JP2006156084A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To shorten the treatment time removing residual moisture while suppressing as much as possible increase in power consumption, enlargement of constitution, and increase in complication. <P>SOLUTION: When operation stop of a fuel cell system is instructed, supply of cooling water to a fuel cell stack 1 is stopped, power generation is continued for the prescribed time, and then power generation is stopped, and air gas is introduced into an air gas passage of the fuel cell stack 1 with a cathode reaction gas supply means 4 to purge the residual moisture in the air gas passage. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、システムの運転停止後に、次回の運転、特に氷点下の低温環境下での運転に備えて、燃料電池に残留する水分を除去する技術を改善した燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system in which a technique for removing water remaining in a fuel cell is improved in preparation for the next operation, particularly in a low temperature environment below freezing after the system is stopped.

燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置であり、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち陽極（アノード極）に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の陰極（カソード極）に酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出すものである（例えば特許文献１参照）。   A fuel cell system is a device that directly converts chemical energy of a fuel into electrical energy, and supplies a fuel gas containing hydrogen to an anode (anode electrode) of a pair of electrodes provided with an electrolyte membrane interposed therebetween. Then, an oxidant gas containing oxygen is supplied to the other cathode (cathode electrode), and electric energy is taken out from the electrode by using the following electrochemical reaction that occurs on the surface of the electrolyte membrane side of the pair of electrodes. (For example, refer to Patent Document 1).

（化１）
陽極（アノード極）：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
陰極（カソード極）：２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ
アノード極に供給する燃料ガスの水素は、水素貯蔵装置から直接供給する方法、水素を含有する燃料を改質して得られた水素含有ガスを供給する方法が知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。一方、カソード極に供給する酸化剤ガスとしては、一般的に空気が利用されている。 (Chemical formula 1)
Anode (anode electrode): H 2 → 2H + + 2e −
Cathode (cathode electrode): 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O
There are known a method of supplying hydrogen of the fuel gas supplied to the anode electrode directly from a hydrogen storage device, and a method of supplying a hydrogen-containing gas obtained by reforming a fuel containing hydrogen. Examples of the hydrogen storage device include a high-pressure gas tank, a liquefied hydrogen tank, and a hydrogen storage alloy tank. As the fuel containing hydrogen, natural gas, methanol, gasoline or the like can be considered. On the other hand, air is generally used as the oxidant gas supplied to the cathode electrode.

ところで、例えば燃料電池を自動車の動力源として使用する場合や、寒冷地での定置用として使用する場合には、燃料電池が０℃以下の雰囲気にさらされることがあり、そのような状況下でも燃料電池が起動でき、通常に発電できることが望まれている。しかしながら、０℃以下の低温状態では、燃料電池を構成するセルの中に前回の発電後残留した水分が凍結して、水素ガスや空気ガスが流通する反応ガス流路が閉塞してしまったり、電極近傍に残留している水分が凍結して反応ガスの拡散を阻害してしまい、発電ができなくなるという問題があった。   By the way, for example, when a fuel cell is used as a power source for an automobile or used for stationary use in a cold region, the fuel cell may be exposed to an atmosphere of 0 ° C. or lower. It is desired that the fuel cell can be started and can generate electricity normally. However, in a low temperature state of 0 ° C. or lower, moisture remaining after the previous power generation freezes in the cells constituting the fuel cell, and the reaction gas flow path through which hydrogen gas and air gas circulate is blocked, There is a problem in that power remaining in the vicinity of the electrode freezes and hinders the diffusion of the reaction gas, making it impossible to generate power.

そこで、燃料電池を０℃以下から起動させるためには、あらかじめ燃料電池内部から水分を除去しておくことが必要となる。このため、例えば特許文献２に記載されているように、燃料電池システムの運転停止時に、加湿しない反応ガスを燃料電池内に供給して燃料電池を乾燥させ、燃料電池内が一定の湿度に達した後運転を停止するという技術が知られている。   Therefore, in order to start the fuel cell from 0 ° C. or lower, it is necessary to remove moisture from the inside of the fuel cell in advance. For this reason, as described in Patent Document 2, for example, when the fuel cell system is stopped, a non-humidified reaction gas is supplied into the fuel cell to dry the fuel cell, and the fuel cell reaches a certain humidity. A technique for stopping the operation after the operation is known.

しかし、この技術では、単に加湿しない反応ガスによって燃料電池内を乾燥させようとすると、反応ガス自身にも水分が含まれているため、乾燥までに多くの時間がかかるという問題がある。   However, this technique has a problem that if the inside of the fuel cell is dried with a reaction gas that is not simply humidified, the reaction gas itself contains water, and thus it takes a long time to dry.

この問題に対処するために、燃料電池システムの運転停止時に、反応ガスを除湿して反応ガスから水分を取り除く除湿器を設け、この除湿器で乾燥された反応ガスでもって燃料電池を乾燥させる技術が、例えば特許文献３に記載されている。さらに、同様の技術として、例えば特許文献４には、高温に加熱された乾燥空気を燃料電池に供給して燃料電池を乾燥させる技術が提案されている。   In order to cope with this problem, when the fuel cell system is shut down, a dehumidifier that dehumidifies the reaction gas to remove moisture from the reaction gas is provided, and the fuel cell is dried with the reaction gas dried by the dehumidifier. Is described in Patent Document 3, for example. Furthermore, as a similar technique, for example, Patent Document 4 proposes a technique for drying a fuel cell by supplying dry air heated to a high temperature to the fuel cell.

また、例えば特許文献５には、燃料電池の運転停止時に、運転時に燃料電池を冷却する冷却水を加熱し、この加熱した冷却水で燃料電池を所定温度に加熱して乾燥させる技術が記載されている。これらの技術は、反応ガスの温度や燃料電池の温度を高くすることで、燃料電池内部の水分を蒸発させて除去するようにしている。
特開平８−１０６９１４号公報 特開２０００−１１０７２７ 特開２００２−３１３３９４ 特開２００２−２０８４２１ 特開２００２−２４６０５４ Further, for example, Patent Document 5 describes a technique of heating cooling water that cools the fuel cell during operation and heating the fuel cell to a predetermined temperature with the heated cooling water when the fuel cell is stopped. ing. In these techniques, the temperature of the reaction gas and the temperature of the fuel cell are increased, thereby evaporating and removing the water inside the fuel cell.
JP-A-8-106914 JP 2000-110727 A JP 2002-313394 A JP 2002-208421 A JP 2002-246054 A

しかしながら、高温に加熱された乾燥空気で燃料電池を乾燥させる技術において、乾燥空気ガスの熱容量は、各燃料電池セルに対して反応ガスを分配又は収集するマニホールド部材や、燃料電池セルを構成するセパレータ部材の熱容量に比較して非常に小さい。このため、いくら反応ガスを高温に加熱して燃料電池に供給したとしても、高温の反応ガスが本来乾燥させたい流路や電極付近に到達するころには、反応ガスの温度はかなり低下してしまい、残留水分を蒸発させて除去するという効果は著しく低減してしまう。   However, in the technology of drying a fuel cell with dry air heated to a high temperature, the heat capacity of the dry air gas depends on the manifold member that distributes or collects the reaction gas to each fuel cell and the separator that constitutes the fuel cell. Very small compared to the heat capacity of the member. For this reason, no matter how much the reaction gas is heated and supplied to the fuel cell, the temperature of the reaction gas decreases considerably when the high temperature reaction gas reaches the vicinity of the flow path or electrode that is originally desired to be dried. Therefore, the effect of evaporating and removing residual moisture is significantly reduced.

一方、冷却水を加熱して燃料電池に送り込んで燃料電池を加熱する技術では、上記のような不具合は起こらずに残留水分を蒸発させて除去する効果が得られる。しかしその反面、冷却水を加熱するための加熱器が必要となる。このため、システムが大型化、複雑化してしまう。その上、冷却水を加熱するための時間と電力が必要となり、消費電力の増大ならびに水分除去処理に多大な時間を要するといった問題点がある。   On the other hand, the technique of heating the cooling water and feeding it to the fuel cell to heat the fuel cell provides the effect of evaporating and removing residual moisture without causing the above-mentioned problems. However, on the other hand, a heater for heating the cooling water is required. This increases the size and complexity of the system. In addition, time and electric power for heating the cooling water are required, and there is a problem that a great amount of time is required for an increase in power consumption and a water removal process.

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、消費電力の増大、構成の大型化、複雑化を極力抑えて、残留する水分を除去する処理時間を短縮した燃料電池システムを提供することにある。   In view of the above, the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to shorten the processing time for removing residual moisture by minimizing the increase in power consumption, the size of the configuration, and the complexity. An object of the present invention is to provide a fuel cell system.

上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料ガスと酸化剤ガスとを化学反応させて発電を行う燃料電池を備え、前記燃料電池に冷媒を流通させて発電で生じた熱を除去する燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システムの運転停止が指令されると、前記燃料電池への冷媒の供給を停止し、かつ所定時間発電を継続した後発電を停止し、その後前記燃料電池の燃料ガス流路及び／又は酸化剤ガス流路にガスを導入して水分をパージすることを特徴とする。   In order to achieve the above object, means for solving the problems of the present invention includes a fuel cell that generates electricity by chemically reacting a fuel gas and an oxidant gas, and is generated by generating electricity by circulating a refrigerant through the fuel cell. In the fuel cell system for removing heat, when the operation stop of the fuel cell system is instructed, the supply of the refrigerant to the fuel cell is stopped, and after the power generation is continued for a predetermined time, the power generation is stopped, and then Water is purged by introducing gas into the fuel gas channel and / or oxidant gas channel of the fuel cell.

本発明によれば、システムの運転停止が指令された後、燃料電池の発電で発生した熱により燃料電池を迅速に昇温させることができので、燃料電池内部に残留した水分を除去する時間を短縮することができる。   According to the present invention, after the system shutdown is instructed, the temperature of the fuel cell can be quickly raised by the heat generated by the power generation of the fuel cell. It can be shortened.

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。   DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The best embodiment for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.

図１は本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１に示す実施例１のシステムは、燃料電池スタック１、負荷２、制御装置３、カソード反応ガス供給手段４、冷却水循環手段５、冷却水タンク６を備えて構成されている。   FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. The system of the first embodiment shown in FIG. 1 includes a fuel cell stack 1, a load 2, a control device 3, a cathode reaction gas supply means 4, a cooling water circulation means 5, and a cooling water tank 6.

燃料電池スタック１は、単位燃料電池セルが複数積層されて形成され、燃料ガスの水素ガスと酸化剤ガスの空気ガスとを化学反応させて発電する。水素ガスは水素タンク（図示せず）から燃料電池スタック１に供給され、空気ガスはカソード反応ガス供給手段４から燃料電池スタック１に供給される。燃料電池スタック１の発電で得られた電力は、燃料電池スタック１から取り出されて、負荷２や図示しない２次電池、補機等に供給される。   The fuel cell stack 1 is formed by stacking a plurality of unit fuel cells, and generates electricity by chemically reacting hydrogen gas as a fuel gas and air gas as an oxidant gas. Hydrogen gas is supplied to the fuel cell stack 1 from a hydrogen tank (not shown), and air gas is supplied to the fuel cell stack 1 from the cathode reaction gas supply means 4. The electric power obtained by the power generation of the fuel cell stack 1 is taken out from the fuel cell stack 1 and supplied to the load 2, a secondary battery (not shown), an auxiliary machine, and the like.

負荷２は、燃料電池スタック１から与えられた電力を消費し、この燃料電池システムが例えば車両に搭載された場合には例えば電動モータ等で構成される。   The load 2 consumes the electric power supplied from the fuel cell stack 1, and is configured by, for example, an electric motor when the fuel cell system is mounted on a vehicle, for example.

カソード反応ガス供給手段４は、カソード反応ガスとなる空気を圧縮して加圧し、加圧した空気ガスを燃料電池スタック１に供給し、空気を圧縮するコンプレッサ等で構成される。   The cathode reaction gas supply means 4 is composed of a compressor or the like that compresses and pressurizes the air that becomes the cathode reaction gas, supplies the pressurized air gas to the fuel cell stack 1, and compresses the air.

冷却水循環手段５は、燃料電池スタック１、冷却水循環手段５ならびに冷却水タンク６を連結する冷却水流路１３を介して、冷却水タンク６に貯水される冷却水を燃料電池スタック１に循環供給して、燃料電池スタック１の発電で生じた熱を除去し、冷却水を流路を流通駆動させるポンプ等で構成される。   The cooling water circulation means 5 circulates and supplies the cooling water stored in the cooling water tank 6 to the fuel cell stack 1 via the cooling water flow path 13 connecting the fuel cell stack 1, the cooling water circulation means 5 and the cooling water tank 6. Thus, the heat generated by the power generation of the fuel cell stack 1 is removed, and the pump is configured to drive the coolant through the flow path.

制御装置３は、本システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。制御装置３は、本システムにおける各センサ（図示せず）からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、燃料電池スタック１、負荷２、カソード反応ガス供給手段４、冷却水循環手段５を含む本システムの各構成要素に指令を送り、以下に説明する残留水分の除去処理を含む本システムの運転／停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。   The control device 3 functions as a control center that controls the operation of the system, and is provided with resources such as a CPU, a storage device, and an input / output device necessary for a computer that controls various operation processes based on a program, for example, a microcomputer Etc. The control device 3 reads signals from each sensor (not shown) in this system, and based on the read various signals and control logic (program) stored in advance, the fuel cell stack 1, the load 2, the cathode reaction A command is sent to each component of the system including the gas supply means 4 and the cooling water circulation means 5, and all operations necessary for the operation / stop of the system including the residual water removal process described below are managed in an integrated manner. Control.

このような構成において、燃料電池システムの運転停止が指令されると、先ずこれと同時に制御装置３によって冷却水循環手段５を停止する。この時点では、水素ガスと空気ガスとの反応ガスは燃料電池スタック１に供給されて、燃料電池スタック１では発電が継続されている。   In such a configuration, when the operation stop of the fuel cell system is instructed, first, simultaneously with this, the control device 3 stops the cooling water circulation means 5. At this time, the reaction gas of hydrogen gas and air gas is supplied to the fuel cell stack 1, and power generation is continued in the fuel cell stack 1.

続いて、冷却水循環手段５を停止して所定時間後、制御装置３によって負荷を取るのを停止し、これと同時に燃料電池スタック１への水素の供給を停止する。水素の供給停止後予め設定された所定時間の間、カソード反応ガス供給手段４によって空気ガスが燃料電池スタック１に供給され続け、燃料電池スタック１内の残留水分が空気ガスでパージされる。   Subsequently, the cooling water circulation means 5 is stopped, and after a predetermined time, the control device 3 stops taking the load, and at the same time, the supply of hydrogen to the fuel cell stack 1 is stopped. During a predetermined time set in advance after the supply of hydrogen is stopped, air gas is continuously supplied to the fuel cell stack 1 by the cathode reaction gas supply means 4, and residual moisture in the fuel cell stack 1 is purged with the air gas.

このような動作により、システムの運転停止が指令された後であっても燃料電池スタック１の発電は継続されているが、その時には冷却水の循環が停止されているため、燃料電池スタック１の温度は上昇していく。その後、発電が停止し昇温されて高温になった燃料電池スタック１に空気ガスを供給するため、燃料電池スタック１内の空気ガス流路やカソード電極近傍に残留した水分を急速に蒸発させて除去することが可能となる。   Due to such an operation, the power generation of the fuel cell stack 1 is continued even after the system shutdown is commanded. At that time, the circulation of the cooling water is stopped. The temperature rises. Thereafter, in order to supply air gas to the fuel cell stack 1 that has been heated up and heated to a high temperature, moisture remaining in the air gas flow path in the fuel cell stack 1 and in the vicinity of the cathode electrode is rapidly evaporated. It can be removed.

例えば車両にこの燃料電池システムを搭載した場合には、低温雰囲気下でイグニッションキーをオンにして僅かな時間のみ燃料電池スタック１を発電させた後、直ちにイグニッションキーをオフにするような運転も十分に想定され、燃料電池スタック１の温度が０℃でシステムの運転停止が指令されてしまう可能性もある。   For example, when this fuel cell system is mounted on a vehicle, it is sufficient to drive the fuel cell stack 1 for only a short time after turning on the ignition key in a low temperature atmosphere and then immediately turning off the ignition key. Therefore, there is a possibility that the operation stop of the system is instructed when the temperature of the fuel cell stack 1 is 0 ° C.

このような場合であっても、燃料電池セルの内部に発電によって生成した水分が残留しており、この水分が凍結して次回に氷点下からの起動が困難になるおそれがあるため、水分除去は必要になる。しかしながら、燃料電池スタック１の温度が０℃で空気ガスにより残留水分をパージしても、空気ガスの温度が低く飽和水蒸気圧が低いため、電極付近に残留した水分を蒸発させて除去することは困難となる。   Even in such a case, moisture generated by power generation remains inside the fuel battery cell, and this moisture may freeze, making it difficult to start from below freezing next time. I need it. However, even if the residual moisture is purged with air gas when the temperature of the fuel cell stack 1 is 0 ° C., the temperature of the air gas is low and the saturated water vapor pressure is low. It becomes difficult.

そこで、燃料電池を一度昇温させた後、残留水分をパージする必要がある。ここで、燃料電池スタック１を例えば０℃程度から６０℃程度に昇温させるため、運転停止指令後燃料電池スタック１で発電を継続する時間は、本発明者の試算によると２０〜３０秒程度で済む。   Therefore, it is necessary to purge the residual moisture after raising the temperature of the fuel cell once. Here, in order to raise the temperature of the fuel cell stack 1 from, for example, about 0 ° C. to about 60 ° C., the time for which the fuel cell stack 1 continues to generate power after the operation stop command is about 20 to 30 seconds according to the inventor's calculation. Just do it.

したがって、燃料電池スタック１の発電によって生じた電気化学反応熱で燃料電池スタック１を昇温させることができ、ヒータで加熱した冷却水で燃料電池スタックを昇温する従来例に比べて、消費電力の増大、構成の大型化ならびに複雑化を極力抑えて、迅速に燃料電池スタック１を昇温させることができる。これにより、空気ガスの飽和水蒸気圧が上昇するため、燃料電池スタック１内部に残留した水分を蒸発させて除去するスピードが上がり、システム運転停止が指令された後水分除去の処理が完了するまでの時間を短縮することができる。   Therefore, the temperature of the fuel cell stack 1 can be raised by the electrochemical reaction heat generated by the power generation of the fuel cell stack 1, and the power consumption is higher than in the conventional example in which the temperature of the fuel cell stack is raised by the cooling water heated by the heater. In addition, the fuel cell stack 1 can be quickly raised in temperature while suppressing the increase in the size, the size of the configuration, and the complexity. As a result, the saturated water vapor pressure of the air gas increases, so that the speed of evaporating and removing the water remaining in the fuel cell stack 1 is increased, and after the system shutdown is commanded until the water removal process is completed. Time can be shortened.

図２は本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図２に示す実施例２の特徴とするところは、先の図１に示す実施例１に比べて、カソード反応ガス供給流路１４の燃料電池スタック１のカソード反応ガス入口に開閉バルブ７を設け、この開閉バルブ７の上流のカソード反応ガス供給流路１４と、燃料電池スタック１の上流の冷却水流路１３との間に、両者を連結する連結流路１５を設け、この連結流路１５に開閉バルブ８を設け、冷却水流路１３と連結流路１５との連結点の冷却水流路１３の上流に逆支弁９を設けたことにあり、他は実施例１と同様である。   FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention. 2 is characterized in that an open / close valve 7 is provided at the cathode reaction gas inlet of the fuel cell stack 1 of the cathode reaction gas supply channel 14 as compared with the first embodiment shown in FIG. A connection flow path 15 is provided between the cathode reaction gas supply flow path 14 upstream of the opening / closing valve 7 and the cooling water flow path 13 upstream of the fuel cell stack 1. The open / close valve 8 is provided, and the reverse support valve 9 is provided upstream of the cooling water flow path 13 at the connection point between the cooling water flow path 13 and the connection flow path 15, and the others are the same as in the first embodiment.

このような構成において、燃料電池システムの運転停止が指令されると、制御装置３によって冷却水循環手段５を停止して冷却水の燃料電池スタック１への供給を止め、制御装置３から与えられる指令に基づいて開閉バルブ７を閉じ、開閉バルブ８を開き、カソード反応ガス供給手段４によって連結流路１５を介して冷却水流路１３に空気ガスが送り込まれる。送り込まれた空気ガスは、冷却水流路１３を介して冷却水入口から燃料電池スタック１に導入される。これにより、燃料電池スタック１内の冷却水流路に溜まっている冷却水が導入された空気ガスよって燃料電池スタック１外へと押し出されて排出され、冷却水流路１３を介して冷却水タンク６に流れ込んで溜まる。   In such a configuration, when the operation stop of the fuel cell system is instructed, the control device 3 stops the cooling water circulation means 5 to stop the supply of the cooling water to the fuel cell stack 1, and the command given from the control device 3 On the basis of this, the open / close valve 7 is closed, the open / close valve 8 is opened, and the cathode reaction gas supply means 4 sends the air gas into the cooling water flow path 13 via the connection flow path 15. The fed air gas is introduced into the fuel cell stack 1 from the cooling water inlet via the cooling water channel 13. As a result, the cooling water accumulated in the cooling water flow path in the fuel cell stack 1 is pushed out of the fuel cell stack 1 by the air gas introduced and discharged, and is discharged to the cooling water tank 6 via the cooling water flow path 13. Flows in and accumulates.

その後、開閉バルブ８を閉じ、開閉バルブ７を開き、カソード反応ガス供給手段４によって空気ガスが燃料電池スタック１に供給されると、燃料電池スタック１の発電が継続され、所定時間後、制御装置３によって負荷を取るのを停止するのと同時に水素ガスの供給を停止する。水素ガスの供給を停止した後、所定時間の間はカソード反応ガス供給手段４によって空気ガスが燃料電池スタック１に供給され、空気ガスで残留水分がパージされる。   Thereafter, the on-off valve 8 is closed, the on-off valve 7 is opened, and when the air gas is supplied to the fuel cell stack 1 by the cathode reaction gas supply means 4, power generation of the fuel cell stack 1 is continued. The supply of hydrogen gas is stopped at the same time as taking the load by 3 is stopped. After the supply of hydrogen gas is stopped, air gas is supplied to the fuel cell stack 1 by the cathode reaction gas supply means 4 for a predetermined time, and residual moisture is purged with the air gas.

上記実施例２の動作では、燃料電池スタック１内の冷却水を抜くことによって、先の実施例１に比べて、燃料電池スタック１全体としての熱容量を下げることができる。これにより、燃料電池スタック１の温度上昇のスピードが速くなり、より短時間で所定の温度に燃料電池スタック１を昇温させることができる。   In the operation of the second embodiment, the heat capacity of the fuel cell stack 1 as a whole can be reduced by removing the cooling water from the fuel cell stack 1 as compared with the first embodiment. Thereby, the speed of temperature increase of the fuel cell stack 1 is increased, and the temperature of the fuel cell stack 1 can be raised to a predetermined temperature in a shorter time.

図３に冷却水が燃料電池スタック１内に存在している場合と、冷却水を抜き取った場合との、発電負荷と燃料電池スタック１の温度をＴ１上昇させるのにかかる時間との関係を示す。例えば図３（ａ）に示すように、同じ発電負荷で発電した場合でも、燃料電池スタック１の温度をＴ１上昇させるのにかかる時間は、冷却水がある場合に比べて冷却水がない場合の方が極めて短時間になることがわかる。これにより、残留水分をより一層短時間で除去することができる。また、図３（ｂ）に示すように、燃料電池スタック１の温度をＴ１だけ昇温する時間を同じにした場合には、冷却水を抜いた場合の方が発電負荷を小さくすることができ、昇温にかけるエネルギーをより少なく抑えることができる。   FIG. 3 shows the relationship between the power generation load and the time taken to increase the temperature of the fuel cell stack T1 when the cooling water is present in the fuel cell stack 1 and when the cooling water is extracted. . For example, as shown in FIG. 3 (a), even when power is generated with the same power generation load, the time taken to increase the temperature of the fuel cell stack 1 by T1 is the time when there is no cooling water compared to when there is cooling water. It can be seen that the time is extremely short. Thereby, residual moisture can be removed in a shorter time. In addition, as shown in FIG. 3B, when the time for raising the temperature of the fuel cell stack 1 by T1 is the same, the power generation load can be reduced when the cooling water is removed. , It is possible to reduce the energy applied to the temperature rise.

図４は本発明の実施例３に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図４に示す実施例３の特徴とするところは、先の図２に示す実施例２に比べて、燃料電池スタック１に燃料電池スタック１を代表する温度を計測する温度計測手段１０を備え、この温度計測手段１０で計測された代表温度に基づいて、燃料電池スタック１を昇温する手順を設定するようにしたことにあり、他は実施例２と同様である。温度計測手段１０によって計測される燃料電池スタック１の代表温度は、燃料電池スタック１の単位燃料電池セルを構成するセパレータの温度や、冷却水の出口側の温度、もしくは空気ガスの出口側の温度などが挙げられる。   FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 3 of the present invention. The feature of the third embodiment shown in FIG. 4 is that the fuel cell stack 1 includes a temperature measuring means 10 that measures the temperature representative of the fuel cell stack 1 as compared with the second embodiment shown in FIG. The procedure for raising the temperature of the fuel cell stack 1 is set based on the representative temperature measured by the temperature measuring means 10, and the others are the same as in the second embodiment. The representative temperature of the fuel cell stack 1 measured by the temperature measuring means 10 is the temperature of the separator constituting the unit fuel cell of the fuel cell stack 1, the temperature on the outlet side of the cooling water, or the temperature on the outlet side of the air gas. Etc.

このような構成において、残留水分の除去処理は図５のフローチャートに示す手順にしたがって実行される。図５において、システムの運転停止が指令されると（ステップＳ５０）、先ず温度計測手段１０で計測された燃料電池スタック１の代表温度が制御装置３に読み込まれ、代表温度Ｔが予め設定された温度Ｔ１ならびに温度Ｔ２と比較される（ステップＳ５１）。   In such a configuration, the residual moisture removal process is executed according to the procedure shown in the flowchart of FIG. In FIG. 5, when the operation stop of the system is commanded (step S50), first, the representative temperature of the fuel cell stack 1 measured by the temperature measuring means 10 is read into the control device 3, and the representative temperature T is preset. It is compared with the temperature T1 and the temperature T2 (step S51).

比較結果において、温度Ｔ１＞代表温度Ｔ＞温度Ｔ２である場合は、制御装置３によって冷却水循環手段５が停止されるが（ステップＳ５２）、水素ガスならびに空気ガスは供給されてそのまま燃料電池スタック１の発電は継続される（ステップＳ５３）。冷却水の供給が停止されて所定時間発電が継続された後、開閉バルブ７は開いたまま、開閉バルブ８は閉じたまま、制御装置３によって燃料電池スタック１と負荷２との接続が遮断されて負荷２への電力の供給を停止するとともに水素ガスの供給も停止する。これと同時に、カソード反応ガス供給手段４によって燃料電池スタック１に供給されている空気ガスで残留水分をパージし、所定時間後空気ガスの供給を停止し、残留水分の除去処理が終了する（ステップＳ５４）。   In the comparison result, when temperature T1> representative temperature T> temperature T2, the cooling water circulating means 5 is stopped by the control device 3 (step S52), but the hydrogen gas and the air gas are supplied and the fuel cell stack 1 as it is. Is continued (step S53). After the supply of cooling water is stopped and power generation is continued for a predetermined time, the connection between the fuel cell stack 1 and the load 2 is cut off by the control device 3 while the on-off valve 7 remains open and the on-off valve 8 remains closed. Then, the supply of power to the load 2 is stopped and the supply of hydrogen gas is also stopped. At the same time, the residual moisture is purged with the air gas supplied to the fuel cell stack 1 by the cathode reaction gas supply means 4, the supply of the air gas is stopped after a predetermined time, and the residual moisture removal process is completed (step). S54).

一方、ステップＳ５１の比較結果において、代表温度Ｔ＜温度Ｔ２である場合には、制御装置３によって燃料電池スタック１と負荷２との接続を遮断し、冷却水循環手段５を停止し、開閉バルブ７を閉じ、開閉バルブ８を開き、カソード反応ガス供給手段４によって空気ガスが燃料電池スタック１の冷却水流路１３に供給される。これにより、燃料電池スタック１内から冷却水を押し出し、燃料電池スタック１から冷却水を抜き取る（ステップＳ５５）。その後、先のステップＳ５４に示す処理を実行して、残留水分の除去処理を終了する。ステップＳ５１の比較結果において、代表温度Ｔ＞温度Ｔ１である場合には、先のステップＳ５４に示す処理を実行して、残留水分の除去処理を終了する。   On the other hand, when the representative temperature T <temperature T2 in the comparison result in step S51, the control device 3 disconnects the connection between the fuel cell stack 1 and the load 2, stops the cooling water circulation means 5, and opens and closes the open / close valve 7 Is closed, the open / close valve 8 is opened, and the cathode reaction gas supply means 4 supplies air gas to the cooling water flow path 13 of the fuel cell stack 1. Thereby, the cooling water is pushed out from the fuel cell stack 1, and the cooling water is extracted from the fuel cell stack 1 (step S55). Thereafter, the process shown in the previous step S54 is executed, and the residual moisture removal process is terminated. If the comparison result in step S51 is representative temperature T> temperature T1, the process shown in the previous step S54 is executed, and the residual moisture removal process is terminated.

このように、この実施例３では、残留水分の除去処理を行う際の燃料電池スタック１の温度に基づいて燃料電池スタック１の昇温方法を変更し、最適な昇温方法を選択できるようにしている。これにより、無駄な動作を省略でき、無駄なエネルギーを消費することなく、最短の時間で水分を除去することができる。   As described above, in the third embodiment, the temperature raising method of the fuel cell stack 1 is changed based on the temperature of the fuel cell stack 1 when the residual moisture removal process is performed, so that the optimum temperature raising method can be selected. ing. Thereby, useless operation | movement can be abbreviate | omitted and a water | moisture content can be removed in the shortest time, without consuming useless energy.

図６は本発明の実施例４に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図６に示す実施例４の特徴とするところは、先の図２に示す実施例２に比べて、図２に示す開閉バルブ８に代えて流量可変バルブ１１を設け、空気ガスを冷却水流路１３に導入することで燃料電池スタック１から冷却水を抜き取る動作と発電とを並行して行えるようにしたことにあり、他は先の実施例２と同様である。   FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 4 of the present invention. A feature of the fourth embodiment shown in FIG. 6 is that, compared with the second embodiment shown in FIG. 2, a flow rate variable valve 11 is provided instead of the on-off valve 8 shown in FIG. 13, the operation of extracting the cooling water from the fuel cell stack 1 and the power generation can be performed in parallel, and the others are the same as in the second embodiment.

このような構成において、システムの運転停止が指令されると、制御装置３によって冷却水循環手段５を停止し、制御装置３の指令に基づいて流量可変バルブ１１が空気ガスの流量を調整しながら開く。このとき、開閉バルブ７は開いたままであり、燃料電池スタック１のカソード反応ガス供給流路１４ならびに冷却水流路１３に空気ガスが分配供給される。   In such a configuration, when the operation stop of the system is instructed, the cooling water circulating means 5 is stopped by the control device 3, and the flow variable valve 11 is opened while adjusting the flow rate of the air gas based on the instruction of the control device 3. . At this time, the on-off valve 7 remains open, and the air gas is distributed and supplied to the cathode reaction gas supply channel 14 and the cooling water channel 13 of the fuel cell stack 1.

流量可変バルブ１１で流量が調整された空気ガスによって、燃料電池スタック１内の冷却水が空気ガスに押し出されて抜け、冷却水タンク６に溜められる。冷却水が燃料電池スタック１から抜けきったところで、流量可変バルブ１１を完全に閉じる。   With the air gas whose flow rate is adjusted by the flow rate variable valve 11, the cooling water in the fuel cell stack 1 is pushed out by the air gas and is stored in the cooling water tank 6. When the cooling water has completely drained from the fuel cell stack 1, the flow rate variable valve 11 is completely closed.

この冷却水を抜いている間も並行して空気ガスは燃料電池スタック１に供給されているので、燃料電池スタック１の発電は継続され、運転停止が指令されて所定時間後、制御装置３によって負荷を取るのを停止し、同時に水素ガスの供給も停止する。その後、所定時間カソード反応ガス供給手段４によって空気ガスが燃料電池スタック１に供給され、燃料電池スタック１から残留水分がパージされる。   Since the air gas is supplied to the fuel cell stack 1 in parallel while the cooling water is being drained, the power generation of the fuel cell stack 1 is continued, and the controller 3 instructs the stop of the operation after a predetermined time. The load is stopped and the supply of hydrogen gas is stopped at the same time. Thereafter, air gas is supplied to the fuel cell stack 1 by the cathode reaction gas supply means 4 for a predetermined time, and residual moisture is purged from the fuel cell stack 1.

この実施例４では、冷却水を抜いている間も発電により燃料電池スタック１を昇温しているので、先の実施例２に比べてより一層短時間で水分除去を完了させることができる。   In the fourth embodiment, since the temperature of the fuel cell stack 1 is raised by power generation while the cooling water is removed, the water removal can be completed in a shorter time than in the second embodiment.

なお、上記実施例４では、燃料電池スタック１から冷却水を抜く方法として、カソード反応ガス供給手段４を利用しているが、方法はその限りではなく、例えば重力方向下方に冷却水タンク６を配置し、重力で抜くなどの方法を採用しても同様の効果が得られる。   In the fourth embodiment, the cathode reaction gas supply means 4 is used as a method for removing the cooling water from the fuel cell stack 1, but the method is not limited to this, and for example, the cooling water tank 6 is provided below the gravity direction. The same effect can be obtained even if a method such as arranging and pulling out by gravity is adopted.

また、この実施例４を図４に示す先の実施例３に適用しても、同様の効果を得ることができる。   The same effect can be obtained by applying the fourth embodiment to the third embodiment shown in FIG.

次に、３通りの各負荷に対して燃料電池スタック１の代表温度と発電時間との関係を示す図７を参照して、本発明の実施例５を説明する。   Next, Embodiment 5 of the present invention will be described with reference to FIG. 7 showing the relationship between the representative temperature of the fuel cell stack 1 and the power generation time for each of the three loads.

先の図４に示す実施例３の構成、あるいは実施例１，２又は４のいずれかの実施例に図４に示す温度計測手段１０を備えた構成において、燃料電池システムの運転停止が指令されたときに、温度計測手段１０で計測された燃料電池スタック１の代表温度が温度Ａの場合は、図７に示すように、制御装置３の指令に基づいて燃料電池スタック１は負荷Ａを選択する。また、代表温度が温度Ｂ（＞温度Ａ）の場合には、図７に示すように負荷Ｂ（＜負荷Ａ）を選択し、代表温度が温度Ｃ（＞温度Ｂ）の場合には、同図に示すように負荷Ｃ（＜負荷Ｂ）を選択する。   In the configuration of the third embodiment shown in FIG. 4 or the configuration including the temperature measuring means 10 shown in FIG. 4 in any of the first, second, or fourth embodiments, the operation stop of the fuel cell system is instructed. When the representative temperature of the fuel cell stack 1 measured by the temperature measuring means 10 is the temperature A, the fuel cell stack 1 selects the load A based on a command from the control device 3 as shown in FIG. To do. Also, when the representative temperature is temperature B (> temperature A), load B (<load A) is selected as shown in FIG. 7, and when the representative temperature is temperature C (> temperature B), the same As shown in the figure, load C (<load B) is selected.

したがって、燃料電池スタック１の代表温度に応じて負荷の大きさを選択することで、いずれを選択した場合であっても、図７に示すように、予め設定された燃料電池スタック１の目標温度に到達するまでの到達時間（発電時間）、すなわち温度Ａと負荷Ａのパターンの到達時間Ｔａ、温度Ｂと負荷Ｂのパターンの到達時間Ｔｂ、ならびに温度Ｃと負荷Ｃのパターンの到達時間Ｔｃは同じとなる。   Therefore, by selecting the magnitude of the load in accordance with the representative temperature of the fuel cell stack 1, no matter which one is selected, as shown in FIG. 7, a preset target temperature of the fuel cell stack 1 is set. The arrival time (power generation time) until reaching A, that is, the arrival time Ta of the pattern of temperature A and load A, the arrival time Tb of the pattern of temperature B and load B, and the arrival time Tc of the pattern of temperature C and load C are It will be the same.

このように、発電時に負荷の大きさを制御する手法を採用することで、残留水分の除去処理に費やされる時間に制約がある場合に、燃料電池システムの運転停止が指令された時の燃料電池スタック１の温度が低い場合は、高い場合に比べて負荷を大きくとることで温度が高い場合と同等の時間で燃料電池スタック１を同じ温度にまで昇温することができる。一方、燃料電池システムの運転停止が指令された時の燃料電池スタック１の温度が高い場合には、低い場合に比べて負荷を小さくとることで、燃料電池スタック１が所定の目標温度にまで昇温される昇温時間を長くすることなく発電量を抑えて燃料ガスの消費量を低減することができる。   In this way, by adopting a method for controlling the magnitude of the load at the time of power generation, when there is a restriction on the time spent for removing residual moisture, the fuel cell when the stop of the fuel cell system is commanded When the temperature of the stack 1 is low, the fuel cell stack 1 can be raised to the same temperature in the same time as when the temperature is high by taking a larger load than when it is high. On the other hand, when the temperature of the fuel cell stack 1 when the stop of the operation of the fuel cell system is instructed is high, the fuel cell stack 1 is raised to a predetermined target temperature by reducing the load compared to the case where the temperature is low. It is possible to reduce the amount of fuel gas consumed by suppressing the amount of power generation without lengthening the heating time.

なお、この実施例５では、図７に各負荷に対して燃料電池スタック１の代表温度と発電時間との関係を３通りのパターンで示したが、一定の発電時間で代表温度に対して連続的に負荷を求め、その関係を用いるようにしてもよい。   In the fifth embodiment, the relationship between the representative temperature of the fuel cell stack 1 and the power generation time is shown in three patterns for each load in FIG. Alternatively, the load may be obtained and its relationship may be used.

次に、一定の負荷に対して燃料電池スタック１の代表温度と発電時間との関係を示す図８を参照して、本発明の実施例６を説明する。   Next, Embodiment 6 of the present invention will be described with reference to FIG. 8 showing the relationship between the representative temperature of the fuel cell stack 1 and the power generation time for a certain load.

先の図４に示す実施例３の構成、あるいは実施例１，２，４又は５のいずれかの実施例に図４に示す温度計測手段１０を備えた構成において、燃料電池システムの運転停止が指令されたときに、温度計測手段１０で計測された燃料電池スタック１の代表温度が温度Ａの場合は、図８に示すように、制御装置３の指令により燃料電池スタック１は発電時間Ｔａを選択する。代表温度が温度Ｂ（＞温度Ａ）の場合には、図８に示すように発電時間Ｔｂを選択し、温度Ｃ（＞温度Ｂ）の場合には、同図に示すように発電時間Ｔｃ（Ｔａ＞Ｔｂ＞Ｔｃ）を選択する。   In the configuration of the third embodiment shown in FIG. 4 or the configuration including the temperature measuring means 10 shown in FIG. 4 in any one of the first, second, fourth, and fifth embodiments, the operation of the fuel cell system is stopped. If the representative temperature of the fuel cell stack 1 measured by the temperature measuring means 10 is the temperature A when commanded, the fuel cell stack 1 sets the power generation time Ta according to the command of the control device 3 as shown in FIG. select. When the representative temperature is temperature B (> temperature A), the power generation time Tb is selected as shown in FIG. 8, and when the representative temperature is C (> temperature B), the power generation time Tc ( Ta> Tb> Tc) is selected.

このように、燃料電池スタック１の代表温度に応じて発電時間を制御する機能を備えることで、燃料電池スタック１が目標温度に到達するまでの昇温時間を選択することが可能となる。これにより、昇温時間に制約がない場合には、最適な負荷で発電を行って燃料電池スタック１を昇温することで、燃料ガスの消費量を低減することができる。   Thus, by providing the function of controlling the power generation time according to the representative temperature of the fuel cell stack 1, it is possible to select the temperature increase time until the fuel cell stack 1 reaches the target temperature. As a result, when there is no restriction on the temperature rise time, the amount of fuel gas consumed can be reduced by generating power with an optimum load and raising the temperature of the fuel cell stack 1.

なお、この実施例６では、図８に燃料電池スタック１の代表温度と発電時間との関係を３点示したが、代表温度に対して連続的に発電時間を設定し、その関係を用いるようにしてもよい。   In the sixth embodiment, the relationship between the representative temperature of the fuel cell stack 1 and the power generation time is shown in FIG. 8, but the power generation time is set continuously with respect to the representative temperature and the relationship is used. It may be.

図９は本発明の実施例７に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図９に示す実施例７の特徴とするところは、先の図６に示す実施例４に比べて、燃料電池スタック１に二次電池１２を接続し、前述した燃料電池スタック１を昇温する際の発電で得られた電力を、制御装置３の制御の下にこの二次電池１２に蓄電するようにしたことにあり、他は実施例４と同様である。   FIG. 9 is a diagram showing the configuration of the fuel cell system according to Example 7 of the present invention. The feature of the seventh embodiment shown in FIG. 9 is that, compared with the fourth embodiment shown in FIG. 6, the secondary battery 12 is connected to the fuel cell stack 1 to raise the temperature of the fuel cell stack 1 described above. The electric power obtained by the power generation at that time is stored in the secondary battery 12 under the control of the control device 3, and the others are the same as in the fourth embodiment.

このような構成を採用することで、システム停止時には二次電池１２が常に充電された状態にしておけるので、この二次電池１２から補機に電力を供給でき、次回システムの起動時に補機の電源を確保しておくことができ、また、残留水分の除去処理で必要となる電力の少なくとも一部を二次電池１２から供給することも可能となる。   By adopting such a configuration, the secondary battery 12 can always be charged when the system is stopped, so that power can be supplied from the secondary battery 12 to the auxiliary machine, and the auxiliary machine is A power source can be secured, and at least a part of the electric power required for the residual moisture removal process can be supplied from the secondary battery 12.

なお、この実施例７は、前述した実施例１，２，３，５，６のいずれの実施例に適用することも可能である。   The seventh embodiment can be applied to any of the first, second, third, fifth, and sixth embodiments described above.

次に、燃料電池スタック１のカソード流路に対する発熱分布、又は温度分布の様子を示す図１０、ならびに燃料電池スタック１における反応ガスと冷却水の流路方向を示す図１１を参照して、本発明の実施例８を説明する。   Next, referring to FIG. 10 showing the state of heat generation or temperature distribution with respect to the cathode flow path of the fuel cell stack 1, and FIG. 11 showing the flow direction of the reaction gas and cooling water in the fuel cell stack 1, Embodiment 8 of the invention will be described.

通常、燃料電池スタック１の発電は、図１０（ａ）に示すように、酸素濃度が高いカソード側上流が下流側に比べて発電量が多く、下流に行くにしたがって少なくなる。したがって、カソード電極面内の熱容量分布が均一でるとすると、カソードの入口側と出口側とで発電量の違いに応じて発熱量に差異が生じ、温度の上がり方が不均一になってしまう。すなわち、図１０（ｂ）に示すように、経過時間（Ｔ１→Ｔ２→Ｔ３（Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３））とともにカソード入口の温度と出口側の温度との間に大きな差が生じることになる。   Normally, as shown in FIG. 10A, the power generation of the fuel cell stack 1 is larger at the cathode side upstream where the oxygen concentration is higher than at the downstream side, and decreases as it goes downstream. Therefore, assuming that the heat capacity distribution in the cathode electrode surface is uniform, the amount of heat generation differs depending on the amount of power generation between the inlet side and the outlet side of the cathode, and the temperature rise becomes uneven. That is, as shown in FIG. 10B, a large difference occurs between the temperature at the cathode inlet and the temperature at the outlet side with the elapsed time (T1 → T2 → T3 (T1 <T2 <T3)).

このため、単位燃料電池セルの電解質膜やシール部材等の耐熱を考慮すると、カソードの入口側の温度が許容温度に達する前に残留水分の除去処理を行わなければならない。しかし、カソードの入口側の温度が許容温度に達する前では、カソードの出口側の温度は、上述したように入口側温度よりも低くなっているので、カソードの出口側の温度が十分に上がりきらない状態で水分の除去処理が行われることになる。このため、水分を十分に除去できなくなるおそれがある。   For this reason, when considering the heat resistance of the electrolyte membrane and the sealing member of the unit fuel cell, the residual moisture must be removed before the temperature on the inlet side of the cathode reaches the allowable temperature. However, before the cathode inlet temperature reaches the allowable temperature, the cathode outlet temperature is lower than the inlet temperature as described above, so the cathode outlet temperature does not rise sufficiently. In this state, the moisture removal process is performed. For this reason, there exists a possibility that a water | moisture content cannot fully be removed.

そこで、この実施例８では、先の実施例１〜実施例７に対して、図１１に示すように、燃料電池スタック１のカソード入口と冷却水の入口とが同じ側に設けられ、発電時にカソード反応ガスの空気ガスと冷却水とが燃料電池スタック１に同方向に流通するに対して、システム停止指令後燃料電池スタック１を発電させて昇温する際に、冷却水の出口側から空気ガスを導入することで、冷却水をカソードの出口側から入口側に抜きながら燃料電池スタック１を発電して昇温させる。   Therefore, in the eighth embodiment, the cathode inlet of the fuel cell stack 1 and the inlet of the cooling water are provided on the same side as in the first to seventh embodiments, as shown in FIG. While the cathode reaction gas air gas and the cooling water flow in the same direction to the fuel cell stack 1, when the fuel cell stack 1 generates power and raises the temperature after the system stop command, the air flows from the cooling water outlet side. By introducing the gas, the fuel cell stack 1 is generated and heated while the cooling water is drawn from the cathode outlet side to the inlet side.

これにより、燃料電池スタック１の発電分布の高い入口領域ほど熱容量が高くなる一方、発電分布の低い出口領域ほど熱容量が低くなり、図１０（ｃ）に示すように、カソード電極面内で均一に温度が上昇していく。したがって、前述した温度不均一の不具合は解消され、電解質膜やシール部材の劣化を招くことなく、カソード流路のすべての領域を水分除去に十分な温度に概ね均一に昇温させることができる。   As a result, the heat capacity of the fuel cell stack 1 having a higher power generation distribution becomes higher in the inlet region, while the outlet region having a lower power generation distribution has a lower heat capacity, and as shown in FIG. The temperature rises. Therefore, the above-described temperature non-uniformity problem is eliminated, and all regions of the cathode channel can be raised to a temperature sufficient to remove moisture without causing deterioration of the electrolyte membrane or the seal member.

燃料電池スタック１の冷却水出口側から空気ガスを導入する構成としては、例えば水素ガスや空気ガスの反応ガスを燃料電池スタックの反応ガス出口側から入口側に導入する周知の技術を冷却水流路１３に適用し、カソード反応ガス供給手段４から空気ガスを冷却水流路１３に供給することで実現することが可能である。   As a configuration for introducing the air gas from the cooling water outlet side of the fuel cell stack 1, for example, a well-known technique for introducing hydrogen gas or air gas reaction gas from the reaction gas outlet side to the inlet side of the fuel cell stack is a cooling water flow path. 13 and can be realized by supplying air gas from the cathode reaction gas supply means 4 to the cooling water flow path 13.

なお、上記各実施例１〜８では、燃料電池スタック１で水分が生成しやすいカソード側の空気ガス流路をパージしているが、アノード側であっても構わず、この場合には、システムの運転停止が指令されて、燃料電池スタック１への水素ガスの供給を停止した後、燃料電池スタック１の水素ガス流路に空気ガスを選択的に供給制御する構成を設け、発電が停止し昇温されて高温になった燃料電池スタック１の水素ガス流路に空気ガスを供給するようにしてもよい。これにより、アノード側の水素ガス流路やアノード電極近傍に残留した水分を迅速に蒸発させて除去することが可能となる。また勿論、燃料電池スタック１のカソード側の空気ガス流路ならびにアノード側の水素ガス流路の双方に空気ガスを供給して両流路に残留する水分を除去するようにしてもよい。   In each of the first to eighth embodiments, the cathode-side air gas flow path in which moisture is likely to be generated in the fuel cell stack 1 is purged, but it may be on the anode side. After stopping the operation of the fuel cell stack 1 and stopping the supply of the hydrogen gas to the fuel cell stack 1, a configuration for selectively controlling the supply of air gas to the hydrogen gas flow path of the fuel cell stack 1 is provided to stop the power generation. You may make it supply air gas to the hydrogen gas flow path of the fuel cell stack 1 heated up and heated up. This makes it possible to quickly evaporate and remove moisture remaining in the vicinity of the anode-side hydrogen gas flow path and the anode electrode. Of course, air gas may be supplied to both the cathode-side air gas channel and the anode-side hydrogen gas channel of the fuel cell stack 1 to remove moisture remaining in both channels.

本発明の実施例１に係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 which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例２に係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 which concerns on Example 2 of this invention. 燃料電池スタック内の冷却水の有無に対する燃料電池スタックの発電負荷と昇温温度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the electric power generation load of a fuel cell stack with respect to the presence or absence of the cooling water in a fuel cell stack, and temperature rising temperature. 本発明の実施例３に係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 which concerns on Example 3 of this invention. 実施例３の動作手順を示すフローチャートである。10 is a flowchart illustrating an operation procedure according to the third embodiment. 本発明の実施例４に係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 which concerns on Example 4 of this invention. 本発明の実施例５に係る、負荷の大きさに対する燃料電池スタックの発電時間と温度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the electric power generation time of a fuel cell stack with respect to the magnitude | size of load, and temperature based on Example 5 of this invention. 本発明の実施例６に係る、一定の負荷に対する燃料電池スタックの発電時間と温度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the electric power generation time and temperature of a fuel cell stack with respect to fixed load based on Example 6 of this invention. 本発明の実施例７に係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 which concerns on Example 7 of this invention. 本発明の実施例８に係る、燃料電池スタックの空気ガス流路における発熱分布もしくは温度分布を示す図である。It is a figure which shows the heat_generation | fever distribution or temperature distribution in the air gas flow path of a fuel cell stack based on Example 8 of this invention. 燃料電池スタックにおける空気ガスの流通方向と、冷却水の抜き取り方向を示図である。It is a figure which shows the distribution direction of the air gas in a fuel cell stack, and the extraction direction of cooling water.

符号の説明Explanation of symbols

１…燃料電池スタック
２…負荷
３…制御装置
４…カソード反応ガス供給手段
５…冷却水循環手段
６…冷却水タンク
７…開閉バルブ
８…開閉バルブ
９…逆支弁
１０…温度計測手段
１１…流量可変バルブ
１２…二次電池
１３…冷却水流路
１４…カソード反応ガス供給流路
１５…連結流路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell stack 2 ... Load 3 ... Control apparatus 4 ... Cathode reaction gas supply means 5 ... Cooling water circulation means 6 ... Cooling water tank 7 ... Open / close valve 8 ... Open / close valve 9 ... Reverse support valve 10 ... Temperature measuring means 11 ... Flow rate variable Valve 12 ... Secondary battery 13 ... Cooling water channel 14 ... Cathode reaction gas supply channel 15 ... Connection channel

Claims (8)

燃料ガスと酸化剤ガスとを化学反応させて発電を行う燃料電池を備え、前記燃料電池に冷媒を流通させて発電で生じた熱を除去する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池システムの運転停止が指令されると、前記燃料電池への冷媒の供給を停止し、かつ所定時間発電を継続した後発電を停止し、その後前記燃料電池の燃料ガス流路及び／又は酸化剤ガス流路にガスを導入して水分をパージする
ことを特徴とする燃料電池システム。 In a fuel cell system that includes a fuel cell that generates electricity by chemically reacting a fuel gas and an oxidant gas, and that removes heat generated by power generation by circulating a refrigerant in the fuel cell,
When the stop of the operation of the fuel cell system is instructed, the supply of the refrigerant to the fuel cell is stopped, the power generation is stopped after continuing the power generation for a predetermined time, and then the fuel gas flow path of the fuel cell and / or A fuel cell system for purging moisture by introducing gas into an oxidant gas flow path. 燃料ガスと酸化剤ガスとを化学反応させて発電を行う燃料電池を備え、前記燃料電池に冷媒を流通させて発電で生じた熱を除去する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池システムの運転停止が指令されると、前記燃料電池の発電ならびに前記燃料電池への冷媒の供給を停止した後、前記燃料電池に残留する冷媒を前記燃料電池から抜き取り、その後発電を開始して所定時間発電を行った後発電を停止し、その後前記燃料電池の燃料ガス流路及び／又は酸化剤ガス流路にガスを導入して水分をパージする
ことを特徴とする燃料電池システム。 In a fuel cell system that includes a fuel cell that generates electricity by chemically reacting a fuel gas and an oxidant gas, and that removes heat generated by power generation by circulating a refrigerant in the fuel cell,
When the stop of the operation of the fuel cell system is commanded, after the power generation of the fuel cell and the supply of the refrigerant to the fuel cell are stopped, the refrigerant remaining in the fuel cell is extracted from the fuel cell and then the power generation is started. Then, after generating power for a predetermined time, the power generation is stopped, and then gas is introduced into the fuel gas flow path and / or oxidant gas flow path of the fuel cell to purge moisture. 燃料ガスと酸化剤ガスとを化学反応させて発電を行う燃料電池を備え、前記燃料電池に冷媒を流通させて発電で生じた熱を除去する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の温度を計測する温度計測手段を備え、
前記温度計測手段で計測された温度が第１の設定温度以上である場合に、前記燃料電池システムの運転停止が指令されると、前記燃料電池の燃料ガス流路及び／又は酸化剤ガス流路にガスを導入して水分をパージし、
前記温度計測手段で計測された温度が第１の設定温度以下でかつ第２の設定温度以上である場合に、前記燃料電池システムの運転停止が指令されると、前記燃料電池への冷媒の供給を停止し、かつ所定時間発電を継続した後発電を停止し、その後前記燃料電池の燃料ガス流路及び／又は酸化剤ガス流路にガスを導入して水分をパージし、
前記温度計測手段で計測された温度が第２の設定温度以下である場合に、前記燃料電池システムの運転停止が指令されると、前記燃料電池への冷媒の供給を停止し、前記燃料電池に残留する冷媒を前記燃料電池から抜き取り、所定時間発電を行った後停止し、前記燃料電池の燃料ガス流路及び／又は酸化剤ガス流路にガスを導入して水分をパージする
ことを特徴とする燃料電池システム。 In a fuel cell system that includes a fuel cell that generates electricity by chemically reacting a fuel gas and an oxidant gas, and that removes heat generated by power generation by circulating a refrigerant in the fuel cell,
Comprising temperature measuring means for measuring the temperature of the fuel cell;
If the operation of the fuel cell system is instructed when the temperature measured by the temperature measuring means is equal to or higher than a first set temperature, the fuel gas flow path and / or the oxidant gas flow path of the fuel cell Introduce gas to purge moisture,
When the temperature measured by the temperature measuring means is equal to or lower than the first set temperature and equal to or higher than the second set temperature, the supply of the refrigerant to the fuel cell is instructed when the operation of the fuel cell system is stopped. And after stopping the power generation for a predetermined time, the power generation is stopped, and then gas is introduced into the fuel gas flow path and / or the oxidant gas flow path of the fuel cell to purge the moisture,
When the temperature measured by the temperature measuring means is equal to or lower than a second set temperature and the operation stop of the fuel cell system is instructed, the supply of the refrigerant to the fuel cell is stopped, and the fuel cell The remaining refrigerant is extracted from the fuel cell, stopped after power is generated for a predetermined time, and water is purged by introducing gas into the fuel gas channel and / or oxidant gas channel of the fuel cell. Fuel cell system. 燃料ガスと酸化剤ガスとを化学反応させて発電を行う燃料電池を備え、前記燃料電池に冷媒を流通させて発電で生じた熱を除去する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池システムの運転停止が指令されると、発電を継続しながら前記燃料電池への冷媒の供給を停止した後、前記燃料電池に残留する冷媒を前記燃料電池から抜き取り、その後所定時間発電を継続した後発電を停止し、その後前記燃料電池の燃料ガス流路及び／又は酸化剤ガス流路にガスを導入して水分をパージする
ことを特徴とする燃料電池システム。 In a fuel cell system that includes a fuel cell that generates electricity by chemically reacting a fuel gas and an oxidant gas, and that removes heat generated by power generation by circulating a refrigerant in the fuel cell,
When the operation stop of the fuel cell system is instructed, the supply of the refrigerant to the fuel cell is stopped while continuing the power generation, and then the refrigerant remaining in the fuel cell is extracted from the fuel cell, and then the power generation is performed for a predetermined time. A fuel cell system characterized by stopping power generation after continuing, and then purging moisture by introducing gas into the fuel gas channel and / or oxidant gas channel of the fuel cell. 前記燃料電池内を流通する酸化剤ガスの流通方向とは逆方向に前記燃料電池から冷媒を抜き取る
ことを特徴とする請求項２，３及び４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 5. The fuel cell system according to claim 2, wherein the refrigerant is extracted from the fuel cell in a direction opposite to a flow direction of the oxidant gas flowing through the fuel cell. 前記燃料電池の温度を計測する温度計測手段を備え、
前記温度計測手段で計測された温度に基づいて、前記燃料電池システムの運転停止が指令された後に行われる発電の負荷の大きさが設定される
ことを特徴とする請求項１，２，３，４及び５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 Comprising temperature measuring means for measuring the temperature of the fuel cell;
The magnitude of the load of power generation performed after the operation stop of the fuel cell system is instructed based on the temperature measured by the temperature measuring means. The fuel cell system according to any one of 4 and 5. 前記燃料電池の温度を計測する温度計測手段を備え、
前記温度計測手段で計測された温度に基づいて、前記燃料電池システムの運転停止が指令された後に行われる発電の時間が設定される
ことを特徴とする請求項１，２，３，４，５及び６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 Comprising temperature measuring means for measuring the temperature of the fuel cell;
6. The time of power generation performed after a command to stop the operation of the fuel cell system is set based on the temperature measured by the temperature measuring means. And 7. The fuel cell system according to any one of 6 and 6. 前記燃料電池システムの運転停止が指令された後に行われる発電で得られた電力を蓄電する二次電池を備え、
前記二次電池に蓄えられた電力を使用して、前記燃料電池システムの運転停止が指令された後の動作を行う
ことを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６及び７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 A secondary battery that stores electric power obtained by power generation performed after the operation stop of the fuel cell system is commanded;
The operation after the stop of the operation of the fuel cell system is instructed using the electric power stored in the secondary battery. The fuel cell system according to any one of the above.
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