JP2006066106A - Fuel cell system and starting method of the fuel cell system - Google Patents

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Junji Morita
純司 森田
Yasushi Sugawara
靖 菅原
Takayuki Urata
隆行 浦田
Shinya Kosako
慎也 古佐小
Takahiro Umeda
孝裕 梅田
Kiichi Shibata
礎一 柴田
Yoichiro Tsuji
庸一郎 辻
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of appropriately coping with the problem of acceleration in drying for an electrolyte film, local reaction or the like, and to stabilize the performance of a fuel cell. <P>SOLUTION: The fuel cell system is provided with a fuel cell 121 for generating power from fuel gas and an oxidant; a fuel gas supplying piping 161 as a fuel gas supplying means supplying the fuel gas to the anode side of the fuel cell, as well as a first switching valve 129; an oxidizing gas supply piping 162 as an oxidant gas supplying means for supplying an oxidant to a cathode side of the fuel cell, as well as a second shut-off valve 131; a raw gas supplying piping 151 as a raw gas supplying means for supplying a raw material of the fuel gas to the fuel cell, as well as a third switching valve 143; and a control part 127 for controlling the supply of the fuel gas, supply of the oxidant and supply of the raw material. By the control of the control part 127, the cathode side of the fuel cell is purged, at the start of power generation of the fuel cell. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池システムおよびその起動方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell system and a startup method thereof.

従来の一般的な固体高分子電解質型燃料電池の構成および動作について図1、2および7を参照しながら説明する。図1においては、従来の燃料電池の中でも高分子電解質型燃料電池(以降、PEFCと称する)の基本構成を示している。燃料電池は、水素などの燃料ガスと空気などの酸素含有ガスをガス拡散電極によって電気化学的に反応させるもので、電気と熱とを同時に発生させるものである。電解質1は水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜等が利用される。電解質1の両面には、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層2を密着して配置してある。この触媒反応層で(化学式1)と(化学式2)に示す反応が発生し、燃料電池全体としては(化学式3)に示す反応が発生する。   The configuration and operation of a conventional general solid polymer electrolyte fuel cell will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows a basic structure of a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as PEFC) among conventional fuel cells. A fuel cell is one that causes a fuel gas such as hydrogen and an oxygen-containing gas such as air to react electrochemically with a gas diffusion electrode, and generates electricity and heat simultaneously. As the electrolyte 1, a polymer electrolyte membrane that selectively transports hydrogen ions is used. A catalyst reaction layer 2 mainly composed of carbon powder carrying a platinum-based metal catalyst is disposed on both surfaces of the electrolyte 1 in close contact with each other. Reactions represented by (Chemical Formula 1) and (Chemical Formula 2) occur in this catalytic reaction layer, and a reaction represented by (Chemical Formula 3) occurs in the fuel cell as a whole.

(化1)
2→2H++2e-
(化2)
1/2O2+2H++2e-→H2
(化3)
2+1/2O2→H2
少なくとも水素を含む燃料ガス(以降、アノードガスと称する)は(化学式1)に示す反応(以降、アノード反応と称する)し、電解質1を介して移動した水素イオンは、酸素含有ガス(以降、カソードガスと称する)と触媒反応層2で(化学式2)に示す反応(以降、カソード反応と称する)により、水を生成し、このとき電気と熱を生ずる。燃料電池全体としては(式3)に示すように、水素と酸素が反応し水が発生する際に、電気と熱が利用できるのである。水素などの燃料ガスの関与する側をアノードと呼び、図ではaを付け表し、空気などの酸素含有ガスの関与する側をカソードと呼び、図ではcを付け表した。さらに触媒反応層2aと2cの外面には、ガス通気性と導電性を兼ね備えた拡散層3aと3cをこれに密着して配置する。この拡散層3aと3cと触媒反応層2a、2cにより電極4aと4cを構成する。5は電極電解質接合体(以降、MEAと称する)であり、電極4と電解質1とで形成している。MEA5は、MEA5を機械的に固定するとともに、隣接するMEA5同士を互いに電気的に直列に接続し、さらに電極に反応ガスを供給し、かつ反応により発生したガスや余剰のガスを運び去るためのガス流路6aと6cをMEA5に接する面に形成した一対の導電性セパレータ7aと7cを配置する。電解質1と、1対の触媒反応層2aと2cと、一対の拡散層3aと3cと、一対の電極4aと4c、一対のセパレータ7aと7cで基本の燃料電池単位(以降、セルと称する)を形成する。セパレータ7aと7cにはMEA5とは反対の面に、隣のセルのセパレータ7cと7aが接する。冷却水通路8はセパレータ7aと7cが接する側に設けられ、ここに冷却水9が流れる。冷却水9はセパレータ7aと7cを介してMEA5の温度を調整するように熱を移動させる。MEAガスケット10はMEA5とセパレータ7aまたは7cの封止をおこない、セパレータガスケット11はセパレータ7aと7cを封止する。
(Chemical formula 1)
H 2 → 2H + + 2e
(Chemical formula 2)
1 / 2O 2 + 2H + + 2e → H 2 O
(Chemical formula 3)
H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O
The fuel gas containing at least hydrogen (hereinafter referred to as anode gas) undergoes the reaction shown in (Chemical Formula 1) (hereinafter referred to as anode reaction), and the hydrogen ions moved through the electrolyte 1 are converted into oxygen-containing gas (hereinafter referred to as cathode). Water is generated by the reaction shown in (Chemical Formula 2) in the catalytic reaction layer 2 (hereinafter referred to as the cathode reaction) and electricity and heat are generated at this time. As shown in (Equation 3), the fuel cell as a whole can use electricity and heat when hydrogen and oxygen react to generate water. The side in which a fuel gas such as hydrogen is involved is called an anode, and a is added in the figure, the side in which an oxygen-containing gas such as air is involved is called a cathode, and c is shown in the figure. Furthermore, diffusion layers 3a and 3c having both gas permeability and conductivity are disposed in close contact with the outer surfaces of the catalyst reaction layers 2a and 2c. The diffusion layers 3a and 3c and the catalyst reaction layers 2a and 2c constitute electrodes 4a and 4c. Reference numeral 5 denotes an electrode electrolyte assembly (hereinafter referred to as MEA), which is formed by the electrode 4 and the electrolyte 1. The MEA 5 is used for mechanically fixing the MEA 5 and electrically connecting adjacent MEAs 5 to each other, supplying a reaction gas to the electrodes, and carrying away a gas generated by the reaction and excess gas. A pair of conductive separators 7a and 7c, in which the gas flow paths 6a and 6c are formed on the surface in contact with the MEA 5, are disposed. A basic fuel cell unit (hereinafter referred to as a cell) includes an electrolyte 1, a pair of catalytic reaction layers 2a and 2c, a pair of diffusion layers 3a and 3c, a pair of electrodes 4a and 4c, and a pair of separators 7a and 7c. Form. The separators 7a and 7c are in contact with the separators 7c and 7a of the adjacent cells on the surface opposite to the MEA 5. The cooling water passage 8 is provided on the side where the separators 7a and 7c are in contact, and the cooling water 9 flows there. The cooling water 9 moves heat so as to adjust the temperature of the MEA 5 through the separators 7a and 7c. The MEA gasket 10 seals the MEA 5 and the separator 7a or 7c, and the separator gasket 11 seals the separators 7a and 7c.

電解質1には固定電荷を有しており、固定電荷の対イオンとして水素イオンが存在している。電解質1には水素イオンを選択的に透過させる機能が求められるが、そのためには電解質1が水分を保持していることが必要である。電解質1は水分を含むことにより、電解質1内に固定されている固定電荷が電離し、固定電荷の対イオンである水素がイオン化し、移動できるようになるからである。   The electrolyte 1 has a fixed charge, and hydrogen ions exist as counter ions of the fixed charge. The electrolyte 1 is required to have a function of selectively allowing hydrogen ions to permeate. For this purpose, the electrolyte 1 needs to retain moisture. This is because when the electrolyte 1 contains moisture, the fixed charge fixed in the electrolyte 1 is ionized, and hydrogen, which is a counter ion of the fixed charge, is ionized and can move.

図2でセルを積層したものでスタックについて説明する。燃料電池セルの電圧は通常0.75v程度と低いために、セルを直列に複数個積層し、高電圧となるようにしている。集電板21はスタックから外部に電流を取り出すためのであり、絶縁板22はセルと外部を電気的に絶縁する。端板23はセルを積層したスタックを締結し、機械的に保持する。   The stack will be described with reference to FIG. Since the voltage of the fuel cell is usually as low as about 0.75 V, a plurality of cells are stacked in series so that the voltage becomes high. The current collecting plate 21 is for taking out current from the stack to the outside, and the insulating plate 22 electrically insulates the cell from the outside. The end plate 23 fastens and stacks a stack of cells.

図38を参照して従来の燃料電池システムを説明する。外筐体31に燃料電池システムが納められている。ガス清浄部32は燃料ガスから燃料電池に悪影響を与える物質を除去し、原料ガス配管33を介して外部から燃料ガスを導く。弁34は原料ガスの流れを制御する。燃料生成器35は原料ガスから少なくとも水素を含む燃料ガスを生成する。燃料生成器35から燃料ガス配管37を介してスタック38に燃料ガスを導びく。ブロワー39は酸化剤ガスを吸気管40を通してスタック38に導く。排気管42はスタック38から排出された酸化剤ガスを燃料電池システムの外に排出する。スタック38で利用されなかった燃料ガスはオフガス管48により再び、燃料生成器35に流れ込む。オフガス管48からのガスは燃焼などに用いられ、原料ガスから燃料ガスを生成するための吸熱反応等に利用される。電力回路部43は燃料電池スタック38から電力を取り出し、制御部44はガスや電力回路部などを制御する。ポンプ45は冷却水入り口配管46から燃料電池スタック38の水経路に水を流す。燃料電池スタック38を流れた水は冷却水出口配管47から外部に水が運ばれる。燃料電池のスタック38を水が流れることにより、発熱したスタック38を一定の温度に保ちながら、発生した熱を燃料電池システム外部で利用できるようになるのである。燃料電池システムは燃料電池からなるスタック38と、ガス清浄部32と、燃料生成器35と、電力回路部43と、制御部44とより構成されている。   A conventional fuel cell system will be described with reference to FIG. A fuel cell system is housed in the outer casing 31. The gas cleaning unit 32 removes a substance that adversely affects the fuel cell from the fuel gas, and guides the fuel gas from the outside through the raw material gas pipe 33. The valve 34 controls the flow of the raw material gas. The fuel generator 35 generates a fuel gas containing at least hydrogen from the raw material gas. The fuel gas is led from the fuel generator 35 to the stack 38 via the fuel gas pipe 37. The blower 39 guides the oxidant gas to the stack 38 through the intake pipe 40. The exhaust pipe 42 discharges the oxidant gas discharged from the stack 38 to the outside of the fuel cell system. The fuel gas that has not been used in the stack 38 flows again into the fuel generator 35 through the off-gas pipe 48. The gas from the off-gas pipe 48 is used for combustion or the like, and is used for an endothermic reaction or the like for generating a fuel gas from the raw material gas. The power circuit unit 43 extracts power from the fuel cell stack 38, and the control unit 44 controls the gas, the power circuit unit, and the like. The pump 45 causes water to flow from the cooling water inlet pipe 46 to the water path of the fuel cell stack 38. The water that has flowed through the fuel cell stack 38 is carried to the outside from the cooling water outlet pipe 47. By flowing water through the stack 38 of the fuel cell, the generated heat can be used outside the fuel cell system while maintaining the heated stack 38 at a constant temperature. The fuel cell system includes a stack 38 composed of fuel cells, a gas cleaning unit 32, a fuel generator 35, a power circuit unit 43, and a control unit 44.

家庭用の燃料電池システムは、燃料電池スタック38と燃料生成器35で構成される。燃料電池システムの性能低下が少なく、性能を長期間維持できるようにすることが必要である。また、家庭用としてメタンを主成分とする都市ガスなどの原料ガスを用いた場合、光熱費メリットおよびCO2の削減効果を大きくするために、電気と熱の消費量の少ない時間帯は停止し、電気と熱の消費量の多い時間帯に運転する運転方法が有効である。 The home fuel cell system includes a fuel cell stack 38 and a fuel generator 35. It is necessary to reduce the performance degradation of the fuel cell system so that the performance can be maintained for a long time. In addition, when source gas such as city gas mainly composed of methane is used for household use, it stops during periods of low electricity and heat consumption in order to increase the utility cost and CO 2 reduction effect. An operation method that operates in a time zone where consumption of electricity and heat is large is effective.

一般に、昼間は運転して深夜は運転を停止するDSS(Daily Start & Stop or Daily Start-up & Shut-down )運転は光熱費メリットとCO2の削減効果を大きくすることができ、燃料電池システムは、起動と停止を含む運転パターンに柔軟に対応できることが望ましい。これまでいくつかの報告がなされている。 In general, DSS (Daily Start & Stop or Daily Start-up & Shut-down) operation, which operates in the daytime and stops at midnight, can increase the utility cost and CO 2 reduction effect. It is desirable to be able to respond flexibly to operation patterns including start and stop. Several reports have been made so far.

例えば、これらの課題を解決方法として起動時に、システムの外部負荷接続を開始するまで別途システム内に電力消費する手段を接続し、開回路電位になるのを防いでいた(特許文献1参照)。また、システム内に開回路電圧の抑制のための放電手段を設置していた(特許文献2参照)。また、保管時にも電解質であるイオン交換膜を保水状態に保つため加湿された不活性ガスを封入して停止・保管していた(特許文献3参照)。酸素極の酸化または不純物付着を防止するため、酸素含有ガスの供給を停止した状態で発電し、酸素消費操作を行い耐久性の向上を図っていた(特許文献4参照)。また、アノードからカソードにリークする水素を用い、カソード電極の性能を向上させていた(特許文献5参照)。
特開平5−251101号公報 特開平8−222258号公報 特開平6−251788号公報 特開2002−93448号公報 特開2000−260454号公報
For example, as a solution to these problems, a means for consuming electric power is separately connected in the system until starting the external load connection of the system at the start-up, thereby preventing an open circuit potential (see Patent Document 1). Moreover, the discharge means for suppression of an open circuit voltage was installed in the system (refer patent document 2). Further, in order to keep the ion exchange membrane, which is an electrolyte, in a water retaining state during storage, the humidified inert gas is sealed and stored (see Patent Document 3). In order to prevent oxidation of the oxygen electrode or adhesion of impurities, power generation was performed with the supply of the oxygen-containing gas stopped, and oxygen consumption operation was performed to improve durability (see Patent Document 4). Further, hydrogen leaking from the anode to the cathode is used to improve the performance of the cathode electrode (see Patent Document 5).
Japanese Patent Laid-Open No. 5-251101 JP-A-8-222258 JP-A-6-251788 JP 2002-93448 A JP 2000-260454 A

しかしながら、上記の従来の燃料電池の停止保管方法によれば、電解質膜の乾燥促進を防止する目的で加湿不活性ガスによって燃料電池の内部を置換することを開示はしているものの、この停止保管方法には次のような改善すべき事項を有している。   However, according to the above-described conventional method for stopping and storing the fuel cell, although it is disclosed that the inside of the fuel cell is replaced with a humidified inert gas for the purpose of preventing the drying of the electrolyte membrane from being accelerated, The method has the following items to be improved.

第一に、たとえ燃料電池を外部雰囲気から遮断するよう封止しても、燃料電池を一定期間(例えば15時間〜3日程度)保管した場合、この封止部から空気(酸素ガス)が燃料電池の内部にもれて混入する可能性がある。とりわけ特許文献3に記載の加湿不活性ガス導入法(停止直後の導入)の場合、燃料電池の内部の温度低下によって加湿不活性ガスに含有する水蒸気が結露して負圧化が促進されて、酸素ガス混入の懸念は一層高まる。そしてこのような状況下で、燃料電池の再起動時に水素リッチな燃料ガスを供給すれば、燃料電池のアノードにおいて酸素ガスと燃料ガスによる局所反応が燃料電池の破損や燃料電池の性能劣化に至りかねない。   First, even if the fuel cell is sealed off from the external atmosphere, when the fuel cell is stored for a certain period (for example, about 15 hours to 3 days), air (oxygen gas) is fueled from the sealed portion. There is a possibility of leaking inside the battery and mixing. In particular, in the humidified inert gas introduction method described in Patent Document 3 (introduction immediately after stopping), the water vapor contained in the humidified inert gas is condensed due to the temperature drop inside the fuel cell, and negative pressure is promoted. Concerns about oxygen gas contamination are further increased. Under such circumstances, if hydrogen-rich fuel gas is supplied when the fuel cell is restarted, the local reaction of oxygen gas and fuel gas at the anode of the fuel cell leads to damage of the fuel cell or deterioration of the performance of the fuel cell. It might be.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、電解質膜の乾燥促進および局所反応等の問題に適切に対応できて、燃料電池の性能安定化を図れる燃料電池システムおよびその起動方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and its object is to appropriately cope with problems such as acceleration of drying of the electrolyte membrane and local reaction, and a fuel cell system capable of stabilizing the performance of the fuel cell. It is to provide a starting method.

上記の目的を達成するために、第1の本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとから電力を発生させる燃料電池と、
前記燃料ガスを、前記燃料電池のアノード側へ供給する燃料ガス供給手段と、
前記酸化剤ガスを、前記燃料電池のカソード側へ供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料ガスの原料ガスを、前記燃料電池へ供給する原料ガス供給手段と、
前記燃料ガス供給手段、前記酸化剤ガス供給手段および前記原料ガス供給手段を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段の制御により、
前記燃料電池の発電を開始する際に、
前記酸化剤ガス供給手段および前記燃料ガス供給手段が前記燃料電池に前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを供給する前に、前記原料ガス供給手段が前記燃料電池の、少なくともカソード側を前記原料ガスでパージする、燃料電池システムである。
In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention provides a fuel cell that generates electric power from a fuel gas and an oxidant gas;
Fuel gas supply means for supplying the fuel gas to the anode side of the fuel cell;
Oxidant gas supply means for supplying the oxidant gas to the cathode side of the fuel cell;
A raw material gas supply means for supplying the raw material gas of the fuel gas to the fuel cell;
Control means for controlling the fuel gas supply means, the oxidant gas supply means and the source gas supply means,
By the control of the control means,
When starting power generation of the fuel cell,
Before the oxidant gas supply means and the fuel gas supply means supply the fuel gas and the oxidant gas to the fuel cell, the source gas supply means uses the source gas at least on the cathode side of the fuel cell. A fuel cell system for purging.

また、第2の本発明は、前記原料ガス供給手段は、前記燃料電池内の前記カソード側をパージした後、アノード側をパージする、第1の本発明の燃料電池システムである。   The second aspect of the present invention is the fuel cell system according to the first aspect of the present invention, wherein the source gas supply means purges the anode side after purging the cathode side in the fuel cell.

また、第3の本発明は、前記燃料ガス供給手段と前記燃料電池のカソード側との間に設けられた燃料ガス配管と、
前記燃料ガス配管の途中に設けられた燃料ガス開閉弁と、
前記酸化剤ガス供給手段と前記燃料電池のアノード側との間に設けられた酸化剤ガス配管と、
前記酸化剤ガス配管の途中に設けられた酸化剤ガス開閉弁と、
前記原料ガス供給手段と、前記酸化剤ガス開閉弁と前記燃料電池のカソード側との間の前記酸化剤ガス配管の一部分に接続された原料ガス配管と、
前記原料ガス配管の途中に設けられた原料ガス開閉弁とを備えた、
第1または第2の本発明の燃料電池システムである。
The third aspect of the present invention includes a fuel gas pipe provided between the fuel gas supply means and the cathode side of the fuel cell;
A fuel gas on-off valve provided in the middle of the fuel gas pipe;
An oxidant gas pipe provided between the oxidant gas supply means and the anode side of the fuel cell;
An oxidant gas on-off valve provided in the middle of the oxidant gas pipe;
A source gas pipe connected to a part of the oxidant gas pipe between the source gas supply means, the oxidant gas on-off valve and the cathode side of the fuel cell;
A source gas on-off valve provided in the middle of the source gas pipe,
It is a fuel cell system according to the first or second aspect of the present invention.

また、第4の本発明は、前記燃料電池のカソード側から排出されるオフガスを排出するカソード側排出配管と、
前記カソード側排出配管の途中に設けられたカソード側オフガス開閉弁と、
前記パージを、
前記カソード側オフガス開閉弁を開け、
前記原料ガス開閉弁を所定の期間開けた後閉じる、ことにより行う、第3の本発明の燃料電池システムである。
The fourth aspect of the present invention is a cathode side discharge pipe for discharging off gas discharged from the cathode side of the fuel cell;
A cathode-side off-gas on-off valve provided in the middle of the cathode-side exhaust pipe;
The purge,
Open the cathode side off-gas on-off valve,
The fuel cell system according to a third aspect of the present invention is performed by opening and closing the source gas on-off valve after a predetermined period.

また、第5の本発明は、前記原料ガス供給手段と、前記燃料ガス開閉弁と前記燃料電池のアノード側との間との間の前記原料ガス配管の一部分に接続された付加原料ガス配管と、
前記付加原料ガス配管の途中に設けられた付加原料ガス開閉弁と、
前記燃料電池のアノード側から排出されるオフガスを排出するアノード側排出配管と、
前記アノード側排出配管の途中に設けられたアノード側オフガス開閉弁とを備え、
前記パージを、
前記原料ガス開閉弁を開けた後に、
さらに前記アノード側オフガス開閉弁を開け、
前記付加原料ガス開閉弁を所定の期間開ける、ことにより行う、第4の本発明の燃料電池システムである。
The fifth aspect of the present invention includes the source gas supply means and an additional source gas pipe connected to a portion of the source gas pipe between the fuel gas on-off valve and the anode side of the fuel cell. ,
An additional raw material gas on-off valve provided in the middle of the additional raw material gas pipe;
An anode side discharge pipe for discharging off-gas discharged from the anode side of the fuel cell;
An anode-side off-gas on-off valve provided in the middle of the anode-side exhaust pipe,
The purge,
After opening the source gas on-off valve,
Furthermore, open the anode side off-gas on-off valve,
The fuel cell system according to a fourth aspect of the present invention is performed by opening the additional source gas on-off valve for a predetermined period.

また、第6の本発明は、前記酸化剤ガス供給手段および前記燃料ガス供給手段が前記燃料電池に前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを供給する動作は、
前記アノード側オフガス開閉弁を開けた後に前記燃料ガス開閉弁を開け、
次いで前記カソード側オフガス開閉弁を開けた後に前記酸化剤ガス開閉弁を開ける、ことにより、行なう、第5の本発明の燃料電池システムである。
According to a sixth aspect of the present invention, the oxidant gas supply means and the fuel gas supply means supply the fuel gas and the oxidant gas to the fuel cell.
After opening the anode-side off-gas on-off valve, open the fuel gas on-off valve,
Next, the fuel cell system according to the fifth aspect of the present invention is performed by opening the cathode-side off-gas on-off valve and then opening the oxidant gas on-off valve.

また、第7の本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとから電力を発生させる燃料電池と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料供給手段とを備えた燃料電池システムの起動方法であって、
前記燃料電池の発電を開始する際に、
前記燃料電池に前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを供給する前に、前記燃料電池の、少なくともカソード側を、前記燃料ガスを生成するのに用いる原料ガスでパージする、燃料電池発電システムの起動方法。
A seventh aspect of the present invention is a fuel cell for generating electric power from a fuel gas and an oxidant gas, an oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the fuel cell, and the fuel gas to the fuel cell. A fuel cell system start-up method comprising fuel supply means for supplying,
When starting power generation of the fuel cell,
Prior to supplying the fuel gas and the oxidant gas to the fuel cell, at least a cathode side of the fuel cell is purged with a raw material gas used to generate the fuel gas, and a method for starting a fuel cell power generation system .

また、第8の本発明は、前記燃料電池内の、前記カソード側をパージした後、前記アノード側をパージする、第7の本発明の燃料電池システムの起動方法である。   The eighth aspect of the present invention is the fuel cell system start-up method according to the seventh aspect of the present invention, wherein the anode side is purged after purging the cathode side in the fuel cell.

また、第9の本発明は、第7の本発明の燃料電池システムの起動方法の、前記燃料電池の発電を開始する際に、前記燃料電池に前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを供給する前に、前記燃料電池の、少なくともカソード側を、前記燃料ガスを生成するのに用いる原料ガスでパージする工程を、コンピュータにより制御するためのプログラムである。   According to a ninth aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system start-up method according to the seventh aspect of the present invention, prior to supplying the fuel gas and the oxidant gas to the fuel cell when starting the power generation of the fuel cell. And a program for controlling, by a computer, a step of purging at least the cathode side of the fuel cell with the raw material gas used to generate the fuel gas.

また、第10の本発明は、第9の本発明のプログラムを担持した記録媒体であって、コンピュータにより処理可能な記録媒体である。   The tenth aspect of the present invention is a recording medium carrying the program of the ninth aspect of the present invention, which can be processed by a computer.

本発明によれば、燃料電池の内部を適切なタイミングで加湿原料ガスの雰囲気に曝すことで、電解質膜の乾燥促進および局所反応等の問題に適切に対応できて、燃料電池の性能安定化を図ることができる。   According to the present invention, by exposing the inside of the fuel cell to the humidified raw material gas atmosphere at an appropriate timing, it is possible to appropriately cope with problems such as accelerated drying of the electrolyte membrane and local reactions, and to stabilize the performance of the fuel cell. You can plan.

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における燃料電池の例として、高分子電解質型燃料電池の基本構成を示している。燃料電池は、少なくとも水素を含む燃料ガスと空気などの酸素を含む酸化剤ガスをガス拡散電極によって電気化学的に反応させるもので、電気と熱とを同時に発生させるものである。電解質1は水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜等が利用させる。電解質1の両面には、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層2を密着して配置してある。この触媒反応層2aと2cで(化学式1)と(化学式2)に示す反応が発生する。少なくとも水素を含む燃料ガスは(式1)に示す反応(以降、アノード反応と称する)し、電解質1を介して移動した水素イオンは、酸化剤ガスと触媒反応層2で(式2)に示す反応(以降、カソード反応と称する)により、水を生成し、このとき電気と熱を生ずる。水素などの燃料ガスの関与する側をアノードと呼び、図ではaを付け表し、空気などの酸化剤ガスの関与する側をカソードと呼び、図ではCを付け表した。さらに触媒反応層2aと2cの外面には、ガス通気性と導電性を兼ね備えた拡散層3aと3cをそれぞれこれに密着して配置する。この拡散層3aと触媒反応層2aにより電極4aを、拡散層3cと触媒反応層2cにより電極4cを構成する。膜電極接合体(以降、MEAと称する)5は、電極4aと4cと電解質1とで形成している。MEA5は、MEA5を機械的に固定するとともに、隣接するMEA5同士を互いに電気的に直列に接続し、さらに電極に反応ガスを供給し、かつ反応により発生したガスや余剰のガスを運び去るためのガス流路6aと6cをMEA5に接する面に形成した一対の導電性セパレータ7aと7cを配置する。電解質1と、1対の触媒反応層2aと2cと、一対の拡散層3aと3cと、一対の電極4aと4cと、一対のセパレータ7aと7cで基本の燃料電池(以降、セルと称する)を形成する。セパレータ7aと7cにはMEA5とは反対の面に、隣のセルのセパレータ7cと7aが接する。セパレータ7aと7cが接する側には冷却水通路8が設けられており、ここに冷却水9が流れる。冷却水9はセパレータ7aと7cを介してMEA5の温度を調整するように熱を移動させる。MEA5とセパレータ7aまたは7cはMEAガスケット10で封止され、セパレータ7aと7cはセパレータガスケット11で封止される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a basic configuration of a polymer electrolyte fuel cell as an example of the fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention. In a fuel cell, a fuel gas containing at least hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air are electrochemically reacted by a gas diffusion electrode, and electricity and heat are generated simultaneously. The electrolyte 1 is used by a polymer electrolyte membrane that selectively transports hydrogen ions. A catalyst reaction layer 2 mainly composed of carbon powder carrying a platinum-based metal catalyst is disposed on both surfaces of the electrolyte 1 in close contact with each other. Reactions represented by (Chemical Formula 1) and (Chemical Formula 2) occur in the catalytic reaction layers 2a and 2c. The fuel gas containing at least hydrogen undergoes the reaction shown in (Equation 1) (hereinafter referred to as an anode reaction), and the hydrogen ions moved through the electrolyte 1 are shown in (Equation 2) in the oxidant gas and the catalytic reaction layer 2. The reaction (hereinafter referred to as the cathodic reaction) produces water, which generates electricity and heat. The side in which fuel gas such as hydrogen is involved is called an anode, and a is added in the figure, the side in which oxidant gas such as air is involved is called a cathode, and C is shown in the figure. Furthermore, diffusion layers 3a and 3c having both gas permeability and conductivity are arranged in close contact with the outer surfaces of the catalyst reaction layers 2a and 2c, respectively. The diffusion layer 3a and the catalyst reaction layer 2a constitute an electrode 4a, and the diffusion layer 3c and the catalyst reaction layer 2c constitute an electrode 4c. A membrane electrode assembly (hereinafter referred to as MEA) 5 is formed of electrodes 4 a and 4 c and an electrolyte 1. The MEA 5 is used for mechanically fixing the MEA 5 and electrically connecting adjacent MEAs 5 to each other, supplying a reaction gas to the electrodes, and carrying away a gas generated by the reaction and excess gas. A pair of conductive separators 7a and 7c, in which the gas flow paths 6a and 6c are formed on the surface in contact with the MEA 5, are disposed. A basic fuel cell (hereinafter referred to as a cell) comprising an electrolyte 1, a pair of catalytic reaction layers 2a and 2c, a pair of diffusion layers 3a and 3c, a pair of electrodes 4a and 4c, and a pair of separators 7a and 7c. Form. The separators 7a and 7c are in contact with the separators 7c and 7a of the adjacent cells on the surface opposite to the MEA 5. A cooling water passage 8 is provided on the side where the separators 7a and 7c are in contact, and the cooling water 9 flows there. The cooling water 9 moves heat so as to adjust the temperature of the MEA 5 through the separators 7a and 7c. The MEA 5 and the separator 7 a or 7 c are sealed with the MEA gasket 10, and the separators 7 a and 7 c are sealed with the separator gasket 11.

電解質1は固定電荷を有しており、固定電荷の対イオンとして水素イオンが存在している。電解質1には水素イオンを選択的に透過させる機能が求められるが、そのためには電解質1が水分を保持していることが必要である。電解質1は水分を含むことにより、電解質1内に固定されている固定電荷が電離し、固定電荷の対イオンである水素がイオン化し、移動できるようになるからである。   The electrolyte 1 has a fixed charge, and hydrogen ions exist as a counter ion of the fixed charge. The electrolyte 1 is required to have a function of selectively allowing hydrogen ions to permeate. For this purpose, the electrolyte 1 needs to retain moisture. This is because when the electrolyte 1 contains moisture, the fixed charge fixed in the electrolyte 1 is ionized, and hydrogen, which is a counter ion of the fixed charge, is ionized and can move.

図2はセルを積層したものでスタックと呼ばれる。燃料電池セルの電圧は通常0.75v程度と低いために、セルを直列に複数個積層し、高電圧と成るようにしている。スタックから外部には一対の集電板21から電流が取り出され、一対の絶縁板22によりセルと外部を電気的に絶縁され、一対の端板23により、セルを積層したスタックは締結され、機械的に保持される。   FIG. 2 is a stack of cells and is called a stack. Since the voltage of the fuel cell is usually as low as about 0.75 v, a plurality of cells are stacked in series so as to obtain a high voltage. A current is taken out from the pair of current collecting plates 21 to the outside from the stack, the cell and the outside are electrically insulated by the pair of insulating plates 22, and the stack of the cells stacked is fastened by the pair of end plates 23. Retained.

図3は、本発明の実施の形態の燃料電池システムの構成図である。燃料電池システムは外筐体31に納められている。外部から原料ガス配管33から取り入れられた原料ガスは、燃料電池に悪影響を与える物質を除去するガス清浄部32で清浄化された後、清浄ガス配管36を介して燃料生成器35に導かれる。原料ガス配管33の経路中には開閉弁34が設けられており、原料ガスの流れを制御する。燃料生成器35は、原料ガスから少なくとも水素を含む燃料ガスを生成する。38はスタックであり、図1および図2で詳細が示される燃料電池およびスタックである。燃料生成器35からスタック38のアノード側には燃料ガス配管37を介して燃料ガスが導かれる。   FIG. 3 is a configuration diagram of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention. The fuel cell system is housed in the outer casing 31. The raw material gas taken in from the raw material gas pipe 33 from the outside is purified by the gas cleaning unit 32 that removes substances that adversely affect the fuel cell, and then guided to the fuel generator 35 through the clean gas pipe 36. An open / close valve 34 is provided in the path of the source gas pipe 33 to control the flow of the source gas. The fuel generator 35 generates a fuel gas containing at least hydrogen from the raw material gas. Reference numeral 38 denotes a stack, which is a fuel cell and a stack whose details are shown in FIGS. Fuel gas is led from the fuel generator 35 to the anode side of the stack 38 through the fuel gas pipe 37.

酸化剤ガスとしての空気はブロワー39により、外部から吸気管40を通して、分配弁56を介して吸気管40と接続された酸化剤ガス配管40aを介してスタック38のカソード側に導かれる。スタック38で使用されなかった酸化剤ガスは排気管42から燃料電池システムの外に排出される。燃料電池は水分が必要なため、スタック38に流れ込む酸化剤ガスは、加湿器41で加湿される。スタック38で使用されなかった燃料ガスはオフガス管48により再び、燃料生成器35に流れ込む。オフガス管48からのガスは燃焼などに用いられ、原料ガスから燃料ガスを生成するための吸熱反応等に利用される。清浄ガス配管36には分配弁60が設けられ、吸気管40中にも分配弁56が設けられている。分配弁60と分配弁56はバイパス管55につながっている。またバイパス管55と、燃料ガス配管の、スタック38と分配弁60との間には、バイパス管61が設けられ、バイパス管61には開閉弁62が設けられている。分配弁60はガス清浄部32で浄化された後の原料ガスを燃料生成器35側に流すガス量と、バイパス管55の側に流すガス量とを調節し、分配弁56はブロワー39から送り込まれた酸化剤ガスと、バイパス管55から送られてきた浄化された後の原料ガスを任意の比率で混合しスタック38に送ることができる。燃料ガス配管37には開閉弁49が設けられており、スタック38の燃料ガスの供給経路のガスの流れを遮断または流量の制御をする。オフガス管48には開閉弁54が設けられており、スタック38の燃料ガスの排出経路のガスの流れを遮断する。開閉弁57は加湿器41からスタック38への酸化剤ガスの供給経路に設けられており、スタック38の酸化剤ガスの供給経路のガスの流れを遮断または流量の制御をする。開閉弁58はスタック38から酸化剤ガスの排出経路に設けられており、スタック38の酸化剤ガスの排出経路のガスの流れを遮断または流量の制御をする。開閉弁49とスタック38の燃料ガス供給経路中には圧力計59aが設けられており、燃料ガス供給経路およびスタック38中の燃料ガス経路の圧力が計測される。開閉弁57とスタック38の酸化剤ガス供給経路中には圧力計59bが設けられており、酸化剤ガス供給経路およびスタック38中の酸化剤ガス経路の圧力が計測される。燃料電池スタック38の電圧は電圧測定部52で計測され、電力は電力回路部43により取り出され、原料ガス、燃料ガス、酸化剤ガス、オフガス、冷却水の各配管に設けられた弁、各開閉弁や電力回路部などは制御部44で制御される。ポンプ45より、冷却水入り口配管46から燃料電池スタック38の水経路に水が流され、燃料電池38を流れた水は冷却水出口配管47から外部に水が運ばれる。燃料電池のスタック38を水が流れることにより、発熱したスタック38を一定の温度に保ちながら、発生した熱を燃料電池システム外部で利用できるようになるのである。   The air as the oxidant gas is led from the outside through the intake pipe 40 by the blower 39 to the cathode side of the stack 38 via the distribution valve 56 and the oxidant gas pipe 40 a connected to the intake pipe 40. The oxidant gas that has not been used in the stack 38 is discharged out of the fuel cell system through the exhaust pipe 42. Since the fuel cell needs moisture, the oxidant gas flowing into the stack 38 is humidified by the humidifier 41. The fuel gas that has not been used in the stack 38 flows again into the fuel generator 35 through the off-gas pipe 48. The gas from the off-gas pipe 48 is used for combustion or the like, and is used for an endothermic reaction or the like for generating a fuel gas from the raw material gas. A distribution valve 60 is provided in the clean gas pipe 36, and a distribution valve 56 is also provided in the intake pipe 40. The distribution valve 60 and the distribution valve 56 are connected to the bypass pipe 55. Further, a bypass pipe 61 is provided between the bypass pipe 55 and the fuel gas pipe stack 38 and the distribution valve 60, and the bypass pipe 61 is provided with an on-off valve 62. The distribution valve 60 adjusts the amount of gas that flows to the fuel generator 35 side after the gas purified by the gas cleaning unit 32 and the amount of gas that flows to the side of the bypass pipe 55, and the distribution valve 56 is fed from the blower 39. The purified oxidant gas and the purified raw material gas sent from the bypass pipe 55 can be mixed at an arbitrary ratio and sent to the stack 38. The fuel gas pipe 37 is provided with an on-off valve 49, which shuts off the flow of gas in the fuel gas supply path of the stack 38 or controls the flow rate. The off gas pipe 48 is provided with an open / close valve 54 to block the gas flow in the fuel gas discharge path of the stack 38. The on-off valve 57 is provided in the oxidant gas supply path from the humidifier 41 to the stack 38, and shuts off or controls the flow of gas in the oxidant gas supply path of the stack 38. The on-off valve 58 is provided in the oxidant gas discharge path from the stack 38, and shuts off or controls the flow rate of the gas in the oxidant gas discharge path of the stack 38. A pressure gauge 59 a is provided in the fuel gas supply path of the on-off valve 49 and the stack 38, and the pressures of the fuel gas supply path and the fuel gas path in the stack 38 are measured. A pressure gauge 59 b is provided in the oxidant gas supply path of the on-off valve 57 and the stack 38, and the pressures in the oxidant gas supply path and the oxidant gas path in the stack 38 are measured. The voltage of the fuel cell stack 38 is measured by the voltage measuring unit 52, the electric power is taken out by the power circuit unit 43, and the valves provided in the pipes of the raw material gas, fuel gas, oxidant gas, off gas, and cooling water, and the open / close states Valves, power circuit units, and the like are controlled by the control unit 44. The pump 45 causes water to flow from the cooling water inlet pipe 46 to the water path of the fuel cell stack 38, and the water that has flowed through the fuel cell 38 is carried from the cooling water outlet pipe 47 to the outside. By flowing water through the stack 38 of the fuel cell, the generated heat can be used outside the fuel cell system while maintaining the heated stack 38 at a constant temperature.

燃料電池システムは燃料電池からなるスタック38と、ガス清浄部32と、燃料生成器35と、電力回路部43と、制御部44とより構成されている。   The fuel cell system includes a stack 38 composed of fuel cells, a gas cleaning unit 32, a fuel generator 35, a power circuit unit 43, and a control unit 44.

以上のような構成を有する燃料電池システムの基本動作を説明する。図3において、弁34が開となり、原料ガス配管33から原料ガスがガス清浄部32に流れ込む。原料ガスとしては天然ガス、プロパンガスなど炭化水素系のガスを使用することが出来るが、本実施の形態としてはメタン、エタン、プロパン、ブタンガスの混合ガスである都市ガスの13Aを用いた。ガス清浄部32としては、特にTBM(ターシャリブチルメルカプタン)、DMS(ジメチルサルファイド)、THT(テトラヒドロチオフィン)等のガス付臭剤の除去の除去を行う部材を用いている。付臭剤などの硫黄化合物は燃料電池の触媒に吸着し、触媒毒となり反応を阻害するためである。燃料生成器35では(化学式9)に示す反応等により、水素が生成される。同時に発生する一酸化炭素は、(化学式10)に示されるようなシフトか反応と(化学式11)に示されるような一酸化炭素選択酸化反応により、10ppm以下となるように除去される。   The basic operation of the fuel cell system having the above configuration will be described. In FIG. 3, the valve 34 is opened, and the source gas flows from the source gas pipe 33 into the gas cleaning unit 32. Although hydrocarbon gas such as natural gas or propane gas can be used as the source gas, 13A of city gas which is a mixed gas of methane, ethane, propane and butane gas is used in this embodiment. As the gas cleaning part 32, a member for removing gas odorant such as TBM (tertiary butyl mercaptan), DMS (dimethyl sulfide), THT (tetrahydrothiofin) is used. This is because sulfur compounds such as odorants are adsorbed on the catalyst of the fuel cell to become a catalyst poison and inhibit the reaction. In the fuel generator 35, hydrogen is generated by the reaction shown in (Chemical Formula 9) or the like. The simultaneously generated carbon monoxide is removed so as to be 10 ppm or less by a shift or reaction as shown in (Chemical Formula 10) and a carbon monoxide selective oxidation reaction as shown in (Chemical Formula 11).

(化9)
CH3+H2O→3H2+CO(−203.0KJ/mol)
(化10)
CO+nH2O→kCO2+(n−k)CO
(化11)
CO+O2→CO2
ここで、水を反応に必要な最低限量以上を入れると、水素と水分を含む燃料ガスが作成し、燃料ガス配管37を介して燃料電池のスタック38に流れ込む。酸化剤ガスはブロワー39により加湿器41を通った後、スタック38に流れ込む。酸化剤ガスの排ガスは排気管42により外部に排出される。加湿器41として、温水に酸化剤ガスを流すものや、酸化剤ガス中に水を吹き込むもの等が使用できるが、本実施の形態では全熱交換型を使用した。これは、排ガス中の水と熱が加湿器41を通過する際に、吸気管40から運ばれ原料となる酸化剤ガス中に移動させるものである。冷却水は、ポンプ45より冷却水入り口配管46から燃料電池スタック38の水経路に流された後、冷却水出口配管47から外部に水が運ばれる。
(Chemical 9)
CH 3 + H 2 O → 3H 2 + CO (−203.0 KJ / mol)
(Chemical formula 10)
CO + nH 2 O → kCO 2 + (n−k) CO
(Chemical Formula 11)
CO + O 2 → CO 2
Here, when water is added in a minimum amount necessary for the reaction, a fuel gas containing hydrogen and moisture is created and flows into the fuel cell stack 38 via the fuel gas pipe 37. The oxidant gas passes through the humidifier 41 by the blower 39 and then flows into the stack 38. The exhaust gas of the oxidant gas is discharged to the outside through the exhaust pipe 42. As the humidifier 41, one that flows an oxidant gas into warm water, one that blows water into the oxidant gas, or the like can be used. In this embodiment, a total heat exchange type is used. In this case, when water and heat in the exhaust gas pass through the humidifier 41, they are carried from the intake pipe 40 and moved into the oxidant gas as the raw material. The cooling water flows from the cooling water inlet pipe 46 to the water path of the fuel cell stack 38 from the pump 45, and then the water is carried to the outside from the cooling water outlet pipe 47.

本図では図示されていないが、冷却水入り口配管45や冷却水出口配管47には、通常給湯器などの熱を溜めるまたは利用する機器などが接続されている。燃料電池のスタック38で発生する熱を取りだし、給湯等に利用できるようになるのである。スタック38での発電は、電圧測定部52で電圧が測定され、十分発電が行われていると制御部44が判断すると、電力回路部43により電力が取り出される。電力回路部43ではスタック38から取り出した直流の電力を、交流へと変換し、家庭等で利用されている電力線にいわゆる系統連係で接続される。   Although not shown in the figure, the cooling water inlet pipe 45 and the cooling water outlet pipe 47 are connected to a device for accumulating or using heat such as a normal water heater. The heat generated in the fuel cell stack 38 is taken out and can be used for hot water supply or the like. In the power generation in the stack 38, the voltage is measured by the voltage measurement unit 52, and when the control unit 44 determines that the power generation is sufficiently performed, the power circuit unit 43 extracts the power. In the power circuit unit 43, the DC power taken out from the stack 38 is converted into AC and connected to a power line used at home or the like by so-called system linkage.

スタック38内での燃料電池の動作を図1を用いて説明する。ガス流路6Cに空気などの酸素含有ガスが流れ、ガス流路6aに水素を含む燃料ガスが流れる。燃料ガス中の水素は拡散層3aを拡散し、触媒反応層2aに達する。触媒反応層2aで水素は水素イオンと電子に分けられる。電子は外部回路を通じてカソード側に移動される。水素イオンは電解質1を透過しカソード側に移動し触媒反応層2Cに達する。空気などの酸化剤ガス中の酸素は拡散層3Cを拡散し、触媒反応層2Cに達する。触媒反応層2Cでは酸素が電子と反応し酸素イオンとなり、さらに酸素イオンは水素イオンと反応し水が生成される。つまりMEA5の周囲で酸素含有ガスと燃料ガスが反応し水が生成され、電子が流れる。さらに反応時に熱が生成し、MEA5の温度が上昇する。そのため冷却水経路8a、8cに水などを流すことにより反応で発生した熱を水で外部に運び出す。つまり、熱と電流(電気)が発生するのである。このとき、導入されるガスの湿度と反応で発生する水の量の管理が重要である。水分が少ないと電解質1が乾燥し、固定電荷の電離が少なくなるために水素の移動が減少するので、熱や電気の発生が小さくなる。一方水分が多すぎると、MEA5の周りまたは触媒反応層2a、2cの周囲に水が溜まってしまい、ガスの供給が阻害され反応が抑制されるため、熱と電気の発生が減少してしまう(以降、この状態をフラッティングと称する。)。   The operation of the fuel cell in the stack 38 will be described with reference to FIG. An oxygen-containing gas such as air flows through the gas flow path 6C, and a fuel gas containing hydrogen flows through the gas flow path 6a. Hydrogen in the fuel gas diffuses through the diffusion layer 3a and reaches the catalytic reaction layer 2a. In the catalytic reaction layer 2a, hydrogen is divided into hydrogen ions and electrons. The electrons are moved to the cathode side through an external circuit. The hydrogen ions permeate the electrolyte 1 and move to the cathode side and reach the catalytic reaction layer 2C. Oxygen in the oxidant gas such as air diffuses in the diffusion layer 3C and reaches the catalytic reaction layer 2C. In the catalytic reaction layer 2C, oxygen reacts with electrons to form oxygen ions, and the oxygen ions react with hydrogen ions to generate water. That is, oxygen-containing gas and fuel gas react around MEA 5 to generate water, and electrons flow. Further, heat is generated during the reaction, and the temperature of MEA 5 rises. Therefore, the heat generated in the reaction is carried out by water by flowing water or the like through the cooling water paths 8a and 8c. That is, heat and current (electricity) are generated. At this time, it is important to control the humidity of the introduced gas and the amount of water generated by the reaction. When there is little moisture, the electrolyte 1 is dried and the ionization of the fixed charge is reduced, so that the movement of hydrogen is reduced, so that the generation of heat and electricity is reduced. On the other hand, when there is too much moisture, water accumulates around the MEA 5 or around the catalyst reaction layers 2a and 2c, and the gas supply is inhibited and the reaction is suppressed, so that the generation of heat and electricity is reduced ( Hereinafter, this state is referred to as flatting).

燃料電池のセルで反応した後の動作について図3を用いて説明する。スタック38内で使用されなかった酸化剤ガスである排ガスは加湿器41を介し、熱と水分をブロワー39から送られてきた酸化剤ガスに移動させた後、外部へ排出される。スタック38内で使用されなかった燃料ガスであるオフガスはオフガス管48により再び、燃料生成器35に流れ込む。オフガス管48からのガスは燃料生成器35中では燃焼などに用いられる。原料ガスから燃料ガスを生成するための反応は(化学式6)で示されるように吸熱反応であるため、反応に必要な熱として利用されるのである。電力回路43は燃料電池が発電を開始した後スタック38から直流の電力を引き出す役割をする。制御部44は燃料電池システムの他の部分の制御を最適に保つよう制御するものである。燃料電池の運転を停止したい場合は、分配弁56と分配弁60を動作させ、ガス浄化部32で浄化した後の原料ガスをスタック38へ流し込むのである。   The operation after reacting in the fuel cell will be described with reference to FIG. The exhaust gas, which is an oxidant gas that has not been used in the stack 38, is transferred to the oxidant gas sent from the blower 39 via the humidifier 41 and then discharged to the outside. Off-gas that is fuel gas that has not been used in the stack 38 flows again into the fuel generator 35 through the off-gas pipe 48. The gas from the off gas pipe 48 is used for combustion in the fuel generator 35. Since the reaction for generating the fuel gas from the raw material gas is an endothermic reaction as shown by (Chemical Formula 6), it is used as heat necessary for the reaction. The power circuit 43 serves to draw DC power from the stack 38 after the fuel cell starts generating power. The controller 44 controls the other parts of the fuel cell system so as to keep the control optimal. In order to stop the operation of the fuel cell, the distribution valve 56 and the distribution valve 60 are operated, and the raw material gas purified by the gas purification unit 32 is poured into the stack 38.

なお、本実施の形態では図1において、MEA5は以下のように作成した。すなわち、炭素粉末であるアセチレンブラック(電気化学工業(株)製のデンカブラック、粒径35nm)を、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の水性ディスパージョン(ダイキン工業(株)製のD1)と混合し、乾燥重量としてPTFEを20重量%含む撥水インクを調製した。このインクを、ガス拡散層の基材となるカーボンペーパー(東レ(株)製のTGPH060H)の上に塗布して含浸させ、熱風乾燥機を用いて300℃で熱処理し、ガス拡散層(約200μm)を形成した。   In the present embodiment, in FIG. 1, the MEA 5 is created as follows. In other words, carbon powder acetylene black (Denka Black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., particle size 35 nm) was mixed with an aqueous dispersion of polytetrafluoroethylene (PTFE) (D1 manufactured by Daikin Kogyo Co., Ltd.). A water repellent ink containing 20% by weight of PTFE as a dry weight was prepared. This ink is applied and impregnated on carbon paper (TGPH060H manufactured by Toray Industries, Inc.) serving as a base material for the gas diffusion layer, heat treated at 300 ° C. using a hot air dryer, and the gas diffusion layer (about 200 μm). ) Was formed.

一方、炭素粉末であるケッチェンブラック(ケッチェンブラックインターナショナル(株)製のKetjen Black EC、粒径30nm)上にPt触媒を担持させて得られた触媒体(50重量%がPt)66重量部を、水素イオン伝導材かつ結着剤であるパーフルオロカーボンスルホン酸アイオノマー(米国Aldrich社製の5重量%Nafion分散液)33重量部(高分子乾燥重量)と混合し、得られた混合物を成形して触媒層(10〜20μm)を形成した。   On the other hand, 66 parts by weight of a catalyst body (50 wt% Pt) obtained by supporting a Pt catalyst on Ketjen Black (Ketjen Black EC, Ketjen Black International Co., Ltd., particle size 30 nm), which is carbon powder. Is mixed with 33 parts by weight (polymer dry weight) of perfluorocarbon sulfonic acid ionomer (5% by weight Nafion dispersion manufactured by Aldrich, USA) which is a hydrogen ion conductive material and a binder, and the resulting mixture is molded. Thus, a catalyst layer (10 to 20 μm) was formed.

上述のようにして得たガス拡散層と触媒層とを、高分子電解質膜(米国DuPont社のNafion112膜)の両面に接合し、MEA5を作製した。   The gas diffusion layer and the catalyst layer obtained as described above were bonded to both surfaces of a polymer electrolyte membrane (Nafion 112 membrane manufactured by DuPont, USA) to produce MEA5.

つぎに、以上のように作製したMEA5の電解質1の外周部にゴム製のガスケット板を接合し、冷却水、燃料ガスおよび酸化剤ガス流通用のマニホールド穴を形成した。   Next, a rubber gasket plate was joined to the outer periphery of the electrolyte 1 of the MEA 5 produced as described above, and manifold holes for circulating cooling water, fuel gas, and oxidant gas were formed.

一方、20cm×32cm×1.3mmの外寸を有し、かつ深さ0.5mmのガス流路および冷却水流路を有する、フェノール樹脂を含浸させた黒鉛板からなる導電性のセパレータ板7を用いた。   On the other hand, a conductive separator plate 7 made of a graphite plate impregnated with a phenol resin, having an outer dimension of 20 cm × 32 cm × 1.3 mm and having a gas flow path and a cooling water flow path having a depth of 0.5 mm. Using.

以上のような構成を有する本実施の形態の燃料電池システムの動作を以下に説明するとともに、これにより、本発明の燃料電池システムの停止方法の一実施の形態について、図4に示すフローチャートを用い説明する。本実施の形態では不活性ガスとして、ガス清浄部32により清浄化された原料ガスを用いた。原料ガスの主成分はメタンガスであるので、本実施の形態中で使用する高分子電解質型の燃料電池にとっては反応性がほとんどないため不活性ガスとして扱えるのである。   The operation of the fuel cell system of the present embodiment having the above-described configuration will be described below, and the flowchart of FIG. 4 shows an embodiment of the fuel cell system stop method of the present invention. explain. In the present embodiment, the raw material gas cleaned by the gas cleaning unit 32 is used as the inert gas. Since the main component of the source gas is methane gas, the polymer electrolyte fuel cell used in the present embodiment has almost no reactivity and can be treated as an inert gas.

まず、図3の燃料電池システムで発電と発熱を行う(運転工程)を実行した。(運転工程)では、原料ガスは都市ガスの13Aガス、酸化剤ガスとしては空気をそれぞれ用いた。燃料電池スタック38の温度は70℃、燃料ガス利用率(Uf)は70%、酸素利用率(Uo)は40%の条件とした。燃料ガスおよび空気は、それぞれ65℃および70℃の露点を有するように加湿し、電力回路部43から電力としてある電圧の電流を取り出した。電流は電極の見かけ面積に対して、0.2A/cm2の電流密度となるように調整した。冷却水入り口配管46および冷却水出口配管47には図示されていないが、貯湯タンクが取り付けてある、冷却水入り口配管46中の水の温度は70℃、冷却水出口配管47中の水の温度は75℃となるようにポンプ45を調節した。 First, power generation and heat generation (operation process) were performed in the fuel cell system of FIG. In (operation process), 13A gas of city gas was used as the source gas, and air was used as the oxidant gas. The temperature of the fuel cell stack 38 was 70 ° C., the fuel gas utilization rate (Uf) was 70%, and the oxygen utilization rate (Uo) was 40%. The fuel gas and air were humidified so as to have dew points of 65 ° C. and 70 ° C., respectively, and a current of a certain voltage was taken out from the power circuit unit 43 as power. The current was adjusted to a current density of 0.2 A / cm 2 with respect to the apparent area of the electrode. Although not shown in the cooling water inlet pipe 46 and the cooling water outlet pipe 47, the temperature of the water in the cooling water inlet pipe 46 to which the hot water storage tank is attached is 70 ° C., and the temperature of the water in the cooling water outlet pipe 47. The pump 45 was adjusted to 75 ° C.

他のそれぞれの条件は以下のようにした。(運転工程)の次は(停止工程1)を行った。   The other conditions were as follows. The (operation process) was followed by (stop process 1).

(停止工程1)では、まずスタック38の発電を停止した後、開閉弁49を閉じスタック38へ燃料ガスの供給を停止させるか、または燃料ガスのスタックへの供給の停止と同時にブロワー39を停止させ、分配弁60で浄化後の燃料ガスをすべてバイパス管55に流れるようにし、分配弁57でスタック38に流れ込むガスはバイパス管55からのガスがすべてになるように調節する。これにより酸化剤ガスは不活性ガスとしての原料ガスに置換されるのである。   In (stop process 1), first, power generation of the stack 38 is stopped, and then the on-off valve 49 is closed to stop the supply of fuel gas to the stack 38, or the blower 39 is stopped simultaneously with the stop of supply of fuel gas to the stack. The distribution valve 60 allows all the purified fuel gas to flow to the bypass pipe 55, and the distribution valve 57 adjusts the gas flowing into the stack 38 so that the gas from the bypass pipe 55 is all. As a result, the oxidant gas is replaced with the raw material gas as the inert gas.

次に図7に(停止工程1)のさらに具体的なフローチャートを示す。   Next, FIG. 7 shows a more specific flowchart of (stop step 1).

図7に示すように、まずスタック38からの電力が図示しない外部付加へ供給されなくなるよう制御を行った後(S1)、これ以上燃料ガスがスタック38へ供給されないように開閉弁49を閉める(S2)。開閉弁49が閉められた後に、開閉弁51を閉める(S3)。次いでブロワー39の停止の前に、酸化剤ガスがこれ以上スタック38へ供給されないように開閉弁57を閉める(S4)。   As shown in FIG. 7, first, control is performed so that power from the stack 38 is not supplied to an external load (not shown) (S1), and then the on-off valve 49 is closed so that no more fuel gas is supplied to the stack 38 ( S2). After the on-off valve 49 is closed, the on-off valve 51 is closed (S3). Next, before the blower 39 is stopped, the on-off valve 57 is closed so that the oxidant gas is no longer supplied to the stack 38 (S4).

次に分配弁60および56を切り替え、原料ガス配管33が清浄ガス配管36側からバイパス管55および酸化剤ガス配管40aに接続するよう切り替えてから、開閉弁57を開ける(S5)。これにより、ガス清浄部32を通過した原料ガスが、スタック38のカソード側へ供給され、この原料ガスによりスタック38内の酸化剤ガスがパージされる。ここで、制御部44は、供給される原料ガスの供給量を測定し(S6)、予め定めた値以上になるかどうかを判定する(S7)。この値に達するまで原料ガスの供給は続けられ、値以上であると判定されたら、開閉弁57を閉じ(S8)、その後に開閉弁58を閉じる(S9)。次いでポンプ45を停止させてスタック38への冷却水循環を停止する(S10)。   Next, the distribution valves 60 and 56 are switched so that the raw material gas pipe 33 is switched from the clean gas pipe 36 side to be connected to the bypass pipe 55 and the oxidant gas pipe 40a, and then the on-off valve 57 is opened (S5). As a result, the raw material gas that has passed through the gas cleaning unit 32 is supplied to the cathode side of the stack 38, and the oxidizing gas in the stack 38 is purged by this raw material gas. Here, the control unit 44 measures the supply amount of the supplied source gas (S6), and determines whether or not the value is equal to or greater than a predetermined value (S7). The supply of the source gas is continued until this value is reached. If it is determined that the value is equal to or greater than the value, the on-off valve 57 is closed (S8), and then the on-off valve 58 is closed (S9). Next, the pump 45 is stopped and the cooling water circulation to the stack 38 is stopped (S10).

なお、上記のS7の動作において、所定の値として、置換する原料ガスの供給量は、置換すべき体積に対して2〜5倍とした。これは以下の計算による。   In the operation of S7 described above, as a predetermined value, the supply amount of the source gas to be replaced is 2 to 5 times the volume to be replaced. This is based on the following calculation.

置換すべき体積をV(L)、置換するガスの流量をv(L/min)、酸化剤ガスの目的成分の初期濃度をco、t(min)時間後の濃度をcとすると、(計算式1)で表されるように微小時間dtの間に体積V中の濃度変化dcは、微小時間dtの間に置換ガスによって押し出される目的成分の量と等しくなる。 If the volume to be replaced is V (L), the flow rate of the gas to be replaced is v (L / min), the initial concentration of the target component of the oxidant gas is c o , and the concentration after t (min) time is c, ( As represented by the calculation formula 1), the concentration change dc in the volume V during the minute time dt becomes equal to the amount of the target component pushed out by the replacement gas during the minute time dt.

Figure 2006066106
Figure 2006066106

両辺に−1をかけた後、両辺の対数をとると、(計算式2)となる。   After multiplying both sides by −1, taking the logarithm of both sides gives (Calculation Formula 2).

Figure 2006066106
Figure 2006066106

整理すると(計算式3)となり、積分を行うと(計算式4)となる。ここでxは積分定数である。   If it arranges, it will become (calculation formula 3), and it will become (calculation formula 4) if it integrates. Here, x is an integral constant.

Figure 2006066106
Figure 2006066106

Figure 2006066106
Figure 2006066106

(計算式4)は(計算式5)のように、書き換えられる。   (Calculation Formula 4) can be rewritten as (Calculation Formula 5).

Figure 2006066106
Figure 2006066106

ここで、t=0のとき、c=coとなるので、(計算式5)に代入すると(計算式6)となる。 Here, when t = 0, c = co , so when substituting into (Equation 5), (Equation 6) is obtained.

Figure 2006066106
Figure 2006066106

よって、(計算式6)を(計算式5)に代入し、(計算式7)となる。 Therefore, (Calculation Formula 6) is substituted into (Calculation Formula 5) to be (Calculation Formula 7).

Figure 2006066106
Figure 2006066106

(計算式7)で、v・t/V は置換するガスの体積は置換すべき体積の何倍となるかをあらわす。2倍で86%以上が置換され、5倍で99.3%以上が置換されることになる。置換ガスの体積が2倍以下では、酸化剤ガスの残る量が多くなり、5倍より多くなると置換ガスが無駄になるからである。(停止工程1)では燃料ガスの供給を酸化剤ガスの供給停止よりも早く、または同時に停止させるので、燃料ガスを無駄にすることなくより燃料エネルギーあたりの発電効率を高くすることができるのである。   In (Equation 7), v · t / V represents how many times the volume of the gas to be replaced is larger than the volume to be replaced. If double, 86% or more will be replaced, and if 5 times, 99.3% or more will be replaced. This is because if the volume of the replacement gas is 2 times or less, the remaining amount of the oxidant gas increases, and if it exceeds 5 times, the replacement gas is wasted. In (stop step 1), the supply of fuel gas is stopped earlier than or simultaneously with the stop of supply of oxidant gas, so that the power generation efficiency per fuel energy can be increased without wasting fuel gas. .

以上の(停止工程1)が終了した後、(停止工程2)へ移行する。つまり、弁34を閉じ、原料ガスの供給を停止するのである。なお、スタック38からの電流の引き抜きはすでに述べたように(停止工程1)のブロワー39の停止と同じでも良いが、所定電圧で電力回路部43を制御するようにしても良い。   After the above (stop process 1) is completed, the process proceeds to (stop process 2). That is, the valve 34 is closed and the supply of the raw material gas is stopped. It should be noted that the extraction of current from the stack 38 may be the same as the stop of the blower 39 in (stop process 1) as described above, but the power circuit unit 43 may be controlled with a predetermined voltage.

本実施の形態ではスタック38の単セルあたりの電圧が0.5V以上の時は電力回路部43で電流を引き抜き、0.5V未満の時は電流を引き抜かないように制御した。(停止工程2)で停止させておくと、触媒反応層2aは水素を含むガスで満たされるので電位は(水素電極比)0Vとなる。触媒反応層2cには不活性ガスである原料ガスが満たされているが、電解質1を介して水素が拡散してくるので電位は(水素電極比)0Vとなる。よって、両極とも酸化や溶解の発生する高電位になることなく、停止ができるので、劣化が少なく、長期間性能を維持できるのである。   In the present embodiment, when the voltage per unit cell of the stack 38 is 0.5 V or higher, the current is controlled by the power circuit unit 43, and when the voltage is less than 0.5 V, the current is not extracted. If stopped in (stop step 2), the catalytic reaction layer 2a is filled with a gas containing hydrogen, so the potential becomes (hydrogen electrode ratio) 0V. The catalyst reaction layer 2c is filled with a raw material gas which is an inert gas, but since hydrogen diffuses through the electrolyte 1, the potential becomes (hydrogen electrode ratio) 0V. Therefore, both electrodes can be stopped without becoming a high potential at which oxidation or dissolution occurs, so that there is little deterioration and the performance can be maintained for a long time.

さらに、(停止工程3)へ移行する。すなわち、以上の(運転工程)〜(停止工程2)までは閉状態にあった開閉弁62を開け、さらに開閉弁51を開けるとともに、分配弁60および57を、バイパス管55および酸化剤ガス配管40a側へ連通するように切り替える。これにより原料ガスがスタック38のカソード側に供給されるとともに、バイパス管61を介することによりアノード側にも供給するされる。次に開閉弁51を再び閉じ、弁34を閉じる。これにより、スタック38内全体の内部に原料ガスが封止される。   Further, the process proceeds to (stop process 3). That is, the on-off valve 62 that has been closed until the above (operation process) to (stop process 2) is opened, the on-off valve 51 is further opened, and the distribution valves 60 and 57 are connected to the bypass pipe 55 and the oxidant gas pipe. Switch to communicate with 40a. As a result, the raw material gas is supplied to the cathode side of the stack 38 and also supplied to the anode side through the bypass pipe 61. Next, the on-off valve 51 is closed again, and the valve 34 is closed. Thereby, the source gas is sealed inside the entire stack 38.

(停止工程3)では圧力計59aと59bの変化をモニタリングしている。開閉弁49、51、57と58が閉じているため、スタック38の温度が低下するなどで、封入されているガス中の湿度成分が結露などを起こすと封入されている原料ガスの体積が減少し、スタック38の内部が負圧になる。スタック38の内部の圧力が負圧になると、空気等のガスが侵入しやすくなるだけでなく、電解質1や様々なガスケットが破損してしまう可能性がある。そこで、圧力計59aと59bで計測される値が一定以上変化すると、弁34を開き原料ガスを追加する。本実施の形態では圧力が5KPa変化したとき動作するようにした。スタック38の内部の圧力が所定値以下となると開閉弁34を開き、再び原料ガスを封入するのである。燃料ガスに原料ガスを追加すると水素濃度は減少するが、酸素等の高電位を示すガスの侵入を排除しているため、電極4aおよび4cの電位は低いまま維持できる。これにより、電極酸化や溶解による劣化を抑えるだけでなく、圧力変化によるスタック38の構成材料の破損も防ぐことができるので、高性能を長期間維持できるのである。   In (stop process 3), changes in pressure gauges 59a and 59b are monitored. Since the on-off valves 49, 51, 57 and 58 are closed, the volume of the encapsulated source gas decreases when the humidity component in the encapsulated gas causes dew condensation or the like because the temperature of the stack 38 decreases. Then, the inside of the stack 38 becomes negative pressure. When the internal pressure of the stack 38 becomes negative, not only gas such as air is likely to enter, but the electrolyte 1 and various gaskets may be damaged. Therefore, when the values measured by the pressure gauges 59a and 59b change more than a certain value, the valve 34 is opened and the raw material gas is added. In this embodiment, the operation is performed when the pressure changes by 5 KPa. When the pressure inside the stack 38 becomes a predetermined value or less, the on-off valve 34 is opened and the source gas is filled again. When the raw material gas is added to the fuel gas, the hydrogen concentration decreases, but since the intrusion of a gas having a high potential such as oxygen is eliminated, the potentials of the electrodes 4a and 4c can be kept low. Thereby, not only deterioration due to electrode oxidation or dissolution can be suppressed, but also damage to the constituent material of the stack 38 due to pressure change can be prevented, so that high performance can be maintained for a long period of time.

なお、上記の説明においては、圧力計59aと59bによりスタック38内の圧力を直接測定するものとして説明を行ったが、スタック38内の温度を測定する温度計などの手段を設け、これにより得られた測定値に基づき、スタック38の内部圧力を間接的に求めるようにしてもよい。すなわち、カソード側のパージが完了した後の温度T1から測定時の温度T2が差ΔTが5℃程度低くなった場合、圧力が下がったとみなして、開閉弁34を開き、再び原料ガスをスタック38内へ封入する。   In the above description, the pressure gauges 59a and 59b have been described as directly measuring the pressure in the stack 38. However, a means such as a thermometer for measuring the temperature in the stack 38 is provided to obtain the pressure. Based on the measured value, the internal pressure of the stack 38 may be obtained indirectly. That is, when the difference ΔT is about 5 ° C. from the temperature T2 after the purge on the cathode side is completed to the temperature T2 at the time of measurement, it is considered that the pressure has dropped, the on-off valve 34 is opened, and the source gas is stacked again. Enclose in.

最後に、(停止工程3)が所定時間続いた後に、運転を再開するかどうかの判断を行う。DSS運転のサイクルにしたがって運転を再開する場合は、再び(運転工程)へ復帰するが、長期間利用しないなどの理由により再開しない場合はシステムの主電源を切断する。   Finally, after (stop process 3) continues for a predetermined time, it is determined whether or not to resume the operation. When the operation is resumed according to the DSS operation cycle, the operation returns to the (operation process) again. However, when the operation is not resumed for a reason such as not being used for a long period of time, the main power supply of the system is turned off.

なお、本実施の形態では、不活性ガスとして、ガス清浄部32で清浄化した原料ガスを用いた。これは、原料ガスを用いるため、特別な装置がなくとも作り出せることができるので便利であるが、窒素ガスボンベ等を搭載し、窒素ガスなどの不活性ガスを用いても、同じ効果が得られる。また、本実施の形態では、酸化剤ガスおよび燃料ガスの通過経路に設けた加湿器41で、不活性ガスとしての原料ガスを加湿した。酸化剤ガスおよび燃料ガスの共通の通過経路に加湿器41を設けたことで、一つの加湿器で異なるガスの加湿ができ、より効果的である。また、不活性ガスとしての原料ガスは加湿をした。無加湿でもスタック38に供給する体積が比較的少なければ影響はわずかであるが、供給する体積が大きいと電解質1を乾燥させ、水素イオンの透過性を減少させてしまうので、本実施の形態では加湿した。したがって供給する体積が比較的少なければ、加湿は省略してもよい。   In the present embodiment, the raw material gas cleaned by the gas cleaning unit 32 is used as the inert gas. This is convenient because it uses a source gas and can be produced without a special device. However, the same effect can be obtained even if a nitrogen gas cylinder or the like is used and an inert gas such as nitrogen gas is used. Moreover, in this Embodiment, the raw material gas as an inert gas was humidified with the humidifier 41 provided in the passage of oxidant gas and fuel gas. By providing the humidifier 41 in the common passage path of the oxidant gas and the fuel gas, different gases can be humidified with one humidifier, which is more effective. Moreover, the source gas as an inert gas was humidified. Even if there is no humidification, if the volume supplied to the stack 38 is relatively small, the influence is slight. However, if the volume supplied is large, the electrolyte 1 is dried and the permeability of hydrogen ions is reduced. Humidified. Therefore, if the supplied volume is relatively small, humidification may be omitted.

また、上記の構成において、バイパス管61および開閉弁62は省略した構成として、停止工程3を省く、停止工程3をカソード側のみに原料ガスを封止するものとして実施してもよい。   In the above configuration, the bypass pipe 61 and the on-off valve 62 may be omitted, and the stop process 3 may be omitted, and the stop process 3 may be performed by sealing the source gas only on the cathode side.

(実施の形態2)
実施の形態2の燃料電池システムの動作を以下に説明するとともに、これにより、本発明の燃料電池システムの停止方法の一実施の形態について、図5に示すフローチャートを用い説明する。基本的な構成や動作は実施の形態1と同じである。詳細な運転方法を以下に示す。(運転工程)は実施の形態1と同じである。
(Embodiment 2)
The operation of the fuel cell system according to the second embodiment will be described below, and an embodiment of the fuel cell system stopping method according to the present invention will be described below with reference to the flowchart shown in FIG. The basic configuration and operation are the same as those in the first embodiment. The detailed operation method is shown below. (Operation process) is the same as in the first embodiment.

次に(停止工程1)を行った。(停止工程1)では、まずブロワー39を停止させるとともに、分配弁60で浄化後の燃料ガスをバイパス管55と清浄ガス配管36のいずれにも流れるようにし、分配弁57の切り替えによりスタック38に流れ込むガスは、バイパス管55からのガスがのみになるように調節する。   Next, (stop process 1) was performed. In (stop step 1), the blower 39 is first stopped, and the fuel gas after purification is caused to flow to both the bypass pipe 55 and the clean gas pipe 36 by the distribution valve 60, and the distribution valve 57 is switched to the stack 38. The gas flowing in is adjusted so that only the gas from the bypass pipe 55 is present.

これにより燃料ガスはスタック38に流れたまま、スタック38内の酸化剤ガスは不活性ガスとしての原料ガスに置換されるのである。所定時間後(停止工程2)にうつる。   As a result, the fuel gas flows into the stack 38 and the oxidant gas in the stack 38 is replaced with the raw material gas as the inert gas. It moves after a predetermined time (stop process 2).

(停止工程2)では、開閉弁57と58を閉じ、スタック38内部に不活性ガスとしての原料ガスを封入する。(停止工程2)では、燃料ガスは供給されているので水素も供給されている。原料ガスは封入されているので、燃料ガスから電解質1を拡散して原料ガス側に移動した水素は触媒反応層2c付近で滞留する。これにより、電極4cの電位はより早く、確実に下げることができるので、より確実に電極の劣化を抑えることができる。(停止工程2)はあらかじめ定められた時間行っても良いが、本実施の形態ではスタックの単セルあたりの電圧が0.1V以下となったあと、(停止工程3)にうつることとした。本実施の形態の(停止工程2)では電極4aは常に0Vであるので、セルの電圧が電極4cの電位に等しい。電極4cが0.1Vとなると、拡散した水素で電極4cの電位は確実に下がったと言えるからで、燃料ガスを過不足なく利用できるので、エネルギーあたりの発電効率が高くなるのである。   In (stop process 2), the on-off valves 57 and 58 are closed, and a raw material gas as an inert gas is sealed inside the stack 38. In (stop process 2), since fuel gas is supplied, hydrogen is also supplied. Since the source gas is sealed, the hydrogen that diffuses the electrolyte 1 from the fuel gas and moves to the source gas side stays in the vicinity of the catalyst reaction layer 2c. As a result, the potential of the electrode 4c can be lowered more quickly and reliably, so that deterioration of the electrode can be suppressed more reliably. (Stop process 2) may be performed for a predetermined time, but in the present embodiment, after the voltage per unit cell of the stack becomes 0.1 V or less, the process proceeds to (stop process 3). In the (stop process 2) of the present embodiment, the electrode 4a is always 0 V, so the cell voltage is equal to the potential of the electrode 4c. When the electrode 4c becomes 0.1V, it can be said that the potential of the electrode 4c is surely lowered by the diffused hydrogen, and the fuel gas can be used without excess or deficiency, so that the power generation efficiency per energy is increased.

次の(停止工程3)では開閉弁49と51を閉じスタック38内に燃料ガスを封入する。本実施の形態では、燃料ガスおよび原料ガスは開閉弁49および51の閉止によりスタック38内に封入されているため、(停止工程3)の状態では対流等によりガスの出入りがないので、電極4aと4cの電位を低いまま保持できるため、より酸化や溶解による劣化が少ないので、より長期間性能を維持することができるのである。   In the next (stop process 3), the on-off valves 49 and 51 are closed and the fuel gas is sealed in the stack 38. In the present embodiment, the fuel gas and the raw material gas are sealed in the stack 38 by closing the on-off valves 49 and 51. Therefore, in the state of (stop process 3), gas does not enter or exit by convection or the like. 4c can be maintained at a low potential, and therefore, deterioration due to oxidation and dissolution is less, so that the performance can be maintained for a longer period of time.

さらに(停止工程4)にうつる。開閉弁49、51、57および58によりスタック38は外部とガスの対流等による出入りは無いが、わずかに酸素等が外部から拡散してくる。そこで、一定時間ごとに、ガス清浄部32により清浄化した原料ガスを、分配弁60により、バイパス管55と清浄ガス配管36のいずれにも流す。ここで、開閉弁57と58をわずかに開き、バイパス館55を通過した原料ガスをスタック38に送り込み、封入してあるガスとわずかに入れ替える。清浄ガス配管36を通過した原料ガスは燃料生成器35に送り込まれるが、燃料生成器35で反応が起きない構成または温度になるよう一定時間を選択することにより、原料ガスのまま燃料生成器35を通過させることができる。ここで、開閉弁49と51をわずかに開き、封入してある燃料ガスを原料ガスでわずかに置き換える。これにより、封入中に外部から拡散等で侵入してきた酸素等のガス濃度を低減させることができ、電極4aと4cの電位上昇を長期間抑えることができるので、長期停止中でも電極4aと4cの酸化または溶解による劣化を抑制でき、長期間性能が維持することができるのである。また、上記の構成において、バイパス管61および開閉弁62は省略した構成としてもよい。   Further, the process proceeds to (stop process 4). The stack 38 does not enter or exit from the outside due to gas convection or the like due to the on-off valves 49, 51, 57 and 58, but oxygen or the like slightly diffuses from the outside. Therefore, the raw material gas cleaned by the gas cleaning unit 32 is caused to flow to both the bypass pipe 55 and the clean gas pipe 36 by the distribution valve 60 at regular intervals. Here, the on-off valves 57 and 58 are slightly opened, the raw material gas that has passed through the bypass building 55 is sent to the stack 38, and is slightly replaced with the sealed gas. The raw material gas that has passed through the clean gas pipe 36 is sent to the fuel generator 35. By selecting a certain time so that the fuel generator 35 does not react with the temperature or temperature, the raw material gas remains as it is. Can be passed. Here, the on-off valves 49 and 51 are slightly opened, and the sealed fuel gas is slightly replaced with the raw material gas. As a result, the gas concentration of oxygen or the like that has entered from the outside during sealing can be reduced, and the potential increase of the electrodes 4a and 4c can be suppressed for a long period of time. Deterioration due to oxidation or dissolution can be suppressed, and long-term performance can be maintained. In the above configuration, the bypass pipe 61 and the on-off valve 62 may be omitted.

(実施の形態3)
実施の形態3の燃料電池システムの動作を以下に説明するとともに、これにより、本発明の燃料電池システムの停止方法の一実施の形態について、図6に示すフローチャートを用い説明する。基本的な構成や動作は実施の形態1または2と同じであるが、バイパス管61および開閉弁62は省略した構成であるものとする。
(Embodiment 3)
The operation of the fuel cell system according to the third embodiment will be described below, and an embodiment of the method for stopping the fuel cell system according to the present invention will be described below with reference to the flowchart shown in FIG. The basic configuration and operation are the same as those of the first or second embodiment, but the bypass pipe 61 and the on-off valve 62 are omitted.

詳細な運転方法を以下に示す。発電および発熱を行う(運転工程)の基本条件は実施の形態1と同じである。ここで、電力回路部43でスタック38から引き抜かれる電流は、家庭等での電力の消費の大小に従って、制御部44で制御される。燃料電池システムから発電される電力を消費しなくなると、スタック38から引き抜かれる電流が減少するため、電圧が上昇する。電圧が開回路電圧0.88Vを超えると電極4cの酸化や溶解が発生してしまうので、(停止工程1)にうつる。つまり電圧が開回路電圧0.88Vを超える状態での運転を無くすことができるので、長期間性能を維持できるのである。   The detailed operation method is shown below. The basic conditions for power generation and heat generation (operation process) are the same as those in the first embodiment. Here, the current drawn from the stack 38 by the power circuit unit 43 is controlled by the control unit 44 in accordance with the amount of power consumed at home or the like. When the electric power generated from the fuel cell system is not consumed, the current drawn from the stack 38 decreases, and the voltage rises. When the voltage exceeds the open circuit voltage of 0.88 V, oxidation and dissolution of the electrode 4c occur, and the process proceeds to (stop process 1). That is, the operation in a state where the voltage exceeds the open circuit voltage 0.88 V can be eliminated, so that the performance can be maintained for a long time.

(停止工程1)は実施の形態1と同様であり、まずブロワー39を停止させるとともに、分配弁60で浄化後の燃料ガスをバイパス管55と清浄ガス配管36のいずれにも流れるようにし、分配弁57でスタック38に流れ込むガスはバイパス管55からのガスがすべてになるように調節する。これにより燃料ガスはスタック38に流れたまま、スタック38内の酸化剤ガスは不活性ガスとしての原料ガスに置換されるのである。   (Stop process 1) is the same as that of the first embodiment. First, the blower 39 is stopped, and the fuel gas after purification is caused to flow to both the bypass pipe 55 and the clean gas pipe 36 by the distribution valve 60, and distributed. The gas flowing into the stack 38 by the valve 57 is adjusted so that the gas from the bypass pipe 55 is all. As a result, the fuel gas flows into the stack 38 and the oxidant gas in the stack 38 is replaced with the raw material gas as the inert gas.

所定時間後(停止工程2)にうつる。(停止工程2)では、パージ完了後も原料ガスを流したまま、開閉弁49と51を閉じ、スタック38に燃料ガスを封止する。これにより、燃料ガスの使用を少なくすることができる。さらに(停止工程3)にうつる。開閉弁57と58を閉じ、スタック38内部に不活性ガスとしての原料ガスを封入する。スタック38内において燃料ガスから電解質1を拡散して原料ガス側に移動した水素は触媒反応層2c付近で滞留する。これにより、電極4cの電位を確実に下げることができるので、確実に電極の劣化を抑えることができる。(停止工程3)の状態では対流等によりガスの出入りがないので、電極4aと4cの電位を低いまま保持できるため、酸化や溶解による劣化が少ないので、長期間性能を維持することができるのである。さらに(停止工程4)にうつる。   It moves after a predetermined time (stop process 2). In (stop process 2), the on-off valves 49 and 51 are closed while the raw material gas is flowing even after the purge is completed, and the fuel gas is sealed in the stack 38. Thereby, the use of fuel gas can be reduced. Further, the process proceeds to (stop process 3). The on-off valves 57 and 58 are closed, and a raw material gas as an inert gas is sealed inside the stack 38. The hydrogen that has diffused the electrolyte 1 from the fuel gas and moved to the raw material gas in the stack 38 stays in the vicinity of the catalytic reaction layer 2c. Thereby, since the electric potential of the electrode 4c can be lowered reliably, the deterioration of the electrode can be reliably suppressed. In the state of (stopping step 3), gas does not enter or exit due to convection, etc., so the potentials of the electrodes 4a and 4c can be kept low, so that deterioration due to oxidation and dissolution is small, so long-term performance can be maintained. is there. Further, the process proceeds to (stop process 4).

(停止工程4)では圧力計59aと59bの変化をモニタリングしている。開閉弁49、51、57と58が閉じているため、スタック38の温度が低下するなどで、封入されているガス中の湿度成分が結露などを起こすと封入されている原料ガスの体積が減少し、スタック38の内部が負圧になる。スタック38の内部の圧力が負圧になると、空気等のガスが侵入しやすくなるだけでなく、電解質1や様々なガスケットが破損してしまう可能性がある。そこで、圧力計59aと59bで計測される値が一定以上変化すると、開閉弁49または57を開き原料ガスを追加する。本実施の形態では圧力が5KPa変化したとき動作するようにした。停止中スタック38に原料ガスを流す動作は実施の形態2と同じである。スタック38の内部の圧力が所定値となると開閉弁49または57を開き、再びガスを封入するのである。燃料ガスに原料ガスを追加すると水素濃度は減少するが、酸素等の高電位を示すガスの侵入を排除しているため、電極4aおよび4cの電位は低いまま維持できる。これにより、電極酸化や溶解による劣化を抑えるだけでなく、圧力変化によるスタック38の構成材料の破損も防ぐことができるので、高性能を長期間維持できるのである。   In (stop process 4), changes in pressure gauges 59a and 59b are monitored. Since the on-off valves 49, 51, 57 and 58 are closed, the volume of the encapsulated source gas decreases when the humidity component in the encapsulated gas causes dew condensation or the like because the temperature of the stack 38 decreases. Then, the inside of the stack 38 becomes negative pressure. When the internal pressure of the stack 38 becomes negative, not only gas such as air is likely to enter, but the electrolyte 1 and various gaskets may be damaged. Therefore, when the values measured by the pressure gauges 59a and 59b change more than a certain value, the on-off valve 49 or 57 is opened to add the raw material gas. In this embodiment, the operation is performed when the pressure changes by 5 KPa. The operation of flowing the raw material gas through the stopped stack 38 is the same as in the second embodiment. When the pressure inside the stack 38 reaches a predetermined value, the on-off valve 49 or 57 is opened and the gas is sealed again. When the raw material gas is added to the fuel gas, the hydrogen concentration decreases, but since the intrusion of a gas having a high potential such as oxygen is eliminated, the potentials of the electrodes 4a and 4c can be kept low. Thereby, not only deterioration due to electrode oxidation or dissolution can be suppressed, but also damage to the constituent material of the stack 38 due to pressure change can be prevented, so that high performance can be maintained for a long period of time.

なお、上記の説明においては、圧力計59aと59bによりスタック38内の圧力を直接測定するものとして説明を行ったが、スタック38内の温度を測定する温度計などの手段を設け、これにより得られた測定値に基づき、スタック38の内部圧力を間接的に求めるようにしてもよい。すなわち、カソード側のパージが完了した後の温度T1から測定時の温度T2が差ΔTが5℃程度低くなった場合、圧力が下がったとみなして、開閉弁49または57を開き、再び原料ガスをスタック38内へ封入する。   In the above description, the pressure gauges 59a and 59b have been described as directly measuring the pressure in the stack 38. However, a means such as a thermometer for measuring the temperature in the stack 38 is provided to obtain the pressure. Based on the measured value, the internal pressure of the stack 38 may be obtained indirectly. That is, when the difference ΔT is about 5 ° C. from the temperature T1 after the cathode side purge is completed to the temperature T2 at the time of measurement, it is considered that the pressure has decreased, and the on-off valve 49 or 57 is opened, and the source gas is again supplied. Enclose in the stack 38.

なお、以上の実施の形態1〜3において、スタック38は本発明の燃料電池に相当し、燃料ガス配管37は本発明の燃料ガス配管に相当し、開閉弁49は本発明の燃料ガス開閉弁に相当し、これらが本発明の燃料ガス供給手段を構成する。また酸化剤ガス配管40aは本発明の酸化ガス配管に相当し、開閉弁57は本発明の酸化剤開閉弁に相当し、これらが本発明の酸化剤ガス供給手段を構成する。また原料ガス配管33,バイパス管55は本発明の原料ガス配管に相当し、分配弁56,60は本発明の原料ガス開閉弁に相当し、これらが本発明の原料ガス供給手段に相当する。また制御部44は本発明の制御手段に相当する。   In the first to third embodiments, the stack 38 corresponds to the fuel cell of the present invention, the fuel gas pipe 37 corresponds to the fuel gas pipe of the present invention, and the on-off valve 49 corresponds to the fuel gas on-off valve of the present invention. These constitute the fuel gas supply means of the present invention. The oxidant gas pipe 40a corresponds to the oxidant gas pipe of the present invention, and the on-off valve 57 corresponds to the oxidant on-off valve of the present invention, and these constitute the oxidant gas supply means of the present invention. The source gas pipe 33 and the bypass pipe 55 correspond to the source gas pipe of the present invention, the distribution valves 56 and 60 correspond to the source gas on / off valve of the present invention, and these correspond to the source gas supply means of the present invention. The control unit 44 corresponds to the control means of the present invention.

また、オフガス管48は本発明のアノード側排出配管に相当し、開閉弁51は本発明のアノード側オフガス開閉弁に相当し、排気管42は本発明のカソード側排出配管に相当し、開閉弁58は本発明のアノード側オフガス開閉弁に相当する。また、バイパス管61は本発明の付加原料ガス配管に相当し、開閉弁62は本発明の付加原料ガス開閉弁に相当する。   The off-gas pipe 48 corresponds to the anode-side exhaust pipe of the present invention, the on-off valve 51 corresponds to the anode-side off-gas on-off valve of the present invention, and the exhaust pipe 42 corresponds to the cathode-side exhaust pipe of the present invention. 58 corresponds to the anode-side off-gas on-off valve of the present invention. The bypass pipe 61 corresponds to the additional source gas pipe of the present invention, and the on-off valve 62 corresponds to the additional source gas on-off valve of the present invention.

また、以上の実施の形態1〜3は、以下のような発明の実施の形態にも相当するものとしてもよい。すなわち、第1の発明として、高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟む一対の電極と、電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給・排出し、他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有する一対のセパレータとを具備した燃料電池と、原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、ガスや電力回路部などを制御する制御部とを有する燃料電池システムにおいて、燃料電池の停止時に、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を停止し、燃料電池内部の酸化剤ガスを燃料電池に対し不活性なガスで一部または全部を置き換える燃料電池システムとすることにより、停止中の燃料電池の内部には酸素が存在しない、または酸素が少ない状態になるので、アノード電極は水素の電位(水素電極基準約0V)、カソード極もアノードから拡散してくる水素により水素の電位となり、両極とも電位を低く保つことができるので、停止による性能低下を抑制することができるのである。   The above first to third embodiments may correspond to the following embodiments of the invention. That is, as a first invention, a polymer electrolyte membrane, a pair of electrodes sandwiching the polymer electrolyte membrane, and a fuel gas containing at least hydrogen at one of the electrodes is supplied and discharged, and an oxidant gas containing oxygen at the other A fuel cell having a pair of separators having gas flow paths for supplying and discharging gas, a fuel generator for generating fuel gas to be supplied from the source gas to the fuel cell, and components that adversely affect the fuel cell from the source gas In a fuel cell system having a gas cleaning unit to be removed, a power circuit unit that extracts power from the fuel cell, a voltage measurement unit that measures the voltage of the fuel cell, and a control unit that controls the gas and the power circuit unit, etc. When the battery is stopped, the supply of the fuel gas and the oxidant gas is stopped, and the oxidant gas inside the fuel cell is partially or entirely replaced with an inert gas to the fuel cell. As a result, there is no oxygen in the stopped fuel cell or there is little oxygen, so the anode electrode has a hydrogen potential (hydrogen electrode reference of about 0 V), and the cathode electrode also diffuses from the anode. Since the potential of hydrogen is brought about by hydrogen and the potential of both electrodes can be kept low, it is possible to suppress performance degradation due to stoppage.

また、第2の発明として、特に、第1の発明の燃料電池システムを、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給経路および排出経路に遮断弁を備え、燃料電池の停止時に燃料ガスと酸化剤ガスの供給を停止し、燃料電池内部の酸化剤ガスを燃料電池に対し不活性なガスで一部または全部を置換して、遮断弁を閉じ、燃料ガスおよび燃料電池に対して不活性なガスを燃料電池内に封入できる燃料電池システムとすることにより、停止中は燃料電池内部と外部のガスの流れが遮断されているため、長期間停止させても燃料電池の電極の電位は低く保たれるので、停止による性能低下を抑制することができるのである。   Further, as the second invention, in particular, the fuel cell system of the first invention is provided with a shutoff valve in the supply path and the discharge path of the fuel gas and the oxidant gas, and when the fuel cell is stopped, the fuel gas and the oxidant gas The supply is stopped, the oxidant gas inside the fuel cell is partially or completely replaced with a gas inert to the fuel cell, the shut-off valve is closed, and the fuel gas and the gas inert to the fuel cell are fueled. Since the fuel cell system that can be enclosed in the battery shuts off the flow of gas inside and outside the fuel cell while it is stopped, the potential of the electrode of the fuel cell is kept low even if it is stopped for a long time. Therefore, it is possible to suppress the performance degradation due to the stop.

第3の発明として、特に、第1の発明または第2の発明の燃料電池システムを酸化剤ガスおよび原料ガスの通過経路に加湿器を設け、加湿した酸化剤ガスおよび原料ガスを燃料電池に供給することができる燃料電池システムとすることにより、酸化剤ガスを一部または全部を置き換える不活性ガスとして、ガス清浄部で燃料電池に悪影響を与える成分を除去した原料ガスを使用する場合に、加湿した原料ガスを燃料電池内部に流すことができ、高分子電解質膜の乾燥を防ぐことができるので、停止中に発生する高分子電解質膜の乾燥による性能の低下を抑制することができるのである。   As the third invention, in particular, the fuel cell system of the first invention or the second invention is provided with a humidifier in the passage of the oxidant gas and the raw material gas, and the humidified oxidant gas and the raw material gas are supplied to the fuel cell. When the raw material gas from which the components that adversely affect the fuel cell are removed in the gas cleaning section is used as an inert gas that replaces part or all of the oxidant gas Since the raw material gas can be flown into the fuel cell and the polymer electrolyte membrane can be prevented from being dried, the deterioration of the performance due to the drying of the polymer electrolyte membrane that occurs during the stop can be suppressed.

また、第4の発明として、高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟む一対の電極と、電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給・排出し、他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有する一対のセパレータとを具備した燃料電池と、原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、ガスや電力回路部などを制御する制御部とを有する燃料電池システムにおいて、燃料電池の停止時に、燃料電池の電圧が0.88Vを超えると燃料ガスと酸化剤ガスの供給を停止し、燃料電池内部の酸化剤ガスを燃料電池に対し不活性なガスで一部または全部を置き換える燃料電池システムの運転方法とすることにより、燃料電池の各電極の電位を必ず(水素電極基準で)0.88V以下とすることができるので、Ptなどの触媒の酸化および溶解を防ぐことができるので、性能を長期間維持することができるのである。   Further, as a fourth invention, a polymer electrolyte membrane, a pair of electrodes sandwiching the polymer electrolyte membrane, and a fuel gas containing at least hydrogen at one of the electrodes is supplied / discharged, and an oxidant gas containing oxygen at the other A fuel cell having a pair of separators having gas flow paths for supplying and discharging gas, a fuel generator for generating fuel gas to be supplied from the source gas to the fuel cell, and components that adversely affect the fuel cell from the source gas In a fuel cell system having a gas cleaning unit to be removed, a power circuit unit that extracts power from the fuel cell, a voltage measurement unit that measures the voltage of the fuel cell, and a control unit that controls the gas and the power circuit unit, etc. When the voltage of the fuel cell exceeds 0.88 V when the battery is stopped, the supply of the fuel gas and the oxidant gas is stopped, and the oxidant gas inside the fuel cell is partially or inactive to the fuel cell. By making the operation method of the fuel cell system to replace the part, the potential of each electrode of the fuel cell can always be 0.88 V or less (on the basis of the hydrogen electrode), thereby preventing oxidation and dissolution of a catalyst such as Pt. Therefore, the performance can be maintained for a long time.

また、第5の発明として、高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟む一対の電極と、電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給・排出し、他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有する一対のセパレータとを具備した燃料電池と、原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、ガスや電力回路部などを制御する制御部とを有する燃料電池システムにおいて、燃料電池の停止時に、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を同時または燃料ガスを停止した後酸化剤ガスを停止し、燃料電池内部の酸化剤ガスを燃料電池に対し不活性なガスで一部または全部を置き換える燃料電池システムの運転方法とすることにより、アノード電極は水素が満たされているので(水素電極基準)約0Vの電位となり、カソード電極は経路の圧力を低下させるまたはブロワーの慣性による酸化剤ガス供給があっても、不活性ガスで置き換えた後は、アノードから拡散してくる水素によりカソード電極の電位は(水素電極基準で)約0Vとなりので、停止を行っても性能の低下を抑制できるのである。また、燃料ガスを酸化剤ガスよりも先に停止することにより、発電に使用しない水素の使用量を最小化できるので、よりエネルギー当たりの発電効率の高い燃料電池システムが実現できるのである。   Further, as a fifth invention, a polymer electrolyte membrane, a pair of electrodes sandwiching the polymer electrolyte membrane, and a fuel gas containing at least hydrogen at one of the electrodes is supplied and discharged, and an oxidant gas containing oxygen at the other A fuel cell having a pair of separators having gas flow paths for supplying and discharging gas, a fuel generator for generating fuel gas to be supplied from the source gas to the fuel cell, and components that adversely affect the fuel cell from the source gas In a fuel cell system having a gas cleaning unit to be removed, a power circuit unit that extracts power from the fuel cell, a voltage measurement unit that measures the voltage of the fuel cell, and a control unit that controls the gas and the power circuit unit, etc. When the battery is stopped, supply of fuel gas and oxidant gas is stopped at the same time, or after the fuel gas is stopped, the oxidant gas is stopped, and the oxidant gas inside the fuel cell is partially inert to the fuel cell. Alternatively, by operating the fuel cell system to replace the whole, the anode electrode is filled with hydrogen (hydrogen reference), so that the cathode electrode has a potential of about 0 V, and the cathode electrode reduces the pressure in the path or the inertia of the blower. Even if there is an oxidant gas supply due to, after replacing with an inert gas, the potential of the cathode electrode becomes about 0 V (on the basis of the hydrogen electrode) due to hydrogen diffusing from the anode. The decrease can be suppressed. Also, by stopping the fuel gas before the oxidant gas, the amount of hydrogen that is not used for power generation can be minimized, and a fuel cell system with higher power generation efficiency per energy can be realized.

また、第6の発明として、高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟む一対の電極と、電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給・排出し、他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有する一対のセパレータとを具備した燃料電池と、原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、ガスや電力回路部などを制御する制御部とを有する燃料電池システムにおいて、燃料電池の停止時に、酸化剤ガスの供給を停止した後、燃料ガスの供給を停止し、燃料電池内部の酸化剤ガスは燃料電池に対し不活性なガスで一部または全部を置き換える燃料電池システムの運転方法とすることにより、カソードが不活性ガスで酸化剤ガスを置き換えている少なくとも最初の間はアノードに水素が流れているので、カソードから酸素がアノードに拡散してもアノード電極の電位はまったく変化を受けず(水素電極基準)約0Vを維持し、カソードには十分な量の水素が拡散するので、カソード電極の電位をすばやく確実に(水素電極基準)約0Vに低下させることができるので、カソード電極の性能向上を確実に起こすことができるので、停止を行っても性能の低下を抑制できるのである。   As a sixth invention, a polymer electrolyte membrane, a pair of electrodes sandwiching the polymer electrolyte membrane, and a fuel gas containing at least hydrogen is supplied to and discharged from one of the electrodes, and an oxidant gas containing oxygen is supplied to the other A fuel cell having a pair of separators having gas flow paths for supplying and discharging gas, a fuel generator for generating fuel gas to be supplied from the source gas to the fuel cell, and components that adversely affect the fuel cell from the source gas In a fuel cell system having a gas cleaning unit to be removed, a power circuit unit that extracts power from the fuel cell, a voltage measurement unit that measures the voltage of the fuel cell, and a control unit that controls the gas and the power circuit unit, etc. When the battery is stopped, the supply of the oxidant gas is stopped, and then the supply of the fuel gas is stopped. The oxidant gas inside the fuel cell is partially or completely replaced with a gas inert to the fuel cell. By operating the battery system, hydrogen flows to the anode at least for the first time when the cathode replaces the oxidant gas with an inert gas. Therefore, even if oxygen diffuses from the cathode to the anode, the anode electrode The potential is not changed at all (reference to the hydrogen electrode) and is maintained at about 0 V, and a sufficient amount of hydrogen diffuses to the cathode, so the potential of the cathode electrode should be quickly and reliably reduced to about 0 V (reference to the hydrogen electrode). Therefore, the performance of the cathode electrode can be reliably improved, so that the performance can be suppressed from being lowered even when the operation is stopped.

また、第7の発明として、高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟む一対の電極と、電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給・排出し、他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有する一対のセパレータと、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給経路および排出経路に遮断弁を具備した燃料電池と、原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、ガスや電力回路部などを制御する制御部とを有する燃料電池システムにおいて、燃料電池の停止時に、燃料ガスは供給を停止した後、遮断弁で燃料電池内部に燃料ガスを封入し、酸化剤ガスは供給を停止し、燃料電池内部の酸化剤ガスは燃料電池に対し不活性なガスで一部または全部を置き換えた後、遮断弁で不活性なガスを封入し、一定時間後に、燃料ガス封入部および不活性ガス封入部に不活性ガスを注入する燃料電池システムの運転方法とすることにより、停止中に燃料電池内部のガスが結露や収縮または残留している酸素と水素の反応により体積が減少して内部の圧力が負圧または、アノードとカソードの圧力に差が発生しても、燃料ガス封入部や不活性ガス封入部に不活性ガスを注入することにより、内部の圧力が負圧またはアノードとカソードの圧力差を解消することができるので、高分子電解質膜等にかかる応力をなくすことができるので、停止を行っても性能の低下を抑制できるのである。さらに、不活性ガスの注入時に、燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出経路の遮断弁を開けることにより、封入ガスを不活性ガスにより入れ替えることができる。燃料電池の停止中に、ガスケットやセパレーター材を介して空気中の酸素が徐々に侵入してきても、燃料電池の外部に排出することができるのである。   Further, as a seventh invention, a polymer electrolyte membrane, a pair of electrodes sandwiching the polymer electrolyte membrane, and a fuel gas containing at least hydrogen at one of the electrodes is supplied and discharged, and an oxidant gas containing oxygen at the other A pair of separators having a gas flow path for supplying and discharging gas, a fuel cell having a shutoff valve in the fuel gas and oxidant gas supply path and discharge path, and a fuel gas to be supplied from the source gas to the fuel cell A fuel generator, a gas cleaning unit that removes components that adversely affect the fuel cell from the raw material gas, a power circuit unit that extracts power from the fuel cell, a voltage measurement unit that measures the voltage of the fuel cell, and a gas and power circuit In a fuel cell system having a control unit that controls the fuel cell, the supply of the fuel gas is stopped when the fuel cell is stopped, and then the fuel gas is sealed inside the fuel cell with a shut-off valve, and the oxidant gas After the supply is stopped and the oxidant gas inside the fuel cell is partially or completely replaced with an inert gas for the fuel cell, the inert gas is sealed with a shut-off valve, and after a certain time, the fuel gas sealing part And the operation method of the fuel cell system in which an inert gas is injected into the inert gas enclosure, the volume of the fuel cell is reduced due to condensation, contraction, or the reaction of oxygen and hydrogen that remains inside the fuel cell during shutdown. Even if the internal pressure is negative or the difference between the pressure of the anode and the cathode occurs, the internal pressure is negative or negative by injecting the inert gas into the fuel gas enclosure or the inert gas enclosure. Since the pressure difference between the anode and the cathode can be eliminated, the stress applied to the polymer electrolyte membrane or the like can be eliminated, so that a decrease in performance can be suppressed even if the operation is stopped. Further, when the inert gas is injected, the sealed gas can be replaced with the inert gas by opening the shutoff valve in the fuel gas or oxidant gas discharge path. Even if the oxygen in the air gradually enters through the gasket or the separator material while the fuel cell is stopped, it can be discharged to the outside of the fuel cell.

また、第8の発明として、高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟む一対の電極と、電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給・排出し、他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有する一対のセパレータと、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給経路および排出経路に遮断弁を具備した燃料電池と、原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、燃料電池の内部の圧力を測定する圧力測定部と、ガスや電力回路部などを制御する制御部とを有する燃料電池システムにおいて、燃料電池の停止時に、燃料ガスは供給を停止した後、遮断弁で燃料電池内部に燃料ガスを封入し、酸化剤ガスは供給を停止し、燃料電池内部の酸化剤ガスは燃料電池に対し不活性なガスで一部または全部を置き換えた後、遮断弁で不活性なガスを封入し、燃料電池の内部の圧力が一定以上変化した時は、燃料ガス封入部および不活性ガス封入部に不活性ガスを注入または遮断弁を開け燃料電池内部の空間を外部に開放する燃料電池システムの運転方法とすることにより、停止中に燃料電池内部のガスが結露や収縮または残留している酸素と水素の反応により体積が減少して内部の圧力が負圧または、アノードとカソードの圧力に差が発生しても、燃料ガス封入部や不活性ガス封入部に不活性ガスを注入することにより、内部の圧力が負圧またはアノードとカソードの圧力差を確実に解消することができるので、高分子電解質膜等にかかる応力をなくすことができるので、停止を行っても性能の低下を抑制できるのである。さらに、不活性ガスの注入時に、燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出経路の遮断弁を開けることにより、封入ガスを不活性ガスにより入れ替えることができ、燃料電池の停止中に、ガスケットやセパレーター材を介して空気中の酸素が徐々に侵入してきても、燃料電池の外部に排出することができるのである。   As an eighth invention, a polymer electrolyte membrane, a pair of electrodes sandwiching the polymer electrolyte membrane, and a fuel gas containing at least hydrogen is supplied to and discharged from one of the electrodes, and an oxidant gas containing oxygen is supplied to the other. A pair of separators having a gas flow path for supplying and discharging gas, a fuel cell having a shutoff valve in the fuel gas and oxidant gas supply path and discharge path, and a fuel gas to be supplied from the source gas to the fuel cell A fuel generator, a gas cleaning unit that removes components that adversely affect the fuel cell from the source gas, a power circuit unit that extracts power from the fuel cell, a voltage measurement unit that measures the voltage of the fuel cell, and the interior of the fuel cell In a fuel cell system having a pressure measuring unit for measuring the pressure of the fuel and a control unit for controlling the gas and power circuit unit, the fuel gas is stopped when the fuel cell is stopped, and then the shut-off valve The fuel gas is sealed inside the fuel cell, the supply of the oxidant gas is stopped, and the oxidant gas inside the fuel cell is partially or completely replaced with a gas inert to the fuel cell and then inactivated by the shutoff valve. When the pressure inside the fuel cell changes more than a certain level, an inert gas is injected into the fuel gas enclosure and the inert gas enclosure or the shut-off valve is opened to open the space inside the fuel cell to the outside. By operating the fuel cell system, the gas inside the fuel cell is condensed, contracted, or the volume of the gas is reduced due to the reaction between oxygen and hydrogen during the stoppage, and the internal pressure is negative or Even if there is a difference in the pressure of the cathode, the internal pressure can be reliably eliminated by injecting inert gas into the fuel gas enclosure or inert gas enclosure. Can Since, it is possible to eliminate the stress on the polymer electrolyte membrane or the like, and can suppress a decrease in performance even if the stop. Furthermore, when the inert gas is injected, the sealed gas can be replaced with the inert gas by opening the shutoff valve in the fuel gas or oxidant gas discharge path, and the gasket and separator material can be replaced while the fuel cell is stopped. Even if oxygen in the air gradually enters through the air, it can be discharged to the outside of the fuel cell.

また、第9の発明として、高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟む一対の電極と、電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給・排出し、他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有する一対のセパレータと、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給経路および排出経路に遮断弁を具備した燃料電池と、原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、ガスや電力回路部などを制御する制御部とを有する燃料電池システムにおいて、燃料電池の停止時に、燃料ガスは供給を停止した後、遮断弁で燃料電池内部に燃料ガスを封入し、酸化剤ガスは供給を停止し、燃料電池内部の酸化剤ガス経路には燃料電池に対し不活性なガスを流し、燃料電池の電圧が所定の電圧になった後、遮断弁で不活性なガスを封入する燃料電池システムの運転方法とすることで、アノード電極は確実に(水素電極基準で)約0Vに保つことができ、電圧はカソードの電位を検出することができ、カソードの電位を所定の電位になるまで確実に不活性ガスで置き換えることができるので、停止を行っても性能の低下を抑制できるのである。   As a ninth invention, a polymer electrolyte membrane, a pair of electrodes sandwiching the polymer electrolyte membrane, and a fuel gas containing at least hydrogen is supplied to and discharged from one of the electrodes, and an oxidant gas containing oxygen is supplied to the other. A pair of separators having a gas flow path for supplying and discharging gas, a fuel cell having a shutoff valve in the fuel gas and oxidant gas supply path and discharge path, and a fuel gas to be supplied from the source gas to the fuel cell A fuel cell having a fuel generator, a gas cleaning unit that removes components that adversely affect the fuel cell from the raw material gas, a power circuit unit that extracts power from the fuel cell, and a control unit that controls the gas and the power circuit unit In the system, when the fuel cell is stopped, the supply of the fuel gas is stopped, and then the fuel gas is sealed inside the fuel cell by the shutoff valve, the supply of the oxidant gas is stopped, and the oxidant gas inside the fuel cell is stopped. By supplying an inert gas to the fuel cell in the path, and after the fuel cell voltage reaches a predetermined voltage, an anode electrode is provided by operating the fuel cell system by sealing the inert gas with a shut-off valve. Can be reliably maintained at about 0V (on a hydrogen electrode basis), the voltage can detect the cathode potential, and can be reliably replaced with an inert gas until the cathode potential reaches a predetermined potential. Even if the operation is stopped, the performance degradation can be suppressed.

また、第10の発明によれば、特に、第1〜9のいずれかの発明を、燃料電池に対して不活性なガスとして、燃料電池に悪影響を与える成分ガス清浄部で除去した原料ガスを用いる燃料電池システムまたは燃料電池システムの運転方法とすることにより、ボンベなど特別な装置を持つことなく、簡単に不活性ガスで酸化剤ガスを置換することができるので、簡単な構成で停止を行っても性能の低下を抑制できるのである。   According to the tenth invention, in particular, any of the first to ninth inventions is used as a gas inert to the fuel cell, and the raw material gas removed by the component gas cleaning unit that adversely affects the fuel cell is removed. By using the fuel cell system to be used or the operation method of the fuel cell system, it is possible to easily replace the oxidant gas with an inert gas without having a special device such as a cylinder. However, the performance degradation can be suppressed.

(実施の形態4)
図8は本発明の実施の形態4における燃料電池システムの構成図である。
(Embodiment 4)
FIG. 8 is a configuration diagram of a fuel cell system according to Embodiment 4 of the present invention.

本発明の第4の実施の形態における燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う固体高分子形の燃料電池81と、原料ガスに水を添加して改質し水素に富んだ燃料ガスを生成する燃焼生成器82と、燃料生成器82に水を供給する水供給手段83と、燃料電池81からの排出燃料ガスを燃焼する燃焼器84と、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池81のカソードに供給するブロア85と、パージ用空気供給手段86と、燃料生成器82から送出される流体を燃料電池81のアノードへ供給する燃料ガス供給流路と、燃料生成器82から送出される流体を燃料電池をバイパスして排出燃焼ガスを燃焼器へ供給するための経路へ導くためのバイパス管87への切り換えを行なう流路切換手段88と、燃料電池81から残余燃料ガスが排出される経路上の開閉弁89と、原料を燃料電池81のカソードへ供給する原料カソード供給手段810と、ブロア85から燃料電池81への空気の入口側と燃料電池1から排出される空気の出口側を開閉する開閉弁を有するカソード閉止手段811とを備える。なお、ここで上記原料は、天然ガスに限定されるものでなく、都市ガス、メタン、プロパン等の炭化水素、メタン、エタノール等のアルコールに例示される少なくとも炭素及び水素から構成される化合物を含むものであればいずれの材料でも構わない。ただし、アルコール等の液体原料は気化された原料ガスが好ましい。   A fuel cell system according to a fourth embodiment of the present invention includes a solid polymer fuel cell 81 that generates power using fuel gas and oxidant gas, and reforms the raw material gas by adding water to hydrogen. Combustion generator 82 that generates a rich fuel gas, water supply means 83 that supplies water to the fuel generator 82, a combustor 84 that combusts the fuel gas discharged from the fuel cell 81, and air as an oxidant gas Is supplied to the cathode of the fuel cell 81, purge air supply means 86, a fuel gas supply channel for supplying the fluid sent from the fuel generator 82 to the anode of the fuel cell 81, and the fuel generator 82. And a flow path switching means 88 for switching to a bypass pipe 87 for guiding the fluid delivered from the fuel cell to a path for supplying exhaust combustion gas to the combustor by bypassing the fuel cell, and residual fuel from the fuel cell 81 On-off valve 89 on the path through which gas is discharged, raw material cathode supply means 810 for supplying the raw material to the cathode of the fuel cell 81, the air inlet side from the blower 85 to the fuel cell 81, and the fuel cell 1. And cathode closing means 811 having an on-off valve for opening and closing the air outlet side. Here, the raw material is not limited to natural gas, but includes a compound composed of at least carbon and hydrogen, exemplified by city gas, hydrocarbons such as methane and propane, and alcohols such as methane and ethanol. Any material can be used. However, the liquid raw material such as alcohol is preferably a vaporized raw material gas.

また、流路切換手段88がバイパス流路を形成し、燃料生成器82から送出される流体をバイパス管87へ供給するように設定された場合は燃料電池81への燃料ガスの入口側が閉止状態となるため、流路切換手段88と開閉弁89とからアノード閉止手段812が構成される。また、燃料電池81の内部構成は、図1,2に示すものと同様である。   In addition, when the flow path switching unit 88 forms a bypass flow path and is set to supply the fluid sent from the fuel generator 82 to the bypass pipe 87, the fuel gas inlet side to the fuel cell 81 is closed. Therefore, the flow path switching means 88 and the on-off valve 89 constitute an anode closing means 812. The internal configuration of the fuel cell 81 is the same as that shown in FIGS.

以上のような構成を有する本実施の形態の燃料電池システムの動作を以下に説明するとともに、これにより、本発明の燃料電池システムの停止方法の一実施の形態について説明する。   The operation of the fuel cell system according to the present embodiment having the above-described configuration will be described below, and an embodiment of the method for stopping the fuel cell system according to the present invention will be described.

燃料電池システムの運転時は、燃料生成器82は約640℃程度の温度に維持されて天然ガスと水から水素に富んだ燃料ガスを生成し、燃料ガスは供給流路を形成した流路切換手段88を経由して燃料電池81へ送られる。燃料電池81では燃料ガス中の水素とブロア85から開放状態のカソード閉止手段を経由して供給される空気中の酸素とを用いて発電が行われ、発電で消費されなかった残余燃料ガスは開放状態の開閉弁89を経由して燃焼器84へ送られ燃焼され燃料生成器82の温度維持を行うための熱源に用いられる。   During the operation of the fuel cell system, the fuel generator 82 is maintained at a temperature of about 640 ° C. to generate a fuel gas rich in hydrogen from natural gas and water, and the fuel gas is a channel switching that forms a supply channel. It is sent to the fuel cell 81 via the means 88. In the fuel cell 81, power generation is performed using hydrogen in the fuel gas and oxygen in the air supplied from the blower 85 via the open cathode closing means, and the remaining fuel gas not consumed in the power generation is released. It is sent to the combustor 84 through the open / close valve 89 and burned, and used as a heat source for maintaining the temperature of the fuel generator 82.

燃料電池システムが発電を停止する際には、ブロア85を停止して燃料電池81のカソードへの空気供給を停止し、燃料電池81の電圧が開回路電圧になる前に、原料カソード供給手段810は原料を燃料電池81のカソードへ供給を開始する。原料が燃料電池81のカソード内の空気をほぼ全量追い出したときにカソード閉止手段811を閉止状態にし、原料カソード供給手段810は原料を燃料電池81のカソードへ供給するのを停止する。   When the fuel cell system stops power generation, the blower 85 is stopped to stop air supply to the cathode of the fuel cell 81, and before the voltage of the fuel cell 81 becomes an open circuit voltage, the raw material cathode supply means 810 Starts supplying the raw material to the cathode of the fuel cell 81. When the raw material expels almost all the air in the cathode of the fuel cell 81, the cathode closing means 811 is closed, and the raw material cathode supply means 810 stops supplying the raw material to the cathode of the fuel cell 81.

また、流路切換手段88はバイパス管87側へ切り替えられ、バイパス流路を形成するとともに開閉弁89を閉止状態にすることにより、燃料電池81のアノードに存在する燃料ガスを封入し、燃料生成器82への原料の供給を停止する。   Further, the flow path switching means 88 is switched to the bypass pipe 87 side to form a bypass flow path and close the on-off valve 89, thereby sealing the fuel gas present at the anode of the fuel cell 81 and generating fuel. The supply of the raw material to the vessel 82 is stopped.

一方、水供給手段83による燃料生成器82への水の供給は継続させる。燃料生成器82へ供給された水は燃料生成器82の熱で水蒸気となり、燃料生成器82内に残っている水素に富んだ燃料ガスを押し出し流路切換手段88、バイパス管87を経由して燃焼器84で燃焼させる。その後、次第に水素に富んだ燃料ガスの量が減少してくため燃焼器84での燃焼は停止するが、燃料生成器82の余熱で水蒸気の生成は継続される。   On the other hand, the supply of water to the fuel generator 82 by the water supply means 83 is continued. The water supplied to the fuel generator 82 is converted into water vapor by the heat of the fuel generator 82, and the hydrogen-rich fuel gas remaining in the fuel generator 82 is pushed out via the flow path switching means 88 and the bypass pipe 87. Combustion is performed by the combustor 84. Thereafter, the amount of the fuel gas rich in hydrogen gradually decreases, so that the combustion in the combustor 84 is stopped, but the generation of water vapor is continued by the residual heat of the fuel generator 82.

燃料生成器82で生成された水蒸気の量が燃料生成器82内の水素に富んだ燃料ガスを十分追い出す量に達し、かつ、燃料生成器82の温度が400℃程度まで低下した時、水供給手段83による水の供給を停止してパージ用空気供給手段86により空気を供給することにより燃料生成器82の中の水蒸気を押し出し流路切換手段88、バイパス管87を経由して燃焼器84から排出する。燃料生成器82や各部配管内部の水蒸気を追い出し切ったときパージ用空気供給手段86は空気の供給を停止し、燃料電池システムの停止処理を完了する。   When the amount of water vapor generated in the fuel generator 82 reaches the amount enough to drive out the hydrogen-rich fuel gas in the fuel generator 82, and the temperature of the fuel generator 82 has dropped to about 400 ° C., water supply Water supply by the means 83 is stopped and air is supplied by the purge air supply means 86 to push out water vapor in the fuel generator 82 from the combustor 84 via the flow path switching means 88 and the bypass pipe 87. Discharge. When the water vapor in the fuel generator 82 and each part of the pipe is driven out, the purge air supply means 86 stops the supply of air and completes the stop process of the fuel cell system.

前記の400℃という温度は燃料生成器82に用いられる触媒がルテニウムを主成分としている場合を想定しており、触媒が高温時に空気に触れて酸化することにより性能劣化を引き起こさないためにある程度の安全率を見込んで設定した温度である。そのため安全率の設定によっては温度は変化することは当然であり、また、触媒の種類が異なればおのずと違った温度に設定されるべきである。   The temperature of 400 ° C. assumes that the catalyst used in the fuel generator 82 is mainly composed of ruthenium. In order to prevent the catalyst from being oxidized by touching air at a high temperature, a certain degree of deterioration is caused. The temperature is set in anticipation of the safety factor. Therefore, it is natural that the temperature changes depending on the setting of the safety factor, and the temperature should naturally be set differently if the type of the catalyst is different.

次に、燃料電池システムを起動する場合は、流路切換手段88はバイパス流路を形成したまま原料を燃料生成器82、流路切換手段88、バイパス管87を経由して燃焼器84へ供給し燃焼を行なう。と同時に、水供給手段3は燃料生成器82へ水の供給を行なう。そして、燃焼器84により燃料生成器82が約640℃に加熱され、原料から水素に富んだ燃料ガスに変換される。燃料生成器82に含まれる一酸化炭素除去部(図示せず)の温度が安定し、燃料ガス中に含まれる一酸化炭素の濃度が燃料電池81のアノード電極を劣化させない程度(約20ppm)まで低下した時点で、開閉弁89を開き、流路切換手段88は燃料ガス供給流路側へ切替えられ、燃料ガスを流路切換手段88、燃料電池81、開閉弁89を経由して燃焼器84へ供給する。   Next, when starting the fuel cell system, the flow path switching means 88 supplies the raw material to the combustor 84 via the fuel generator 82, the flow path switching means 88, and the bypass pipe 87 while the bypass flow path is formed. And burn. At the same time, the water supply means 3 supplies water to the fuel generator 82. Then, the fuel generator 82 is heated to about 640 ° C. by the combustor 84, and the raw material is converted into a fuel gas rich in hydrogen. The temperature of the carbon monoxide removal unit (not shown) included in the fuel generator 82 is stabilized and the concentration of carbon monoxide included in the fuel gas does not deteriorate the anode electrode of the fuel cell 81 (about 20 ppm). When the voltage drops, the on-off valve 89 is opened, the flow path switching means 88 is switched to the fuel gas supply flow path side, and the fuel gas is passed to the combustor 84 via the flow path switching means 88, the fuel cell 81, and the on-off valve 89. Supply.

同時にカソード閉止手段811を開放状態にし、ブロア85は燃料電池81のカソードへ空気の供給を開始し、燃料電池81での発電を開始する。   At the same time, the cathode closing means 811 is opened, and the blower 85 starts supplying air to the cathode of the fuel cell 81 and starts power generation in the fuel cell 81.

以上のように、本実施の形態によれば、燃料電池システムの停止時において、実施の形態1〜3と同様、流路切換手段88はバイパス流路を形成し開閉弁89を閉止状態にして燃料電池1のアノードに燃料ガスを封入することにより、窒素を用いない場合でも燃料電池1のカソードへ空気を流入させる事無く安全に停止できるので、燃料電池81のアノードを酸素の存在する酸化雰囲気に晒す事はない。さらに、原料カソード供給手段810は原料を燃料電池1のカソードへ供給しカソードの空気を追い出してから停止するため、燃料電池81において、高分子電解質膜を介してカソードからアノードへのガス拡散が発生しても、アノードに空気が混入しないため、アノード電位が低く維持され、アノード触媒の溶出がなくなり、燃料電池システムの耐久性低下を招く事はない。   As described above, according to the present embodiment, when the fuel cell system is stopped, the flow path switching means 88 forms the bypass flow path and closes the on-off valve 89, as in the first to third embodiments. By enclosing the fuel gas in the anode of the fuel cell 1, even when nitrogen is not used, the fuel cell 81 can be safely stopped without flowing air into the cathode of the fuel cell 1. Never be exposed to. Further, since the raw material cathode supply means 810 supplies the raw material to the cathode of the fuel cell 1 and expels cathode air and then stops, gas diffusion from the cathode to the anode occurs through the polymer electrolyte membrane in the fuel cell 81. However, since air does not enter the anode, the anode potential is kept low, the anode catalyst is not eluted, and the durability of the fuel cell system is not reduced.

かつ、上記の原料によるカソードの空気排出動作を燃料電池81が開回路電圧に到達する以前に開始するため、カソード高電位によるカソード触媒の溶出も発生せず、燃料電池システムの耐久性低下を招かない。   In addition, since the cathode air discharge operation with the above-described raw material is started before the fuel cell 81 reaches the open circuit voltage, the cathode catalyst is not eluted due to the high cathode potential, and the durability of the fuel cell system is lowered. No.

また、カソード閉止手段811を閉止状態にすることにより、原料カソード供給手段810により燃料電池81のカソードへ供給した原料は封入されるため、停止期間が長くなっても外部から空気が燃料電池81へ到達する事は無く、長期停止時を含めて燃料電池システムの耐久性の低下を招く心配はない。   Further, by closing the cathode closing means 811, the raw material supplied to the cathode of the fuel cell 81 by the raw material cathode supply means 810 is sealed, so that air from the outside to the fuel cell 81 even if the stop period becomes longer. There is no risk that the fuel cell system will be lowered in durability, including during long-term shutdown.

一方、燃料生成器82は最初に水蒸気で内部の燃料ガスを押し出し、温度が十分低下してから空気で水蒸気を追い出すため、高温状況下で可燃性ガスを内部に滞留させる危険性もなく、停止時に内部に水を滞留させないため、次回起動時に配管中に水がたまり燃料ガスの供給を不安定にすることもない。   On the other hand, the fuel generator 82 first pushes out the internal fuel gas with water vapor and expels the water vapor with air after the temperature has dropped sufficiently, so there is no danger of flammable gas staying inside under high temperature conditions, and it stops Sometimes water does not stay inside, so that the water does not accumulate in the piping at the next start-up, and the fuel gas supply does not become unstable.

そして起動時には、燃焼器84での燃焼を開始した後に流路切換手段88を燃料ガス供給流路側に切り替え、開閉弁89を開いて、燃料電池1に封入されていた燃料ガスを燃焼器84で燃焼させる事により、燃料電池81に封入されていた燃料ガスを外部へ放出する事がなく、燃料ガスが外部に排出される危険性は生じない。   At the time of start-up, after the combustion in the combustor 84 is started, the flow path switching means 88 is switched to the fuel gas supply flow path side, the on-off valve 89 is opened, and the fuel gas sealed in the fuel cell 1 is removed by the combustor 84. By burning, the fuel gas enclosed in the fuel cell 81 is not released to the outside, and there is no risk of the fuel gas being discharged to the outside.

(実施の形態5)
図9は本発明の実施の形態5における燃料電池システムの構成図である。従来例もしくは本発明の実施の形態4と同じ構成要素には同じ番号を付与している。
(Embodiment 5)
FIG. 9 is a configuration diagram of a fuel cell system according to Embodiment 5 of the present invention. The same components as those in the conventional example or the fourth embodiment of the present invention are given the same numbers.

本発明の実施の形態5における燃料電池システムは、原料を燃料電池1のアノードへ供給する原料アノード供給手段813をさらに備えた点が実施の形態4と異なる。   The fuel cell system according to Embodiment 5 of the present invention is different from Embodiment 4 in that it further includes a material anode supply means 813 for supplying a material to the anode of the fuel cell 1.

以上のような構成を有する本実施の形態の燃料システムの動作を以下に説明するとともに、これにより、本発明の燃料電池システムの停止方法の一実施の形態について説明する。   The operation of the fuel system of the present embodiment having the above-described configuration will be described below, and an embodiment of the fuel cell system stop method of the present invention will be described.

燃料電池システムの運転時は、燃料生成器82は約640℃程度の温度に維持されて天然ガスと水から水素に富んだ燃料ガスを生成し、燃料ガスは供給流路を形成した流路切換手段88を経由して燃料電池81へ送られる。燃料電池81では燃料ガス中の水素とブロア85から開放状態のカソード閉止手段を経由して供給される空気中の酸素とを用いて発電が行われ、発電で消費されなかった残余燃料ガスは開放状態の開閉弁89を経由して燃焼器84へ送られ燃焼され燃料生成器82の温度維持を行うための熱源に用いられる。   During the operation of the fuel cell system, the fuel generator 82 is maintained at a temperature of about 640 ° C. to generate a fuel gas rich in hydrogen from natural gas and water, and the fuel gas is a channel switching that forms a supply channel. It is sent to the fuel cell 81 via the means 88. In the fuel cell 81, power generation is performed using hydrogen in the fuel gas and oxygen in the air supplied from the blower 85 via the open cathode closing means, and the remaining fuel gas not consumed in the power generation is released. It is sent to the combustor 84 through the open / close valve 89 and burned, and used as a heat source for maintaining the temperature of the fuel generator 82.

燃料電池システムが発電を停止する際には、まず、ブロア85を停止して燃料電池81のカソードへの空気供給を停止し、燃料電池81の電圧が開回路電圧になる前に、原料カソード供給手段810は原料を燃料電池81のカソードへ供給を開始する。原料が燃料電池81のカソード内の空気をほぼ全量追い出したときにカソード閉止手段811を閉止状態にし、原料カソード供給手段810は原料を燃料電池81のカソードへ供給するのを停止する。   When the fuel cell system stops power generation, first, the blower 85 is stopped to stop the air supply to the cathode of the fuel cell 81, and the raw material cathode supply is performed before the voltage of the fuel cell 81 becomes an open circuit voltage. The means 810 starts supplying the raw material to the cathode of the fuel cell 81. When the raw material expels almost all the air in the cathode of the fuel cell 81, the cathode closing means 811 is closed, and the raw material cathode supply means 810 stops supplying the raw material to the cathode of the fuel cell 81.

次に、流路切換手段88はバイパス管87側へ切替えられ、バイパス流路を形成するとともに開閉弁89を開放状態のまま維持し、アノード閉止手段812は原料を燃料電池1のアノードへ供給する。原料が燃料電池81のアノード内の燃料ガスをほぼ全量追い出したときに開閉弁89を閉止状態にし、原料アノード供給手段813は原料を燃料電池81のアノードへ供給するのを停止する。   Next, the flow path switching means 88 is switched to the bypass pipe 87 side to form a bypass flow path and keep the on-off valve 89 open, and the anode closing means 812 supplies the raw material to the anode of the fuel cell 1. . When the raw material expels almost all the fuel gas in the anode of the fuel cell 81, the on-off valve 89 is closed, and the raw material anode supply means 813 stops supplying the raw material to the anode of the fuel cell 81.

一方、燃料生成器82への原料の供給を停止し、水供給手段83による燃料生成器82への水の供給は継続させる。燃料生成器82へ供給された水は燃料生成器82の熱で水蒸気となり、燃料生成器82内に残っている水素に富んだ燃料ガスを押し出し流路切換手段88、バイパス管87を経由して燃焼器84で燃焼させる。その後次第に水素に富んだ燃料ガスの量が減少してくため燃焼器84での燃焼は停止するが、燃料生成器82の余熱で水蒸気の生成は継続される。   On the other hand, the supply of the raw material to the fuel generator 82 is stopped, and the supply of water to the fuel generator 82 by the water supply means 83 is continued. The water supplied to the fuel generator 82 is converted into water vapor by the heat of the fuel generator 82, and the hydrogen-rich fuel gas remaining in the fuel generator 82 is pushed out via the flow path switching means 88 and the bypass pipe 87. Combustion is performed by the combustor 84. After that, the amount of the fuel gas rich in hydrogen gradually decreases, so that the combustion in the combustor 84 is stopped, but the generation of water vapor is continued by the residual heat of the fuel generator 82.

燃料生成器82で生成された水蒸気の量が燃料生成器2内の水素に富んだ燃料ガスを十分追い出す量に達し、かつ、燃料生成器82の温度が400℃程度まで低下した時、水供給手段83による水の供給を停止してパージ用空気供給手段86により空気を供給することにより燃料生成器82の中の水蒸気を押し出し流路切換手段88、バイパス管87を経由して燃焼器84から排出する。燃料生成器82や各部配管内部の水蒸気を追い出し切ったときパージ用空気供給手段86は空気の供給を停止し、燃料電池システムの停止生成を完了する。   When the amount of water vapor generated in the fuel generator 82 reaches the amount enough to expel the hydrogen-rich fuel gas in the fuel generator 2 and the temperature of the fuel generator 82 drops to about 400 ° C., water supply Water supply by the means 83 is stopped and air is supplied by the purge air supply means 86 to push out water vapor in the fuel generator 82 from the combustor 84 via the flow path switching means 88 and the bypass pipe 87. Discharge. When the water vapor in the fuel generator 82 and each part of the pipe is driven out, the purge air supply means 86 stops the supply of air and completes the stop generation of the fuel cell system.

前記の400℃という温度は燃料生成器82に用いられる触媒がルテニウムを主成分としている場合を想定しており、触媒が高温時に空気に触れて酸化することにより性能劣化を引き起こさないためにある程度の安全率を見込んで設定した温度である。そのため安全率の設定によっては温度は変化することは当然であり、また、触媒の種類が異なればおのずと違った温度に設定されるべきである。   The temperature of 400 ° C. assumes that the catalyst used in the fuel generator 82 is mainly composed of ruthenium. In order to prevent the catalyst from being oxidized by touching air at a high temperature, a certain degree of deterioration is caused. The temperature is set in anticipation of the safety factor. Therefore, it is natural that the temperature changes depending on the setting of the safety factor, and the temperature should naturally be set differently if the type of the catalyst is different.

次に燃料電池システムを起動する場合は、流路切換手段88はバイパス流路を形成したまま原料を燃料生成器82、流路切換手段88、バイパス管87を経由して燃焼器84へ供給し燃焼を行なう。と同時に、水供給手段83は燃料生成器82へ水の供給を行なう。そして、燃焼器84により燃料生成器82が約640℃に加熱され、原料から水素に富んだ燃料ガスに変換される。燃料生成器82に含まれる一酸化炭素除去部(図示せず)の温度が安定し、燃料ガス中に含まれる一酸化炭素の濃度が燃料電池1のアノード電を劣化させない程度(約20ppm)まで低下した時点で、開閉弁89を開き、流路切換手段8は燃料ガス供給流路側へ切替えられ、燃料ガスを流路切換手段88、燃料電池81、開閉弁89を経由して燃焼器84へ供給する。   Next, when starting the fuel cell system, the flow path switching means 88 supplies the raw material to the combustor 84 via the fuel generator 82, the flow path switching means 88, and the bypass pipe 87 while the bypass flow path is formed. Burn. At the same time, the water supply means 83 supplies water to the fuel generator 82. Then, the fuel generator 82 is heated to about 640 ° C. by the combustor 84, and the raw material is converted into a fuel gas rich in hydrogen. The temperature of the carbon monoxide removal section (not shown) included in the fuel generator 82 is stabilized, and the concentration of carbon monoxide included in the fuel gas does not deteriorate the anode electricity of the fuel cell 1 (about 20 ppm). When the voltage drops, the on-off valve 89 is opened, the flow path switching means 8 is switched to the fuel gas supply flow path side, and the fuel gas is transferred to the combustor 84 via the flow path switching means 88, the fuel cell 81, and the on-off valve 89. Supply.

同時にカソード閉止手段811を開放状態にし、ブロア85は燃料電池81のカソードへ空気の供給を開始し、燃料電池81での発電を開始する。   At the same time, the cathode closing means 811 is opened, and the blower 85 starts supplying air to the cathode of the fuel cell 81 and starts power generation in the fuel cell 81.

以上のように、燃料電池システムの停止時において、アノード閉止手段812は原料を燃料電池81のアノードへ供給し、原料が燃料電池81のアノード内の燃料ガスをほぼ全量追い出したときに開閉弁89を閉止状態にして原料を封入する事により、窒素を用いない場合でも燃料電池1のカソードへ空気を流入させる事無く安全に停止できるので、燃料電池1のアノードを酸素の存在する酸化雰囲気に晒す事はない。   As described above, when the fuel cell system is stopped, the anode closing means 812 supplies the raw material to the anode of the fuel cell 81, and when the raw material expels almost all the fuel gas in the anode of the fuel cell 81, the on-off valve 89 By sealing the raw material in a closed state, even when nitrogen is not used, air can be safely stopped without flowing into the cathode of the fuel cell 1, so that the anode of the fuel cell 1 is exposed to an oxygen-containing oxidizing atmosphere. There is nothing.

さらに、発電停止時の最初に原料カソード供給手段810は原料を燃料電池81のカソードへ供給しカソードの空気を追い出してから停止するため、燃料電池81が固体高分子形であり固体高分子からなる電膜を介してカソードからアノードへのガス拡散が発生しても、アノードに空気が混入しないため、燃料電池システムの耐久性低下を招く事はない。かつ、上記の原料によるカソードの空気排出動作を燃料電池81が開回路電圧に到達する以前に開始するため、燃料電池1のカソード、アノード間に高い電位差が発生し、微弱電流がながれることによる電極の溶出も発生せず、燃料電池システムの耐久性低下を招かない。   Furthermore, since the raw material cathode supply means 810 supplies the raw material to the cathode of the fuel cell 81 at the beginning when power generation is stopped and drives off the cathode air, the fuel cell 81 is in a solid polymer form and is made of a solid polymer. Even if gas diffusion from the cathode to the anode occurs through the electromembrane, air is not mixed into the anode, so that the durability of the fuel cell system is not lowered. In addition, since the cathode air discharge operation by the above-described raw material is started before the fuel cell 81 reaches the open circuit voltage, a high potential difference is generated between the cathode and the anode of the fuel cell 1, and the electrode due to the weak current flowing. Elution does not occur, and the durability of the fuel cell system is not reduced.

また、カソード閉止手段811を閉止状態にすることにより、原料カソード供給手段810により燃料電池81のカソードへ供給した原料は封入されるため、停止期間が長くなっても外部から空気が燃料電池81へ到達する事は無く、長期停止時を含めて燃料電池システムの耐久性の低下を招く心配はない。   Further, by closing the cathode closing means 811, the raw material supplied to the cathode of the fuel cell 81 by the raw material cathode supply means 810 is sealed, so that air from the outside to the fuel cell 81 even if the stop period becomes longer. There is no risk that the fuel cell system will be lowered in durability, including during long-term shutdown.

一方、燃料生成器82は最初に水蒸気で内部の燃料ガスを押し出し、温度が十分低下してから空気で水蒸気を追い出すため、高温状況下で可燃性ガスを内部に滞留させる危険性もなく、停止時に内部に水を滞留させないため、次回起動時に配管中に水がたまり燃料ガスの供給を不安定にすることもない。   On the other hand, the fuel generator 82 first pushes out the internal fuel gas with water vapor and expels the water vapor with air after the temperature has dropped sufficiently, so there is no danger of flammable gas staying inside under high temperature conditions, and it stops Sometimes water does not stay inside, so that the water does not accumulate in the piping at the next start-up, and the fuel gas supply does not become unstable.

そして起動時には、燃焼器84での燃焼を開始した後に流路切換手段88は燃料ガス供給流路を形成し開閉弁89を開いて、燃料電池1に封入されていた燃料ガスを燃焼器84で燃焼させる事により、燃料電池81に封入されていた燃料ガスを外部へ放出する事がなく、燃料ガスが外部に排出される危険性は生じない。   At the time of start-up, after the combustion in the combustor 84 is started, the flow path switching means 88 forms a fuel gas supply flow path and opens the on-off valve 89 so that the fuel gas sealed in the fuel cell 1 is removed by the combustor 84. By burning, the fuel gas enclosed in the fuel cell 81 is not released to the outside, and there is no risk of the fuel gas being discharged to the outside.

なお、以上の実施の形態4〜5において、燃料電池81は本発明の燃料電池に相当し、燃料生成器82は本発明の燃料生成器に相当する。また燃料生成器82と燃料電池81とを接続する配管は本発明の燃料ガス配管に相当し、流路切替手段は本発明の燃料ガス開閉弁に相当し、これらが本発明の燃料ガス供給手段を構成する。またカソード閉止手段811の空気の入口側の開閉弁は本発明の酸化剤ガス開閉弁に相当し、これと燃料電池とを接続する配管は本発明の酸化剤ガス配管に相当し、これらが本発明の酸化剤ガス供給手段を構成する。   In the above fourth to fifth embodiments, the fuel cell 81 corresponds to the fuel cell of the present invention, and the fuel generator 82 corresponds to the fuel generator of the present invention. The pipe connecting the fuel generator 82 and the fuel cell 81 corresponds to the fuel gas pipe of the present invention, the flow path switching means corresponds to the fuel gas on-off valve of the present invention, and these are the fuel gas supply means of the present invention. Configure. The on-off valve on the air inlet side of the cathode closing means 811 corresponds to the oxidant gas on-off valve of the present invention, and the pipe connecting this to the fuel cell corresponds to the oxidant gas pipe of the present invention. The oxidant gas supply means of the invention is constituted.

また原料カソード供給手段は本発明の原料ガス開閉弁に相当し、これと燃料電池81とを接続する配管は本発明の原料ガス配管に相当し、これらは本発明の原料ガス供給手段を構成する。   The raw material cathode supply means corresponds to the raw material gas on-off valve of the present invention, and the pipe connecting this to the fuel cell 81 corresponds to the raw material gas pipe of the present invention, and these constitute the raw material gas supply means of the present invention. .

また、アノード閉止手段812の燃料ガスの出口側の開閉弁89は本発明のアノード側オフガス開閉弁に相当し、これと燃料電池とを接続する配管は本発明のアノード側排出配管に相当する。またカソード閉止手段811の空気の出口側の開閉弁89は本発明のカソード側オフガス開閉弁に相当し、これと燃料電池とを接続する配管は本発明のカソード側排出配管に相当する。   The on / off valve 89 on the fuel gas outlet side of the anode closing means 812 corresponds to the anode off-gas on / off valve of the present invention, and the pipe connecting this to the fuel cell corresponds to the anode discharge pipe of the present invention. The on-off valve 89 on the air outlet side of the cathode closing means 811 corresponds to the cathode-side off-gas on-off valve of the present invention, and the pipe connecting this to the fuel cell corresponds to the cathode-side exhaust pipe of the present invention.

またバイパス管87は本発明のバイパス手段に相当し、燃焼器84は本発明の燃焼器に相当する。   The bypass pipe 87 corresponds to the bypass means of the present invention, and the combustor 84 corresponds to the combustor of the present invention.

なお、原料アノード供給手段813を本発明の付加原料ガス開閉弁として、原料アノード供給手段813と燃料電池81とを接続する配管を本発明の付加原料ガス配管として用いることにより、実施の形態4,5の構成において実施の形態1の停止工程3を行わせるようにしていもよい。   It is to be noted that, by using the raw material anode supply means 813 as the additional raw material gas on-off valve of the present invention and the pipe connecting the raw material anode supply means 813 and the fuel cell 81 as the additional raw material gas pipe of the present invention, Embodiment 4 In the configuration of 5, the stop step 3 of the first embodiment may be performed.

また、以上の実施の形態4および5は、以下のような発明の実施の形態にも相当するものである。すなわち、第1の発明として、水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとから電力を発生させる燃料電池と、原料から前記燃料ガスを生成する燃料生成器と、前記燃料生成器に空気を供給するパージ空気供給手段と、前記燃料電池のカソードに原料を供給する原料カソード供給手段と、前記燃料生成手段から前記燃料電池までの燃料ガス経路上に前記燃料電池をバイパスするバイパス手段と、前記燃料生成器から排出されるガスの経路を前記燃料ガス経路またはパイバス手段にいずれかに切替える切替手段と、前記燃料電池のアノードの入口及び出口を閉止するアノード閉止手段とを備え、前記燃料電池の発電を停止する際に前記原料カソード供給手段は前記燃料電池のカソードに原料を供給し、前記アノード閉止手段はアノードの入口及び出口を閉止し、かつ前記切替手段によりバイパス手段側に切替え、前記水供給手段により水を供給した後、前記パージ空気供給手段により空気を供給することを特徴とする燃料電池システムであってもよい。   Further, the above fourth and fifth embodiments correspond to the following embodiments of the invention. That is, as a first invention, a fuel cell that generates power from a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas, a fuel generator that generates the fuel gas from a raw material, and a purge that supplies air to the fuel generator Air supply means, raw material cathode supply means for supplying raw materials to the cathode of the fuel cell, bypass means for bypassing the fuel cell on a fuel gas path from the fuel generation means to the fuel cell, and the fuel generator And a switching means for switching the path of the gas discharged from the fuel gas path or the Pibus means, and an anode closing means for closing the inlet and the outlet of the anode of the fuel cell, and stops the power generation of the fuel cell In this case, the raw material cathode supply means supplies the raw material to the cathode of the fuel cell, and the anode closing means has an inlet and an outlet of the anode. Sealed, and the switching to the bypass means side by the switching means, after supplying water by the water supply means, to supply the air may be a fuel cell system characterized by the purge air supply means.

また、第2の発明として、水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとから電力を発生させる燃料電池と、原料から前記燃料ガスを生成する燃料生成器と、前記燃料生成器に水を供給する水供給手段と、前記燃料生成器に空気を供給するパージ空気供給手段と、前記燃料電池のカソードに原料を供給する原料カソード供給手段と、前記燃料電池のアノードに原料を供給する原料アノード供給手段と、前記燃料生成手段から前記燃料電池までの燃料ガス経路上に前記燃料電池をバイパスするバイパス手段と、前記燃料生成器から排出されるガスの経路を前記燃料ガス経路またはパイバス手段にいずれかに切替える切替手段とを備え、前記燃料電池の発電を停止する際に、前記原料カソード供給手段は前記燃料電池のカソードに原料を供給し、前記原料アノード供給手段が前記燃料電池のアノードに原料を供給し、かつ前記切替手段によりバイパス手段側に切替え、前記水供給手段により水を供給した後、前記パージ空気供給手段により空気を供給することを特徴とする燃料電池システムとしてもよい。   Further, as a second invention, a fuel cell that generates electric power from a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas, a fuel generator that generates the fuel gas from a raw material, and water that supplies water to the fuel generator Supply means; purge air supply means for supplying air to the fuel generator; raw material cathode supply means for supplying raw material to the cathode of the fuel cell; and raw material anode supply means for supplying raw material to the anode of the fuel cell; The bypass means for bypassing the fuel cell on the fuel gas path from the fuel generating means to the fuel cell, and the path of the gas discharged from the fuel generator is switched to either the fuel gas path or the pie bus means. Switching means, and when the power generation of the fuel cell is stopped, the raw material cathode supply means supplies the raw material to the cathode of the fuel cell, and A supply means for supplying a raw material to the anode of the fuel cell, switching to the bypass means side by the switching means, supplying water by the water supply means, and then supplying air by the purge air supply means. The fuel cell system may be a feature.

また、第3の発明として、遅くとも前記燃料電池の電圧が開回路電圧に到達する以前に、前記燃料電池の停止動作を開始することを特徴とする第1または第2の発明の燃料電池システムとしてもよい。   According to a third aspect of the invention, there is provided the fuel cell system according to the first or second aspect, wherein the fuel cell stop operation is started before the voltage of the fuel cell reaches the open circuit voltage at the latest. Also good.

また、第4の発明として、前記原料アノード供給手段は、前記原料カソード供給手段が前記燃料電池のカソードに原料の供給を開始した後に、前記燃料電池のアノードに原料の供給を開始することを特徴とする第2の発明の燃料電池システムとしてもよい。   According to a fourth aspect of the present invention, the raw material anode supply means starts supplying the raw material to the anode of the fuel cell after the raw material cathode supply means starts supplying the raw material to the cathode of the fuel cell. The fuel cell system according to the second aspect of the present invention may be used.

また、第5の発明として、前記燃料電池のアノードの入口及び出口を閉止するアノード閉止手段を備え、前記アノード閉止手段は前記原料アノード供給手段が前記燃料電池のアノードに原料を供給した後、前記燃料電池のアノードの入口及び出口を閉止することを特徴とする第2から第4のいずれかの発明の燃料電池システムとしてもよい。   Further, as a fifth aspect of the invention, there is provided anode closing means for closing an inlet and an outlet of the anode of the fuel cell, and the anode closing means is configured such that after the raw material anode supply means supplies the raw material to the anode of the fuel cell, The fuel cell system according to any one of the second to fourth aspects of the invention may be configured such that the inlet and the outlet of the anode of the fuel cell are closed.

また、第6の発明として、前記燃料電池のカソードの入口及び出口を閉止するカソード閉止手段を備え、前記カソード閉止手段は記原料カソード供給手段が前記燃料電池のカソードに原料を供給した後、前記燃料電池のカソードの入口及び出口を閉止することを特徴とする第1から第5のいずれかの発明の燃料電池システムとしてもよい。   Further, as a sixth aspect of the invention, there is provided a cathode closing means for closing an inlet and an outlet of the cathode of the fuel cell, the cathode closing means after the raw material cathode supply means supplies the raw material to the cathode of the fuel cell, A fuel cell system according to any one of the first to fifth aspects of the present invention, wherein the inlet and the outlet of the cathode of the fuel cell are closed.

また、第7の本発明として、原料と、前記燃料電池のアノードから排出される残余燃料と、前記燃料生成器から前記バイパス手段を経由して供給される燃料との少なくとも1つを燃焼する燃焼器を備え、装置の起動時に、前記燃焼器にて燃焼が開始された後に、前記アノード閉止手段は前記燃料電池のアノードの入口及び出口を開放することを特徴とする第1、第5または第6のいずれかの発明の燃料電池システムとしてもよい。   Further, as a seventh aspect of the present invention, combustion for burning at least one of a raw material, residual fuel discharged from the anode of the fuel cell, and fuel supplied from the fuel generator via the bypass means The anode closing means opens the inlet and the outlet of the anode of the fuel cell after combustion is started in the combustor at the start-up of the apparatus. It is good also as a fuel cell system of either invention of 6.

(実施の形態6)
本発明の燃料電池システムおよびその停止方法の説明に先だって、改めて、固体高分子電解質形の燃料電池の基本的な発電原理を概説すると共に、加湿原料ガスによって電解質膜の乾燥を防止する目的を理解するため、電解質膜の保水管理の必要性を説明する。
(Embodiment 6)
Prior to the description of the fuel cell system of the present invention and the method for stopping the fuel cell system, the basic power generation principle of the solid polymer electrolyte fuel cell will be outlined again, and the purpose of preventing drying of the electrolyte membrane by the humidified raw material gas will be understood. Therefore, the necessity of water retention management of the electrolyte membrane will be explained.

燃料電池は、水素ガス等の燃料ガスをアノードに、空気等の酸化剤ガスをカソードに供
給することによりこれらを電気化学的に反応させて電気と熱を同時に生成するものである。
In a fuel cell, a fuel gas such as hydrogen gas is supplied to an anode and an oxidant gas such as air is supplied to a cathode to cause them to react electrochemically to generate electricity and heat simultaneously.

電解質膜としては水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜が利用され、この電解質膜の両面に配置された多孔質の触媒反応層は、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分としており、アノードの触媒反応層において下記の(12)式の反応が発生し、カソードの触媒反応層において下記の(13)式の反応が発生し、燃料電池全体として下記の(14)式の反応が発生する。   A polymer electrolyte membrane that selectively transports hydrogen ions is used as the electrolyte membrane, and the porous catalytic reaction layers disposed on both sides of the electrolyte membrane are mainly composed of carbon powder carrying a platinum-based metal catalyst. The reaction of the following formula (12) occurs in the catalytic reaction layer of the anode, the reaction of the following formula (13) occurs in the catalytic reaction layer of the cathode, and the fuel cell as a whole has the following formula (14). A reaction occurs.

(化12)
2→2H+2e-
(化13)
1/2O2+2H++2e-→H2
(化14)
2+1/2O2→H2
即ち、(12)式の反応で生成した水素イオンを、電解質膜を介してアノードからカソードに輸送させると共に、外部回路を介してアノードからカソードに電子を移動させ、カソードでは酸素ガスおよび水素イオン並びに電子が(13)式のように反応して水を生成すると共に、触媒反応による反応熱を得ることができる。
(Chemical formula 12)
H 2 → 2H + 2e -
(Chemical Formula 13)
1 / 2O 2 + 2H + + 2e → H 2 O
(Chemical Formula 14)
H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O
That is, hydrogen ions generated by the reaction of the formula (12) are transported from the anode to the cathode through the electrolyte membrane, and electrons are moved from the anode to the cathode through the external circuit. At the cathode, oxygen gas and hydrogen ions and Electrons react as shown in formula (13) to generate water, and heat of reaction due to catalytic reaction can be obtained.

このように電解質膜には水素イオンを選択的に輸送する機能が必要であり、電解質膜に保水させることによって、電解質膜に含まれる水を移動経路として、アノードからカソードに水素イオンを輸送できるイオン伝導性が発現すると考えられている。   As described above, the electrolyte membrane needs to have a function of selectively transporting hydrogen ions. By holding water in the electrolyte membrane, ions that can transport hydrogen ions from the anode to the cathode using the water contained in the electrolyte membrane as a movement path. It is thought that conductivity develops.

従って、水素イオン輸送能確保のため、電解質膜を保水させることが必須であり、電解質膜の乾燥化を防止して電解質膜の保水管理を適切に行うことは、電解質膜の基本性能にかかわる重要な技術事項である。   Therefore, in order to secure hydrogen ion transport capability, it is essential to retain the electrolyte membrane. Proper management of the electrolyte membrane water retention by preventing the electrolyte membrane from drying is important for the basic performance of the electrolyte membrane. Technical matter.

次に、既存の高分子電解質形の燃料電池の構成につき図面を参照して説明する。   Next, the configuration of an existing polymer electrolyte fuel cell will be described with reference to the drawings.

図10に電解質接合体(MEA;Membrane-Electrode Assembly)を備えた固体高分子電解質形の燃料電池の断面図が示されている。   FIG. 10 shows a cross-sectional view of a solid polymer electrolyte type fuel cell equipped with an electrolyte assembly (MEA).

水素イオン伝導性を備えたパーフルオロカーボンスルフォン酸からなる高分子電解質膜111の両面に、この電解質膜111を挟むようにアノード114aおよびカソード114cが配置されている。なお、参照番号の添え字aは水素ガス等の燃料ガス関与側のアノード114aに関連するものを示しており、添え字cは空気等の酸化剤ガス関与側のカソード114cに関連するものを示している。   An anode 114a and a cathode 114c are arranged on both surfaces of a polymer electrolyte membrane 111 made of perfluorocarbon sulfonic acid having hydrogen ion conductivity so as to sandwich the electrolyte membrane 111. Note that the subscript a of the reference number indicates that related to the anode 114a on the side of the fuel gas such as hydrogen gas, and the subscript c indicates that related to the cathode 114c on the side of the oxidant gas such as air. ing.

アノード114aおよびカソード114cは共に二層膜構造を有しており、電解質膜111と接触する第一層膜は、多孔質カーボンに白金等の貴金属を担持した触媒と水素イオン伝導性を有する高分子電解質との混合物からなるアノード114aの触媒反応層112a(以下、触媒反応層112aという)およびカソード114cの触媒反応層112c(以下、触媒反応層112cという)であり、これらの触媒反応層112a、112cの外面に密着して積層する第二層膜は、通気性と電気伝導性を兼ね備えたアノード114aのガス拡散層113a(以下、ガス拡散層113aという)およびカソード114cのガス拡散層113c(以下、ガス拡散層113cという)である。   Both the anode 114a and the cathode 114c have a two-layer film structure, and the first layer film in contact with the electrolyte film 111 is a polymer having a hydrogen ion conductivity and a catalyst in which a noble metal such as platinum is supported on porous carbon. A catalyst reaction layer 112a (hereinafter referred to as catalyst reaction layer 112a) of the anode 114a and a catalyst reaction layer 112c (hereinafter referred to as catalyst reaction layer 112c) of the cathode 114c, which are made of a mixture with an electrolyte, and these catalyst reaction layers 112a and 112c. The second layer film laminated in close contact with the outer surface of the gas diffusion layer 113a of the anode 114a (hereinafter referred to as the gas diffusion layer 113a) and the gas diffusion layer 113c (hereinafter referred to as the gas diffusion layer 113c) of the cathode 114c having both air permeability and electrical conductivity. Gas diffusion layer 113c).

なお、MEA117は、電解質膜111およびアノード114a並びにカソード114cで構成されており、このMEA117は機械的に固定されると共に、互いに隣接するMEA117同士が電気的に直列に接続される。   The MEA 117 includes an electrolyte membrane 111, an anode 114a, and a cathode 114c. The MEA 117 is mechanically fixed, and adjacent MEAs 117 are electrically connected in series.

また、アノード114aの外面に接触してアノード114aに対する導電性セパレータ板116a(以下、導電性セパレータ板116aという)が配置され、カソード114cの外面に接触してカソード114cに対する導電性セパレータ板116c(以下、導電性セパレータ板116cという)が配置されている。   Further, a conductive separator plate 116a (hereinafter referred to as a conductive separator plate 116a) for the anode 114a is disposed in contact with the outer surface of the anode 114a. , Referred to as a conductive separator plate 116c).

また、アノード114aおよびカソード114cに反応ガスを供給して、反応後の反応生成ガスや反応に寄与しなかった余剰の反応ガスを運び去る溝(深さ:0.5mm)からなるアノード114aに対する燃料ガス流路18a(以下、ガス流路18aという)およびカソード114cに対する酸化剤ガス流路18c(以下、ガス流路18cという)が導電性セパレータ板116a、116cのMEA117との接触面に形成されている。   Further, a fuel for the anode 114a comprising a groove (depth: 0.5 mm) for supplying a reaction gas to the anode 114a and the cathode 114c and carrying away a reaction product gas after the reaction and an excess reaction gas that did not contribute to the reaction. A gas flow path 18a (hereinafter referred to as gas flow path 18a) and an oxidant gas flow path 18c (hereinafter referred to as gas flow path 18c) for the cathode 114c are formed on the contact surfaces of the conductive separator plates 116a and 116c with the MEA 117. Yes.

こうしてMEA117とセパレータ板116aと116cからなる燃料電池セル(単セル)20が形成される。   Thus, a fuel cell (single cell) 20 composed of the MEA 117 and the separator plates 116a and 116c is formed.

なお、燃料電池121の内部には、例えば燃料電池セル120が160セル程度積層されており、より具体的には、一方の燃料電池セル120の導電性セパレータ板116aの外面と、他方の燃料電池セル120の導電性セパレータ板116cの外面とが互いに向き合って接触して隣接するように燃料電池セル120は積層される。   For example, about 160 fuel cells 120 are stacked inside the fuel cell 121, and more specifically, the outer surface of the conductive separator plate 116a of one fuel cell 120 and the other fuel cell. The fuel cells 120 are stacked such that the outer surfaces of the conductive separator plates 116c of the cells 120 are adjacent to each other in contact with each other.

また、導電性セパレータ板116aとこれに隣接する導電性セパレータ116cの接触面には、導電性セパレータ板116aに形成された溝(深さ:0.5mm)119aと、導電性セパレータ板116cに形成された溝(深さ:0.5mm)119cとからなる冷却水通路19が設けられている。   Further, a groove (depth: 0.5 mm) 119a formed in the conductive separator plate 116a and a conductive separator plate 116c are formed on the contact surface of the conductive separator plate 116a and the conductive separator 116c adjacent thereto. A cooling water passage 19 including a groove (depth: 0.5 mm) 119c is provided.

こうして冷却水通路119の内部を流れる冷却水によって導電性セパレータ板116a、116cの温度調整を行い、これらの導電性セパレータ116a、116cを介してMEA117の温度調整を可能にしている。   Thus, the temperature of the conductive separator plates 116a and 116c is adjusted by the cooling water flowing through the cooling water passage 119, and the temperature of the MEA 117 can be adjusted via these conductive separators 116a and 116c.

なお、導電性セパレータ板116a、116cとしては、例えば、20cm×32cm×1.3mmの外寸で、フェノール樹脂を含浸させた黒鉛板が用いられる。   As the conductive separator plates 116a and 116c, for example, graphite plates having an outer size of 20 cm × 32 cm × 1.3 mm and impregnated with a phenol resin are used.

また一方、MEA117の外周部のアノード側主面およびカソード側主面にそれぞれ、環状のゴム製のアノード114aの側のMEAガスケット115a(以下、MEAガスケット115aという)およびカソード114cの側のMEAガスケット115c(以下、MEAガスケット115cという)が設けられ、導電性セパレータ板116a、116cとMEA117の間を、MEAガスケット115a、115cによって封止させる。こうして、MEAガスケット115a、115cによってガス流路118a、118cを流れるガスのガス混合やガスリークが防止される。更には、MEAガスケット115a、115cの外側には冷却水通流用および燃料ガス通流用並びに酸化剤ガス通流用のマニホールド穴(図示せず)が形成されている。   On the other hand, an MEA gasket 115a (hereinafter referred to as MEA gasket 115a) on the annular rubber anode 114a side and an MEA gasket 115c on the cathode 114c side on the anode side main surface and cathode side main surface of the outer peripheral portion of the MEA 117, respectively. (Hereinafter referred to as MEA gasket 115c) is provided, and the gap between the conductive separator plates 116a and 116c and the MEA 117 is sealed by the MEA gaskets 115a and 115c. Thus, gas mixing and gas leakage of the gas flowing through the gas flow paths 118a and 118c are prevented by the MEA gaskets 115a and 115c. Further, manifold holes (not shown) for cooling water flow, fuel gas flow, and oxidant gas flow are formed outside the MEA gaskets 115a and 115c.

以上のような燃料電池を使用した燃料電池発電装置のガス供給系の構成および動作について図面を参照しながら説明する。図11は、燃料電池発電装置の基本構成を示すブロック図である。   The configuration and operation of the gas supply system of the fuel cell power generator using the fuel cell as described above will be described with reference to the drawings. FIG. 11 is a block diagram showing a basic configuration of the fuel cell power generator.

最初に、図11および図12を用いて、本発明の実施の形態6の燃料電池発電装置1100の基本構成を説明する。   First, the basic configuration of the fuel cell power generator 1100 according to Embodiment 6 of the present invention will be described with reference to FIGS. 11 and 12.

燃料電池発電装置1100は主として、燃料生成器123に原料ガスを供給するための原料ガス供給手段122、燃料生成器123に水を供給するための第二の水供給手段175、原料ガス供給手段122から供給された原料ガスおよび第二の水供給手段175から供給された水から改質反応によって水素リッチな燃料ガスを生成する燃料生成器123、加湿器123に酸化剤ガス(空気)を供給するための空気供給手段としてのブロア128、加湿器124に水を供給するための第一の水供給手段174、ブロア128から供給された空気を、燃料生成器123から供給された熱および第一の水供給手段174から供給された水によって加湿させる加湿器134、燃料生成器123からアノード114aに供給された燃料ガスおよび加湿器124からカソード114cに供給された加湿酸化剤ガスを使って発電し、および熱を生成する燃料電池121、原料ガス供給手段122および第一、第二の水供給手段174、175並びに燃料生成器123並びにブロア128並びに燃料電池121の適切な制御を制御する制御部127、燃料電池121で生成された電力を取り出す回路部125およびこの回路部125の電圧(発電電圧)を測定する測定部126等から構成されている。   The fuel cell power generator 1100 mainly includes a raw material gas supply unit 122 for supplying a raw material gas to the fuel generator 123, a second water supply unit 175 for supplying water to the fuel generator 123, and a raw material gas supply unit 122. An oxidant gas (air) is supplied to the fuel generator 123 and the humidifier 123 that generate a hydrogen-rich fuel gas by a reforming reaction from the raw material gas supplied from the water and the water supplied from the second water supply means 175. A blower 128 serving as an air supply means, a first water supply means 174 for supplying water to the humidifier 124, the air supplied from the blower 128, the heat supplied from the fuel generator 123 and the first Humidifier 134 for humidifying with water supplied from water supply means 174, fuel gas supplied from fuel generator 123 to anode 114a, and humidifier The fuel cell 121, the raw material gas supply means 122, the first and second water supply means 174, 175, and the fuel generator 123 that generate electric power and generate heat using the humidified oxidant gas supplied from the cathode 24c to the cathode 114c. And a control unit 127 that controls appropriate control of the blower 128 and the fuel cell 121, a circuit unit 125 that extracts power generated by the fuel cell 121, a measurement unit 126 that measures the voltage (power generation voltage) of the circuit unit 125, and the like. It is configured.

更に、燃料電池発電装置1100には、後ほど詳しく説明する第一の切り替え弁129および第一、第二、第三の遮断弁130、131、132が設けられ、制御部127によって制御されている。なお、図11中の点線は制御信号を示している。   Further, the fuel cell power generation device 1100 is provided with a first switching valve 129 and first, second, and third shut-off valves 130, 131, and 132, which will be described in detail later, and are controlled by the control unit 127. In addition, the dotted line in FIG. 11 has shown the control signal.

次に、燃料電池発電装置の通常運転時(発電時)のガス供給の動作について説明する。   Next, the gas supply operation during normal operation (power generation) of the fuel cell power generator will be described.

原料ガス供給手段122のガス清浄部122pにおいて原料ガスに含有する燃料電池の性能劣化物質を除去して原料ガスを清浄化させたうえで、原料ガス供給配管163を介して清浄化原料ガスが燃料生成器123に供給される。なおここでは、原料ガスにメタンガス、エタンガス、プロパンガスおよびブタンガスを含有する都市ガス13Aを使用するため、ガス清浄部22pで都市ガス13Aに含まれる付臭剤のターシャリブチルメルカプタン(TBM)およびジメチルサルファイド(DMS)並びにテトラヒドロチオフィン(THT)等の不純物が吸着除去される。   In the gas cleaning unit 122p of the source gas supply means 122, the performance deterioration material of the fuel cell contained in the source gas is removed to purify the source gas, and then the purified source gas is supplied to the fuel via the source gas supply pipe 163. It is supplied to the generator 123. In this case, since the city gas 13A containing methane gas, ethane gas, propane gas and butane gas is used as the raw material gas, the odorant tertiary butyl mercaptan (TBM) and dimethyl contained in the city gas 13A in the gas cleaning unit 22p. Impurities such as sulfide (DMS) and tetrahydrothiophine (THT) are adsorbed and removed.

また一方、第二の水供給手段175(例えば、水供給ポンプ)から燃料生成器23の内部に水が供給される。   On the other hand, water is supplied into the fuel generator 23 from the second water supply means 175 (for example, a water supply pump).

こうして原料ガスと水蒸気から燃料生成器123の改質部123eにおいて改質反応によって水素ガスリッチな燃料ガス(改質ガス)が生成される。燃料生成器123から送出される燃料ガスは、第一の切り替え弁129によって燃料ガス供給配管161とアノード側入口121aを連通させたうえで、燃料ガス供給配管161を介して燃料電池121のアノード側入口121aに供給され、アノード114aにおいて(1)式の反応に利用される。なお、第一の切り替え弁129は、アノード側入口121aと燃料生成器123の間の燃料ガス供給配管161の途中に配置されている。   Thus, a hydrogen gas-rich fuel gas (reformed gas) is generated from the raw material gas and water vapor by the reforming reaction in the reforming section 123e of the fuel generator 123. The fuel gas delivered from the fuel generator 123 is communicated between the fuel gas supply pipe 161 and the anode side inlet 121a by the first switching valve 129, and then the anode side of the fuel cell 121 through the fuel gas supply pipe 161. It is supplied to the inlet 121a and used for the reaction of the formula (1) at the anode 114a. The first switching valve 129 is disposed in the middle of the fuel gas supply pipe 161 between the anode side inlet 121a and the fuel generator 123.

また、燃料電池121に供給された燃料ガスのうち、燃料電池121で発電反応に利用されなかったものはアノード側出口121bから送出されアノード排気配管147を介して開栓状態の第一の遮断弁130を通って燃料電池121の外部に導かれる。   Of the fuel gas supplied to the fuel cell 121, one that is not used for the power generation reaction in the fuel cell 121 is sent from the anode side outlet 121 b and is opened through the anode exhaust pipe 147 to be in the opened state. It is guided to the outside of the fuel cell 121 through 130.

なお、第一の遮断弁130は、アノード側出口121bと水除去部133の間のアノード排気配管147の途中に配置されている。外部に導かれた残余の燃料ガスは、アノード排気配管147の途中の第二の逆止弁148(第二の逆止弁148は流れを許す方向)を通過すると共に、第一の逆止弁141によって第一の連結配管164の方向への逆流を防止される。そして、残余の燃料ガスは、アノード排気配管147に配置された水除去部133によって水を除去された後、燃料生成器123の燃焼部(図示せず)に送られて、燃焼部の内部で燃焼される。なお、この燃焼によって発生する熱は、改質反応のような吸熱反応用の熱として利用される。   The first shut-off valve 130 is disposed in the middle of the anode exhaust pipe 147 between the anode side outlet 121b and the water removal unit 133. The remaining fuel gas led to the outside passes through the second check valve 148 (the direction in which the second check valve 148 allows the flow) in the middle of the anode exhaust pipe 147 and the first check valve. 141 prevents backflow in the direction of the first connecting pipe 164. Then, after the water is removed by the water removal unit 133 disposed in the anode exhaust pipe 147, the remaining fuel gas is sent to the combustion unit (not shown) of the fuel generator 123, and inside the combustion unit Burned. The heat generated by this combustion is used as heat for endothermic reaction such as reforming reaction.

一方、酸化剤ガス供給手段としてのブロア128から酸化剤ガス供給配管162を介して加湿器124に供給された酸化剤ガス(空気)は、加湿器124において加湿処理された後、開栓状態の第二の遮断弁131を通って酸化剤ガス供給配管162を介して燃料電池121のカソード側入口121cに供給され、カソード114cにおいて(2)式の反応に利用される。なお、第二の遮断弁131は、加湿器124とカソード側入口121cの間の酸化剤ガス供給配管162の途中に配置されている。   On the other hand, the oxidant gas (air) supplied from the blower 128 serving as the oxidant gas supply means to the humidifier 124 via the oxidant gas supply pipe 162 is humidified in the humidifier 124 and then opened. It is supplied to the cathode side inlet 121c of the fuel cell 121 through the oxidant gas supply pipe 162 through the second shutoff valve 131, and used for the reaction of the formula (2) at the cathode 114c. The second shut-off valve 131 is disposed in the middle of the oxidant gas supply pipe 162 between the humidifier 124 and the cathode side inlet 121c.

加湿に必要な水は、第一の水供給手段174(例えば、水供給ポンプ)から加湿器124の内部に補給され、加湿に必要な熱は、図11中に二重線で示された燃料生成器123から加湿器124に供給されている。燃料電池121に供給された加湿酸化剤ガスのうち、燃料電池121で発電反応に利用されなかったものはカソード側出口121dから開栓状態の第三の遮断弁132を通って燃料電池121の外部に導かれ、残余の酸化剤ガスはカソード排気配管160を介して再び加湿器124へ還流されて、還流酸化剤ガス中に含まれる水および熱を加湿器124の内部においてブロア128から送られる新気の酸化剤ガスに与える。なお、第三の遮断弁132は、カソード側出口121dと加湿器124の間のカソード排気配管160の途中に配置されている。また加湿部124として、イオン交換膜を用いた全熱交換加湿器134と温水加湿器135が併用されている。   Water necessary for humidification is supplied to the inside of the humidifier 124 from the first water supply means 174 (for example, a water supply pump), and the heat necessary for humidification is the fuel indicated by a double line in FIG. It is supplied from the generator 123 to the humidifier 124. Of the humidified oxidant gas supplied to the fuel cell 121, the one not used for the power generation reaction in the fuel cell 121 passes through the third shut-off valve 132 in the open state from the cathode-side outlet 121d to the outside of the fuel cell 121. The remaining oxidant gas is recirculated to the humidifier 124 again via the cathode exhaust pipe 160, and water and heat contained in the recirculated oxidant gas are sent from the blower 128 inside the humidifier 124. Give to the oxidant gas. The third shut-off valve 132 is disposed in the middle of the cathode exhaust pipe 160 between the cathode side outlet 121d and the humidifier 124. Further, as the humidifying unit 124, a total heat exchange humidifier 134 using an ion exchange membrane and a hot water humidifier 135 are used in combination.

なおここで、原料ガス供給手段122およびブロア128並びに第一、第二の水供給手段174、175並びに燃料生成器123並びに燃料電池121の動作並びに第一の切り替え弁129の切り替え動作並びに第一、第二、第三の遮断弁130、131、132の開閉動作は、各種機器の検知信号(例えば、温度信号)に基づいて制御部127によって制御されて、適切なDSS運転が実施されている。   Here, the operation of the source gas supply means 122 and the blower 128, the first and second water supply means 174 and 175, the fuel generator 123 and the fuel cell 121, the switching operation of the first switching valve 129, and the first, The opening and closing operations of the second and third shut-off valves 130, 131, 132 are controlled by the control unit 127 based on detection signals (for example, temperature signals) of various devices, and appropriate DSS operation is performed.

こうして、アノード114aの出力端子172a(以下、出力端子172aという)およびカソード114cの出力端子172c(以下、出力端子172cという)に回路部125が接続されて、回路部125に燃料電池121の内部で生成された電力が取り出されて、回路部125の発電電圧が測定部126にてモニタされている。   Thus, the circuit unit 125 is connected to the output terminal 172a (hereinafter referred to as the output terminal 172a) of the anode 114a and the output terminal 172c (hereinafter referred to as the output terminal 172c) of the cathode 114c, and is connected to the circuit unit 125 inside the fuel cell 121. The generated power is taken out, and the generated voltage of the circuit unit 125 is monitored by the measuring unit 126.

ここで、燃料生成器123の内部には、メタンガス等の原料ガスを、水蒸気を用いて改質する改質部123eの他、改質部123eから送出された燃料ガス中に含有される一酸化炭素ガス(COガス)の一部を変成反応によって除去するCO変成部123fと、CO変成部123fから送出された燃料ガス中のCOガス濃度を10ppm以下に低下させ得るCO除去部123gが備えられている。COガス濃度を所定濃度レベル以下に低減させて、燃料電池121の動作温度域においてCOガスによってアノード114aに含まれる白金の被毒を防ぎ、その触媒活性の劣化が回避され得る。勿論、アノード114aに白金−ルテニウム等、耐COガス性を有する触媒を使用して触媒材料の面でもCOガス被毒の対策を講じている。   Here, in the fuel generator 123, the monoxide contained in the fuel gas sent from the reforming unit 123e, in addition to the reforming unit 123e that reforms the raw material gas such as methane gas using water vapor. A CO shift section 123f that removes part of the carbon gas (CO gas) by a shift reaction and a CO removal section 123g that can reduce the CO gas concentration in the fuel gas sent from the CO shift section 123f to 10 ppm or less are provided. ing. By reducing the CO gas concentration below a predetermined concentration level, poisoning of platinum contained in the anode 114a by the CO gas in the operating temperature range of the fuel cell 121 can be prevented, and deterioration of its catalytic activity can be avoided. Of course, the anode 114a uses a catalyst having resistance to CO gas, such as platinum-ruthenium, and measures against poisoning of CO gas are taken in terms of the catalyst material.

メタンガスを原料ガスの例として燃料生成器123の内部の反応変遷をより具体的に説明すると、次のような反応が行われる。   When the reaction transition in the fuel generator 123 is described more specifically by using methane gas as an example of the raw material gas, the following reaction is performed.

改質部123eにおいて、(4)式に示した水蒸気改質反応によって水素ガス(約90%)とCOガス(約10%)が生成される。   In the reforming unit 123e, hydrogen gas (about 90%) and CO gas (about 10%) are generated by the steam reforming reaction shown in the equation (4).

CH4+H2O→CO+3H2 (4)
続いてCO変成部123fにおいて、このCOガスは二酸化炭素に酸化され、その濃度が約5000ppmまで減少させられる((5)式参照)。変成部123fの下流側のCO除去部123gにおいてもCOガスを酸化によって排除できるが、CO除去部123gは、COガスの他、有用な水素ガスまでも酸化させるため、CO変成部123fにおいて可能な限りCOガス濃度を低下させる方が望ましい。
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 (4)
Subsequently, the CO gas is oxidized into carbon dioxide at the CO shift section 123f, and the concentration thereof is reduced to about 5000 ppm (see the formula (5)). CO gas can also be removed by oxidation in the CO removal unit 123g on the downstream side of the shift unit 123f. However, since the CO removal unit 123g oxidizes not only CO gas but also useful hydrogen gas, it is possible in the CO shift unit 123f. It is desirable to reduce the CO gas concentration as much as possible.

CO+H2O→CO2+H2(5)
変成部123fで除去しきれなかった残留するCOガスは、CO除去部123gで酸化して除去されその濃度を約10ppm以下まで低下させられる((6)式参照)。こうして、燃料電池121に用いられる燃料ガスとして使用に耐え得るCOガス濃度レベルに到達できる。因みに、燃料生成器123の全反応式を(7)式に示しておく。
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (5)
Residual CO gas that could not be removed by the metamorphic portion 123f is oxidized and removed by the CO removing portion 123g, and the concentration thereof is reduced to about 10 ppm or less (see the equation (6)). In this way, it is possible to reach a CO gas concentration level that can be used as the fuel gas used in the fuel cell 121. Incidentally, the total reaction formula of the fuel generator 123 is shown in the formula (7).

CO+1/2O2→CO2 (6)
CH4+2H2O→CO2+4H2 (7)
次に、燃料電池発電装置100の起動開始時の動作について説明する。
CO + 1 / 2O 2 → CO 2 (6)
CH 4 + 2H 2 O → CO 2 + 4H 2 (7)
Next, the operation at the start of startup of the fuel cell power generation apparatus 100 will be described.

燃料生成器123(改質部123e)の温度が640℃以下であれば、燃料生成器123(改質部123e)において(4)式の改質反応が発生されない。このため起動開始時においては、燃料ガスから送出されるガスはアノード側入口121aに導かれることなく、第一の切り替え弁129の切り替え動作によって燃料ガス供給配管161をアノード排気配管147に、第一の連結配管164とこの途中に設けられた第一の逆止弁141を介して連通させて、燃料生成器123から送出されたガスを第一の逆止弁141(第一の逆止弁は流れを許す方向)を通してアノード排気配管147に導く。その後、このガスは第二の逆止弁148によってアノード側出口121bの方向への逆流を防止されて、水除去部133にて水除去された後、燃料生成器123の燃焼器に供給されて燃焼器の内部で燃焼させられる。これによって、燃料生成器123(改質部123e)の昇温を速やかに行えて、起動開始から発電までの時間を短縮できる。   If the temperature of the fuel generator 123 (reforming part 123e) is 640 ° C. or lower, the reforming reaction of the formula (4) is not generated in the fuel generator 123 (reforming part 123e). For this reason, at the start of startup, the gas delivered from the fuel gas is not led to the anode side inlet 121a, and the fuel gas supply pipe 161 is switched to the anode exhaust pipe 147 by the switching operation of the first switching valve 129. The connecting pipe 164 is communicated with the first check valve 141 provided in the middle thereof, and the gas sent from the fuel generator 123 is sent to the first check valve 141 (the first check valve is The direction of allowing flow) to the anode exhaust pipe 147. Thereafter, this gas is prevented from flowing back in the direction of the anode side outlet 121 b by the second check valve 148, and is removed by the water removal unit 133 and then supplied to the combustor of the fuel generator 123. It is burned inside the combustor. As a result, the temperature of the fuel generator 123 (the reforming unit 123e) can be quickly increased, and the time from the start to the power generation can be shortened.

更に、燃料電池発電装置1100の起動停止時の動作について説明する。   Furthermore, the operation | movement at the time of starting stop of the fuel cell power generation device 1100 is demonstrated.

燃料電池発電装置1100の起動停止時には、第一の切り替え弁129を動作させて燃料ガス供給配管161をアノード排気配管147に連通させ、燃料ガス供給配管161とアノード側入口121aを遮断する。また、第一、第二、第三の遮断弁130、131、132をそれぞれ閉じる。これによって起動停止後、燃料ガスを燃料電池121のアノード114aに封入でき、かつ酸化剤ガスを燃料電池121のカソード14cに封入できる。   When starting and stopping the fuel cell power generation device 1100, the first switching valve 129 is operated to connect the fuel gas supply pipe 161 to the anode exhaust pipe 147, and the fuel gas supply pipe 161 and the anode side inlet 121a are shut off. Further, the first, second and third shut-off valves 130, 131 and 132 are closed, respectively. Thus, after starting and stopping, the fuel gas can be sealed in the anode 114a of the fuel cell 121, and the oxidant gas can be sealed in the cathode 14c of the fuel cell 121.

以上、通常運転時(発電時)および起動開始時並びに運転停止時について燃料電池発電装置の基本構成のガス供給系の動作を概説したが、停止期間および発電期間を有して停止と発電を頻繁に交互に反復する燃料電池発電装置(例えば、家庭用の燃料電池発電装置)においては、燃料電池の停止期間から発電期間までの間の移行期間に燃料電池の内部を加湿した原料ガスの雰囲気に曝すことによって、燃料電池の停止時における電解質膜の乾燥化や長期保管でもたらされる酸素ガス混入に起因する燃料電池の局所燃焼という燃料電池の起動および停止の反復動作に関する技術的な課題を解消することができる。   As described above, the operation of the gas supply system of the basic configuration of the fuel cell power generator is outlined during normal operation (power generation), start-up, and operation stop. In a fuel cell power generation apparatus (for example, a household fuel cell power generation apparatus) that alternately repeats, the inside of the fuel cell is brought to a humidified source gas atmosphere during the transition period from the stop period of the fuel cell to the power generation period. The exposure eliminates the technical problem related to repeated operation of starting and stopping of the fuel cell, such as drying of the electrolyte membrane when the fuel cell is stopped and local combustion of the fuel cell due to oxygen gas mixing caused by long-term storage. be able to.

なおここで、原料ガスの加湿とは、原料ガスの露点を燃料電池の稼働温度以上になるように、原料ガスの雰囲気を維持させることをいう。   Here, the humidification of the raw material gas refers to maintaining the atmosphere of the raw material gas so that the dew point of the raw material gas becomes equal to or higher than the operating temperature of the fuel cell.

以下、燃料電池の内部を、上記の移行期間に加湿原料ガスで曝すことを特徴とする燃料電池発電装置のガス供給系の構成例および動作例を説明するとともに、これにより、本発明の燃料電池システムの起動方法の一実施の形態について説明を行う。   Hereinafter, a configuration example and an operation example of the gas supply system of the fuel cell power generation apparatus, in which the inside of the fuel cell is exposed to the humidified raw material gas during the transition period, will be described, and thereby the fuel cell of the present invention will be described. An embodiment of a system activation method will be described.

図12は、実施の形態1に係る燃料電池発電装置の構成を示したブロック図であり、図13および図14は、図12の燃料電池発電装置のガス供給動作を説明するフローチャート図である。   FIG. 12 is a block diagram showing the configuration of the fuel cell power generator according to Embodiment 1, and FIGS. 13 and 14 are flowcharts for explaining the gas supply operation of the fuel cell power generator of FIG.

燃料電池121、第一の水供給手段174、第二の水供給手段175、原料ガス供給手段122、燃料生成器123、加湿器124、インピーダンス測定器173、回路部125、測定部126および制御部127の構成については基本構成(図10よび図11参照)にて説明したものと同様である。   Fuel cell 121, first water supply means 174, second water supply means 175, raw material gas supply means 122, fuel generator 123, humidifier 124, impedance measuring instrument 173, circuit part 125, measurement part 126 and control part The configuration of 127 is the same as that described in the basic configuration (see FIGS. 10 and 11).

但し、以下に説明する燃料電池発電装置は、加湿原料ガスの燃料電池121への導入配管および切り替え弁並びに遮断弁並びにマスフローメータ等の制御部127の入力センサを以下のようにした点で基本構成と相違しており、ここでは配管および切り替え弁並びに遮断弁並びにマスフローメータ等の入力センサの変更点を中心に説明する。   However, the fuel cell power generator described below has a basic configuration in that the input sensor of the control unit 127 such as a piping for introducing humidified raw material gas into the fuel cell 121, a switching valve, a shutoff valve, and a mass flow meter is as follows. Here, the description will focus on the changes in the input sensors such as the piping, the switching valve, the shutoff valve, and the mass flow meter.

図12において、燃料生成器123の出口直後の燃料ガス供給配管161の途中にガス流量を測定するためのアノード114aのマスフローメータ170a(以下、マスフローメータ170aという)が配置されている。なお、マスフローメータ170aの下流側であって燃料電池121のアノード側入口121aの上流側の第一の切り替え弁129は、燃料生成器123から延びてアノード側入口121aに連通する燃料ガス供給配管161の途中に配置される。   In FIG. 12, a mass flow meter 170a (hereinafter referred to as a mass flow meter 170a) of an anode 114a for measuring a gas flow rate is disposed in the middle of the fuel gas supply pipe 161 immediately after the outlet of the fuel generator 123. The first switching valve 129 downstream of the mass flow meter 170a and upstream of the anode inlet 121a of the fuel cell 121 extends from the fuel generator 123 and communicates with the anode inlet 121a. It is arranged in the middle.

また、第一の切り替え弁129は、図11と同様に第一の逆止弁141を配置された第一の連結配管164を介してアノード排気配管147と連通される。なお、第一の連結配管164およびアノード排気配管147の接続部位の位置は、水除去部133と第二の逆止弁148の間にある。   Further, the first switching valve 129 is communicated with the anode exhaust pipe 147 through the first connection pipe 164 in which the first check valve 141 is arranged as in FIG. In addition, the position of the connection site | part of the 1st connection piping 164 and the anode exhaust piping 147 exists between the water removal part 133 and the 2nd non-return valve 148. FIG.

アノード出口側121bから燃料生成器123に延びるアノード排気配管147の途中に第二の切り替え弁142が配置され、この第二の切り替え弁142の下流側であって水除去部133の上流側には、第一の遮断弁130および第二の逆止弁148がこの順番に、アノード排気配管147の途中に配置されている。   A second switching valve 142 is disposed in the middle of the anode exhaust pipe 147 extending from the anode outlet side 121b to the fuel generator 123, and is downstream of the second switching valve 142 and upstream of the water removal unit 133. The first shut-off valve 130 and the second check valve 148 are disposed in the order of the anode exhaust pipe 147 in this order.

更に、加湿器124からカソード側入口121cに延びる酸化剤ガス供給配管162の途中には、第二の遮断弁131および第三の切り替え弁143がこの順番に設けられ、カソード側出口121dから加湿器121に延びるカソード排気配管160の途中には 第四の切り替え弁144および第三の遮断弁132がこの順番に設けられている。   Further, in the middle of the oxidant gas supply pipe 162 extending from the humidifier 124 to the cathode side inlet 121c, a second shut-off valve 131 and a third switching valve 143 are provided in this order, and the humidifier from the cathode side outlet 121d is provided. A fourth switching valve 144 and a third shut-off valve 132 are provided in this order in the middle of the cathode exhaust pipe 160 extending to 121.

加えて、第三の切り替え弁143は、第一の循環配管145を介してアノード排気配管147の途中と連結され、第四の切り替え弁144は、第二の循環配管146を介して第二の切り替え弁142と連結されている。なお、第一の循環配管145およびアノード排気配管147の接続部位の位置は、水除去部133と第二の逆止弁148の間にある。   In addition, the third switching valve 143 is connected to the middle of the anode exhaust pipe 147 through the first circulation pipe 145, and the fourth switching valve 144 is connected to the second switching valve 146 through the second circulation pipe 146. A switching valve 142 is connected. In addition, the position of the connection site | part of the 1st circulation piping 145 and the anode exhaust piping 147 exists between the water removal part 133 and the 2nd non-return valve 148. FIG.

また、燃料電池121の内部の温度を検知する温度検知手段(Pt抵抗体の熱電対が望ましい)171は、図12に示すように燃料電池21のほぼ中央付近に配置され、燃料電池セル120中のカソード114cの導電性セパレータ板116cの内部に埋め込まれている(図10参照)。   Further, a temperature detection means (preferably a thermocouple of a Pt resistor) 171 for detecting the temperature inside the fuel cell 121 is disposed in the vicinity of the center of the fuel cell 21 as shown in FIG. Embedded in the conductive separator plate 116c of the cathode 114c (see FIG. 10).

また、後ほど詳しく説明する燃料電池121の電解質膜111の膜抵抗(導電率)を求めるため、出力端子172a、172cに接続するインピーダンス測定器173が設けられている。   Further, in order to obtain the membrane resistance (conductivity) of the electrolyte membrane 111 of the fuel cell 121 described in detail later, an impedance measuring device 173 connected to the output terminals 172a and 172c is provided.

なお、出力端子172a、172cに回路部125が接続されて、回路部125において燃料電池121の内部で生成された電力が取り出されて、回路部125の電圧(発電電圧)が測定部126でモニタされる。   The circuit unit 125 is connected to the output terminals 172a and 172c, the electric power generated inside the fuel cell 121 in the circuit unit 125 is taken out, and the voltage (generated voltage) of the circuit unit 125 is monitored by the measuring unit 126. Is done.

ここで、マスフローメータ170aの出力信号、温度検知手段171の出力信号(測定部126を介して)および出力端子172a、172cの出力信号(インピーダンス測定器173を介して)は、制御部127に入力される。こうして、マスフローメータ170aの出力信号に基づき原料ガスの流量が制御部127によってモニタされ、温度検知手段171の出力信号を測定部126で処理された処理信号に基づき燃料電池121の内部温度が制御部127によってモニタされ、出力端子172a、172cの出力信号をインピーダンス測定器173で処理された処理信号に基づき電解質膜111の膜抵抗が制御部127によってモニタされている。また、制御部127によって以下に説明する第一、第二、第三、第四の切り替え弁129、142、143、144の切り替え動作および第一、第二、第三の遮蔽弁130、131、132の開閉動作は制御されている。   Here, the output signal of the mass flow meter 170a, the output signal of the temperature detection means 171 (via the measurement unit 126), and the output signals of the output terminals 172a and 172c (via the impedance measuring device 173) are input to the control unit 127. Is done. In this way, the flow rate of the raw material gas is monitored by the control unit 127 based on the output signal of the mass flow meter 170a, and the internal temperature of the fuel cell 121 is controlled by the control unit based on the processing signal processed by the measurement unit 126. 127, and the membrane resistance of the electrolyte membrane 111 is monitored by the control unit 127 based on the processed signal obtained by processing the output signals of the output terminals 172 a and 172 c by the impedance measuring device 173. In addition, the switching operation of the first, second, third, and fourth switching valves 129, 142, 143, and 144 described below by the control unit 127 and the first, second, and third shielding valves 130, 131, The opening / closing operation of 132 is controlled.

以下、燃料電池発電装置の停止保管動作および起動開始動作並びに発電開始可否の確認動作並びに発電動作に分けて、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給の動作を、図12のブロック図および図13、図14のフローチャート図を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, the fuel gas and oxidant gas supply operations are divided into the storage and stop operation and the start start operation of the fuel cell power generation device, the operation for confirming whether or not to start power generation, and the power generation operation. This will be described in detail with reference to FIG.

〔燃料電池発電装置の停止保管動作〕
燃料電池発電装置1100の停止後、燃料電池121の内部を原料ガスによって充填封止の状態に保って燃料電池発電装置1100を長期保管させる。ここで、燃料電池発電装置1100の停止保管のため、切り替え弁および遮断弁を次のように動作させる(ステップS401)。
[Stopping storage operation of fuel cell power generator]
After the fuel cell power generation device 1100 is stopped, the fuel cell power generation device 1100 is stored for a long period of time by keeping the inside of the fuel cell 121 filled and sealed with the raw material gas. Here, in order to stop and store the fuel cell power generation device 1100, the switching valve and the shutoff valve are operated as follows (step S401).

第二の切り替え弁142に接続する第一の遮断弁130および第三の切り替え弁143に接続する第二の遮断弁131並びに第四の切り替え弁144に接続する第三の遮断弁132をそれぞれ閉める。   The first cutoff valve 130 connected to the second switching valve 142, the second cutoff valve 131 connected to the third switching valve 143, and the third cutoff valve 132 connected to the fourth switching valve 144 are closed. .

この状態で、第一の切り替え弁129を動作させて燃料ガス供給配管161をアノード排気配管147と連通させる一方、燃料ガス供給配管161をアノード側入口121aと遮断させる。また、第二の切り替え弁142を動作させてアノード側出口121bを第一の遮断弁130と連通させる一方、アノード側出口121bを第二の循環配管146と遮断させる。更に、第三の切り替え弁143を動作させてカソード側入口121cを第二の遮断弁131と連通させる一方、カソード側入口121cを第一の循環配管145と遮断させる。更にまた、第四の切り替え弁144を動作させてカソード側出口121dを第三の遮断弁132と連通させる一方、カソード側出口121dを第二の循環配管146と遮断させる。   In this state, the first switching valve 129 is operated to connect the fuel gas supply pipe 161 to the anode exhaust pipe 147, while the fuel gas supply pipe 161 is disconnected from the anode side inlet 121a. Further, the second switching valve 142 is operated to connect the anode side outlet 121b to the first shutoff valve 130, while the anode side outlet 121b is shut off from the second circulation pipe 146. Further, the third switching valve 143 is operated to connect the cathode side inlet 121c to the second shutoff valve 131, while the cathode side inlet 121c is shut off from the first circulation pipe 145. Furthermore, the fourth switching valve 144 is operated to connect the cathode side outlet 121d with the third shut-off valve 132, while the cathode side outlet 121d is shut off from the second circulation pipe 146.

こうして燃料電池21の内部に燃料ガスおよび酸化剤ガスを確実に封入することができる。なお、燃料電池21の内部は燃料電池稼働温度(70℃)以下で維持されており、通常は室温(約20℃〜30℃)近くに保たれている。   In this way, the fuel gas and the oxidant gas can be reliably sealed inside the fuel cell 21. Note that the inside of the fuel cell 21 is maintained at a fuel cell operating temperature (70 ° C.) or lower, and is usually kept near room temperature (about 20 ° C. to 30 ° C.).

〔燃料電池発電装置の起動開始動作〕
後ほど説明する加湿原料ガスによって燃料電池121の内部をパージ処理させるため、最初に燃料電池121の触媒に悪影響を及ぼさないような原料ガスの選定および原料ガスの清浄化処置を行う(ステップS402)。
[Starting operation of fuel cell generator]
In order to purge the inside of the fuel cell 121 with the humidified raw material gas, which will be described later, first, the raw material gas is selected and the raw material gas is cleaned so as not to adversely affect the catalyst of the fuel cell 121 (step S402).

具体的には、燃料電池121の白金触媒を表面に吸着して、水素過電圧を上昇させることを防止する目的で、原料ガス中の不純物の除去、とりわけイオウ成分の除去は必要不可欠な清浄化処理である。また原料ガス自体の選択として、燃料電池121の白金触媒の活性阻害等をもたらさないガスを選定することが必要であり、この観点からメタンガス、プロパンガス、ブタンガスおよびエタンガス(またはこれらの混合ガス)の何れかのガスを使用することが望ましい。   Specifically, for the purpose of preventing the hydrogen overvoltage from being increased by adsorbing the platinum catalyst of the fuel cell 121 on the surface, removal of impurities in the raw material gas, especially removal of sulfur components is indispensable cleaning treatment. It is. Further, as the selection of the raw material gas itself, it is necessary to select a gas that does not cause inhibition of the platinum catalyst activity of the fuel cell 121. From this viewpoint, methane gas, propane gas, butane gas, and ethane gas (or a mixed gas thereof) are selected. It is desirable to use any gas.

次に、燃料電池121の内部を、稼働温度(70℃)まで昇温する(ステップS403)。   Next, the temperature inside the fuel cell 121 is raised to the operating temperature (70 ° C.) (step S403).

具体的な昇温方法として、例えば、ヒータ(図示せず)または燃料電池発電装置1100のコージェネレーション給湯器(図示せず)の貯蔵温水を使用する。なお、燃料電池121の内部温度は、温度検知手段171の検知信号に基づいて制御部27によってモニタされ、燃料電池121の適切な昇温動作が制御される。   As a specific temperature raising method, for example, a heater (not shown) or hot water stored in a cogeneration water heater (not shown) of the fuel cell power generator 1100 is used. Note that the internal temperature of the fuel cell 121 is monitored by the control unit 27 based on the detection signal of the temperature detection means 171 to control an appropriate temperature raising operation of the fuel cell 121.

ここで、燃料電池121の内部温度が稼働温度(70℃)以上に達している否かを判定して(ステップS404)、昇温不足であれば(S404においてNo)、S403の昇温動作を継続させ、70℃以上に到達すれば(S404においてYes)、次のステップに進む。   Here, it is determined whether or not the internal temperature of the fuel cell 121 has reached the operating temperature (70 ° C.) or more (step S404). If the temperature rise is insufficient (No in S404), the temperature raising operation of S403 is performed. If the temperature reaches 70 ° C. or higher (Yes in S404), the process proceeds to the next step.

続いて、燃料生成器123の内部を予備加熱させるため、切り替え弁および遮断弁を以下のように動作させる(ステップS405)。   Subsequently, in order to preheat the inside of the fuel generator 123, the switching valve and the shutoff valve are operated as follows (step S405).

第二の切り替え弁142に接続する第一の遮断弁130および第三の切り替え弁143に接続する第二の遮断弁131並びに第四の切り替え弁144に接続する第三の遮断弁132をそれぞれ閉める。   The first cutoff valve 130 connected to the second switching valve 142, the second cutoff valve 131 connected to the third switching valve 143, and the third cutoff valve 132 connected to the fourth switching valve 144 are closed. .

この状態で、第一の切り替え弁129を動作させて燃料ガス供給配管161をアノード排気配管147と連通させる一方、燃料ガス供給配管161をアノード側入口121aと遮断させる。また、第二の切り替え弁142を動作させてアノード側出口121bを第一の遮断弁130と連通させる一方、アノード側出口121bを第二の循環配管146と遮断させる。更に、第三の切り替え弁143を動作させてカソード側入口121cを第二の遮断弁131と連通させる一方、カソード側入口121cを第一の循環配管145と遮断させる。更にまた、第四の切り替え弁144を動作させてカソード側出口121dを第三の遮断弁132と連通させる一方、カソード側出口121dを第二の循環配管146と遮断させる。   In this state, the first switching valve 129 is operated to connect the fuel gas supply pipe 161 to the anode exhaust pipe 147, while the fuel gas supply pipe 161 is disconnected from the anode side inlet 121a. Further, the second switching valve 142 is operated to connect the anode side outlet 121b to the first shutoff valve 130, while the anode side outlet 121b is shut off from the second circulation pipe 146. Further, the third switching valve 143 is operated to connect the cathode side inlet 121c to the second shutoff valve 131, while the cathode side inlet 121c is shut off from the first circulation pipe 145. Furthermore, the fourth switching valve 144 is operated to connect the cathode side outlet 121d with the third shut-off valve 132, while the cathode side outlet 121d is shut off from the second circulation pipe 146.

こうして燃料生成器123から送出され燃料ガス供給配管161を流れるガスを、第一の連結配管164(第一の逆止弁141は流れを許す方向)およびアノード排気配管147を通って燃料生成器123の燃焼部に還流させ燃焼部の内部で燃焼させる。   Thus, the gas sent from the fuel generator 123 and flowing through the fuel gas supply pipe 161 passes through the first connection pipe 164 (the direction in which the first check valve 141 allows the flow) and the anode exhaust pipe 147 and the fuel generator 123. It is made to recirculate | reflux to the combustion part of this, and it burns inside a combustion part.

これによって、所定温度範囲(燃料生成器123(改質部123e)において原料ガスおよび水蒸気からCOガスを発生させることなく、しかも原料ガスの炭素析出をさせない温度範囲)まで燃料生成器123を予備加熱させる(ステップS406)。   As a result, the fuel generator 123 is preheated to a predetermined temperature range (a temperature range in which CO gas is not generated from the raw material gas and water vapor in the fuel generator 123 (reforming section 123e) and carbon of the raw material gas is not precipitated). (Step S406).

具体的な燃料生成器123の昇温温度の範囲として、次のような理由によって300℃以下である。もっとも効率的に原料ガスを加熱して加湿させる点から昇温温度の範囲は、好ましくは250℃以上である。   The specific temperature range of the fuel generator 123 is 300 ° C. or lower for the following reason. The range of the temperature rise temperature is preferably 250 ° C. or more from the viewpoint of heating and humidifying the raw material gas most efficiently.

燃料生成器23の温度が640℃を超えると、燃料生成器123(改質部123e)の改質反応によって原料ガスと水蒸気から水素ガスが生成し、このような水素ガスによって燃料電池21の内部をパージ処理した場合、発電開始とともに水素ガスによって燃料電池21の内部で局所燃焼が発生する可能性がある。   When the temperature of the fuel generator 23 exceeds 640 ° C., hydrogen gas is generated from the raw material gas and the water vapor by the reforming reaction of the fuel generator 123 (the reforming unit 123e). Is purged, there is a possibility that local combustion may occur inside the fuel cell 21 due to the hydrogen gas as soon as power generation is started.

燃料生成器123(改質部123e)の温度が640℃以下では、改質反応によって水素ガスは発生しないものの、500℃以上、640℃以下の温度の範囲内では燃料生成器123(改質部123e)において原料ガスを炭化させて原料ガスから炭素析出させる可能性があり、燃料生成器123(改質部123e)の温度を500℃以上の温度に保っておくことも好ましくない。加えて、燃料生成器123(改質部123e)の温度が300℃以下であれば、燃料生成器123(改質部123e)においてMEA117の触媒毒作用を有する一酸化炭素ガスが原料ガスおよび水蒸気から発生することがない。   When the temperature of the fuel generator 123 (reforming part 123e) is 640 ° C. or lower, hydrogen gas is not generated by the reforming reaction, but within the temperature range of 500 ° C. or higher and 640 ° C. or lower, the fuel generator 123 (reforming part). In 123e), there is a possibility that the raw material gas is carbonized and carbon is deposited from the raw material gas, and it is not preferable to keep the temperature of the fuel generator 123 (reforming portion 123e) at 500 ° C. or higher. In addition, if the temperature of the fuel generator 123 (reformer 123e) is 300 ° C. or less, the carbon monoxide gas having the catalytic poisoning action of the MEA 117 in the fuel generator 123 (reformer 123e) is the raw material gas and water vapor. Will not occur.

以上の理由により燃料生成器123(改質部123e)の温度を300℃以下に保って、この温度範囲で加湿させた原料ガスをパージ処理用ガスとして使用することが好適である。   For the above reasons, it is preferable to keep the temperature of the fuel generator 123 (reformer 123e) at 300 ° C. or lower and use the raw material gas humidified in this temperature range as the purge processing gas.

なお、燃料生成器123(改質部123e)の温度は、改質温度測定部(図示せず)の検知信号に基づいて制御部127によってモニタされて、燃料生成器123(改質部123e)の適切な昇温動作が図られる。   The temperature of the fuel generator 123 (reforming unit 123e) is monitored by the control unit 127 based on a detection signal of a reforming temperature measuring unit (not shown), and the fuel generator 123 (reforming unit 123e). The appropriate temperature rising operation is achieved.

ここで、燃料生成器123(改質部123e)の温度が250℃〜300℃の範囲まで昇温したか否かを判定して(ステップS407)、昇温不足であれば(S407においてNo)、S406の燃料生成器123の予備加熱動作を継続させ、250℃〜300℃の範囲まで昇温したら(S407においてYes)、次のステップに進む。   Here, it is determined whether or not the temperature of the fuel generator 123 (the reforming unit 123e) has been raised to a range of 250 ° C. to 300 ° C. (step S407), and if the temperature rise is insufficient (No in S407). When the preheating operation of the fuel generator 123 in S406 is continued and the temperature is raised to a range of 250 ° C. to 300 ° C. (Yes in S407), the process proceeds to the next step.

燃料生成器123の予備加熱の後、燃料生成器123の内部を、原料ガス供給手段122から供給される原料ガスの露点を燃料電池121の稼働温度(70℃)以上に維持できるよう原料ガスを加湿処理できる状態に移行させる(ステップS408)。既に燃料生成器123は300℃近傍まで昇温されており、加湿に要する水は第二の水供給手段175から燃料生成器123に供給できるため、これらの熱と水によって燃料生成器123の内部で原料ガスを加湿させることが可能である。   After the preheating of the fuel generator 123, the raw material gas is maintained in the fuel generator 123 so that the dew point of the raw material gas supplied from the raw material gas supply means 122 can be maintained above the operating temperature (70 ° C.) of the fuel cell 121. The state is shifted to a state where the humidification process can be performed (step S408). The fuel generator 123 has already been heated to around 300 ° C., and water required for humidification can be supplied from the second water supply means 175 to the fuel generator 123. It is possible to humidify the source gas.

続いて、加湿原料ガス供給のため、切り替え弁および遮断弁を以下のように動作させる(ステップS409)。   Subsequently, the switching valve and the shutoff valve are operated as follows for supplying the humidified raw material gas (step S409).

第二の切り替え弁142に接続する第一の遮断弁130および第三の切り替え弁143に接続する第二の遮断弁131並びに第四の切り替え弁144に接続する第三の遮断弁132をそれぞれ閉める。   The first cutoff valve 130 connected to the second switching valve 142, the second cutoff valve 131 connected to the third switching valve 143, and the third cutoff valve 132 connected to the fourth switching valve 144 are closed. .

この状態で、第一の切り替え弁129を動作させて燃料ガス供給配管161をアノード排気配管147と遮断させる一方、燃料ガス供給配管161をアノード側入口121aと連通させる。また、第二の切り替え弁142を動作させてアノード側出口121bを第一の遮断弁130と遮断させる一方、アノード側出口121bを第二の循環配管146と連通させる。更には、第三の切り替え弁143を動作させてカソード側入口121cを第二の遮断弁131と遮断させる一方、カソード側入口121cを第一の循環配管145と連通させる。更にまた、第四の切り替え弁144を動作させてカソード側出口121dを第三の遮断弁132と遮断させる一方、カソード側出口121dを第二の循環配管146と連通させる。   In this state, the first switching valve 129 is operated to cut off the fuel gas supply pipe 161 from the anode exhaust pipe 147, while the fuel gas supply pipe 161 is communicated with the anode side inlet 121a. Further, the second switching valve 142 is operated to shut off the anode side outlet 121b from the first shut-off valve 130, while the anode side outlet 121b is connected to the second circulation pipe 146. Furthermore, the third switching valve 143 is operated to shut off the cathode side inlet 121c from the second shutoff valve 131, while the cathode side inlet 121c is communicated with the first circulation pipe 145. Furthermore, the fourth switching valve 144 is operated to shut off the cathode-side outlet 121d from the third shut-off valve 132, while allowing the cathode-side outlet 121d to communicate with the second circulation pipe 146.

上記の弁動作を行った後、燃料生成器123から送出された加湿原料ガスは次のようにして燃料電池121の内部を加湿させて外部に導かれて、燃料電池121の内部を加湿原料ガスの雰囲気に置換するというパージ処理が行われる(ステップS410)。   After performing the above valve operation, the humidified raw material gas sent from the fuel generator 123 humidifies the inside of the fuel cell 121 and is guided to the outside as follows. The purge process of replacing the atmosphere is performed (step S410).

原料ガス供給手段122から供給される原料ガスはガス清浄部122pにおいて清浄化された後、原料ガス供給配管163を介して燃料生成器123に送られて、燃料生成器123の内部で加湿される。その後、加湿原料ガスは、燃料生成器123から送出され、燃料ガス供給配管161を介して燃料電池121のアノード側入口121aから燃料電池121の内部に流入して、アノード114aが加湿原料ガスの雰囲気に曝された後、加湿原料ガスはアノード側出口121dから送出されて燃料電池121の外部に流出する。続いて加湿原料ガスは、第二の切り替え弁142によって第二の循環配管146の方向に向きを切り替えて、この第二の循環配管146を通過し、第四の切り替え弁144によって燃料電池カソード側出口121dの方向に向きを切り替えて再び燃料電池121の内部に再流入する。こうしてカソード114cが加湿原料ガスの雰囲気に曝されて、原料ガスはカソード側入口121cから送出されて燃料電池121の外部に再流出する。   After the raw material gas supplied from the raw material gas supply means 122 is purified in the gas cleaning unit 122p, it is sent to the fuel generator 123 via the raw material gas supply pipe 163 and is humidified inside the fuel generator 123. . Thereafter, the humidified raw material gas is sent from the fuel generator 123 and flows into the fuel cell 121 from the anode side inlet 121a of the fuel cell 121 via the fuel gas supply pipe 161, so that the anode 114a has an atmosphere of the humidified raw material gas. Then, the humidified raw material gas is sent from the anode side outlet 121d and flows out of the fuel cell 121. Subsequently, the humidified source gas is switched in the direction of the second circulation pipe 146 by the second switching valve 142, passes through the second circulation pipe 146, and is fuel cell cathode side by the fourth switching valve 144. The direction is changed in the direction of the outlet 121d, and the fuel cell 121 flows again into the fuel cell 121 again. Thus, the cathode 114c is exposed to the atmosphere of the humidified raw material gas, and the raw material gas is sent out from the cathode side inlet 121c and flows out of the fuel cell 121 again.

その後、原料ガスは、第三の切り替え弁143によって向きを切り替えて第一の循環配管145の方向に流れて、アノード排気配管147に到達する。アノード排気配管147に到達した原料ガスは、第一、第二の逆止弁141、148によって逆流を防止されて、水除去部133の方向に導かれてこの水除去部133において加湿原料ガスから水除去された後、燃料生成器123の燃焼部に送られる。   Thereafter, the direction of the raw material gas is switched by the third switching valve 143, flows in the direction of the first circulation pipe 145, and reaches the anode exhaust pipe 147. The raw material gas that has reached the anode exhaust pipe 147 is prevented from flowing back by the first and second check valves 141, 148, and is guided in the direction of the water removing unit 133, and is supplied from the humidified raw material gas in the water removing unit 133. After the water is removed, the fuel is sent to the combustion section of the fuel generator 123.

すなわち加湿原料ガスは、図12中の太い点線のように燃料電池121のアノード側入口121aおよびアノード側出口121b並びにカソード側出口121d並びにカソード側入口121cの順番に通過して燃料電池121の周囲を環状に流れてアノード排気配管147に至る。燃焼部に供給された燃料ガスは、燃焼部の内部で燃焼され、この燃焼で生成した熱は燃料生成器123の加熱に利用される。   That is, the humidified raw material gas passes through the periphery of the fuel cell 121 in the order of the anode side inlet 121a, the anode side outlet 121b, the cathode side outlet 121d, and the cathode side inlet 121c of the fuel cell 121 as shown by thick dotted lines in FIG. It flows in an annular shape and reaches the anode exhaust pipe 147. The fuel gas supplied to the combustion section is combusted inside the combustion section, and the heat generated by this combustion is used for heating the fuel generator 123.

加湿原料ガスのトータル供給量は、燃料電池121の内部空間のガス充填可能容積の少なくとも3倍以上必要であり、例えば、ガス充填可能容積が約1.0Lであれば、加湿原料ガスの流量1.5L/分でもって約5分間、これを燃料電池121の内部に供給すれば良く、このトータル供給量はマスフローメータ170aの出力信号に基づいて制御部127によってモニタされている。   The total supply amount of the humidified raw material gas needs to be at least three times the gas filling capacity of the internal space of the fuel cell 121. For example, if the gas filling capacity is about 1.0 L, the flow rate 1 of the humidifying raw material gas is 1 This may be supplied to the inside of the fuel cell 121 for about 5 minutes at 5 L / min, and this total supply amount is monitored by the control unit 127 based on the output signal of the mass flow meter 170a.

こうして燃料電池121の停止期間から発電期間までの間の移行期間に燃料電池121の内部を加湿原料ガスに曝すことができ、停止保管中に乾燥した燃料電池121の電解質膜111を加湿できると共に、仮に停止保管中に燃料電池121の内部に酸素ガスが混入した場合、この酸素ガスによってもたらされる燃料ガスとの局所燃焼を未然に防止できる。   Thus, the inside of the fuel cell 121 can be exposed to the humidified raw material gas during the transition period from the stop period of the fuel cell 121 to the power generation period, and the electrolyte membrane 111 of the fuel cell 121 dried during the stop storage can be humidified. If oxygen gas is mixed into the fuel cell 121 during stopped storage, local combustion with the fuel gas caused by the oxygen gas can be prevented beforehand.

更に、燃料電池121の停止期間から発電期間までの間の移行期間に、燃料電池121の内部に加湿原料ガスを導くようにしたため、燃料電池121の内部を長期間、加湿原料ガスの雰囲気で曝すことがなく、燃料電池の電極の撥水性が損なわれない。   Further, since the humidified raw material gas is introduced into the fuel cell 121 during the transition period from the stop period of the fuel cell 121 to the power generation period, the inside of the fuel cell 121 is exposed to the humidified raw material gas atmosphere for a long period of time. And the water repellency of the fuel cell electrode is not impaired.

加えて、アノード114aに燃料電池121の停止保管中に混入した酸素ガスが万一残留すると、ルテニウム溶出をきたして触媒機能が失われるため、アノード114aを経てからカソード114cに導くという加湿原料ガスの導入経路を採用して酸化劣化され易いアノード114aの酸素ガスを優先的に排除する原料ガスの供給法は、触媒劣化防止の観点から理にかなっている。   In addition, if oxygen gas mixed in the anode 114a during the storage stop of the fuel cell 121 remains, ruthenium elution occurs and the catalytic function is lost, so that the humidified raw material gas that is led to the cathode 114c after passing through the anode 114a The raw material gas supply method that preferentially excludes the oxygen gas of the anode 114a that is easily oxidized and deteriorated by adopting the introduction path makes sense from the viewpoint of preventing catalyst deterioration.

また、図12の太い点線を付して示した単一の加湿原料ガス供給経路によってアノード114aとカソード114cの両方を加湿処理させることができ、ガス供給配管を簡素化できる。   Further, both the anode 114a and the cathode 114c can be humidified by a single humidified raw material gas supply path indicated by a thick dotted line in FIG. 12, and the gas supply piping can be simplified.

燃料電池121の内部に充分、加湿原料ガスを供給した後、切り替え弁および遮断弁を以下のように動作させて(ステップS411)、燃料電池発電装置1100の燃料生成器123の加熱促進を図って、燃料生成器123(改質部123e)の内部温度を(4)式の改質反応可能な温度(約640℃以上)まで速やかに昇温させる。   After sufficiently supplying the humidified raw material gas into the fuel cell 121, the switching valve and the shutoff valve are operated as follows (step S411) to promote the heating of the fuel generator 123 of the fuel cell power generation device 1100. Then, the internal temperature of the fuel generator 123 (the reforming part 123e) is rapidly raised to a temperature (about 640 ° C. or higher) at which the reforming reaction of the formula (4) is possible.

第二の切り替え弁142に接続する第一の遮断弁130および第三の切り替え弁143に接続する第二の遮断弁131並びに第四の切り替え弁144に接続する第三の遮断弁132をそれぞれ閉める。   The first cutoff valve 130 connected to the second switching valve 142, the second cutoff valve 131 connected to the third switching valve 143, and the third cutoff valve 132 connected to the fourth switching valve 144 are closed. .

この状態で、第一の切り替え弁129を動作させて燃料ガス供給配管161をアノード排気配管147と連通させる一方、燃料ガス供給配管161をアノード側入口121aと遮断させる。また、第二の切り替え弁142を動作させてアノード側出口121bを第一の遮断弁130と連通させる一方、アノード側出口121bを第二の循環配管146と遮断させる。更に、第三の切り替え弁143を動作させてカソード側入口121cを第二の遮断弁131と連通させる一方、カソード側入口121cを第一の循環配管145と遮断させる。更にまた、第四の切り替え弁144を動作させてカソード側出口121dを第三の遮断弁132と連通させる一方、カソード側出口121dを第二の循環配管146と遮断させる。   In this state, the first switching valve 129 is operated to connect the fuel gas supply pipe 161 to the anode exhaust pipe 147, while the fuel gas supply pipe 161 is disconnected from the anode side inlet 121a. Further, the second switching valve 142 is operated to connect the anode side outlet 121b to the first shutoff valve 130, while the anode side outlet 121b is shut off from the second circulation pipe 146. Further, the third switching valve 143 is operated to connect the cathode side inlet 121c to the second shutoff valve 131, while the cathode side inlet 121c is shut off from the first circulation pipe 145. Furthermore, the fourth switching valve 144 is operated to connect the cathode side outlet 121d with the third shut-off valve 132, while the cathode side outlet 121d is shut off from the second circulation pipe 146.

こうして燃料生成器123から燃料ガス供給配管161に送出されるガスを、第一の連結配管164(第一の逆止弁141は流れを許す方向)およびアノード排気配管147を通って燃料生成器123の燃焼部に還流させ燃焼部の内部で燃焼させる。これによって、所定温度範囲(改質反応によって原料ガスと水蒸気から水素ガスが生成する温度範囲;640℃以上)まで燃料生成器123を加熱させる(ステップS412)。   In this way, the gas sent from the fuel generator 123 to the fuel gas supply pipe 161 passes through the first connecting pipe 164 (the direction in which the first check valve 141 allows the flow) and the anode exhaust pipe 147 and the fuel generator 123. It is made to recirculate | reflux to the combustion part of this, and it burns inside a combustion part. Thereby, the fuel generator 123 is heated to a predetermined temperature range (temperature range in which hydrogen gas is generated from the raw material gas and water vapor by the reforming reaction; 640 ° C. or more) (step S412).

ここで、燃料生成器123(改質部123e)の温度が640℃以上に昇温したか否かを判定して(ステップS413)、昇温不足であれば(S413においてNo)、S412の加熱動作を継続させ、640℃以上に到達したら(S413においてYes)、次のステップに進む。   Here, it is determined whether or not the temperature of the fuel generator 123 (the reforming unit 123e) has increased to 640 ° C. or more (step S413). If the temperature has not been increased sufficiently (No in S413), the heating in S412 is performed. When the operation is continued and the temperature reaches 640 ° C. or higher (Yes in S413), the process proceeds to the next step.

〔燃料電池発電装置の発電開始可否の確認動作〕
燃料生成器123の内部を640℃以上に昇温させた後、燃料電池121の内部温度の確認および燃料電池21の電解質膜11の導電率の確認を行って、燃料電池発電装置1100の発電を開始して良いか否かを判定する。
[Operation to confirm whether fuel cell generator can start power generation]
After the temperature inside the fuel generator 123 is raised to 640 ° C. or higher, the internal temperature of the fuel cell 121 and the conductivity of the electrolyte membrane 11 of the fuel cell 21 are checked, and the power generation of the fuel cell power generator 1100 is performed. Determine if it is okay to start.

第一の確認動作として、燃料電池121の内部温度が稼働温度(70℃)以上であるか否かを判定して(ステップS414)、昇温不足であれば(S414においてNo)、S404の昇温動作を再実行させて、70℃以上に昇温したら(S414においてYes)、次にステップに進む。   As a first confirmation operation, it is determined whether or not the internal temperature of the fuel cell 121 is equal to or higher than the operating temperature (70 ° C.) (step S414). If the temperature rise is insufficient (No in S414), the increase in S404 is performed. When the temperature operation is re-executed and the temperature is raised to 70 ° C. or higher (Yes in S414), the process proceeds to the next step.

第二の確認動作として、燃料電池121の電解質膜111の導電率を求めてこの導電率:σ=1.93×10-2Scm-1以上か否かを判定して(ステップS416)、σ=1.93×10-2Scm-1未満であれば(S416においてNo)、電解質膜11の加湿不足であると判断してS409およびS410の動作を再実行させ(ステップS417)、σ=1.93×10-2Scm-1以上であれば(S416においてYes)、次のステップに進む。 As a second confirmation operation, the conductivity of the electrolyte membrane 111 of the fuel cell 121 is obtained to determine whether or not this conductivity: σ = 1.93 × 10 −2 Scm −1 or more (step S416). = 1.93 × 10 −2 Scm −1 (No in S416), it is determined that the electrolyte membrane 11 is insufficiently humidified, and the operations of S409 and S410 are re-executed (step S417), and σ = 1 .93 × 10 −2 Scm −1 or more (Yes in S416), the process proceeds to the next step.

ここで、図面を参照して電解質膜の導電率の算出法および電解質膜の導電率と相対湿度の関係を説明する。   Here, the calculation method of the conductivity of the electrolyte membrane and the relationship between the conductivity of the electrolyte membrane and the relative humidity will be described with reference to the drawings.

図15において、横軸に実抵抗成分Z’をとり、縦軸にリアクタンス成分Z”をとって、燃料電池121(電極面積:144cm2)に印加する交流電流の周波数を0.1Hz〜1kHzの範囲で可変させて測定した燃料電池121の交流インピーダンスプロファイル図が示されている(交流法によるインピーダンス測定)。図15によれば、交流インピーダンスプロファイルは周波数1kHzの交流電流において横軸(Z’)と交差するため、周波数1kHzの交流電流におけるインピーダンスが電解質膜111の抵抗Rsを示すと推定される。即ち、図15は、交流インピーダンスを測定した所謂コールコールプロット(Cole−Cole plot)の模式図であり、この場合、半円と横軸の交点のうちの抵抗値の小さいもの(図15に示されたRs)が電解質膜11の膜抵抗を意味する。 In FIG. 15, the horizontal axis represents the actual resistance component Z ′, the vertical axis represents the reactance component Z ″, and the frequency of the alternating current applied to the fuel cell 121 (electrode area: 144 cm 2 ) is 0.1 Hz to 1 kHz. An AC impedance profile diagram of the fuel cell 121 measured by varying the range is shown (impedance measurement by the AC method) According to Fig. 15, the AC impedance profile is represented by an abscissa (Z ') in an AC current having a frequency of 1 kHz. Therefore, it is presumed that the impedance at an alternating current with a frequency of 1 kHz indicates the resistance Rs of the electrolyte membrane 111. That is, Fig. 15 is a schematic diagram of a so-called Cole-Cole plot in which the alternating current impedance is measured. In this case, the one having a small resistance value at the intersection of the semicircle and the horizontal axis (see FIG. 15). Been Rs) means a membrane resistance of the electrolyte membrane 11.

制御部127によって制御されるインピーダンス測定器173(図12参照)に接続された燃料電池121の出力端子172a、172cに対して、インピーダンス測定器173から測定用交流電圧(1kHz)を印加する。これによって得られる燃料電池121の電解質膜111の交流インピーダンスに基づいて電解質膜111の導電率は推定され得る。具体的には、燃料電池セル120を、例えば110セル毎に交流電圧(1kHz)を印加して交流インピーダンスを測定して、この測定値と電解質膜111の膜厚および面積から電解質膜11の導電率を算出している。   An AC voltage for measurement (1 kHz) is applied from the impedance measuring device 173 to the output terminals 172a and 172c of the fuel cell 121 connected to the impedance measuring device 173 (see FIG. 12) controlled by the control unit 127. The conductivity of the electrolyte membrane 111 can be estimated based on the alternating current impedance of the electrolyte membrane 111 of the fuel cell 121 obtained as a result. Specifically, for example, an alternating current voltage (1 kHz) is applied to each fuel cell 120 by measuring an alternating current impedance (110 kHz), and the conductivity of the electrolyte membrane 11 is determined from the measured value and the thickness and area of the electrolyte membrane 111. The rate is calculated.

このような算出法で得られた導電率がσ=1.93×10-2Scm-1以上であれば、図16に基づいて次のような理由で燃料電池121は、発電開始可能な状態であると判定できる。 If the conductivity obtained by such a calculation method is σ = 1.93 × 10 −2 Scm −1 or more, the fuel cell 121 is in a state in which power generation can be started for the following reason based on FIG. Can be determined.

図16は、電解質膜11の温度を80℃に保った場合、横軸に高分子電解質膜(米国DuPont社のNafion112の電解質膜であって膜厚は50μm)の相対湿度をとり、縦軸に電解質膜の導電率をとって両者の相関関係を示すものであって、電解質膜の相対湿度に電解質膜の導電率がどのように依存するかを説明するためのものである。   In FIG. 16, when the temperature of the electrolyte membrane 11 is kept at 80 ° C., the horizontal axis represents the relative humidity of the polymer electrolyte membrane (Nafion 112 electrolyte membrane of DuPont USA, film thickness is 50 μm), and the vertical axis represents The correlation between the electrolyte membranes is shown by taking the conductivity of the electrolyte membrane, and it is for explaining how the conductivity of the electrolyte membrane depends on the relative humidity of the electrolyte membrane.

図16によれば、電解質膜を乾燥させるに伴って電解質膜の導電率がゼロに漸近する一方(相対湿度:20%近傍)、電解質膜の湿度が増せば、導電率も単調に増加するという傾向が観察される。ここで、電解質膜の性能上、充分に保水された相対湿度を50%以上とみなすと、この相対湿度に対応する導電率は、σ=1.93×10-2Scm-1である。 According to FIG. 16, as the electrolyte membrane is dried, the conductivity of the electrolyte membrane gradually approaches zero (relative humidity: near 20%), but as the electrolyte membrane increases in humidity, the conductivity also increases monotonously. A trend is observed. Here, in view of the performance of the electrolyte membrane, assuming that the sufficiently maintained relative humidity is 50% or more, the conductivity corresponding to this relative humidity is σ = 1.93 × 10 −2 Scm −1 .

よって、このように電解質膜の導電率(例えば、Nafion112の電解質膜においてはσ=1.93×10-2Scm-1)を電解質膜の保水状態を求める簡易的な指標として使用することができ、導電率に基づいて燃料電池121の発電開始の可否を予測し得ると言える。 Therefore, the conductivity of the electrolyte membrane (for example, σ = 1.93 × 10 −2 Scm −1 in the case of the Nafion 112 electrolyte membrane) can be used as a simple index for obtaining the water retention state of the electrolyte membrane. In other words, it can be said that whether or not the fuel cell 121 can start power generation can be predicted based on the conductivity.

こうして停止期間および発電期間を有する燃料電池の発電開始時期を燃料電池の温度に基づく判定に加え、燃料電池セルの電解質膜の導電率に基づく判定を実施するため、電解質膜の保水状態を的確に予測できて燃料電池発電装置の発電開始時期の判断の信頼性が向上させることができる。   In this way, in addition to the determination based on the temperature of the fuel cell, the generation start timing of the fuel cell having the stop period and the power generation period is determined based on the conductivity of the electrolyte membrane of the fuel cell, so that the water retention state of the electrolyte membrane is accurately determined. Thus, the reliability of the determination of the power generation start time of the fuel cell power generator can be improved.

〔燃料電池発電装置の発電動作〕
上記の確認動作の数値が所定値に到達した後(具体的には燃料電池121の温度が70℃以上、電解質膜の導電率σ=1.93×10-2Scm-1以上)、切り替え弁および遮断弁を以下のように動作させて燃料電池21を発電させる(ステップS418およびステップS419)。
[Power generation operation of fuel cell power generator]
After the numerical value of the confirmation operation reaches a predetermined value (specifically, the temperature of the fuel cell 121 is 70 ° C. or higher, the conductivity of the electrolyte membrane σ = 1.93 × 10 −2 Scm −1 or higher), the switching valve And the shut-off valve is operated as follows to generate power in the fuel cell 21 (steps S418 and S419).

第二の切り替え弁142に接続する第一の遮断弁130および第三の切り替え弁143に接続する第二の遮断弁131並びに第四の切り替え弁144に接続する第三の遮断弁132をすべて開栓する。   The first cutoff valve 130 connected to the second switching valve 142, the second cutoff valve 131 connected to the third switching valve 143, and the third cutoff valve 132 connected to the fourth switching valve 144 are all opened. Plug.

この状態で第一の切り替え弁129を動作させて燃料ガス供給配管161をアノード排気配管147と遮断させる一方、燃料ガス供給配管161をアノード側入口121aと連通させる。また、第二の切り替え弁142を動作させてアノード側出口121bを第一の遮断弁130と連通させる一方、アノード側出口121bを第二の循環配管146と遮断させる。そして、第三の切り替え弁143を動作させてカソード側入口121cを第二の遮断弁131と連通させる一方、カソード側入口121cを第一の循環配管145と遮断させる。更に、第四の切り替え弁144を動作させてカソード側出口121dを第三の遮断弁132と連通させる一方、カソード側出口121dを第二の循環配管146と遮断させる。   In this state, the first switching valve 129 is operated to disconnect the fuel gas supply pipe 161 from the anode exhaust pipe 147, while the fuel gas supply pipe 161 is communicated with the anode side inlet 121a. Further, the second switching valve 142 is operated to connect the anode side outlet 121b to the first shutoff valve 130, while the anode side outlet 121b is shut off from the second circulation pipe 146. Then, the third switching valve 143 is operated to connect the cathode side inlet 121 c with the second shutoff valve 131, while the cathode side inlet 121 c is shut off from the first circulation pipe 145. Further, the fourth switching valve 144 is operated to connect the cathode side outlet 121d with the third shutoff valve 132, while the cathode side outlet 121d is shut off from the second circulation pipe 146.

このような切り替え弁および遮断弁の動作によって燃料ガス供給配管161を介して燃料生成器123から送出される水素ガスリッチな燃料ガスを燃料電池121のアノード側入口121aに導入すると共に、アノード側出口121bから送出され、アノード114aで消費されなかった残余の燃料ガスを、アノード排気配管147を介して燃料電池121の燃料生成器123に還流させる。   By operating the switching valve and the shutoff valve, the hydrogen gas-rich fuel gas sent from the fuel generator 123 via the fuel gas supply pipe 161 is introduced into the anode side inlet 121a of the fuel cell 121, and the anode side outlet 121b. The remaining fuel gas that has been discharged from the fuel and not consumed by the anode 114 a is recirculated to the fuel generator 123 of the fuel cell 121 via the anode exhaust pipe 147.

一方、酸化剤ガス供給配管162を介して加湿器123から送出される加湿空気(加湿酸化剤ガス)を燃料電池121のカソード側入口121cに導入すると共に、カソード側出口121dから送出され、カソード114cで消費されなかった残余の酸化剤ガスを、カソード排気配管160を介して燃料電池121の加湿器124に還流させる。   On the other hand, humidified air (humidified oxidant gas) sent from the humidifier 123 through the oxidant gas supply pipe 162 is introduced into the cathode side inlet 121c of the fuel cell 121, and sent out from the cathode side outlet 121d to be supplied to the cathode 114c. The remaining oxidant gas that has not been consumed in the step is recirculated to the humidifier 124 of the fuel cell 121 via the cathode exhaust pipe 160.

こうして燃料ガスをアノード114aに供給し、酸化剤ガスをカソード114cに供給して、燃料電池121の内部にて水素イオンと電子を生成させて、出力端子172a、172cを介して回路部125に電流を取り出すことができ、測定部126において発電電圧がモニタされる。   Thus, the fuel gas is supplied to the anode 114a, the oxidant gas is supplied to the cathode 114c, hydrogen ions and electrons are generated inside the fuel cell 121, and the current is supplied to the circuit unit 125 via the output terminals 172a and 172c. And the generated voltage is monitored in the measuring unit 126.

(実施の形態7)
以下、燃料電池121の内部を、停止期間から発電期間までの間の移行期間に加湿原料ガスで曝すようにした燃料電池発電装置1100のガス供給系の他の構成例を説明するとともに、これにより、本発明の燃料電池の起動方法の一実施の形態について説明を行う。
(Embodiment 7)
Hereinafter, while describing another configuration example of the gas supply system of the fuel cell power generation apparatus 1100 in which the inside of the fuel cell 121 is exposed to the humidified raw material gas during the transition period from the stop period to the power generation period, An embodiment of a fuel cell starting method of the present invention will be described.

図17は、実施の形態7に係る燃料電池発電装置の構成を示したブロック図である。   FIG. 17 is a block diagram showing the configuration of the fuel cell power generator according to Embodiment 7. In FIG.

燃料電池121、第一の水供給手段174、第二の水供給手段175、原料ガス供給手段122、燃料生成器123、加湿器124、インピーダンス測定器173、回路部125、測定部126および制御部127の構成については実施の形態6にて説明したものと同様である。   Fuel cell 121, first water supply means 174, second water supply means 175, raw material gas supply means 122, fuel generator 123, humidifier 124, impedance measuring instrument 173, circuit part 125, measurement part 126 and control part The configuration of 127 is the same as that described in the sixth embodiment.

但し、実施の形態7は、加湿原料ガスの燃料電池121への導入配管および切り替え弁並びに遮断弁並びにマスフローメータの配置を以下のように変更した点で実施の形態6(図12)と相違しており、ここでは配管および切り替え弁並びに遮断弁並びにマスフローメータの変更点を中心に説明する。   However, the seventh embodiment differs from the sixth embodiment (FIG. 12) in that the arrangement of the piping for introducing humidified raw material gas into the fuel cell 121, the switching valve, the shutoff valve, and the mass flow meter is changed as follows. Here, the description will focus on the changes in the piping, the switching valve, the shutoff valve, and the mass flow meter.

図12に示された第三の切り替え弁143とアノード排気配管147を繋ぐ第一の循環配管145を取り除く。また、ガス清浄部122pの出口直後に第六の切り替え弁154を配置して、これによって清浄化原料ガスを加湿器124(原料ガス分岐配管151)に送出する場合と燃料生成器123に送出する場合の切り替え動作を行う。加えて、加湿部124の内部を通って、第三の切り替え弁143と第六の切り替え弁154とを連通させる原料ガス分岐配管151が設けられている。更に、第一の切り替え弁129の下流側であって燃料電池121のアノード側入口121aの上流側を繋ぐ燃料ガス供給配管161の途中に、第五の切り替え弁152を追加すると共に、この第五の切り替え弁152とアノード排気配管147を繋ぐ第二の連結配管153を設けている。なお、第二の連結配管153とアノード排気配管147との接続部位の位置は、第二の逆止弁148と水除去部133の間にある。また、マスフローメータ170a(図12参照)を取り除いて、ガス流量を測定するためのカソード114cのマスフローメータ170c(以下、マスフローメータ170cという)を加湿器124と第三の切り替え弁143の間であって原料ガス分岐配管151の途中に配置する。   The first circulation pipe 145 connecting the third switching valve 143 and the anode exhaust pipe 147 shown in FIG. 12 is removed. In addition, a sixth switching valve 154 is disposed immediately after the outlet of the gas cleaning unit 122p, whereby the purified raw material gas is sent to the humidifier 124 (the raw material gas branch pipe 151) and to the fuel generator 123. Perform the switching operation. In addition, a raw material gas branch pipe 151 that connects the third switching valve 143 and the sixth switching valve 154 through the inside of the humidifying unit 124 is provided. Further, a fifth switching valve 152 is added in the middle of the fuel gas supply pipe 161 connecting the downstream side of the first switching valve 129 and the upstream side of the anode side inlet 121a of the fuel cell 121. The second connecting pipe 153 that connects the switching valve 152 and the anode exhaust pipe 147 is provided. Note that the position of the connection portion between the second connection pipe 153 and the anode exhaust pipe 147 is between the second check valve 148 and the water removal unit 133. Further, the mass flow meter 170a (see FIG. 12) is removed, and the mass flow meter 170c (hereinafter referred to as the mass flow meter 170c) of the cathode 114c for measuring the gas flow rate is interposed between the humidifier 124 and the third switching valve 143. And disposed in the middle of the source gas branch pipe 151.

以下、停止保管動作および起動開始動作並びに発電開始可否の確認動作並びに発電動作に分けて、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給動作を図17のブロック図および図18、図19のフローチャート図を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, the supply operation of the fuel gas and the oxidant gas will be divided into a stop storage operation, a start start operation, a power generation start availability confirmation operation and a power generation operation, with reference to the block diagram of FIG. 17 and the flowcharts of FIGS. However, it explains in detail.

〔燃料電池発電装置の停止保管動作〕
燃料電池発電装置の停止後、燃料電池121の内部を原料ガスによって充填封止の状態に保って長期保管する。ここで、燃料電池発電装置1100の停止保管のため、切り替え弁および遮断弁を次のように動作させる(ステップS801)。
[Stopping storage operation of fuel cell power generator]
After the fuel cell power generator is stopped, the inside of the fuel cell 121 is kept in a state of being filled and sealed with the raw material gas and stored for a long time. Here, in order to stop and store the fuel cell power generator 1100, the switching valve and the shutoff valve are operated as follows (step S801).

第二の切り替え弁142に接続する第一の遮断弁130および第三の切り替え弁143に接続する第二の遮断弁131並びに第四の切り替え弁144に接続する第三の遮断弁132をそれぞれ閉める。   The first cutoff valve 130 connected to the second switching valve 142, the second cutoff valve 131 connected to the third switching valve 143, and the third cutoff valve 132 connected to the fourth switching valve 144 are closed. .

この状態で、第一の切り替え弁129を動作させて燃料ガス供給配管161を第5の切り替え弁152と連通させる一方、燃料ガス供給配管161をアノード排気配管147と遮断させる。また、第二の切り替え弁142を動作させてアノード側出口121bを第一の遮断弁130と連通させる一方、アノード側出口121bを第二の循環配管146と遮断させる。更に、第三の切り替え弁143を動作させてカソード側入口121cを第二の遮断弁131と連通させる一方、カソード側入口121cを原料ガス分岐配管151と遮断させる。また、第四の切り替え弁144を動作させてカソード側出口121dと第三の遮断弁132を連通させる一方、カソード側出口121dと第二の循環配管146を遮断させる。加えて、第5の切り替え弁152を動作させてアノード側入口121aを第一の切り替え弁129と連通させる一方、アノード側入口121aをアノード排気配管127と遮断させる。   In this state, the first switching valve 129 is operated to connect the fuel gas supply pipe 161 to the fifth switching valve 152, while the fuel gas supply pipe 161 is disconnected from the anode exhaust pipe 147. Further, the second switching valve 142 is operated to connect the anode side outlet 121b to the first shutoff valve 130, while the anode side outlet 121b is shut off from the second circulation pipe 146. Further, the third switching valve 143 is operated to connect the cathode side inlet 121c with the second shutoff valve 131, while the cathode side inlet 121c is shut off from the source gas branch pipe 151. Further, the fourth switching valve 144 is operated to connect the cathode side outlet 121d and the third shutoff valve 132, while the cathode side outlet 121d and the second circulation pipe 146 are shut off. In addition, the fifth switching valve 152 is operated to connect the anode side inlet 121a with the first switching valve 129, while the anode side inlet 121a is disconnected from the anode exhaust pipe 127.

こうして燃料電池121の内部に燃料ガスおよび酸化剤ガスを確実に封入することができる。なお、燃料電池121の内部の温度は通常、室温(約20℃〜30℃)近くになっており、これは燃料電池稼働温度(70℃)よりも低く保たれる。   In this way, the fuel gas and the oxidant gas can be reliably sealed inside the fuel cell 121. The temperature inside the fuel cell 121 is usually near room temperature (about 20 ° C. to 30 ° C.), which is kept lower than the fuel cell operating temperature (70 ° C.).

〔燃料電池発電装置の起動開始動作〕
最初に、燃料電池121の触媒に悪影響を及ぼさないような原料ガスの選定および原料ガスの清浄化の処置を行う(ステップS802)。原料ガス清浄化の方法および原料ガス選択の内容は実施の形態6と同様である。
[Starting operation of fuel cell generator]
First, the raw material gas is selected and the raw material gas is cleaned so as not to adversely affect the catalyst of the fuel cell 121 (step S802). The method of cleaning the source gas and the content of source gas selection are the same as in the sixth embodiment.

次に、燃料電池121の内部を、稼働温度(70℃)まで昇温する(ステップS803)。なお、燃料電池121の内部の昇温方法は、実施の形態6で説明したものと同じである。   Next, the temperature inside the fuel cell 121 is raised to the operating temperature (70 ° C.) (step S803). The temperature raising method inside the fuel cell 121 is the same as that described in the sixth embodiment.

ここで、燃料電池121の内部温度が稼働温度(70℃)以上にまで到達しているか否かを判定して(ステップS804)、昇温不足であれば(S804においてNo)、S803の昇温動作を継続させ、70℃以上に到達すれば(S804においてYes)、次のステップに進む。   Here, it is determined whether or not the internal temperature of the fuel cell 121 has reached the operating temperature (70 ° C.) or more (step S804), and if the temperature rise is insufficient (No in S804), the temperature rise in S803. If the operation is continued and the temperature reaches 70 ° C. or higher (Yes in S804), the process proceeds to the next step.

続いて、第一の水供給手段174から加湿器124に供給される水および燃料生成器123から加湿器124に供与される熱を使用して、原料ガスを加湿器124の内部で加湿処理できる状態に移行させる(ステップS805)。   Subsequently, the raw material gas can be humidified inside the humidifier 124 using the water supplied from the first water supply means 174 to the humidifier 124 and the heat supplied from the fuel generator 123 to the humidifier 124. The state is shifted (step S805).

具体的には、原料ガスの加湿に温水が必要であるが、加湿器124においては熱源としての燃焼器がないため、加湿器124の外部から適宜、熱を受け取ることを要する。実施の形態7においては、図17に二重線によって燃料生成器123から加湿器124の熱供給ラインが示されているように、燃料生成器123の燃焼器で発生する熱を加湿器124に与えることで加湿器124の昇温を図っている。   Specifically, warm water is required to humidify the source gas, but the humidifier 124 does not have a combustor as a heat source, and accordingly, it is necessary to receive heat appropriately from the outside of the humidifier 124. In the seventh embodiment, the heat generated in the combustor of the fuel generator 123 is supplied to the humidifier 124 as shown in FIG. The temperature of the humidifier 124 is increased by giving.

続いて、加湿原料ガスを燃料電池121の内部に供給するため、各種の遮断弁および切り替え弁を以下のように動作させる(ステップS806)。   Subsequently, in order to supply the humidified raw material gas into the fuel cell 121, various shutoff valves and switching valves are operated as follows (step S806).

第二の切り替え弁142に接続する第一の遮断弁130および第三の切り替え弁143に接続する第二の遮断弁131並びに第四の切り替え弁144に接続する第三の遮断弁132をそれぞれ閉める。   The first cutoff valve 130 connected to the second switching valve 142, the second cutoff valve 131 connected to the third switching valve 143, and the third cutoff valve 132 connected to the fourth switching valve 144 are closed. .

この状態で、第二の切り替え弁142を動作させてアノード側出口121bを第一の遮断弁130と遮断させる一方、アノード側出口121bと第二の循環配管146を連通させる。また、第三の切り替え弁143を動作させてカソード側入口121cを原料ガス分岐配管151と連通させる一方、カソード側入口21cを遮断弁131と遮断させる。更に、第四の切り替え弁144を動作させてカソード側出口121dを第二の遮断弁131と遮断させる一方、カソード側出口121dを第二の循環配管146と連通させる。加えて、第五の切り替え弁152を動作させてアノード側入口121aを第一の切り替え弁129と遮断させる一方、アノード側入口121aをアノード排気配管147と連通させる。更には、第六の切り替え弁154を動作させてガス清浄部122pと原料ガス分岐配管151を連通させる一方、ガス清浄部122pを燃料生成器123と遮断させる。   In this state, the second switching valve 142 is operated to shut off the anode-side outlet 121b from the first shut-off valve 130, while the anode-side outlet 121b and the second circulation pipe 146 are communicated. Further, the third switching valve 143 is operated to connect the cathode side inlet 121 c with the source gas branch pipe 151, while the cathode side inlet 21 c is shut off from the cutoff valve 131. Further, the fourth switching valve 144 is operated to shut off the cathode side outlet 121d from the second shutoff valve 131, while the cathode side outlet 121d is communicated with the second circulation pipe 146. In addition, the fifth switching valve 152 is operated to block the anode side inlet 121a from the first switching valve 129, while the anode side inlet 121a is connected to the anode exhaust pipe 147. Furthermore, the sixth switching valve 154 is operated to connect the gas cleaning unit 122p and the raw material gas branch pipe 151, while the gas cleaning unit 122p is disconnected from the fuel generator 123.

こうして清浄化原料ガスは、以下のような経路で燃料電池121の内部に供給され(ステップS807)、燃料電池121の内部を加湿原料ガスの雰囲気に置換するというパージ処理が行われる。   In this way, the cleaning raw material gas is supplied into the fuel cell 121 through the following path (step S807), and a purge process is performed in which the inside of the fuel cell 121 is replaced with the humidified raw material gas atmosphere.

原料ガス供給手段122から供給され、ガス清浄部122pで清浄化された原料ガスは、原料ガス供給配管163を通って第六の切り替え弁154によって原料ガス分岐配管151の方向に向けられ、原料ガス分岐配管151を介して加湿器124に流入して、加湿器124の内部(正確には温水加湿器)で加湿される。   The source gas supplied from the source gas supply means 122 and purified by the gas cleaning unit 122p is directed to the source gas branch pipe 151 by the sixth switching valve 154 through the source gas supply pipe 163 and supplied to the source gas. It flows into the humidifier 124 via the branch pipe 151 and is humidified inside the humidifier 124 (more precisely, a hot water humidifier).

続いて加湿原料ガスは、第三の切り替え弁143によって燃料電池121のカソード側入口121cの方向に向きを切り替えて燃料電池121の内部に流入する。こうしてカソード114cを加湿原料ガスの雰囲気に曝して、この加湿原料ガスはカソード側出口121dから外部に流出する。   Subsequently, the humidified source gas is switched in the direction of the cathode side inlet 121 c of the fuel cell 121 by the third switching valve 143 and flows into the fuel cell 121. Thus, the cathode 114c is exposed to the atmosphere of the humidified source gas, and this humidified source gas flows out from the cathode side outlet 121d.

加湿原料ガスはその後、第四の切り替え弁144によって第二の循環配管146の方向に向きを切り替えて燃料電池121の一辺に沿って原料ガスは第二の循環配管146を通過して、第二の切り替え弁142によって燃料電池121のアノード側出口121bの方向に向きを切り替えて燃料電池121の内部に再流入する。こうしてアノード114aを加湿原料ガスの雰囲気に曝して、この加湿原料ガスはアノード側入口121aから外部に再流出する。   The humidified source gas is then switched in the direction of the second circulation pipe 146 by the fourth switching valve 144, and the source gas passes through the second circulation pipe 146 along one side of the fuel cell 121, The switching valve 142 switches the direction in the direction of the anode-side outlet 121b of the fuel cell 121 and flows again into the fuel cell 121. Thus, the anode 114a is exposed to the atmosphere of the humidified raw material gas, and this humidified raw material gas flows out again from the anode side inlet 121a.

再流出後の加湿原料ガスは、第五の切り替え弁152によって第二の連結配管153の方向に向きを切り替えて、この第二の連結配管153を通ってアノード排気配管147に到達する。アノード排気配管147に到達した原料ガスは、第一、第二の逆止弁141、148によって逆流を防止されて、水除去部133の方向に導かれてこの水除去部133において加湿原料ガスから水除去された後、燃料生成器123の燃焼部に送られ、燃焼器の内部で燃焼させられる。   The humidified raw material gas after the re-flow is switched in the direction of the second connection pipe 153 by the fifth switching valve 152 and reaches the anode exhaust pipe 147 through the second connection pipe 153. The raw material gas that has reached the anode exhaust pipe 147 is prevented from flowing back by the first and second check valves 141, 148, and is guided in the direction of the water removing unit 133, and is supplied from the humidified raw material gas in the water removing unit 133. After the water is removed, it is sent to the combustion section of the fuel generator 123 and burned inside the combustor.

すなわち加湿原料ガスは、図17中の太い点線のように燃料電池121のカソード側入口121cおよびカソード側出口121d並びにアノード側出口121b並びにアノード側入口121aの順番に通過して燃料電池121の周囲をコノ字状に流れてアノード排気配管471に至る。加湿原料ガスのトータル供給量は、燃料電池121の内部空間のガス充填可能容積の少なくとも3倍以上必要であり、例えば、ガス充填可能容積が約1.0Lであれば、加湿原料ガスの流量1.5L/分でもって約5分間、これを燃料電池121の内部に供給すれば良く、このトータル供給量はマスフローメータ70cの出力信号に基づいて制御部127によってモニタされる。   That is, the humidified raw material gas passes in the order of the cathode side inlet 121c and the cathode side outlet 121d, the anode side outlet 121b and the anode side inlet 121a of the fuel cell 121 as shown by the thick dotted line in FIG. It flows in a conical shape and reaches the anode exhaust pipe 471. The total supply amount of the humidified raw material gas needs to be at least three times the gas filling capacity of the internal space of the fuel cell 121. For example, if the gas filling capacity is about 1.0 L, the flow rate 1 of the humidifying raw material gas is 1 This may be supplied to the inside of the fuel cell 121 at about 5 L / min for about 5 minutes, and this total supply amount is monitored by the control unit 127 based on the output signal of the mass flow meter 70c.

こうして燃料電池121の停止期間から発電期間までの間の移行期間に燃料電池121の内部を加湿原料ガスで曝すことができて、停止保管中に乾燥した燃料電池21の電解質膜111を加湿できると共に、仮に停止保管中に燃料電池121の内部に酸素ガスが混入した場合、この酸素ガスによってもたらされる燃料ガスとの局所燃焼を未然に防止できる。   In this way, the inside of the fuel cell 121 can be exposed to the humidified raw material gas during the transition period from the stop period of the fuel cell 121 to the power generation period, and the electrolyte membrane 111 of the fuel cell 21 dried during stop storage can be humidified. If oxygen gas is mixed into the fuel cell 121 during stopped storage, local combustion with the fuel gas caused by the oxygen gas can be prevented.

また、燃料電池121の停止期間から発電期間までの間の移行期間に、燃料電池121の内部に加湿原料ガスを導くようにしたため、燃料電池121の内部を長期間、加湿原料ガスの雰囲気で曝すことがなく、燃料電池121の電極の撥水性が損なわれない。   Further, since the humidified raw material gas is introduced into the fuel cell 121 during the transition period from the stop period of the fuel cell 121 to the power generation period, the inside of the fuel cell 121 is exposed to the humidified raw material gas atmosphere for a long period of time. And the water repellency of the electrode of the fuel cell 121 is not impaired.

加えて、図17の太い点線で示すように単一の経路によって1アノード14aとカソード114cの両方を加湿処理させることができ、ガス供給配管を簡素化できる。   In addition, as shown by the thick dotted line in FIG. 17, both the one anode 14a and the cathode 114c can be humidified by a single path, and the gas supply piping can be simplified.

燃料電池121の内部に充分、加湿原料ガスを供給した後、燃料生成器123の加熱のため、切り替え弁および遮断弁を次のように動作させる(ステップS808)。   After sufficiently supplying the humidified raw material gas into the fuel cell 121, the switching valve and the shutoff valve are operated as follows for heating the fuel generator 123 (step S808).

第二の切り替え弁142に接続する第一の遮断弁130および第三の切り替え弁143に接続する第二の遮断弁131並びに第四の切り替え弁144に接続する第三の遮断弁132をそれぞれ閉める。   The first cutoff valve 130 connected to the second switching valve 142, the second cutoff valve 131 connected to the third switching valve 143, and the third cutoff valve 132 connected to the fourth switching valve 144 are closed. .

この状態で、第一の切り替え弁129を動作させて燃料ガス供給配管161をアノード排気配管147と連通させる一方、燃料ガス供給配管161を第五の切り替え弁152と遮断させる。また、第二の切り替え弁142を動作させてアノード側出口121bを第一の遮断弁130と連通させる一方、アノード側出口121bを第二の循環配管146と遮断させる。更に、第三の切り替え弁143を動作させてカソード側入口121cを第二の遮断弁131と連通させる一方、カソード側入口121cを原料ガス分岐配管151と遮断させる。加えて、第四の切り替え弁144を動作させてカソード側出口121dを第三の遮断弁132と連通させる一方、カソード側出口121dを第二の循環配管146と遮断させる。また、第五の切り替え弁152を動作させてアノード側入口121aを第一の切り替え弁129と連通させる一方、アノード側入口121aをアノード排気配管147と遮断させる。   In this state, the first switching valve 129 is operated to connect the fuel gas supply pipe 161 to the anode exhaust pipe 147, while the fuel gas supply pipe 161 is shut off from the fifth switching valve 152. Further, the second switching valve 142 is operated to connect the anode side outlet 121b to the first shutoff valve 130, while the anode side outlet 121b is shut off from the second circulation pipe 146. Further, the third switching valve 143 is operated to connect the cathode side inlet 121c with the second shutoff valve 131, while the cathode side inlet 121c is shut off from the source gas branch pipe 151. In addition, the fourth switching valve 144 is operated to connect the cathode side outlet 121d with the third shutoff valve 132, while the cathode side outlet 121d is shut off from the second circulation pipe 146. Further, the fifth switching valve 152 is operated to connect the anode side inlet 121a with the first switching valve 129, while the anode side inlet 121a is shut off from the anode exhaust pipe 147.

更に、第六の切り替え弁154を動作させてガス清浄部122pを燃料生成器123と連通させる一方、ガス清浄部122pを原料ガス分岐配管151と遮断させる。   Further, the sixth switching valve 154 is operated to connect the gas cleaning unit 122p with the fuel generator 123, while the gas cleaning unit 122p is disconnected from the source gas branch pipe 151.

上記の弁動作を行った後、燃料生成器123から送出されるガスを、第一の切り替え弁129で切り替えられて、第一の連結配管164およびアノード排気配管147を通って(第一の逆止弁141は流れを許す方向)、水除去部133で水除去された後、燃料生成器123に還流させてこの燃料生成器123の燃焼部で燃焼できるため、燃料生成器123の速やかに加熱できて(ステップS809)、燃料生成器123(改質部123e)の内部温度を(4)式の改質反応可能な温度(約640℃以上)まで昇温させることができる。   After performing the above valve operation, the gas sent from the fuel generator 123 is switched by the first switching valve 129 and passes through the first connection pipe 164 and the anode exhaust pipe 147 (first reverse). The stop valve 141 permits flow), and after the water is removed by the water removal unit 133, the fuel generator 123 can be refluxed and combusted in the combustion unit of the fuel generator 123. If possible (step S809), the internal temperature of the fuel generator 123 (the reforming unit 123e) can be raised to a temperature (about 640 ° C. or higher) at which the reforming reaction of the equation (4) is possible.

ここで、燃料生成器123の温度が640℃以上に昇温したか否かを判定して(ステップS810)、昇温不足であれば(S810においてNo)、S809の加熱動作を継続させ、640℃以上に到達したら(S810においてYes)、次のステップに進む。   Here, it is determined whether or not the temperature of the fuel generator 123 has been raised to 640 ° C. or more (step S810). If the temperature has not been raised sufficiently (No in S810), the heating operation in S809 is continued, and 640 is obtained. When the temperature reaches or exceeds ° C. (Yes in S810), the process proceeds to the next step.

〔燃料電池発電装置の発電開始可否の確認動作〕
燃料生成器123を640℃以上に昇温させた後、燃料電池121の内部温度の確認および燃料電池121の電解質膜111の導電率の確認を行って、燃料電池発電装置1100の発電を開始して良いか否かを判定する。
[Operation to confirm whether fuel cell generator can start power generation]
After raising the temperature of the fuel generator 123 to 640 ° C. or more, the internal temperature of the fuel cell 121 and the conductivity of the electrolyte membrane 111 of the fuel cell 121 are confirmed, and the power generation of the fuel cell power generator 1100 is started. Determine whether or not

第一の確認動作として、燃料電池121の内部温度が稼働温度(70℃)以上であるか否かを判定して(ステップS811)、昇温不足であれば(S811においてNo)、S803の昇温動作を再実行させて(ステップS812)、70℃以上に昇温したら(S811においてYes)、次にステップに進む。   As a first confirmation operation, it is determined whether or not the internal temperature of the fuel cell 121 is equal to or higher than the operating temperature (70 ° C.) (step S811). If the temperature rise is insufficient (No in S811), the increase in S803 is performed. When the temperature operation is re-executed (step S812) and the temperature is raised to 70 ° C. or higher (Yes in S811), the process proceeds to the next step.

第二の確認動作として、燃料電池121の電解質膜111の導電率を求めてこの導電率:σ=1.93×10-2Scm-1以上か否かを判定して(ステップS813)、σ=1.93×10-2Scm-1未満であれば(S813においてNo)、電解質膜111の加湿不足であると判断してS806およびS807の動作を再実行させ(ステップS814)、σ=1.93×10-2Scm-1以上であれば(S813においてYes)、次のステップに進む。なお、電解質膜の導電率の測定法および電解質膜の導電率と相対湿度の関係については、実施の形態6において説明したものと同様である。 As a second confirmation operation, the conductivity of the electrolyte membrane 111 of the fuel cell 121 is obtained to determine whether or not this conductivity: σ = 1.93 × 10 −2 Scm −1 (step S813). = 1.93 × 10 −2 Scm −1 (No in S813), it is determined that the electrolyte membrane 111 is insufficiently humidified, and the operations of S806 and S807 are re-executed (step S814), and σ = 1 .93 × 10 −2 Scm −1 or more (Yes in S813), the process proceeds to the next step. The method for measuring the conductivity of the electrolyte membrane and the relationship between the conductivity of the electrolyte membrane and the relative humidity are the same as those described in the sixth embodiment.

こうして停止期間および発電期間を有する燃料電池の発電開始時期を燃料電池の温度に基づく判定に加え、燃料電池セルの電解質膜の導電率に基づく判定を実施するため、電解質膜の保水状態を的確に予測できて燃料電池発電装置の発電開始時期の判断の信頼性が向上させることができる。   In this way, in addition to the determination based on the temperature of the fuel cell, the generation start timing of the fuel cell having the stop period and the power generation period is determined based on the conductivity of the electrolyte membrane of the fuel cell, so the water retention state of the electrolyte membrane is accurately Thus, the reliability of the determination of the power generation start time of the fuel cell power generator can be improved.

〔燃料電池発電装置の発電動作〕
上記の確認動作の数値が所定値に到達した後(具体的には燃料電池121の温度が70℃以上、電解質膜の導電率σ=1.93×10-2Scm-1以上)、切り替え弁および遮断弁を以下のように動作させて燃料電池121を発電させる(ステップS815およびステップS816)。
[Power generation operation of fuel cell power generator]
After the numerical value of the confirmation operation reaches a predetermined value (specifically, the temperature of the fuel cell 121 is 70 ° C. or higher, the conductivity of the electrolyte membrane σ = 1.93 × 10 −2 Scm −1 or higher), the switching valve Then, the fuel cell 121 is caused to generate electric power by operating the shut-off valve as follows (steps S815 and S816).

第二の切り替え弁142に接続する第一の遮断弁130および第三の切り替え弁143に接続する第二の遮断弁131並びに第四の切り替え弁144に接続する第三の遮断弁132をすべて開栓する。   The first cutoff valve 130 connected to the second switching valve 142, the second cutoff valve 131 connected to the third switching valve 143, and the third cutoff valve 132 connected to the fourth switching valve 144 are all opened. Plug.

この状態で第一の切り替え弁129を動作させて燃料ガス供給配管161をアノード排気配管147と遮断させる一方、燃料ガス供給配管161を第五の切り替え弁152と連通させる。また、第二の切り替え弁142を動作させてアノード側出口121bを第一の遮断弁130と連通させる一方、アノード側出口121bを第二の循環配管146と遮断させる。また、第三の切り替え弁143を動作させてカソード側入口121cを第二の遮断弁131と連通させる一方、カソード側入口121cを原料ガス分岐配管151と遮断させる。更に、第四の切り替え弁144を動作させてカソード側出口121dを第三の遮断弁132と連通させる一方、カソード側出口121dを第二の循環配管146と遮断させる。加えて、第五の切り替え弁152を動作させてアノード側入口121aを第一の切り替え弁129と連通させる一方、アノード側入口121aをアノード排気配管147と遮断させる。更に、第六の切り替え弁154を動作させてガス清浄部122pを燃料生成器123と連通させる一方、ガス清浄部122pを原料ガス分岐配管151と遮断させる。   In this state, the first switching valve 129 is operated to disconnect the fuel gas supply pipe 161 from the anode exhaust pipe 147, while the fuel gas supply pipe 161 is communicated with the fifth switching valve 152. Further, the second switching valve 142 is operated to connect the anode side outlet 121b to the first shutoff valve 130, while the anode side outlet 121b is shut off from the second circulation pipe 146. Further, the third switching valve 143 is operated to cause the cathode side inlet 121c to communicate with the second shutoff valve 131, while the cathode side inlet 121c is shut off from the source gas branch pipe 151. Further, the fourth switching valve 144 is operated to connect the cathode side outlet 121d with the third shutoff valve 132, while the cathode side outlet 121d is shut off from the second circulation pipe 146. In addition, the fifth switching valve 152 is operated to connect the anode side inlet 121a with the first switching valve 129, while the anode side inlet 121a is disconnected from the anode exhaust pipe 147. Further, the sixth switching valve 154 is operated to connect the gas cleaning unit 122p with the fuel generator 123, while the gas cleaning unit 122p is disconnected from the source gas branch pipe 151.

こうして切り替え弁および遮断弁の動作によって燃料ガス供給配管161を介して燃料生成器123から水素ガスリッチな燃料ガスを燃料電池121のアノード側入口121aに導入すると共に、アノード側出口121bから送出され、アノード114aで消費されなかった残余の燃料ガスを、アノード排気配管147を介して燃料電池121の燃料生成器123に還流させる。   In this way, the operation of the switching valve and the shutoff valve introduces the hydrogen gas-rich fuel gas from the fuel generator 123 to the anode side inlet 121a of the fuel cell 121 via the fuel gas supply pipe 161 and sends it out from the anode side outlet 121b. The remaining fuel gas that has not been consumed in 114 a is recirculated to the fuel generator 123 of the fuel cell 121 via the anode exhaust pipe 147.

一方、酸化剤ガス供給配管162を介して加湿器123から送出された加湿空気(酸化剤ガス)を燃料電池121のカソード側入口121cに導入すると共に、カソード側出口121dから送出され、カソード114cで消費されなかった残余の酸化剤ガスを、カソード排気配管160を介して燃料電池121の加湿器124に還流させる。   On the other hand, the humidified air (oxidant gas) sent from the humidifier 123 via the oxidant gas supply pipe 162 is introduced into the cathode side inlet 121c of the fuel cell 121, and sent out from the cathode side outlet 121d, and is sent from the cathode 114c. The remaining oxidant gas that has not been consumed is recirculated to the humidifier 124 of the fuel cell 121 via the cathode exhaust pipe 160.

これによって燃料ガスをアノード114aに供給し、酸化剤ガスをカソード114cに供給して、燃料電池121の内部にて水素イオンと電子を生成させて、出力端子172a、72cを介して回路部125に電流を取り出すことができ、測定部126において発電電圧がモニタされる。   As a result, fuel gas is supplied to the anode 114a, oxidant gas is supplied to the cathode 114c, hydrogen ions and electrons are generated inside the fuel cell 121, and are supplied to the circuit unit 125 via the output terminals 172a and 72c. The current can be taken out, and the generated voltage is monitored in the measuring unit 126.

(実施の形態8)
以下、燃料電池121の内部を、停止期間から発電期間までの間の移行期間に加湿原料ガスで曝すことを特徴とする燃料電池発電装置のガス供給系の他の構成例を説明する。
(Embodiment 8)
Hereinafter, another configuration example of the gas supply system of the fuel cell power generation apparatus, in which the inside of the fuel cell 121 is exposed to the humidified raw material gas during the transition period from the stop period to the power generation period, will be described.

図20は、実施の形態3に係る燃料電池発電装置の構成を示したブロック図である。燃料電池121、第一の水供給手段174、第二の水供給手段175、原料ガス供給手段122、燃料生成器123、加湿器124、インピーダンス測定器173、回路部125、測定部126および制御部127の構成については実施の形態6にて説明したものと同様である。   FIG. 20 is a block diagram showing the configuration of the fuel cell power generator according to Embodiment 3. Fuel cell 121, first water supply means 174, second water supply means 175, raw material gas supply means 122, fuel generator 123, humidifier 124, impedance measuring instrument 173, circuit part 125, measurement part 126 and control part The configuration of 127 is the same as that described in the sixth embodiment.

実施の形態8は、加湿原料ガスの燃料電池121への導入配管および切り替え弁並びに遮断弁並びにマスフローメータの配置を変更した点で実施の形態6と相違しており、ここでは実施の形態6に対して導入配管および切り替え弁並びに遮断弁並びにマスフローメータの変更点を中心に説明する。   The eighth embodiment is different from the sixth embodiment in that the arrangement of the piping for introducing the humidified raw material gas into the fuel cell 121, the switching valve, the shutoff valve, and the mass flow meter is changed. Here, the sixth embodiment is different from the sixth embodiment. On the other hand, the description will focus on the changes in the introduction piping, the switching valve, the shutoff valve, and the mass flow meter.

実施の形態6(図12)において使用された第二、第四の切り替え弁142、144および第一、第二の循環配管145、146を取り除く。また、ガス清浄部122pの出口直後に分流弁155が配置され、この分流弁155によって加湿器123の方向に流れる原料ガスの流量と燃料生成器123の方向に流れる原料ガスの流量の比率を決めることができる。加えて、加湿部124の内部を通って、第三の切り替え弁143と分流弁155とを連通させる原料ガス分岐配管151が設けられている。更に、またマスフローメータ170aに加えて、マスフローメータ170cが加湿器124と第三の切り替え弁143の間であって原料ガス分岐配管151の途中に設けられている。   The second and fourth switching valves 142 and 144 and the first and second circulation pipes 145 and 146 used in the sixth embodiment (FIG. 12) are removed. In addition, a diverter valve 155 is disposed immediately after the outlet of the gas cleaning unit 122p, and the diverter valve 155 determines the ratio of the flow rate of the raw material gas flowing in the direction of the humidifier 123 and the flow rate of the raw material gas flowing in the direction of the fuel generator 123. be able to. In addition, a raw material gas branch pipe 151 that connects the third switching valve 143 and the diversion valve 155 through the inside of the humidifying unit 124 is provided. Further, in addition to the mass flow meter 170 a, a mass flow meter 170 c is provided between the humidifier 124 and the third switching valve 143 and in the middle of the raw material gas branch pipe 151.

以下、停止保管動作および起動開始動作並びに発電開始可否の確認動作並びに発電動作に分けて、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給動作を図20のブロック図および図21、図22のフローチャート図を参照しながら詳細に説明していく。   Hereinafter, the supply operation of the fuel gas and the oxidant gas is divided into the stop storage operation, the start start operation, the power generation start availability confirmation operation and the power generation operation, with reference to the block diagram of FIG. 20 and the flowcharts of FIGS. I will explain in detail.

〔燃料電池発電装置の停止保管動作〕
燃料電池発電装置1100の停止後、燃料電池121の内部を原料ガスによって充填封止の状態に保って長期保管する。ここで、燃料電池発電装置1100の停止保管のため、切り替え弁および遮断弁を次のように動作させる(ステップS1001)。
[Stopping storage operation of fuel cell power generator]
After the fuel cell power generation device 1100 is stopped, the inside of the fuel cell 121 is kept in a state of being filled and sealed with the raw material gas and stored for a long time. Here, in order to stop and store the fuel cell power generator 1100, the switching valve and the shutoff valve are operated as follows (step S1001).

アノード側出口121bに接続する第一の遮断弁130および第三の切り替え弁143に接続する第二の遮断弁131並びにカソード側出口121dに接続する第三の遮断弁132をそれぞれ閉める。   The first cutoff valve 130 connected to the anode side outlet 121b, the second cutoff valve 131 connected to the third switching valve 143, and the third cutoff valve 132 connected to the cathode side outlet 121d are closed.

この状態で、第一の切り替え弁129を動作させて燃料ガス供給配管161をアノード排気配管147と連通させる一方、燃料ガス供給配管161をアノード側入口121aと遮断させる。また、第三の切り替え弁143を動作させてカソード側入口121cを第二の遮断弁131と連通させる一方、カソード側入口121cを原料ガス分岐配管151と遮断させる。   In this state, the first switching valve 129 is operated to connect the fuel gas supply pipe 161 to the anode exhaust pipe 147, while the fuel gas supply pipe 161 is disconnected from the anode side inlet 121a. Further, the third switching valve 143 is operated to cause the cathode side inlet 121c to communicate with the second shutoff valve 131, while the cathode side inlet 121c is shut off from the source gas branch pipe 151.

こうして燃料電池121の内部に燃料ガスおよび酸化剤ガスを確実に封入することができる。なお、燃料電池121の内部は燃料電池稼働温度(70℃)以下で維持されており、室温(約20℃〜30℃)近くに保たれている。   In this way, the fuel gas and the oxidant gas can be reliably sealed inside the fuel cell 121. Note that the inside of the fuel cell 121 is maintained at a fuel cell operating temperature (70 ° C.) or lower, and is kept near room temperature (about 20 ° C. to 30 ° C.).

〔燃料電池発電装置の起動開始動作〕
燃料電池121の触媒に悪影響を及ぼさないような原料ガスの選定および原料ガスの清浄化処置を行う(ステップS1002)。原料ガス清浄化の方法および原料ガス選択の内容は実施の形態6と同様である。
[Starting operation of fuel cell generator]
A raw material gas is selected and a raw material gas is cleaned so as not to adversely affect the catalyst of the fuel cell 121 (step S1002). The method of cleaning the source gas and the content of source gas selection are the same as in the sixth embodiment.

続いて、燃料電池121の内部を稼働温度(70℃)まで昇温する(ステップS1003)。なお、燃料電池121の内部の昇温方法は、実施の形態6で説明したものと同じである。   Subsequently, the temperature inside the fuel cell 121 is raised to the operating temperature (70 ° C.) (step S1003). The temperature raising method inside the fuel cell 121 is the same as that described in the sixth embodiment.

ここで、燃料電池121の内部温度が稼働温度(70℃)以上にまで到達しているか否かを判定して(ステップS1004)、昇温不足であれば(S1004においてNo)、S1003の昇温動作を継続させ、70℃以上に到達すれば(S1004においてYes)、次のステップに進む。   Here, it is determined whether or not the internal temperature of the fuel cell 121 has reached the operating temperature (70 ° C.) or more (step S1004). If the temperature rise is insufficient (No in S1004), the temperature rise in S1003. If the operation is continued and the temperature reaches 70 ° C. or higher (Yes in S1004), the process proceeds to the next step.

次に、燃料生成器123の内部を予備加熱させるため、切り替え弁および遮断弁を以下のように動作させる(ステップS1005)。   Next, in order to preheat the inside of the fuel generator 123, the switching valve and the shutoff valve are operated as follows (step S1005).

アノード側出口121bに接続する第一の遮断弁130および第三の切り替え弁143に接続する第二の遮断弁131並びにカソード側出口121dに接続する第三の遮断弁132をそれぞれ閉める。   The first cutoff valve 130 connected to the anode side outlet 121b, the second cutoff valve 131 connected to the third switching valve 143, and the third cutoff valve 132 connected to the cathode side outlet 121d are closed.

この状態で、第一の切り替え弁129を動作させて燃料ガス供給配管161をアノード排気配管147と連通させる一方、燃料ガス供給配管161をアノード側入口121aと遮断させる。また、第三の切り替え弁143を動作させてカソード側入口121cを第二の遮断弁131と連通させる一方、カソード側入口121cを原料ガス分岐配管151と遮断させる。更に、分流弁155を動作させて原料ガス供給配管163を流れる原料ガスを全量、燃料生成器123に導くように、原料ガス供給配管163を流れる原料ガス流量に対する燃料ガス供給配管161を流れる原料ガス流量の分流比率を1に設定する。   In this state, the first switching valve 129 is operated to connect the fuel gas supply pipe 161 to the anode exhaust pipe 147, while the fuel gas supply pipe 161 is disconnected from the anode side inlet 121a. Further, the third switching valve 143 is operated to cause the cathode side inlet 121c to communicate with the second shutoff valve 131, while the cathode side inlet 121c is shut off from the source gas branch pipe 151. Further, the raw material gas flowing through the fuel gas supply pipe 161 with respect to the flow rate of the raw material gas flowing through the raw material gas supply pipe 163 so as to guide the entire amount of the raw material gas flowing through the raw material gas supply pipe 163 to the fuel generator 123 by operating the diversion valve 155. Set the flow diversion ratio to 1.

こうして燃料生成器123から送出されるガスを、第一の切り替え弁129の切り替え動作によって第一の連結配管164を通過させ(第一の逆止弁141は流れを許す方向)、アノード排気配管147を介して、第二の逆止弁148によって逆流を防いで燃料生成器23の燃焼部に還流させて燃焼部で燃焼させて、燃料生成器123を予備加熱させる(ステップS1006)。   Thus, the gas sent from the fuel generator 123 passes through the first connecting pipe 164 by the switching operation of the first switching valve 129 (the direction in which the first check valve 141 allows the flow), and the anode exhaust pipe 147. Then, the backflow is prevented by the second check valve 148 and is returned to the combustion part of the fuel generator 23 and burned in the combustion part to preheat the fuel generator 123 (step S1006).

燃料生成器123の予備加熱の昇温温度範囲については、実施の形態6で説明したものと同じ(燃料生成器123(改質部123e)の温度を250℃〜300℃の範囲に昇温)である。   The temperature increase range of the preheating of the fuel generator 123 is the same as that described in the sixth embodiment (the temperature of the fuel generator 123 (reforming portion 123e) is increased to a range of 250 ° C. to 300 ° C.) It is.

ここで、燃料生成器123(改質部123e)の温度が250℃〜300℃の範囲まで昇温したか否かを判定して(ステップS1007)、昇温不足であれば(S1007においてNo)、S1006の燃料生成器123の予備加熱動作を継続させ、250℃〜300℃の範囲まで昇温したら(S1007においてYes)、次のステップに進む。   Here, it is determined whether or not the temperature of the fuel generator 123 (the reforming unit 123e) has been raised to a range of 250 ° C. to 300 ° C. (step S1007), and if the temperature rise is insufficient (No in S1007). When the preheating operation of the fuel generator 123 in S1006 is continued and the temperature is raised to a range of 250 ° C. to 300 ° C. (Yes in S1007), the process proceeds to the next step.

燃料生成器123の予備加熱の後、燃料生成器123および加湿器124において原料ガス供給手段122から供給される原料ガスの露点を燃料電池121の稼働温度(70℃)以上に維持できるよう原料ガスを加湿処理できる状態に移行させる(ステップS1008)。燃料生成器123は300℃近傍まで昇温されており、加湿に必要な水は第二の水供給手段175から燃料生成器123に供給され、これによって原料ガスを燃料生成器123の内部で加湿できる。同時に、第一の水供給手段174から加湿器124の内部に供給される水および燃料生成器123から加湿器124に供給される熱によって原料ガスを加湿器124の内部で加湿できる。   After the fuel generator 123 is preheated, the source gas is supplied so that the dew point of the source gas supplied from the source gas supply means 122 in the fuel generator 123 and the humidifier 124 can be maintained at or above the operating temperature (70 ° C.) of the fuel cell 121. Is moved to a state where the humidification process can be performed (step S1008). The fuel generator 123 has been heated to around 300 ° C., and water necessary for humidification is supplied from the second water supply means 175 to the fuel generator 123, whereby the source gas is humidified inside the fuel generator 123. it can. At the same time, the source gas can be humidified inside the humidifier 124 by the water supplied from the first water supply means 174 to the inside of the humidifier 124 and the heat supplied from the fuel generator 123 to the humidifier 124.

続いて、加湿原料ガス供給のため、切り替え弁および遮断弁を以下のように動作させる
(ステップS1009)。
Subsequently, the switching valve and the shutoff valve are operated as follows for supplying the humidified raw material gas (step S1009).

第二の切り替え弁142に接続する第一の遮断弁130および第四の切り替え弁144に接続する第三の遮断弁132をそれぞれ開く。   The first cutoff valve 130 connected to the second switching valve 142 and the third cutoff valve 132 connected to the fourth switching valve 144 are opened.

この状態で、第一の切り替え弁129を動作させてアノード側入口121aを燃料ガス供給配管161と連通させる一方、アノード側入口121aをアノード排気配管147と遮断させる。また、第三の切り替え弁143を動作させてカソード側入口121cを原料ガス分岐配管151と連通させる一方、カソード側入口121cを遮断弁131と遮断させる。更に、分流弁155を動作させて、ガス清浄部122pから送出される清浄化原料ガスを加湿器123と燃料生成器123の両方にほぼ均等に導き得るように分流比率を0.5に設定する。   In this state, the first switching valve 129 is operated to connect the anode side inlet 121a with the fuel gas supply pipe 161, while the anode side inlet 121a is shut off from the anode exhaust pipe 147. Further, the third switching valve 143 is operated to connect the cathode side inlet 121 c to the source gas branch pipe 151, while the cathode side inlet 121 c is shut off from the cutoff valve 131. Further, the flow dividing valve 155 is operated, and the flow dividing ratio is set to 0.5 so that the purified raw material gas delivered from the gas cleaning unit 122p can be led almost uniformly to both the humidifier 123 and the fuel generator 123. .

こうして、ガス清浄部122pから送出された加湿原料ガスは以下のようにして燃料電池121の内部を加湿させて外部に導かれて、燃料電池121の内部を加湿原料ガスの雰囲気に置換するというパージ処理が行われる(ステップS1010)。   Thus, the humidified raw material gas sent from the gas cleaning unit 122p humidifies the inside of the fuel cell 121 and is guided to the outside as follows, and purges the inside of the fuel cell 121 with the humidified raw material gas atmosphere. Processing is performed (step S1010).

ガス清浄部122pで清浄化され原料ガス供給配管163を介して送出される原料ガスは、原料ガス分岐配管151を流れる第一の原料ガスと燃料ガス供給配管161を流れる第二の原料ガスにほぼ均等(分流比率:0.5)に分流される。   The source gas purified by the gas cleaning unit 122p and sent through the source gas supply pipe 163 is almost the same as the first source gas flowing through the source gas branch pipe 151 and the second source gas flowing through the fuel gas supply pipe 161. The flow is divided evenly (diversion ratio: 0.5).

第一の原料ガスにおいては、ガス清浄部122pから原料ガス供給配管163を介して送出される清浄化原料ガスは、分流弁155で分流され、原料ガス分岐配管151を通って加湿器124に導かれ、加湿器124において加湿される。その後、加湿原料ガスは、第三の切り替え弁143によって燃料電池121のカソード側入口121cに向きを切り替えて原料ガス分岐配管151を介してカソード114cに供給される。これによって燃料電池121のカソード114cを加湿原料ガスの雰囲気に曝した後、加湿原料ガスはカソード側出口121dから外部に流出する。流出後の加湿原料ガスは、カソード排気配管160を通って加湿部124に戻り、この加湿部124にて処理された後、適宜希釈されて大気に排出される。   In the first source gas, the purified source gas sent from the gas cleaning unit 122p through the source gas supply pipe 163 is divided by the diversion valve 155 and led to the humidifier 124 through the source gas branch pipe 151. And humidified in the humidifier 124. Thereafter, the humidified source gas is switched to the cathode side inlet 121c of the fuel cell 121 by the third switching valve 143 and is supplied to the cathode 114c via the source gas branch pipe 151. Thus, after the cathode 114c of the fuel cell 121 is exposed to the atmosphere of the humidified raw material gas, the humidified raw material gas flows out from the cathode side outlet 121d. The humidified raw material gas after flowing out returns to the humidifying section 124 through the cathode exhaust pipe 160, is processed in the humidifying section 124, and is appropriately diluted and discharged to the atmosphere.

第二の原料ガスにおいては、ガス清浄部122pから原料ガス供給配管163を介して送出される清浄化原料ガスが分流弁155で分流されて、燃料生成器123に導かれ、燃料生成器123の内部で加湿される。その後、燃料生成器123から送出される加湿原料ガスは、第一の切り替え弁129によって燃料電池のアノード側入口121aに向きを切り替えて燃料ガス供給配管161を介して燃料電池121のアノード114aに供給される。これによってアノード114aを加湿原料ガスの雰囲気に曝した後、加湿原料ガスはアノード出口121bから燃料電池121の外部に流出する。流出後の加湿原料ガスは、アノード排気配管147を通って水除去部133にて水除去された後、燃料生成器123の燃焼部に戻され燃焼部で燃焼されて燃料生成器123の加熱に利用される。   In the second raw material gas, the purified raw material gas sent from the gas cleaning unit 122p through the raw material gas supply pipe 163 is diverted by the diversion valve 155 and led to the fuel generator 123. Humidified inside. Thereafter, the humidified raw material gas sent from the fuel generator 123 is switched to the anode side inlet 121a of the fuel cell by the first switching valve 129 and supplied to the anode 114a of the fuel cell 121 via the fuel gas supply pipe 161. Is done. Thus, after the anode 114a is exposed to the atmosphere of the humidified raw material gas, the humidified raw material gas flows out of the fuel cell 121 from the anode outlet 121b. After the outflow, the humidified raw material gas is removed by the water removal unit 133 through the anode exhaust pipe 147 and then returned to the combustion unit of the fuel generator 123 and burned in the combustion unit to heat the fuel generator 123. Used.

ここで、加湿原料ガスのトータル供給量は、燃料電池121の内部空間のガス充填可能容積の少なくとも3倍以上必要であり、例えば、ガス充填可能容積が約1.0Lであれば、加湿原料ガスの流量1.5L/分でもって約5分間、これを燃料電池121の内部に供給すれば良く、このトータル供給量はマスフローメータ170aおよびマスフローメータ170cの出力信号に基づいて制御部127でモニタされる。   Here, the total supply amount of the humidified raw material gas needs to be at least three times the gas fillable volume of the internal space of the fuel cell 121. For example, if the gas fillable volume is about 1.0 L, the humidified raw material gas The flow rate of 1.5 L / min for about 5 minutes may be supplied to the inside of the fuel cell 121. The total supply amount is monitored by the control unit 127 based on the output signals of the mass flow meter 170a and the mass flow meter 170c. The

こうして燃料電池121の停止期間から発電期間までの間の移行期間に燃料電池121の内部を加湿原料ガスで曝すことができて、停止保管中に乾燥した燃料電池121の電解質膜111を加湿できると共に、仮に停止保管中に燃料電池の内部に酸素ガスが混入した場合、この酸素ガスによってもたらされる燃料ガスとの局所燃焼を未然に防止できる。また、燃料電池121の停止期間から発電期間までの間の移行期間に、燃料電池121の内部に加湿原料ガスを導くようにしたため、燃料電池121の内部を長期間、加湿原料ガスの雰囲気で曝すことがなく、燃料電池の電極の撥水性が損なわれない。加えて、第一の原料ガスと第二の原料ガスは互いに混合することなく別個独立して、燃料電池121のカソード114cに第一の原料ガスを通過させ、燃料電池121のアノード114aに第二の原料ガスを通過させるように構成したため、アノード114aおよびカソード114cの両方を確実に加湿処理できる。   Thus, the inside of the fuel cell 121 can be exposed to the humidified raw material gas during the transition period from the stop period of the fuel cell 121 to the power generation period, and the electrolyte membrane 111 of the fuel cell 121 dried during the stop storage can be humidified. If oxygen gas is mixed inside the fuel cell during stopped storage, local combustion with the fuel gas caused by the oxygen gas can be prevented beforehand. Further, since the humidified raw material gas is introduced into the fuel cell 121 during the transition period from the stop period of the fuel cell 121 to the power generation period, the inside of the fuel cell 121 is exposed to the humidified raw material gas atmosphere for a long period of time. And the water repellency of the fuel cell electrode is not impaired. In addition, the first source gas and the second source gas are separately mixed without being mixed with each other, and the first source gas is passed through the cathode 114c of the fuel cell 121, and the second source gas is passed through the anode 114a of the fuel cell 121. Therefore, it is possible to reliably humidify both the anode 114a and the cathode 114c.

燃料電池121の内部に充分、加湿原料ガスを供給した後、燃料生成器123を加熱させるため、切り替え弁および遮断弁を次のように動作させる(ステップS1011)。   After sufficiently supplying the humidified raw material gas into the fuel cell 121, the switching valve and the shut-off valve are operated as follows in order to heat the fuel generator 123 (step S1011).

アノード側出口121bに接続する第一の遮断弁130および第三の切り替え弁143に接続する第二の遮断弁131並びにカソード側出口121dに接続する第三の遮断弁132をそれぞれ閉める。   The first cutoff valve 130 connected to the anode side outlet 121b, the second cutoff valve 131 connected to the third switching valve 143, and the third cutoff valve 132 connected to the cathode side outlet 121d are closed.

この状態で、第一の切り替え弁129を動作させて燃料ガス供給配管161をアノード排気配管147と連通させる一方、燃料ガス供給配管161をアノード側入口121aと遮断させる。また、第三の切り替え弁143を動作させてカソード側入口121cを第二の遮断弁131と連通させる一方、カソード側入口121cを原料ガス分岐配管151と遮断させる。分流弁155を動作させて原料ガス供給配管163を流れる原料ガスを全量、燃料生成器123に導くように、原料ガス供給配管163を流れる原料ガス流量に対する燃料ガス供給配管161を流れる原料ガス流量の分流比率を1に設定する。   In this state, the first switching valve 129 is operated to connect the fuel gas supply pipe 161 to the anode exhaust pipe 147, while the fuel gas supply pipe 161 is disconnected from the anode side inlet 121a. Further, the third switching valve 143 is operated to cause the cathode side inlet 121c to communicate with the second shutoff valve 131, while the cathode side inlet 121c is shut off from the source gas branch pipe 151. The flow rate of the raw material gas flowing through the fuel gas supply pipe 161 with respect to the flow rate of the raw material gas flowing through the raw material gas supply pipe 163 is controlled so as to guide the entire amount of the raw material gas flowing through the raw material gas supply pipe 163 to the fuel generator 123 by operating the shunt valve 155. Set the diversion ratio to 1.

こうして燃料生成器123から送出されるガスを、第一の切り替え弁129の切り替え動作によって第一の連結配管164を通過させ(第一の逆止弁141は流れを許す方向)、アノード排気配管147を介して、第二の逆止弁148によってアノード側出口121bの方向への逆流を防いで燃料生成器123の燃焼部に還流させて燃焼部で燃焼させて、燃料生成器123を加熱させる(ステップS1012)。   Thus, the gas sent from the fuel generator 123 passes through the first connecting pipe 164 by the switching operation of the first switching valve 129 (the direction in which the first check valve 141 allows the flow), and the anode exhaust pipe 147. Then, the second check valve 148 prevents the back flow in the direction of the anode side outlet 121b, and recirculates to the combustion part of the fuel generator 123 and burns it in the combustion part to heat the fuel generator 123 ( Step S1012).

ここで、燃料生成器123の温度が640℃以上に昇温したか否かを判定して(ステップS1013)、昇温不足であれば(S1013においてNo)、S1012の加熱動作を継続させ、640℃以上に到達したら(S1013においてYes)、次のステップに進む。   Here, it is determined whether or not the temperature of the fuel generator 123 has been raised to 640 ° C. or more (step S1013). If the temperature has not been raised sufficiently (No in S1013), the heating operation in S1012 is continued, and 640 is obtained. If the temperature reaches or exceeds ° C. (Yes in S1013), the process proceeds to the next step.

〔燃料電池発電装置の発電開始可否の確認動作〕
燃料生成器123の昇温完了の後、燃料電池121の内部温度の確認および燃料電池121の電解質膜111の導電率の確認を行って、燃料電池発電装置1100の発電を開始して良いか否かを判定する。
[Operation to confirm whether fuel cell generator can start power generation]
After the completion of the temperature increase of the fuel generator 123, whether or not the internal temperature of the fuel cell 121 and the conductivity of the electrolyte membrane 111 of the fuel cell 121 are confirmed to start the power generation of the fuel cell power generator 1100. Determine whether.

第一の確認動作として、燃料電池121の内部温度が稼働温度(70℃)以上であるか否かを判定して(ステップS1014)、昇温不足であれば(S1014においてNo)、ステップS1003の昇温動作を再実行させて(ステップS1015)、70℃以上に昇温したら(S1014においてYes)、次にステップに進む。   As a first confirmation operation, it is determined whether or not the internal temperature of the fuel cell 121 is equal to or higher than the operating temperature (70 ° C.) (step S1014). If the temperature rise is insufficient (No in S1014), the process proceeds to step S1003. When the temperature raising operation is performed again (step S1015) and the temperature is raised to 70 ° C. or higher (Yes in S1014), the process proceeds to the next step.

第二の確認動作として、燃料電池121の電解質膜111の導電率を測定してこの導電率:σ=1.93×10-2Scm-1以上か否かを判定して(ステップS1016)、σ=1.93×10-2Scm-1未満であれば(S1016においてNo)、電解質膜111の加湿不足であると判断してS1009およびS1010の動作を再実行させ(ステップS1017)、σ=1.93×10-2Scm-1以上であれば(S1017においてYes)、次のステップに進む。 As a second confirmation operation, the conductivity of the electrolyte membrane 111 of the fuel cell 121 is measured to determine whether or not this conductivity: σ = 1.93 × 10 −2 Scm −1 or more (step S1016). If σ = 1.93 × 10 −2 Scm −1 (No in S1016), it is determined that the electrolyte membrane 111 is insufficiently humidified, and the operations of S1009 and S1010 are re-executed (step S1017). If 1.93 × 10 −2 Scm −1 or more (Yes in S1017), the process proceeds to the next step.

なお、電解質膜の導電率の測定法および電解質膜の導電率と相対湿度の関係については、実施の形態6において説明したものと同様である。   The method for measuring the conductivity of the electrolyte membrane and the relationship between the conductivity of the electrolyte membrane and the relative humidity are the same as those described in the sixth embodiment.

こうして停止期間および発電期間を有する燃料電池の発電開始時期を燃料電池の温度に基づく判定に加え、燃料電池セルの電解質膜の導電率に基づく判定を実施するため、電解質膜の保水状態を的確に予測できて燃料電池発電装置の発電開始時期の判断の信頼性が向上させることができる。   In this way, in addition to the determination based on the temperature of the fuel cell, the generation start timing of the fuel cell having the stop period and the power generation period is determined based on the conductivity of the electrolyte membrane of the fuel cell, so that the water retention state of the electrolyte membrane is accurately determined. Thus, the reliability of the determination of the power generation start time of the fuel cell power generator can be improved.

〔燃料電池発電装置の発電動作〕
上記の確認動作が所定値に到達した後(具体的には燃料電池121の内部温度が70℃以上、電解質膜の導電率σ=1.93×10-2Scm-1以上)、切り替え弁および遮断弁を以下のように動作させて燃料電池21を発電させる(ステップS1018およびステップS1019)。
[Power generation operation of fuel cell power generator]
After the above confirmation operation reaches a predetermined value (specifically, the internal temperature of the fuel cell 121 is 70 ° C. or higher and the electrolyte membrane conductivity σ = 1.93 × 10 −2 Scm −1 or higher), the switching valve and The shut-off valve is operated as follows to generate power in the fuel cell 21 (steps S1018 and S1019).

アノード側出口121bに接続する第一の遮断弁130および第三の切り替え弁143に接続する第二の遮断弁131並びにカソード側出口121dに接続する第三の遮断弁132をすべて開栓する。   All of the first cutoff valve 130 connected to the anode side outlet 121b, the second cutoff valve 131 connected to the third switching valve 143, and the third cutoff valve 132 connected to the cathode side outlet 121d are opened.

この状態で、第一の切り替え弁129を動作させて燃料ガス供給配管161をアノード排気配管147と遮断させる一方、燃料ガス供給配管161をアノード側入口121aと連通させる。また、第三の切り替え弁143を動作させてカソード側入口121cを第二の遮断弁131と連通させる一方、カソード側入口121cを原料ガス分岐配管151と遮断させる。加えて、分流弁155を動作させて原料ガス供給配管163を流れる原料ガスを全量、燃料生成器123に導くように、原料ガス供給配管163を流れる原料ガス流量に対する燃料ガス供給配管161を流れる原料ガス流量の分流比率を1に設定する。   In this state, the first switching valve 129 is operated to cut off the fuel gas supply pipe 161 from the anode exhaust pipe 147, while the fuel gas supply pipe 161 is communicated with the anode side inlet 121a. Further, the third switching valve 143 is operated to cause the cathode side inlet 121c to communicate with the second shutoff valve 131, while the cathode side inlet 121c is shut off from the source gas branch pipe 151. In addition, the raw material flowing through the fuel gas supply pipe 161 with respect to the flow rate of the raw material gas flowing through the raw material gas supply pipe 163 is such that all the raw material gas flowing through the raw material gas supply pipe 163 is guided to the fuel generator 123 by operating the diversion valve 155. Set the gas flow diversion ratio to 1.

こうした切り替え弁および遮断弁の動作によって燃料ガス供給配管161を介して燃料生成器123から送出された水素ガスリッチな燃料ガスを燃料電池121のアノード側入口121aに導入すると共に、アノード側出口121bから送出され、アノード114aで消費されなかった残余の燃料ガスを、アノード排気配管147を介して燃料電池121の燃料生成器123に還流させる。また、酸化剤ガス供給配管162を介して加湿器123から加湿空気(酸化剤ガス)を燃料電池121のカソード側入口121cに導入すると共に、カソード側出口121dから送出され、カソード114cで消費されなかった残余の酸化剤ガスを、カソード排気配管160を介して燃料電池121の加湿器124に還流させる。   By the operation of the switching valve and the shutoff valve, the hydrogen gas-rich fuel gas sent from the fuel generator 123 via the fuel gas supply pipe 161 is introduced into the anode side inlet 121a of the fuel cell 121 and sent out from the anode side outlet 121b. Then, the remaining fuel gas that has not been consumed by the anode 114 a is recirculated to the fuel generator 123 of the fuel cell 121 via the anode exhaust pipe 147. Further, humidified air (oxidant gas) is introduced from the humidifier 123 into the cathode side inlet 121c of the fuel cell 121 via the oxidant gas supply pipe 162, and is sent from the cathode side outlet 121d and is not consumed at the cathode 114c. The remaining oxidant gas is recirculated to the humidifier 124 of the fuel cell 121 via the cathode exhaust pipe 160.

これによって燃料ガスをアノード114aに供給し、酸化剤ガスをカソード114cに供給して、燃料電池121の内部にて水素イオンと電子を生成させて、出力端子172a、72cを介して回路部125に電流を取り出すことができ、測定部126において発電電圧がモニタされる。   As a result, fuel gas is supplied to the anode 114a, oxidant gas is supplied to the cathode 114c, hydrogen ions and electrons are generated inside the fuel cell 121, and are supplied to the circuit unit 125 via the output terminals 172a and 72c. The current can be taken out, and the generated voltage is monitored in the measuring unit 126.

(実施例)
実施の形態6〜実施の形態8に記載の加湿原料ガスのパージ処理によってもたらされる燃料電池の性能安定化の効果を以下のような燃料電池121の特性評価(MEA17の電圧評価)によって検証した。なお、この燃料電池121の特性評価においては、燃料電池発電装置1100の触媒材料として次のようなものを使用する。
(Example)
The effect of fuel cell performance stabilization brought about by the humidified raw material gas purging process described in the sixth to eighth embodiments was verified by the following characteristic evaluation of the fuel cell 121 (voltage evaluation of the MEA 17). In the characteristic evaluation of the fuel cell 121, the following materials are used as the catalyst material of the fuel cell power generator 1100.

脱硫触媒体の材質例としてはゼオライトを使用し、改質部23eの改質触媒体例としてはRu/Al23を使用し、変成部23fの変成触媒体例としてはPt/CeZrOx(Pt=2wt%、Ce:Zr=1:1、x=3または4)を使用し、およびCO除去部23gのCO除去触媒体例としてはPt/Al23およびRu/ゼオライトをハニカム
にしてPt/Al23(上流側)とRu/ゼオライトを1:1で使用する。
Zeolite is used as an example of the material of the desulfurization catalyst body, Ru / Al 2 O 3 is used as an example of the reforming catalyst body of the reforming portion 23e, and Pt / CeZrOx (Pt = 2 wt) as an example of the transformation catalyst body of the transformation portion 23f. %, Ce: Zr = 1: 1, x = 3 or 4), and as an example of a CO removal catalyst body of the CO removal portion 23g, Pt / Al 2 O 3 and Ru / zeolite are used as a honeycomb and Pt / Al 2 O 3 (upstream) and Ru / zeolite are used 1: 1.

また、燃料電池121のMEA117は、次のような製法で作ったものを使用する。   Further, the MEA 117 of the fuel cell 121 is manufactured by the following manufacturing method.

炭素粉末であるケッチェンブラック(ケッチェンブラックインターナショナル株式会社製のKetjen Black EC、粒径30nm)上にPt触媒を担持させて得られる触媒体(50重量%のPt)66重量部を、水素イオン伝導材であって結着剤のパーフルオロカーボンスルフォン酸アイオノマー(米国Aldrich社製の5重量%のNafion分散液)33重量部(高分子乾燥重量)と混合して得られる混合物を成形して触媒反応層12a、12c(10〜20μm)が形成される。   66 parts by weight of a catalyst body (50% by weight of Pt) obtained by supporting a Pt catalyst on Ketjen Black (Ketjen Black EC manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd., particle size 30 nm), which is carbon powder, Catalytic reaction by molding a mixture obtained by mixing 33 parts by weight (polymer dry weight) of perfluorocarbon sulfonate ionomer (5% by weight Nafion dispersion manufactured by Aldrich, USA) as a conductive material and binder Layers 12a and 12c (10 to 20 μm) are formed.

炭素粉末であるアセチレンブラック(電気化学工業株式会社製のデンカブラック、粒径35nm)を、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の水性ディスパージョン(ダイキン工業株式会社製のD1)と混合し、乾燥重量としてPTFEを20重量%含む撥水インクを調製する。このインクを、ガス拡散層113a、113cの基材となるカーボンペーパー(東レ株式会社製のTGPH060H)の上に塗布して含浸させ、熱風乾燥機を用いて300℃で熱処理してガス拡散層13a、13c(約200μm)を形成する。   Carbon powder acetylene black (Denka Black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., particle size 35 nm) is mixed with an aqueous dispersion of polytetrafluoroethylene (PTFE) (D1 manufactured by Daikin Kogyo Co., Ltd.) as a dry weight A water repellent ink containing 20% by weight of PTFE is prepared. This ink is applied and impregnated on carbon paper (TGPH060H manufactured by Toray Industries, Inc.) serving as a base material for the gas diffusion layers 113a and 113c, and heat-treated at 300 ° C. using a hot air drier to form the gas diffusion layer 13a. , 13c (about 200 μm).

こうして製作したガス拡散層13a、13cと触媒反応層12a、12cとを、高分子電解質膜111(米国DuPont社のNafion112の電解質膜)の両面に接合し、MEA117を完成させる。   The gas diffusion layers 13a and 13c and the catalytic reaction layers 12a and 12c thus manufactured are joined to both surfaces of the polymer electrolyte membrane 111 (Nafion 112 electrolyte membrane manufactured by DuPont, USA) to complete the MEA 117.

このような燃料電池発電装置1100の触媒材料系において燃料電池121の起動(発電)停止の回数を4000回まで行い、加湿原料ガスのパージ処理を行わない比較例と共に実施の形態6〜8に記載の加湿原料ガスのパージ処理例のMEA電圧の変化を以下の表に纏めて示している。なお、図23に、横軸に燃料電池の起動停止回数をとり、縦軸にMEA117の電圧をとって、加湿原料パージ処理例(実施の形態8)と比較例におけるMEA17の電圧変化の様子が示されている。   In such a catalyst material system of the fuel cell power generation device 1100, the fuel cell 121 is started (power generation) stopped up to 4000 times and described in Embodiments 6 to 8 together with a comparative example in which the humidification raw material purge process is not performed. The changes in the MEA voltage in the example of the purging process of the humidified raw material gas are summarized in the following table. In FIG. 23, the horizontal axis indicates the number of start and stop of the fuel cell, and the vertical axis indicates the voltage of the MEA 117, and the state of the voltage change of the MEA 17 in the humidified raw material purge processing example (Eighth Embodiment) and the comparative example is shown. It is shown.

実施の形態6〜8の加湿原料ガスによるパージ処理によれば、発電および停止の反復動作に基づく局所燃焼等が防止できるため、MEA117の劣化が抑制されて起動停止回数に依存することなく長期間、燃料電池121の電圧が安定して維持される。   According to the purging process using the humidified raw material gas in the sixth to eighth embodiments, local combustion or the like based on repeated operations of power generation and stop can be prevented, so that the deterioration of the MEA 117 is suppressed and long-term without depending on the number of start / stop times. The voltage of the fuel cell 121 is stably maintained.

これに対して比較例においては、局所燃焼等によってMEA117の触媒劣化が進行して、起動停止回数が1000回以降においてMEA117の電圧の僅かの低下が観察され、更には、3000回以降においてMEA117が破壊(穴あき)されてMEA117の電圧が急峻に減少している。   On the other hand, in the comparative example, the catalyst deterioration of the MEA 117 proceeds due to local combustion or the like, and a slight decrease in the voltage of the MEA 117 is observed after the number of start / stops is 1000 times or more. As a result of destruction (perforation), the voltage of the MEA 117 sharply decreases.

Figure 2006066106
Figure 2006066106

なお、上記の各実施の形態において、燃料電池発電装置1100は本発明の燃料電池システムに相当し、燃料電池121は本発明の燃料電池に相当し、燃料ガス供給配管161は本発明の燃料ガス配管に相当し、第一の切替弁129は本発明の燃料ガス開閉弁に相当し、これらは本発明の燃料ガス供給手段を構成する。   In each of the above embodiments, the fuel cell power generator 1100 corresponds to the fuel cell system of the present invention, the fuel cell 121 corresponds to the fuel cell of the present invention, and the fuel gas supply pipe 161 corresponds to the fuel gas of the present invention. The first switching valve 129 corresponds to a pipe and corresponds to the fuel gas on-off valve of the present invention, and these constitute the fuel gas supply means of the present invention.

また、酸化ガス供給配管162は本発明の酸化剤ガス配管に相当し、第二の遮断弁131は本発明の酸化剤ガス開閉弁に相当し、これらは本発明の酸化剤ガス供給手段を構成する。   The oxidant gas supply pipe 162 corresponds to the oxidant gas pipe of the present invention, the second shut-off valve 131 corresponds to the oxidant gas on / off valve of the present invention, and these constitute the oxidant gas supply means of the present invention. To do.

また、原料ガス供給配管151と、第三の切り替え弁143と燃料電池121のカソード側入口との間を接続する配管とは、本発明の原料ガス配管に相当し、第三の切り替え弁143は本発明の原料ガス開閉弁に相当し、これらは本発明の原料ガス供給手段を構成する。   The source gas supply pipe 151 and the pipe connecting the third switching valve 143 and the cathode side inlet of the fuel cell 121 correspond to the source gas pipe of the present invention, and the third switching valve 143 is It corresponds to the raw material gas on-off valve of the present invention, and these constitute the raw material gas supply means of the present invention.

また、第二の切替弁152は本発明のアノード側オフガス開閉弁に相当し、第二の連結配管153は本発明のアノード側排出配管に相当する。また第四の切替弁144は本発明のカソード側オフガス開閉弁に相当し、第二の循環配管146は本発明のカソード側排出配管に相当する。   The second switching valve 152 corresponds to the anode-side off-gas on / off valve of the present invention, and the second connection pipe 153 corresponds to the anode-side exhaust pipe of the present invention. The fourth switching valve 144 corresponds to the cathode-side off-gas on / off valve of the present invention, and the second circulation pipe 146 corresponds to the cathode-side exhaust pipe of the present invention.

さらに第二の循環配管146は本発明の付加原料ガス配管に相当し、第四の切替弁144および第二の切替弁142は本発明の付加原料ガス開閉弁に相当する。また制御部127は本発明の制御手段に相当する。   Further, the second circulation pipe 146 corresponds to the additional raw material gas pipe of the present invention, and the fourth switching valve 144 and the second switching valve 142 correspond to the additional raw material gas on / off valve of the present invention. The control unit 127 corresponds to the control means of the present invention.

また、以上の実施の形態6〜8は、以下のような発明の実施の形態にも相当するものとしてもよい。すなわち、第1の発明として、燃料ガス流路を有する燃料電池と、原料ガスを供給する原料ガス供給手段とを備え、前記燃料電池の発電期間には、前記燃料ガス流路に前記原料ガスから生成される燃料ガスを供給することによって前記燃料電池を発電させ、停止と発電を交互に反復する燃料電池における停止期間から発電期間までの間の前記燃料電池の移行期間には、前記原料ガス供給手段から送出された原料ガスを加湿して、この加湿された原料ガスの雰囲気に前記燃料電池の内部を曝す燃料電池発電装置としてもよい。   The above sixth to eighth embodiments may correspond to the following embodiments of the invention. That is, as a first invention, a fuel cell having a fuel gas channel and a source gas supply means for supplying a source gas are provided, and during the power generation period of the fuel cell, the source gas is introduced into the fuel gas channel. In the fuel cell transition period between the stop period and the power generation period in the fuel cell in which the fuel cell is generated by supplying the generated fuel gas and alternately stops and generates power, the raw material gas supply is performed. The fuel cell power generator may be configured to humidify the raw material gas sent from the means and expose the inside of the fuel cell to the humidified raw material gas atmosphere.

また、第2の発明として、前記燃料ガス流路に前記原料ガスを流通させることによって前記燃料電池の内部の電解質膜を前記原料ガスの雰囲気に曝す第1の発明の燃料電池発電装置としてもよい。   As a second invention, the fuel cell power generator according to the first invention may be configured such that the electrolyte gas inside the fuel cell is exposed to the atmosphere of the source gas by circulating the source gas through the fuel gas passage. .

また、第3の発明として、前記原料ガスの露点を前記燃料電池の稼働温度以上に維持できるように、前記原料ガスを加湿する第2の発明の燃料電池発電装置としてもよい。   As a third aspect of the invention, the fuel cell power generator according to the second aspect of the invention may humidify the source gas so that the dew point of the source gas can be maintained at or above the operating temperature of the fuel cell.

また、第4の発明として、前記原料ガス供給手段はガス清浄部を備え、前記ガス清浄部によって前記原料ガス中のイオウ成分を除去した後、前記原料ガスの雰囲気に前記燃料電池の内部を曝す第1から第3のいずれかの発明の燃料電池発電装置としてもよい。   According to a fourth aspect of the present invention, the source gas supply means includes a gas cleaning unit, and after the sulfur component in the source gas is removed by the gas cleaning unit, the inside of the fuel cell is exposed to the atmosphere of the source gas. The fuel cell power generator according to any one of the first to third aspects may be used.

また、第5の発明として、前記原料ガスは、メタンガス、プロパンガス、ブタンガスおよびエタンガスのうちの何れかのガスである第4の発明の燃料電池発電装置としてもよい。   As a fifth invention, the raw material gas may be a fuel cell power generator according to the fourth invention, which is any one of methane gas, propane gas, butane gas, and ethane gas.

また、第6の発明として、前記原料ガス供給手段から供給される前記原料ガスと水蒸気とから前記燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器を備え、前記移行期間に前記原料ガス供給手段から送出された原料ガスを、前記燃料生成器の内部で加湿する際に、前記燃料生成器において前記原料ガスを炭化させる下限温度よりも低く、前記燃料生成器の温度を維持する第1の発明の燃料電池発電装置としてもよい。   Further, as a sixth aspect of the invention, a fuel generator that generates fuel gas to be supplied to the fuel cell from the source gas and water vapor supplied from the source gas supply means is provided, and the source gas supply means is provided during the transition period. In the first aspect of the present invention, the temperature of the fuel generator is maintained lower than the lower limit temperature at which the raw material gas is carbonized in the fuel generator when the raw material gas sent from is humidified inside the fuel generator. The fuel cell power generator may be used.

また、第7の発明として、前記燃料生成器の温度を300℃以下に維持する第6の発明の燃料電池発電装置としてもよい。   As a seventh aspect of the invention, the fuel cell power generator according to the sixth aspect of the invention may be configured such that the temperature of the fuel generator is maintained at 300 ° C. or lower.

また、第8の発明として、前記燃料電池の内部に電解質膜を挟むアノードとカソードが配置され、前記アノードを前記原料ガスの雰囲気に曝した後、前記カソードを前記原料ガスの雰囲気に曝す第1の発明の燃料電池発電装置としてもよい。   As an eighth aspect of the invention, an anode and a cathode sandwiching an electrolyte membrane are disposed inside the fuel cell, and after exposing the anode to the source gas atmosphere, the cathode is exposed to the source gas atmosphere. The fuel cell power generator according to the invention may be used.

また、第9の発明として、前記原料ガス供給手段から供給される前記原料ガスと水蒸気とから前記燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器を備え、前記原料ガスを前記燃料生成器の内部で加湿する第8の発明の燃料電池発電装置としてもよい。   Further, as a ninth aspect of the invention, a fuel generator that generates fuel gas to be supplied to the fuel cell from the source gas and water vapor supplied from the source gas supply means is provided, and the source gas is supplied to the fuel generator. The fuel cell power generator according to the eighth aspect of the present invention may be humidified internally.

また、第10の発明として、前記燃料電池の内部に電解質膜を挟むアノードとカソードが配置され、前記カソードを前記原料ガスの雰囲気に曝した後、前記アノードを前記原料ガスの雰囲気に曝す第1の発明の燃料電池発電装置としてもよい。   According to a tenth aspect of the invention, an anode and a cathode sandwiching an electrolyte membrane are disposed inside the fuel cell, and the cathode is exposed to the source gas atmosphere, and then the anode is exposed to the source gas atmosphere. The fuel cell power generator according to the invention may be used.

また、第11の発明として、前記カソードに供給する、前記燃料ガスとの発電反応用の酸化剤ガスを加湿する加湿器を備え、前記原料ガスを前記加湿器で加湿する第10の発明の燃料電池発電装置としてもよい。   Further, as an eleventh aspect of the invention, a fuel according to the tenth aspect of the invention is provided with a humidifier that humidifies an oxidant gas for power generation reaction with the fuel gas supplied to the cathode, and the source gas is humidified by the humidifier. It is good also as a battery power generation device.

また、第12の発明として、前記燃料電池の内部に電解質膜を挟むアノードとカソードが配置され、前記カソードを前記原料ガスから分流する前記第一の原料ガスの雰囲気に曝すと共に、前記アノードを前記原料ガスから分流する前記第二の原料ガスの雰囲気に曝す第1の発明の燃料電池発電装置としてもよい。   According to a twelfth aspect of the invention, an anode and a cathode sandwiching an electrolyte membrane are disposed inside the fuel cell, and the cathode is exposed to an atmosphere of the first source gas that is diverted from the source gas, and the anode is The fuel cell power generator according to the first aspect of the present invention may be exposed to the atmosphere of the second source gas that is diverted from the source gas.

また、第13の発明として、前記原料ガス供給手段から供給される前記原料ガスと水蒸気とから前記燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器および前記カソードに供給する酸化剤ガスを加湿する加湿器を備え、前記第一の原料ガスを前記加湿器の内部で加湿し、前記第二の原料ガスを前記燃料生成器の内部で加湿する第12の発明の燃料電池発電装置としてもよい。   According to a thirteenth aspect of the invention, a fuel generator for generating fuel gas to be supplied to the fuel cell from the source gas and water vapor supplied from the source gas supply means, and an oxidant gas to be supplied to the cathode are humidified. A fuel cell power generator according to a twelfth aspect of the invention may further include a humidifier, wherein the first source gas is humidified inside the humidifier, and the second source gas is humidified inside the fuel generator.

また、第14の発明として、前記燃料電池の内部に電解質膜を備え、前記電解質膜の導電率に基づいて前記発電期間を開始させる第1の発明の燃料電池発電装置としてもよい。   Further, as a fourteenth aspect of the invention, the fuel cell power generation device according to the first aspect of the present invention may include an electrolyte membrane inside the fuel cell, and start the power generation period based on the conductivity of the electrolyte membrane.

また、第15の発明として、前記燃料電池の内部における所定の相対湿度に対応する前記電解質膜の導電率に基づいて前記発電期間を開始させる第14の発明の燃料電池発電装置としてもよい。   The fifteenth aspect of the invention may be the fuel cell power generation apparatus of the fourteenth aspect of the invention in which the power generation period is started based on the conductivity of the electrolyte membrane corresponding to a predetermined relative humidity inside the fuel cell.

(実施の形態9)
本発明の実施の形態9の燃料電池システムを、図24を参照しながら説明する。図24は、本実施の形態の燃料電池システムの構成図である。
(Embodiment 9)
A fuel cell system according to Embodiment 9 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 24 is a configuration diagram of the fuel cell system of the present embodiment.

燃料電池スタック201は、単電池(C1〜Cn)を複数個(n個)積層して構成されている。単電池は、水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記電解質膜を挟む一対の電極、及び前記一対の電極にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するガス流路を有する一対のセパレータ板からなる。   The fuel cell stack 201 is configured by stacking a plurality (n) of single cells (C1 to Cn). The unit cell includes a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, a pair of electrodes sandwiching the electrolyte membrane, and a pair of separator plates each having a gas flow path for supplying fuel gas and oxidant gas to the pair of electrodes.

燃料電池スタックにおける空気極側には、燃料電池スタックの電圧および内部抵抗に基づき酸化剤ガスの供給量を制御する酸化剤ガス制御装置202、酸化剤ガスを加湿する加湿部として全熱交換式加湿器209および温水式加湿器2010を設置した酸化剤ガス供給配管2013が接続されている。   On the air electrode side of the fuel cell stack, an oxidant gas control device 202 that controls the supply amount of the oxidant gas based on the voltage and internal resistance of the fuel cell stack, and a total heat exchange type humidification as a humidifier for humidifying the oxidant gas An oxidant gas supply pipe 2013 in which a vessel 209 and a hot water humidifier 2010 are installed is connected.

一方、燃料極側には、原料ガスから燃料ガスを生成する燃料生成器203および原料ガスを清浄化するガス清浄部208を設置した燃料ガス供給配管2012が接続されている。   On the other hand, the fuel electrode side is connected to a fuel gas supply pipe 2012 provided with a fuel generator 203 that generates fuel gas from the source gas and a gas cleaning unit 208 that cleans the source gas.

また、燃料ガス供給配管2012および酸化剤ガス供給配管2013には、ガスの流路を切り換える電磁弁2071〜2079が設置されている。燃料電池スタック1の集電板(図示せず)には電力回路部6が接続され、各単電池(C1〜Cn)の電圧は電圧検知装置204により検知され、単電池の内部抵抗は高周波抵抗計2011などの測定部により測定される。制御部205は、燃料電池スタック、燃料生成器、ガス清浄部、加湿部、電力回路部、および測定部を制御し、特に、検出された電圧および内部抵抗に基づいて電力回路部206において出力される電力量、燃料生成器203で生成する燃料ガス量、電磁弁2071〜2079における弁の開閉を制御する。   The fuel gas supply pipe 2012 and the oxidant gas supply pipe 2013 are provided with solenoid valves 2071 to 2079 for switching gas flow paths. A power circuit unit 6 is connected to a current collecting plate (not shown) of the fuel cell stack 1, the voltage of each cell (C1 to Cn) is detected by the voltage detector 204, and the internal resistance of the cell is a high frequency resistance. It is measured by a measuring unit such as 2011. The control unit 205 controls the fuel cell stack, the fuel generator, the gas cleaning unit, the humidification unit, the power circuit unit, and the measurement unit, and in particular, is output from the power circuit unit 206 based on the detected voltage and internal resistance. The amount of electric power generated, the amount of fuel gas generated by the fuel generator 203, and the opening / closing of the valves in the electromagnetic valves 2071 to 2079 are controlled.

次に、上述した本実施の形態の燃料電池システムの運転方法を表2および図25〜29を参照しながら説明する。表2は、本実施の形態の燃料電池システムの運転方法の工程(シーケンス)を示し、図25〜29は、それぞれ表2の各ステップにおける単電池の内部抵抗の平均値、燃料電池スタックの温度、発電電力、および単電池の電圧の平均値の推移を示す。なお、ここでは、単電池を70個積層した場合(n=70の場合)を示す。   Next, an operation method of the fuel cell system of the present embodiment described above will be described with reference to Table 2 and FIGS. Table 2 shows a process (sequence) of the operation method of the fuel cell system of the present embodiment, and FIGS. 25 to 29 respectively show the average value of the internal resistance of the unit cell and the temperature of the fuel cell stack in each step of Table 2. The transition of the average value of the generated power and the voltage of the unit cell is shown. Here, a case where 70 unit cells are stacked (when n = 70) is shown.

Figure 2006066106
Figure 2006066106

まず、通常運転時(ステップ1)では、空気極に加湿空気が供給され、燃料極に加湿改質ガス(SRG)が供給されて、発電が行われる。このとき、電池温度は70℃であり、各単電池の平均電圧は約0.75Vであり、発電電力は1kWである。   First, during normal operation (step 1), humidified air is supplied to the air electrode, and humidified reformed gas (SRG) is supplied to the fuel electrode to generate power. At this time, the battery temperature is 70 ° C., the average voltage of each unit cell is about 0.75 V, and the generated power is 1 kW.

この燃料電池システムの運転を停止する場合には、停止前に乾燥した不活性ガスを燃料電池スタックに供給し、単電池の内部抵抗を1.0Ω・cm2以上とする工程(1)を含む操作を行う。 When stopping the operation of the fuel cell system, the process includes a step (1) of supplying the inert gas dried before the stop to the fuel cell stack and setting the internal resistance of the unit cell to 1.0 Ω · cm 2 or more. Perform the operation.

この操作により、停止時において、電極内における局部電池の形成を抑制することができる。また、停止中に外部より酸素が混入した場合でも高分子電解質膜のプロトン伝導性が小さく反応性が低いため、空気極の酸化、空気極への不純物の吸着、および燃料極における触媒成分の溶出による電極の劣化を抑制することができる。   By this operation, the formation of the local battery in the electrode can be suppressed at the time of stopping. Even when oxygen is introduced from the outside during shutdown, the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane is low and the reactivity is low. Therefore, oxidation of the air electrode, adsorption of impurities to the air electrode, and elution of catalyst components at the fuel electrode It is possible to suppress electrode deterioration due to.

工程(1)における単電池の内部抵抗は、1.0〜3.0Ω・cm2であるのが好ましい。3.0Ω・cm2を超えると、停止時の乾燥と起動時の加湿とを繰り返した場合に、水分量の変化が大きくなり、高分子電解質膜の膨潤と収縮の繰り返しによる体積変化が大きくなり、電極が破損しやすくなる。 The internal resistance of the unit cell in step (1) is preferably 1.0 to 3.0 Ω · cm 2 . If it exceeds 3.0 Ω · cm 2 , the change in water content will increase and the volume change due to repeated swelling and shrinkage of the polymer electrolyte membrane will increase when drying at stop and humidification at startup are repeated. , The electrode is easily damaged.

まず、ステップ2では、空気極に供給するガスを乾燥した不活性ガスに切り替え、外部出力を停止する。このとき、電池電圧は徐々に低下し、単電池の平均電圧は約0.10〜0.15Vとなる。これは、空気極内部が不活性ガスに置換され、燃料極の水素が空気極に自然拡散することにより両極の電位が近づくためである。なお、通常の燃料電池の構成では空気極の流路体積と燃料極の流路体積はほぼ同じであり、水素と酸素が拡散し反応すると水素の方が過剰に存在するため、両極の電位は標準水素電極に対して0Vに近づく。   First, in step 2, the gas supplied to the air electrode is switched to a dry inert gas, and external output is stopped. At this time, the battery voltage gradually decreases, and the average voltage of the unit cells is about 0.10 to 0.15V. This is because the inside of the air electrode is replaced with an inert gas, and hydrogen in the fuel electrode naturally diffuses into the air electrode, so that the potentials of both electrodes approach each other. Note that in the configuration of a normal fuel cell, the flow volume of the air electrode and the flow volume of the fuel electrode are almost the same, and when hydrogen and oxygen diffuse and react, there is an excess of hydrogen. It approaches 0V with respect to the standard hydrogen electrode.

次に、ステップ3では、燃料電池スタックにおける単電池の内部抵抗が1.0Ω・cm2以上になるまで両極に乾燥した不活性ガスを供給する。ステップ2および3では、燃料電池スタックの温度は70℃に維持されている。 Next, in step 3, dry inert gas is supplied to both electrodes until the internal resistance of the unit cell in the fuel cell stack becomes 1.0 Ω · cm 2 or more. In steps 2 and 3, the temperature of the fuel cell stack is maintained at 70 ° C.

すなわち、表1では、上述した工程(1)は、ステップ3に相当する。   That is, in Table 1, step (1) described above corresponds to step 3.

燃料電池スタックにおける単電池の内部抵抗が1.0Ω・cm2以上であるステップ4では、燃料極および空気極のガス流路を封止し、ガスの流通を止め、電池温度を低下させ、運転を停止する。 In Step 4 where the internal resistance of the unit cell in the fuel cell stack is 1.0 Ω · cm 2 or more, the gas flow paths of the fuel electrode and the air electrode are sealed, the gas flow is stopped, the battery temperature is lowered, and the operation is performed. To stop.

燃料電池システムの運転を開始する場合は、発電開始前に燃料電池スタックに加湿した不活性ガスを供給し、単電池の内部抵抗を0.3Ω・cm2以下とする工程(2)を含む操作を行う。この操作により、起動時において、熱の発生による内部抵抗の増大を抑制できる。 When starting the operation of the fuel cell system, an operation including the step (2) of supplying a humidified inert gas to the fuel cell stack before starting the power generation and setting the internal resistance of the unit cell to 0.3 Ω · cm 2 or less. I do. By this operation, an increase in internal resistance due to heat generation can be suppressed during startup.

工程(2)における単電池の内部抵抗は0.1〜0.3Ω・cm2であるのが好ましい。運転時における単電池の内部抵抗は0.1Ω・cm2程度である。 The internal resistance of the unit cell in step (2) is preferably 0.1 to 0.3 Ω · cm 2 . The internal resistance of the cell during operation is about 0.1 Ω · cm 2 .

ステップ5では、燃料電池スタックを昇温しながら燃料電池スタックにおける単電池の内部抵抗が0.3Ω・cm2以下になるまで、加湿した不活性ガスを空気極および燃料極に供給する。このステップ5により、停止中に乾燥状態であった高分子電解質膜が加湿され燃料電池スタックが発電可能な状態に戻る。 In step 5, the humidified inert gas is supplied to the air electrode and the fuel electrode while the temperature of the fuel cell stack is increased until the internal resistance of the single cell in the fuel cell stack becomes 0.3 Ω · cm 2 or less. By this step 5, the polymer electrolyte membrane which was in a dry state during the stop is humidified, and the fuel cell stack returns to a state where power generation is possible.

すなわち、表1では、上述した工程(2)は、ステップ5に相当する。   That is, in Table 1, step (2) described above corresponds to step 5.

ステップ6では、燃料極に供給するガスを加湿した改質ガス(SRG)に切り替え、単電池の平均電圧が約0.10〜0.15Vの状態でしばらく運転する。このとき、自然拡散により水素が燃料極から空気極に移動することにより、電極触媒が還元・清浄化される。   In step 6, the gas supplied to the fuel electrode is switched to humidified reformed gas (SRG), and the unit cell is operated for a while with the average voltage of the cell being about 0.10 to 0.15V. At this time, hydrogen moves from the fuel electrode to the air electrode by natural diffusion, whereby the electrode catalyst is reduced and cleaned.

そして、ステップ7では、空気極に供給するガスを加湿空気に切り替え、1kWの発電を行う。   In step 7, the gas supplied to the air electrode is switched to humidified air to generate 1 kW of power.

上記の方法で運転した場合、運転の起動・停止の繰り返しによる燃料電池スタックの劣化を抑制することができる。   When operated by the above method, it is possible to suppress deterioration of the fuel cell stack due to repeated start / stop of operation.

上記で用いられる不活性ガスとして、ガス清浄部208で清浄化された原料ガスを用いることができる。例えば、原料ガスとしてメタンやプロパンなどを含む都市ガスを用いる場合は、不純物として都市ガス中に含まれる付臭剤(S成分)を除去し、清浄化したものが不活性ガスとして用いられる。なお、この不純物の除去は、触媒層中に含まれるPtの被毒を防止するために行われる。   As the inert gas used above, the raw material gas cleaned by the gas cleaning unit 208 can be used. For example, when a city gas containing methane, propane, or the like is used as a source gas, a purified gas obtained by removing an odorant (S component) contained in the city gas as an impurity is used as an inert gas. This removal of impurities is performed to prevent poisoning of Pt contained in the catalyst layer.

ステップ2および3で用いられる乾燥した不活性ガスとしては、例えば、ガス清浄部208を経由し、燃料生成器203の間に設けられたバイパス203bを通過した原料ガスが用いられる。   As the dry inert gas used in Steps 2 and 3, for example, the raw material gas that has passed through the bypass 203b provided between the fuel generators 203 via the gas cleaning unit 208 is used.

また、ステップ5および6で用いられる加湿した不活性ガスには、例えば、ガス清浄部208を経由し、300℃以下の燃料生成器203を通過した原料ガスが用いられる。燃料生成器203の温度が300℃以下の場合は、原料ガスは水素含有ガスに改質されずに、原料ガスの加湿のみが行われる。   The humidified inert gas used in steps 5 and 6 is, for example, a raw material gas that has passed through the fuel generator 203 at 300 ° C. or lower via the gas cleaning unit 208. When the temperature of the fuel generator 203 is 300 ° C. or lower, the raw material gas is not reformed into a hydrogen-containing gas, and only the raw material gas is humidified.

また、加湿した不活性ガスには、例えば、ガス清浄部208を経由した後、燃料ガス供給管と空気供給管とを連結する連結管2012aを通過した原料ガスが、燃料生成器203で発生した熱と水を用いて、温水式加湿器2010にて加湿されたものを用いることができる。   In addition, in the humidified inert gas, for example, the raw material gas that has passed through the connecting pipe 2012a that connects the fuel gas supply pipe and the air supply pipe after being passed through the gas cleaning unit 208 is generated in the fuel generator 203. What was humidified with the hot water humidifier 2010 using heat and water can be used.

また、不活性ガスとして燃料電池スタック201に供給された上記の原料ガスは、燃料生成器203の燃焼用燃料として再利用することができる。   Further, the raw material gas supplied to the fuel cell stack 201 as an inert gas can be reused as a combustion fuel in the fuel generator 203.

このように原料ガスを不活性ガスとして利用することができるため、窒素ガスボンベ等の不活性ガスを供給する装置を別途設ける必要がなくてすむ。したがって、燃料電池システムを複雑にすることなくコストをかけずに、容易に燃料電池スタックの劣化を抑制することができる。   Since the source gas can be used as the inert gas in this way, it is not necessary to separately provide an apparatus for supplying an inert gas such as a nitrogen gas cylinder. Therefore, deterioration of the fuel cell stack can be easily suppressed without complicating the fuel cell system and without cost.

以下に、本発明の実施例を具体的に説明するが、本発明はそれらのみに限定されない。   Examples of the present invention will be specifically described below, but the present invention is not limited to them.

(実施例)
以下に示す方法により図29に示す構成の燃料電池スタックを作製した。図29は、燃料電池スタックの一部を示す概略縦断面図である。
(1)膜・電極接合体の作製
炭素粉末としてアセチレンブラック(電気化学工業(株)製のデンカブラック、粒径35nm)を、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の水性ディスパージョン(ダイキン工業(株)製のD1)と混合し、乾燥重量としてPTFEを20重量%含む撥水インクを得た。このインクを、ガス拡散層用基材としてカーボンペーパー(東レ(株)製のTGPH060H)の上に塗布して含浸させた後、熱風乾燥機により300℃で熱処理し、厚さ約200μmのガス拡散層2023a、2023bを得た。
(Example)
A fuel cell stack having the configuration shown in FIG. 29 was produced by the following method. FIG. 29 is a schematic longitudinal sectional view showing a part of the fuel cell stack.
(1) Production of membrane / electrode assembly Acetylene black (Denka Black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., particle size: 35 nm) as carbon powder and aqueous dispersion of polytetrafluoroethylene (PTFE) (Daikin Kogyo Co., Ltd.) A water repellent ink containing 20% by weight of PTFE as a dry weight was obtained by mixing with D1). This ink was applied and impregnated on carbon paper (TGPH060H manufactured by Toray Industries, Inc.) as a base material for a gas diffusion layer, and then heat-treated at 300 ° C. with a hot air dryer, and a gas diffusion having a thickness of about 200 μm. Layers 2023a and 2023b were obtained.

一方、炭素粉末としてケッチェンブラック(ケッチェンブラックインターナショナル(株)製のKetjen Black EC、粒径30nm)上に触媒としてPtを担持し、50重量%のPtを含む触媒粉末を得た。この触媒粉末と、水素イオン伝導性高分子電解質かつ結着剤であるパーフルオロカーボンスルホン酸アイオノマー(米国Aldrich社製、5重量%Nafion分散液)とを乾燥重量で重量比2:1の割合で混合し、この混合物を成形して厚さ10〜20μmの触媒層2022a、2022bを形成した。   On the other hand, Pt was supported as a catalyst on Ketjen Black (Ketjen Black EC manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd., particle size 30 nm) as carbon powder to obtain a catalyst powder containing 50% by weight of Pt. This catalyst powder was mixed with hydrogen ion conductive polymer electrolyte and binder perfluorocarbon sulfonic acid ionomer (Aldrich, USA, 5 wt% Nafion dispersion) in a weight ratio of 2: 1. The mixture was molded to form catalyst layers 2022a and 2022b having a thickness of 10 to 20 μm.

上記で得られた触媒層2022a、2022bおよびガス拡散層2023a、2023bを、水素イオン伝導性高分子電解質膜21(米国DuPont社製、Nafion112膜)の両面に接合した。そして、高分子電解質膜21と、高分子電解質膜21を挟む、触媒層2022aおよびガス拡散層2023aからなるアノード2024a、ならびに触媒層2022bおよびガス拡散層2023bからなるカソード2024bとで構成される膜・電極接合体(以下、MEAと表す)2027を得た。   The catalyst layers 2022a and 2022b and the gas diffusion layers 2023a and 2023b obtained above were bonded to both surfaces of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane 21 (manufactured by DuPont, Nafion 112 membrane). The membrane is composed of the polymer electrolyte membrane 21, the anode 2024a composed of the catalyst layer 2022a and the gas diffusion layer 2023a, and the cathode 2024b composed of the catalyst layer 2022b and the gas diffusion layer 2023b, which sandwich the polymer electrolyte membrane 21. An electrode assembly (hereinafter referred to as MEA) 2027 was obtained.

このとき、MEA2027における高分子電解質膜2021の外周縁部に、ゴム製のガスケット2025を接合した。ガスケット2025には、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却水が流通するマニホールド穴を形成した。
(2)燃料電池スタックの組み立て
アノード2024aに燃料ガスを供給する深さ0.5mmのガス流路2028aを有するアノード側セパレータ板2026aと、カソード2024bに酸化剤ガスを供給する深さ0.5mmのガス流路2028bを有するカソード側セパレータ板2026bとを準備した。セパレータ板2026aおよび2026bには、いずれも外寸20cm×32cm×1.3mmの、フェノール樹脂を含浸させた黒鉛板を用いた。また、ガス流路を有する面と反対側の面には、深さ0.5mmの冷却水流路2029が形成されている。
At this time, a rubber gasket 2025 was joined to the outer peripheral edge portion of the polymer electrolyte membrane 2021 in the MEA 2027. The gasket 2025 has a manifold hole through which fuel gas, oxidant gas, and cooling water flow.
(2) Assembly of fuel cell stack An anode side separator plate 2026a having a gas flow path 2028a having a depth of 0.5 mm for supplying fuel gas to the anode 2024a, and a depth of 0.5 mm for supplying oxidant gas to the cathode 2024b A cathode separator plate 2026b having a gas flow path 2028b was prepared. As the separator plates 2026a and 2026b, graphite plates impregnated with a phenol resin having an outer size of 20 cm × 32 cm × 1.3 mm were used. Further, a cooling water channel 2029 having a depth of 0.5 mm is formed on the surface opposite to the surface having the gas channel.

アノード側セパレータ板2026aのガス流路2028aを有する面をMEA2027におけるアノード2024aの面に重ね合わせ、さらにカソード側セパレータ板2026bのガス流路2028bを有する面をMEA2027のカソード2024bの面に重ね合わせ、単電池を得た。この単電池を70個積層し、電池積層体を得た。この時、セパレータ2026aの冷却水流路2029を有する面と、セパレータ2026bの冷却水流路2029を有する面とが重ね合わせられることにより、単セル毎に冷却部が形成された。また、セパレータ板の冷却部を有する面には、冷却水の外部への流出を防止するため、冷却水流路の周りを囲むようにゴム製のシール部2030が設けられた。   The surface of the anode separator plate 2026a having the gas flow path 2028a is superimposed on the surface of the anode 2024a in the MEA 2027, and the surface of the cathode separator plate 2026b having the gas flow path 2028b is superimposed on the surface of the cathode 2024b of the MEA 2027. A battery was obtained. 70 unit cells were stacked to obtain a battery stack. At this time, the surface of the separator 2026a having the cooling water flow path 2029 and the surface of the separator 2026b having the cooling water flow path 2029 were overlapped to form a cooling unit for each single cell. In addition, a rubber seal portion 2030 is provided on the surface of the separator plate having the cooling portion so as to surround the cooling water flow path in order to prevent the cooling water from flowing out.

そして、この電池積層体の両端に、ステンレス鋼製の集電板と、電気絶縁材料からなる絶縁板および端板とを配し、全体を締結ロッドで固定し、燃料電池スタックを作製した。この時の、締結圧はセパレータ板の面積当たり15kgf/cm2とした。 Then, a stainless steel current collector plate, an insulating plate made of an electrically insulating material, and an end plate were disposed at both ends of the battery stack, and the whole was fixed with a fastening rod, thereby producing a fuel cell stack. The fastening pressure at this time was 15 kgf / cm 2 per area of the separator plate.

[燃料電池システムの評価]
そして、上記で得られた燃料電池スタック201を上述した図24と同様の構成の燃料電池システムに接続し、上述した表2と同様の工程で以下に示すような運転試験を行った。
[Evaluation of fuel cell system]
Then, the fuel cell stack 201 obtained above was connected to the fuel cell system having the same configuration as in FIG. 24 described above, and the following operation test was performed in the same process as in Table 2 described above.

ステップ1として、上記で得られた燃料電池システムにおける燃料ガス供給管および酸化剤ガス供給管に、それぞれ原料ガスとしての13Aガスおよび酸化剤ガスとしての空気を供給した。このとき、燃料電池スタックにおける電池温度を70℃、燃料ガス利用率(Uf)を70%、空気利用率(Uo)を40%とした。なお、燃料ガスおよび空気は、それぞれ65℃および70℃の露点を有するように加湿した。パージ用のガスとしてはガス清浄部8を通過した13Aガスを用いた。   As Step 1, 13A gas as source gas and air as oxidant gas were supplied to the fuel gas supply pipe and oxidant gas supply pipe in the fuel cell system obtained above. At this time, the cell temperature in the fuel cell stack was 70 ° C., the fuel gas utilization rate (Uf) was 70%, and the air utilization rate (Uo) was 40%. The fuel gas and air were humidified so as to have dew points of 65 ° C. and 70 ° C., respectively. As the purge gas, 13A gas that passed through the gas cleaning unit 8 was used.

そして、上述した表2におけるステップ1〜6の時間を、それぞれステップ1:80分、ステップ2:20分、ステップ3:30分、ステップ4:48時間、ステップ5:30分、およびステップ6:20分として、ステップ1〜6を100サイクル行った。なお、運転試験は室温(27℃)で行った(実験番号1)。   Then, the times of Steps 1 to 6 in Table 2 described above are respectively set to Step 1:80 minutes, Step 2:20 minutes, Step 3:30 minutes, Step 4:48 hours, Step 5:30 minutes, and Step 6: Steps 1-6 were performed 100 cycles for 20 minutes. The operation test was performed at room temperature (27 ° C.) (Experiment No. 1).

なお、乾燥した不活性ガスには、ガス清浄部で清浄化された原料ガスを用いた。また、加湿した不活性ガスには、300℃以下の燃料生成器を通過した原料ガスを用いた。   In addition, the raw material gas cleaned in the gas purification part was used for the dry inert gas. Moreover, the raw material gas which passed the fuel generator below 300 degreeC was used for the humidified inert gas.

ステップ1〜6の時間を表3に示す条件に変えた以外は、上記実験番号1と同様にして運転試験を行った。   An operation test was performed in the same manner as in Experiment No. 1 except that the time of Steps 1 to 6 was changed to the conditions shown in Table 3.

Figure 2006066106
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通常運転時(ステップ1)では、実施番号1〜12のいずれの場合も、単電池の内部抵抗は、0.1Ω・cm2であった。 During normal operation (step 1), the internal resistance of the unit cell was 0.1 Ω · cm 2 in any of the execution numbers 1 to 12.

まず、ステップ3の時間を変えた実施番号1、2、6〜8における運転試験の結果を表3に示す。なお、表4中の内部抵抗は、ステップ3および5の終了時点における各単電池の内部抵抗の平均値を示す。また、劣化率は、起動と停止を交互に繰り返したときの1サイクル(ステップ1〜6)当たりの各単電池の電圧の低下分の平均値を示す。   First, Table 3 shows the results of the operation test in execution numbers 1, 2, and 6 to 8 in which the time of step 3 is changed. In addition, the internal resistance in Table 4 shows the average value of the internal resistance of each unit cell at the end of Steps 3 and 5. Moreover, a deterioration rate shows the average value of the fall of the voltage of each single cell per cycle (steps 1-6) when starting and a stop are repeated alternately.

Figure 2006066106
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ステップ3の時間が異なるこれらの条件では、運転停止中の内部抵抗が異なる結果が得られた。   Under these conditions where the time of step 3 is different, different results were obtained for internal resistance during shutdown.

ここで、燃料電池スタックの発電電力が、一般の大型発電所の電力に対してランニングコストとしてメリットを有するには、起動停止の繰り返しに伴う劣化、すなわち電圧低下が約4000サイクルで80mV以下、すなわち20μV/サイクル以下であることが許容範囲とされている。停止時の内部抵抗が1.0〜3.0Ω・cm2である実施番号1および2では、燃料電池スタックの電圧低下が抑制された。 Here, in order for the generated power of the fuel cell stack to have a merit as a running cost with respect to the power of a general large power plant, deterioration due to repeated start and stop, that is, the voltage drop is about 80 mV or less in about 4000 cycles, that is, The allowable range is 20 μV / cycle or less. In execution numbers 1 and 2 in which the internal resistance at the time of stop was 1.0 to 3.0 Ω · cm 2 , the voltage drop of the fuel cell stack was suppressed.

これに対して、停止時の内部抵抗が1.0Ω・cm2以下である実験番号6および7では、電圧低下が大きくなった。これは、停止時の乾燥状態が不十分なため、電極内部での加湿水による細孔閉塞が起こり、局部電池が形成され、電極が劣化したためと考えられる。また、停止時の内部抵抗が10Ω・cm2の実験番号8では、大幅に電圧が低下した。
これは、停止時の乾燥と起動時の加湿との繰り返しによる水分量の変化が大きすぎるため、高分子電解質膜の膨潤と収縮の繰り返しによる体積変化が大きくなり、電極が破損したためであると考えられる。
On the other hand, in Experiment Nos. 6 and 7 in which the internal resistance at the time of stop was 1.0 Ω · cm 2 or less, the voltage drop was large. This is presumably because the dry state at the time of stoppage was insufficient, so that pores were clogged by humidified water inside the electrode, a local battery was formed, and the electrode was deteriorated. In Experiment No. 8 where the internal resistance at the time of stop was 10 Ω · cm 2 , the voltage was significantly reduced.
This is thought to be because the volume change due to repeated swelling and shrinkage of the polymer electrolyte membrane was large and the electrode was damaged because the change in the amount of water due to repeated drying at stop and humidification at startup was too large. It is done.

次に、実施番号1、3、9および10の運転試験の結果を表5に示す。   Next, Table 5 shows the results of the operation tests of execution numbers 1, 3, 9 and 10.

Figure 2006066106
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ステップ5での昇温・湿潤時間が異なるこれらの条件では、起動時の内部抵抗値が異なる結果が得られた。起動時の内部抵抗が0.3Ω・cm2以下である実施番号1および3では、電圧の低下が抑制された。 Under these conditions in which the temperature raising / wetting time in Step 5 was different, the results of different internal resistance values at the start were obtained. In implementation numbers 1 and 3 in which the internal resistance at startup was 0.3 Ω · cm 2 or less, the voltage drop was suppressed.

これに対して、起動時の内部抵抗が0.3を超える実験番号9および10では、電圧低下が大きかった。これは、起動時の内部抵抗が高い状態で発電を開始することにより、高分子電解質膜のプロトン伝導性が低く、反応抵抗が大きくなり、高分子電解質膜が劣化したためと考えられる。   On the other hand, in the experiment numbers 9 and 10 in which the internal resistance at the start exceeds 0.3, the voltage drop was large. This is considered to be because the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane is low, the reaction resistance is increased, and the polymer electrolyte membrane is deteriorated by starting power generation with a high internal resistance at the time of startup.

次に、実施番号1、2、4〜8、11、および12の運転試験の結果を表6に示す。   Next, Table 6 shows the results of the operation test of execution numbers 1, 2, 4 to 8, 11, and 12.

Figure 2006066106
Figure 2006066106

実施番号1および4、ならびに実験番号2および5は、ステップ4の停止時間が異なる
が、停止時間の長さにかかわらず、電圧低下が小さく、燃料電池スタックの劣化が抑制された。
Run numbers 1 and 4 and experiment numbers 2 and 5 differed in the stop time of step 4, but the voltage drop was small regardless of the length of the stop time, and the deterioration of the fuel cell stack was suppressed.

これに対して、実験番号6および11、ならびに実験番号7および12では、停止時間が長く、実験番号11および12の方が電圧低下が大きくなった。これは、これらのステップ3の乾燥条件では、停止前の乾燥が不十分であり、電極内部で局部電池が形成され、停止時間が長いほど電極の劣化が進行したためと考えられる。   In contrast, in Experiment Nos. 6 and 11 and Experiment Nos. 7 and 12, the stop time was longer, and in Experiment Nos. 11 and 12, the voltage drop was larger. This is presumably because, under these drying conditions in Step 3, the drying before the stop was insufficient, a local battery was formed inside the electrode, and the deterioration of the electrode progressed as the stop time increased.

なお、本実施例では、高分子電解質膜としてNafion112を用いたが、高分子電解質膜として用いられる他の材料においても同様の効果が得られた。また、本実施例では、試験温度を27℃の室温としたが、これ以外の温度でも、例えば参考文献1(Handbook of Fuel Cell,vol.3,p567,Fundamentals,Technology and Applications)記載のNafion112の導電性のアレニウスプロットより本発明に係る有効な内部抵抗の範囲は算出することができる。   In this example, Nafion 112 was used as the polymer electrolyte membrane, but the same effect was obtained with other materials used as the polymer electrolyte membrane. Further, in this example, the test temperature was set to room temperature of 27 ° C. However, even at other temperatures, for example, Reference 1 (Handbook of Fuel Cell, vol. 3, p567, Fundamentals, Technology and Applications) described in Nafion 112 The effective internal resistance range according to the present invention can be calculated from the conductive Arrhenius plot.

また、以上の実施の形態9は、以下のような発明の実施の形態にも相当するものとしてもよい。すなわち、第1の発明として、水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記電解質膜を挟む一対の電極、および前記一対の電極にそれぞれ燃料ガスと酸化剤ガスとを供給する流路を有する一対のセパレータ板からなる単電池を複数個積層した燃料電池スタック;
原料ガスから前記燃料ガスを生成する燃料生成器;
前記原料ガスを清浄化するガス清浄部;
前記酸化剤ガスを加湿する加湿部;
前記燃料電池スタックから電力を取り出す電力回路部;
前記単電池の電圧および抵抗を測定する測定部;ならびに
前記燃料電池スタック、燃料生成器、ガス清浄部、加湿部、電力回路部および測定部を制御する制御部を具備し、
前記燃料電池システムの運転停止時における前記単電池の内部抵抗が1.0Ω・cm2以上であることを特徴とする燃料電池システムとしてもよい。
The ninth embodiment may correspond to the following embodiment of the invention. That is, as a first invention, a pair of separators having a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, a pair of electrodes sandwiching the electrolyte membrane, and a flow path for supplying fuel gas and oxidant gas to the pair of electrodes, respectively A fuel cell stack in which a plurality of single cells made of plates are stacked;
A fuel generator for generating the fuel gas from the raw material gas;
A gas cleaning unit for cleaning the source gas;
A humidifying section for humidifying the oxidant gas;
A power circuit unit for extracting power from the fuel cell stack;
A measurement unit that measures the voltage and resistance of the unit cell; and a control unit that controls the fuel cell stack, a fuel generator, a gas cleaning unit, a humidification unit, a power circuit unit, and a measurement unit,
The fuel cell system may have an internal resistance of 1.0 Ω · cm 2 or more when the operation of the fuel cell system is stopped.

また、第2の発明として、前記測定部が高周波抵抗計を備えた第1記載の燃料電池システムとしてもよい。   As a second invention, the measurement unit may be the fuel cell system according to the first aspect provided with a high frequency resistance meter.

また、第3の発明として、前記制御部が、前記燃料電池システムの運転を停止する前に、前記運転の温度を維持した状態で、乾燥した不活性ガスを前記燃料電池スタックに供給することにより、前記単電池の内部抵抗を1.0Ω・cm2以上に制御する第1の発明の燃料電池システムとしてもよい。 According to a third aspect of the present invention, the control unit supplies dry inert gas to the fuel cell stack while maintaining the temperature of the operation before stopping the operation of the fuel cell system. The fuel cell system according to the first aspect of the present invention may control the internal resistance of the unit cell to 1.0 Ω · cm 2 or more.

また、第4の発明として、前記制御部が、前記運転の温度を維持した状態で、乾燥した不活性ガスを前記燃料電池スタックに供給する第3の発明の燃料電池システムとしてもよい。   As a fourth invention, the control unit may be a fuel cell system according to a third invention that supplies a dry inert gas to the fuel cell stack while maintaining the temperature of the operation.

また、第5の発明として、前記制御部が、前記燃料電池システムの運転を開始する前に、前記燃料電池スタックに加湿した不活性ガスを供給することにより、前記単電池の内部抵抗を0.3Ω・cm2以下に制御する第1の発明の燃料電池システムとしてもよい。 As a fifth aspect of the invention, the control unit supplies the humidified inert gas to the fuel cell stack before starting the operation of the fuel cell system, thereby reducing the internal resistance of the unit cell to 0. The fuel cell system of the first invention may be controlled to 3 Ω · cm 2 or less.

また、第6の発明として、前記不活性ガスが、前記ガス清浄部で浄化された原料ガスである第3〜5のいずれかの発明の燃料電池システムとしてもよい。   Further, as a sixth invention, the fuel cell system according to any one of the third to fifth inventions, wherein the inert gas is a raw material gas purified by the gas cleaning unit.

また、第7の発明として、前記不活性ガスが、起動時の前記燃料生成器において300℃以下の温度下で発生する加湿した原料ガスである第5の発明の燃料電池システムとしてもよい。   As a seventh invention, the fuel cell system according to the fifth invention may be configured such that the inert gas is a humidified raw material gas generated at a temperature of 300 ° C. or lower in the fuel generator at the time of startup.

また、第8の発明として、前記不活性ガスが、起動時の前記燃料生成器で発生する熱と水を用いて、前記加湿部において加湿した原料ガスである第5の発明の燃料電池システムとしてもよい。   According to an eighth aspect of the invention, there is provided the fuel cell system according to the fifth aspect, wherein the inert gas is a raw material gas humidified in the humidifying section using heat and water generated in the fuel generator at the time of startup. Also good.

また、第9の発明として、前記原料ガスが、前記燃料電池スタックに供給された後、前記燃料生成器の燃焼用燃料として利用される第6〜8のいずれかの発明の燃料電池システムとしてもよい。   Further, as a ninth invention, the fuel cell system according to any one of the sixth to eighth inventions is used as a fuel for combustion of the fuel generator after the source gas is supplied to the fuel cell stack. Good.

また、第10の発明として、水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記電解質膜を挟む一対の電極、および前記一対の電極にそれぞれ燃料ガスと酸化剤ガスとを供給するガス流路を有する一対のセパレータ板からなる単電池を複数個積層した燃料電池スタックを具備した燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池システムの運転を停止する前に、乾燥した不活性ガスを前記燃料電池スタックに供給し、前記単電池の内部抵抗を1.0Ω・cm2以上とする工程(1)を含むことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
Further, as a tenth invention, a pair of hydrogen ion conductive polymer electrolyte membranes, a pair of electrodes sandwiching the electrolyte membrane, and a pair of gas flow paths for supplying fuel gas and oxidant gas to the pair of electrodes, respectively. A method of operating a fuel cell system comprising a fuel cell stack in which a plurality of single cells made of separator plates are laminated,
Before stopping the operation of the fuel cell system, including a step (1) of supplying a dry inert gas to the fuel cell stack so that the internal resistance of the unit cell is 1.0 Ω · cm 2 or more. A method of operating a fuel cell system characterized by the above.

また、第11の発明として、前記工程(1)において、前記燃料電池スタックを運転温度に維持する第10の発明の燃料電池システムの運転方法としてもよい。   As an eleventh aspect of the invention, in the step (1), the fuel cell system may be operated at the operating temperature in the tenth aspect of the invention.

また、第12の発明として、前記燃料電池システムの運転を開始する前に、前記燃料電池スタックに加湿した不活性ガスを供給し、前記単電池の内部抵抗を0.3Ω・cm2以下とする工程(2)を含む第10の発明の燃料電池システムの運転方法としてもよい。 As a twelfth aspect of the invention, before starting the operation of the fuel cell system, humidified inert gas is supplied to the fuel cell stack so that the internal resistance of the unit cell is 0.3 Ω · cm 2 or less. A method for operating the fuel cell system according to the tenth aspect including the step (2) may be employed.

また、第13の発明として、原料ガスを清浄化する工程(3)を含み、前記工程(1)および(2)において、前記浄化された原料ガスを前記不活性ガスとして用いる第10または12の発明の燃料電池システムの運転方法としてもよい。   The thirteenth invention includes a step (3) for purifying the source gas, and in the steps (1) and (2), the purified source gas is used as the inert gas in the tenth or twelfth aspect. It is good also as the operating method of the fuel cell system of invention.

また、第14の発明として、原料ガスから前記燃料ガスを生成する工程(4)および原料ガスを加湿する工程(5)を含み、前記工程(2)において、前記加湿した原料ガスを前記不活性ガスとして用いる第12の発明の燃料電池システムの運転方法としてもよい。   The fourteenth invention includes a step (4) of generating the fuel gas from a source gas and a step (5) of humidifying the source gas. In the step (2), the humidified source gas is converted into the inert gas. It is good also as an operating method of the fuel cell system of the 12th invention used as gas.

また、第15の発明として、前記工程(4)において発生する熱と水を用いて、前記工程(5)において原料ガスを加湿する第14の発明の燃料電池システムの運転方法としてもよい。   The fifteenth aspect of the invention may be the operating method of the fuel cell system of the fourteenth aspect of the invention in which the heat and water generated in the step (4) are used to humidify the source gas in the step (5).

(実施の形態10)
はじめに、図30〜32を主として参照しながら、本実施の形態の燃料電池発電装置の構成について説明する。
(Embodiment 10)
First, the configuration of the fuel cell power generator according to the present embodiment will be described with reference mainly to FIGS.

図30は、本発明の実施の形態10における燃料電池の中でも高分子電解質型燃料電池(以降、PEFCと称する)の基本構成を示している。   FIG. 30 shows a basic configuration of a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as PEFC) among the fuel cells according to Embodiment 10 of the present invention.

燃料電池は、水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスをガス拡散電極によって電気化学的に反応させるもので、電気と熱とを同時に発生させるものである。   In a fuel cell, a fuel gas such as hydrogen and an oxidant gas such as air are electrochemically reacted by a gas diffusion electrode, and electricity and heat are generated simultaneously.

水素などの燃料ガスの関与する側をアノードと呼び、関連する手段の符号にaを付け、空気などの酸化剤ガスの関与する側をカソードと呼び、関連する手段の符号にcを付けた。   The side involving a fuel gas such as hydrogen is referred to as the anode, and the sign of the related means is a, the side involving the oxidant gas such as air is called the cathode, and the sign of the related means is c.

301は電解質であり、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜等が利用させる。電解質1(以降、膜と称することもある)の両面には、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層302a、302cを密着して配置してある。この触媒反応層で前述の(化1)と(化2)に示す反応が発生する。   Reference numeral 301 denotes an electrolyte, which is used by a polymer electrolyte membrane or the like that selectively transports hydrogen ions. Catalytic reaction layers 302a and 302c mainly composed of carbon powder carrying a platinum-based metal catalyst are disposed in close contact with both surfaces of the electrolyte 1 (hereinafter also referred to as a membrane). In the catalytic reaction layer, the reactions shown in the above (Chemical Formula 1) and (Chemical Formula 2) occur.

少なくとも水素を含む燃料ガス(以降、アノードガスと称する)は(化1)に示す反応(以降、アノード反応と称する)を行う。   The fuel gas containing at least hydrogen (hereinafter referred to as anode gas) performs the reaction shown in (Chemical Formula 1) (hereinafter referred to as anode reaction).

電解質1を介して移動した水素イオンは、酸化剤ガス(以降、カソードガスと称する)と触媒反応層302cで(化2)に示す反応(以降、カソード反応と称する)を行い、水を生成し、このとき電気と熱を生ずる。   The hydrogen ions moved through the electrolyte 1 undergo a reaction shown in (Chemical Formula 2) (hereinafter referred to as a cathode reaction) in an oxidant gas (hereinafter referred to as a cathode gas) and a catalytic reaction layer 302c to generate water. At this time, electricity and heat are generated.

さらに触媒反応層302a、302cの外面には、ガス通気性と導電性を兼ね備えた拡散層303a、303cをこれに密着して配置する。この拡散層303a、303cと触媒反応層302a、302cにより電極304a、304cを構成する。   Furthermore, diffusion layers 303a and 303c having both gas permeability and conductivity are disposed in close contact with the outer surfaces of the catalyst reaction layers 302a and 302c. The diffusion layers 303a and 303c and the catalyst reaction layers 302a and 302c constitute electrodes 304a and 304c.

305は膜電極接合体(以降、MEAと称する)であり、電極304a、304cと電解質301とで形成している。   Reference numeral 305 denotes a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as MEA), which is formed by electrodes 304 a and 304 c and an electrolyte 301.

MEA305を機械的に固定するとともに、隣接するMEA305同士を互いに電気的に直列に接続し、さらに電極に反応ガスを供給し、かつ反応により発生したガスや余剰のガスを運び去るためのガス流路306a、306cをMEA5に接する面に形成した一対の導電性のセパレータ307a、307cを、配置する。   A gas flow path for mechanically fixing the MEA 305, electrically connecting adjacent MEAs 305 to each other in series, supplying a reactive gas to the electrode, and carrying away a gas generated by the reaction or surplus gas A pair of conductive separators 307a and 307c formed on the surface in contact with the MEA 5 with 306a and 306c are disposed.

膜301と、1対の触媒反応層302a、302cと、一対の拡散層303a、303cと、一対の電極304a、304cと、一対のセパレータ307a、307cで基本の燃料電池(以降、セルと称する)を形成する。   A basic fuel cell (hereinafter referred to as a cell) includes a membrane 301, a pair of catalytic reaction layers 302a and 302c, a pair of diffusion layers 303a and 303c, a pair of electrodes 304a and 304c, and a pair of separators 307a and 307c. Form.

セパレータ307a、307cにはMEA305とは反対の面に、隣のセルのセパレータ307cまたはセパレータ307aが接する。   The separators 307a and 307c are in contact with the separator 307c or the separator 307a of the adjacent cell on the surface opposite to the MEA 305.

308a、308cはセパレータ307a、307c同士が接する側に設けられた冷却水通路であり、ここに冷却水が流れる。冷却水はセパレータ307a、307cを介してMEA305の温度を調整するように熱を移動させる。   308a and 308c are cooling water passages provided on the side where the separators 307a and 307c are in contact with each other, and the cooling water flows there. The cooling water moves heat so as to adjust the temperature of the MEA 305 through the separators 307a and 307c.

309はMEA305とセパレータ307a、307cを封止するMEAガスケットである。   Reference numeral 309 denotes an MEA gasket that seals the MEA 305 and the separators 307a and 307c.

膜301は固定電荷を有しており、固定電荷の対イオンとして水素イオンが存在している。膜301には水素イオンを選択的に透過させる機能が求められるが、そのためには膜301が水分を保持していることが必要である。膜301が水分を含むことにより、膜301内に固定されている固定電荷が電離し、固定電荷の対イオンである水素がイオン化し、移動できるようになるからである。   The membrane 301 has a fixed charge, and hydrogen ions exist as a counter ion of the fixed charge. The membrane 301 is required to have a function of selectively permeating hydrogen ions. For this purpose, the membrane 301 needs to retain moisture. This is because when the film 301 contains moisture, the fixed charge fixed in the film 301 is ionized, and hydrogen, which is a counter ion of the fixed charge, is ionized and can move.

図31は、セルを積層したスタックの斜視図である。   FIG. 31 is a perspective view of a stack in which cells are stacked.

燃料電池セルの電圧は通常0.75V程度と低いために、セルを直列に複数個積層し、高電圧と成るようにしている。   Since the voltage of the fuel battery cell is usually as low as about 0.75 V, a plurality of cells are stacked in series so as to obtain a high voltage.

3021はスタックから外部に電流を取り出すための集電板であり、3022はセルと外部を電気的に絶縁するための絶縁板である。3023はセルを積層したスタックを締結し、機械的に保持する端板である。   Reference numeral 3021 denotes a current collecting plate for taking out current from the stack, and reference numeral 3022 denotes an insulating plate for electrically insulating the cell from the outside. Reference numeral 3023 denotes an end plate that fastens and mechanically holds a stack of stacked cells.

図32は、本発明の実施の形態1の燃料電池発電装置を表す図である。   FIG. 32 is a diagram illustrating the fuel cell power generator according to Embodiment 1 of the present invention.

3031は燃料電池システムの外筐体である。   Reference numeral 3031 denotes an outer casing of the fuel cell system.

3032は燃料ガスから燃料電池に悪影響を与える物質を除去する清浄部であり、原料ガス配管から燃料ガスを導く。   A cleaning unit 3032 removes substances that adversely affect the fuel cell from the fuel gas, and guides the fuel gas from the raw material gas pipe.

3033は仕切弁であり、原料ガスの流れを制御する。   A gate valve 3033 controls the flow of the source gas.

3034は燃料生成器であり、原料ガスから少なくとも水素を含む燃料ガスを生成する。   A fuel generator 3034 generates a fuel gas containing at least hydrogen from the raw material gas.

燃料電池の運転時は燃料生成器3034には原料ガス配管と仕切弁3035を介して原料ガスが導かれる。   During the operation of the fuel cell, the raw material gas is led to the fuel generator 3034 through the raw material gas pipe and the gate valve 3035.

3036はスタックであり、図30および図31で詳細を示したものである。燃料ガス配管を通じ、燃料生成器3034から燃料電池スタック3036に燃料ガスが導かれる。   Reference numeral 3036 denotes a stack, which is shown in detail in FIGS. The fuel gas is led from the fuel generator 3034 to the fuel cell stack 3036 through the fuel gas pipe.

3037は仕切弁であり、燃料ガスの燃料電池スタック3036への流れを制御する。また、停止保管時には仕切弁3037はスタック内に不活性ガスをパージおよび封止する働きを行う。また、停止保管時には仕切弁3037はスタック内に不活性ガスをパージおよび封止する働きを行う。   A gate valve 3037 controls the flow of fuel gas to the fuel cell stack 3036. Further, the gate valve 3037 functions to purge and seal the inert gas in the stack during stop storage. Further, the gate valve 3037 functions to purge and seal the inert gas in the stack during stop storage.

なお、不活性ガスとは、必ずしもヘリウム、ネオンなどのいわゆる希ガスや窒素のこととは限らず、ガス清浄部で清浄化された原料ガスなどのように燃料電池に対し不活性なガスであればよく、要するに所定のパージ用ガスのことである(以下同様)。   The inert gas is not necessarily a so-called noble gas such as helium or neon or nitrogen, but may be a gas inert to the fuel cell such as a raw material gas cleaned in the gas cleaning section. In short, it is a predetermined purge gas (the same applies hereinafter).

3039はブロアであり、酸化剤ガスは吸気管を通して燃料電池スタック3036に導入される。   3039 is a blower, and the oxidant gas is introduced into the fuel cell stack 3036 through the intake pipe.

3041は仕切弁であり、燃料ガスの燃料電池スタック3036への流れを制御する。   Reference numeral 3041 denotes a gate valve that controls the flow of fuel gas to the fuel cell stack 3036.

燃料電池スタック3036で利用されなかった酸化剤ガスは仕切弁3042を介して排気される。また、停止保管時には仕切弁3042はスタック内に不活性ガスをパージおよび封止する働きを行う。   The oxidant gas that has not been used in the fuel cell stack 3036 is exhausted through the gate valve 3042. In addition, the gate valve 3042 functions to purge and seal the inert gas in the stack during stop storage.

3040は加湿器である。燃料電池は水分が必要なため、燃料電池スタック3036に流れ込む酸化剤ガスはここで加湿される。   Reference numeral 3040 denotes a humidifier. Since the fuel cell needs moisture, the oxidant gas flowing into the fuel cell stack 3036 is humidified here.

燃料電池スタック3036で利用されなかった燃料ガスはオフガス管により再び、燃料生成器3034に流れ込む。オフガス管からのガスは燃焼などに用いられ、原料ガスから燃料ガスを生成するための吸熱反応等に利用される。   The fuel gas not used in the fuel cell stack 3036 flows again into the fuel generator 3034 through the off-gas pipe. The gas from the off-gas pipe is used for combustion or the like, and is used for an endothermic reaction or the like for generating a fuel gas from the raw material gas.

停止保管時には仕切弁3042はスタック内に不活性ガスをパージおよび封止する働きを行う。   During stop storage, the gate valve 3042 serves to purge and seal the inert gas in the stack.

3043は仕切弁であり、燃料電池スタック3036から燃料生成器3034へ流れるオフガスを制御する。   Reference numeral 3043 denotes a gate valve, which controls off-gas flowing from the fuel cell stack 3036 to the fuel generator 3034.

3044は燃料電池スタック3036から電力を取り出す電力回路部であり、3045はガスや電力回路部、仕切弁などを制御する制御部である。   3044 is a power circuit unit that extracts power from the fuel cell stack 3036, and 3045 is a control unit that controls the gas, the power circuit unit, the gate valve, and the like.

3046はポンプであり、冷却水入り口配管から燃料電池スタック3036の水経路に水を流す。燃料電池スタック3036を流れた水は冷却水出口配管から外部に水が運ばれる。燃料電池スタック3036を水が流れることにより、発熱した燃料電池スタック303036を一定の温度に保ちながら、発生した熱を燃料電池システム外部で利用できるようになるのである。   Reference numeral 3046 denotes a pump that allows water to flow from the cooling water inlet pipe to the water path of the fuel cell stack 3036. The water that has flowed through the fuel cell stack 3036 is transported to the outside from the cooling water outlet pipe. By flowing water through the fuel cell stack 3036, the generated heat can be used outside the fuel cell system while keeping the heated fuel cell stack 303036 at a constant temperature.

酸素濃度検知器3050、3051は燃料電池スタック3036内を満たした不活性ガスの酸素濃度変化を検知し、所定濃度以上の酸素濃度を検知した場合、制御部3045へ信号発信し、仕切弁の動作を行う。   The oxygen concentration detectors 3050 and 3051 detect a change in the oxygen concentration of the inert gas filled in the fuel cell stack 3036. When an oxygen concentration exceeding a predetermined concentration is detected, a signal is transmitted to the control unit 3045 to operate the gate valve. I do.

実施の形態10の燃料電池発電装置は、燃料電池からなる燃料電池スタック3036と、ガス清浄部3032と、燃料生成器3034と、電力回路部3044と、制御部3045と、酸素濃度検知器より構成されている。   The fuel cell power generator according to the tenth embodiment includes a fuel cell stack 3036 composed of fuel cells, a gas cleaning unit 3032, a fuel generator 3034, a power circuit unit 3044, a control unit 3045, and an oxygen concentration detector. Has been.

なお、酸素濃度検知器3050、3051を含む手段は本発明の酸素濃度検知手段に対応し、制御部3045は本発明のパージ用ガス注入手段に対応し、本実施の形態の燃料電池発電装置は本発明の燃料電池運転装置に対応する。   The means including the oxygen concentration detectors 3050 and 3051 corresponds to the oxygen concentration detection means of the present invention, the control unit 3045 corresponds to the purge gas injection means of the present invention, and the fuel cell power generator of the present embodiment is This corresponds to the fuel cell operating device of the present invention.

また、ガス清浄部3032は、本発明の燃料ガス清浄化手段に対応する。   The gas cleaning unit 3032 corresponds to the fuel gas cleaning means of the present invention.

また、仕切弁3041は本発明の酸化剤ガス流路上流弁に対応し、仕切弁3042は本発明の酸化剤ガス流路下流弁に対応し、仕切弁3037は本発明の燃料ガス流路上流弁に対応し、仕切弁3043は本発明の燃料ガス流路下流弁に対応する。   The gate valve 3041 corresponds to the oxidant gas flow path upstream valve of the present invention, the gate valve 3042 corresponds to the oxidant gas flow path downstream valve of the present invention, and the gate valve 3037 corresponds to the fuel gas flow path upstream of the present invention. Corresponding to the valve, the gate valve 3043 corresponds to the fuel gas flow path downstream valve of the present invention.

つぎに、本実施の形態の燃料電池発電装置の動作について説明する。なお、本実施の形態の燃料電池発電装置の動作について説明しながら、本発明の燃料電池運転方法の一実施の形態についても説明する(以下同様)。   Next, the operation of the fuel cell power generator of this embodiment will be described. While describing the operation of the fuel cell power generator of the present embodiment, an embodiment of the fuel cell operation method of the present invention will also be described (the same applies hereinafter).

まず、基本動作を説明し、本実施の形態の燃料電池発電装置のポイントとなる保管に関する動作については後述する。   First, a basic operation will be described, and an operation related to storage, which is a point of the fuel cell power generation device of the present embodiment, will be described later.

図32において、弁3033が開となり、原料ガス配管から原料ガスがガス清浄部3032に流れ込む。   In FIG. 32, the valve 3033 is opened, and the source gas flows from the source gas pipe into the gas cleaning unit 3032.

原料ガスとしては、天然ガス、プロパンガスなど炭化水素系のガスを使用することが出来るが、本実施の形態ではメタン、エタン、プロパン、ブタンガスの混合ガスである13Aを用いた。   As the raw material gas, a hydrocarbon-based gas such as natural gas or propane gas can be used. In this embodiment, 13A, which is a mixed gas of methane, ethane, propane, and butane gas, is used.

ガス清浄部32としては、特にTBM(ターシャリブチルメルカプタン)、DMS(ジメチルサルファイド)、THT(テトラヒドロチオフィン)等のガス付臭剤の除去の除去を行う部材を用いている。付臭剤などの硫黄化合物は燃料電池の触媒に吸着し、触媒毒となり反応を阻害するためである。   As the gas cleaning part 32, a member for removing gas odorant such as TBM (tertiary butyl mercaptan), DMS (dimethyl sulfide), THT (tetrahydrothiofin) is used. This is because sulfur compounds such as odorants are adsorbed on the catalyst of the fuel cell to become a catalyst poison and inhibit the reaction.

燃料生成器34では(化9)に示す反応等により、水素が生成される。   In the fuel generator 34, hydrogen is generated by the reaction shown in (Chemical Formula 9).

(化9)
CH3+H2O→3H2+CO(−203.0KJ/mol)
ここで水素と水分を含む燃料ガスが作成し、燃料ガス配管を介して燃料電池の燃料電池スタック3036に流れ込む。
(Chemical 9)
CH 3 + H 2 O → 3H 2 + CO (−203.0 KJ / mol)
Here, a fuel gas containing hydrogen and moisture is created and flows into the fuel cell stack 3036 of the fuel cell via the fuel gas pipe.

酸化剤ガスはブロア3039により加湿器3040を通った後、燃料電池スタック3036に流れ込む。酸化剤ガスの排ガスは排気管より外部に排出される。   The oxidant gas passes through the humidifier 3040 by the blower 3039 and then flows into the fuel cell stack 3036. The exhaust gas of the oxidant gas is discharged outside through the exhaust pipe.

加湿器3040として、温水に酸化剤ガスを流すものや、酸化剤ガス中に水を吹き込むもの等が使用できるが、本実施の形態では全熱交換型を使用した。これは、排ガス中の水と熱とを加湿器3040を通過する際に、吸気管から運ばれる原料となる酸化剤ガス中に移動させるものである。   As the humidifier 3040, one that flows an oxidant gas into warm water, one that blows water into the oxidant gas, or the like can be used. In this embodiment, a total heat exchange type is used. This is to move water and heat in the exhaust gas into an oxidant gas as a raw material carried from the intake pipe when passing through the humidifier 3040.

冷却水は、ポンプ3046より冷却水入り口配管から燃料電池スタック3036の水経路に流された後、冷却水出口配管から外部に水が運ばれる。図32では図示が省略されているが、冷却水入り口配管や冷却水出口配管には、通常給湯器などが配管されている。燃料電池の燃料電池スタック3036で発生する熱を取りだし、給湯等に利用できるようになるのである。   The cooling water is flowed from the cooling water inlet pipe to the water path of the fuel cell stack 3036 from the pump 3046, and then water is carried to the outside from the cooling water outlet pipe. Although not shown in FIG. 32, a normal water heater or the like is piped in the cooling water inlet pipe or the cooling water outlet pipe. The heat generated in the fuel cell stack 3036 of the fuel cell is taken out and can be used for hot water supply or the like.

燃料電池スタック3036内での燃料電池の動作について図30を用いて説明する。   The operation of the fuel cell in the fuel cell stack 3036 will be described with reference to FIG.

ガス流路306cに空気などの酸化剤ガスを流し、ガス流路306aに水素を含む燃料ガスを流す。   An oxidant gas such as air is supplied to the gas flow path 306c, and a fuel gas containing hydrogen is supplied to the gas flow path 306a.

燃料ガス中の水素は拡散層303aを拡散し、触媒反応層302aに達する。触媒反応層302aで水素は水素イオンと電子に分けられる。電子は外部回路を通じてカソード側に移動される。水素イオンは膜301を透過しカソード側に移動し触媒反応層302cに達する。   Hydrogen in the fuel gas diffuses through the diffusion layer 303a and reaches the catalytic reaction layer 302a. In the catalytic reaction layer 302a, hydrogen is divided into hydrogen ions and electrons. The electrons are moved to the cathode side through an external circuit. Hydrogen ions permeate the membrane 301, move to the cathode side, and reach the catalytic reaction layer 302c.

空気などの酸化剤ガス中の酸素は拡散層303cを拡散し、触媒反応層302cに達する。触媒反応層302cでは酸素が電子と反応し酸素イオンとなり、さらに酸素イオンは水素イオンと反応し水が生成される。つまりMEA305の周囲で酸化剤ガスと燃料ガスが反応し水が生成され、電子が流れる。   Oxygen in an oxidant gas such as air diffuses through the diffusion layer 303c and reaches the catalytic reaction layer 302c. In the catalyst reaction layer 302c, oxygen reacts with electrons to form oxygen ions, and the oxygen ions react with hydrogen ions to generate water. That is, the oxidant gas and the fuel gas react around the MEA 305 to generate water, and electrons flow.

さらに反応時に熱が生成し、MEA305の温度が上昇する。   Further, heat is generated during the reaction, and the temperature of the MEA 305 increases.

そのため冷却水経路308a、308cに水などを流すことにより反応で発生した熱を水で外部に運び出す。つまり、熱と電流(電気)が発生するのである。   Therefore, the heat generated by the reaction is carried out by water by flowing water or the like through the cooling water paths 308a and 308c. That is, heat and current (electricity) are generated.

このとき、導入されるガスの湿度と反応で発生する水の量の管理が重要である。水分が少ないと膜301が乾燥し、固定電化の電離が少なくなるために水素の移動が減少するので、熱や電気の発生が小さくなる。一方水分が多すぎると、MEA305の周りまたは触媒反応層302a、302cの周囲に水が溜まってしまい、ガスの供給が阻害され反応が抑制されるため、熱と電気の発生が減少してしまう。(以降、この状態をフラッティングと称する。)
燃料電池のセルで反応した後の動作について図32を用いて説明する。
At this time, it is important to control the humidity of the introduced gas and the amount of water generated by the reaction. When there is little moisture, the membrane 301 is dried and the ionization of the fixed electrification is reduced, so that the movement of hydrogen is reduced, so that the generation of heat and electricity is reduced. On the other hand, if there is too much water, water accumulates around the MEA 305 or around the catalytic reaction layers 302a and 302c, and the supply of gas is hindered and the reaction is suppressed, so that the generation of heat and electricity is reduced. (Hereafter, this state is called flatting.)
The operation after the reaction in the fuel cell is described with reference to FIG.

酸化剤ガスの使用されなかった排ガスは加湿器3040を介し、熱と水分をブロア3039から送られてきた酸化剤ガスに渡した後、外部へ排出される。   Exhaust gas in which the oxidant gas is not used is passed through a humidifier 3040 to transfer heat and moisture to the oxidant gas sent from the blower 3039 and then discharged to the outside.

燃料ガスの使用されなかったオフガスはオフガス管により再び、燃料生成器3034に流れ込む。オフガス管からのガスは燃料生成器3034中では燃焼などに用いられる。原料ガスから燃料ガスを生成するための反応は(化4)で示されるように吸熱反応であるため、反応に必要な熱として利用されるのである。   The off gas that has not been used for the fuel gas flows again into the fuel generator 3034 through the off gas pipe. The gas from the off gas pipe is used for combustion or the like in the fuel generator 3034. Since the reaction for generating the fuel gas from the raw material gas is an endothermic reaction as shown in (Chemical Formula 4), it is used as heat necessary for the reaction.

電力回路部44は燃料電池が発電を開始した後、燃料電池スタック36から直流の電力を引き出す役割をする。   The power circuit unit 44 serves to draw DC power from the fuel cell stack 36 after the fuel cell starts generating power.

制御部3045は燃料電池システムの他の部分の制御を最適に保つよう制御するものである。   The control unit 3045 performs control so as to keep the control of other parts of the fuel cell system optimal.

つぎに、本実施の形態の燃料電池発電装置のポイントとなる保管に関する動作についてより具体的に説明する。   Next, the operation related to storage, which is a point of the fuel cell power generation device of the present embodiment, will be described more specifically.

原料ガスは都市ガスの13Aガス、酸化剤ガスとしては空気をそれぞれ用いた。   The source gas was city gas 13A, and the oxidant gas was air.

燃料電池の温度は70℃、燃料ガス利用率(Uf)は70%、酸素利用率(Uo)は40%の条件とした。   The temperature of the fuel cell was 70 ° C., the fuel gas utilization rate (Uf) was 70%, and the oxygen utilization rate (Uo) was 40%.

燃料ガスおよび空気は、それぞれ70℃の露点を有するように加湿した。   The fuel gas and air were each humidified to have a dew point of 70 ° C.

電力回路部3044から電流を取り出した。電流は電極の見かけ面積あたりで、0.2A/cm2となるように調整した。 A current was taken out from the power circuit unit 3044. The current was adjusted to 0.2 A / cm 2 per apparent area of the electrode.

冷却水入り口配管および冷却水出口配管には、貯湯タンク(図示されていない)が取り付けてある。   A hot water storage tank (not shown) is attached to the cooling water inlet pipe and the cooling water outlet pipe.

冷却水入り口配管中の水の温度は70℃、冷却水出口配管中の水の温度は75℃となるようにポンプ3046を調節した。   The pump 3046 was adjusted so that the temperature of water in the cooling water inlet pipe was 70 ° C. and the temperature of water in the cooling water outlet pipe was 75 ° C.

起動停止および保管の条件は以下のようにした。   The start / stop and storage conditions were as follows.

なお、図34にスタックの電圧変化と酸素濃度変化を示した。   FIG. 34 shows changes in stack voltage and oxygen concentration.

運転条件Aでは、定常運転工程を行った後、停止工程1に移った。   In the operation condition A, after performing a steady operation process, it moved to the stop process 1.

なお、スタックからの電流は電力回路部3044により取り出されるが、燃料電池スタック3036の代表的な単セルの電圧が0.5Vを切ると電流の取り出しを停止し、0.7Vを超えると再び電流を取り出すように制御部3045により制御した。   The current from the stack is taken out by the power circuit unit 3044. When the voltage of a typical single cell of the fuel cell stack 3036 falls below 0.5V, the current take-out is stopped, and when the voltage exceeds 0.7V, the current is again drawn. Was controlled by the control unit 3045.

停止工程1では、ブロア3039を停止させ燃料電池スタック3036への空気の供給を停止し、仕切弁3048を開け、ガス清浄部3032で付臭剤などの硫黄化合物、アンモニアやアミン物質などの窒素化合物、一酸化炭素などの燃料電池に悪影響を与える物質を取り除いた原料ガスをポンプ3049より流し込んだ。   In the stop process 1, the blower 3039 is stopped to stop the supply of air to the fuel cell stack 3036, the gate valve 3048 is opened, and a sulfur compound such as an odorant and a nitrogen compound such as ammonia and an amine substance are formed in the gas cleaning unit 3032. A raw material gas from which substances that adversely affect the fuel cell such as carbon monoxide were removed was fed from a pump 3049.

次に、停止工程2を行った。   Next, stop process 2 was performed.

仕切弁3035を閉め、燃料生成器3034から燃料電池スタック3036への燃料ガスの供給を停止し、仕切弁3047を開け、ガス清浄部3032で付臭剤などの硫黄化合物、アンモニアやアミン物質などの窒素化合物、一酸化炭素などの燃料電池に悪影響を与える物質を取り除いた原料ガスを燃料電池スタック3036へ流し込んだ。燃料電池スタック3036から原料ガスにより燃料電池スタック3036から押し出された燃料ガスをオフガス管から燃料生成器3034へ戻し、燃料電池スタック3036内の燃料ガスを原料ガスにより入れ替えた。   The gate valve 3035 is closed, the supply of the fuel gas from the fuel generator 3034 to the fuel cell stack 3036 is stopped, the gate valve 3047 is opened, and the gas purifier 3032 is used for sulfur compounds such as odorants, ammonia, amine substances, etc. A raw material gas from which substances that adversely affect the fuel cell such as nitrogen compounds and carbon monoxide were removed was flowed into the fuel cell stack 3036. The fuel gas pushed out from the fuel cell stack 3036 by the raw material gas from the fuel cell stack 3036 was returned to the fuel generator 3034 from the off-gas pipe, and the fuel gas in the fuel cell stack 3036 was replaced with the raw material gas.

次に、停止工程3を行った。   Next, stop process 3 was performed.

停止工程3では、アノード側にある仕切弁3037と仕切弁3043を閉じ、カソード側にある仕切弁3041と仕切弁3042を閉じ燃料電池スタック3036内を原料ガスで満たし封止し、ポンプ3049を停止した。また、ポンプ3046は停止し、外部との冷却水移動を無くした。   In the stop step 3, the gate valve 3037 and the gate valve 3043 on the anode side are closed, the gate valve 3041 and the gate valve 3042 on the cathode side are closed, the fuel cell stack 3036 is filled and sealed with the raw material gas, and the pump 3049 is stopped. did. In addition, the pump 3046 was stopped and cooling water movement from the outside was eliminated.

次に保管工程1となる。保管工程1は高温になっている燃料生成器3034や燃料電池スタック3036の温度が徐々に下がり、最終的には外部の温度と同じとなる。   Next, it becomes the storage process 1. In the storage process 1, the temperature of the fuel generator 3034 and the fuel cell stack 3036 that are at a high temperature gradually decreases, and finally becomes the same as the external temperature.

保管工程2では、酸素濃度検知器3050、3051がともに10ppm(通常の測定方法で検出可能な酸素濃度の下限値におよそ相当する)の酸素濃度を検知したため、制御部3045からの信号により、アノード側にある仕切弁3037と仕切弁3043を開け、また、カソード側にある仕切弁3041と仕切弁3042を開け、ポンプ3049を作動し、再度燃料電池スタック3036へ原料ガスを再注入し、アノード側にある仕切弁3037と仕切弁3043とカソード側にある仕切弁3041と仕切弁3042を閉め封止した。   In the storage step 2, the oxygen concentration detectors 3050 and 3051 both detect an oxygen concentration of 10 ppm (corresponding to the lower limit value of the oxygen concentration that can be detected by a normal measurement method). The gate valve 3037 and the gate valve 3043 on the side are opened, the gate valve 3041 and the gate valve 3042 on the cathode side are opened, the pump 3049 is operated, and the raw material gas is reinjected into the fuel cell stack 3036 again. The gate valve 3037 and gate valve 3043 and the gate valve 3041 and gate valve 3042 on the cathode side were closed and sealed.

要するに、酸化剤ガスおよび燃料ガス供給路の酸化剤極および燃料極の上下流に仕切弁を設置し、両極と下流の仕切弁の間に酸素濃度検知器を配置し、酸素濃度検知器が所定濃度を検知することで両極の上下流に配置された仕切弁を開閉し再度不活性ガスを再注入するわけである。   In short, a sluice valve is installed upstream and downstream of the oxidant gas and fuel electrode in the oxidant gas and fuel gas supply passage, an oxygen concentration detector is disposed between both poles and the downstream sluice valve, and the oxygen concentration detector is predetermined. By detecting the concentration, the gate valves arranged upstream and downstream of both electrodes are opened and closed, and the inert gas is reinjected again.

より具体的には、酸素濃度検知器が仕切弁を作動させる酸素濃度を10ppm以上とすることで酸素による触媒劣化を生じない耐久性に優れた燃料電池発電装置を実現できる。   More specifically, by setting the oxygen concentration at which the oxygen concentration detector operates the gate valve to 10 ppm or more, it is possible to realize a fuel cell power generator excellent in durability that does not cause catalyst deterioration due to oxygen.

次に起動工程1となる。   Next, it becomes the starting process 1.

起動工程1では、仕切弁3035を開け、燃料生成器3034に原料ガスが流され、水素を含み一酸化炭素などの燃料ではない物質の濃度が一定以下となるように処理を行い、次いで仕切弁3047を閉め、ポンプ3049を停止し、アノード側にある仕切弁3037と仕切弁3043を開け、燃料電池スタック3036に原料ガスを供給した。   In the start-up process 1, the gate valve 3035 is opened, the raw material gas is flowed to the fuel generator 3034, and processing is performed so that the concentration of the substance that contains hydrogen and is not fuel, such as carbon monoxide, is below a certain level. 3047 was closed, the pump 3049 was stopped, the gate valve 3037 and the gate valve 3043 on the anode side were opened, and the raw material gas was supplied to the fuel cell stack 3036.

燃料電池スタック3036は、ポンプ3046を動作させ、燃料電池スタック3036よりも温度の高い水を循環させ、温度を上昇させても良い。   The fuel cell stack 3036 may operate the pump 3046 to circulate water having a temperature higher than that of the fuel cell stack 3036 to increase the temperature.

次に起動工程2に入る。   Next, the startup process 2 is entered.

起動工程2では、ブロア3039を動作させ、カソード側にある仕切弁3041と仕切弁3042とを開け、空気を燃料電池スタック3036に送り込んだ。   In the starting process 2, the blower 3039 was operated, the gate valve 3041 and the gate valve 3042 on the cathode side were opened, and air was sent into the fuel cell stack 3036.

次いで燃料や電流を制御し、定常運転工程の条件になった後は、定常運転工程として運転する。   Next, the fuel and current are controlled, and after the conditions for the steady operation process are reached, the operation is performed as a steady operation process.

本実施の形態では、原料ガスの再注入が1回である例を示したが、これに限らず酸素濃度検知器が所定濃度を検知した場合同様の動作を数回行っても同様の効果が得られた。   In the present embodiment, an example in which the source gas is reinjected once has been shown. However, the present invention is not limited to this, and the same effect can be obtained even if the same operation is performed several times when the oxygen concentration detector detects a predetermined concentration. Obtained.

かくして、燃料電池発電装置の燃料極および酸化剤極を不活性ガスでパージし封止する停止方法により、酸素による触媒劣化を防止し、保管中に両極の酸素濃度を測定し、所定以上の濃度を検出した場合、再度不活性ガスを再注入することで触媒劣化を抑制し、長期間の保管においても触媒劣化を生じない耐久性に優れた燃料電池発電装置を実現することができる。   Thus, by stopping the fuel electrode and oxidant electrode of the fuel cell power generation apparatus with an inert gas and sealing, the catalyst is prevented from being deteriorated by oxygen, and the oxygen concentration at both electrodes is measured during storage. Is detected again, the deterioration of the catalyst is suppressed by reinjecting the inert gas again, and a fuel cell power generator excellent in durability that does not cause the catalyst deterioration even during long-term storage can be realized.

ここに、燃料電池に対し不活性なガスとしてガス清浄部で清浄化された原料ガスを用いることにより、簡便に起動停止および保管による劣化を少なくできる。   Here, by using the raw material gas cleaned in the gas cleaning section as an inert gas for the fuel cell, deterioration due to start-stop and storage can be reduced easily.

なお、上述した本実施の形態においては、仕切弁3041と仕切弁3042との間の部分における酸化剤ガス流路酸素濃度の検知、および(b)仕切弁3037と仕切弁3043との間の部分における燃料ガス流路酸素濃度の検知の両方が行われた。しかし、これに限らず、仕切弁3041と仕切弁3042との間の部分における酸化剤ガス流路酸素濃度の検知、または(b)仕切弁3037と仕切弁3043との間の部分における燃料ガス流路酸素濃度の検知の一方が行われてもよい。   In the present embodiment described above, the detection of the oxidant gas flow path oxygen concentration in the portion between the gate valve 3041 and the gate valve 3042, and (b) the portion between the gate valve 3037 and the gate valve 3043. Both the detection of the oxygen concentration in the fuel gas flow path was performed. However, the present invention is not limited to this, and detection of the oxidant gas flow path oxygen concentration in the portion between the gate valve 3041 and the gate valve 3042, or (b) the fuel gas flow in the portion between the gate valve 3037 and the gate valve 3043. One of the detection of the road oxygen concentration may be performed.

また、上述した本実施の形態においては、(a)仕切弁3041と仕切弁3042との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入、および(b)仕切弁3037と仕切弁3043との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入の両方が行われた。しかし、これに限らず、(a)仕切弁3041と仕切弁3042との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入、または(b)仕切弁3037と仕切弁3043との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入の一方が行われてもよい。   Further, in the present embodiment described above, (a) injection of a predetermined purge gas into the portion between the gate valve 3041 and the gate valve 3042, and (b) between the gate valve 3037 and the gate valve 3043. Both injections of a predetermined purge gas to the part were performed. However, the present invention is not limited to this, and (a) a predetermined purge gas is injected into a portion between the gate valve 3041 and the gate valve 3042, or (b) a predetermined portion is applied to the portion between the gate valve 3037 and the gate valve 3043. One of the purge gas injections may be performed.

なお、このような所定のパージ用ガスの注入は、上述した本実施の形態においては、検知された酸化剤ガス流路酸素濃度および検知された燃料ガス流路酸素濃度の両方が所定値以上である場合に行われた。しかし、これに限らず、このような所定のパージ用ガスの注入は、検知された酸化剤ガス流路酸素濃度または検知された燃料ガス流路酸素濃度の一方が所定値以上である場合に行われてもよい。   Note that such predetermined purge gas injection is performed in the above-described embodiment in which both the detected oxidant gas flow path oxygen concentration and the detected fuel gas flow path oxygen concentration are equal to or greater than a predetermined value. Was done in some cases. However, the present invention is not limited to this, and such predetermined purge gas injection is performed when one of the detected oxidant gas flow path oxygen concentration or the detected fuel gas flow path oxygen concentration is equal to or higher than a predetermined value. It may be broken.

(実施の形態11)
はじめに、図33を主として参照しながら、本実施の形態の燃料電池発電装置の構成について説明する。
(Embodiment 11)
First, the configuration of the fuel cell power generator according to the present embodiment will be described with reference mainly to FIG.

図33は、本発明の実施の形態11の燃料電池発電装置を表す図である。   FIG. 33 is a diagram showing a fuel cell power generator according to Embodiment 11 of the present invention.

本実施の形態の燃料電池発電装置は、図32に示した実施の形態10の燃料電池発電装置と基本的に同様であるが、酸素濃度検知器の変わりに、燃料電池スタック3036のアノードとカソードの電位変化を観察する電圧検知器3052を配置した燃料電池発電装置である。要するに、本実施の形態の原理は、酸素の電極への吸着により生じる吸着電位に起因した電位上昇を観測する点にある。   The fuel cell power generation device according to the present embodiment is basically the same as the fuel cell power generation device according to the tenth embodiment shown in FIG. 32, except that the anode and cathode of the fuel cell stack 3036 are used instead of the oxygen concentration detector. This is a fuel cell power generator in which a voltage detector 3052 for observing a change in potential of the fuel cell is disposed. In short, the principle of the present embodiment is that the potential increase due to the adsorption potential caused by the adsorption of oxygen to the electrode is observed.

なお、本実施の形態では、MEA305(図30参照)を以下のようにして作成した。   In the present embodiment, MEA 305 (see FIG. 30) is created as follows.

炭素粉末であるアセチレンブラック(電気化学工業(株)製のデンカブラック、粒径35nm)を、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の水性ディスパージョン(ダイキン工業(株)製のD1)と混合し、乾燥重量としてPTFEを20重量%含む撥水インクを調製した。   Carbon powder acetylene black (Denka Black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., particle size 35 nm) was mixed with an aqueous dispersion of polytetrafluoroethylene (PTFE) (D1 manufactured by Daikin Industries, Ltd.) and dried. A water repellent ink containing 20% by weight of PTFE was prepared.

このインクを、ガス拡散層の基材となるカーボンペーパー(東レ(株)製のTGPH060H)の上に塗布して含浸させ、熱風乾燥機を用いて300℃で熱処理し、ガス拡散層(約200μm)を形成した。   This ink is applied and impregnated on carbon paper (TGPH060H manufactured by Toray Industries, Inc.) serving as a base material for the gas diffusion layer, heat treated at 300 ° C. using a hot air dryer, and the gas diffusion layer (about 200 μm). ) Was formed.

一方、炭素粉末であるケッチェンブラック(ケッチェンブラックインターナショナル(株)製のKetjen Black EC、粒径30nm)上にPt触媒を担持させて得られた触媒体(50重量%がPt)66重量部を、水素イオン伝導材かつ結着剤であるパ
ーフルオロカーボンスルホン酸アイオノマー(米国Aldrich社製の5重量%Nafion分散液)33重量部(高分子乾燥重量)と混合し、得られた混合物を成形して触媒層(10〜20μm)を形成した。
On the other hand, 66 parts by weight of a catalyst body (50 wt% Pt) obtained by supporting a Pt catalyst on Ketjen Black (Ketjen Black EC, Ketjen Black International Co., Ltd., particle size 30 nm), which is carbon powder. Is mixed with 33 parts by weight (polymer dry weight) of perfluorocarbon sulfonic acid ionomer (5% by weight Nafion dispersion manufactured by Aldrich, USA) which is a hydrogen ion conductive material and a binder, and the resulting mixture is molded. Thus, a catalyst layer (10 to 20 μm) was formed.

上述のようにして得たガス拡散層と触媒層とを、高分子電解質膜(米国DuPont社のNafion112膜)の両面に接合し、MEA305を作製した。   The gas diffusion layer and the catalyst layer obtained as described above were joined to both surfaces of a polymer electrolyte membrane (Nafion 112 membrane manufactured by DuPont, USA) to produce MEA305.

つぎに、以上のように作製したMEA305の膜301の外周部にゴム製のガスケット板を接合し、冷却水、燃料ガスおよび酸化剤ガス流通用のマニホールド穴を形成した。   Next, a rubber gasket plate was joined to the outer peripheral portion of the membrane 301 of the MEA 305 produced as described above, and manifold holes for circulating cooling water, fuel gas, and oxidant gas were formed.

一方、20cm×32cm×1.3mmの外寸を有し、かつ深さ0.5mmのガス流路および冷却水流路を有する、フェノール樹脂を含浸させた黒鉛板からなる導電性のセパレータ307a、307cを用いた。   On the other hand, conductive separators 307a and 307c made of a graphite plate impregnated with a phenolic resin having an outer dimension of 20 cm × 32 cm × 1.3 mm and a gas channel and a cooling water channel having a depth of 0.5 mm. Was used.

なお、制御部3045は本発明の第一のパージ用ガス注入手段および第二のパージ用ガス注入手段を含む手段に対応し、電圧検知器52は本発明の電位差検知手段に対応し、本実施の形態の燃料電池発電装置は本発明の燃料電池運転装置に対応する。   The controller 3045 corresponds to means including the first purge gas injection means and the second purge gas injection means of the present invention, and the voltage detector 52 corresponds to the potential difference detection means of the present invention. The fuel cell power generator of the form corresponds to the fuel cell operating device of the present invention.

また、ガス清浄部3032は、本発明の燃料ガス清浄化手段に対応する。   The gas cleaning unit 3032 corresponds to the fuel gas cleaning means of the present invention.

つぎに、本実施の形態の燃料電池発電装置の動作について説明する。   Next, the operation of the fuel cell power generator of this embodiment will be described.

燃料電池スタック3036の保管工程2以外の基本動作は、実施の形態10と同様である。   Basic operations other than the storage step 2 of the fuel cell stack 3036 are the same as those in the tenth embodiment.

実施の形態11の保管工程2は、保管工程1の後、カソード側にある仕切弁3041と仕切弁3042を一時的に開け、原料ガスをカソードのみに注入する。   In the storage step 2 of the eleventh embodiment, after the storage step 1, the gate valve 3041 and the gate valve 3042 on the cathode side are temporarily opened, and the source gas is injected only into the cathode.

このとき電圧検知器3052がアノードとカソードの両極の電位差が原料ガスを一時注入する前の値に対し10mV(通常の測定方法で検出可能な酸素濃度の下限値におよそ相当する前述の10ppmに対応する)以上の変化を検知したとき、制御部3045からの信号により、アノード側にある仕切弁3037と仕切弁3043を開ける。そして、カソード側にある仕切弁3041と仕切弁3042を開け、ポンプ3049を作動し、再度燃料電池スタック3036へ原料ガスを再注入し、アノード側にある仕切弁3037と仕切弁3043とカソード側にある仕切弁3041と仕切弁3042を閉め封止した。   At this time, the potential difference between the anode and the cathode of the voltage detector 3052 is 10 mV relative to the value before the raw material gas is temporarily injected (corresponding to the above-mentioned 10 ppm, which roughly corresponds to the lower limit value of the oxygen concentration that can be detected by a normal measuring method). When the above change is detected, the gate valve 3037 and the gate valve 3043 on the anode side are opened by a signal from the control unit 3045. Then, the gate valve 3041 and the gate valve 3042 on the cathode side are opened, the pump 3049 is operated, the raw material gas is reinjected into the fuel cell stack 3036 again, and the gate valve 3037 and gate valve 3043 on the anode side are moved to the cathode side. Some gate valve 3041 and gate valve 3042 were closed and sealed.

図35にスタックの電圧変化と原料ガスが注入されたカソードとは異なるアノードの電位変化を示した。   FIG. 35 shows the change in the stack voltage and the change in the potential of the anode different from the cathode into which the source gas was injected.

本実施の形態ではカソード側について一時原料ガス注入を行ったがこれに限られたものではなく、アノード側で一時注入の動作を行っても同様の結果が得られた。   In the present embodiment, the temporary raw material gas injection is performed on the cathode side. However, the present invention is not limited to this, and similar results were obtained even when the temporary injection operation was performed on the anode side.

なお、このようにカソードまたはアノードの一方にのみまず原料ガス注入を行うのは、酸素が燃料電池スタック3036のシーリング部分などから燃料電池スタック3036の全体にわたって侵入するために、両極の電位がほぼ同等に変化する場合が多いからである。   It should be noted that the source gas is first injected into only one of the cathode and the anode in this way because oxygen penetrates from the sealing portion of the fuel cell stack 3036 to the entire fuel cell stack 3036, so that the potentials at both electrodes are almost equal. This is because it often changes.

このようにして、停止保管中に不活性ガスを燃料極あるいは酸化剤極の一方に一時追加パージし、両極間の電位差変化を検知し、再度不活性ガスを再注入することで触媒劣化を抑制し、長期間の保管においても触媒劣化を生じない耐久性に優れた燃料電池発電装置を実現することができる。   In this way, during inactive storage, inert gas is temporarily purged to one of the fuel electrode or oxidant electrode, changes in the potential difference between both electrodes are detected, and inert gas is reinjected again to suppress catalyst deterioration. In addition, it is possible to realize a fuel cell power generator excellent in durability that does not cause catalyst deterioration even during long-term storage.

要するに、酸化剤ガスおよび燃料ガス供給路の酸化剤極および燃料極の上下流に仕切弁を設置し、酸化剤極と燃料極の電位差を検知する電圧検知装置を配置し、不活性ガスを一部追加パージした際の両極の電位差が所定の値以上を示したとき、両極の上下流に配置された仕切弁を開閉し再度不活性ガスを再注入するわけである。   In short, a gate valve is installed upstream and downstream of the oxidant electrode and fuel electrode in the oxidant gas and fuel gas supply passages, a voltage detection device for detecting the potential difference between the oxidant electrode and the fuel electrode is arranged, and inert gas is collected. When the potential difference between the two electrodes at the time of additional purge shows a predetermined value or more, the gate valve disposed upstream and downstream of both electrodes is opened and closed, and the inert gas is reinjected again.

より具体的には、電圧検知器が仕切弁を作動させ、不活性ガスを再注入させる両極の電位差変化を10mV以上にすることで外部からの侵入ガスあるいは微量ガスリークによる触媒劣化を生じない耐久性に優れた燃料電池発電装置を実現できる。   More specifically, the voltage detector activates the gate valve and reinjects the inert gas, and the change in potential difference between the two electrodes is set to 10 mV or more so that the catalyst does not deteriorate due to intrusion gas from the outside or trace gas leak. An excellent fuel cell power generator can be realized.

(比較例)
比較例は、実施の形態10および実施の形態11と類似しているが、酸素濃度検知器および電圧検知器は具備されておらず、保管工程2における原料ガスの再注入を所定の電位差を検知したときにのみ行う起動停止および保管方法である。
(Comparative example)
The comparative example is similar to the tenth embodiment and the eleventh embodiment. However, the oxygen concentration detector and the voltage detector are not provided, and the re-injection of the raw material gas in the storage process 2 detects a predetermined potential difference. This is a start / stop and storage method that is performed only when

図36に比較例のスタックの電圧変化とアノードの電位変化を示した。   FIG. 36 shows the voltage change of the stack and the potential change of the anode of the comparative example.

図34に示したスタック電圧の変化より、保管工程中、燃料電池スタック36に酸素が侵入して来ていても燃料電池スタック3036の電圧に変化は見られない(前述したように、酸素は燃料電池スタック3036の全体にわたって侵入するために、両極の電位がほぼ同等に変化し、これらの電位差である燃料電池スタック36の電圧は変化しないのである)。そこで外筐体3031に酸素濃度検知器3050、3051を具備することで燃料電池スタック36内の酸素による影響を観察することができる。   From the change in the stack voltage shown in FIG. 34, even if oxygen has entered the fuel cell stack 36 during the storage process, no change is seen in the voltage of the fuel cell stack 3036 (as described above, oxygen is the fuel In order to penetrate the entire battery stack 3036, the potentials of both electrodes change substantially equally, and the voltage of the fuel cell stack 36, which is the difference between these potentials, does not change). Therefore, by providing the outer casing 3031 with oxygen concentration detectors 3050 and 3051, the influence of oxygen in the fuel cell stack 36 can be observed.

すなわち実施の形態10の操作を行うことで触媒劣化を防止することができ、起動停止運転を行っても耐久性に優れた燃料電池発電装置を提供することができる。   That is, by performing the operation of the tenth embodiment, it is possible to prevent catalyst deterioration, and it is possible to provide a fuel cell power generator that is excellent in durability even when the start / stop operation is performed.

図35に示したスタック電圧の変化より、カソードないしアノードに一時的に原料ガスを注入することで両極間の電位差に変化が観察される。これは、外部から酸素が侵入していたことに起因する電位変化と考えられる。   From the change in the stack voltage shown in FIG. 35, a change is observed in the potential difference between the two electrodes by temporarily injecting the source gas into the cathode or anode. This is considered to be a potential change caused by oxygen entering from the outside.

両極間の電位差がゼロでも電位そのものは上昇している場合が多い(前述の理由により、酸素が燃料電池スタック3036に侵入していても両極間の電位差はゼロが観察される)。その電位上昇の影響をアノードが受けるとRu溶出が発生する。実施の形態11は、この電位上昇の変化を、一方の電極側へ一時的に原料ガスを流した時の各セルの電位変化を利用して、電圧検知器で観察することができる。   In many cases, even if the potential difference between the two electrodes is zero, the potential itself is increasing (for the above-described reason, even if oxygen has entered the fuel cell stack 3036, zero potential difference is observed between the two electrodes). When the anode is affected by the potential increase, Ru elution occurs. In the eleventh embodiment, this change in potential can be observed with a voltage detector using the change in potential of each cell when the source gas is temporarily flowed to one electrode side.

すなわち実施の形態11の操作を行うことで、酸素による触媒劣化だけでなく電位上昇による触媒劣化を防止することができ、起動停止運転を行っても耐久性に優れた燃料電池発電装置を提供することができる。   That is, by performing the operation of the eleventh embodiment, it is possible to prevent not only catalyst deterioration due to oxygen but also catalyst deterioration due to potential rise, and provide a fuel cell power generator excellent in durability even when starting and stopping operation is performed. be able to.

図37に実施の形態10、実施の形態11および比較例の起動停止方法を行ったスタックの耐久性の結果を示す。   FIG. 37 shows the results of durability of the stacks subjected to the start / stop method of the tenth embodiment, the eleventh embodiment and the comparative example.

図37に示すように、保管工程において原料ガスの再注入を行った実施の形態10および実施の形態11は、比較例と比較して、起動停止回数10000回における耐久劣化率を非常に低い値を維持することが可能である。   As shown in FIG. 37, the tenth embodiment and the eleventh embodiment in which the source gas is reinjected in the storage process have a very low value of the durability deterioration rate at the number of start / stop times of 10,000 as compared with the comparative example. Can be maintained.

これは、前述したように、保管停止時に原料ガスを再注入することで酸素による触媒劣化および電位上昇による触媒劣化を防止することができたことを示している。   As described above, this indicates that catalyst deterioration due to oxygen and catalyst deterioration due to potential increase could be prevented by reinjecting the raw material gas when storage was stopped.

本実施の形態によれば、長期間燃料電池発電装置を停止保管した場合でも触媒の劣化を生じず高い耐久性能を発揮できる燃料電池発電装置を提供することができる。   According to the present embodiment, it is possible to provide a fuel cell power generator capable of exhibiting high durability performance without causing catalyst deterioration even when the fuel cell power generator is stopped and stored for a long period of time.

また、以上の実施の形態10および11は、以下のような発明の実施の形態にも相当するものとしてもよい。すなわち、第1の発明として、燃料電池の保管期間において、(1)前記燃料電池の酸化剤極に対して所定の酸化剤ガスを供給し排出するための酸化剤ガス流路において前記酸化剤極よりも上流に設けられた酸化剤ガス流路上流弁と、前記酸化剤ガス流路において前記酸化剤極よりも下流に設けられた酸化剤ガス流路下流弁との間の部分における酸化剤ガス流路酸素濃度の検知、および/または(2)前記燃料電池の燃料極に対して所定の燃料ガスを供給し排出するため燃料ガス流路において前記燃料極よりも上流に設けられた燃料ガス流路上流弁と、前記燃料ガス供給流路において前記燃料極よりも下流に設けられた燃料ガス流路下流弁との間の部分における燃料ガス流路酸素濃度の検知を行う酸素濃度検知手段)と、
前記検知された酸化剤ガス流路酸素濃度および/または前記検知された燃料ガス流路酸素濃度が所定値以上である場合に、(a)前記酸化剤ガス流路上流弁と前記酸化剤ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入、および/または(b)前記燃料ガス流路上流弁と前記燃料ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入を行うパージ用ガス注入手段とを備えた、燃料電池運転装置としてもよい。
Further, the above tenth and eleventh embodiments may correspond to the following embodiments of the invention. That is, as a first invention, during the storage period of the fuel cell, (1) the oxidant electrode in the oxidant gas flow path for supplying and discharging a predetermined oxidant gas to the oxidant electrode of the fuel cell An oxidant gas in a portion between an oxidant gas flow path upstream valve provided upstream and an oxidant gas flow path downstream valve provided downstream of the oxidant electrode in the oxidant gas flow path Detection of flow path oxygen concentration and / or (2) fuel gas flow provided upstream of the fuel electrode in the fuel gas flow path for supplying and discharging a predetermined fuel gas to the fuel electrode of the fuel cell Oxygen concentration detecting means for detecting the oxygen concentration of the fuel gas channel in a portion between the upstream valve of the channel and the fuel gas channel downstream valve provided downstream of the fuel electrode in the fuel gas supply channel) ,
When the detected oxidant gas flow path oxygen concentration and / or the detected fuel gas flow path oxygen concentration is equal to or greater than a predetermined value, (a) the oxidant gas flow path upstream valve and the oxidant gas flow Injection of a predetermined purge gas into a portion between the downstream valve and / or (b) a predetermined purge gas into the portion between the fuel gas flow path upstream valve and the fuel gas flow path downstream valve It is good also as a fuel cell operating device provided with the gas injection means for purge which performs injection.

また、第2の発明として、前記所定の燃料ガスを清浄化する燃料ガス清浄化手段をさらに備え、
前記所定のパージ用ガスは、前記清浄化された燃料ガスである第1の発明の燃料電池運転装置としてもよい。
Further, as a second invention, further comprising a fuel gas cleaning means for cleaning the predetermined fuel gas,
The predetermined purge gas may be the fuel cell operating device according to the first aspect of the invention, which is the purified fuel gas.

また、第3の発明として、前記所定値は、10ppmである第1の発明の燃料電池運転装置としてもよい。   As a third invention, the predetermined value may be 10 ppm as the fuel cell operating device of the first invention.

また、第4の発明として、燃料電池の保管期間において、(1)前記燃料電池の酸化剤極に対して所定の酸化剤ガスを供給し排出するための酸化剤ガス流路において前記酸化剤極よりも上流に設けられた酸化剤ガス流路上流弁と、前記酸化剤ガス流路において前記酸化剤極よりも下流に設けられた酸化剤ガス流路下流弁との間の部分における酸化剤ガス流路酸素濃度の検知、および/または(2)前記燃料電池の燃料極に対して所定の燃料ガスを供給し排出するため燃料ガス流路において前記燃料極よりも上流に設けられた燃料ガス流路上流弁と、前記燃料ガス供給流路において前記燃料極よりも下流に設けられた燃料ガス流路下流弁との間の部分における燃料ガス流路酸素濃度の検知を行う酸素濃度検知ステップと、
前記検知された酸化剤ガス流路酸素濃度および/または前記検知された燃料ガス流路酸素濃度が所定値以上である場合に、(a)前記酸化剤ガス流路上流弁と前記酸化剤ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入、および/または(b)前記燃料ガス流路上流弁と前記燃料ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入を行うパージ用ガス注入ステップとを備えた、燃料電池運転方法としてもよい。
As a fourth invention, during the storage period of the fuel cell, (1) the oxidant electrode in an oxidant gas flow path for supplying and discharging a predetermined oxidant gas to the oxidant electrode of the fuel cell. An oxidant gas in a portion between an oxidant gas flow path upstream valve provided upstream and an oxidant gas flow path downstream valve provided downstream of the oxidant electrode in the oxidant gas flow path Detection of flow path oxygen concentration and / or (2) fuel gas flow provided upstream of the fuel electrode in the fuel gas flow path for supplying and discharging a predetermined fuel gas to the fuel electrode of the fuel cell An oxygen concentration detection step of detecting a fuel gas flow path oxygen concentration in a portion between a road upstream valve and a fuel gas flow path downstream valve provided downstream of the fuel electrode in the fuel gas supply flow path;
When the detected oxidant gas flow path oxygen concentration and / or the detected fuel gas flow path oxygen concentration is equal to or greater than a predetermined value, (a) the oxidant gas flow path upstream valve and the oxidant gas flow Injection of a predetermined purge gas into a portion between the downstream valve and / or (b) a predetermined purge gas into the portion between the fuel gas flow path upstream valve and the fuel gas flow path downstream valve It is good also as a fuel cell operating method provided with the gas injection step for purge which performs injection.

また、第5の発明として、第4の発明の燃料電池運転方法の、前記検知された酸化剤ガス流路酸素濃度および/または前記検知された燃料ガス流路酸素濃度が所定値以上である場合に、(a)前記酸化剤ガス流路上流弁と前記酸化剤ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入、および/または(b)前記燃料ガス流路上流弁と前記燃料ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入を行うパージ用ガス注入ステップをコンピュータに実行させるためのプログラムとしてもよい。   Further, as a fifth invention, when the detected oxidant gas flow path oxygen concentration and / or the detected fuel gas flow path oxygen concentration of the fuel cell operating method of the fourth invention is greater than or equal to a predetermined value. (A) injection of a predetermined purge gas into a portion between the oxidant gas flow path upstream valve and the oxidant gas flow path downstream valve, and / or (b) the fuel gas flow path upstream valve It is good also as a program for making a computer perform the purge gas injection | pouring step which inject | pours the predetermined purge gas with respect to the part between the said fuel gas flow path downstream valves.

また、第6の発明として、燃料電池の保管期間において、(1)前記燃料電池の酸化剤極に対して所定の酸化剤ガスを供給し排出するための酸化剤ガス流路において前記酸化剤極よりも上流に設けられた酸化剤ガス流路上流弁と、前記酸化剤ガス流路において前記酸化剤極よりも下流に設けられた酸化剤ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入、または(2)前記燃料電池の燃料極に対して所定の燃料ガスを供給し排出するため燃料ガス流路において前記燃料極よりも上流に設けられた燃料ガス流路上流弁と、前記燃料ガス供給流路において前記燃料極よりも下流に設けられた燃料ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入を行う第一のパージ用ガス注入手段と、
また、前記酸化剤極の電位と前記燃料極の電位との電位差の検知を行う電位差検知手段と、
前記酸化剤ガス流路上流弁と前記酸化剤ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入、または前記燃料ガス流路上流弁と前記燃料ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入が行われる前後における前記検知が行われた電位差の変化が所定値以上である場合に、(a)前記酸化剤ガス流路上流弁と前記酸化剤ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入、および(b)前記燃料ガス流路上流弁と前記燃料ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入を再び行う第二のパージ用ガス注入手段とを備えた、燃料電池運転装置としてもよい。
As a sixth invention, during the storage period of the fuel cell, (1) the oxidant electrode in the oxidant gas flow path for supplying and discharging a predetermined oxidant gas to the oxidant electrode of the fuel cell. A predetermined purge for a portion between an oxidant gas flow path upstream valve provided upstream and an oxidant gas flow path downstream valve provided downstream of the oxidant electrode in the oxidant gas flow path Or (2) a fuel gas flow path upstream valve provided upstream of the fuel electrode in the fuel gas flow path for supplying and discharging a predetermined fuel gas to and from the fuel electrode of the fuel cell; A first purge gas injection means for injecting a predetermined purge gas into a portion between the fuel gas supply flow path and a fuel gas flow path downstream valve provided downstream of the fuel electrode;
A potential difference detecting means for detecting a potential difference between the potential of the oxidant electrode and the potential of the fuel electrode;
Injection of a predetermined purge gas into a portion between the oxidant gas flow path upstream valve and the oxidant gas flow path downstream valve, or between the fuel gas flow path upstream valve and the fuel gas flow path downstream valve When the change in the detected potential difference before and after the injection of the predetermined purge gas to the portion is greater than or equal to a predetermined value, (a) the oxidant gas flow path upstream valve and the oxidant gas flow Injection of a predetermined purge gas into the portion between the downstream valve and (b) injection of a predetermined purge gas into the portion between the fuel gas flow path upstream valve and the fuel gas flow path downstream valve. It is good also as a fuel cell operating device provided with the gas injection means for the 2nd purge performed again.

また、第7の発明として、前記所定の燃料ガスを清浄化する燃料ガス清浄化手段をさらに備え、
前記所定のパージ用ガスは、前記清浄化された燃料ガスである第6の発明の燃料電池運転装置としてもよい。
In addition, as a seventh invention, further comprising a fuel gas cleaning means for cleaning the predetermined fuel gas,
The predetermined purge gas may be the fuel cell operating device according to the sixth aspect of the invention, which is the purified fuel gas.

また、第8の発明として、前記所定値は、10mVである第6の発明の燃料電池運転装置としてもよい。   As an eighth invention, the predetermined value may be 10 mV, which is the fuel cell operating device of the sixth invention.

また、第9の発明として、燃料電池の保管期間において、(1)前記燃料電池の酸化剤極に対して所定の酸化剤ガスを供給し排出するための酸化剤ガス流路において前記酸化剤極よりも上流に設けられた酸化剤ガス流路上流弁と、前記酸化剤ガス流路において前記酸化剤極よりも下流に設けられた酸化剤ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入、または(2)前記燃料電池の燃料極に対して所定の燃料ガスを供給し排出するため燃料ガス流路において前記燃料極よりも上流に設けられた燃料ガス流路上流弁と、前記燃料ガス供給流路において前記燃料極よりも下流に設けられた燃料ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入を行う第一のパージ用ガス注入ステップと、
前記酸化剤極の電位と前記燃料極の電位との電位差の検知を行う電位差検知ステップと、
前記酸化剤ガス流路上流弁と前記酸化剤ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入、または前記燃料ガス流路上流弁と前記燃料ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入が行われる前後における前記検知が行われた電位差の変化が所定値以上である場合に、(a)前記酸化剤ガス流路上流弁と前記酸化剤ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入、および(b)前記燃料ガス流路上流弁と前記燃料ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入を再び行う第二のパージ用ガス注入ステップとを備えた、燃料電池運転方法としてもよい。
As a ninth aspect of the invention, during the storage period of the fuel cell, (1) the oxidant electrode in an oxidant gas flow path for supplying and discharging a predetermined oxidant gas to the oxidant electrode of the fuel cell. A predetermined purge for a portion between an oxidant gas flow path upstream valve provided upstream and an oxidant gas flow path downstream valve provided downstream of the oxidant electrode in the oxidant gas flow path Or (2) a fuel gas flow path upstream valve provided upstream of the fuel electrode in the fuel gas flow path for supplying and discharging a predetermined fuel gas to and from the fuel electrode of the fuel cell; A first purge gas injection step for injecting a predetermined purge gas into a portion between the fuel gas supply flow path and a fuel gas flow path downstream valve provided downstream of the fuel electrode;
A potential difference detection step for detecting a potential difference between the potential of the oxidant electrode and the potential of the fuel electrode;
Injection of a predetermined purge gas into a portion between the oxidant gas flow path upstream valve and the oxidant gas flow path downstream valve, or between the fuel gas flow path upstream valve and the fuel gas flow path downstream valve When the change in the detected potential difference before and after the injection of the predetermined purge gas to the portion is greater than or equal to a predetermined value, (a) the oxidant gas flow path upstream valve and the oxidant gas flow Injection of a predetermined purge gas into the portion between the downstream valve and (b) injection of a predetermined purge gas into the portion between the fuel gas flow path upstream valve and the fuel gas flow path downstream valve. It is good also as a fuel cell operating method provided with the 2nd purge gas injection | pouring step performed again.

また、第10の発明として、第9の発明の燃料電池運転方法の、燃料電池の保管期間において、(1)前記燃料電池の酸化剤極に対して所定の酸化剤ガスを供給し排出するための酸化剤ガス流路において前記酸化剤極よりも上流に設けられた酸化剤ガス流路上流弁と、前記酸化剤ガス流路において前記酸化剤極よりも下流に設けられた酸化剤ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入、または(2)前記燃料電池の燃料極に対して所定の燃料ガスを供給し排出するため燃料ガス流路において前記燃料極よりも上流に設けられた燃料ガス流路上流弁と、前記燃料ガス供給流路において前記燃料極よりも下流に設けられた燃料ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入を行う第一のパージ用ガス注入ステップと、前記酸化剤ガス流路上流弁と前記酸化剤ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入、または前記燃料ガス流路上流弁と前記燃料ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入が行われる前後における前記検知が行われた電位差の変化が所定値以上である場合に、(a)前記酸化剤ガス流路上流弁と前記酸化剤ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入、および(b)前記燃料ガス流路上流弁と前記燃料ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入を再び行う第二のパージ用ガス注入ステップとをコンピュータに実行させるためのプログラムとしてもよい。   According to a tenth aspect of the present invention, in the fuel cell operating method of the ninth aspect, during the storage period of the fuel cell, (1) To supply and discharge a predetermined oxidant gas to the oxidant electrode of the fuel cell An oxidant gas flow path upstream valve provided upstream of the oxidant electrode in the oxidant gas flow path, and an oxidant gas flow path provided downstream of the oxidant electrode in the oxidant gas flow path. Injection of a predetermined purge gas into the portion between the downstream valve or (2) upstream of the fuel electrode in the fuel gas flow path for supplying and discharging a predetermined fuel gas to the fuel electrode of the fuel cell A predetermined purge gas is injected into a portion between the fuel gas flow path upstream valve provided in the fuel gas flow path and the fuel gas flow path downstream valve provided downstream of the fuel electrode in the fuel gas supply flow path First purge gas inlet And injection of a predetermined purge gas into a portion between the oxidant gas flow path upstream valve and the oxidant gas flow path downstream valve, or the fuel gas flow path upstream valve and the fuel gas flow path downstream When the change in the detected potential difference before and after the injection of the predetermined purge gas to the portion between the valve and the valve is greater than or equal to a predetermined value, (a) the oxidant gas flow path upstream valve and the Injection of a predetermined purge gas into a portion between the oxidant gas flow path downstream valve and (b) a predetermined purge with respect to a portion between the fuel gas flow path upstream valve and the fuel gas flow path downstream valve It is good also as a program for making a computer perform the 2nd gas injection step for purging which injects gas again.

また、第11の発明として、第5または第10の発明のプログラムを担持した記録媒体であって、コンピュータにより処理可能な記録媒体としてもよい。   The eleventh invention may be a recording medium carrying the program of the fifth or tenth invention, which can be processed by a computer.

なお、本発明にかかるプログラムは、上述した本発明の燃料電池システムの全部または一部の手段(または、装置、素子、回路、部等)の機能をコンピュータにより実行させるためのプログラムであって、コンピュータと協働して動作するプログラムであってもよい。   The program according to the present invention is a program for causing a computer to execute the functions of all or part of the above-described fuel cell system of the present invention (or apparatus, element, circuit, unit, etc.). It may be a program that operates in cooperation with a computer.

また、本発明は、上述した本発明の燃料電池発電システムの全部または一部の手段の全部または一部の機能をコンピュータにより実行させるためのプログラムを担持した媒体であり、コンピュータにより読み取り可能且つ、読み取られた前記プログラムが前記コンピュータと協動して前記機能を実行する媒体であってもよい。   The present invention is a medium carrying a program for causing a computer to execute all or part of the functions of all or part of the above-described fuel cell power generation system of the present invention, and is readable by a computer; The read program may be a medium that executes the function in cooperation with the computer.

なお、本発明の上記「一部の手段(または、装置、素子、回路、部等)」、本発明の上記「一部のステップ(または、工程、動作、作用等)」とは、それらの複数の手段またはステップの内の、幾つかの手段またはステップを意味し、あるいは、一つの手段またはステップの内の、一部の機能または一部の動作を意味するものである。   The “part of means (or apparatus, element, circuit, part, etc.)” of the present invention and the “part of step (or process, operation, action, etc.)” of the present invention are those It means several means or steps among a plurality of means or steps, or means some function or part of operation within one means or step.

また、本発明の一部の装置(または、素子、回路、部等)とは、それらの複数の装置の内の、幾つかの装置を意味し、あるいは、一つの装置の内の、一部の手段(または、素子、回路、部等)を意味し、あるいは、一つの手段の内の、一部の機能を意味するものである。   In addition, some devices (or elements, circuits, parts, and the like) of the present invention mean some devices among the plurality of devices, or some devices within one device. Means (or an element, a circuit, a part, etc.), or a part of the functions of one means.

また、本発明のプログラムを記録した、コンピュータに読みとり可能な記録媒体も本発明に含まれる。   Further, the present invention includes a computer-readable recording medium that records the program of the present invention.

また、本発明のプログラムの一利用形態は、コンピュータにより読み取り可能な記録媒体に記録され、コンピュータと協働して動作する態様であっても良い。   Further, one usage form of the program of the present invention may be an aspect in which the program is recorded on a computer-readable recording medium and operates in cooperation with the computer.

また、本発明のプログラムの一利用形態は、伝送媒体中を伝送し、コンピュータにより読みとられ、コンピュータと協働して動作する態様であっても良い。   Further, one usage form of the program of the present invention may be an aspect in which the program is transmitted through a transmission medium, read by a computer, and operated in cooperation with the computer.

また、本発明のデータ構造としては、データベース、データフォーマット、データテーブル、データリスト、データの種類などを含む。   The data structure of the present invention includes a database, data format, data table, data list, data type, and the like.

また、記録媒体としては、ROM等が含まれ、伝送媒体としては、インターネット等の伝送機構、光・電波・音波等が含まれる。   The recording medium includes a ROM and the like, and the transmission medium includes a transmission mechanism such as the Internet, light, radio waves, sound waves, and the like.

また、上述した本発明のコンピュータは、CPU等の純然たるハードウェアに限らず、ファームウェアや、OS、更に周辺機器を含むものであっても良い。   The computer of the present invention described above is not limited to pure hardware such as a CPU, and may include firmware, an OS, and peripheral devices.

なお、以上説明した様に、本発明の構成は、ソフトウェア的に実現しても良いし、ハードウェア的に実現しても良い。   As described above, the configuration of the present invention may be realized by software or hardware.

本発明に係る燃料電池システムは、電解質膜の乾燥促進および局所反応等の問題に適切に対応できて、燃料電池の停止および発電を反復しても燃料電池の性能安定化が図れて、例えばポータブル電源、携帯機器用電源、電気自動車用電源、家庭用の燃料電池システムとして有用である。   The fuel cell system according to the present invention can appropriately cope with problems such as acceleration of drying of the electrolyte membrane and local reaction, and can stabilize the performance of the fuel cell even if the fuel cell is stopped and generated repeatedly. It is useful as a power source, a power source for portable devices, a power source for electric vehicles, and a household fuel cell system.

本発明の実施の形態1〜3と従来例における高分子電解質型燃料電池の単電池の一部の構造を示す。The structure of a part of the unit cell of the polymer electrolyte fuel cell in Embodiments 1 to 3 of the present invention and the conventional example is shown. 本発明の実施の形態1〜3と従来例における高分子電解質型燃料電池を積層したスタックの構造を示す。The structure of the stack which laminated | stacked the polymer electrolyte fuel cell in Embodiment 1-3 of this invention and a prior art example is shown. 本発明の実施の形態1〜3における高分子電解質型燃料電池システムを示す構成図である。It is a block diagram which shows the polymer electrolyte fuel cell system in Embodiment 1-3 of this invention. 本発明の実施の形態1における高分子電解質型燃料電池システムの動作を説明するためのフローチャートを示す図である。It is a figure which shows the flowchart for demonstrating operation | movement of the polymer electrolyte fuel cell system in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態2における高分子電解質型燃料電池システムの動作を説明するためのフローチャートを示す図である。It is a figure which shows the flowchart for demonstrating operation | movement of the polymer electrolyte fuel cell system in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3における高分子電解質型燃料電池システムの動作を説明するためのフローチャートを示す図である。It is a figure which shows the flowchart for demonstrating operation | movement of the polymer electrolyte fuel cell system in Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態1における高分子電解質型燃料電池システムの停止工程1の詳細を説明するためのフローチャートを示す図である。It is a figure which shows the flowchart for demonstrating the detail of the stop process 1 of the polymer electrolyte fuel cell system in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態4における燃料電池システムを示す構成図である。It is a block diagram which shows the fuel cell system in Embodiment 4 of this invention. 本発明の実施の形態5における燃料電池システムを示す構成図である。It is a block diagram which shows the fuel cell system in Embodiment 5 of this invention. 電解質接合体(MEA;Membrane-Electrode Assembly)を備えた固体高分子電解質形の燃料電池の断面図である。1 is a cross-sectional view of a solid polymer electrolyte fuel cell equipped with an electrolyte assembly (MEA). 燃料電池発電装置の基本構成を示したブロック図である。It is the block diagram which showed the basic composition of the fuel cell power generation device. 本発明の実施の形態6に係る燃料電池発電装置の構成を示したブロック図である。It is the block diagram which showed the structure of the fuel cell power generation apparatus which concerns on Embodiment 6 of this invention. 本発明の実施の形態6に係るガス供給動作を説明するフローチャートの前半部分の図である。It is a figure of the first half part of the flowchart explaining the gas supply operation | movement which concerns on Embodiment 6 of this invention. 本発明の実施の形態6に係るガス供給動作を説明するフローチャートの後半部分の図である。It is a figure of the second half part of the flowchart explaining the gas supply operation | movement which concerns on Embodiment 6 of this invention. 燃料電池に対する印加周波数を0.1Hz〜1kHzの範囲で可変させて測定した燃料電池の交流インピーダンスプロファイル図である。It is the alternating current impedance profile figure of the fuel cell measured by varying the applied frequency with respect to the fuel cell in the range of 0.1 Hz to 1 kHz. 電解質膜の相対湿度と導電率の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the relative humidity of an electrolyte membrane, and electrical conductivity. 本発明の実施の形態7に係る燃料電池発電装置の構成を示したブロック図である。It is the block diagram which showed the structure of the fuel cell power generation apparatus which concerns on Embodiment 7 of this invention. 本発明の実施の形態7に係るガス供給動作を説明するフローチャートの前半部分の図である。It is a figure of the first half part of the flowchart explaining the gas supply operation | movement which concerns on Embodiment 7 of this invention. 本発明の実施の形態7に係るガス供給動作を説明するフローチャートの後半部分の図である。It is a figure of the second half part of the flowchart explaining the gas supply operation | movement which concerns on Embodiment 7 of this invention. 本発明の実施の形態8に係る燃料電池発電装置の構成を示したブロック図である。It is the block diagram which showed the structure of the fuel cell power generation apparatus which concerns on Embodiment 8 of this invention. 本発明の実施の形態8に係るガス供給動作を説明するフローチャートの前半部分の図である。It is a figure of the first half part of the flowchart explaining the gas supply operation | movement which concerns on Embodiment 8 of this invention. 本発明の実施の形態8に係るガス供給動作を説明するフローチャートの後半部分の図である。It is a figure of the second half part of the flowchart explaining the gas supply operation | movement which concerns on Embodiment 8 of this invention. 起動停止回数に基づくMEA電圧の特性評価結果の図である。It is a figure of the characteristic evaluation result of MEA voltage based on the number of times of starting and stopping. 本発明の実施の形態9の燃料電池システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell system of Embodiment 9 of this invention. 本発明の実施の形態9の燃料電池システムの運転方法における単電池の内部抵抗の平均値の推移を示す図である。It is a figure which shows transition of the average value of the internal resistance of the single cell in the operating method of the fuel cell system of Embodiment 9 of this invention. 本発明の実施の形態9の燃料電池システムの運転方法における電池温度の推移を示す図である。It is a figure which shows transition of the battery temperature in the operating method of the fuel cell system of Embodiment 9 of this invention. 本発明の実施の形態9の燃料電池システムの運転方法における発電電力量の推移を示す図である。It is a figure which shows transition of the electric power generation amount in the operating method of the fuel cell system of Embodiment 9 of this invention. 本発明の実施の形態9の燃料電池システムの運転方法における単電池の電圧の平均値の推移を示す図である。It is a figure which shows transition of the average value of the voltage of the single cell in the operating method of the fuel cell system of Embodiment 9 of this invention. 本発明の実施の形態9の燃料電池システムにおける燃料電池スタックの一部を示す概略縦断面図である。It is a schematic longitudinal cross-sectional view which shows a part of fuel cell stack in the fuel cell system of Embodiment 9 of this invention. 本発明の実施の形態10における高分子電解質型燃料電池の単電池の一部の構造を説明するための概略断面図である。It is a schematic sectional drawing for demonstrating the structure of a part of unit cell of the polymer electrolyte fuel cell in Embodiment 10 of this invention. 本発明の実施の形態10における高分子電解質型燃料電池を積層したスタックの構造を説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating the structure of the stack which laminated | stacked the polymer electrolyte fuel cell in Embodiment 10 of this invention. 本発明の実施の形態10における燃料電池発電装置の概略図である。It is the schematic of the fuel cell power generator in Embodiment 10 of this invention. 本発明の実施の形態11における燃料電池発電装置の概略図である。It is the schematic of the fuel cell power generator in Embodiment 11 of this invention. 本発明の実施の形態10における燃料電池発電装置の起動停止運転における電圧変化と酸素濃度の関係を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the relationship between the voltage change and oxygen concentration in the start-stop operation of the fuel cell power generation device in Embodiment 10 of this invention. 本発明の実施の形態11における燃料電池発電装置の起動停止運転における電圧変化とアノードとカソードの両極間の電位変化の関係を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the relationship between the voltage change in the starting stop operation of the fuel cell power generation device in Embodiment 11 of this invention, and the electric potential change between both poles of an anode and a cathode. 本発明の比較例における燃料電池発電装置の起動停止運転における電圧変化を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the voltage change in the start-stop operation of the fuel cell power generator in the comparative example of this invention. 本発明の実施の形態10、実施の形態11および比較例における燃料電池発電装置の起動停止回数と耐久性の関係を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the relationship between the frequency | count of starting / stopping of the fuel cell power generator in Embodiment 10, Embodiment 11, and a comparative example of this invention, and durability. 従来の技術による燃料電池システムの構成図である。It is a block diagram of the fuel cell system by a prior art.

符号の説明Explanation of symbols

1 電解質
2a 触媒反応層(アノード側)
2c 触媒反応層(カソード側)
3a 拡散層(アノード側)
3c 拡散層(カソード側)
4a 電極(アノード側)
4c 電極(カソード側)
7a セパレータ(アノード側)
7c セパレータ(カソード側)
32 清浄部
35 燃料生成器
41 加湿器
43 電力回路部
44 制御部
52 電圧測定部
34 49、51、57、58 開閉弁
59、60 圧力測定部
81 燃料電池
82 燃焼生成器
83 水供給手段
84 燃焼器
85 ブロア
86 パージ用空気供給手段
87 バイパス管
88 流路切換手段
89 開閉弁
810 原料カソード供給手段
811 カソード閉止手段
812 アノード閉止手段
111 電解質膜
112a アノードの触媒反応層
112c カソードの触媒反応層
113a アノードのガス拡散層
113c カソードのガス拡散層
114a アノード
114c カソード
115a アノードの側のMEAガスケット
115c カソードの側のMEAガスケット
116a アノードに対する導電性セパレータ板
116c カソードに対する導電性セパレータ板
117 MEA
118a 燃料ガス流路
118c 酸化剤ガス流路
119a 導電性セパレータ板116aに形成された溝
119c 導電性セパレータ板116cに形成された溝
120 燃料電池セル
121 燃料電池
122 原料ガス供給手段
122p ガス清浄部
123 燃料生成器
123e 改質部
123f 変成部
123g CO除去部
124 加湿部
125 回路部
126 測定部
127 制御部
128 ブロア
129 第一の切り替え弁
130 第一の遮断弁
131 第二の遮断弁
132 第三の遮断弁
133 水除去部
134 全熱交換加湿器
135 温水加湿器
141 第一の逆止弁
142 第二の切り替え弁
143 第三の切り替え弁
144 第四の切り替え弁
145 第一の循環配管
146 第二の循環配管
147 アノード排気配管
148 第二の逆止弁
151 原料ガス分岐配管
152 第五の切り替え弁
153 第二の連結配管
154 第六の切り替え弁
155 分流弁
160 カソード排気配管
161 燃料ガス供給配管
162 酸化剤ガス供給配管
163 原料ガス供給配管
164 第一の連結配管
170a アノードのマスフローメータ
170c カソードのマスフローメータ
171 温度検知手段
172a アノードの出力端子
172c カソードの出力端子
173 インピーダンス測定器
174 第一の水供給手段
175 第二の水供給手段
201 燃料電池スタック
202 酸化剤ガス制御装置
203 燃料生成器
203b バイパス
204 電圧検知装置
205 制御部
206 電力回路部
2071〜79 電磁弁
208 ガス清浄部
209 全熱交換式加湿器
2010 温水式加湿器
2011 高周波抵抗計
2012 燃料ガス供給配管
2012a 連結管
2013 酸化剤ガス供給配管
2021 水素イオン伝導性高分子電解質膜
2022a、22b 触媒層
2023a、23b ガス拡散層
2024a アノード
2024b カソード
2025 ガスケット
2026a アノード側セパレータ板
2026b カソード側セパレータ板
2027 膜・電極接合体
2028a、28b ガス流路
2029 冷却水流路
2030 シール部
301 電解質膜
302a、302c 触媒反応層
303a、303c 拡散層
307a、307c セパレータ
3021 集電板
3022 絶縁板
3031 外筐体
3032 清浄部
3034 燃料生成器
3036 燃料電池スタック
3040 加湿器
3044 電力回路部
3045 制御部
3050、3051 酸素濃度検知器
3052 電圧検知器
1 Electrolyte 2a Catalytic reaction layer (anode side)
2c Catalytic reaction layer (cathode side)
3a Diffusion layer (anode side)
3c Diffusion layer (cathode side)
4a Electrode (Anode side)
4c electrode (cathode side)
7a Separator (Anode side)
7c Separator (cathode side)
32 Cleaner 35 Fuel Generator 41 Humidifier 43 Power Circuit Unit 44 Control Unit 52 Voltage Measurement Unit 34 49, 51, 57, 58 On-off Valve 59, 60 Pressure Measurement Unit 81 Fuel Cell 82 Combustion Generator 83 Water Supply Means 84 Combustion 85 Blower 86 Purge air supply means 87 Bypass pipe 88 Flow path switching means 89 On-off valve 810 Raw material cathode supply means 811 Cathode closing means 812 Anode closing means 111 Electrolyte membrane 112a Anode catalytic reaction layer 112c Cathode catalytic reaction layer 113a Anode Gas diffusion layer 113c Gas diffusion layer of cathode 114a Anode 114c Cathode 115a MEA gasket on anode side 115c MEA gasket on cathode side 116a Conductive separator plate for anode 116c Conductivity for cathode Separator plate 117 MEA
118a Fuel gas flow path 118c Oxidant gas flow path 119a Groove formed in the conductive separator plate 116a 119c Groove formed in the conductive separator plate 116c 120 Fuel cell 121 Fuel cell 122 Raw material gas supply means 122p Gas cleaning unit 123 Fuel generator 123e Reformer 123f Transformer 123g CO removal unit 124 Humidification unit 125 Circuit unit 126 Measurement unit 127 Control unit 128 Blower 129 First switching valve 130 First cutoff valve 131 Second cutoff valve 132 Third Shut-off valve 133 Water removal unit 134 Total heat exchange humidifier 135 Hot water humidifier 141 First check valve 142 Second switching valve 143 Third switching valve 144 Fourth switching valve 145 First circulation piping 146 Second Circulating piping 147 Anode exhaust piping 148 Second check valve 1 51 Source gas branch piping 152 Fifth switching valve 153 Second connection piping 154 Sixth switching valve 155 Split valve 160 Cathode exhaust piping 161 Fuel gas supply piping 162 Oxidant gas supply piping 163 Source gas supply piping 164 First Connecting pipe 170a Anode mass flow meter 170c Cathode mass flow meter 171 Temperature detection means 172a Anode output terminal 172c Cathode output terminal 173 Impedance measuring instrument 174 First water supply means 175 Second water supply means 201 Fuel cell stack 202 Oxidation Agent gas control device 203 Fuel generator 203b Bypass 204 Voltage detection device 205 Control unit 206 Power circuit unit 2071 to 79 Solenoid valve 208 Gas cleaning unit 209 Total heat exchange type humidifier 2010 Hot water type humidifier 2011 High Wave resistance meter 2012 Fuel gas supply pipe 2012a Connecting pipe 2013 Oxidant gas supply pipe 2021 Hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane 2022a, 22b Catalyst layer 2023a, 23b Gas diffusion layer 2024a Anode 2024b Cathode 2025 Gasket 2026a Anode side separator plate 2026b Cathode Side separator plate 2027 Membrane / electrode assembly 2028a, 28b Gas flow channel 2029 Cooling water flow channel 2030 Sealing portion 301 Electrolyte membrane 302a, 302c Catalytic reaction layer 303a, 303c Diffusion layer 307a, 307c Separator 3021 Current collector plate 3022 Insulating plate 3031 Outer casing Body 3032 Cleaning unit 3034 Fuel generator 3036 Fuel cell stack 3040 Humidifier 3044 Power circuit unit 3045 Control unit 3050, 3051 Oxygen concentration Detector 3052 voltage detector

Claims (10)

燃料ガスと酸化剤ガスとから電力を発生させる燃料電池と、
前記燃料ガスを、前記燃料電池のアノード側へ供給する燃料ガス供給手段と、
前記酸化剤ガスを、前記燃料電池のカソード側へ供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料ガスの原料ガスを、前記燃料電池へ供給する原料ガス供給手段と、
前記燃料ガス供給手段、前記酸化剤ガス供給手段および前記原料ガス供給手段を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段の制御により、
前記燃料電池の発電を開始する際に、
前記酸化剤ガス供給手段および前記燃料ガス供給手段が前記燃料電池に前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを供給する前に、前記原料ガス供給手段が前記燃料電池の、少なくともカソード側を前記原料ガスでパージする、燃料電池システム。
A fuel cell that generates power from fuel gas and oxidant gas;
Fuel gas supply means for supplying the fuel gas to the anode side of the fuel cell;
Oxidant gas supply means for supplying the oxidant gas to the cathode side of the fuel cell;
A raw material gas supply means for supplying the raw material gas of the fuel gas to the fuel cell;
Control means for controlling the fuel gas supply means, the oxidant gas supply means and the source gas supply means,
By the control of the control means,
When starting power generation of the fuel cell,
Before the oxidant gas supply means and the fuel gas supply means supply the fuel gas and the oxidant gas to the fuel cell, the source gas supply means uses the source gas at least on the cathode side of the fuel cell. A fuel cell system to be purged.
前記原料ガス供給手段は、前記燃料電池内の前記カソード側をパージした後、アノード側をパージする、請求項1に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1, wherein the source gas supply means purges the anode side after purging the cathode side in the fuel cell. 前記燃料ガス供給手段と前記燃料電池のカソード側との間に設けられた燃料ガス配管と、
前記燃料ガス配管の途中に設けられた燃料ガス開閉弁と、
前記酸化剤ガス供給手段と前記燃料電池のアノード側との間に設けられた酸化剤ガス配管と、
前記酸化剤ガス配管の途中に設けられた酸化剤ガス開閉弁と、
前記原料ガス供給手段と、前記酸化剤ガス開閉弁と前記燃料電池のカソード側との間の前記酸化剤ガス配管の一部分に接続された原料ガス配管と、
前記原料ガス配管の途中に設けられた原料ガス開閉弁とを備えた、
請求項1または第2に記載の燃料電池システム。
A fuel gas pipe provided between the fuel gas supply means and the cathode side of the fuel cell;
A fuel gas on-off valve provided in the middle of the fuel gas pipe;
An oxidant gas pipe provided between the oxidant gas supply means and the anode side of the fuel cell;
An oxidant gas on-off valve provided in the middle of the oxidant gas pipe;
A source gas pipe connected to a part of the oxidant gas pipe between the source gas supply means, the oxidant gas on-off valve and the cathode side of the fuel cell;
A source gas on-off valve provided in the middle of the source gas pipe,
The fuel cell system according to claim 1 or 2.
前記燃料電池のカソード側から排出されるオフガスを排出するカソード側排出配管と、
前記カソード側排出配管の途中に設けられたカソード側オフガス開閉弁と、
前記パージを、
前記カソード側オフガス開閉弁を開け、
前記原料ガス開閉弁を所定の期間開けた後閉じる、ことにより行う、請求項3に記載の燃料電池システム。
A cathode side discharge pipe for discharging off-gas discharged from the cathode side of the fuel cell;
A cathode-side off-gas on-off valve provided in the middle of the cathode-side exhaust pipe;
The purge,
Open the cathode side off-gas on-off valve,
The fuel cell system according to claim 3, wherein the raw material gas on-off valve is opened after being opened for a predetermined period and then closed.
前記原料ガス供給手段と、前記燃料ガス開閉弁と前記燃料電池のアノード側との間との間の前記原料ガス配管の一部分に接続された付加原料ガス配管と、
前記付加原料ガス配管の途中に設けられた付加原料ガス開閉弁と、
前記燃料電池のアノード側から排出されるオフガスを排出するアノード側排出配管と、
前記アノード側排出配管の途中に設けられたアノード側オフガス開閉弁とを備え、
前記パージを、
前記原料ガス開閉弁を開けた後に、
さらに前記アノード側オフガス開閉弁を開け、
前記付加原料ガス開閉弁を所定の期間開ける、ことにより行う、請求項4に記載の燃料電池システム。
An additional source gas pipe connected to a part of the source gas pipe between the source gas supply means and between the fuel gas on-off valve and the anode side of the fuel cell;
An additional raw material gas on-off valve provided in the middle of the additional raw material gas pipe;
An anode side discharge pipe for discharging off-gas discharged from the anode side of the fuel cell;
An anode-side off-gas on-off valve provided in the middle of the anode-side exhaust pipe,
The purge,
After opening the source gas on-off valve,
Furthermore, open the anode side off-gas on-off valve,
5. The fuel cell system according to claim 4, wherein the additional source gas on-off valve is opened for a predetermined period.
前記酸化剤ガス供給手段および前記燃料ガス供給手段が前記燃料電池に前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを供給する動作は、
前記アノード側オフガス開閉弁を開けた後に前記燃料ガス開閉弁を開け、
次いで前記カソード側オフガス開閉弁を開けた後に前記酸化剤ガス開閉弁を開ける、ことにより、行なう、請求項5に記載の燃料電池システム。
The operation in which the oxidant gas supply means and the fuel gas supply means supply the fuel gas and the oxidant gas to the fuel cell,
After opening the anode-side off-gas on-off valve, open the fuel gas on-off valve,
The fuel cell system according to claim 5, which is performed by opening the cathode-side off-gas on-off valve and then opening the oxidant gas on-off valve.
燃料ガスと酸化剤ガスとから電力を発生させる燃料電池と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料供給手段とを備えた燃料電池システムの起動方法であって、
前記燃料電池の発電を開始する際に、
前記燃料電池に前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを供給する前に、前記燃料電池の、少なくともカソード側を、前記燃料ガスを生成するのに用いる原料ガスでパージする、燃料電池発電システムの起動方法。
A fuel cell for generating electric power from a fuel gas and an oxidant gas, an oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the fuel cell, and a fuel supply means for supplying the fuel gas to the fuel cell A method for starting a fuel cell system, comprising:
When starting power generation of the fuel cell,
Prior to supplying the fuel gas and the oxidant gas to the fuel cell, at least a cathode side of the fuel cell is purged with a raw material gas used to generate the fuel gas, and a method for starting a fuel cell power generation system .
前記燃料電池内の、前記カソード側をパージした後、前記アノード側をパージする、請求項7に記載の燃料電池システムの起動方法。   The start method of the fuel cell system according to claim 7, wherein the anode side is purged after purging the cathode side in the fuel cell. 請求項7に記載の燃料電池システムの起動方法の、前記燃料電池の発電を開始する際に、前記燃料電池に前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを供給する前に、前記燃料電池の、少なくともカソード側を、前記燃料ガスを生成するのに用いる原料ガスでパージする工程を、コンピュータにより制御するためのプログラム。   8. The fuel cell system start-up method according to claim 7, wherein at least the cathode of the fuel cell is supplied before the fuel gas and the oxidant gas are supplied to the fuel cell when power generation of the fuel cell is started. A program for controlling, by a computer, a step of purging the side with a raw material gas used to generate the fuel gas. 請求項9に記載のプログラムを担持した記録媒体であって、コンピュータにより処理可能な記録媒体。   A recording medium carrying the program according to claim 9, which can be processed by a computer.
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