JP2006120385A - Fuel cell system and operation method of the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system not generating voltage shift, capable of preventing deterioration of performance when the number of stoppage is numerous, in which, hydrogen and oxygen are not mixed in a fuel gas flow passage at temporal stoppage by keeping the fuel gas flow passage in a state of sealing the fuel gas without introducing air when temporally stopping the fuel cell system for a short time. <P>SOLUTION: The fuel cell formed by interposing an electrolyte layer between a fuel electrode and an oxygen electrode comprises a fuel cell stack 20 laminated with separators interposed between them, on which fuel gas flow passages are formed along the fuel electrode; a pressure detection means detecting pressure in the fuel gas flow passage; a purging means purging the fuel gas in the fuel gas flow passage with substitution gas; and a control means stopping supply of the fuel gas to the fuel gas flow passage, selectively performing a stand-by mode performing the above purge when the pressure in the fuel gas flow passage gets to a prescribed pressure. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell system and an operation method thereof.

従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、直接型メタノール等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池が一般的である。   Conventionally, since fuel cells have high power generation efficiency and do not emit harmful substances, they have been put into practical use as power generators for industrial and household use, or as power sources for artificial satellites and spacecrafts. Development is progressing as a power source for vehicles such as buses and trucks. The fuel cell may be an alkaline aqueous solution type, a phosphoric acid type, a molten carbonate type, a solid oxide type, a direct type methanol or the like, but a solid polymer type fuel cell is generally used.

この場合、固体高分子電解質膜を2枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合したMEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)が使用される。そして、前記ガス拡散電極の一方を燃料極(アノード極)とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン(プロトン)と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極(カソード極)とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。   In this case, a MEA (Membrane Electrode Assembly) in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between two gas diffusion electrodes and joined together is used. When one of the gas diffusion electrodes is used as a fuel electrode (anode electrode) and hydrogen gas as a fuel is supplied to the surface of the gas diffusion electrode, hydrogen is decomposed into hydrogen ions (protons) and electrons, and the hydrogen ions are converted into a solid polymer electrolyte. Permeates the membrane. Further, when the other of the gas diffusion electrodes is an oxygen electrode (cathode electrode) and air as an oxidant is supplied to the surface, oxygen in the air is combined with the hydrogen ions and electrons to generate water. The An electromotive force is generated by such an electrochemical reaction.

そして、燃料電池を停止する場合には水素の供給を停止するようになっている。この場合、そのまま放置しておくと、水素が少しずつ消費され続けるので、燃料電池内における燃料極側の水素ガスの圧力が徐々に低下する。ここで、水素ガスの圧力が大気圧以下になると、酸素極側の空気がMEAを透過して燃料極側に移動するので、該燃料極側は水素と空気(酸素)との混合状態となる。そして、燃料極側における酸素濃度が一定値以上となると、MEAにおいて電位シフトが発生して1.2〔V〕以上の高電位状態となり、触媒粒子が溶出し、燃料電池の性能が低下してしまう。   And when stopping a fuel cell, supply of hydrogen is stopped. In this case, if left as it is, hydrogen continues to be consumed little by little, and the pressure of the hydrogen gas on the fuel electrode side in the fuel cell gradually decreases. Here, when the pressure of the hydrogen gas becomes atmospheric pressure or less, the oxygen electrode side air passes through the MEA and moves to the fuel electrode side, so that the fuel electrode side is in a mixed state of hydrogen and air (oxygen). . When the oxygen concentration on the fuel electrode side exceeds a certain value, a potential shift occurs in the MEA, resulting in a high potential state of 1.2 [V] or more, catalyst particles are eluted, and the performance of the fuel cell is degraded. End up.

特に、車両用の動力源として使用される燃料電池の場合、車両は目的地に到着したときだけでなく、途中でコンビニエンスストア等の店舗に立ち寄ったときにも、一時的ではあるが、停止するので、停止回数が多くなる。そのため、燃料電池の性能がより早期に低下してしまう。   In particular, in the case of a fuel cell used as a power source for a vehicle, the vehicle stops not only when it arrives at its destination but also when it stops at a store such as a convenience store on the way, although it temporarily stops. Therefore, the number of stops increases. Therefore, the performance of the fuel cell is deteriorated earlier.

そこで、電位シフトの発生を防止するために、窒素等の不活性ガスによってパージを行うことも考えられるが、この場合、不活性ガスの供給源を車両に搭載する必要があり、システムが複雑、かつ、大型になってしまう。そのため、燃料電池内における燃料極側を減圧して空気を急速に導入することによって、水素と空気(酸素)との混合状態になる時間を短くする技術が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
特開2002−324564号公報
Therefore, in order to prevent the occurrence of potential shift, purging with an inert gas such as nitrogen may be considered, but in this case, it is necessary to mount an inert gas supply source on the vehicle, and the system is complicated. And it becomes large. For this reason, a technique has been proposed in which the time required for a mixed state of hydrogen and air (oxygen) is shortened by reducing the pressure on the fuel electrode side in the fuel cell and rapidly introducing air (for example, Patent Document 1). reference.).
JP 2002-324564 A

しかしながら、前記従来の燃料電池システムにおいては、燃料電池内における燃料極側を減圧しても水素を完全に排出することができないので、空気を導入した時点で水素と空気(酸素)との混合状態になってしまう。   However, in the conventional fuel cell system, hydrogen cannot be completely discharged even if the fuel electrode side in the fuel cell is depressurized. Therefore, when air is introduced, a mixed state of hydrogen and air (oxygen) is introduced. Become.

本発明は、前記従来の問題点を解決して、燃料電池システムの停止時間が短い一時停止を行う場合には燃料ガス流路に空気を導入せずに燃料ガスを封入した状態を維持するようにして、一時停止の際に燃料ガス流路において水素と酸素とが混合状態にならず、停止回数が多くても、電位シフトが発生せず、性能の低下を防止することのできる燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的とする。   The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and maintains a state in which fuel gas is sealed without introducing air into the fuel gas flow path when the fuel cell system is temporarily stopped for a short stop time. Thus, when the fuel cell is temporarily stopped, hydrogen and oxygen are not mixed, and even if the number of stops is large, a potential shift does not occur and the fuel cell system can prevent performance degradation. And an operation method thereof.

そのために、本発明の燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで狭持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、前記燃料ガス流路内の圧力を検出する圧力検出手段と、前記燃料ガス流路内の燃料ガスを置換ガスによりパージするパージ手段と、運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記燃料ガス流路内の圧力が所定圧力値になると前記パージを行う待機モードを選択的に実行する制御手段とを有する。   Therefore, in the fuel cell system of the present invention, a fuel cell in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode is laminated with a separator having a fuel gas flow path formed along the fuel electrode. A fuel cell stack, a pressure detecting means for detecting the pressure in the fuel gas flow path, a purge means for purging the fuel gas in the fuel gas flow path with a replacement gas, and an operation stop command, And control means for selectively executing a standby mode in which the purge is performed when the supply of the fuel gas to the fuel gas channel is stopped and the pressure in the fuel gas channel reaches a predetermined pressure value.

本発明の他の燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで狭持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、前記燃料ガス流路内の燃料ガスを置換ガスによりパージするパージ手段と、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止してからの経過時間を計測するタイマーと、運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記経過時間が所定時間になると前記パージを行う待機モードを選択的に実行する制御手段とを有する。   In another fuel cell system of the present invention, a fuel cell in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode is stacked with a separator having a fuel gas flow path formed along the fuel electrode. A fuel cell stack; purge means for purging the fuel gas in the fuel gas passage with a replacement gas; a timer for measuring an elapsed time since the supply of fuel gas to the fuel gas passage is stopped; And a control means for selectively executing a standby mode in which the purge is performed when the elapsed time reaches a predetermined time.

本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで狭持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、前記燃料ガス流路内の圧力を検出する圧力検出手段と、前記燃料ガス流路内の燃料ガスを置換ガスによりパージするパージ手段と、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止してからの経過時間を計測するタイマーと、運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記燃料ガス流路内の圧力が所定圧力値になるか、又は、前記経過時間が所定時間になると前記パージを行う待機モードを選択的に実行する制御手段とを有する。   In still another fuel cell system of the present invention, a fuel cell having an electrolyte layer sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode is laminated with a separator having a fuel gas flow path formed along the fuel electrode. A fuel cell stack, pressure detection means for detecting the pressure in the fuel gas flow path, purge means for purging the fuel gas in the fuel gas flow path with a replacement gas, and fuel gas to the fuel gas flow path When the timer for measuring the elapsed time since the supply of the gas and the operation stop command are received, the supply of the fuel gas to the fuel gas channel is stopped, and the pressure in the fuel gas channel is a predetermined pressure. Or a control means for selectively executing a standby mode for performing the purge when the elapsed time reaches a predetermined time.

本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記所定圧力値は大気圧である。   In still another fuel cell system of the present invention, the predetermined pressure value is atmospheric pressure.

本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記所定圧力値は前記燃料ガス流路内の圧力が減少から増加に転じる最小値である。   In still another fuel cell system of the present invention, the predetermined pressure value is a minimum value at which the pressure in the fuel gas flow path starts from decreasing to increasing.

本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記所定時間は前記燃料ガス流路内に空気が進入する時間である。   In still another fuel cell system of the present invention, the predetermined time is a time during which air enters the fuel gas flow path.

本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記所定時間は電位シフトが発生する時間である。   In still another fuel cell system of the present invention, the predetermined time is a time when a potential shift occurs.

本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記待機モードと停止モードとを選択するモード選択手段を有し、前記制御手段は、運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記燃料ガス流路内の燃料ガスを置換ガスによりパージする前記停止モードを選択的に実行する。   In still another fuel cell system according to the present invention, the fuel cell system further includes mode selection means for selecting the standby mode and the stop mode, and the control means receives the operation stop command and enters the fuel gas flow path. The fuel gas supply is stopped, and the stop mode in which the fuel gas in the fuel gas flow path is purged with a replacement gas is selectively executed.

本発明の燃料電池システムの運転方法においては、燃料電池スタックにおける燃料ガス流路の燃料ガスを置換ガスによりパージすることができる燃料電池システムの運転方法であって、運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記燃料ガス流路内の圧力が所定圧力値になると前記パージを行う待機モードを選択的に実行する。   In the operation method of the fuel cell system of the present invention, the operation method of the fuel cell system is capable of purging the fuel gas in the fuel gas flow path in the fuel cell stack with the replacement gas. The supply of the fuel gas to the fuel gas channel is stopped, and the standby mode for performing the purge is selectively executed when the pressure in the fuel gas channel reaches a predetermined pressure value.

本発明の他の燃料電池システムの運転方法においては、燃料電池スタックにおける燃料ガス流路の燃料ガスを置換ガスによりパージすることができる燃料電池システムの運転方法であって、運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記経過時間が所定時間になると前記パージを行う待機モードを選択的に実行する。   In another fuel cell system operation method of the present invention, the fuel cell system operation method is capable of purging the fuel gas in the fuel gas flow path of the fuel cell stack with a replacement gas, and receives an operation stop command. Then, the supply of the fuel gas to the fuel gas passage is stopped, and the standby mode for performing the purge is selectively executed when the elapsed time reaches a predetermined time.

本発明の更に他の燃料電池システムの運転方法においては、燃料電池スタックにおける燃料ガス流路の燃料ガスを置換ガスによりパージすることができる燃料電池システムの運転方法であって、運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記燃料ガス流路内の圧力が所定圧力値になるか、又は、前記経過時間が所定時間になると前記パージを行う待機モードを選択的に実行する。   According to still another fuel cell system operation method of the present invention, a fuel cell system operation method capable of purging the fuel gas in the fuel gas flow path of the fuel cell stack with a replacement gas, wherein the operation stop command is issued. When this is received, the supply of the fuel gas to the fuel gas passage is stopped, and the purge is performed when the pressure in the fuel gas passage becomes a predetermined pressure value or when the elapsed time reaches a predetermined time. Is selectively executed.

本発明の更に他の燃料電池システムの運転方法においては、さらに、前記所定圧力値は大気圧である。   In still another fuel cell system operating method of the present invention, the predetermined pressure value is atmospheric pressure.

本発明の更に他の燃料電池システムの運転方法においては、さらに、前記所定圧力値は前記燃料ガス流路内の圧力が減少から増加に転じる最小値である。   In still another fuel cell system operation method of the present invention, the predetermined pressure value is a minimum value at which the pressure in the fuel gas flow path starts from decreasing to increasing.

本発明の更に他の燃料電池システムの運転方法においては、さらに、前記所定時間は前記燃料ガス流路内に空気が進入する時間である。   In still another fuel cell system operating method of the present invention, the predetermined time is a time during which air enters the fuel gas flow path.

本発明の更に他の燃料電池システムの運転方法においては、さらに、前記所定時間は電位シフトが発生する時間である。   In still another fuel cell system operating method of the present invention, the predetermined time is a time at which a potential shift occurs.

本発明の更に他の燃料電池システムの運転方法においては、さらに、前記待機モード、又は、運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記燃料ガス流路内の燃料ガスを置換ガスによりパージする前記停止モードを選択的に実行する。   In still another fuel cell system operation method of the present invention, when the standby mode or operation stop command is received, the supply of fuel gas to the fuel gas flow path is stopped, and the fuel gas flow The stop mode in which the fuel gas in the passage is purged with the replacement gas is selectively executed.

本発明によれば、燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで狭持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、前記燃料ガス流路内の圧力を検出する圧力検出手段と、前記燃料ガス流路内の燃料ガスを置換ガスによりパージするパージ手段と、運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記燃料ガス流路内の圧力が所定圧力値になると前記パージを行う待機モードを選択的に実行する制御手段とを有する。   According to the present invention, in a fuel cell system, a fuel cell in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode is stacked with a separator having a fuel gas flow path formed along the fuel electrode. A fuel cell stack, a pressure detecting means for detecting the pressure in the fuel gas flow path, a purge means for purging the fuel gas in the fuel gas flow path with a replacement gas, and an operation stop command, And control means for selectively executing a standby mode in which the purge is performed when the supply of the fuel gas to the fuel gas channel is stopped and the pressure in the fuel gas channel reaches a predetermined pressure value.

この場合、燃料電池システムの運転を停止する際に待機モードが選択されると、燃料ガス流路内の燃料ガスを大気中に排出しないので、燃料ガスを無駄に消費することがない。また、該燃料ガスが排出されないので、閉ざされた場所において燃料電池システムの運転を停止しても、安全上の問題が生じることがない。さらに、燃料ガス流路に燃料ガスが封入された状態が維持されるので、燃料ガス流路内において水素と酸素とが混合状態にならず、電位シフトの発生を防止することができる。そのため、停止回数が多くても、電位シフトが発生せず、燃料極の性能が低下することを防止することができる。さらに、燃料ガス流路内の圧力が所定圧力値になるとパージを行うので、燃料ガス流路内に残留している水素ガスが急速に空気に置換され、空気中の酸素と混合状態になることがない。したがって、単位セル内において電位シフトが発生せず、触媒粒子が溶出したり、燃料電池スタックの性能が低下したりすることがない。   In this case, if the standby mode is selected when the operation of the fuel cell system is stopped, the fuel gas in the fuel gas flow path is not discharged into the atmosphere, so that the fuel gas is not wasted. Further, since the fuel gas is not discharged, there is no safety problem even if the operation of the fuel cell system is stopped in a closed place. Further, since the state in which the fuel gas is sealed in the fuel gas channel is maintained, hydrogen and oxygen are not mixed in the fuel gas channel, and the occurrence of potential shift can be prevented. Therefore, even if the number of stops is large, a potential shift does not occur, and the performance of the fuel electrode can be prevented from deteriorating. Further, since purge is performed when the pressure in the fuel gas flow path reaches a predetermined pressure value, the hydrogen gas remaining in the fuel gas flow path is rapidly replaced with air and mixed with oxygen in the air. There is no. Therefore, no potential shift occurs in the unit cell, and the catalyst particles are not eluted and the performance of the fuel cell stack is not deteriorated.

さらに、他の燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで狭持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、前記燃料ガス流路内の燃料ガスを置換ガスによりパージするパージ手段と、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止してからの経過時間を計測するタイマーと、運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記経過時間が所定時間になると前記パージを行う待機モードを選択的に実行する制御手段とを有する。   Further, in another fuel cell system, a fuel cell in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode is stacked with a separator having a fuel gas flow path formed along the fuel electrode. A battery stack, purge means for purging the fuel gas in the fuel gas flow path with a replacement gas, a timer for measuring an elapsed time since the supply of the fuel gas to the fuel gas flow path is stopped, When the stop command is received, control means for stopping the supply of the fuel gas to the fuel gas flow path and selectively executing a standby mode for performing the purge when the elapsed time reaches a predetermined time.

この場合、燃料電池システムの運転を停止する際に待機モードが選択されると、燃料ガス流路内の燃料ガスを大気中に排出しないので、燃料ガスを無駄に消費することがない。また、該燃料ガスが排出されないので、閉ざされた場所において燃料電池システムの運転を停止しても、安全上の問題が生じることがない。さらに、燃料ガス流路に燃料ガスが封入された状態が維持されるので、燃料ガス流路内において水素と酸素とが混合状態にならず、電位シフトの発生を防止することができる。そのため、停止回数が多くても、電位シフトが発生せず、燃料極の性能が低下することを防止することができる。さらに、燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止してからの経過時間が所定時間になるとパージを行うので、燃料ガス流路内に残留している水素ガスが急速に空気に置換され、空気中の酸素と混合状態になることがない。したがって、単位セル内において電位シフトが発生せず、触媒粒子が溶出したり、燃料電池スタックの性能が低下したりすることがない。   In this case, if the standby mode is selected when the operation of the fuel cell system is stopped, the fuel gas in the fuel gas flow path is not discharged into the atmosphere, so that the fuel gas is not wasted. Further, since the fuel gas is not discharged, there is no safety problem even if the operation of the fuel cell system is stopped in a closed place. Further, since the state in which the fuel gas is sealed in the fuel gas channel is maintained, hydrogen and oxygen are not mixed in the fuel gas channel, and the occurrence of potential shift can be prevented. Therefore, even if the number of stops is large, a potential shift does not occur, and the performance of the fuel electrode can be prevented from deteriorating. Furthermore, since purging is performed when the elapsed time since the supply of the fuel gas to the fuel gas passage is stopped for a predetermined time, the hydrogen gas remaining in the fuel gas passage is rapidly replaced with air, It will not be mixed with oxygen in the air. Therefore, no potential shift occurs in the unit cell, and the catalyst particles are not eluted and the performance of the fuel cell stack is not deteriorated.

さらに、他の燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで狭持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、前記燃料ガス流路内の圧力を検出する圧力検出手段と、前記燃料ガス流路内の燃料ガスを置換ガスによりパージするパージ手段と、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止してからの経過時間を計測するタイマーと、運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記燃料ガス流路内の圧力が所定圧力値になるか、又は、前記経過時間が所定時間になると前記パージを行う待機モードを選択的に実行する制御手段とを有する。   Further, in another fuel cell system, a fuel cell in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode is stacked with a separator having a fuel gas flow path formed along the fuel electrode. A battery stack; pressure detection means for detecting pressure in the fuel gas flow path; purge means for purging the fuel gas in the fuel gas flow path with a replacement gas; and supply of fuel gas to the fuel gas flow path When the timer for measuring the elapsed time since the stop and the operation stop command are received, the supply of the fuel gas to the fuel gas passage is stopped, and the pressure in the fuel gas passage becomes a predetermined pressure value. Or a control unit that selectively executes a standby mode in which the purge is performed when the elapsed time reaches a predetermined time.

この場合、燃料電池システムの運転を停止する際に待機モードが選択されると、燃料ガス流路内の燃料ガスを大気中に排出しないので、燃料ガスを無駄に消費することがない。また、該燃料ガスが排出されないので、閉ざされた場所において燃料電池システムの運転を停止しても、安全上の問題が生じることがない。さらに、燃料ガス流路に燃料ガスが封入された状態が維持されるので、燃料ガス流路内において水素と酸素とが混合状態にならず、電位シフトの発生を防止することができる。そのため、停止回数が多くても、電位シフトが発生せず、燃料極の性能が低下することを防止することができる。さらに、燃料ガス流路内の圧力が所定圧力値になるか、又は、燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止してからの経過時間が所定時間になるとパージを行うので、燃料ガス流路内に残留している水素ガスが急速に空気に置換され、空気中の酸素と混合状態になることがない。したがって、単位セル内において電位シフトが発生せず、触媒粒子が溶出したり、燃料電池スタックの性能が低下したりすることがない。   In this case, if the standby mode is selected when the operation of the fuel cell system is stopped, the fuel gas in the fuel gas flow path is not discharged into the atmosphere, so that the fuel gas is not wasted. Further, since the fuel gas is not discharged, there is no safety problem even if the operation of the fuel cell system is stopped in a closed place. Further, since the state in which the fuel gas is sealed in the fuel gas channel is maintained, hydrogen and oxygen are not mixed in the fuel gas channel, and the occurrence of potential shift can be prevented. Therefore, even if the number of stops is large, a potential shift does not occur, and the performance of the fuel electrode can be prevented from deteriorating. Further, since the purge is performed when the pressure in the fuel gas passage becomes a predetermined pressure value or the elapsed time after the supply of fuel gas to the fuel gas passage is stopped for a predetermined time, the fuel gas flow The hydrogen gas remaining in the passage is rapidly replaced with air, and is not mixed with oxygen in the air. Therefore, no potential shift occurs in the unit cell, and the catalyst particles are not eluted and the performance of the fuel cell stack is not deteriorated.

さらに、燃料電池システムの運転方法においては、燃料電池スタックにおける燃料ガス流路の燃料ガスを置換ガスによりパージすることができる燃料電池システムの運転方法であって、運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記燃料ガス流路内の圧力が所定圧力値になると前記パージを行う待機モードを選択的に実行する。   Further, in the operation method of the fuel cell system, the operation method of the fuel cell system is capable of purging the fuel gas in the fuel gas flow path in the fuel cell stack with the replacement gas. The supply of the fuel gas to the fuel gas channel is stopped, and the standby mode for performing the purge is selectively executed when the pressure in the fuel gas channel reaches a predetermined pressure value.

この場合、燃料電池システムの運転を停止する際に待機モードが選択されると、燃料ガス流路内の燃料ガスを大気中に排出しないので、燃料ガスを無駄に消費することがない。また、該燃料ガスが排出されないので、閉ざされた場所において燃料電池システムの運転を停止しても、安全上の問題が生じることがない。さらに、燃料ガス流路に燃料ガスが封入された状態が維持されるので、燃料ガス流路内において水素と酸素とが混合状態にならず、電位シフトの発生を防止することができる。そのため、停止回数が多くても、電位シフトが発生せず、燃料極の性能が低下することを防止することができる。さらに、燃料ガス流路内の圧力が所定圧力値になるとパージを行うので、燃料ガス流路内に残留している水素ガスが急速に空気に置換され、空気中の酸素と混合状態になることがない。したがって、単位セル内において電位シフトが発生せず、触媒粒子が溶出したり、燃料電池スタックの性能が低下したりすることがない。   In this case, if the standby mode is selected when the operation of the fuel cell system is stopped, the fuel gas in the fuel gas flow path is not discharged into the atmosphere, so that the fuel gas is not wasted. Further, since the fuel gas is not discharged, there is no safety problem even if the operation of the fuel cell system is stopped in a closed place. Further, since the state in which the fuel gas is sealed in the fuel gas channel is maintained, hydrogen and oxygen are not mixed in the fuel gas channel, and the occurrence of potential shift can be prevented. Therefore, even if the number of stops is large, a potential shift does not occur, and the performance of the fuel electrode can be prevented from deteriorating. Further, since purge is performed when the pressure in the fuel gas flow path reaches a predetermined pressure value, the hydrogen gas remaining in the fuel gas flow path is rapidly replaced with air and mixed with oxygen in the air. There is no. Therefore, no potential shift occurs in the unit cell, and the catalyst particles are not eluted and the performance of the fuel cell stack is not deteriorated.

さらに、他の燃料電池システムの運転方法においては、燃料電池スタックにおける燃料ガス流路の燃料ガスを置換ガスによりパージすることができる燃料電池システムの運転方法であって、運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記経過時間が所定時間になると前記パージを行う待機モードを選択的に実行する。   Further, in another fuel cell system operation method, the fuel cell system operation method is capable of purging the fuel gas in the fuel gas flow path in the fuel cell stack with a replacement gas. Then, the supply of the fuel gas to the fuel gas passage is stopped, and when the elapsed time reaches a predetermined time, a standby mode for performing the purge is selectively executed.

この場合、燃料電池システムの運転を停止する際に待機モードが選択されると、燃料ガス流路内の燃料ガスを大気中に排出しないので、燃料ガスを無駄に消費することがない。また、該燃料ガスが排出されないので、閉ざされた場所において燃料電池システムの運転を停止しても、安全上の問題が生じることがない。さらに、燃料ガス流路に燃料ガスが封入された状態が維持されるので、燃料ガス流路内において水素と酸素とが混合状態にならず、電位シフトの発生を防止することができる。そのため、停止回数が多くても、電位シフトが発生せず、燃料極の性能が低下することを防止することができる。さらに、燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止してからの経過時間が所定時間になるとパージを行うので、燃料ガス流路内に残留している水素ガスが急速に空気に置換され、空気中の酸素と混合状態になることがない。したがって、単位セル内において電位シフトが発生せず、触媒粒子が溶出したり、燃料電池スタックの性能が低下したりすることがない。   In this case, if the standby mode is selected when the operation of the fuel cell system is stopped, the fuel gas in the fuel gas flow path is not discharged into the atmosphere, so that the fuel gas is not wasted. Further, since the fuel gas is not discharged, there is no safety problem even if the operation of the fuel cell system is stopped in a closed place. Further, since the state in which the fuel gas is sealed in the fuel gas channel is maintained, hydrogen and oxygen are not mixed in the fuel gas channel, and the occurrence of potential shift can be prevented. Therefore, even if the number of stops is large, a potential shift does not occur, and the performance of the fuel electrode can be prevented from deteriorating. Furthermore, since purging is performed when the elapsed time since the supply of the fuel gas to the fuel gas passage is stopped for a predetermined time, the hydrogen gas remaining in the fuel gas passage is rapidly replaced with air, It will not be mixed with oxygen in the air. Therefore, no potential shift occurs in the unit cell, and the catalyst particles are not eluted and the performance of the fuel cell stack is not deteriorated.

さらに、他の燃料電池システムの運転方法においては、燃料電池スタックにおける燃料ガス流路の燃料ガスを置換ガスによりパージすることができる燃料電池システムの運転方法であって、運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記燃料ガス流路内の圧力が所定圧力値になるか、又は、前記経過時間が所定時間になると前記パージを行う待機モードを選択的に実行する。   Further, in another fuel cell system operation method, the fuel cell system operation method is capable of purging the fuel gas in the fuel gas flow path in the fuel cell stack with a replacement gas. The fuel gas supply to the fuel gas channel is stopped, and the standby mode for performing the purge when the pressure in the fuel gas channel reaches a predetermined pressure value or when the elapsed time reaches a predetermined time is selected. Run it.

この場合、燃料電池システムの運転を停止する際に待機モードが選択されると、燃料ガス流路内の燃料ガスを大気中に排出しないので、燃料ガスを無駄に消費することがない。また、該燃料ガスが排出されないので、閉ざされた場所において燃料電池システムの運転を停止しても、安全上の問題が生じることがない。さらに、燃料ガス流路に燃料ガスが封入された状態が維持されるので、燃料ガス流路内において水素と酸素とが混合状態にならず、電位シフトの発生を防止することができる。そのため、停止回数が多くても、電位シフトが発生せず、燃料極の性能が低下することを防止することができる。さらに、燃料ガス流路内の圧力が所定圧力値になるか、又は、燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止してからの経過時間が所定時間になるとパージを行うので、燃料ガス流路内に残留している水素ガスが急速に空気に置換され、空気中の酸素と混合状態になることがない。したがって、単位セル内において電位シフトが発生せず、触媒粒子が溶出したり、燃料電池スタックの性能が低下したりすることがない。   In this case, if the standby mode is selected when the operation of the fuel cell system is stopped, the fuel gas in the fuel gas flow path is not discharged into the atmosphere, so that the fuel gas is not wasted. Further, since the fuel gas is not discharged, there is no safety problem even if the operation of the fuel cell system is stopped in a closed place. Further, since the state in which the fuel gas is sealed in the fuel gas channel is maintained, hydrogen and oxygen are not mixed in the fuel gas channel, and the occurrence of potential shift can be prevented. Therefore, even if the number of stops is large, a potential shift does not occur, and the performance of the fuel electrode can be prevented from deteriorating. Further, since the purge is performed when the pressure in the fuel gas passage becomes a predetermined pressure value or the elapsed time after the supply of fuel gas to the fuel gas passage is stopped for a predetermined time, the fuel gas flow The hydrogen gas remaining in the passage is rapidly replaced with air, and is not mixed with oxygen in the air. Therefore, no potential shift occurs in the unit cell, and the catalyst particles are not eluted and the performance of the fuel cell stack is not deteriorated.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。   FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

図において、20は燃料電池(FC)としての燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源としての燃料電池スタック20と図示されない蓄電手段としての二次電池とを併用して使用することが望ましい。   In the figure, reference numeral 20 denotes a fuel cell stack as a fuel cell (FC), which is used as a power source for vehicles such as passenger cars, buses, trucks, passenger carts, and luggage carts. Here, the vehicle is equipped with a large number of auxiliary devices that consume electricity, such as lighting devices, radios, and power windows, which are used even when the vehicle is stopped. Since the output range is extremely wide, it is desirable to use the fuel cell stack 20 as a power source and a secondary battery as a power storage means (not shown) in combination.

そして、燃料電池スタック20は、アルカリ水溶液型(AFC)、リン酸型(PAFC)、溶融炭酸塩型(MCFC)、固体酸化物型(SOFC)、直接型メタノール(DMFC)等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池(PEMFC)であることが望ましい。   The fuel cell stack 20 is of an alkaline aqueous solution type (AFC), phosphoric acid type (PAFC), molten carbonate type (MCFC), solid oxide type (SOFC), direct methanol (DMFC), or the like. However, a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) is desirable.

なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料とし、酸素又は空気を酸化剤とするPEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)型燃料電池、又は、PEM(Proton Exchange Membrane)型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該PEM型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する電解質層としての固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合した燃料電池としてのセル(Fuel Cell)を複数及び直列に結合したスタック(Stack)から成る。   More preferably, it is called a PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) type fuel cell or PEM (Proton Exchange Membrane) type fuel cell using hydrogen gas as fuel and oxygen or air as oxidant. Here, the PEM fuel cell is generally a fuel cell in which a catalyst, an electrode, and a separator are combined on both sides of a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte layer that transmits ions such as protons. Are composed of a plurality of stacks connected in series.

この場合、固体高分子電解質膜を2枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極とし、該燃料極表面に接する燃料ガス流路を介し前記燃料極に燃料ガス、すなわち、アノードガスとしての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン(プロトン)と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極とし、該酸素極表面に接する空気流路を介し前記酸素極に酸化ガス、すなわち、カソードガスとしての空気を供給すると、空気中の酸素、前記水素イオン及び電子が結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。   In this case, the solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between two gas diffusion electrodes and integrated to join. Then, when one of the gas diffusion electrodes is used as a fuel electrode, and fuel gas, that is, hydrogen gas as anode gas, is supplied to the fuel electrode through a fuel gas flow channel in contact with the surface of the fuel electrode, hydrogen is converted into hydrogen ions (protons). ) And electrons, and hydrogen ions permeate the solid polymer electrolyte membrane. Further, when the other of the gas diffusion electrodes is an oxygen electrode and an oxidizing gas, that is, air as a cathode gas, is supplied to the oxygen electrode through an air flow channel in contact with the surface of the oxygen electrode, oxygen in the air, the hydrogen ions And the electrons combine to produce water. An electromotive force is generated by such an electrochemical reaction.

また、図には、燃料電池スタック20に燃料ガスとしての水素ガスを供給する装置が示されている。なお、図示されない改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池スタック20に直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素ガスを供給することができるようにするためには、燃料貯蔵手段73に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。これにより、水素ガスがほぼ一定の圧力で、常に、十分に供給されるので、前記燃料電池スタック20は車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。この場合、前記燃料電池スタック20の出力インピーダンスは極めて低く、0に近似することが可能である。   In the figure, an apparatus for supplying hydrogen gas as fuel gas to the fuel cell stack 20 is shown. Although hydrogen gas, which is fuel taken out by reforming methanol, gasoline, or the like by a reformer (not shown), can be directly supplied to the fuel cell stack 20, it is stable and sufficient even during high-load operation of the vehicle. In order to be able to supply an amount of hydrogen gas, it is desirable to supply the hydrogen gas stored in the fuel storage means 73. Accordingly, hydrogen gas is always sufficiently supplied at a substantially constant pressure, so that the fuel cell stack 20 can follow the fluctuation of the load on the vehicle and supply a necessary current. In this case, the output impedance of the fuel cell stack 20 is extremely low and can be approximated to zero.

水素ガスは、水素吸蔵合金を収納した容器、デカリンのような水素吸蔵液体を収納した容器、水素ガスボンベ等の燃料貯蔵手段73から、燃料供給管路としての第1燃料供給管路21、及び、該第1燃料供給管路21に接続された燃料供給管路としての第2燃料供給管路33を通って、燃料電池スタック20の燃料ガス流路の入口に供給される。そして、前記第1燃料供給管路21には、水素供給電磁弁としての燃料供給電磁弁26が配設される。また、前記第2燃料供給管路33には、前記燃料ガス流路内の圧力を検出する圧力検出手段としての圧力センサ78が配設される。なお、前記燃料貯蔵手段73は、十分に大きな容量を有し、常に、十分に高い圧力の水素ガスを供給することができる能力を有するものである。なお、前記燃料貯蔵手段73は、単数であってもよいし、また、複数であってもよいし、複数の場合にはいくつであってもよい。   Hydrogen gas is stored in a container containing a hydrogen storage alloy, a container containing a hydrogen storage liquid such as decalin, a fuel storage means 73 such as a hydrogen gas cylinder, a first fuel supply line 21 as a fuel supply line, and The fuel is supplied to the inlet of the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20 through a second fuel supply pipe 33 as a fuel supply pipe connected to the first fuel supply pipe 21. The first fuel supply pipe 21 is provided with a fuel supply electromagnetic valve 26 as a hydrogen supply electromagnetic valve. The second fuel supply line 33 is provided with a pressure sensor 78 as pressure detecting means for detecting the pressure in the fuel gas flow path. The fuel storage means 73 has a sufficiently large capacity and always has a capability of supplying hydrogen gas at a sufficiently high pressure. In addition, the said fuel storage means 73 may be single, may be plural, and may be any number in the case of plural.

そして、燃料電池スタック20の燃料ガス流路の出口から未反応成分として排出される水素ガスは、燃料排出管路31を通って燃料電池スタック20の外部に排出される。前記燃料排出管路31には、回収容器としての水回収ドレインタンク60が配設されている。そして、該水回収ドレインタンク60には水と分離された水素ガスとを排出する燃料排出管路30が接続され、該燃料排出管路30には水素循環ポンプとしての吸引循環ポンプ36が配設されている。また、前記燃料排出管路30には水素循環切り替え電磁弁としての水素循環電磁弁34が配設されている。また、前記燃料排出管路30における水回収ドレインタンク60と反対側の端部は、第2燃料供給管路33に接続されている。これにより、燃料電池スタック20の外部に導出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック20の燃料ガス流路に供給して再利用することができる。   The hydrogen gas discharged as an unreacted component from the outlet of the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20 is discharged to the outside of the fuel cell stack 20 through the fuel discharge pipe 31. A water recovery drain tank 60 as a recovery container is disposed in the fuel discharge line 31. The water recovery drain tank 60 is connected to a fuel discharge line 30 for discharging water and separated hydrogen gas. The fuel discharge line 30 is provided with a suction circulation pump 36 as a hydrogen circulation pump. Has been. In addition, a hydrogen circulation solenoid valve 34 as a hydrogen circulation switching solenoid valve is disposed in the fuel discharge pipe 30. The end of the fuel discharge line 30 opposite to the water recovery drain tank 60 is connected to the second fuel supply line 33. Thereby, the hydrogen gas led out of the fuel cell stack 20 can be recovered and supplied to the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20 for reuse.

なお、前記水回収ドレインタンク60は、燃料電池システムの運転を停止する際に燃料ガス流路から排出された水素ガスを収容するための吸引タンクとしても機能する。そのため、前記水回収ドレインタンク60の容量は、置換ガスとしての空気を燃料ガス流路内へ導入して燃料ガスとしての水素ガスのパージを行うと、燃料電池スタック20の燃料ガス流路内に残留していた水素ガスが急速に水回収ドレインタンク60内に追いやられ、前記燃料ガス流路内に残留しない状態となるのに十分な大きさとなるように設定されている。すなわち、燃料電池スタック20に空気が導入される時点において、該燃料電池スタック20の燃料ガス流路内が真空になっていなくても、該燃料ガス流路内において残留している水素ガスが急速に水回収ドレインタンク60内に移動し、燃料電池スタック20内において導入された空気中の酸素と混合状態になることがないようにするために、水回収ドレインタンク60は十分に大きな容量を有するものである。   The water recovery drain tank 60 also functions as a suction tank for storing the hydrogen gas discharged from the fuel gas passage when the operation of the fuel cell system is stopped. Therefore, the capacity of the water recovery drain tank 60 is such that when air as a replacement gas is introduced into the fuel gas flow path and hydrogen gas as the fuel gas is purged, the capacity of the water recovery drain tank 60 is increased. The remaining hydrogen gas is rapidly driven into the water recovery drain tank 60, and is set so as to be large enough not to remain in the fuel gas flow path. That is, at the time when air is introduced into the fuel cell stack 20, the hydrogen gas remaining in the fuel gas flow path is rapidly removed even if the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20 is not evacuated. The water recovery drain tank 60 has a sufficiently large capacity so that it does not move into the water recovery drain tank 60 and become mixed with oxygen in the air introduced in the fuel cell stack 20. Is.

また、前記燃料排出管路30における吸引循環ポンプ36と水素循環電磁弁34との間には、アノードガス排出管としての燃料排出管路56が接続され、該燃料排出管路56には水素排気電磁弁としての水素起動停止電磁弁56aが配設されている。これにより、燃料電池スタック20の運転終了時に水素ガスを排出することができる。   Further, a fuel discharge line 56 as an anode gas discharge pipe is connected between the suction circulation pump 36 and the hydrogen circulation solenoid valve 34 in the fuel discharge pipe 30, and the fuel discharge pipe 56 has a hydrogen exhaust gas. A hydrogen start / stop electromagnetic valve 56a as an electromagnetic valve is provided. Thereby, hydrogen gas can be discharged at the end of the operation of the fuel cell stack 20.

さらに、前記第2燃料供給管路33には、パージ手段としての外気導入管路28が接続されている。そして、該外気導入管路28には、空気導入用電磁弁としての外気導入用電磁弁28a及びエアフィルタ28bが配設され、燃料電池スタック20の運転終了時に置換ガスとしての外気を燃料ガス流路に導入して燃料ガスとしての水素ガスのパージを行うことができるようになっている。   Further, the second fuel supply line 33 is connected to an outside air introduction line 28 as a purge means. The outside air introduction conduit 28 is provided with an outside air introduction solenoid valve 28a and an air filter 28b as air introduction solenoid valves, and the outside air as a replacement gas flows into the fuel gas flow when the operation of the fuel cell stack 20 ends. It can introduce | transduce into a path | route and can purge the hydrogen gas as fuel gas.

ここで、前記燃料供給電磁弁26、外気導入用電磁弁28a、水素循環電磁弁34及び水素起動停止電磁弁56aは、いわゆる、オン−オフ式のものであり、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによって作動させられる。さらに、前記吸引循環ポンプ36は、水素ガスとともに逆拡散水を強制的に排出し、燃料ガス流路内を負圧の状態にすることができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、前記エアフィルタ28bは、空気に含まれる塵埃(じんあい)、不純物、有害ガス等を除去する。   Here, the fuel supply solenoid valve 26, the outside air introduction solenoid valve 28a, the hydrogen circulation solenoid valve 34, and the hydrogen start / stop solenoid valve 56a are so-called on-off type, such as an electric motor, a pulse motor, and an electromagnet. Actuated by an actuator consisting of Further, the suction circulation pump 36 may be of any type as long as it can forcibly discharge the reverse diffusion water together with the hydrogen gas and can bring the inside of the fuel gas passage into a negative pressure state. Good. The air filter 28b removes dust, impurities, harmful gases and the like contained in the air.

一方、酸化剤としての空気は、図示されない空気供給ファン、空気ボンベ、空気タンク等の酸化剤供給源から、吸気マニホールド等を通って、燃料電池スタック20の空気流路に供給される。なお、酸化剤として、空気に代えて酸素を使用することもできる。そして、空気流路から排出される空気は、図示されない排気マニホールド、凝縮器等を通って大気中へ排出される。   On the other hand, air as an oxidant is supplied to an air flow path of the fuel cell stack 20 from an oxidant supply source such as an air supply fan, an air cylinder, and an air tank (not shown) through an intake manifold and the like. Note that oxygen can be used as the oxidizing agent instead of air. And the air discharged | emitted from an air flow path is discharged | emitted in air | atmosphere through an exhaust manifold, a condenser, etc. which are not shown in figure.

また、前記吸気マニホールドには、水をスプレーして、燃料電池スタック20の酸素極(カソード極)を湿潤な状態に維持するための水供給ノズルが配設される。また、スプレーされた水によって前記酸素極及び燃料極を冷却することができる。さらに、前記凝縮器は、前記燃料電池スタック20から排出される空気に含まれる水分を凝縮して除去するためのもので、前記凝縮器によって凝縮された水は図示されない水タンクに回収され、水供給ノズルに供給される。   The intake manifold is provided with a water supply nozzle for spraying water to maintain the oxygen electrode (cathode electrode) of the fuel cell stack 20 in a wet state. Further, the oxygen electrode and the fuel electrode can be cooled by the sprayed water. Further, the condenser is for condensing and removing moisture contained in the air discharged from the fuel cell stack 20, and the water condensed by the condenser is collected in a water tank (not shown) Supplied to the supply nozzle.

そして、前記蓄電手段としての二次電池は、いわゆる、バッテリ(蓄電池)であり、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が一般的である。なお、前記蓄電手段は、必ずしもバッテリでなくてもよく、電気二重層キャパシタのようなキャパシタ(コンデンサ)、フライホイール、超伝導コイル、蓄圧器等のように、エネルギを電気的に蓄積し放出する機能を有するものであれば、いかなる形態のものであってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独で使用してもよいし、複数のものを組み合わせて使用してもよい。   The secondary battery as the power storage means is a so-called battery (storage battery), and a lead storage battery, a nickel cadmium battery, a nickel hydrogen battery, a lithium ion battery, a sodium sulfur battery, and the like are generally used. The power storage means does not necessarily have to be a battery, and electrically stores and discharges energy, such as a capacitor (capacitor) such as an electric double layer capacitor, a flywheel, a superconducting coil, and a pressure accumulator. Any form may be used as long as it has a function. Furthermore, any of these may be used alone, or a plurality of them may be used in combination.

また、前記燃料電池スタック20は図示されない負荷に接続され、発生した電流を前記負荷に供給する。ここで、該負荷は、一般的には、駆動制御装置であるインバータ装置であり、前記燃料電池スタック20又は蓄電手段からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動モータに供給する。ここで、該駆動モータは発電機としても機能するものであり、車両の減速運転時には、いわゆる回生電流を発生する。この場合、前記駆動モータは車輪によって回転させられて発電するので、前記車輪にブレーキをかける、すなわち、車両の制動装置(ブレーキ)として機能する。そして、前記回生電流が蓄電手段に供給されて該蓄電手段が充電される。   The fuel cell stack 20 is connected to a load (not shown) and supplies the generated current to the load. Here, the load is generally an inverter device that is a drive control device, and converts a direct current from the fuel cell stack 20 or the power storage means into an alternating current to rotate a vehicle wheel. To supply. Here, the drive motor also functions as a generator, and generates a so-called regenerative current when the vehicle is decelerated. In this case, since the drive motor is rotated by the wheel to generate electric power, the wheel is braked, that is, functions as a vehicle braking device (brake). Then, the regenerative current is supplied to the power storage means, and the power storage means is charged.

なお、本実施の形態において、燃料電池システムは図示されない制御手段を有する。該制御手段は、CPU、MPU等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、各種のセンサから燃料電池スタック20の燃料ガス流路及び空気流路に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記酸化剤供給源、燃料供給電磁弁26、外気導入用電磁弁28a、水素循環電磁弁34、吸引循環ポンプ36、水素起動停止電磁弁56a等の動作を制御する。なお、前記制御手段は、燃料電池スタック20の燃料ガス流路への水素ガスの供給を停止してからの経過時間を計測するためのタイマーも備える。そして、前記制御手段は、後述されるように、待機モード、又は、停止モードを選択的に実行する。さらに、前記制御手段は、他のセンサ及び他の制御装置と連携して、燃料電池スタック20に燃料及び酸化剤を供給するすべての装置の動作を統括的に制御する。   In the present embodiment, the fuel cell system has control means (not shown). The control means includes arithmetic means such as a CPU and MPU, storage means such as a magnetic disk and a semiconductor memory, an input / output interface and the like, and is supplied from various sensors to the fuel gas flow path and the air flow path of the fuel cell stack 20. The flow rate of hydrogen, oxygen, air, etc., temperature, output voltage, etc. are detected and the oxidant supply source, fuel supply solenoid valve 26, outside air introduction solenoid valve 28a, hydrogen circulation solenoid valve 34, suction circulation pump 36, The operation of the hydrogen start / stop solenoid valve 56a and the like is controlled. The control means also includes a timer for measuring the elapsed time since the supply of hydrogen gas to the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20 is stopped. Then, the control means selectively executes a standby mode or a stop mode, as will be described later. Furthermore, the control means controls the operation of all the devices that supply fuel and oxidant to the fuel cell stack 20 in cooperation with other sensors and other control devices.

次に、車両のメインスイッチの構成について詳細に説明する。   Next, the configuration of the main switch of the vehicle will be described in detail.

図2は本発明の実施の形態における車両のメインスイッチの構成を示す図である。なお、図2(a)はメインスイッチの正面図であり、図2(b)はキーを付けた状態のメインスイッチの斜視図である。   FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a main switch of the vehicle in the embodiment of the present invention. 2A is a front view of the main switch, and FIG. 2B is a perspective view of the main switch with a key attached.

図2において、11は燃料電池スタック20を動力源として搭載する車両のメインスイッチであり、運転者がキー挿入スロット11aにキー12を挿入して操作するようになっている。なお、前記メインスイッチ11の基本的な内部構造は、一般的な乗用車等の車両におけるメインスイッチと同様のものであるので、詳細な説明は省略する。また、前記メインスイッチ11の基本的な操作方法も、一般的な乗用車等の車両におけるメインスイッチとほぼ同様であり、キー挿入スロット11aにキー12を挿入した状態で該キー12を回転させ、その回転位置に応じた動作を車両及び燃料電池システムに行わせるようになっている。   In FIG. 2, reference numeral 11 denotes a main switch of a vehicle on which the fuel cell stack 20 is mounted as a power source, and the driver inserts the key 12 into the key insertion slot 11 a and operates. The basic internal structure of the main switch 11 is the same as that of a main switch in a vehicle such as a general passenger car, and a detailed description thereof will be omitted. Further, the basic operation method of the main switch 11 is almost the same as that of a main switch in a vehicle such as a general passenger car. The key 12 is rotated with the key 12 inserted into the key insertion slot 11a. The vehicle and the fuel cell system are configured to perform an operation corresponding to the rotational position.

本実施の形態において、キー12の回転位置は、図2(a)に示されるように、5段階に設定されており、各々、OFF、IDOL、ACC、ON及びSTARTの動作に対応する。ここで、OFFは燃料電池システムの停止であり、IDOLは燃料電池システムの一時停止であり、ACCは車両に搭載されているラジオ、前照灯等の補機の電源オンであり、ONは燃料電池システムの運転であり、STARTは燃料電池システムの運転開始である。なお、ACC、ON及びSTARTの位置では、キー12をキー挿入スロット11aから抜き取ることはできないが、OFFの位置では、キー12をキー挿入スロット11aから抜き取ることができる。さらに、IDOLの位置では、アイドリングボタン13を押し下げることによって、キー12をキー挿入スロット11aから抜き取ることができる。   In this embodiment, the rotational position of the key 12 is set in five stages as shown in FIG. 2A, and corresponds to the operations of OFF, IDOL, ACC, ON, and START, respectively. Here, OFF is a stop of the fuel cell system, IDOL is a temporary stop of the fuel cell system, ACC is a power on of an auxiliary device such as a radio and a headlight mounted on the vehicle, and ON is a fuel This is the operation of the battery system, and START is the start of operation of the fuel cell system. At the ACC, ON, and START positions, the key 12 cannot be extracted from the key insertion slot 11a, but at the OFF position, the key 12 can be extracted from the key insertion slot 11a. Further, at the IDOL position, the key 12 can be removed from the key insertion slot 11a by depressing the idling button 13.

本実施の形態においては、例えば、コンビニエンスストア等の店舗に立ち寄るときのように、車両を一時停止させる場合には、アイドリングボタン13を押し下げてIDOLの位置でキー12をキー挿入スロット11aから抜き取るようになっている。これにより、燃料電池システムの制御手段に待機モード命令が伝えられ、該制御手段は待機モードを実行するので、燃料電池システムがあらかじめ決定された所定時間以下の短時間だけ運転を停止する一時停止が行われる。なお、前記所定時間は、任意に決定することができるが、例えば、10分〜2時間程度である。そして、本実施の形態における燃料電池システムは、通常の停止を行う場合に燃料電池スタック20の燃料ガス流路から水素ガスを排出して空気を導入するのに対し、一時停止を行う場合には、燃料電池スタック20の燃料ガス流路に空気を導入せず、水素ガスを封入した状態を維持することによって、前記燃料ガス流路において水素と酸素とが混合状態となることを防止するようになっている。   In the present embodiment, for example, when the vehicle is temporarily stopped, such as when stopping at a store such as a convenience store, the idling button 13 is pushed down so that the key 12 is removed from the key insertion slot 11a at the IDOL position. It has become. As a result, a standby mode command is transmitted to the control means of the fuel cell system, and the control means executes the standby mode. Therefore, the fuel cell system is temporarily stopped to stop operation for a short period of time equal to or less than a predetermined time. Done. In addition, although the said predetermined time can be determined arbitrarily, it is about 10 minutes-2 hours, for example. In the fuel cell system according to the present embodiment, hydrogen gas is discharged from the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20 and air is introduced when performing a normal stop, whereas when performing a temporary stop. In order to prevent hydrogen and oxygen from being mixed in the fuel gas channel by maintaining the state in which hydrogen gas is sealed without introducing air into the fuel gas channel of the fuel cell stack 20. It has become.

さらに、一時停止を行う場合に水素ガスの再封入を行うことを選択するための選択手段を前記メインスイッチ11に配設することもできる。水素ガスの再封入を行うことを選択すると、一時停止を行っているときに、燃料ガス流路内の水素ガスの圧力が大気圧未満になると、水素ガスを燃料ガス流路内に再度供給して、水素ガスの再封入を行うようになっている。これにより、空気流路の空気が固体高分子電解質膜やガス拡散電極を通して燃料ガス流路に流入しないようにして、燃料ガス流路内において水素と酸素とが混合してしまうことを防止することができる。   Furthermore, the main switch 11 can be provided with a selection means for selecting to re-enclose the hydrogen gas when the suspension is performed. If you choose to re-enclose the hydrogen gas, when the hydrogen gas pressure in the fuel gas flow path becomes less than atmospheric pressure during the temporary stop, the hydrogen gas is supplied again into the fuel gas flow path. Thus, refilling of hydrogen gas is performed. This prevents the air in the air flow path from flowing into the fuel gas flow path through the solid polymer electrolyte membrane or the gas diffusion electrode, and prevents hydrogen and oxygen from mixing in the fuel gas flow path. Can do.

次に、前記構成の燃料電池システムの動作について説明する。まず、定常運転における動作について説明する。   Next, the operation of the fuel cell system having the above configuration will be described. First, the operation in steady operation will be described.

本実施の形態の燃料電池システムにおける定常運転時には、燃料貯蔵手段73の出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した一定の圧力に調整した後、前記燃料貯蔵手段73の出口から流出する水素ガスの圧力は、燃料電池システムの運転中には調整されることがなく、そのままの状態が保持される。また、酸化剤供給源は常に一定量の空気を燃料電池スタック20の空気流路に供給するように作動する。この場合、供給される空気の量は、燃料電池スタック20の出力が最大となるために必要な空気の量よりも十分に多い量である。なお、燃料電池システムにおける定常運転時には、メインスイッチ11のキー挿入スロット11aに挿入されたキー12の回転位置はONの位置である。   During steady operation in the fuel cell system according to the present embodiment, the hydrogen gas flowing out from the outlet of the fuel storage unit 73 is adjusted after the pressure of the hydrogen gas flowing out from the outlet of the fuel storage unit 73 is set to a predetermined pressure. The pressure is not adjusted during the operation of the fuel cell system, and is maintained as it is. Further, the oxidant supply source always operates to supply a constant amount of air to the air flow path of the fuel cell stack 20. In this case, the amount of air supplied is an amount sufficiently larger than the amount of air necessary for the output of the fuel cell stack 20 to be maximized. During steady operation in the fuel cell system, the rotational position of the key 12 inserted into the key insertion slot 11a of the main switch 11 is the ON position.

そして、燃料電池スタック20が運転を開始すると、該燃料電池スタック20を構成する各単位セルにおいて逆拡散水が発生し、該逆拡散水が固体高分子電解質膜を透過して燃料ガス流路にまで浸透して、前記固体高分子電解質膜の燃料極側を加湿する。これにより、該固体高分子電解質膜の燃料極側は湿潤な状態となり、電気化学反応によって水素から生成された水素イオンが固体高分子電解質膜内をスムーズに移動することができる。   When the fuel cell stack 20 starts operation, reverse diffusion water is generated in each unit cell constituting the fuel cell stack 20, and the reverse diffusion water permeates the solid polymer electrolyte membrane and enters the fuel gas flow path. And the fuel electrode side of the solid polymer electrolyte membrane is humidified. As a result, the fuel electrode side of the solid polymer electrolyte membrane becomes wet, and hydrogen ions generated from hydrogen by the electrochemical reaction can move smoothly in the solid polymer electrolyte membrane.

また、前記燃料ガス流路に供給されて余剰となった水素ガスは、前記燃料ガス流路にまで浸透して余剰となった逆拡散水と混合して、気液混合物となる。該気液混合物となった水素ガスは、吸引循環ポンプ36によって吸引され、燃料電池スタック20に接続された燃料排出管路31を通って前記燃料電池スタック20の外部に導出される。そして、前記気液混合物は、燃料排出管路31を通過して水回収ドレインタンク60内に導入される。そして、比較的広い空間を備える前記水回収ドレインタンク60内に滞留することによって、重量物である水分が重力によって下方に落下し、水素ガスから逆拡散水が分離する。該逆拡散水が分離して乾燥した状態の水素ガスは、燃料排出管路30から水回収ドレインタンク60外に排出される。   Further, the surplus hydrogen gas supplied to the fuel gas flow channel is mixed with the back-diffused water that has permeated into the fuel gas flow channel and becomes surplus to form a gas-liquid mixture. The hydrogen gas that has become the gas-liquid mixture is sucked by the suction circulation pump 36 and led out of the fuel cell stack 20 through the fuel discharge pipe 31 connected to the fuel cell stack 20. The gas-liquid mixture passes through the fuel discharge pipe 31 and is introduced into the water recovery drain tank 60. Then, by staying in the water recovery drain tank 60 having a relatively wide space, heavy moisture falls downward due to gravity, and the reverse diffusion water is separated from the hydrogen gas. The hydrogen gas in a state where the reverse diffusion water is separated and dried is discharged out of the water recovery drain tank 60 from the fuel discharge pipe 30.

そして、定常運転においては、前記燃料排出管路30から排出された水素ガスは、開いた状態になっている水素循環電磁弁34を通過して、第2燃料供給管路33に導入され、再び、燃料電池スタック20の燃料ガス流路に供給されて再利用される。なお、水素起動停止電磁弁56aが閉じた状態となっているので、吸引循環ポンプ36から排出された水素ガスは、燃料排出管路56を通って大気中に排出されることなく、第2燃料供給管路33に導入される。また、外気導入用電磁弁28aも閉じた状態となっているので、大気が第2燃料供給管路33に導入されることもない。   In steady operation, the hydrogen gas discharged from the fuel discharge line 30 passes through the open hydrogen circulation electromagnetic valve 34, is introduced into the second fuel supply line 33, and again. Then, it is supplied to the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20 and reused. Since the hydrogen start / stop solenoid valve 56a is in a closed state, the hydrogen gas discharged from the suction circulation pump 36 is not discharged into the atmosphere through the fuel discharge pipe 56, but the second fuel. It is introduced into the supply line 33. Further, since the outside air introduction electromagnetic valve 28 a is also closed, the atmosphere is not introduced into the second fuel supply conduit 33.

ここで、前記燃料排出管路30は、水回収ドレインタンク60上部の側壁に接続されているので、逆拡散水が分離して軽量となった状態の水素ガスだけが、燃料排出管路30から排出され、水分が排出されることがない。また、燃料排出管路31と燃料排出管路30とは、互いに離れた位置で水回収ドレインタンク60上部の側壁に接続されているので、燃料排出管路31から水回収ドレインタンク60内に導入された気液混合物が、そのまま燃料排出管路30から流出してしまうこともない。これにより、燃料ガス流路に浸透して余剰となった逆拡散水を適切にトラップすることができ、余剰となった水素ガスを回収して、再利用することができる。   Here, since the fuel discharge line 30 is connected to the side wall of the upper part of the water recovery drain tank 60, only hydrogen gas in a state where the reverse diffusion water is separated and becomes lightweight is removed from the fuel discharge line 30. It is discharged and no water is discharged. Further, since the fuel discharge pipe 31 and the fuel discharge pipe 30 are connected to the side wall of the upper part of the water recovery drain tank 60 at a position apart from each other, they are introduced from the fuel discharge pipe 31 into the water recovery drain tank 60. The gas-liquid mixture thus made does not flow out of the fuel discharge line 30 as it is. Thereby, it is possible to appropriately trap excess reverse diffusion water that has permeated into the fuel gas flow path, and it is possible to collect and reuse the excess hydrogen gas.

一方、前記気液混合物から分離して落下した逆拡散水は、水回収ドレインタンク60内の下部に貯留水として貯留する。そして、前記水回収ドレインタンク60の容量は、大きく設定されているので、燃料電池スタック20を搭載した車両が、一度燃料である水素ガスを燃料貯蔵手段73に充填(てん)してから走行を行って、次回に水素ガスを燃料貯蔵手段73に充填するまでの間に、水回収ドレインタンク60から水分を排出する必要がない。   On the other hand, the reverse diffusion water that has been separated from the gas-liquid mixture and dropped is stored as stored water in the lower portion of the water recovery drain tank 60. Since the capacity of the water recovery drain tank 60 is set to be large, the vehicle on which the fuel cell stack 20 is mounted once travels after filling the fuel storage means 73 with hydrogen gas as fuel. It is not necessary to discharge water from the water recovery drain tank 60 until the next time hydrogen gas is filled into the fuel storage means 73.

次に、燃料電池システムの運転を停止する際の動作について説明する。まず、燃料電池システムの運転を停止する際に発生する電位シフトのタイミングについて説明する。   Next, the operation when stopping the operation of the fuel cell system will be described. First, the timing of potential shift that occurs when the operation of the fuel cell system is stopped will be described.

図3は本発明の実施の形態における燃料電池システムの運転を停止する際における燃料ガス流路内の圧力と電位シフトのタイミングとの関係を示すグラフ、図4は本発明の実施の形態における燃料電池システムの運転を停止する際における出力電圧と燃料ガス流路内の圧力との関係を示すグラフ、図5は本発明の実施の形態における待機モードにおける待機時間と燃料ガス流路内の圧力及び電位シフト時間との関係を示すグラフである。   FIG. 3 is a graph showing the relationship between the pressure in the fuel gas flow path and the potential shift timing when the operation of the fuel cell system in the embodiment of the present invention is stopped, and FIG. 4 is the fuel in the embodiment of the present invention. FIG. 5 is a graph showing the relationship between the output voltage and the pressure in the fuel gas passage when the operation of the battery system is stopped. FIG. 5 shows the standby time in the standby mode and the pressure in the fuel gas passage in the embodiment of the present invention. It is a graph which shows the relationship with electric potential shift time.

図3において縦軸には燃料ガス流路内の圧力を、横軸には時間を採ってあり、線41は燃料ガス流路内の圧力と時間との関係を示している。また、線42は燃料ガス流路内への空気の混入が開始されるタイミングを示し、線43は燃料電池スタック20の出力電圧の降下が開始されるタイミングを示し、線44は電位シフトが発生するタイミングを示し、線45は電圧降下及び電位シフトが終了するタイミングを示している。そして、図3から、燃料ガス流路内の圧力が大気圧になると燃料ガス流路内への空気の混入が開始され、燃料ガス流路内の圧力が限界値となると燃料電池スタック20の出力電圧の降下が開始されることが分かる。   In FIG. 3, the vertical axis represents the pressure in the fuel gas flow path, the horizontal axis represents time, and the line 41 represents the relationship between the pressure in the fuel gas flow path and time. A line 42 indicates the timing at which air starts to enter the fuel gas flow path, a line 43 indicates the timing at which the output voltage of the fuel cell stack 20 starts to decrease, and a line 44 causes a potential shift. The line 45 indicates the timing when the voltage drop and the potential shift are completed. From FIG. 3, when the pressure in the fuel gas flow path becomes atmospheric pressure, the mixing of air into the fuel gas flow path is started, and when the pressure in the fuel gas flow path reaches a limit value, the output of the fuel cell stack 20 It can be seen that the voltage drop starts.

また、図4は本発明の発明者が実際に試作した燃料電池スタック20を使用しての実験結果を示すグラフである。図4において縦軸には燃料ガス流路内の圧力及び燃料電池スタック20の出力電圧を、横軸には時間を採ってあり、線51は燃料電池スタック20の出力電圧と時間との関係を示し、線52は燃料ガス流路内の圧力と時間との関係を示している。また、点53は燃料ガス流路内の圧力が負圧になるポイントであり、54は電位シフトの発生が予測される時間である。なお、実際に試作した燃料電池スタック20を使用しての実験であるために、電位シフトの発生を測定することができなかった。   FIG. 4 is a graph showing experimental results using the fuel cell stack 20 actually manufactured by the inventors of the present invention. In FIG. 4, the vertical axis represents the pressure in the fuel gas flow path and the output voltage of the fuel cell stack 20, and the horizontal axis represents time, and the line 51 represents the relationship between the output voltage of the fuel cell stack 20 and time. A line 52 indicates the relationship between the pressure in the fuel gas flow path and time. Point 53 is a point at which the pressure in the fuel gas flow path becomes negative, and 54 is a time when occurrence of a potential shift is predicted. In addition, since it was an experiment using the fuel cell stack 20 that was actually prototyped, the occurrence of potential shift could not be measured.

さらに、図5は待機モードにおけるグラフであり、縦軸には燃料ガス流路内の圧力及び電位シフト時間を、横軸には待機時間を採ってある。そして、線61は電位シフト時間と待機時間との関係を示し、線62は燃料ガス流路内の圧力と待機時間との関係を示している。なお、電位シフト時間は劣化度合いに比例する。また、線63は燃料ガス流路内の圧力が大気圧になるタイミングを示し、線64は電位シフト発生が開始されるタイミングを示し、線65は電位シフトが終了するタイミングを示している。線64が示すタイミング過ぎると電位シフト時間が増大するので、劣化反応が進行しやすくなる。   Further, FIG. 5 is a graph in the standby mode, in which the vertical axis represents the pressure and potential shift time in the fuel gas flow path, and the horizontal axis represents the standby time. A line 61 indicates the relationship between the potential shift time and the standby time, and a line 62 indicates the relationship between the pressure in the fuel gas flow path and the standby time. Note that the potential shift time is proportional to the degree of deterioration. A line 63 indicates the timing when the pressure in the fuel gas flow path becomes atmospheric pressure, a line 64 indicates a timing when the potential shift starts, and a line 65 indicates a timing when the potential shift ends. If the timing indicated by the line 64 is exceeded, the potential shift time increases, so that the deterioration reaction easily proceeds.

続いて、停止モードが選択された場合の動作について説明する。   Next, the operation when the stop mode is selected will be described.

図6は本発明の実施の形態における燃料電池システムの運転を停止する際の動作を示すフローチャートである。   FIG. 6 is a flowchart showing the operation when stopping the operation of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention.

まず、車両の運転者がメインスイッチ11のキー挿入スロット11aに挿入されたキー12を回転させ、回転位置をOFFにすると、燃料電池システムの制御手段に運転の停止命令が伝えられ(ステップS1)、燃料電池システムの運転を停止する動作が開始される。この場合、前記キー12の回転位置をOFFにすることによって、停止モードが選択される。そして、前記制御手段は、運転の停止命令を受けると、燃料ガス流路への水素ガスの供給を停止し、前記燃料ガス流路内の水素ガスの空気によるパージを行う停止モードを実行する。まず、前記制御手段は、水素供給電磁弁CLOSEを実行し(ステップS2)、燃料供給電磁弁26を閉じて燃料貯蔵手段73からの水素ガスの供給を遮断する。続いて、前記制御手段は、水素循環切り替え電磁弁OFFを実行し(ステップS3)、水素循環電磁弁34を閉じて水素ガスの循環を停止させる。これにより、燃料電池スタック20の燃料ガス流路への水素ガスの供給が遮断される。   First, when the vehicle driver rotates the key 12 inserted in the key insertion slot 11a of the main switch 11 and turns the rotation position to OFF, a stop command for operation is transmitted to the control means of the fuel cell system (step S1). Then, the operation for stopping the operation of the fuel cell system is started. In this case, the stop mode is selected by turning off the rotational position of the key 12. When the control means receives an operation stop command, the control means stops the supply of hydrogen gas to the fuel gas flow path, and executes a stop mode for purging the hydrogen gas in the fuel gas flow path with air. First, the control means executes a hydrogen supply electromagnetic valve CLOSE (step S2), closes the fuel supply electromagnetic valve 26, and shuts off the supply of hydrogen gas from the fuel storage means 73. Subsequently, the control means executes the hydrogen circulation switching electromagnetic valve OFF (step S3), closes the hydrogen circulation electromagnetic valve 34, and stops the hydrogen gas circulation. Thereby, the supply of hydrogen gas to the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20 is interrupted.

続いて、前記制御手段は、水素排気電磁弁OPENを実行し(ステップS4)、水素起動停止電磁弁56aを開いて、燃料ガス流路内の水素ガスを燃料排出管路56から大気中に排出させる。この場合、吸引循環ポンプ36が作動しているので、減圧が開始され、燃料電池スタック20、水回収ドレインタンク60、第2燃料供給管路33、燃料排出管路30及び燃料排出管路31に残留している水素ガスは、吸引循環ポンプ36によって吸引され、燃料排出管路56から大気中に排出される。そして、燃料ガス流路の内部が負圧となるので、燃料ガス流路内から水素ガスが確実に速やかに除去されて排出される。なお、燃料排出管路56に水素燃焼器が配設されている場合、大気中に排出される水素ガスは、燃焼させられ、酸素と結合して水になって排出される。   Subsequently, the control means executes the hydrogen exhaust solenoid valve OPEN (step S4), opens the hydrogen start / stop solenoid valve 56a, and discharges the hydrogen gas in the fuel gas passage from the fuel discharge passage 56 to the atmosphere. Let In this case, since the suction circulation pump 36 is operating, pressure reduction is started, and the fuel cell stack 20, the water recovery drain tank 60, the second fuel supply line 33, the fuel discharge line 30, and the fuel discharge line 31 are entered. The remaining hydrogen gas is sucked by the suction circulation pump 36 and discharged from the fuel discharge pipe 56 to the atmosphere. And since the inside of a fuel gas flow path becomes a negative pressure, hydrogen gas is reliably removed from the fuel gas flow path quickly and discharged. When a hydrogen combustor is provided in the fuel discharge pipe 56, the hydrogen gas discharged into the atmosphere is burned, combined with oxygen, and discharged as water.

また、前記燃料ガス流路内の水素ガスの圧力は、圧力センサ78によって検出される。この場合、水素ガスの流れる経路において燃料供給電磁弁26から吸引循環ポンプ36までの範囲では水素ガスの圧力は同一であると考えることができるので、圧力センサ78が前記範囲内に配設されていれば、該圧力センサ78の検出する圧力は、燃料電池スタック20の燃料ガス流路の圧力に等しい。   The pressure of hydrogen gas in the fuel gas flow path is detected by a pressure sensor 78. In this case, since the pressure of the hydrogen gas can be considered to be the same in the range from the fuel supply solenoid valve 26 to the suction circulation pump 36 in the path through which the hydrogen gas flows, the pressure sensor 78 is disposed within the range. Then, the pressure detected by the pressure sensor 78 is equal to the pressure of the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20.

続いて、前記制御手段は、この状態で前記燃料ガス流路内の水素ガスの圧力があらかじめ設定された閾(しきい)値、例えば、−70〔kPaG〕未満となったか否かを判断する(ステップS5)。この場合、前記閾値が相当の負圧を示しているので、圧力が閾値未満の状態は、前記燃料ガス流路内の燃料通路に水素ガスが実質的に残留していない状態である。なお、前記制御手段は、燃料ガス流路内の水素ガスの圧力が閾値未満となるまで、前記判断を繰り返して行う。   Subsequently, the control means determines in this state whether or not the pressure of the hydrogen gas in the fuel gas channel has become less than a preset threshold value, for example, −70 [kPaG]. (Step S5). In this case, since the threshold value represents a considerable negative pressure, the state where the pressure is less than the threshold value is a state where hydrogen gas does not substantially remain in the fuel passage in the fuel gas passage. In addition, the said control means repeats the said determination until the pressure of the hydrogen gas in a fuel gas flow path becomes less than a threshold value.

そして、燃料ガス流路内の水素ガスの圧力が前記閾値未満となると、前記制御手段は、空気導入用電磁弁ONを実行し(ステップS6)、外気導入用電磁弁28aを開き、空気を燃料ガス流路内へ導入する。この場合、燃料供給電磁弁26は閉じた状態であるので、導入された空気が燃料貯蔵手段73の方へ流入することはない。これにより、燃料電池スタック20の燃料ガス流路内には空気が充満する。なお、該空気はエアフィルタ28bを通過して濾(ろ)過された空気なので、大気中に存在する塵埃、不純物、有害ガス等を含んでいない。したがって、前記燃料ガス流路における触媒等の部材が前記塵埃、不純物、有害ガス等によって汚染されたり変質させられることがない。   When the pressure of the hydrogen gas in the fuel gas flow path becomes less than the threshold, the control means executes the air introduction solenoid valve ON (step S6), opens the outside air introduction solenoid valve 28a, and fuels the air. Introduce into the gas flow path. In this case, since the fuel supply electromagnetic valve 26 is in a closed state, the introduced air does not flow toward the fuel storage means 73. Thereby, the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20 is filled with air. Since the air passes through the air filter 28b and is filtered, it does not contain dust, impurities, harmful gases, etc. present in the atmosphere. Therefore, a member such as a catalyst in the fuel gas passage is not contaminated or altered by the dust, impurities, harmful gas, or the like.

本実施の形態においては、燃料電池スタック20に吸引タンクとしても機能する水回収ドレインタンク60が接続されているので、燃料電池スタック20に空気が導入されると、前記燃料電池スタック20の燃料ガス流路内に残留していた水素ガスは、急速に水回収ドレインタンク60内に追いやられる。そのため、燃料電池スタック20に空気が導入される時点において、燃料電池スタック20の燃料ガス流路内が真空になっていなくても、該燃料ガス流路内において残留している水素ガスが導入された空気中の酸素と混合状態になることがない。したがって、単位セル内において電位シフトが発生することがないので、触媒粒子が溶出したり、燃料電池スタック20の性能が低下したりすることがない。   In the present embodiment, since the water recovery drain tank 60 that also functions as a suction tank is connected to the fuel cell stack 20, when air is introduced into the fuel cell stack 20, the fuel gas of the fuel cell stack 20 The hydrogen gas remaining in the flow path is rapidly driven into the water recovery drain tank 60. Therefore, when air is introduced into the fuel cell stack 20, the hydrogen gas remaining in the fuel gas channel is introduced even if the fuel gas channel of the fuel cell stack 20 is not evacuated. It will not be mixed with oxygen in the air. Therefore, no potential shift occurs in the unit cell, so that the catalyst particles are not eluted and the performance of the fuel cell stack 20 is not deteriorated.

この場合、水回収ドレインタンク60の容積が大きいほど、燃料電池スタック20内に残留している水素ガスが水回収ドレインタンク60内に移動する時間が短縮されるが、水回収ドレインタンク60の容積を大きくし過ぎると燃料電池システム全体が大型化してしまう。なお、空気を燃料電池スタック20の燃料ガス流路内に導入する前に、吸引循環ポンプ36が減圧ポンプとして機能し、燃料電池スタック20の燃料ガス流路内に残留している水素ガスを吸引する。この場合、吸引循環ポンプ36が減圧ポンプとしての機能も果たすので、減圧ポンプを独立して配設する必要がなく、燃料電池システム全体をコンパクトにすることができる。   In this case, the larger the volume of the water recovery drain tank 60 is, the shorter the time required for the hydrogen gas remaining in the fuel cell stack 20 to move into the water recovery drain tank 60 is. If the value is too large, the entire fuel cell system will be enlarged. Before introducing air into the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20, the suction circulation pump 36 functions as a decompression pump and sucks the hydrogen gas remaining in the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20. To do. In this case, since the suction circulation pump 36 also functions as a decompression pump, it is not necessary to provide the decompression pump independently, and the entire fuel cell system can be made compact.

続いて、前記制御手段は、この状態で燃料電池スタック20が出力する電圧があらかじめ設定された閾値、例えば、5〔V〕以下となったかを判断する(ステップS7)。ここで、前記閾値は、燃料ガス流路に水素ガスが残留しておらず、空気が充満しており、燃料極と酸素極との間に実質的に電位差が生じていない状態に対応する出力電圧の値である。なお、前記制御手段は、燃料電池スタック20が出力する電圧が閾値未満となるまで、前記判断を繰り返して行う。   Subsequently, the control means determines whether or not the voltage output from the fuel cell stack 20 in this state has become a preset threshold, for example, 5 [V] or less (step S7). Here, the threshold value is an output corresponding to a state in which no hydrogen gas remains in the fuel gas flow path, the air is filled, and a potential difference is not substantially generated between the fuel electrode and the oxygen electrode. This is the voltage value. In addition, the said control means repeats the said determination until the voltage which the fuel cell stack 20 outputs becomes less than a threshold value.

そして、燃料電池スタック20の出力が前記所定電圧以下となると、前記制御手段はすべての補機を停止させ(ステップS8)、処理を終了する。また、前記制御手段は、吸引循環ポンプ36を停止させ、外気導入用電磁弁28aを閉じ、最後に酸化剤供給源を停止させる。これにより、燃料電池スタック20の運転が停止された状態となる。   When the output of the fuel cell stack 20 becomes equal to or lower than the predetermined voltage, the control means stops all the auxiliary machines (step S8) and ends the process. The control means stops the suction circulation pump 36, closes the outside air introduction electromagnetic valve 28a, and finally stops the oxidant supply source. As a result, the operation of the fuel cell stack 20 is stopped.

次に、燃料電池システムの運転を一時停止する際の動作について説明する。ここでは、待機モードが選択された場合について説明する。   Next, an operation when the operation of the fuel cell system is temporarily stopped will be described. Here, a case where the standby mode is selected will be described.

図7は本発明の実施の形態における燃料電池システムの運転を一時停止する際の動作を示す第1のフローチャートである。   FIG. 7 is a first flowchart showing an operation when the operation of the fuel cell system in the embodiment of the present invention is temporarily stopped.

まず、車両の運転者が、アイドリングボタン13を押し下げながら、メインスイッチ11のキー挿入スロット11aに挿入されたキー12を回転させ、回転位置をIDOLにすると、燃料電池システムの制御手段に運転の停止命令としての待機モード命令が伝えられ(ステップS11)、燃料電池システムの運転を所定時間以下の短時間だけ停止する一時停止の動作が開始される。この場合、前記キー12の回転位置をIDOLにすることによって、待機モードが選択される。そして、前記制御手段は、運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への水素ガスの供給を停止し、前記燃料ガス流路内の圧力が所定圧力値になるか、又は、前記経過時間が所定時間になると前記燃料ガス流路内の水素ガスの空気によるパージを行う待機モードを実行する。そして、前記制御手段は、水素供給電磁弁CLOSEを実行し(ステップS12)、燃料供給電磁弁26を閉じて燃料貯蔵手段73からの水素ガスの供給を遮断する。   First, when the driver of the vehicle rotates the key 12 inserted into the key insertion slot 11a of the main switch 11 while pushing down the idling button 13, and sets the rotation position to IDOL, the control means of the fuel cell system stops the operation. A standby mode command as a command is transmitted (step S11), and a pause operation for stopping the operation of the fuel cell system for a short period of time equal to or less than a predetermined time is started. In this case, the standby mode is selected by setting the rotational position of the key 12 to IDOL. When the control means receives an operation stop command, the control means stops the supply of hydrogen gas to the fuel gas flow path, and the pressure in the fuel gas flow path reaches a predetermined pressure value or the progress When the time reaches a predetermined time, a standby mode for purging the hydrogen gas in the fuel gas passage with air is executed. Then, the control means executes the hydrogen supply electromagnetic valve CLOSE (step S12), closes the fuel supply electromagnetic valve 26, and shuts off the supply of hydrogen gas from the fuel storage means 73.

続いて、前記制御手段は、水素循環ポンプOFFを実行し(ステップS13)、吸引循環ポンプ36を停止させる。これにより、燃料電池スタック20の燃料ガス流路内からの水素ガスの排出を停止させる。続いて、前記制御手段は、水素循環切り替え電磁弁CLOSEを実行し(ステップS14)、水素循環電磁弁34を閉じて水素ガスの循環を停止させる。これにより、燃料電池スタック20の燃料ガス流路への水素ガスの供給が遮断され、燃料電池スタック20の燃料ガス流路に水素ガスが封入された状態が開始される。この場合、外気導入用電磁弁28aも水素起動停止電磁弁56aも閉止したままであるので、燃料電池スタック20の燃料ガス流路に水素ガスが封入された状態が維持される。   Subsequently, the control means executes the hydrogen circulation pump OFF (step S13) and stops the suction circulation pump 36. As a result, the discharge of hydrogen gas from the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20 is stopped. Subsequently, the control means executes a hydrogen circulation switching electromagnetic valve CLOSE (step S14), closes the hydrogen circulation electromagnetic valve 34, and stops the hydrogen gas circulation. As a result, the supply of hydrogen gas to the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20 is shut off, and a state in which hydrogen gas is sealed in the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20 is started. In this case, both the outside air introduction electromagnetic valve 28a and the hydrogen start / stop electromagnetic valve 56a remain closed, so that the state in which the hydrogen gas is sealed in the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20 is maintained.

続いて、前記制御手段は、この状態で前記燃料ガス流路内の水素ガスの圧力が所定圧力値としのて0〔kPaG〕、すなわち、大気圧となったか、又は、待機時間、すなわち、燃料電池スタック20の燃料ガス流路に水素ガスが封入された状態が開始されてからの経過時間が所定時間としての閾値、例えば、10分〜2時間になったか否かを判断する(ステップS15)。この場合、厳密には、前記燃料ガス流路内の水素ガスの圧力が大気圧未満となったか否か、又は、経過時間が閾値を超えたか否かが判断される。なお、前記制御手段は、燃料ガス流路内の水素ガスの圧力が大気圧未満となるか、又は、燃料ガス流路に水素ガスが封入された状態が開始されてからの経過時間が閾値を超えるまで、前記判断を繰り返して行う。また、燃料ガス流路内の水素ガスの圧力が大気圧未満となると、空気流路の空気が固体高分子電解質膜やガス拡散電極を通して燃料ガス流路に進入し、前記燃料ガス流路内の圧力が減少から増加に転じる。また、前記所定時間としての閾値は、前記燃料ガス流路内に空気が進入する時間とすることが望ましい。   Subsequently, in this state, the control means determines that the pressure of the hydrogen gas in the fuel gas flow path has become a predetermined pressure value of 0 [kPaG], that is, atmospheric pressure, or the standby time, that is, the fuel It is determined whether or not an elapsed time from the start of the state in which the hydrogen gas is sealed in the fuel gas flow path of the battery stack 20 has reached a threshold as a predetermined time, for example, 10 minutes to 2 hours (step S15). . In this case, strictly speaking, it is determined whether or not the pressure of the hydrogen gas in the fuel gas flow path has become less than atmospheric pressure, or whether or not the elapsed time has exceeded a threshold value. Note that the control means sets the threshold value for the elapsed time after the hydrogen gas pressure in the fuel gas flow path becomes lower than the atmospheric pressure or when the hydrogen gas is sealed in the fuel gas flow path. The above determination is repeated until it exceeds. Further, when the pressure of the hydrogen gas in the fuel gas passage becomes less than atmospheric pressure, the air in the air passage enters the fuel gas passage through the solid polymer electrolyte membrane or the gas diffusion electrode, and the fuel gas passage in the fuel gas passage Pressure turns from decreasing to increasing. Further, the threshold value as the predetermined time is preferably a time during which air enters the fuel gas flow path.

そして、燃料ガス流路内の水素ガスの圧力が大気圧未満となるか、又は、燃料ガス流路に水素ガスが封入された状態が開始されてからの経過時間が閾値を超えると、前記制御手段は、停止モードへ移行し(ステップS16)、処理を終了する。停止モードに移行すると、通常の停止を行う場合と同様に、前述した図3のステップS1〜S8の動作が実行され、燃料電池スタック20の運転が停止される。   When the pressure of the hydrogen gas in the fuel gas flow path becomes less than atmospheric pressure or the elapsed time from the start of the state in which the hydrogen gas is sealed in the fuel gas flow path exceeds the threshold value, the control The means shifts to the stop mode (step S16) and ends the process. When the mode is shifted to the stop mode, the operations of steps S1 to S8 in FIG. 3 described above are executed, and the operation of the fuel cell stack 20 is stopped, as in the case of performing a normal stop.

このように、燃料電池システムの停止時間が短い一時停止を行う場合、燃料ガス流路内の水素ガスを大気中に排出しないので、水素ガスを無駄に消費することがない。また、車両から水素ガスが排出されないので、車両が屋内駐車場等のような閉ざされた場所において一時停止を行っても、安全上の問題が生じることがない。さらに、燃料ガス流路に水素ガスが封入された状態が維持されるので、燃料ガス流路内において水素と酸素とが混合状態にならず、電位シフトの発生を防止することができる。   As described above, when the fuel cell system is temporarily stopped for a short time, the hydrogen gas in the fuel gas passage is not discharged into the atmosphere, so that the hydrogen gas is not wasted. Further, since hydrogen gas is not discharged from the vehicle, there is no safety problem even if the vehicle is temporarily stopped in a closed place such as an indoor parking lot. Furthermore, since the state in which the hydrogen gas is sealed in the fuel gas channel is maintained, the hydrogen and oxygen are not mixed in the fuel gas channel, and the occurrence of a potential shift can be prevented.

なお、燃料ガス流路に水素ガスが封入された状態を維持しても、時間の経過に伴って、燃料ガス流路内の水素ガスは減少する。そして、燃料ガス流路内の水素ガスの圧力が大気圧未満になると、空気流路の空気が固体高分子電解質膜やガス拡散電極を通して燃料ガス流路に流入して、水素と酸素とが混合してしまう。そこで、燃料ガス流路内の水素ガスの圧力が大気圧未満となるか、又は、燃料ガス流路に水素ガスが封入された状態が開始されてからの経過時間が閾値を超えると、停止モードに移行し、燃料ガス流路内の水素ガスを排出して、燃料ガス流路内に空気を充満させるようになっている。   Even if the state in which the hydrogen gas is sealed in the fuel gas channel is maintained, the hydrogen gas in the fuel gas channel decreases with the passage of time. When the pressure of the hydrogen gas in the fuel gas channel becomes less than atmospheric pressure, the air in the air channel flows into the fuel gas channel through the solid polymer electrolyte membrane or the gas diffusion electrode, and hydrogen and oxygen are mixed. Resulting in. Therefore, when the pressure of the hydrogen gas in the fuel gas flow path becomes less than atmospheric pressure or the elapsed time after the start of the state in which the hydrogen gas is sealed in the fuel gas flow path exceeds the threshold value, the stop mode Then, the hydrogen gas in the fuel gas channel is discharged, and the fuel gas channel is filled with air.

次に、水素ガスの再封入を行う場合の動作について説明する。   Next, the operation when resealing hydrogen gas will be described.

図8は本発明の実施の形態における燃料電池システムの運転を一時停止する際の動作を示す第2のフローチャートである。   FIG. 8 is a second flowchart showing an operation when the operation of the fuel cell system in the embodiment of the present invention is temporarily stopped.

まず、車両の運転者がメインスイッチ11のキー挿入スロット11aに挿入されたキー12を回転させ、アイドリングボタン13を押し下げ、回転位置をIDOLにすると、燃料電池システムの制御手段に運転の停止命令としての待機モード命令が伝えられ(ステップS21)、燃料電池システムの運転を所定時間以下の短時間だけ停止する一時停止の動作が開始される。この場合、前記キー12の回転位置をIDOLにすることによって、待機モードが選択される。そして、前記制御手段は、運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への水素ガスの供給を停止し、待機モードを実行する。なお、前記運転者は、水素ガスの再封入を行うことを選択するための選択手段を操作して、水素ガスの再封入を行うことを選択したものとする。そして、前記制御手段は、水素供給電磁弁CLOSEを実行し(ステップS22)、燃料供給電磁弁26を閉じて燃料貯蔵手段73からの水素ガスの供給を遮断する。   First, when the driver of the vehicle rotates the key 12 inserted in the key insertion slot 11a of the main switch 11, presses down the idling button 13, and sets the rotation position to IDOL, the control means of the fuel cell system is instructed to stop the operation. The standby mode command is transmitted (step S21), and a pause operation for stopping the operation of the fuel cell system for a short period of time equal to or shorter than a predetermined time is started. In this case, the standby mode is selected by setting the rotational position of the key 12 to IDOL. When the control means receives an operation stop command, the control means stops the supply of hydrogen gas to the fuel gas flow path and executes a standby mode. In addition, the said driver | operator shall operate the selection means for selecting performing re-encapsulation of hydrogen gas, and shall select re-encapsulation of hydrogen gas. Then, the control means executes the hydrogen supply electromagnetic valve CLOSE (step S22), closes the fuel supply electromagnetic valve 26, and shuts off the supply of hydrogen gas from the fuel storage means 73.

続いて、前記制御手段は、水素循環ポンプOFFを実行し(ステップS23)、吸引循環ポンプ36を停止させる。これにより、燃料電池スタック20の燃料ガス流路内からの水素ガスの排出を停止させる。続いて、前記制御手段は、水素循環切り替え電磁弁CLOSEを実行し(ステップS24)、水素循環電磁弁34を閉じて水素ガスの循環を停止させる。これにより、燃料電池スタック20の燃料ガス流路への水素ガスの供給が遮断され、燃料電池スタック20の燃料ガス流路に水素ガスが封入された状態が開始される。この場合、外気導入用電磁弁28aも水素起動停止電磁弁56aも閉止したままであるので、燃料電池スタック20の燃料ガス流路に水素ガスが封入された状態が維持される。   Subsequently, the control means executes the hydrogen circulation pump OFF (step S23), and stops the suction circulation pump 36. As a result, the discharge of hydrogen gas from the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20 is stopped. Subsequently, the control means executes the hydrogen circulation switching electromagnetic valve CLOSE (step S24), closes the hydrogen circulation electromagnetic valve 34, and stops the hydrogen gas circulation. As a result, the supply of hydrogen gas to the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20 is shut off, and a state in which hydrogen gas is sealed in the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20 is started. In this case, both the outside air introduction electromagnetic valve 28a and the hydrogen start / stop electromagnetic valve 56a remain closed, so that the state in which the hydrogen gas is sealed in the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20 is maintained.

続いて、前記制御手段は、この状態で前記燃料ガス流路内の水素ガスの圧力が所定圧力値としての0〔kPaG〕、すなわち、大気圧未満となったか否かを判断する(ステップS25)。そして、燃料ガス流路内の水素ガスの圧力が大気圧未満となった場合、前記制御手段は、水素供給電磁弁一定時間OPENを実行し(ステップS26)、燃料供給電磁弁26を開いて燃料貯蔵手段73からの水素ガスの再供給を一定時間だけ行わせる。これにより、燃料電池スタック20の燃料ガス流路に水素ガスを再度封入する水素再封入が行われる。なお、燃料ガス流路内の水素ガスの圧力が大気圧未満でない場合、水素再封入は行われない。   Subsequently, the control means determines in this state whether or not the pressure of the hydrogen gas in the fuel gas flow path has become 0 [kPaG] as a predetermined pressure value, that is, less than atmospheric pressure (step S25). . When the pressure of the hydrogen gas in the fuel gas flow path becomes less than atmospheric pressure, the control means executes a hydrogen supply electromagnetic valve constant time OPEN (step S26), and opens the fuel supply electromagnetic valve 26 to provide fuel. The hydrogen gas is resupplied from the storage means 73 for a predetermined time. Thereby, hydrogen re-encapsulation is performed in which the hydrogen gas is re-encapsulated in the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20. In addition, when the pressure of the hydrogen gas in the fuel gas channel is not less than atmospheric pressure, hydrogen re-encapsulation is not performed.

続いて、前記制御手段は、待機時間、すなわち、燃料電池スタック20の燃料ガス流路に水素ガスが封入された状態が開始されてからの経過時間が閾値、例えば、10分〜2時間を超えたか否かを判断する(ステップS27)。そして、燃料ガス流路に水素ガスが封入された状態が開始されてからの経過時間が閾値を超えると、前記制御手段は、停止モードへ移行し(ステップS28)、処理を終了する。停止モードに移行すると、通常の停止を行う場合と同様に、前述した図3のステップS1〜S8の動作が実行され、燃料電池スタック20の運転が停止される。また、燃料ガス流路に水素ガスが封入された状態が開始されてからの経過時間が閾値を超えていない場合、前記制御手段は、再び、大気圧未満となったか否かを判断して、前述した動作を繰り返す。   Subsequently, the control means determines that the standby time, that is, the elapsed time from the start of the state in which the hydrogen gas is sealed in the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20 exceeds a threshold, for example, 10 minutes to 2 hours. It is determined whether or not (step S27). When the elapsed time from the start of the state in which the hydrogen gas is sealed in the fuel gas flow path exceeds the threshold value, the control means shifts to the stop mode (step S28) and ends the process. When the mode is shifted to the stop mode, the operations of steps S1 to S8 in FIG. 3 described above are executed, and the operation of the fuel cell stack 20 is stopped, as in the case of performing a normal stop. In addition, when the elapsed time since the start of the state in which the hydrogen gas is sealed in the fuel gas flow path does not exceed the threshold, the control means again determines whether or not the pressure is less than atmospheric pressure, The above operation is repeated.

このように、水素ガスの再封入を行う場合、燃料ガス流路内の水素ガスの圧力が大気圧未満となると、燃料供給電磁弁26を開いて燃料貯蔵手段73からの水素ガスを燃料ガス流路内に再度供給して、水素ガスの再封入を行うようになっている。そのため、燃料ガス流路内の水素ガスの圧力が大気圧未満にならないので、空気流路の空気が固体高分子電解質膜やガス拡散電極を通して燃料ガス流路に流入することがなく、燃料ガス流路内において水素と酸素とが混合してしまうことがない。   As described above, when hydrogen gas is re-enclosed, when the pressure of the hydrogen gas in the fuel gas flow path becomes lower than the atmospheric pressure, the fuel supply electromagnetic valve 26 is opened and the hydrogen gas from the fuel storage means 73 is supplied to the fuel gas flow. The gas is supplied again into the passage and refilled with hydrogen gas. For this reason, since the pressure of the hydrogen gas in the fuel gas channel does not become less than atmospheric pressure, the air in the air channel does not flow into the fuel gas channel through the solid polymer electrolyte membrane or the gas diffusion electrode. Hydrogen and oxygen are not mixed in the road.

なお、水素ガスの再封入を多数回に亘(わた)り繰り返して行うと、多量の水素ガスを消費することになる。そこで、燃料ガス流路に水素ガスが封入された状態が開始されてからの経過時間が閾値を超えると、停止モードに移行し、燃料ガス流路内の水素ガスを排出して、燃料ガス流路内に空気を充満させるようになっている。   Note that if re-encapsulation of hydrogen gas is repeated many times, a large amount of hydrogen gas is consumed. Therefore, when the elapsed time since the start of the state in which the hydrogen gas is sealed in the fuel gas flow path exceeds the threshold value, the mode shifts to the stop mode, the hydrogen gas in the fuel gas flow path is discharged, and the fuel gas flow The road is filled with air.

次に、燃料電池システムの運転を起動する際の動作について説明する。この場合、車両の運転者がメインスイッチ11のキー挿入スロット11aに挿入されたキー12を回転させ、回転位置をSTARTにすると、制御手段は、まず、燃料供給電磁弁26、水素循環電磁弁34及び外気導入用電磁弁28aを閉じて、燃料ガス流路への水素ガス及び空気の供給を遮断する。そして、水素起動停止電磁弁56aを開いて、燃料ガス流路内の空気を燃料排出管路56から大気中に排出させる。   Next, the operation when starting the operation of the fuel cell system will be described. In this case, when the driver of the vehicle rotates the key 12 inserted in the key insertion slot 11a of the main switch 11 and sets the rotation position to START, the control means first starts the fuel supply electromagnetic valve 26 and the hydrogen circulation electromagnetic valve 34. Then, the outside air introduction electromagnetic valve 28a is closed to shut off the supply of hydrogen gas and air to the fuel gas flow path. Then, the hydrogen start / stop electromagnetic valve 56a is opened, and the air in the fuel gas flow path is discharged from the fuel discharge pipe 56 to the atmosphere.

その後、前記制御手段は燃料供給電磁弁26を開き、水素ガスを燃料ガス流路内へ導入する。この場合、外気導入用電磁弁28aは閉じた状態であるので、空気が流入することはない。これにより、燃料電池スタック20の燃料ガス流路内には水素ガスが充満し、定常運転に移行することができる。   Thereafter, the control means opens the fuel supply electromagnetic valve 26 and introduces hydrogen gas into the fuel gas flow path. In this case, since the outside air introduction electromagnetic valve 28a is in a closed state, air does not flow in. As a result, the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20 is filled with hydrogen gas, and it is possible to shift to steady operation.

本実施の形態においては、燃料電池スタック20に水回収ドレインタンク60が接続されているので、燃料電池スタック20に水素ガスが導入されると、該燃料電池スタック20の燃料ガス流路内に残留していた空気は、急速に水回収ドレインタンク60内に追いやられる。そのため、燃料電池スタック20に水素ガスが導入される時点において、前記燃料電池スタック20の燃料ガス流路内が真空になっていなくても、該燃料ガス流路内において残留している空気中の酸素が導入された水素ガスと混合状態になることがない。したがって、単位セル内において電位シフトが発生することがないので、触媒粒子が溶出したり、燃料電池スタック20の性能が低下したりすることがない。   In the present embodiment, since the water recovery drain tank 60 is connected to the fuel cell stack 20, when hydrogen gas is introduced into the fuel cell stack 20, it remains in the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20. The air that has been removed is rapidly driven into the water recovery drain tank 60. Therefore, even when the hydrogen gas is introduced into the fuel cell stack 20, even if the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20 is not evacuated, it remains in the air remaining in the fuel gas flow path. There is no mixing with hydrogen gas into which oxygen has been introduced. Therefore, no potential shift occurs in the unit cell, so that the catalyst particles are not eluted and the performance of the fuel cell stack 20 is not deteriorated.

このように、本実施の形態において、燃料電池システムは、該燃料電池システムの停止時間が短い一時停止を行うために、待機モードを選択することができる。例えば、コンビニエンスストア等の店舗に立ち寄るときのように、短時間だけ燃料電池システムの運転を停止させる場合に選択することができる。一時停止を行う場合、待機モードを選択すると燃料ガス流路内の水素ガスを大気中に排出しないので、水素ガスを無駄に消費することがない。また、車両から水素ガスが排出されないので、車両が屋内駐車場等のような閉ざされた場所において一時停止を行っても、安全上の問題が生じることがない。さらに、燃料ガス流路に水素ガスが封入された状態が維持されるので、燃料ガス流路内において水素と酸素とが混合状態にならず、電位シフトの発生を防止することができる。そのため、停止回数が多くても、電位シフトが発生せず、燃料電池スタック20の燃料ガス流路における燃料極の性能が低下することを防止することができる。   Thus, in the present embodiment, the fuel cell system can select the standby mode in order to perform a temporary stop with a short stop time of the fuel cell system. For example, it can be selected when the operation of the fuel cell system is stopped for a short period of time, such as when visiting a store such as a convenience store. When performing the temporary stop, if the standby mode is selected, the hydrogen gas in the fuel gas passage is not discharged into the atmosphere, so that the hydrogen gas is not consumed wastefully. Further, since hydrogen gas is not discharged from the vehicle, there is no safety problem even if the vehicle is temporarily stopped in a closed place such as an indoor parking lot. Furthermore, since the state in which the hydrogen gas is sealed in the fuel gas channel is maintained, the hydrogen and oxygen are not mixed in the fuel gas channel, and the occurrence of a potential shift can be prevented. Therefore, even if the number of stops is large, a potential shift does not occur, and the performance of the fuel electrode in the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20 can be prevented from being deteriorated.

また、待機モードを選択する場合に、更に水素ガスの再封入を行うことを選択することもできる。水素ガスの再封入を行うようにすると、燃料電池スタック20の燃料ガス流路に水素ガスが封入された状態で前記燃料ガス流路内の水素ガスの圧力が大気圧未満になると、前記燃料ガス流路に水素ガスが再度封入されるようになっている。そのため、経過時間が閾値を超えるまで、前記燃料ガス流路内の水素ガスの圧力が大気圧未満にならないので、空気流路の空気が固体高分子電解質膜やガス拡散電極を通して燃料ガス流路に流入することがない。したがって、該燃料ガス流路内において水素と酸素とが混合しないので、電位シフトの発生を防止することができる。   Further, when the standby mode is selected, it is possible to further select to re-enclose hydrogen gas. When the hydrogen gas is re-enclosed, when the hydrogen gas pressure in the fuel gas channel becomes less than atmospheric pressure with the hydrogen gas sealed in the fuel gas channel of the fuel cell stack 20, the fuel gas Hydrogen gas is again sealed in the flow path. Therefore, the hydrogen gas pressure in the fuel gas channel does not become less than atmospheric pressure until the elapsed time exceeds the threshold value, so that the air in the air channel flows into the fuel gas channel through the solid polymer electrolyte membrane or the gas diffusion electrode. There is no inflow. Accordingly, since hydrogen and oxygen are not mixed in the fuel gas flow path, the occurrence of a potential shift can be prevented.

さらに、待機モードが終了してもなお燃料電池スタック20の運転が再開されない場合には、停止モードを選択して通常の停止を行う場合と同様の動作が実行され、燃料電池スタック20の燃料ガス流路から排出されて空気が導入される。そのため、燃料電池スタック20内において導入された空気中の酸素と混合状態になることがない。この場合、燃料電池スタック20の燃料ガス流路から排出された水素ガスを水回収ドレインタンク60に収容するようになっている。そのため、燃料電池スタック20に空気が導入される時点において、燃料電池スタック20の燃料ガス流路内が真空になっていなくても、該燃料ガス流路内において残留している水素ガスが急速に水回収ドレインタンク60内に移動し、燃料電池スタック20内において導入された空気中の酸素と混合状態になることがない。   Further, when the operation of the fuel cell stack 20 is not resumed even after the standby mode is ended, the same operation as that in the case of performing the normal stop by selecting the stop mode is performed, and the fuel gas of the fuel cell stack 20 is The air is discharged from the flow path and introduced. Therefore, it does not become mixed with oxygen in the air introduced in the fuel cell stack 20. In this case, the hydrogen gas discharged from the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20 is accommodated in the water recovery drain tank 60. Therefore, when air is introduced into the fuel cell stack 20, even if the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20 is not evacuated, the hydrogen gas remaining in the fuel gas flow path rapidly It moves into the water recovery drain tank 60 and is not mixed with the oxygen in the air introduced in the fuel cell stack 20.

また、燃料電池システムの運転を起動する際に燃料電池スタック20の燃料ガス流路から排出された空気を水回収ドレインタンク60に収容するようになっている。そのため、燃料電池スタック20に水素ガスが導入される時点において、燃料電池スタック20の燃料ガス流路内が真空になっていなくても、該燃料ガス流路内において残留している空気が急速に水回収ドレインタンク60内に移動し、燃料電池スタック20内において導入された水素ガスと残留する空気中の酸素とが混合状態になることがない。   In addition, the air discharged from the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20 when the operation of the fuel cell system is started is accommodated in the water recovery drain tank 60. Therefore, when hydrogen gas is introduced into the fuel cell stack 20, even if the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20 is not evacuated, the remaining air in the fuel gas flow path rapidly The hydrogen gas that has moved into the water recovery drain tank 60 and introduced into the fuel cell stack 20 is not mixed with the remaining oxygen in the air.

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。   In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It can change variously based on the meaning of this invention, and does not exclude them from the scope of the present invention.

本発明の実施の形態における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 in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における車両のメインスイッチの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the main switch of the vehicle in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における燃料電池システムの運転を停止する際における燃料ガス流路内の圧力と電位シフトのタイミングとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the pressure in a fuel gas flow path when stopping the driving | operation of the fuel cell system in embodiment of this invention, and the timing of a potential shift. 本発明の実施の形態における燃料電池システムの運転を停止する際における出力電圧と燃料ガス流路内の圧力との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the output voltage at the time of stopping the driving | operation of the fuel cell system in embodiment of this invention, and the pressure in a fuel gas flow path. 本発明の実施の形態における待機モードにおける待機時間と燃料ガス流路内の圧力及び電位シフト時間との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the standby time in the standby mode in embodiment of this invention, the pressure in a fuel gas flow path, and electric potential shift time. 本発明の実施の形態における燃料電池システムの運転を停止する際の動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation | movement at the time of stopping the driving | operation of the fuel cell system in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における燃料電池システムの運転を一時停止する際の動作を示す第1のフローチャートである。It is a 1st flowchart which shows the operation | movement at the time of stopping operation | movement of the fuel cell system in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における燃料電池システムの運転を一時停止する際の動作を示す第2のフローチャートである。It is a 2nd flowchart which shows the operation | movement at the time of stopping operation | movement of the fuel cell system in embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

20 燃料電池スタック
28 外気導入管路
78 圧力センサ
20 Fuel cell stack 28 Outside air introduction line 78 Pressure sensor

Claims (16)

電解質層を燃料極と酸素極とで狭持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、
前記燃料ガス流路内の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記燃料ガス流路内の燃料ガスを置換ガスによりパージするパージ手段と、
運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記燃料ガス流路内の圧力が所定圧力値になると前記パージを行う待機モードを選択的に実行する制御手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell stack in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode, and is stacked with a separator having a fuel gas flow path formed along the fuel electrode;
Pressure detecting means for detecting the pressure in the fuel gas flow path;
Purge means for purging the fuel gas in the fuel gas flow path with a replacement gas;
Control for selectively executing a standby mode in which the purge is performed when the fuel gas passage is stopped when an operation stop command is received and the pressure in the fuel gas passage reaches a predetermined pressure value And a fuel cell system.
電解質層を燃料極と酸素極とで狭持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、
前記燃料ガス流路内の燃料ガスを置換ガスによりパージするパージ手段と、
前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止してからの経過時間を計測するタイマーと、
運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記経過時間が所定時間になると前記パージを行う待機モードを選択的に実行する制御手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell stack in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode, and is stacked with a separator having a fuel gas flow path formed along the fuel electrode;
Purge means for purging the fuel gas in the fuel gas flow path with a replacement gas;
A timer for measuring an elapsed time after stopping the supply of fuel gas to the fuel gas flow path;
A control means for stopping the supply of the fuel gas to the fuel gas flow path when receiving an operation stop command, and selectively executing a standby mode for performing the purge when the elapsed time reaches a predetermined time. A fuel cell system.
電解質層を燃料極と酸素極とで狭持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、
前記燃料ガス流路内の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記燃料ガス流路内の燃料ガスを置換ガスによりパージするパージ手段と、
前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止してからの経過時間を計測するタイマーと、
運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記燃料ガス流路内の圧力が所定圧力値になるか、又は、前記経過時間が所定時間になると前記パージを行う待機モードを選択的に実行する制御手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell stack in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode, and is stacked with a separator having a fuel gas flow path formed along the fuel electrode;
Pressure detecting means for detecting the pressure in the fuel gas flow path;
Purge means for purging the fuel gas in the fuel gas flow path with a replacement gas;
A timer for measuring an elapsed time after stopping the supply of fuel gas to the fuel gas flow path;
When the operation stop command is received, the supply of the fuel gas to the fuel gas passage is stopped, and when the pressure in the fuel gas passage becomes a predetermined pressure value or the elapsed time reaches a predetermined time, And a control means for selectively executing a standby mode for purging.
前記所定圧力値は大気圧である請求項1又は3に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1 or 3, wherein the predetermined pressure value is atmospheric pressure. 前記所定圧力値は前記燃料ガス流路内の圧力が減少から増加に転じる最小値である請求項1又は3に記載の燃料電池システム。   4. The fuel cell system according to claim 1, wherein the predetermined pressure value is a minimum value at which the pressure in the fuel gas flow path starts from decreasing to increasing. 5. 前記所定時間は前記燃料ガス流路内に空気が進入する時間である請求項2又は3に記載の燃料電池システム。   4. The fuel cell system according to claim 2, wherein the predetermined time is a time during which air enters the fuel gas flow path. 前記所定時間は電位シフトが発生する時間である請求項2又は3に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 2 or 3, wherein the predetermined time is a time at which a potential shift occurs. 前記待機モードと停止モードとを選択するモード選択手段を有し、
前記制御手段は、運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記燃料ガス流路内の燃料ガスを置換ガスによりパージする前記停止モードを選択的に実行する請求項1〜7のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
Mode selection means for selecting the standby mode and the stop mode;
Upon receiving an operation stop command, the control means selectively stops the supply of the fuel gas to the fuel gas flow path and purges the fuel gas in the fuel gas flow path with a replacement gas. The fuel cell system according to claim 1, which is executed.
燃料電池スタックにおける燃料ガス流路の燃料ガスを置換ガスによりパージすることができる燃料電池システムの運転方法であって、
運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記燃料ガス流路内の圧力が所定圧力値になると前記パージを行う待機モードを選択的に実行することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
An operation method of a fuel cell system capable of purging a fuel gas in a fuel gas flow path in a fuel cell stack with a replacement gas,
When the operation stop command is received, the supply of the fuel gas to the fuel gas passage is stopped, and the standby mode for performing the purge is selectively executed when the pressure in the fuel gas passage reaches a predetermined pressure value. A method for operating a fuel cell system.
燃料電池スタックにおける燃料ガス流路の燃料ガスを置換ガスによりパージすることができる燃料電池システムの運転方法であって、
運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記経過時間が所定時間になると前記パージを行う待機モードを選択的に実行することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
An operation method of a fuel cell system capable of purging a fuel gas in a fuel gas flow path in a fuel cell stack with a replacement gas,
When the operation stop command is received, the supply of the fuel gas to the fuel gas flow path is stopped, and the standby mode for performing the purge is selectively executed when the elapsed time reaches a predetermined time. How to operate the system.
燃料電池スタックにおける燃料ガス流路の燃料ガスを置換ガスによりパージすることができる燃料電池システムの運転方法であって、
運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記燃料ガス流路内の圧力が所定圧力値になるか、又は、前記経過時間が所定時間になると前記パージを行う待機モードを選択的に実行することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
An operation method of a fuel cell system capable of purging a fuel gas in a fuel gas flow path in a fuel cell stack with a replacement gas,
When the operation stop command is received, the supply of the fuel gas to the fuel gas passage is stopped, and when the pressure in the fuel gas passage becomes a predetermined pressure value or the elapsed time reaches a predetermined time, A method for operating a fuel cell system, wherein a standby mode for purging is selectively executed.
前記所定圧力値は大気圧である請求項9又は11に記載の燃料電池システムの運転方法。   The method of operating a fuel cell system according to claim 9 or 11, wherein the predetermined pressure value is atmospheric pressure. 前記所定圧力値は前記燃料ガス流路内の圧力が減少から増加に転じる最小値である請求項9又は11に記載の燃料電池システムの運転方法。   12. The method of operating a fuel cell system according to claim 9, wherein the predetermined pressure value is a minimum value at which the pressure in the fuel gas flow path starts from decreasing to increasing. 前記所定時間は前記燃料ガス流路内に空気が進入する時間である請求項10又は11に記載の燃料電池システムの運転方法。   The method of operating a fuel cell system according to claim 10 or 11, wherein the predetermined time is a time during which air enters the fuel gas flow path. 前記所定時間は電位シフトが発生する時間である請求項10又は11に記載の燃料電池システムの運転方法。   The method of operating a fuel cell system according to claim 10 or 11, wherein the predetermined time is a time at which a potential shift occurs. 前記待機モード、又は、運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記燃料ガス流路内の燃料ガスを置換ガスによりパージする前記停止モードを選択的に実行する請求項9〜15のいずれか1項に記載の燃料電池システムの運転方法。   Upon receipt of the standby mode or an operation stop command, the supply of the fuel gas to the fuel gas passage is stopped, and the stop mode in which the fuel gas in the fuel gas passage is purged with a replacement gas is selectively used. The method of operating a fuel cell system according to any one of claims 9 to 15, wherein the method is executed.
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