１３．１．定常運転制御手段］
「定常運転制御手段」とは、定常運転時に実行される手段であって、燃料電池１４のアノード流路から排出されたアノードオフガスを気液分離器１６に供給し、気液分離器１６で処理されたアノードオフガスをアノード流路の入口に戻すための手段をいう。この場合、冷却水の制御方法は、特に限定されない。 [1.13.1. Steady operation control means]
The “steady operation control means” is a means executed during steady operation and supplies the anode off gas discharged from the anode flow path of the fuel cell 14 to the gas-liquid separator 16, and the gas is processed by the gas-liquid separator 16. Means for returning the anode off gas to the inlet of the anode flow path. In this case, the control method of the cooling water is not particularly limited.

燃料電池１４の熱収支のバランスが取れている場合、定常運転制御手段は、
定常運転時において、燃料電池１４のアノード流路から排出されたアノードオフガスを気液分離器１６に供給し、気液分離器１６で処理されたアノードオフガスをアノード流路の入口に戻し、さらに、
燃料電池１４の冷却流路の出口から排出された冷却水を、バイパス冷却水ライン８０を介して燃料電池１４の冷却流路の入口に戻すものが好ましい。
一方、燃料電池１４の温度が過度に上昇した時は、燃料電池１４と冷却装置２０との間で冷却水を循環させても良い。 When the heat balance of the fuel cell 14 is balanced, the steady operation control means
During steady-state operation, the anode off gas discharged from the anode channel of the fuel cell 14 is supplied to the gas-liquid separator 16, the anode off gas processed by the gas-liquid separator 16 is returned to the inlet of the anode channel,
It is preferable that the cooling water discharged from the outlet of the cooling channel of the fuel cell 14 be returned to the inlet of the cooling channel of the fuel cell 14 via the bypass cooling water line 80.
On the other hand, when the temperature of the fuel cell 14 is excessively raised, cooling water may be circulated between the fuel cell 14 and the cooling device 20.

［１．１３．２．水素回収手段］
「水素回収手段」とは、アノードオフガスに含まれる不純物濃度がしきい値を超えたと判断された時に実行される手段であって、燃料電池１４のアノード流路から排出されたアノードオフガスを、バイパス水素ライン５０を介して水素回収器１８に供給し、水素回収器１８で処理されたアノードオフガスを気液分離器１６を介して大気に排出する手段をいう。 [1.13.2. Hydrogen recovery means]
The “hydrogen recovery means” is a means to be executed when it is determined that the concentration of impurities contained in the anode off gas exceeds the threshold value, and bypasses the anode off gas discharged from the anode flow path of the fuel cell 14. Means for supplying to the hydrogen recovery unit 18 via the hydrogen line 50 and discharging the anode off gas processed by the hydrogen recovery unit 18 to the atmosphere via the gas-liquid separator 16.

水素回収器１８がアノードオフガスから水素を回収する際に発熱を伴うもの（例えば、ＭＨタンク）である場合、水素回収手段は、
アノードオフガスに含まれる不純物濃度がしきい値を超えたと判断された時に、燃料電池１４のアノード流路から排出されたアノードオフガスを、バイパス水素ライン５０を介して水素回収器１８に供給し、水素回収器１８で処理されたアノードオフガスを気液分離器１６を介して大気に排出し、さらに、
燃料電池１４の冷却流路の出口から排出された冷却水をバイパス冷却水ライン８０を介して燃料電池１４の冷却流路の入口に戻し、かつ、第２熱交換ライン７０を介して水素回収器１８と冷却装置２０との間で冷却水を循環させるものが好ましい。 If the hydrogen recovery unit 18 generates heat when recovering hydrogen from the anode off gas (for example, a MH tank), the hydrogen recovery means is
When it is determined that the impurity concentration contained in the anode off gas exceeds the threshold value, the anode off gas discharged from the anode flow channel of the fuel cell 14 is supplied to the hydrogen recovery unit 18 via the bypass hydrogen line 50 to The anode off gas processed by the recovery unit 18 is discharged to the atmosphere via the gas-liquid separator 16, and
The cooling water discharged from the outlet of the cooling channel of the fuel cell 14 is returned to the inlet of the cooling channel of the fuel cell 14 via the bypass cooling water line 80, and the hydrogen recovery unit via the second heat exchange line 70. Preferably, cooling water is circulated between the cooling device 18 and the cooling device 20.

アノードオフガスに含まれる不純物濃度がしきい値を超えたか否かは、例えば、
（ａ）燃料電池１４の電圧・電流を検出する、
（ｂ）前回の排気・排水時からの水素タンク１２からの水素供給量と燃料電池１４の発電量の積算値を算出する、
などの方法により知ることができる。 For example, whether the concentration of impurities contained in the anode off gas exceeds a threshold value
(A) detecting the voltage and current of the fuel cell 14;
(B) Calculate an integrated value of the hydrogen supply amount from the hydrogen tank 12 from the previous exhaust / drainage time and the power generation amount of the fuel cell 14;
It can be known by methods such as

［１．１３．３．再生手段］
「再生手段」とは、水素回収手段を実行した後、不純物濃度がしきい値未満となったと判断された時に実行される手段であって、燃料電池１４のアノード流路から排出されたアノードオフガスを気液分離器１６に供給し、気液分離器１６で処理されたアノードオフガスを燃料電池１４のアノード流路の入口に戻すと同時に、水素回収器１８から水素ガスを放出し、放出された水素ガスをアノードオフガスに添加する手段をいう。 [1.13.3. Reproduction means]
The “regeneration means” is a means to be executed when it is determined that the impurity concentration has become less than the threshold after the hydrogen recovery means is executed, and the anode off gas discharged from the anode flow path of the fuel cell 14 Is supplied to the gas-liquid separator 16, and the anode off-gas treated by the gas-liquid separator 16 is returned to the inlet of the anode flow path of the fuel cell 14, and at the same time the hydrogen recovery unit 18 releases hydrogen gas. Means for adding hydrogen gas to anode off gas.

水素回収器１８が水素を放出する際に吸熱を伴うもの（例えば、ＭＨタンク）である場合、再生手段は、
水素回収手段を実行した後、不純物濃度が前記しきい値未満となったと判断された時に、燃料電池１４のアノード流路から排出されたアノードオフガスを気液分離器１６に供給し、気液分離器１６で処理されたアノードオフガスをアノード流路の入口に戻すと同時に、水素回収器１８から水素ガスを放出し、放出された水素ガスをアノードオフガスに添加し、さらに、
第１熱交換ライン６０を介して燃料電池１４と水素回収器１８との間で冷却水を循環させるものが好ましい。 If the hydrogen recovery unit 18 is endowed with heat absorption when releasing hydrogen (for example, a MH tank), the regeneration means is
After execution of the hydrogen recovery means, when it is determined that the impurity concentration has become less than the threshold value, the anode off gas discharged from the anode flow path of the fuel cell 14 is supplied to the gas-liquid separator 16 for gas-liquid separation. The hydrogen gas is released from the hydrogen recovery unit 18 at the same time as the anode off gas treated in the reactor 16 is returned to the inlet of the anode flow path, and the released hydrogen gas is added to the anode off gas,
Preferably, cooling water is circulated between the fuel cell 14 and the hydrogen recovery unit 18 via the first heat exchange line 60.

［１．１３．４．排出量制御手段］
「排出量制御手段」とは、水素回収手段を実行する際に、圧力検出器で検出されたバイパス水素ライン５０の圧力に基づいて、アノードオフガスの排出及び停止、又は、アノードオフガスの大気への排出量を制御する手段をいう。
水素回収器１８用いてアノードオフガスから水素ガスを回収する場合、水素ガスをほぼ完全に回収するのに所定の時間を要する場合がある。このような場合において、アノードオフガスを単に水素回収器１８及び気液分離器１６に供給すると、回収しきれなかった水素ガスがシステム外に放出される場合がある。 [1.13.4. Emission control means]
The “emission amount control means” means the discharge and stop of the anode off gas or the anode off gas to the atmosphere based on the pressure of the bypass hydrogen line 50 detected by the pressure detector when the hydrogen recovery means is performed. Means to control emissions.
When recovering hydrogen gas from the anode off gas using the hydrogen recovery unit 18, it may take a predetermined time to recover hydrogen gas almost completely. In such a case, when the anode off gas is simply supplied to the hydrogen recovery unit 18 and the gas-liquid separator 16, hydrogen gas that could not be recovered may be released out of the system.

このような場合、バイパス水素ライン５０の圧力を監視しながら、アノードオフガスの排出及び停止、あるいは、アノードオフガスの排出量を制御するのが好ましい。
アノードオフガスの排出量の制御は、例えば、開閉バルブＶ５の開閉操作、あるいは、開閉バルブＶ５の流量制御により行うことができる。 In such a case, it is preferable to control the discharge and stop of the anode off gas or the discharge amount of the anode off gas while monitoring the pressure of the bypass hydrogen line 50.
The control of the discharge amount of the anode off gas can be performed, for example, by the opening / closing operation of the opening / closing valve V5 or the flow rate control of the opening / closing valve V5.

［２．燃料電池システムの運転方法］
次に、図１に示す燃料電池システム１０の運転方法について説明する。なお、以下では、燃料電池１４として固体高分子形燃料電池を用い、水素回収器１８としてＭＨタンクを用いた例について説明する。水素吸蔵合金には、以下の平衡特性（温度、圧力）を有し、かつ、表面が水素透過膜で被覆されているものを用いた。
３０℃の平衡水素圧力（絶対圧）：０．０５ＭＰａ
６０℃の平衡水素圧力（絶対圧）：０．２ＭＰａ
さらに、環境温度は、３０℃とした。 [2. Operating method of fuel cell system]
Next, an operation method of the fuel cell system 10 shown in FIG. 1 will be described. Hereinafter, an example in which a polymer electrolyte fuel cell is used as the fuel cell 14 and an MH tank is used as the hydrogen recovery unit 18 will be described. As the hydrogen storage alloy, one having the following equilibrium characteristics (temperature, pressure) and having a surface covered with a hydrogen permeable membrane was used.
30 ° C equilibrium hydrogen pressure (absolute pressure): 0.05MPa
60 ° C equilibrium hydrogen pressure (absolute pressure): 0.2MPa
Furthermore, the environmental temperature was 30.degree.

［２．１．定常運転モード］
図２に、図１に示す燃料電池システム１０の定常運転モード時におけるガス及び冷却水の流れの模式図を示す。図２中、開閉バルブ及び三方弁の内、黒く塗りつぶされている部分は閉じられていることを表す。この点は、図３〜図４も同様である。 [2.1. Steady operation mode]
FIG. 2 shows a schematic view of the flow of gas and cooling water in the steady operation mode of the fuel cell system 10 shown in FIG. In FIG. 2, the black portions of the on-off valve and the three-way valve indicate that they are closed. This point is the same as in FIGS. 3 to 4.

定常運転時において、燃料電池１４の作動温度は、６０℃である。この場合、第１三方弁ＣＶ１及び第２三方弁ＣＶ２を、それぞれ、バイパス冷却水ライン８０側に切り替える。この状態で、第１熱媒ポンプ６６を起動させる。また、水素ポンプ４６を起動させ、第２開閉バルブＶ２を開にする。これにより、水素ガスが燃料電池１４と気液分離器１６との間で循環する。第１開閉バルブＶ１は、常時開としても良く、あるいは、必要水素供給量に応じて開閉しても良い。第１開閉バルブＶ１を開にすると、水素タンク１２から必要量の水素が燃料電池１４に供給される。 During steady-state operation, the operating temperature of the fuel cell 14 is 60.degree. In this case, the first three-way valve CV1 and the second three-way valve CV2 are respectively switched to the bypass cooling water line 80 side. In this state, the first heat medium pump 66 is started. Further, the hydrogen pump 46 is activated to open the second on-off valve V2. Thus, hydrogen gas is circulated between the fuel cell 14 and the gas-liquid separator 16. The first on-off valve V1 may be always open or may be opened or closed according to the required hydrogen supply amount. When the first on-off valve V1 is opened, a necessary amount of hydrogen is supplied from the hydrogen tank 12 to the fuel cell 14.

［２．２．水素回収モード］
図３に、図１に示す燃料電池システム１０の水素回収モード時におけるガス及び冷却水の流れの模式図を示す。 [2.2. Hydrogen recovery mode]
FIG. 3 shows a schematic view of the flow of gas and cooling water in the hydrogen recovery mode of the fuel cell system 10 shown in FIG.

水素循環ライン４０の不純物濃度がしきい値以上になったと判断された場合（例えば、燃料電池１４のアノードオフガス出口の全圧が０．２ＭＰａであり、かつ、水素分圧が０．１５ＭＰａである場合）、水素ポンプ４６を停止させる。また、第２開閉バルブＶ２を閉にし、第３開閉バルブＶ３及び第４開閉バルブＶ４を開にする。これにより、水素回収器１８内の水素吸蔵合金に、分圧０．０５ＭＰａとなるまで水素を吸蔵させることができる。また、バイパス水素ライン５０の圧力を検知して第５開閉バルブＶ５を開閉制御し、水素回収器１８を通過したアノードオフガスを大気に放出する。 When it is determined that the impurity concentration in the hydrogen circulation line 40 becomes equal to or higher than the threshold (for example, the total pressure at the anode off gas outlet of the fuel cell 14 is 0.2 MPa and the hydrogen partial pressure is 0.15 MPa And stop the hydrogen pump 46). Further, the second on-off valve V2 is closed, and the third on-off valve V3 and the fourth on-off valve V4 are opened. Thus, hydrogen can be absorbed by the hydrogen storage alloy in the hydrogen recovery unit 18 until the partial pressure becomes 0.05 MPa. Further, the pressure of the bypass hydrogen line 50 is detected to control the opening and closing of the fifth on-off valve V5, and the anode off gas that has passed through the hydrogen recovery unit 18 is released to the atmosphere.

さらに、第２熱媒ポンプ７６を起動し、第６開閉弁Ｖ６及び第７開閉弁Ｖ７を開にし、水素回収器１８中の水素吸蔵合金を３０℃に冷却する。水素循環ライン４０中の不純物濃度がしきい値未満になったと判断された時は、後述する再生モードに移行する。
なお、水素回収器１８の水素吸蔵量がフル充填に満たない時は、再生モードではなく、上述した定常運転モードに移行しても良い。 Furthermore, the second heat medium pump 76 is activated, the sixth on-off valve V6 and the seventh on-off valve V7 are opened, and the hydrogen storage alloy in the hydrogen recovery unit 18 is cooled to 30 ° C. When it is determined that the impurity concentration in the hydrogen circulation line 40 has become less than the threshold value, the regeneration mode to be described later is entered.
When the hydrogen storage amount of the hydrogen recovery unit 18 is less than the full charge, it may be shifted to the above-mentioned steady operation mode instead of the regeneration mode.

［２．３．再生モード］
図４に、図１に示す燃料電池システム１０の再生モード時におけるガス及び冷却水の流れの模式図を示す。 [2.3. Playback mode]
FIG. 4 is a schematic view of the flow of gas and cooling water in the regeneration mode of the fuel cell system 10 shown in FIG.

アノードオフガスの不純物濃度がしきい値未満になったと判断された時は、第２開閉バルブＶ２を開にし、第３開閉バルブＶ３及び第５開閉バルブＶ５を閉にし、水素ポンプ４６を起動させる。また、第６開閉バルブＶ６及び第７開閉バルブＶ７を閉にし、第２熱媒ポンプ７６を停止させる。その一方で、第１三方弁ＣＶ１及び第２三方弁ＣＶ２を水素回収器１８側に切り替える。この操作により、燃料電池１４の廃熱（６０℃）を利用して、水素回収器１８から０．２ＭＰａの水素を放出し、燃料電池１４に供給できる。この場合もまた、必要に応じて、第１開閉バルブＶ１を開閉する。 When it is determined that the impurity concentration of the anode off gas becomes less than the threshold value, the second on-off valve V2 is opened, the third on-off valve V3 and the fifth on-off valve V5 are closed, and the hydrogen pump 46 is started. Further, the sixth opening / closing valve V6 and the seventh opening / closing valve V7 are closed, and the second heat medium pump 76 is stopped. On the other hand, the first three-way valve CV1 and the second three-way valve CV2 are switched to the hydrogen recovery unit 18 side. By this operation, by using the waste heat (60 ° C.) of the fuel cell 14, hydrogen of 0.2 MPa can be released from the hydrogen recovery unit 18 and supplied to the fuel cell 14. Also in this case, the first on-off valve V1 is opened and closed as needed.

［３．作用］
アノードオフガス循環式の燃料電池システムにおいては、気液分離器を用いてアノードオフガスから水蒸気が分離される。しかしながら、アノードオフガス循環を継続すると、やがてアノードオフガス中の不純物（例えば、気液分離器で除去しきれなかった水蒸気）の濃度が増大する。この場合、アノードオフガス循環を停止した状態で発電を継続すれば、アノード流路から不純物を排出することができる。しかしながら、この方法では、システム外に排出される未反応の水素量が増大する。 [3. Action]
In an anode off-gas circulation fuel cell system, a vapor-liquid separator is used to separate water vapor from the anode off-gas. However, when the anode off gas circulation is continued, the concentration of impurities (for example, water vapor which can not be completely removed by the gas-liquid separator) in the anode off gas eventually increases. In this case, if power generation is continued with the anode off gas circulation stopped, impurities can be discharged from the anode flow channel. However, this method increases the amount of unreacted hydrogen discharged out of the system.

また、水素回収器として、表面が水素透過膜で被覆された水素吸蔵合金を内封したＭＨタンクを用いると、アノードオフガス中の水素のみを回収・貯蔵することが可能となる。
また、水素吸蔵合金が内封された水素回収器を第５開閉バルブＶ５（排気排水弁）の上流側に設置することで、水素回収器で水素を回収した後のアノードオフガスをシステム外に排出することができる。
また、冷却水ラインを通して燃料電池の廃熱を利用することで、外部エネルギーを投入することなく水素回収器で回収した水素を燃料電池に供給できる。
さらに、熱交換ラインに冷却装置を設置し、さらに燃料電池側と冷却装置側を熱的に切り離す機構を設置することで、水素回収時に水素吸蔵合金を冷却することができる。 In addition, when an MH tank having a hydrogen storage alloy whose surface is covered with a hydrogen permeable film is used as a hydrogen recovery unit, only hydrogen in the anode off gas can be recovered and stored.
Also, by installing a hydrogen recovery unit in which a hydrogen storage alloy is enclosed on the upstream side of the fifth open / close valve V5 (exhaust drainage valve), the anode off gas after hydrogen recovery by the hydrogen recovery unit is discharged out of the system can do.
In addition, by utilizing the waste heat of the fuel cell through the cooling water line, it is possible to supply the hydrogen recovered by the hydrogen recovery device to the fuel cell without inputting external energy.
Further, by installing a cooling device in the heat exchange line and further providing a mechanism for thermally separating the fuel cell side and the cooling device side, the hydrogen storage alloy can be cooled at the time of hydrogen recovery.

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described in detail, this invention is not limited at all to the said embodiment, A various change is possible within the range which does not deviate from the summary of this invention.

本発明に係る燃料電池システムは、車載動力源、定置型の発電システム等に使用することができる。 The fuel cell system according to the present invention can be used for an on-vehicle power source, a stationary power generation system, and the like.

１０燃料電池システム
１２水素タンク
１４燃料電池
１６気液分離器
１８水素回収器
２０冷却装置
３０水素ライン
４０水素循環ライン
５０バイパス水素ライン
６０第１熱交換ライン
７０第２熱交換ライン
８０バイパス冷却水ライン DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 fuel cell system 12 hydrogen tank 14 fuel cell 16 gas-liquid separator 18 hydrogen recovery unit 20 cooling device 30 hydrogen line 40 hydrogen circulation line 50 bypass hydrogen line 60 first heat exchange line 70 second heat exchange line 80 bypass cooling water line

Claims

Fuel cell system with the following configuration.
(1) The fuel cell system
A hydrogen tank for storing hydrogen gas,
A fuel cell fueled by the hydrogen gas;
A hydrogen line for supplying the hydrogen gas from the hydrogen tank to the anode channel of the fuel cell;
A hydrogen circulation line for returning anode off gas discharged from the outlet of the anode flow channel to the inlet of the anode flow channel;
A gas-liquid separator provided on the hydrogen circulation line for separating water vapor from the anode off gas;
A bypass hydrogen line connected in parallel to the hydrogen circulation line between the outlet of the anode channel and the inlet of the gas-liquid separator;
A hydrogen recovery unit provided on the bypass hydrogen line for recovering hydrogen gas from the anode off gas;
And a controller for controlling the operation of the fuel cell system.
(2) The control device
(A) During steady operation, the anode off gas discharged from the anode flow channel is supplied to the gas-liquid separator, and the anode off gas processed by the gas-liquid separator is returned to the inlet of the anode flow channel Steady operation control means,
(B) The anode off gas exhausted from the anode flow channel is supplied to the hydrogen recovery unit through the bypass hydrogen line when it is determined that the concentration of impurities contained in the anode off gas has exceeded a threshold value. Hydrogen recovery means for discharging the anode off gas treated by the hydrogen recovery unit to the atmosphere via the gas-liquid separator;
Is equipped.

The controller is
(C) supplying the anode off gas discharged from the anode flow channel to the gas-liquid separator when it is determined that the impurity concentration has become less than the threshold after executing the hydrogen recovery means; At the same time as the anode off gas processed by the gas-liquid separator is returned to the inlet of the anode flow path, the hydrogen recovery unit releases the hydrogen gas and the released hydrogen gas is added to the anode off gas. The fuel cell system according to claim 1, further comprising means.

A cooling system for cooling the hydrogen recovery unit or the fuel cell, and a first heat exchange line for circulating cooling water between the fuel cell and the hydrogen recovery unit;
A second heat exchange line for circulating the cooling water between the hydrogen recovery unit and the cooling device, or between the fuel cell and the cooling device;
The fuel according to claim 1 or 2, further comprising: a bypass cooling water line for returning the cooling water discharged from the outlet of the cooling channel of the fuel cell as it is to the inlet of the cooling channel of the fuel cell. Battery system.

The steady operation control means
During steady-state operation, the anode off gas discharged from the anode flow channel is supplied to the gas-liquid separator, and the anode off gas processed by the gas-liquid separator is returned to the inlet of the anode flow channel,
The fuel cell system according to claim 3, wherein the cooling water discharged from the outlet of the cooling channel of the fuel cell is returned to the inlet of the cooling channel of the fuel cell via the bypass cooling water line. .

The hydrogen recovery means is
When it is determined that the concentration of impurities contained in the anode off gas exceeds a threshold, the anode off gas discharged from the anode flow path is supplied to the hydrogen recovery unit via the bypass hydrogen line, and the hydrogen is removed. Discharging the anode off gas treated by the recovery unit to the atmosphere through the gas-liquid separator;
The cooling water discharged from the outlet of the cooling channel of the fuel cell is returned to the inlet of the cooling channel via the bypass cooling water line, and the hydrogen recovery unit via the second heat exchange line 5. The fuel cell system according to claim 3, wherein the cooling water is circulated between the cooling device and the cooling device.

The reproduction means is
After execution of the hydrogen recovery means, when it is determined that the impurity concentration has become less than the threshold value, the anode off gas discharged from the anode flow channel is supplied to the gas-liquid separator, and the gas-liquid While the anode off gas treated by the separator is returned to the inlet of the anode flow channel, the hydrogen recovery unit releases the hydrogen gas, and the released hydrogen gas is added to the anode off gas;
The fuel cell system according to any one of claims 3 to 5, comprising circulating the cooling water between the fuel cell and the hydrogen recovery unit via the first heat exchange line.

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, wherein the hydrogen recovery unit comprises an MH tank in which a hydrogen storage material is enclosed.

The fuel cell system according to claim 7, wherein the hydrogen storage material has a surface covered with a hydrogen permeable membrane.

The pressure sensor further comprises a pressure sensor for detecting the pressure of the bypass hydrogen line,
When the control unit executes the hydrogen recovery means, discharge and stop of the anode off gas or the anode off gas to the atmosphere based on the pressure of the bypass hydrogen line detected by the pressure detector. 9. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 8, further comprising emission control means for controlling an emission.