JP2006302551A - Fuel cell system and its operating method - Google Patents

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Takayuki Urata
隆行 浦田
Junji Morita
純司 森田
Kiichi Shibata
礎一 柴田
Yasushi Sugawara
靖 菅原
Takahiro Umeda
孝裕 梅田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system wherein deterioration caused by oxidation and dissolution due to the potential rise of a positive electrode and a negative electrode is suppressed when stopping the system operationally and for a long period of time to enhance its durability, and also to provide its operating method. <P>SOLUTION: During stop of the fuel cell system, a gas passage of a fuel cell stack 38 is filled with water. Thereby, gas is prevented from infiltrating by means of a water seal even when the fuel cell system is stopped for a long period of time, and deterioration caused by oxidation and dissolution of the electrodes is suppressed to enhance durability of the fuel cell system. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池と、原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、ガスや電力回路部などを制御する制御部等を備えた燃料電池システムとその運転方法に関するものである。   The present invention includes a fuel cell, a fuel generator that generates fuel gas to be supplied from the raw material gas to the fuel cell, a power circuit unit that extracts power from the fuel cell, a control unit that controls the gas, the power circuit unit, and the like. The present invention relates to a provided fuel cell system and an operation method thereof.

従来の一般的な固体高分子電解質型の燃料電池の構成及び動作は、図3及び図4に示す本発明の実施の形態1及び2における燃料電池システムで使用した燃料電池と同じなので、図1、図2を利用し、かつ図5に示す従来の燃料電池システムを参照しながら説明する。   The configuration and operation of a conventional general solid polymer electrolyte type fuel cell are the same as those of the fuel cell system used in the fuel cell system according to Embodiments 1 and 2 of the present invention shown in FIGS. 2 will be described with reference to the conventional fuel cell system shown in FIG.

図2においては、従来の燃料電池の中でも高分子電解質型燃料電池(以降、PEFCと称する)の基本構成を示している。燃料電池は、水素などの燃料ガスと空気などの酸素を含有する酸化剤ガスをガス拡散電極によって電気化学的に反応させるもので、電気と熱とを同時に発生させるものである。   FIG. 2 shows a basic configuration of a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as PEFC) among conventional fuel cells. In a fuel cell, a fuel gas such as hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air are electrochemically reacted by a gas diffusion electrode, and electricity and heat are generated simultaneously.

電解質1は水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜等が利用される。電解質1の両面には、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層2を密着して配置してある。この触媒反応層で次の(化1)で示す化学式1と次の(化2)で示す化学式2の反応が発生し、燃料電池全体としては次の(化3)で示す化学式3の反応が発生する。   As the electrolyte 1, a polymer electrolyte membrane that selectively transports hydrogen ions is used. A catalyst reaction layer 2 mainly composed of carbon powder carrying a platinum-based metal catalyst is disposed on both surfaces of the electrolyte 1 in close contact with each other. In this catalytic reaction layer, the reaction of the following chemical formula 1 and the chemical formula 2 shown in the following (chemical formula 2) occurs, and the fuel cell as a whole undergoes the reaction of the chemical formula 3 shown in the following (chemical formula 3). appear.

少なくとも水素を含む燃料ガスは(化1)に示す反応(以降、アノード反応と称する)し、電解質1を介して移動した水素イオンは、酸化剤ガス(以降、カソードガスと称する)と触媒反応層で(化2)に示す反応(以降、カソード反応と称する)により、水を生成し、このとき電気と熱を生ずる。   The fuel gas containing at least hydrogen undergoes the reaction shown in (Chemical Formula 1) (hereinafter referred to as the anode reaction), and the hydrogen ions moved through the electrolyte 1 are converted into the oxidant gas (hereinafter referred to as the cathode gas) and the catalytic reaction layer. In the reaction shown in (Chemical Formula 2) (hereinafter referred to as the cathodic reaction), water is produced, and at this time, electricity and heat are produced.

燃料電池全体としては(化3)に示すように、水素と酸素が反応し水が発生する際に、電気と熱が利用できるのである。水素などの燃料ガスの関与する側をアノードと呼び、以下図では符号aを付して表し、空気などの酸化剤ガスの関与する側をカソードと呼び、以下図では符号cを付して表した。さらに、触媒反応層2aと2cの外面には、ガス通気性と導電性を兼ね備えた拡散層3aと3cをこれに密着して配置する。この拡散層3aと3cと触媒反応層2a、2cにより電極4aと4cを構成する。   As shown in (Chemical Formula 3), the fuel cell as a whole can use electricity and heat when hydrogen and oxygen react to generate water. The side in which fuel gas such as hydrogen is involved is referred to as an anode, and in the following figure, it is represented by the symbol a, the side in which oxidant gas such as air is involved is referred to as the cathode, and in the following diagram, it is represented by symbol c. did. Furthermore, diffusion layers 3a and 3c having both gas permeability and conductivity are disposed in close contact with the outer surfaces of the catalyst reaction layers 2a and 2c. The diffusion layers 3a and 3c and the catalyst reaction layers 2a and 2c constitute electrodes 4a and 4c.

5は電極電解質接合体(以降、MEAと称する)であり、電極4a、4cと電解質1とで形成している。MEA5は、MEA5を機械的に固定するとともに、隣接するMEA5同士を互いに電気的に直列に接続し、さらに電極4a、4cに反応ガスを供給し、かつ反応により発生したガスや余剰のガスを運び去るためのガス流路6aと6cをMEA5に接する面に形成した一対の導電性セパレータ7aと7cを配置する。   Reference numeral 5 denotes an electrode electrolyte assembly (hereinafter referred to as MEA), which is formed by the electrodes 4 a and 4 c and the electrolyte 1. The MEA 5 mechanically fixes the MEA 5 and electrically connects the adjacent MEAs 5 to each other in series. Further, the MEA 5 supplies the reaction gas to the electrodes 4a and 4c, and carries the gas generated by the reaction and excess gas. A pair of conductive separators 7a and 7c, in which gas channels 6a and 6c for leaving are formed on the surface in contact with the MEA 5, are arranged.

電解質1と、1対の触媒反応層2aと2cと、一対の拡散層3aと3cと、一対の電極4aと4c、一対のセパレータ7aと7cで以て、基本の燃料電池単位(以下、セルと称する)を形成する。セパレータ7aと7cにはMEA5とは反対の面に、隣のセルのセパレータ7cと7aが接する。   An electrolyte 1, a pair of catalytic reaction layers 2a and 2c, a pair of diffusion layers 3a and 3c, a pair of electrodes 4a and 4c, and a pair of separators 7a and 7c constitute a basic fuel cell unit (hereinafter referred to as a cell). Formed). The separators 7a and 7c are in contact with the separators 7c and 7a of the adjacent cells on the surface opposite to the MEA 5.

冷却水通路8a、8cはセパレータ7aと7cが接する側に設けられ、ここに冷却水9が流れる。冷却水9はセパレータ7aと7cを介してMEA5の温度を調整するように熱を移動させる。MEAガスケット11はMEA5とセパレータ7aまたは7cの封止を行い、セパレータガスケット10はセパレータ7aと7cを封止する。   The cooling water passages 8a and 8c are provided on the side where the separators 7a and 7c are in contact, and the cooling water 9 flows there. The cooling water 9 moves heat so as to adjust the temperature of the MEA 5 through the separators 7a and 7c. The MEA gasket 11 seals the MEA 5 and the separator 7a or 7c, and the separator gasket 10 seals the separators 7a and 7c.

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

図3に示すセルを積層した燃料電池スタックについて説明する。燃料電池セルの電圧は通常0.75V程度と低いために、セルを直列に複数個積層し、高電圧となるようにしている。集電板21a、21cは燃料電池スタックから外部に電流を取り出すためのものであり、絶縁板22a、22cはセルと外部を電気的に絶縁する。端板23a、23cはセルを積層した燃料電池スタックを締結し、機械的に保持する。   A fuel cell stack in which the cells shown in FIG. 3 are stacked will be described. Since the voltage of the fuel cell is usually as low as about 0.75 V, a plurality of cells are stacked in series so that the voltage becomes high. The current collecting plates 21a and 21c are for taking out current from the fuel cell stack, and the insulating plates 22a and 22c electrically insulate the cell from the outside. The end plates 23a and 23c fasten and mechanically hold the fuel cell stack in which the cells are stacked.

図5に示す燃料電池システムを説明する。外筐体31に燃料電池システムが納められている。ガス清浄部32は原料ガスから燃料電池に悪影響を与える物質を除去し、原料ガス配管33を介して外部から燃料ガスを導き、清浄ガス配管36を介して燃料生成器35へガスを導く。弁34は原料ガスの流れを制御する。燃料生成器35は原料ガスから少なくとも水素を含む燃料ガスを生成する。   The fuel cell system shown in FIG. 5 will be described. A fuel cell system is housed in the outer casing 31. The gas cleaning unit 32 removes substances that adversely affect the fuel cell from the raw material gas, guides the fuel gas from the outside through the raw material gas pipe 33, and guides the gas to the fuel generator 35 through the clean gas pipe 36. The valve 34 controls the flow of the raw material gas. The fuel generator 35 generates a fuel gas containing at least hydrogen from the raw material gas.

燃料生成器35から燃料ガス配管37を介して燃料電池スタック38に燃料ガスを導く。ブロワ39は酸化剤ガスを、吸気管40を通して燃料電池スタック38に導く。排気管42は燃料電池スタック38から排出された酸化剤ガスを燃料電池システムの外に排出する。燃料電池スタック38で利用されなかった燃料ガスは、オフガス管48により再び、燃料生成器35に流れ込む。オフガス管48からのガスは、燃焼などに用いられ、原料ガスから燃料ガスを生成するための吸熱反応等に利用される。電力回路部43は、燃料電池スタック38から電力を取り出し、制御部44はガスや電力回路部などを制御する。   The fuel gas is guided from the fuel generator 35 to the fuel cell stack 38 through the fuel gas pipe 37. The blower 39 guides the oxidant gas to the fuel cell stack 38 through the intake pipe 40. The exhaust pipe 42 discharges the oxidant gas discharged from the fuel cell stack 38 to the outside of the fuel cell system. The fuel gas that has not been used in the fuel cell stack 38 flows again into the fuel generator 35 through the off-gas pipe 48. The gas from the off-gas pipe 48 is used for combustion or the like, and is used for an endothermic reaction for generating a fuel gas from the raw material gas. The power circuit unit 43 extracts power from the fuel cell stack 38, and the control unit 44 controls gas, the power circuit unit, and the like.

ポンプ45は、冷却水入り口配管46から燃料電池スタック38の水経路に水を流す。燃料電池スタック38を流れた水は、冷却水出口配管47から外部に運ばれる。燃料電池スタック38を水が流れることにより、発熱した燃料電池スタック38を一定の温度に保ちながら、発生した熱を燃料電池システム外部で利用できるようになるのである。燃料電池システムは、燃料電池からなる燃料電池スタック38と、ガス清浄部32と、燃料生成器35と、電力回路部43と、制御部44とより構成されている。なお、37a、37bは圧力測定部で、50はアノード排ガス口で、52は電圧測定部である。   The pump 45 causes water to flow from the cooling water inlet pipe 46 to the water path of the fuel cell stack 38. The water that has flowed through the fuel cell stack 38 is carried to the outside from the cooling water outlet pipe 47. When water flows through the fuel cell stack 38, the generated heat can be used outside the fuel cell system while maintaining the heated fuel cell stack 38 at a constant temperature. The fuel cell system includes a fuel cell stack 38 composed of fuel cells, a gas cleaning unit 32, a fuel generator 35, a power circuit unit 43, and a control unit 44. Reference numerals 37a and 37b denote pressure measuring units, 50 denotes an anode exhaust gas port, and 52 denotes a voltage measuring unit.

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

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

例えば、これらの課題を解決方法として起動時に、システムの外部負荷接続を開始するまで別途システム内に電力消費する手段を接続し、開回路電位になるのを防いでいた(特許文献1参照)。また、システム内に開回路電圧の抑制のための放電手段を設置していた(特許文献2参照)。   For example, as a solution to these problems, a means for consuming electric power is separately connected in the system until starting the external load connection of the system at the start-up, thereby preventing an open circuit potential (see Patent Document 1). Moreover, the discharge means for suppression of an open circuit voltage was installed in the system (refer patent document 2).

また、保管時にも電解質であるイオン交換膜を保水状態に保つため、加湿された不活性ガスを封入して停止・保管していた(特許文献3参照)。酸素極の酸化または不純物付着を防止するため、酸素含有ガスの供給を停止した状態で発電し、酸素消費操作を行い耐久性の向上を図っていたる(特許文献4参照)。また、アノードからカソードにリークする水素を用い、カソード電極の性能を向上させていた(特許文献5参照)。さらに窒素を用いず、水を用いて燃料ガスをパージし、水を保存したまま停止させ膜の乾燥を防止していた(特許文献6参照)。   Further, in order to keep the ion exchange membrane, which is an electrolyte, in a water-retaining state during storage, the humidified inert gas is sealed and stored (see Patent Document 3). In order to prevent oxidation of the oxygen electrode or adhesion of impurities, power generation is performed in a state where the supply of the oxygen-containing gas is stopped, and an oxygen consumption operation is performed to improve durability (see Patent Document 4). Further, hydrogen leaking from the anode to the cathode is used to improve the performance of the cathode electrode (see Patent Document 5). Further, without using nitrogen, the fuel gas was purged with water and stopped while the water was stored to prevent the membrane from drying (see Patent Document 6).

上述のような燃料電池の電極における発電反応が長期にわたり安定して行われるためには、電解質と電極の界面が長期に安定に保持されていることが必要である。水素と酸素を反応種とする高分子電解質型の燃料電池の開回路電圧は理論的には1.23Vとされている。   In order for the power generation reaction at the electrode of the fuel cell as described above to be performed stably over a long period of time, it is necessary that the interface between the electrolyte and the electrode be stably maintained over a long period of time. The open circuit voltage of a polymer electrolyte fuel cell using hydrogen and oxygen as reactive species is theoretically 1.23V.

しかし、実際の開回路電圧は、水素極および酸素極のそれぞれの極における不純物や、吸着種との混成電位を示し、約0.93V〜1.1Vの電圧を示す。また、若干の電解質中の水素および酸素の拡散による電圧低下も起こる。水素極の電位は極端な金属種などの不純物の溶解がないとすると、その電位は空気極の吸着種による影響が大きく、次の(化4)で示す化学式4から次の(化8)で示す化学式8のような化学反応の混成電位によると考えられている(非特許文献1参照)。   However, the actual open circuit voltage indicates a mixed potential with impurities and adsorbed species at each of the hydrogen electrode and the oxygen electrode, and a voltage of about 0.93 V to 1.1 V. In addition, some voltage drop occurs due to diffusion of hydrogen and oxygen in the electrolyte. If the potential of the hydrogen electrode does not dissolve impurities such as extreme metal species, the potential is greatly influenced by the adsorbed species of the air electrode. From the chemical formula 4 shown in the following (Chemical formula 4), It is thought to be due to the hybrid potential of the chemical reaction as shown in Chemical Formula 8 (see Non-Patent Document 1).

特開平5−251101号公報Japanese Patent Laid-Open No. 5-251101 特開平8−222258号公報JP-A-8-222258 特開平6−251788号公報JP-A-6-251788 特開2002−93448号公報JP 2002-93448 A 特開2000−260454号公報JP 2000-260454 A 特開2003−317771号公報JP 2003-317771 A H. Wroblowa, et al., J. Electroanal. Chem., 15, p139-150 (1967), "Adosorption and Kinetics at Platinum Electrodes in The Presence of Oxygen at Zero Net Current"H. Wroblowa, et al., J. Electroanal. Chem., 15, p139-150 (1967), "Adosorption and Kinetics at Platinum Electrodes in The Presence of Oxygen at Zero Net Current"

しかしながら従来の構成では、不活性ガスをパージする方法では、長期の停止時に燃料電池の燃料電池スタック内部のガスが拡散により外部空気と入れ替わり電極を劣化させてしまう問題がある。   However, in the conventional configuration, the method of purging the inert gas has a problem that the gas inside the fuel cell stack of the fuel cell is replaced with external air due to diffusion and deteriorates the electrode during a long-term stoppage.

また、電圧が0.88Vを超えると(化7)の化学式7に示されるように、Ptの酸化が発生し、Ptの触媒としての活性が低下するだけでなく、水への溶解が発生し、流れだしてしまう問題がある。   Further, when the voltage exceeds 0.88 V, as shown in Chemical Formula 7 of (Chemical Formula 7), oxidation of Pt occurs, and not only the activity of Pt as a catalyst decreases but also dissolution in water occurs. There is a problem that flows out.

また、従来の技術では開回路を防ぐ手法は開示されているが、電圧を0.88V以下にすることは記載されていない。   Moreover, although the technique which prevents an open circuit is disclosed by the prior art, it does not describe making a voltage into 0.88V or less.

また、前記従来の水や加湿された不活性ガスをアノードまたはカソードにパージする方法では、各電極の電位を一定以下に保とうとすることは示されていないので、セル内部が不活性ガスや水で満たされた時、残された空気または外部より徐々に浸入していく酸素により、両極とも約0.93V〜1.1Vの電圧を示すため、電極が酸化または溶出してしまい性能を低下させてしまう問題がある。   In addition, in the conventional method of purging water or humidified inert gas to the anode or cathode, it is not shown that the potential of each electrode is kept below a certain level. When filled with, the remaining air or oxygen that gradually enters from the outside shows a voltage of about 0.93 V to 1.1 V on both electrodes, so that the electrode is oxidized or eluted and the performance is degraded. There is a problem.

また、前記従来の水や加湿された不活性ガスをパージする方法では、停止時に燃料電池スタック38の温度が低下し、燃料電池スタック38内部で結露が発生し、体積の減少が生じ、負圧となるため、外部の酸素が流入したり、電解質1に応力が掛かり破損したり、電極4aと4cが短絡するなどといった問題がある。   Further, in the conventional method of purging water or humidified inert gas, the temperature of the fuel cell stack 38 is lowered at the time of stoppage, condensation occurs inside the fuel cell stack 38, the volume is reduced, and the negative pressure is generated. Therefore, there are problems that external oxygen flows in, the electrolyte 1 is stressed and damaged, and the electrodes 4a and 4c are short-circuited.

また、前記従来の酸化剤ガスの供給を停止した状態でセルを発電させ、ガス流路6cの酸素を消費させてからガス流路6aに不活性ガスをパージする方法では、ガス流路6cに消費しきれず残留した酸素や、拡散やリークなどにより混入する空気の影響により、電極4cが酸化され、劣化するという問題があった。また、発電して強制的に酸素を消費させるので電極4cの電位が一様でなく、停止させる毎にカソードの活性化状況が異なり、起動時の電池電圧がばらつくといった問題があった。   Further, in the conventional method of generating power in the state where the supply of the oxidant gas is stopped and consuming oxygen in the gas flow path 6c, the gas flow path 6a is purged with an inert gas. There has been a problem that the electrode 4c is oxidized and deteriorated due to the influence of oxygen remaining without being consumed and air mixed in due to diffusion or leakage. Further, since oxygen is forcibly consumed by power generation, the potential of the electrode 4c is not uniform, and the activation state of the cathode is different every time it is stopped, and there is a problem in that the battery voltage at startup varies.

また、アノードより空気が存在するカソードにリークする水素によりカソード電極の性能を向上させようとするものは、酸素と水素の混合により電位が不安定となり、カソードの性能の向上にバラツクと言った問題がある。   In addition, those that try to improve the performance of the cathode electrode due to hydrogen leaking to the cathode where air exists from the anode, the potential becomes unstable due to the mixing of oxygen and hydrogen, and there is a problem that the performance of the cathode varies. There is.

また、カソードに水素を流すことによりカソード電極の性能を向上させようとするものは、停止中にガス拡散により進入してくる酸素に対する対策が示されておらず、停止中に電極が高電位になり、寿命が短くなる問題がある。   Also, there is no indication for measures to improve the performance of the cathode electrode by flowing hydrogen to the cathode, as countermeasures against oxygen entering by gas diffusion during stoppage are shown. There is a problem that the life is shortened.

また、起動時に燃料ガスまたは原料ガスでガス経路をパージすると、外部に燃料ガスまたは原料ガスが排出されエネルギーの利用率が悪くなるという問題がある。   Further, when the gas path is purged with the fuel gas or the raw material gas at the time of starting, there is a problem that the fuel gas or the raw material gas is discharged to the outside and the energy utilization rate is deteriorated.

上記従来の問題点に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、起動停止時における燃料電池の劣化の抑制及び耐久性の向上を図り、長寿命な燃料電池システムとその運転方法を提供することにある。   In view of the above-described conventional problems, the problem to be solved by the present invention is to provide a long-life fuel cell system and an operation method thereof for suppressing deterioration and improving durability of the fuel cell when starting and stopping. It is in.

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池の起動停止時に、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を停止し、燃料電池の電圧を検出し、水を燃料電池の少なくとも酸化剤ガス経路に注入することとしたものである。これにより、カソードとアノードの電極が高電位になることを防ぐことができ、少なくともカソード電極には水が満たされるので停止中も酸素の進入を防ぐことができるので、長期の停止においても電極の劣化が無く長期間高性能を維持し、長寿命な燃料電池システムが実現できるのである。   In order to solve the above problems, the fuel cell system of the present invention stops the supply of the fuel gas and the oxidant gas, detects the voltage of the fuel cell, and at least oxidizes water in the fuel cell when the fuel cell starts and stops. Injected into the agent gas path. As a result, it is possible to prevent the cathode and anode electrodes from becoming a high potential, and at least the cathode electrode is filled with water, so that it is possible to prevent oxygen from entering even during stoppage. A long-life fuel cell system that does not deteriorate and maintains high performance for a long time can be realized.

また、本発明の燃料電池システムの運転方法は、燃料電池の停止時に、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を停止し、燃料電池の電圧を検出し、電圧が0.88V以下の時に水を燃料電池の少なくとも酸化剤ガスの経路に注入する運転方法である。これにより、電極の酸化・溶解を防止でき、さらに酸化剤ガス経路の酸素を排除でき、長期間停止させても水があるとガスの進入を防止することができるので、長期間の停止を含む起動・停止による劣化を防ぎ、長期間高性能を維持できる。   Further, the fuel cell system operating method of the present invention stops the supply of the fuel gas and the oxidant gas when the fuel cell is stopped, detects the voltage of the fuel cell, and fuels water when the voltage is 0.88 V or less. This is an operation method in which the battery is injected into at least an oxidizing gas path. As a result, it is possible to prevent oxidation / dissolution of the electrode, further eliminate oxygen in the oxidant gas path, and even if stopped for a long time, it is possible to prevent gas from entering if there is water, including a long-term stoppage. Prevents deterioration due to start / stop and maintains high performance for a long time.

本発明の燃料電池システムとその運転方法は、停止時に酸化剤ガス側の電極電位を低下させ酸、溶解による電極劣化を防いだ後、燃料ガスと酸化剤ガスの一方または両方に水を入れることにより長期間の停止をともなう起動と停止を行っても、電極の酸化または溶解による劣化を抑制することができ、燃料電池システムの長寿命化を図ることができる。   The fuel cell system and its operation method of the present invention is to put water into one or both of the fuel gas and the oxidant gas after the electrode potential on the oxidant gas side is lowered at the time of stop to prevent electrode deterioration due to acid and dissolution. Thus, even when starting and stopping with a long-term stop, deterioration due to oxidation or dissolution of the electrode can be suppressed, and the life of the fuel cell system can be extended.

第1の発明は、電解質と、電解質を挟む一対の電極と、電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給・排出し、他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有する一対のセパレータとを具備した燃料電池と、原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、前記燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、前記燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、ガスや前記電力回路部などを制御する制御部と、燃料電池で発生する熱を取り出す冷却水及び冷却水を溜める冷却水タンクとを備え、燃料電池の停止時に、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を停止し、燃料電池の電圧を検出し、水を燃料電池の少なくとも酸化剤ガス経路に注入する燃料電池システムである。   A first invention is a gas flow path for supplying and discharging an electrolyte, a pair of electrodes sandwiching the electrolyte, and a fuel gas containing at least hydrogen on one of the electrodes, and an oxidant gas containing oxygen on the other A fuel cell that includes a pair of separators, a fuel generator that generates fuel gas to be supplied from the raw material gas to the fuel cell, a gas cleaning unit that removes components that adversely affect the fuel cell from the raw material gas, A power circuit unit that extracts power from the fuel cell; a voltage measurement unit that measures the voltage of the fuel cell; a control unit that controls gas, the power circuit unit, and the like; cooling water that extracts heat generated in the fuel cell; A cooling water tank for storing cooling water. When the fuel cell is stopped, the supply of fuel gas and oxidant gas is stopped, the voltage of the fuel cell is detected, and water is injected into at least the oxidant gas path of the fuel cell. It is a fuel cell system.

これにより、燃料電池の起動停止時に燃料ガス中の水素が膜を介して酸化剤ガス側の電極に移動し、酸化剤ガス側の電極の電位を低下させ、酸化・溶解による電極劣化を抑制でき、水を燃料ガスと酸化剤ガスの経路の一方または両方に注入することにより長期間の停止でも酸素の流入を抑制できるので、長期間の停止を含む起動・停止による劣化を防ぐことができ、長期間高性能を維持できるのである。   As a result, when the fuel cell is started and stopped, hydrogen in the fuel gas moves to the electrode on the oxidant gas side through the membrane, lowers the potential of the electrode on the oxidant gas side, and can suppress electrode deterioration due to oxidation / dissolution. By injecting water into one or both of the fuel gas and oxidant gas paths, the inflow of oxygen can be suppressed even during a long-term stop, so that deterioration due to start / stop including a long-term stop can be prevented. High performance can be maintained for a long time.

第2の発明は、電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給・排出し、他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有する一対のセパレータとを具備した燃料電池と、原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、前記燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、前記燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、ガスや電力回路部などを制御する制御部と、前記燃料電池で発生する熱を取り出す冷却水及び冷却水を溜める冷却水タンクとを備え、燃料電池の停止時に、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を停止し、燃料電池の電圧を検出し、電圧が0.88V以下の時に水を燃料電池の少なくとも酸化剤ガス経路に注入する燃料電池システムの運転方法である。   According to a second aspect of the present invention, there is provided an electrolyte, a pair of electrodes sandwiching the electrolyte, and a gas for supplying and discharging a fuel gas containing at least hydrogen to one of the electrodes and an oxidant gas containing oxygen for the other A fuel cell including a pair of separators having a flow path, a fuel generator that generates fuel gas to be supplied from the raw material gas to the fuel cell, and a gas cleaning unit that removes components that adversely affect the fuel cell from the raw material gas A power circuit unit that extracts power from the fuel cell, a voltage measurement unit that measures the voltage of the fuel cell, a control unit that controls a gas, a power circuit unit, and the like, and cooling that extracts heat generated in the fuel cell And a cooling water tank for storing water and cooling water. When the fuel cell is stopped, the supply of fuel gas and oxidant gas is stopped, the voltage of the fuel cell is detected, and water is fueled when the voltage is 0.88 V or less. It is an operating method of a fuel cell system for injecting at least oxidizer gas path pond.

これにより、停止時に燃料ガス中の水素が膜を介して酸化剤ガス側の電極に移動し、酸化剤ガス側の電極の電位を低下させ、燃料ガス極は水素電極であるので、電圧が0.88V以下となるのは水素電極比で電位が0.88V以下となることであり、(化9)の化学式9で示された白金の酸化を防止することができ、電極の酸化・溶解を防止でき、さらに少なくとも酸化剤ガス経路に水を注入することにより、酸化剤ガス経路の酸素を排除でき、長期間停止させても水があるとガスの進入を防止することができるので、長期間の停止を含む起動・停止による劣化を防ぎ、長期間高性能を維持できるのである。   As a result, when stopping, hydrogen in the fuel gas moves to the electrode on the oxidant gas side through the membrane, lowers the potential of the electrode on the oxidant gas side, and the fuel gas electrode is a hydrogen electrode. .88V or less is that the potential is 0.88V or less in terms of hydrogen electrode ratio, and it is possible to prevent the oxidation of platinum represented by the chemical formula 9 of (Chemical Formula 9), and to oxidize and dissolve the electrode. In addition, by injecting water at least into the oxidant gas path, oxygen in the oxidant gas path can be eliminated, and even if stopped for a long period of time, it can be prevented from entering the gas if there is water. Therefore, it is possible to prevent deterioration due to start-up and stop, including stoppage, and maintain high performance for a long time.

第3の発明は、電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給・排出し、他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有する一対のセパレータとを具備した燃料電池と、原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、前記燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、前記燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、ガスや電力回路部などを制御する制御部と、前記燃料電池で発生する熱を取り出す冷却水及び冷却水を溜める冷却水タンクとを備え、燃料電池の停止時に、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を停止し、燃料電池の電圧が0.88V以下になるに十分な時間を経過した後、水を燃料電池の少なくとも酸化剤ガス経路に注入する燃料電池システムの運転方法である。   According to a third aspect of the invention, there is provided an electrolyte, a pair of electrodes sandwiching the electrolyte, and a gas for supplying and discharging a fuel gas containing at least hydrogen to one of the electrodes, and an oxidant gas containing oxygen for the other A fuel cell including a pair of separators having a flow path, a fuel generator that generates fuel gas to be supplied from the raw material gas to the fuel cell, and a gas cleaning unit that removes components that adversely affect the fuel cell from the raw material gas A power circuit unit that extracts power from the fuel cell, a voltage measurement unit that measures the voltage of the fuel cell, a control unit that controls a gas, a power circuit unit, and the like, and cooling that extracts heat generated in the fuel cell A cooling water tank for storing water and cooling water is provided, and when the fuel cell is stopped, the supply of the fuel gas and the oxidant gas is stopped, and a sufficient time has passed so that the voltage of the fuel cell becomes 0.88 V or less. A method of operating a fuel cell system for injecting at least oxidizer gas passage of the fuel cell water.

これにより、電圧測定をしなくとも時間を管理することで、簡単な構成により燃料電池の各電極の電位を(化9)の化学式9で示された白金の酸化が発生する0.88V以下とし、電極の酸化・溶解を防止でき、さらに少なくとも酸化剤ガス経路に水を注入することにより、酸化剤ガス経路の酸素を排除でき、長期間停止させても水があるとガスの進入を防止することができるので、長期間の停止を含む起動・停止による劣化を防ぎ、長期間高性能を維持できるのである。   Thus, by managing the time without measuring the voltage, the potential of each electrode of the fuel cell can be reduced to 0.88 V or less at which the oxidation of platinum represented by the chemical formula 9 of (Chemical Formula 9) occurs with a simple configuration. , Can prevent oxidation / dissolution of the electrode, and at least by injecting water into the oxidant gas path, the oxygen in the oxidant gas path can be eliminated, and even if it is stopped for a long period of time, it can prevent gas from entering Therefore, it is possible to prevent deterioration due to start / stop including long-term stop and maintain high performance for a long time.

第4の発明は、電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給・排出し、他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有する一対のセパレータとを具備した燃料電池と、原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、前記燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、前記燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、ガスや電力回路部などを制御する制御部と、前記燃料電池で発生する熱を取り出す冷却水及び冷却水を溜める冷却水タンクとを備え、燃料電池の停止時に、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を停止し、燃料電池のガス経路の圧力が低下すると水を注入し、ガス経路の圧力変化を一定以下にすることのできる燃料電池システムである。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an electrolyte, a pair of electrodes sandwiching the electrolyte, and a gas for supplying and discharging a fuel gas containing at least hydrogen to one of the electrodes, and an oxidant gas containing oxygen for the other A fuel cell including a pair of separators having a flow path, a fuel generator that generates fuel gas to be supplied from the raw material gas to the fuel cell, and a gas cleaning unit that removes components that adversely affect the fuel cell from the raw material gas A power circuit unit that extracts power from the fuel cell, a voltage measurement unit that measures the voltage of the fuel cell, a control unit that controls a gas, a power circuit unit, and the like, and cooling that extracts heat generated in the fuel cell A cooling water tank for storing water and cooling water. When the fuel cell is stopped, the supply of the fuel gas and the oxidant gas is stopped, and water is injected when the pressure of the gas path of the fuel cell is reduced. It is a fuel cell system capable of a force change constant below.

これにより、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を停止すると膜を介して主に水素がアノード側からカソード側に移動し、カソード側で酸素と反応し水となり、原料ガスから作られる燃料ガスのおよそ80%は水素であるが、空気を酸化剤ガスとして用いる場合、酸素はおよそ20%であるので、水素と酸素が2対1の割合で反応した場合は、最終的に水素が残るため、燃料電池の両電極は低い電位となるので、酸化・溶解による劣化を防ぐことができ、さらにガスが反応して体積が減少するに相当する量の水が注入されるので各ガス経路中の圧力が大きく変化することが防止でき、膜に大きな応力がかからないため、応力による割れなどが発生することなく長寿命とすることができるのである。   As a result, when the supply of the fuel gas and the oxidant gas is stopped, hydrogen mainly moves from the anode side to the cathode side through the membrane, reacts with oxygen on the cathode side to become water, and approximately the fuel gas made from the raw material gas 80% is hydrogen, but when air is used as the oxidant gas, oxygen is approximately 20%. Therefore, when hydrogen and oxygen react at a ratio of 2 to 1, hydrogen will eventually remain. Since both electrodes of the battery are at a low potential, deterioration due to oxidation and dissolution can be prevented, and furthermore, an amount of water corresponding to the gas reacting to reduce the volume is injected, so the pressure in each gas path is It is possible to prevent a large change, and since a large stress is not applied to the film, a long life can be obtained without causing a crack due to the stress.

第5の発明は、電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給・排出し、他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有する一対のセパレータとを具備した燃料電池と、原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、前記燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、前記燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、ガスや電力回路部などを制御する制御部と、前記燃料電池で発生する熱を取り出す冷却水及び冷却水を溜める冷却水タンクとを備え、燃料電池の停止時に、ガスの供給停止は酸化剤ガスが燃料ガスよりも先であり、燃料電池のガス経路への水の注入も酸化剤ガス経路が燃料ガス経路よりも先である燃料電池システムの運転方法とすることにより、酸化剤ガスの供給が停止されているが、燃料ガスの供給はされている時間を作るので、水素と酸素が反応し消費された残りがより水素が多くなるため、電極の電位をより確実に下げることができ、より確実に長寿命とすることができるのである。   According to a fifth aspect of the present invention, there is provided an electrolyte, a pair of electrodes sandwiching the electrolyte, and a gas for supplying and discharging a fuel gas containing at least hydrogen to one of the electrodes and an oxidant gas containing oxygen for the other A fuel cell including a pair of separators having a flow path, a fuel generator that generates fuel gas to be supplied from the raw material gas to the fuel cell, and a gas cleaning unit that removes components that adversely affect the fuel cell from the raw material gas A power circuit unit that extracts power from the fuel cell, a voltage measurement unit that measures the voltage of the fuel cell, a control unit that controls a gas, a power circuit unit, and the like, and cooling that extracts heat generated in the fuel cell A cooling water tank for storing water and cooling water. When the fuel cell is stopped, the gas supply is stopped when the oxidant gas precedes the fuel gas, and the injection of water into the gas path of the fuel cell is also performed by the oxidant gas. Since the fuel cell system is operated before the fuel gas path, the supply of the oxidant gas is stopped, but the fuel gas is supplied for a certain amount of time. Since the remainder of the reaction and consumed is more hydrogen, the potential of the electrode can be lowered more reliably and the life can be more reliably increased.

第6の発明は、電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給・排出し、他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有する一対のセパレータとを具備した燃料電池と、原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、前記燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、前記燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、ガスや電力回路部などを制御する制御部と、前記燃料電池で発生する熱を取り出す冷却水及び冷却水を溜める冷却水タンクとを備え、燃料電池の停止時に、酸化剤ガスの供給を停止し、酸化剤ガス経路は水を注入しガスを追い出した後、燃料ガスを停止させ、燃料ガス経路は温度変化等で体積が減少すると水を注入できる燃料電池システムとすることにより、停止中の体積変化による膜への応力の発生を防ぐことができるので、膜が損傷することがなく、長期間高性能を維持することができるのである。   According to a sixth aspect of the present invention, there is provided an electrolyte, a pair of electrodes sandwiching the electrolyte, and a gas for supplying and discharging a fuel gas containing at least hydrogen to one of the electrodes and an oxidant gas containing oxygen for the other A fuel cell including a pair of separators having a flow path, a fuel generator that generates fuel gas to be supplied from the raw material gas to the fuel cell, and a gas cleaning unit that removes components that adversely affect the fuel cell from the raw material gas A power circuit unit that extracts power from the fuel cell, a voltage measurement unit that measures the voltage of the fuel cell, a control unit that controls a gas, a power circuit unit, and the like, and cooling that extracts heat generated in the fuel cell And a cooling water tank for storing water and cooling water. When the fuel cell is stopped, the supply of the oxidant gas is stopped. The oxidant gas path injects water and expels the gas, and then stops the fuel gas and stops fuel. By making the gas path a fuel cell system that can inject water when the volume decreases due to temperature change etc., it is possible to prevent the film from being damaged due to volume change during stoppage, so the film will not be damaged, High performance can be maintained for a long time.

第7の発明は、請求項1から6のいずれか1項に記載の発明において、停止時に燃料電池の経路に入れる水として、冷却水を用いる燃料電池システムまたは燃料電池システムの運転方法とすることにより、新たな水供給装置を設けることなく、さらに燃料電池に悪影響を与えることが無い水を利用できるので、簡単な構成で長寿命を実現できるのである。   According to a seventh aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to sixth aspects, a fuel cell system or a fuel cell system operating method that uses cooling water as water that enters the path of the fuel cell when stopped Thus, since a water that does not adversely affect the fuel cell can be used without providing a new water supply device, a long life can be realized with a simple configuration.

第8の発明は、電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給・排出し、他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有する一対のセパレータとを具備した燃料電池と、原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、前記燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、前記燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、ガスや電力回路部などを制御する制御部と、前記燃料電池で発生する熱を取り出す冷却水及び冷却水を溜める冷却水タンクとを備え、停止時に燃料ガスと酸化剤ガスの経路の一方または両方に水を注入し停止させ、起動時に燃料ガスと酸化剤ガスの経路の一方または両方の水をガス清浄部で浄化した燃料ガスで追い出し、追い出しに用いた前記燃料ガスは燃焼部で燃焼させ燃料ガスの流出をなくすことのできる燃料電池システムである。   The eighth invention provides an electrolyte, a pair of electrodes sandwiching the electrolyte, and a gas for supplying / discharging a fuel gas containing at least hydrogen to one of the electrodes and supplying / discharging an oxidant gas containing oxygen to the other A fuel cell including a pair of separators having a flow path, a fuel generator that generates fuel gas to be supplied from the raw material gas to the fuel cell, and a gas cleaning unit that removes components that adversely affect the fuel cell from the raw material gas A power circuit unit that extracts power from the fuel cell, a voltage measurement unit that measures the voltage of the fuel cell, a control unit that controls a gas, a power circuit unit, and the like, and cooling that extracts heat generated in the fuel cell A cooling water tank for storing water and cooling water is provided. Water is injected into one or both of the fuel gas and oxidant gas paths at the time of stoppage and stopped, and one of the fuel gas and oxidant gas paths at the time of start-up is stopped. The both water chased with fuel gas purified in the gas purifying unit, the fuel gas used for purging is a fuel cell system capable of eliminating the leakage of fuel gas is burned in the combustion section.

これにより、起動時に燃料電池内に保持している水を追い出す際も空気の進入を防ぎ、電極の電位を上げることがないので電極の劣化を防止でき、さらに追い出しに用いた燃料ガスも燃料させることにより熱としてエネルギーを回収できるので、エネルギー効率を落とすことが無いようにできるのである。   This prevents air from entering even when the water held in the fuel cell is expelled at the start-up, prevents the electrode potential from being raised, prevents electrode deterioration, and also causes the fuel gas used for expulsion to fuel. This makes it possible to recover energy as heat, so that energy efficiency is not reduced.

第9の発明は、電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給・排出し、他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有する一対のセパレータとを具備した燃料電池と、原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、前記燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、前記燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、ガスや電力回路部などを制御する制御部と、前記燃料電池で発生する熱を取り出す冷却水及び冷却水を溜める冷却水タンクとを備え、停止時に少なくとも燃料ガスの経路に水を注入し停止させ、起動時に燃料ガスの経路の水は燃料ガスで追い出し、追い出しに用いた燃料ガスは燃焼部で燃焼させ燃料ガスの流出をなくすことのできる燃料電池システムである。   A ninth invention is a gas for supplying and discharging an electrolyte, a pair of electrodes sandwiching the electrolyte, and a fuel gas containing at least hydrogen on one of the electrodes, and an oxidant gas containing oxygen on the other A fuel cell including a pair of separators having a flow path, a fuel generator that generates fuel gas to be supplied from the raw material gas to the fuel cell, and a gas cleaning unit that removes components that adversely affect the fuel cell from the raw material gas A power circuit unit that extracts power from the fuel cell, a voltage measurement unit that measures the voltage of the fuel cell, a control unit that controls a gas, a power circuit unit, and the like, and cooling that extracts heat generated in the fuel cell It is equipped with a cooling water tank for storing water and cooling water. At the time of stoppage, water is injected into at least the fuel gas path to stop it. At startup, the water in the fuel gas path is expelled with fuel gas and used for expulsion. The fuel gas is a fuel cell system capable of eliminating the leakage of fuel gas is burned in the combustion section.

これにより、起動時に燃料電池内に保持している水を追い出す際も空気の進入を防ぎ、さらに水素が供給されるのでより確実に電極の電位を低く維持できるので電極の劣化をいっそう防止でき、さらに追い出しに用いた燃料ガスも燃料させることにより熱としてエネルギーを回収できるので、エネルギー効率を落とすことが無いようにできるのである。   This prevents the entry of air even when driving out the water held in the fuel cell at the time of start-up, and further prevents the deterioration of the electrode because the potential of the electrode can be kept low more reliably because hydrogen is supplied, Furthermore, energy can be recovered as heat by fueling the fuel gas used for eviction, so that energy efficiency can be prevented from being reduced.

第10の発明は、電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給・排出し、他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有する一対のセパレータとを具備した燃料電池と、原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、前記燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、前記燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、ガスや電力回路部などを制御する制御部と、前記燃料電池で発生する熱を取り出す冷却水及び冷却水を溜める冷却水タンクとを備え、停止時に燃料ガスと酸化剤ガス経路の一方または両方に水を注入し停止させ、起動時には燃料ガスを流した後、酸化剤ガスを流す燃料電池システムの運転方法とすることにより、起動時にも燃料ガスを流し電極電位を十分低く保ったまま酸化剤ガスを流し発電を開始できるので、電極が起動時に高電位になり劣化することなく、長寿命化がはかれるのである。   A tenth aspect of the invention provides an electrolyte, a pair of electrodes sandwiching the electrolyte, and a gas that supplies / discharges a fuel gas containing at least hydrogen to one of the electrodes and supplies / discharges an oxidant gas containing oxygen to the other A fuel cell including a pair of separators having a flow path, a fuel generator that generates fuel gas to be supplied from the raw material gas to the fuel cell, and a gas cleaning unit that removes components that adversely affect the fuel cell from the raw material gas A power circuit unit that extracts power from the fuel cell, a voltage measurement unit that measures the voltage of the fuel cell, a control unit that controls a gas, a power circuit unit, and the like, and cooling that extracts heat generated in the fuel cell A cooling water tank for storing water and cooling water. When stopping, inject water into one or both of the fuel gas and oxidant gas passages to stop it. By using the fuel cell system operation method, fuel gas can be flowed even at start-up, and oxidant gas can be flowed while keeping the electrode potential sufficiently low, so that power generation can be started without causing deterioration of the electrode at high potential at start-up. This will extend the service life.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiment.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における燃料電池システムの構成図で、図2は本発明の燃料電池システムで採用した高分子電解質型の燃料電池の基本構成を示し、燃料電池の単電池の一部構成図で、図3は燃料電池を積層した燃料電池スタックの構成図である。本発明の燃料電池システムを説明する前に、採用した高分子電解質型の燃料電池の基本構成を図2、図3により説明する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 shows a basic configuration of a polymer electrolyte fuel cell employed in the fuel cell system of the present invention. FIG. 3 is a configuration diagram of a fuel cell stack in which fuel cells are stacked. Before describing the fuel cell system of the present invention, the basic structure of the employed polymer electrolyte fuel cell will be described with reference to FIGS.

燃料電池は、少なくとも水素を含む燃料ガスと空気などの酸素を含む酸化剤ガスをガス拡散電極によって電気化学的に反応させるもので、電気と熱とを同時に発生させるものである。電解質1は水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜等が利用させる。電解質1の両面には、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層を密着して配置してある。   In a fuel cell, a fuel gas containing at least hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air are electrochemically reacted by a gas diffusion electrode, and electricity and heat are generated simultaneously. The electrolyte 1 is used by a polymer electrolyte membrane that selectively transports hydrogen ions. A catalytic reaction layer mainly composed of carbon powder carrying a platinum-based metal catalyst is disposed on both surfaces of the electrolyte 1 in close contact with each other.

この触媒反応層で(化1)の化学式1と(化2)の化学式2に示す反応が発生する。少なくとも水素を含む燃料ガスは(化1)の化学式1に示す反応(以下、アノード反応と称する)し、電解質1を介して移動した水素イオンは、酸化剤ガスと触媒反応層で(化2)の化学式2に示す反応(以降、カソード反応と称する)により、水を生成し、このとき電気と熱を生ずる。   The reaction shown in Chemical Formula 1 of (Chemical Formula 1) and Chemical Formula 2 of (Chemical Formula 2) occurs in this catalytic reaction layer. The fuel gas containing at least hydrogen undergoes the reaction shown in Chemical Formula 1 of (Chemical Formula 1) (hereinafter referred to as the anode reaction), and the hydrogen ions moved through the electrolyte 1 are converted into the oxidant gas and the catalytic reaction layer (Chemical Formula 2). By the reaction shown in Chemical Formula 2 (hereinafter referred to as the cathode reaction), water is generated, and at this time, electricity and heat are generated.

水素などの燃料ガスの関与する側をアノードと呼び、図2、図3では符号aを付して表し、空気などの酸化剤ガスの関与する側をカソードと呼び、図2、図3では符号cを付して表した。さらに触媒反応層2aと2cの外面には、ガス通気性と導電性を兼ね備えた拡散層3aと3cをそれぞれこれに密着して配置する。この拡散層3aと触媒反応層2aにより電極4aを、拡散層3cと触媒反応層2cにより電極4cを構成する。   The side in which a fuel gas such as hydrogen is involved is called an anode, and in FIGS. 2 and 3, the side with an oxidant gas such as air is called a cathode, and the side in FIG. 2 and FIG. c is attached. Further, diffusion layers 3a and 3c having both gas permeability and conductivity are arranged in close contact with the outer surfaces of the catalyst reaction layers 2a and 2c, respectively. The diffusion layer 3a and the catalyst reaction layer 2a constitute an electrode 4a, and the diffusion layer 3c and the catalyst reaction layer 2c constitute an electrode 4c.

電極電解質接合体(以降、MEAと称する)5は、電極4aと4cと電解質1とで形成している。MEA5は、MEA5を機械的に固定するとともに、隣接するMEA5同士を互いに電気的に直列に接続し、さらに電極に反応ガスを供給し、かつ反応により発生したガスや余剰のガスを運び去るためのガス流路6aと6cをMEA5に接する面に形成した一対の導電性セパレータ7aと7cを配置する。   An electrode electrolyte assembly (hereinafter referred to as MEA) 5 is formed of electrodes 4 a and 4 c and electrolyte 1. The MEA 5 is used for mechanically fixing the MEA 5 and electrically connecting adjacent MEAs 5 to each other, supplying a reaction gas to the electrodes, and carrying away a gas generated by the reaction and excess gas. A pair of conductive separators 7a and 7c, in which the gas flow paths 6a and 6c are formed on the surface in contact with the MEA 5, are disposed.

電解質1と、1対の触媒反応層2aと2cと、一対の拡散層3aと3cと、一対の電極4aと4cと、一対のセパレータ7aと7cで基本の燃料電池(以下、セルと称する)を形成する。セパレータ7aと7cにはMEA5とは反対の面に、隣のセルのセパレータ7cと7aが接する。セパレータ7aと7cが接する側には冷却水通路8a、8cが設けられており、ここに冷却水9が流れる。冷却水9はセパレータ7aと7cを介してMEA5の温度を調整するように熱を移動させる。MEA5とセパレータ7aまたは7cは、MEAガスケット11で封止され、セパレータ7aと7cはセパレータガスケット10で封止される。   A basic fuel cell (hereinafter referred to as a cell) includes an electrolyte 1, a pair of catalytic reaction layers 2a and 2c, a pair of diffusion layers 3a and 3c, a pair of electrodes 4a and 4c, and a pair of separators 7a and 7c. Form. The separators 7a and 7c are in contact with the separators 7c and 7a of the adjacent cells on the surface opposite to the MEA 5. Cooling water passages 8a and 8c are provided on the side where the separators 7a and 7c are in contact, and the cooling water 9 flows there. The cooling water 9 moves heat so as to adjust the temperature of the MEA 5 through the separators 7a and 7c. The MEA 5 and the separator 7 a or 7 c are sealed with the MEA gasket 11, and the separators 7 a and 7 c are sealed with the separator gasket 10.

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

図3は図1で説明したセルを積層した燃料電池スタックである。燃料電池セルの電圧は通常0.75V程度と低いために、セルを直列に複数個積層し、高電圧と成るようにしている。燃料電池スタック38から外部には一対の集電板21aと21cから電流が取り出され、一対の絶縁板22aと22cによりセルと外部を電気的に絶縁され、一対の端板23aと23cにより、セルを積層した燃料電池スタック38は締結され、機械的に保持される。   FIG. 3 shows a fuel cell stack in which the cells described in FIG. 1 are stacked. Since the voltage of the fuel battery cell is usually as low as about 0.75 V, a plurality of cells are stacked in series so as to obtain a high voltage. A current is taken out from the fuel cell stack 38 from a pair of current collecting plates 21a and 21c, the cell and the outside are electrically insulated by a pair of insulating plates 22a and 22c, and a cell is formed by a pair of end plates 23a and 23c. Are stacked and mechanically held.

酸化剤ガスは端板23cの上部に設けられた酸化剤ガス入り口24in(以下、カソード入り口と称する)と、冷却水入り口26inが設けられており、下部には燃料ガス出口25out(以降、アノード出口と称する)が設けられている。カソード入り口24inが設けられた端板23cと対を形成する他方の端板23aの上部には燃料ガス入り口25in(以降、アノード入り口と称する、図示せず)が設けられており、下部には酸化剤ガス出口24out(以降、カソード出口と称する、図示せず)と、冷却水出口26out(図示せず)が設けられている。   The oxidant gas is provided with an oxidant gas inlet 24in (hereinafter referred to as a cathode inlet) provided at the upper part of the end plate 23c and a cooling water inlet 26in, and a fuel gas outlet 25out (hereinafter referred to as an anode outlet) at the lower part. Is provided). A fuel gas inlet 25in (hereinafter referred to as an anode inlet, not shown) is provided at the upper part of the other end plate 23a forming a pair with the end plate 23c provided with the cathode inlet 24in, and an oxidation is provided at the lower part. An agent gas outlet 24out (hereinafter referred to as a cathode outlet, not shown) and a cooling water outlet 26out (not shown) are provided.

酸化剤ガスおよび燃料ガスはカソード入り口24inおよびアノード入り口25inを介して、燃料電池スタックに供給され、上部に配置されているマニホールドを介して全単セルに供給される。個々の単セルにおいてガスは、ガス流路6aおよび6cは蛇行形状(いわゆるサーペンタイン形状)など様々な形状であるが、全体としては上部から下部の方向に流れ、その後、酸化剤ガスおよび燃料ガスは各単セルから集められ、カソード出口24outおよびアノード出口25outからそれぞれ排出される。   The oxidant gas and the fuel gas are supplied to the fuel cell stack through the cathode inlet 24in and the anode inlet 25in, and are supplied to all the single cells through the manifold arranged at the top. In each single cell, the gas flow paths 6a and 6c have various shapes such as a meandering shape (so-called serpentine shape), but as a whole flow from the top to the bottom, and then the oxidant gas and the fuel gas are Collected from each single cell and discharged from cathode outlet 24out and anode outlet 25out, respectively.

また、冷却水は冷却水入り口26inから燃料電池スタックに入り、上部に配置されているマニホールドを介して全単セルに供給される。単セルにおいては、冷却水経路8はストレート形状、蛇行形状など様々な形状があるが全体として水は上部から下部に向かって流れている。よって、燃料電池の発電・発熱中の冷却水は冷却水入り口26inよりも、冷却水出口26outの方が温度は高く、各単セルにおいても上部より下部の方が温度は高い傾向となる。   Further, the cooling water enters the fuel cell stack from the cooling water inlet 26in and is supplied to all the single cells through the manifold arranged at the upper part. In the single cell, the cooling water path 8 has various shapes such as a straight shape and a meandering shape, but as a whole, water flows from the upper part toward the lower part. Therefore, the temperature of the cooling water during power generation and heat generation of the fuel cell tends to be higher at the cooling water outlet 26out than at the cooling water inlet 26in, and in each single cell, the temperature tends to be higher in the lower part than in the upper part.

図3は燃料電池システムの構成図である。燃料電池システムは外筐体31に納められている。外部から原料ガス配管33から取り入れられた原料ガスは燃料電池に悪影響を与える物質を除去するガス清浄部32で清浄化された後、清浄ガス配管36を介して燃料生成器35に導かれる。原料ガス配管33の経路中には弁34が設けられており、原料ガスの流れを制御し、燃料生成器35にガスを流すときは開となる。燃料生成器35は、原料ガスから少なくとも水素を含む燃料ガスを生成する。   FIG. 3 is a configuration diagram of the fuel cell system. The fuel cell system is housed in the outer casing 31. The raw material gas taken in from the raw material gas pipe 33 from the outside is purified by the gas cleaning unit 32 that removes substances that adversely affect the fuel cell, and then guided to the fuel generator 35 through the clean gas pipe 36. A valve 34 is provided in the path of the raw material gas pipe 33 and is opened when the flow of the raw material gas is controlled and the gas is allowed to flow to the fuel generator 35. The fuel generator 35 generates a fuel gas containing at least hydrogen from the raw material gas.

38は燃料電池スタックであり、図1および図2で詳細が示される燃料電池の単セルを複数積層した燃料電池スタックである。燃料生成器35から燃料電池スタック38には燃料ガス配管37を介してアノード入り口25inより燃料ガスが導かれる。燃料電池スタック38で使用されなかった燃料ガスは、アノード出口25outよりオートドレン70を配置したオフガス管48を通じて再び、燃料生成器35に流れ込む。オートドレン70は凝縮などによりオフガス管48に流れるガス中の水分を減少させる。   Reference numeral 38 denotes a fuel cell stack, which is a fuel cell stack in which a plurality of single cells of a fuel cell whose details are shown in FIGS. 1 and 2 are stacked. Fuel gas is led from the fuel generator 35 to the fuel cell stack 38 through the fuel gas pipe 37 from the anode inlet 25in. The fuel gas that has not been used in the fuel cell stack 38 flows again into the fuel generator 35 through the off-gas pipe 48 in which the auto drain 70 is disposed from the anode outlet 25out. The auto drain 70 reduces moisture in the gas flowing into the off-gas pipe 48 by condensation or the like.

オートドレン70で水分が減少し燃焼しやすくなったガスは、燃料生成器35に設けられたバーナー(図示せず)などで燃焼などに用いられ、原料ガスから燃料ガスを生成するための吸熱反応等に利用される。燃焼等の排ガスはアノード排ガス口50により外部に排出される。燃料ガス配管37にはアノード圧力計91が配置されており、燃料ガス配管37と連通している燃料電池スタック38中のガス経路6aの圧力を計測する。   The gas whose moisture has been reduced by the auto drain 70 and is easily combusted is used for combustion or the like by a burner (not shown) provided in the fuel generator 35 or the like, and an endothermic reaction for generating fuel gas from the raw material gas. Used for etc. Exhaust gas such as combustion is discharged to the outside through the anode exhaust port 50. An anode pressure gauge 91 is disposed in the fuel gas pipe 37 and measures the pressure of the gas path 6 a in the fuel cell stack 38 communicating with the fuel gas pipe 37.

酸化剤ガスとしての空気は吸気管40を通してブロワ39により、外部から第1の加湿器41に導かれ、その後第2の加湿器42で加湿された後、二次アウト配管51を介してカソード入り口24inから燃料電池スタック38に導かれる。燃料電池スタック38で使用されなかった酸化剤ガスはカソード出口24outからカソードオフガス管62を通過し、第1の加湿器の水分と熱の一次経路に流れ込み、その後排気管63から燃料電池システムの外に排出される。   The air as the oxidant gas is led from the outside to the first humidifier 41 by the blower 39 through the intake pipe 40 and then humidified by the second humidifier 42, and then the cathode inlet through the secondary out pipe 51. The fuel cell stack 38 is led from 24 inches. The oxidant gas that has not been used in the fuel cell stack 38 passes through the cathode off-gas pipe 62 from the cathode outlet 24out and flows into the primary path of moisture and heat of the first humidifier, and then flows from the exhaust pipe 63 to the outside of the fuel cell system. To be discharged.

燃料電池スタック38の電圧は電圧測定部52で計測され、燃料電池スタック38の電力は電力回路部43により取り出され、ガスや電力回路部43などは制御部44で制御される。燃料電池スタック38から熱を奪う冷却水は、冷却水タンク60に貯められている。冷却水タンク60の冷却水は、冷却水循環ポンプ45により、冷却水入り口配管46から冷却水入り口26inを介して燃料電池スタック38の水経路に水が流され、燃料電池38を流れた水は冷却水出口26outから冷却水出口配管47を介して第2の加湿器42に流れ込み、第2の加湿器42で水と熱を交換する一次側流体として作用した後、温水一次出配管54を介して3方弁55に流れ込む。   The voltage of the fuel cell stack 38 is measured by the voltage measuring unit 52, the electric power of the fuel cell stack 38 is taken out by the power circuit unit 43, and the gas and the power circuit unit 43 are controlled by the control unit 44. Cooling water that takes heat away from the fuel cell stack 38 is stored in the cooling water tank 60. The cooling water in the cooling water tank 60 is caused to flow from the cooling water inlet pipe 46 through the cooling water inlet 26in to the water path of the fuel cell stack 38 by the cooling water circulation pump 45, and the water flowing through the fuel cell 38 is cooled. After flowing from the water outlet 26out to the second humidifier 42 through the cooling water outlet pipe 47 and acting as a primary fluid for exchanging heat with water in the second humidifier 42, the hot outlet is connected via the hot water primary outlet pipe 54. It flows into the three-way valve 55.

3方弁55は、接続されている冷却水戻り配管56と熱交配管57に流れる冷却水の割合を制御する。冷却水タンク60に配置されている温度センサー61により冷却水タンク60内の冷却水の温度が高ければ3方弁55は、熱交配管57に流れる冷却水の割合を増やし、冷却水タンク60内の冷却水の温度が低ければ3方弁55は、冷却水戻り配管56に流れる冷却水の割合を増やす。熱交配管57を流れた冷却水は熱交換機58に流れ込む。   The three-way valve 55 controls the ratio of the cooling water flowing through the connected cooling water return pipe 56 and the heat exchange pipe 57. If the temperature sensor 61 disposed in the cooling water tank 60 causes the temperature of the cooling water in the cooling water tank 60 to be high, the three-way valve 55 increases the ratio of the cooling water flowing through the heat exchange pipe 57 to increase the cooling water in the cooling water tank 60. If the temperature of the cooling water is low, the three-way valve 55 increases the ratio of the cooling water flowing through the cooling water return pipe 56. The cooling water that has flowed through the heat exchanger pipe 57 flows into the heat exchanger 58.

熱交換機58は冷却水を熱交換の一次側流体として熱を移動させ、熱交換機58を通過した冷却水は熱交戻り配管59を介して冷却水タンク60に戻る。熱交換機58の二次側は二次入り配管65と二次出配管66が接続されており、熱交換機58で冷却水より交換された熱は外部の貯湯機などで蓄える。燃料電池スタック38では燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素が反応し(化1)の化学式1と(化2)の化学式2に示す反応が発生し、燃料電池全体としては(化3)の化学式3に示す反応が発生する。   The heat exchanger 58 moves heat using the cooling water as a primary fluid for heat exchange, and the cooling water that has passed through the heat exchanger 58 returns to the cooling water tank 60 via the heat exchange return pipe 59. A secondary inlet pipe 65 and a secondary outlet pipe 66 are connected to the secondary side of the heat exchanger 58, and the heat exchanged from the cooling water in the heat exchanger 58 is stored in an external hot water storage or the like. In the fuel cell stack 38, hydrogen in the fuel gas and oxygen in the oxidant gas react to generate a reaction represented by Chemical Formula 1 of (Chemical Formula 1) and Chemical Formula 2 of (Chemical Formula 2). ) Occurs as shown in Chemical Formula 3.

燃料電池スタック38内では水素と酸素が反応し水が生成し、このとき電気と熱が発生する。燃料電池スタック38は上部から下部へと酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却水が流れているため、上部より下部の方が燃料ガス中の水素ガス分圧および酸化剤ガス中の酸素分圧が低く、水分量と温度が高い。燃料電池スタック38から取り出す電流で反応量が決定されるため、発熱量もほぼ決定できる。そのため、燃料電池スタック38に流れ込む冷却水の温度とその速度を制御することにより、燃料電池スタック38の温度条件をほぼ一定に保つことができるのである。   In the fuel cell stack 38, hydrogen and oxygen react to generate water, and at this time, electricity and heat are generated. Since the oxidant gas, the fuel gas, and the cooling water flow from the upper part to the lower part of the fuel cell stack 38, the hydrogen gas partial pressure in the fuel gas and the oxygen partial pressure in the oxidant gas are lower in the lower part than in the upper part. High moisture content and temperature. Since the reaction amount is determined by the current taken out from the fuel cell stack 38, the calorific value can be substantially determined. Therefore, the temperature condition of the fuel cell stack 38 can be kept almost constant by controlling the temperature and speed of the cooling water flowing into the fuel cell stack 38.

カソード水パージ3方弁75は、カソードオフガス管62の経路に配置され、カソード水パージ3方弁75はカソード水パージ管76により冷却水タンク60と結ばれる。燃料電池スタック38との間にはカソード圧力計92が配置されており、連通している燃料電池スタック38中のガス経路6cの圧力を計測する。燃料ガスパージ管71は冷却水タンク60と燃料ガス配管37をむすび、燃料ガスパージ弁72の開閉により、燃料ガス配管37に冷却水の流入を制御する。   The cathode water purge three-way valve 75 is disposed in the path of the cathode off-gas pipe 62, and the cathode water purge three-way valve 75 is connected to the cooling water tank 60 by the cathode water purge pipe 76. A cathode pressure gauge 92 is arranged between the fuel cell stack 38 and measures the pressure of the gas path 6c in the fuel cell stack 38 in communication therewith. The fuel gas purge pipe 71 connects the cooling water tank 60 and the fuel gas pipe 37, and controls the inflow of the cooling water into the fuel gas pipe 37 by opening and closing the fuel gas purge valve 72.

二次アウト配管51中には、カソード切り替え3方弁80が配置されており、燃料電池スタック38に供給するガスを加湿器を通過した酸化剤ガスまたは燃料ガス配管37を通過した燃料ガスであるのかを切り替える。カソードオフガス管62中には、カソードオフガス3方弁81が配置され、カソードオフガス管62に通過するガスや水を第1の加湿器41側なのか、またはカソード排水管82側に流すのかを切り替える。   A cathode switching three-way valve 80 is disposed in the secondary out pipe 51, and gas supplied to the fuel cell stack 38 is oxidant gas that has passed through the humidifier or fuel gas that has passed through the fuel gas pipe 37. Switch between. A cathode off-gas three-way valve 81 is disposed in the cathode off-gas pipe 62, and switches whether gas or water passing through the cathode off-gas pipe 62 flows to the first humidifier 41 side or the cathode drain pipe 82 side. .

カソード排水管82は、オフガス管48の経路中に設けられたアノードオフガス3方弁83に接続されている。アノードオフガス3方弁83はオフガス管48の経路中に設けられたオートドレン70に燃料電池スタック38を通過した後の燃料ガスとカソード排水管82を通過した後の水などの流体とを切り替える。排気管85は、酸化剤ガスの排ガスを外部に排出する。   The cathode drain pipe 82 is connected to an anode off-gas three-way valve 83 provided in the path of the off-gas pipe 48. The anode offgas three-way valve 83 switches the fuel gas after passing through the fuel cell stack 38 and the fluid such as water after passing through the cathode drain pipe 82 to the auto drain 70 provided in the path of the offgas pipe 48. The exhaust pipe 85 discharges oxidant gas exhaust gas to the outside.

以下に、発電中の燃料電池システムの基本動作を説明する。図3において、弁34が開となり、原料ガス配管33から原料ガスがガス清浄部32に流れ込む。原料ガスとしては天然ガス、プロパンガスなど炭化水素系のガスを使用することができるが、本実施の形態としてはメタン、エタン、プロパン、ブタンガスの混合ガスである都市ガスの13Aを用いた。ガス清浄部32としては、特にTBM(ターシャリブチルメルカプタン)、DMS(ジメチルサルファイド)、THT(テトラヒドロチオフィン)等のガス付臭剤の除去を行う部材を用いている。付臭剤などの硫黄化合物は燃料電池の触媒に吸着し、触媒毒となり反応を阻害するためである。   The basic operation of the fuel cell system during power generation will be described below. In FIG. 3, the valve 34 is opened, and the source gas flows from the source gas pipe 33 into the gas cleaning unit 32. Although hydrocarbon gas such as natural gas and propane gas can be used as the source gas, 13A of city gas, which is a mixed gas of methane, ethane, propane and butane gas, is used in this embodiment. As the gas cleaning unit 32, a member for removing a gas odorant such as TBM (tertiary butyl mercaptan), DMS (dimethyl sulfide), THT (tetrahydrothiofin) is used. This is because sulfur compounds such as odorants are adsorbed on the catalyst of the fuel cell to become a catalyst poison and inhibit the reaction.

燃料生成器35では次の(化9)の化学式9に示す反応等により、水素と二酸化炭素が生成される。同時に発生する一酸化炭素は、次の(化10)の化学式10に示されるようなシフト化反応と次の(化11)の化学式11に示されるような一酸化炭素選択酸化反応により、10ppm以下となるように除去される。   In the fuel generator 35, hydrogen and carbon dioxide are generated by the reaction shown in the following chemical formula 9 (chemical formula 9). The carbon monoxide generated simultaneously is 10 ppm or less by the shift reaction as shown in the following chemical formula 10 and the carbon monoxide selective oxidation reaction as shown in the following chemical formula 11. To be removed.

ここで、水を反応に必要な最低限量以上を入れると、水素と水分を含む燃料ガスが作成できる。燃料ガスパージ弁72を閉とし、カソード切り替え3方弁80は第2の加湿器42と燃料電池スタック38の経路とし、カソードオフガス3方弁81は燃料電池スタック38と第1の加湿器41の経路とし、アノードオフガス3方弁83は燃料電池スタック38とオートドレン70の経路となるよう設定させており、燃料ガスは燃料ガス配管37を介して燃料電池の燃料電池スタック38に流れ込む。   Here, when water is added in a minimum amount necessary for the reaction, a fuel gas containing hydrogen and moisture can be produced. The fuel gas purge valve 72 is closed, the cathode switching three-way valve 80 is a path between the second humidifier 42 and the fuel cell stack 38, and the cathode offgas three-way valve 81 is a path between the fuel cell stack 38 and the first humidifier 41. The anode off-gas three-way valve 83 is set to be a path between the fuel cell stack 38 and the auto drain 70, and the fuel gas flows into the fuel cell stack 38 of the fuel cell via the fuel gas pipe 37.

ブロワ39により酸化剤ガスは、第1の加湿器41と第2の加湿器42を通った後、燃料電池スタック38に流れ込む。ここで発電がおこなわれ、熱も発生するのである。酸化剤ガスの排ガスは排気管85により外部に排出される。第1の加湿器41として、温水に酸化剤ガスを流すものや、酸化剤ガス中に水を吹き込むもの等が使用できるが、本実施の形態では平膜式の全熱交換型を使用した。これは、排ガス中の水と熱が第1の加湿器41を通過する際に、吸気管40から運ばれ原料となる酸化剤ガス中に移動させるものである。   The oxidant gas passes through the first humidifier 41 and the second humidifier 42 by the blower 39 and then flows into the fuel cell stack 38. Electricity is generated here, and heat is also generated. The exhaust gas of the oxidant gas is discharged to the outside through the exhaust pipe 85. As the 1st humidifier 41, what flows oxidant gas into warm water, what blows water in oxidant gas, etc. can be used, but the flat membrane type total heat exchange type was used in this embodiment. In this case, when water and heat in the exhaust gas pass through the first humidifier 41, they are transferred from the intake pipe 40 into the oxidant gas that is the raw material.

冷却水は、ポンプ45より冷却水入り口配管46から燃料電池スタック38の水経路に流された後、冷却水出口配管47から第2の加湿器42を通った後、3方弁55に導かれる。第2の加湿器42として、温水に酸化剤ガスを流すものや、酸化剤ガス中に水を吹き込むもの等が使用できるが、本実施の形態では平膜式で冷却水中の水と熱が第2の加湿器42を通過する際に、第1の加湿器41から流れ込んだ酸化剤ガス中に移動させるものである。   The cooling water flows from the cooling water inlet pipe 46 to the water path of the fuel cell stack 38 from the pump 45, then passes through the second humidifier 42 from the cooling water outlet pipe 47, and is led to the three-way valve 55. . As the second humidifier 42, one that flows an oxidant gas into warm water, one that blows water into the oxidant gas, or the like can be used, but in this embodiment, the water and heat in the cooling water are the first in the flat membrane type. When passing through the second humidifier 42, it is moved into the oxidant gas flowing from the first humidifier 41.

3方弁55は、冷却水タンク60内の冷却水の温度が一定になるように、制御される冷却水タンク60の温度が低ければ、3方弁55は冷却水戻り配管56を流れる水量を多くし、逆に冷却水タンク60の温度が高ければ、熱交配管57を流れる水量を多くする。熱交配管57を通過した水は、熱交換機58で熱の一次側として二次側への熱の供給源として利用される。熱交換機58の二次側は二次入り配管65と二次出配管66が接続されており、熱交換機58で冷却水より交換された熱は外部の貯湯機などで蓄える。   If the temperature of the controlled cooling water tank 60 is low so that the temperature of the cooling water in the cooling water tank 60 becomes constant, the three-way valve 55 reduces the amount of water flowing through the cooling water return pipe 56. Conversely, if the temperature of the cooling water tank 60 is high, the amount of water flowing through the heat exchange pipe 57 is increased. The water that has passed through the heat exchange pipe 57 is used as a heat supply source to the secondary side as a primary side of heat in the heat exchanger 58. A secondary inlet pipe 65 and a secondary outlet pipe 66 are connected to the secondary side of the heat exchanger 58, and the heat exchanged from the cooling water in the heat exchanger 58 is stored in an external hot water storage or the like.

熱交換機58で熱を与え、温度が低下した冷却水は、冷却水入り口配管46を通して冷却水タンク60に戻るため、冷却水タンク60内の温度は低くなるのである。これにより、燃料電池の燃料電池スタック38で発生する熱を取りだし、給湯等に利用できるようになるのである。燃料電池スタック38での発電は、電圧測定部52で電圧が測定され、一定以上の電圧値を示すと十分発電が行われていると制御部44が判断し、電力回路部43により電力が取り出される。電力回路部43では、燃料電池スタック38から取り出した直流の電力を、交流へと変換し、家庭等で利用されている電力線にいわゆる系統連携で接続される。   The cooling water that has been heated by the heat exchanger 58 and has fallen in temperature returns to the cooling water tank 60 through the cooling water inlet pipe 46, so that the temperature in the cooling water tank 60 becomes low. As a result, the heat generated in the fuel cell stack 38 of the fuel cell can be taken out and used for hot water supply or the like. In the power generation in the fuel cell stack 38, the voltage is measured by the voltage measurement unit 52, and if the voltage value is higher than a certain value, the control unit 44 determines that the power generation is sufficiently performed, and the power circuit unit 43 extracts the power. It is. In the power circuit unit 43, direct current power taken out from the fuel cell stack 38 is converted into alternating current, and is connected to a power line used at home or the like by so-called system linkage.

燃料電池スタック38内での燃料電池の動作を図1を用いて説明する。ガス流路6cに空気などの酸素含有ガスを流し、ガス流路6aに水素を含む燃料ガスを流す。燃料ガス中の水素は拡散層3aを拡散し、触媒反応層2aに達する。触媒反応層2aで水素は水素イオンと電子に分けられる。電子は外部回路を通じてカソード側に移動される。水素イオンは、電解質1を透過しカソード側に移動し触媒反応層2cに達する。空気などの酸化剤ガス中の酸素は拡散層3cを拡散し、触媒反応層2Cに達する。   The operation of the fuel cell in the fuel cell stack 38 will be described with reference to FIG. An oxygen-containing gas such as air is flowed through the gas flow path 6c, and a fuel gas containing hydrogen is flowed through the gas flow path 6a. Hydrogen in the fuel gas diffuses through the diffusion layer 3a and reaches the catalytic reaction layer 2a. In the catalytic reaction layer 2a, hydrogen is divided into hydrogen ions and electrons. The electrons are moved to the cathode side through an external circuit. The hydrogen ions permeate the electrolyte 1 and move to the cathode side and reach the catalytic reaction layer 2c. Oxygen in the oxidant gas such as air diffuses in the diffusion layer 3c and reaches the catalytic reaction layer 2C.

触媒反応層2cでは酸素が電子と反応し酸素イオンとなり、さらに酸素イオンは水素イオンと反応し水が生成される。つまり、MEA5の周囲で酸素含有ガスと燃料ガスが反応し水が生成され、電子が流れる。さらに反応時に熱が生成し、MEA5の温度が上昇する。そのため、冷却水経路8a、8cに水などを流すことにより反応で発生した熱を水で外部に運び出す。つまり、熱と電流(電気)が発生するのである。このとき、導入されるガスの湿度と反応で発生する水の量の管理が重要である。   In the catalyst reaction layer 2c, oxygen reacts with electrons to form oxygen ions, and the oxygen ions react with hydrogen ions to generate water. That is, the oxygen-containing gas and the fuel gas react around the MEA 5 to generate water, and electrons flow. Further, heat is generated during the reaction, and the temperature of MEA 5 rises. For this reason, the heat generated by the reaction is carried out by water by flowing water or the like through the cooling water paths 8a and 8c. That is, heat and current (electricity) are generated. At this time, it is important to control the humidity of the introduced gas and the amount of water generated by the reaction.

水分が少ないと電解質1が乾燥し、固定電荷の電離が少なくなるために水素の移動が減少するので、熱や電気の発生が小さくなる。一方、水分が多すぎると、MEA5の周りまたは触媒反応層2a、2cの周囲に水が溜まってしまい、ガスの供給が阻害され反応が抑制されるため、熱と電気の発生が減少してしまう(以降、この状態をフラッティングと称する)。   When there is little moisture, the electrolyte 1 is dried and the ionization of the fixed charge is reduced, so that the movement of hydrogen is reduced, so that the generation of heat and electricity is reduced. On the other hand, if there is too much water, water accumulates around the MEA 5 or around the catalyst reaction layers 2a and 2c, and the gas supply is inhibited and the reaction is suppressed, so that the generation of heat and electricity is reduced. (Hereafter, this state is referred to as flatting).

以下に、燃料電池のセルで反応した後の動作について図3を用いて説明する。酸化剤ガスの使用されなかった排ガスは加湿器41を介し、熱と水分をブロワ39から送られてきた酸化剤ガスに移動させた後、外部へ排出される。燃料ガスの使用されなかったオフガスはオートドレンでオフガスに含まれる水分を減少させた後、オフガス管48により再び、燃料生成器35に流れ込む。オフガス管48からのガスは、燃料生成器35中では燃焼などに用いられる。   Hereinafter, the operation after the reaction in the fuel cell will be described with reference to FIG. The exhaust gas in which the oxidant gas is not used is transferred to the oxidant gas sent from the blower 39 through the humidifier 41 and then discharged to the outside. The off gas that has not been used for the fuel gas is reduced in the moisture contained in the off gas by the auto drain, and then flows again into the fuel generator 35 through the off gas pipe 48. The gas from the off-gas pipe 48 is used for combustion or the like in the fuel generator 35.

原料ガスから燃料ガスを生成するための反応は(化9)の化学式9で示されるように吸熱反応であるため、反応に必要な熱として利用されるのである。オートドレン70に溜まった水は図示されていない経路により外部に排出される。電力回路43は、燃料電池が発電を開始した後燃料電池スタック38から直流の電力を引き出す役割をする。制御部44は燃料電池システムの他の部分の制御を最適に保つよう制御するものである。本実施の形態では図1において、MEA5は以下のように作成した。   Since the reaction for generating the fuel gas from the raw material gas is an endothermic reaction as represented by Chemical Formula 9 in (Chemical Formula 9), it is used as heat necessary for the reaction. The water accumulated in the auto drain 70 is discharged to the outside through a route not shown. The power circuit 43 serves to draw DC power from the fuel cell stack 38 after the fuel cell starts power generation. The controller 44 controls the other parts of the fuel cell system so as to keep the control optimal. In the present embodiment, in FIG. 1, the MEA 5 is created as follows.

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

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

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

次に、以上のように作製したMEA5の電解質1の外周部にゴム製のガスケット板を接合し、冷却水、燃料ガスおよび酸化剤ガス流通用のマニホールド穴を形成した。一方、20cm×32cm×1.3mmの外寸を有し、かつ深さ0.5mmのガス流路および冷却水流路を有する、フェノール樹脂を含浸させた黒鉛板からなる導電性のセパレータ板7を用いた。   Next, a rubber gasket plate was joined to the outer periphery of the MEA 5 electrolyte 1 produced as described above, and manifold holes for circulating cooling water, fuel gas, and oxidant gas were formed. On the other hand, a conductive separator plate 7 made of a graphite plate impregnated with a phenol resin, having an outer dimension of 20 cm × 32 cm × 1.3 mm and having a gas flow path and a cooling water flow path having a depth of 0.5 mm. Using.

次に燃料電池の運転の停止方法について記述する。ブロワ39を停止させ燃料電池スタック38に酸化剤ガスの供給を停止させる。次にカソード水パージ3方弁75を燃料電池スタック38と冷却水タンク60がつながる経路に切り替わり、冷却水が燃料電池スタック38のガス経路6cに導かれ滞留している空気が外部に追い出される。このとき、ガス経路6aにある水素は電解質1を介して電極4cに拡散する。   Next, a method for stopping the operation of the fuel cell will be described. The blower 39 is stopped and the supply of the oxidant gas to the fuel cell stack 38 is stopped. Next, the cathode water purge three-way valve 75 is switched to a path where the fuel cell stack 38 and the cooling water tank 60 are connected, and the cooling water is guided to the gas path 6c of the fuel cell stack 38 and the remaining air is expelled to the outside. At this time, hydrogen in the gas path 6 a diffuses to the electrode 4 c through the electrolyte 1.

電極4cに水素が到着し始めると、電極4cの電位はそれまでの酸素の電位から水素の電位に下がってゆくため、セルの電圧が低下し、セルを積層した燃料電池スタック38の電圧も低下してゆく。電圧測定部52で燃料電池スタックの電圧を測定し、セルの電圧が0.88V以下になったと判断できた後、弁34を閉じ、燃料生成器35を停止させ燃料ガスの供給を停止する。これにより、電極4aと4cはいずれも電位が0.88Vを超えることが無く(化7)に示す化学式7による白金の酸化、溶解による劣化を防ぐことができるのである。   When hydrogen begins to arrive at the electrode 4c, the potential of the electrode 4c decreases from the potential of oxygen until then to the potential of hydrogen, so that the voltage of the cell decreases and the voltage of the fuel cell stack 38 in which the cells are stacked also decreases. I will do it. After the voltage of the fuel cell stack is measured by the voltage measuring unit 52 and it can be determined that the cell voltage has become 0.88 V or less, the valve 34 is closed, the fuel generator 35 is stopped, and the supply of fuel gas is stopped. As a result, the electrodes 4a and 4c do not have a potential exceeding 0.88V, and deterioration due to platinum oxidation and dissolution according to the chemical formula 7 shown in (Chemical Formula 7) can be prevented.

停止中の燃料電池スタック38は、発熱しないので温度が低下し、ガス流路6aと6c中のガスや水は凝縮や収縮により体積が減少し、ガス経路6aと6cの圧力が低下する。このとき、ガス経路6cについてはカソード水パージ3方弁75の動作により冷却水が追加され圧力の低下が防止される。ガス経路6aについては、燃料ガスパージ弁72が開となり、冷却水が供給されるため、圧力の低下が防止される。   Since the stopped fuel cell stack 38 does not generate heat, the temperature decreases, the volume of the gas and water in the gas flow paths 6a and 6c decreases due to condensation and contraction, and the pressure in the gas paths 6a and 6c decreases. At this time, the cooling water is added to the gas path 6c by the operation of the cathode water purge three-way valve 75 to prevent the pressure from decreasing. With respect to the gas path 6a, the fuel gas purge valve 72 is opened and cooling water is supplied, so that a pressure drop is prevented.

なお、ガス経路6aと6cに供給する水として本実施例では冷却水を用いた。冷却水は燃料電池スタック38で冷却水経路8aと8cを通過するため、導電率が低いなどの清浄性が求められ、保持されているため、ガス経路に供給するには適しており、新たな装置などを追加することがないため、簡便で燃料電池の起動停止による劣化を防ぐことができるのである。   In this embodiment, cooling water is used as the water supplied to the gas paths 6a and 6c. Since the cooling water passes through the cooling water paths 8a and 8c in the fuel cell stack 38, cleanliness such as low electrical conductivity is required and maintained, so that it is suitable for supplying to the gas path. Since no device or the like is added, the deterioration due to the start and stop of the fuel cell can be prevented easily.

停止中は、ガス経路6a中は水に満たされているので、MEAガスケット11を介して空気が浸入することがないので、常に電極4cが低電位に保持されるので劣化がほとんど発生しない。ガス経路6a中は、水と燃料ガスが満たされているが、燃料ガス部では水シールが存在しないので、燃料ガスの拡散や酸素の浸入がわずかにある。燃料ガスが外部に出た場合は、内部の圧力が下がるため水が追加注入される。   During the stop, since the gas path 6a is filled with water, air does not enter through the MEA gasket 11, so that the electrode 4c is always kept at a low potential, so that almost no deterioration occurs. The gas path 6a is filled with water and fuel gas, but since there is no water seal in the fuel gas portion, there is slight diffusion of fuel gas and oxygen intrusion. When the fuel gas goes out, water is additionally injected because the internal pressure drops.

酸素が浸入した場合は、水素と反応し水となり、圧力が低下するのでやはり水が注入される。最終的には、ガス経路4aも水で満たされるので水シールが形成されるので、酸素等の浸入が無くなり、長期間停止しても電極4aが劣化することがほとんどなく起動停止を行っても劣化が無く、本燃料電池の運転方法を用いることにより、寿命の長い燃料電池システムが実現できるのである。   When oxygen enters, it reacts with hydrogen to become water and the pressure drops, so water is also injected. Eventually, since the gas path 4a is also filled with water, a water seal is formed, so that intrusion of oxygen and the like is eliminated, and the electrode 4a is hardly deteriorated even if it is stopped for a long period of time. By using this fuel cell operation method without deterioration, a fuel cell system having a long life can be realized.

次に燃料電池システムの起動方法について説明する。弁34を開き燃料生成器35を動作させる。燃料ガスパージ弁72を閉とし、燃料ガス配管37に燃料ガスを流す。燃料電池スタック38のガス経路6a中の水は燃料ガスにより押し出され、アノードオフガス3方弁83に達する。この時、アノードオフガス3方弁83は燃料電池スタック38とオートドレン70を結び、水はオートドレン70に運ばれ、ここで水は取り除かれ押し出した燃料ガスは、オフガス管48を介して燃料生成器35に戻り、燃焼などに使用される。   Next, a method for starting the fuel cell system will be described. The valve 34 is opened and the fuel generator 35 is operated. The fuel gas purge valve 72 is closed and the fuel gas is caused to flow through the fuel gas pipe 37. The water in the gas path 6 a of the fuel cell stack 38 is pushed out by the fuel gas and reaches the anode off-gas three-way valve 83. At this time, the anode off-gas three-way valve 83 connects the fuel cell stack 38 and the auto drain 70, and water is transported to the auto drain 70, where the water is removed and the extruded fuel gas is generated through the off gas pipe 48. It returns to the container 35 and is used for combustion.

これにより、電極4aは水素の電位となり、低い電位が維持されるのである。次に、カソード切り替え3方弁80は、燃料ガス配管37と燃料電池スタック38を結ぶよう動作し、カソード水パージ3方弁75は燃料電池スタック38とカソードオフガス3方弁81を結ぶよう動作し、カソードオフガス3方弁81はカソードオフガス管62とアノードオフガス3方弁83を結ぶよう動作し、アノードオフガス3方弁83はカソード排水管82とオートドレン70を結ぶように動作する。   As a result, the electrode 4a becomes a hydrogen potential, and a low potential is maintained. Next, the cathode switching three-way valve 80 operates to connect the fuel gas pipe 37 and the fuel cell stack 38, and the cathode water purge three-way valve 75 operates to connect the fuel cell stack 38 and the cathode off-gas three-way valve 81. The cathode off-gas three-way valve 81 operates to connect the cathode off-gas pipe 62 and the anode off-gas three-way valve 83, and the anode off-gas three-way valve 83 operates to connect the cathode drain pipe 82 and the auto drain 70.

これにより、燃料生成器35から供給される燃料ガスは、カソード切り替え3方弁80を介して燃料電池スタック38のガス経路6cに溜まっている水を追い出し流れる。燃料ガスと燃料ガスによって追い出された水は、カソードオフガス管62を通り、カソードオフガス3方弁81、アノードオフガス3方弁83を介してオートドレン70に導かれる。ここで水が除かれ燃料ガスは、再び燃料生成器35で燃焼などに使用される。これにより、電極6cも水素の電位となり、低い電位が維持されるのである。   Thus, the fuel gas supplied from the fuel generator 35 flows out the water accumulated in the gas path 6 c of the fuel cell stack 38 via the cathode switching three-way valve 80. The fuel gas and the water expelled by the fuel gas pass through the cathode offgas pipe 62 and are led to the auto drain 70 through the cathode offgas three-way valve 81 and the anode offgas three-way valve 83. Here, water is removed and the fuel gas is used again for combustion in the fuel generator 35. As a result, the electrode 6c is also at a hydrogen potential, and a low potential is maintained.

この後、カソード切り替え3方弁80は、第2の加湿器42と燃料電池スタック38を結ぶ経路、カソードオフガス3方弁81は燃料電池スタック38と第1の加湿器41を結ぶ経路、アノードオフガス3方弁83と燃料電池スタック38とオートドレン70を結ぶ経路に再び切り替わり、燃料ガスは燃料電池スタック38のガス経路6aを流れた後、燃料生成器35に戻る。次にブロワ39が動作し、燃料電池スタック38のガス経路6cに加湿された酸化剤ガスが流れ込む。この時、発電が開始し、電圧が発生するがセルの電圧が0.88V相当の燃料電池スタック電圧に達する前に、電力回路部43が電流を取り始めるため、セル電圧は0.88V以下を維持する。   Thereafter, the cathode switching three-way valve 80 is a path connecting the second humidifier 42 and the fuel cell stack 38, and the cathode offgas three-way valve 81 is a path connecting the fuel cell stack 38 and the first humidifier 41, anode offgas The path is again switched to the path connecting the three-way valve 83, the fuel cell stack 38, and the auto drain 70. The fuel gas flows through the gas path 6a of the fuel cell stack 38 and then returns to the fuel generator 35. Next, the blower 39 operates and the humidified oxidant gas flows into the gas path 6 c of the fuel cell stack 38. At this time, power generation starts and voltage is generated, but before the cell voltage reaches the fuel cell stack voltage equivalent to 0.88V, the power circuit unit 43 starts to take current, so the cell voltage should be less than 0.88V. maintain.

これにより、起動時も電極の溶解などによる劣化をほとんどなくすことができるため、本燃料電池の運転方法を用いることにより、寿命の長い燃料電池システムが実現できるのである。本実施例では停止中は水を燃料電池スタック38のガス経路に溜め電極の劣化をほとんど無くし、水の追い出しには燃料ガスを用い、燃料ガスは燃料生成器35の燃焼に用い、無駄にすることが無く非常に効率の高い燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法である。   As a result, it is possible to eliminate almost no deterioration due to dissolution of the electrode even at the time of start-up, so that a long-life fuel cell system can be realized by using this fuel cell operation method. In this embodiment, during the stoppage, water is stored in the gas path of the fuel cell stack 38 so that the electrode is hardly deteriorated, the fuel gas is used to expel the water, and the fuel gas is used for the combustion of the fuel generator 35 and is wasted. This is a highly efficient fuel cell system and a method for operating the fuel cell system.

(実施の形態2)
実施の形態2の燃料電池システムとその運転方法を図4を用いて説明する。図4に示す符号1〜92は、実施の形態1における図1〜図3に付した1〜92の符号で示す構成要素と同じなので、詳細な説明を省略し、異なる処を中心に説明する。原料ガスバイパス3方弁95は、燃料ガス配管37中に配置し、原料ガスバイパス管96により清浄ガス配管36と結ばれている。
(Embodiment 2)
The fuel cell system of Embodiment 2 and its operation method will be described with reference to FIG. Reference numerals 1 to 92 shown in FIG. 4 are the same as the constituent elements shown by reference numerals 1 to 92 attached to FIGS. 1 to 3 in the first embodiment, so detailed description will be omitted and different points will be mainly described. . The source gas bypass three-way valve 95 is disposed in the fuel gas pipe 37 and is connected to the clean gas pipe 36 by a source gas bypass pipe 96.

以下に、発電中の燃料電池システムの基本動作を説明する。図4において、原料ガスバイパス3方弁95が燃料生成器35と燃料電池スタック38を結ぶ経路となり、弁34が開となる。原料ガスが原料ガス配管33からガス清浄部32で浄化された後、燃料生成器35で燃料ガスが作られる。ガス清浄部32と燃料生成器35の働きは実施の形態1と同じである。燃料ガスパージ弁72を閉とし、カソード切り替え3方弁80は第2の加湿器42と燃料電池スタック38の経路とし、カソードオフガス3方弁81は燃料電池スタック38と第1の加湿器41の経路とし、アノードオフガス3方弁83は燃料電池スタック38とオートドレン70の経路となるよう設定させており、燃料ガスは燃料ガス配管37を介して燃料電池の燃料電池スタック38に流れ込む。   The basic operation of the fuel cell system during power generation will be described below. In FIG. 4, the raw material gas bypass three-way valve 95 becomes a path connecting the fuel generator 35 and the fuel cell stack 38, and the valve 34 is opened. After the source gas is purified from the source gas pipe 33 by the gas cleaning unit 32, the fuel gas is produced by the fuel generator 35. The functions of the gas cleaning unit 32 and the fuel generator 35 are the same as those in the first embodiment. The fuel gas purge valve 72 is closed, the cathode switching three-way valve 80 is a path between the second humidifier 42 and the fuel cell stack 38, and the cathode offgas three-way valve 81 is a path between the fuel cell stack 38 and the first humidifier 41. The anode off-gas three-way valve 83 is set to be a path between the fuel cell stack 38 and the auto drain 70, and the fuel gas flows into the fuel cell stack 38 of the fuel cell via the fuel gas pipe 37.

ブロワ39により酸化剤ガスは、第1の加湿器41と第2の加湿器42を通った後、燃料電池スタック38に流れ込む。ここで発電が行われ、熱も発生するのである。酸化剤ガスの排ガスは、排気管85により外部に排出される。第一の加湿器41と第二の加湿器42は、実施の形態1と同じはたらきである。冷却水は、熱交換機58、燃料電池スタック38、電圧測定部52、電力回路部43の働きも実施の形態1と同じである。   The oxidant gas passes through the first humidifier 41 and the second humidifier 42 by the blower 39 and then flows into the fuel cell stack 38. Electricity is generated here and heat is also generated. The exhaust gas of the oxidant gas is discharged to the outside through the exhaust pipe 85. The first humidifier 41 and the second humidifier 42 have the same function as in the first embodiment. The cooling water has the same functions of the heat exchanger 58, the fuel cell stack 38, the voltage measurement unit 52, and the power circuit unit 43 as in the first embodiment.

次に燃料電池システムの運転の停止方法について記述する。ブロワ39を停止させ、燃料電池スタック38に酸化剤ガスの供給を停止させる。次にカソード水パージ3方弁75を燃料電池スタック38と冷却水タンク60が繋がる経路に切り替わり、冷却水が燃料電池スタック38のガス経路6cに導かれ滞留している空気が外部に追い出される。このとき、ガス経路6aにある水素は電解質1を介して電極4cに拡散する。電極4cに水素が到着し始めると、電極4cの電位はそれまでの酸素の電位から水素の電位に下がってゆくため、セルの電圧が低下し、セルを複数積層した燃料電池スタック38の電圧も低下してゆく。   Next, a method for stopping the operation of the fuel cell system will be described. The blower 39 is stopped, and supply of the oxidant gas to the fuel cell stack 38 is stopped. Next, the cathode water purge three-way valve 75 is switched to a path where the fuel cell stack 38 and the cooling water tank 60 are connected, and the cooling water is guided to the gas path 6c of the fuel cell stack 38 and the remaining air is expelled to the outside. At this time, hydrogen in the gas path 6 a diffuses to the electrode 4 c through the electrolyte 1. When hydrogen begins to arrive at the electrode 4c, the potential of the electrode 4c decreases from the potential of oxygen until then to the potential of hydrogen, so that the voltage of the cell decreases, and the voltage of the fuel cell stack 38 in which a plurality of cells are stacked is also reduced. It will decline.

ブロワ39の停止からの時間を制御部44で計算し、セルの電圧が0.88V以下になるに必要な時間よりも十分経過した後、弁34を閉じ、燃料生成器35を停止させ燃料ガスの供給を停止する。これにより、電圧や圧力を測定することなく簡単な構成で、電極4aと4cはいずれも電位が0.88Vを超えることが無く、(化7)の化学式7による白金の酸化、溶解による劣化を防ぐことができるのである。   The time from the stop of the blower 39 is calculated by the control unit 44, and after sufficient time has passed for the cell voltage to become 0.88V or less, the valve 34 is closed, the fuel generator 35 is stopped, and the fuel gas Stop supplying. As a result, the electrodes 4a and 4c have a simple configuration without measuring voltage or pressure, and the potentials of both electrodes 4a and 4c do not exceed 0.88V. It can be prevented.

なお、セルの電圧が0.88V以下になるに必要な時間は、燃料電池スタック38の設計時に実験等によって決定する。使用する電解質1によって、水素の透過する速度が決まる。これにより、電極4cで酸素と水素が反応する速度も決まり、酸素がなくなる時間も計算できる。この時間を電圧が0.88V以下になるに必要な時間とし、この時間よりも燃料生成器35の停止するまでの時間を長く設定することにより、時間計測のみの簡単な構成で電極の劣化を抑えることができるのである。   The time required for the cell voltage to become 0.88 V or less is determined by experiments or the like when the fuel cell stack 38 is designed. The rate of hydrogen permeation is determined by the electrolyte 1 used. As a result, the rate at which oxygen and hydrogen react at the electrode 4c is determined, and the time for which oxygen runs out can be calculated. By setting this time as the time necessary for the voltage to become 0.88 V or less and setting the time until the fuel generator 35 stops longer than this time, the electrode can be deteriorated with a simple configuration of only time measurement. It can be suppressed.

次に、燃料ガスパージ弁72が開となり、ガス経路6aにある燃料ガスは冷却水によって追い出され、冷却水によって満たされる。これにより、ガス経路6cと6aはいずれも水により満たされるので、長期間保持しても外部からの空気などのガスの進入がなく、電極4cと4aが溶解・劣化することなく、長期間停止を行ってもほとんど劣化をしない燃料電池システムとその運転方法とすることができるのである。   Next, the fuel gas purge valve 72 is opened, and the fuel gas in the gas path 6a is expelled by the cooling water and filled with the cooling water. As a result, since the gas paths 6c and 6a are both filled with water, even if they are held for a long time, there is no ingress of gas such as air from the outside, and the electrodes 4c and 4a are not dissolved or deteriorated for a long time. It is possible to provide a fuel cell system that hardly deteriorates even when the operation is performed and its operation method.

次に燃料電池システムの起動方法について説明する。弁34を開き燃料生成器35を起動させる。さらに燃料ガスパージ弁72を閉とし、原料ガスバイパス3方弁95を清浄ガス配管36と燃料ガス配管37を繋ぐように動作する。これにより、正常化された原料ガスは、燃料生成器35と同時に燃料ガス配管37にも流れ込む。燃料電池スタック38のガス経路6a中の水は原料ガスにより押し出され、アノードオフガス3方弁83に達する。   Next, a method for starting the fuel cell system will be described. The valve 34 is opened and the fuel generator 35 is activated. Further, the fuel gas purge valve 72 is closed, and the raw material gas bypass three-way valve 95 operates so as to connect the clean gas pipe 36 and the fuel gas pipe 37. As a result, the normalized source gas flows into the fuel gas pipe 37 simultaneously with the fuel generator 35. Water in the gas path 6 a of the fuel cell stack 38 is pushed out by the raw material gas and reaches the anode off-gas three-way valve 83.

この時、アノードオフガス3方弁83は燃料電池スタック38とオートドレン70を結び、水はオートドレン70に運ばれ、ここで水は取り除かれ押し出した原料ガスはオフガス管48を介して燃料生成器35に戻り、燃焼などに使用される。これにより、電極4aは水素の電位となり、低い電位が維持されるのである。次に、カソード切り替え3方弁80は燃料ガス配管37と燃料電池スタック38を結ぶよう動作し、カソード水パージ3方弁75は燃料電池スタック38とカソードオフガス3方弁81を結ぶよう動作し、カソードオフガス3方弁81はカソードオフガス管62とアノードオフガス3方弁83を結ぶよう動作し、アノードオフガス3方弁83はカソード排水管82とオートドレン70を結ぶように動作する。   At this time, the anode off-gas three-way valve 83 connects the fuel cell stack 38 and the auto drain 70, and water is transported to the auto drain 70, where water is removed and the extruded raw material gas is fed through the off gas pipe 48 to the fuel generator. It returns to 35 and is used for combustion. As a result, the electrode 4a becomes a hydrogen potential, and a low potential is maintained. Next, the cathode switching three-way valve 80 operates to connect the fuel gas pipe 37 and the fuel cell stack 38, the cathode water purge three-way valve 75 operates to connect the fuel cell stack 38 and the cathode off-gas three-way valve 81, The cathode off-gas three-way valve 81 operates to connect the cathode off-gas pipe 62 and the anode off-gas three-way valve 83, and the anode off-gas three-way valve 83 operates to connect the cathode drain pipe 82 and the auto drain 70.

これにより、燃料ガス配管37から原料ガスバイパス3方弁95を通して供給される原料ガスは、カソード切り替え3方弁80を介して燃料電池スタック38のガス経路6cに溜まっている水を追い出し流れる。原料ガスと原料ガスによって追い出された水は、カソードオフガス管62を通り、カソードオフガス3方弁81、アノードオフガス3方弁83を介してオートドレン70に導かれる。ここで水が除かれ原料ガスは再び燃料生成器35で燃焼などに使用される。   As a result, the raw material gas supplied from the fuel gas pipe 37 through the raw material gas bypass three-way valve 95 flows out the water accumulated in the gas path 6 c of the fuel cell stack 38 via the cathode switching three-way valve 80. The source gas and the water expelled by the source gas pass through the cathode offgas pipe 62 and are led to the auto drain 70 via the cathode offgas three-way valve 81 and the anode offgas three-way valve 83. Here, the water is removed and the raw material gas is used again for combustion or the like in the fuel generator 35.

燃料生成器35は(化9)の化学式9、(化10)の化学式10および(化11)の化学式11に示される反応を正しく行わせる必要があり、そのためには触媒の温度を調節するなど燃料ガスを得るまでには一定の時間がかかる。本実施の形態では、燃料電池スタック38のガス経路6c、6aに溜まる水を追い出すガスとして燃料ガスではなく、原料ガスを用いた。これにより、燃料生成器35が燃料を生成できるようになるまで待つことなく、燃料電池システムを起動させることができる。   It is necessary for the fuel generator 35 to correctly perform the reactions shown in Chemical Formula 9 of (Chemical Formula 9), Chemical Formula 10 of (Chemical Formula 10), and Chemical Formula 11 of (Chemical Formula 11). For this purpose, the temperature of the catalyst is adjusted. It takes a certain time to obtain fuel gas. In the present embodiment, the raw material gas is used instead of the fuel gas as the gas for expelling the water accumulated in the gas paths 6c and 6a of the fuel cell stack 38. Thus, the fuel cell system can be activated without waiting for the fuel generator 35 to generate fuel.

燃料生成器35から燃料ガスが供給できるようになると、カソード切り替え3方弁80は、第2の加湿器42と燃料電池スタック38を結ぶよう動作し、カソードオフガス3方弁81はカソードオフガス管62と第1の加湿器41を結ぶよう動作し、アノードオフガス3方弁83は燃料電池スタック38とオートドレン70を結ぶように動作する。   When the fuel gas can be supplied from the fuel generator 35, the cathode switching three-way valve 80 operates to connect the second humidifier 42 and the fuel cell stack 38, and the cathode offgas three-way valve 81 is connected to the cathode offgas pipe 62. And the first humidifier 41, and the anode offgas three-way valve 83 operates to connect the fuel cell stack 38 and the auto drain 70.

次に原料ガスバイパス3方弁95は、燃料生成器35と燃料電池スタック38を結ぶように動作するため、燃料ガスが燃料電池スタック38のガス経路6aに入り込むため、電極4aの電位は低くなり、また電解質1を介して水素が電極4cにも拡散するため、電極4cの電位も低く抑えることができる。次にブロワ39が動作し、燃料電池スタック38のガス経路6cに加湿された酸化剤ガスが流れ込む。このとき発電が開始し電圧が発生するが、セルの電圧が0.88V相当の燃料電池スタック電圧に達する前に、電力回路部43が電流を取り始めるためセル電圧は0.88V以下を維持する。   Next, since the raw material gas bypass three-way valve 95 operates so as to connect the fuel generator 35 and the fuel cell stack 38, the fuel gas enters the gas path 6a of the fuel cell stack 38, so that the potential of the electrode 4a becomes low. Moreover, since hydrogen diffuses also into the electrode 4c through the electrolyte 1, the potential of the electrode 4c can be kept low. Next, the blower 39 operates and the humidified oxidant gas flows into the gas path 6 c of the fuel cell stack 38. At this time, power generation starts and a voltage is generated. However, before the cell voltage reaches the fuel cell stack voltage corresponding to 0.88V, the power circuit unit 43 starts to take current, so the cell voltage is maintained at 0.88V or less. .

これにより、起動時も電極の溶解などによる劣化をほとんどなくすことができるため、本燃料電池システムの運転方法を用いることにより、寿命の長い燃料電池システムが実現できるのである。本実施の形態では、停止中は水を燃料電池スタック38のガス経路に溜め電極の劣化をほとんど無くし、水の追い出しには燃料ガスを用い、燃料ガスは燃料生成器35の燃焼に用い、無駄にすることが無く非常に効率の高い燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法である。   As a result, deterioration due to electrode dissolution or the like can be almost eliminated even at the time of start-up, so that a fuel cell system having a long life can be realized by using the operation method of the fuel cell system. In the present embodiment, during stoppage, water is accumulated in the gas path of the fuel cell stack 38, the electrode is hardly deteriorated, the fuel gas is used to expel the water, the fuel gas is used for the combustion of the fuel generator 35, and is wasted. A highly efficient fuel cell system and a method of operating the fuel cell system.

本発明の燃料電池システムとその運転方法は、起動停止および長期の停止による劣化の抑制または耐久性の向上という効果を有し、高分子電解質膜を用いた発電装置、デバイスに有用である。また、パージ媒体に冷却水を用いるので、定置用燃料電池コジェネレーションシステムに有用である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The fuel cell system and its operation method of the present invention have the effect of suppressing deterioration due to start and stop and long-term stop or improving durability, and are useful for power generation apparatuses and devices using polymer electrolyte membranes. Further, since cooling water is used as the purge medium, it is useful for a stationary fuel cell cogeneration system.

本発明の実施の形態1における燃料電池システムを示す構成図1 is a configuration diagram showing a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. 本発明の実施の形態1〜2における燃料電池の単電池の一部を示す構造図Structure diagram showing a part of a unit cell of a fuel cell in Embodiments 1 and 2 of the present invention 本発明の実施の形態1〜2における燃料電池を積層した燃料電池スタックの構造図Structure diagram of fuel cell stack in which fuel cells according to Embodiments 1 and 2 of the present invention are stacked 本発明の実施の形態2における燃料電池システムを示す構成図The block diagram which shows the fuel cell system in Embodiment 2 of this invention 従来の技術における燃料電池システムを示す構成図Configuration diagram showing a conventional fuel cell system

符号の説明Explanation of symbols

1 電解質
2a 触媒反応層(アノード側)
2c 触媒反応層(カソード側)
3a 拡散層(アノード側)
3c 拡散層(カソード側)
4a 電極(アノード側)
4c 電極(カソード側)
32 ガス清浄部
35 燃料生成器
38 燃料電池スタック
39 ブロワ
43 電力回路部
44 制御部
31 外筐体
32 清浄部
70 オートドレン
52 電圧測定部
60 冷却水タンク
58 熱交換機
75 カソード水パージ3方弁
72 燃料ガスパージ弁
80 カソード切り替え3方弁
81 カソードオフガス3方弁
91 アノード圧力計
92 カソード圧力計
1 Electrolyte 2a Catalytic reaction layer (anode side)
2c Catalytic reaction layer (cathode side)
3a Diffusion layer (anode side)
3c Diffusion layer (cathode side)
4a Electrode (Anode side)
4c electrode (cathode side)
32 Gas Cleaner 35 Fuel Generator 38 Fuel Cell Stack 39 Blower 43 Power Circuit Unit 44 Control Unit 31 Outer Housing 32 Cleaner 70 Auto Drain 52 Voltage Measurement Unit 60 Cooling Water Tank 58 Heat Exchanger 75 Cathode Water Purge 3-way Valve 72 Fuel gas purge valve 80 Cathode switching three-way valve 81 Cathode off-gas three-way valve 91 Anode pressure gauge 92 Cathode pressure gauge

Claims (10)

電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給・排出し、他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有する一対のセパレータとを具備した燃料電池と、原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、前記燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、前記燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、ガスや電力回路部などを制御する制御部と、前記燃料電池で発生する熱を取り出す冷却水及び冷却水を溜める冷却水タンクとを備え、燃料電池の停止時に、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を停止し、燃料電池の電圧を検出し、水を燃料電池の少なくとも酸化剤ガスの経路に注入する燃料電池システム。 A pair of electrodes having an electrolyte, a pair of electrodes sandwiching the electrolyte, and a gas flow path for supplying and discharging a fuel gas containing at least hydrogen to one of the electrodes and supplying and discharging an oxidant gas containing oxygen to the other A fuel cell including a separator, a fuel generator that generates fuel gas to be supplied from the raw material gas to the fuel cell, a gas cleaning unit that removes components that adversely affect the fuel cell from the raw material gas, and the fuel cell A power circuit unit that extracts electric power, a voltage measurement unit that measures the voltage of the fuel cell, a control unit that controls a gas, a power circuit unit, and the like, and a cooling water and a cooling water that extract heat generated in the fuel cell are stored A cooling water tank is provided, and when the fuel cell is stopped, the supply of the fuel gas and the oxidant gas is stopped, the voltage of the fuel cell is detected, and water is injected into at least the oxidant gas path of the fuel cell. Fuel cell system. 電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給・排出し、他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有する一対のセパレータとを具備した燃料電池と、原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、前記燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、前記燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、ガスや電力回路部などを制御する制御部と、前記燃料電池で発生する熱を取り出す冷却水及び冷却水を溜める冷却水タンクとを備え、燃料電池の停止時に、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を停止し、燃料電池の電圧を検出し、電圧が0.88V以下の時に水を燃料電池の少なくとも酸化剤ガスの経路に注入する燃料電池システムの運転方法。 A pair of electrodes having an electrolyte, a pair of electrodes sandwiching the electrolyte, and a gas flow path for supplying and discharging a fuel gas containing at least hydrogen to one of the electrodes and supplying and discharging an oxidant gas containing oxygen to the other A fuel cell including a separator, a fuel generator that generates fuel gas to be supplied from the raw material gas to the fuel cell, a gas cleaning unit that removes components that adversely affect the fuel cell from the raw material gas, and the fuel cell A power circuit unit that extracts electric power, a voltage measurement unit that measures the voltage of the fuel cell, a control unit that controls a gas, a power circuit unit, and the like, and a cooling water and a cooling water that extract heat generated in the fuel cell are stored Provided with a cooling water tank, when the fuel cell is stopped, the supply of fuel gas and oxidant gas is stopped, the voltage of the fuel cell is detected, and when the voltage is 0.88 V or less, water is supplied to the fuel cell. The method of operating a fuel cell system to be injected into the path of the oxidant gas. 電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給・排出し、他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有する一対のセパレータとを具備した燃料電池と、原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、前記燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、前記燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、ガスや電力回路部などを制御する制御部と、前記燃料電池で発生する熱を取り出す冷却水及び冷却水を溜める冷却水タンクとを備え、燃料電池の停止時に、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を停止し、燃料電池の電圧が0.88V以下になるに十分な時間を経過した後、水を燃料電池の少なくとも酸化剤ガスの経路に注入する燃料電池システムの運転方法。 A pair of electrodes having an electrolyte, a pair of electrodes sandwiching the electrolyte, and a gas flow path for supplying and discharging a fuel gas containing at least hydrogen to one of the electrodes and supplying and discharging an oxidant gas containing oxygen to the other A fuel cell including a separator, a fuel generator that generates fuel gas to be supplied from the raw material gas to the fuel cell, a gas cleaning unit that removes components that adversely affect the fuel cell from the raw material gas, and the fuel cell A power circuit unit that extracts electric power, a voltage measurement unit that measures the voltage of the fuel cell, a control unit that controls a gas, a power circuit unit, and the like, and a cooling water and a cooling water that extract heat generated in the fuel cell are stored Provided with a cooling water tank. When the fuel cell is stopped, the supply of fuel gas and oxidant gas is stopped, and after sufficient time has passed for the fuel cell voltage to be 0.88 V or less, water is supplied to the fuel cell. The method of operating a fuel cell system to be injected into the path of at least the oxidant gas. 電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給・排出し、他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有する一対のセパレータとを具備した燃料電池と、原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、前記燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、前記燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、ガスや電力回路部などを制御する制御部と、前記燃料電池で発生する熱を取り出す冷却水及び冷却水を溜める冷却水タンクとを備え、燃料電池の停止時に、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を停止し、燃料電池のガス経路の圧力が低下すると水を注入し、ガス経路の圧力変化を一定以下にすることのできる燃料電池システム。 A pair of electrodes having an electrolyte, a pair of electrodes sandwiching the electrolyte, and a gas flow path for supplying and discharging a fuel gas containing at least hydrogen to one of the electrodes and supplying and discharging an oxidant gas containing oxygen to the other A fuel cell including a separator, a fuel generator that generates fuel gas to be supplied from the raw material gas to the fuel cell, a gas cleaning unit that removes components that adversely affect the fuel cell from the raw material gas, and the fuel cell A power circuit unit that extracts electric power, a voltage measurement unit that measures the voltage of the fuel cell, a control unit that controls a gas, a power circuit unit, and the like, and a cooling water and a cooling water that extract heat generated in the fuel cell are stored A cooling water tank is provided, and when the fuel cell is stopped, the supply of fuel gas and oxidant gas is stopped, and when the pressure of the fuel cell gas path drops, water is injected to keep the pressure change of the gas path constant. Fuel cell system can be down. 電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給・排出し、他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有する一対のセパレータとを具備した燃料電池と、原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、前記燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、前記燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、ガスや電力回路部などを制御する制御部と、前記燃料電池で発生する熱を取り出す冷却水及び冷却水を溜める冷却水タンクとを備え、燃料電池の停止時に、ガスの供給停止は酸化剤ガスが燃料ガスよりも先であり、燃料電池のガス経路への水の注入も酸化剤ガス経路が燃料ガス経路よりも先である燃料電池システムの運転方法。 A pair of electrodes having an electrolyte, a pair of electrodes sandwiching the electrolyte, and a gas flow path for supplying and discharging a fuel gas containing at least hydrogen to one of the electrodes and supplying and discharging an oxidant gas containing oxygen to the other A fuel cell including a separator, a fuel generator that generates fuel gas to be supplied from the raw material gas to the fuel cell, a gas purifier that removes components that adversely affect the fuel cell from the raw material gas, and the fuel cell A power circuit unit that extracts electric power, a voltage measurement unit that measures the voltage of the fuel cell, a control unit that controls a gas, a power circuit unit, and the like, and a cooling water and a cooling water that extract heat generated in the fuel cell are stored A cooling water tank, and when the fuel cell is stopped, the gas supply is stopped when the oxidant gas is ahead of the fuel gas, and when the water is injected into the gas path of the fuel cell, the oxidant gas path is also the fuel gas. The method of operating a fuel cell system is later than the road. 電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給・排出し、他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有する一対のセパレータとを具備した燃料電池と、原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、前記燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、前記燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、ガスや電力回路部などを制御する制御部と、前記燃料電池で発生する熱を取り出す冷却水及び冷却水を溜める冷却水タンクとを備え、燃料電池の停止時に、酸化剤ガスの供給を停止し、酸化剤ガス経路は水を注入しガスを追い出した後、燃料ガスを停止させ、燃料ガス経路は温度変化等で体積が減少すると水を注入できる燃料電池システム。 A pair of electrodes having an electrolyte, a pair of electrodes sandwiching the electrolyte, and a gas flow path for supplying and discharging a fuel gas containing at least hydrogen to one of the electrodes and supplying and discharging an oxidant gas containing oxygen to the other A fuel cell including a separator, a fuel generator that generates fuel gas to be supplied from the raw material gas to the fuel cell, a gas purifier that removes components that adversely affect the fuel cell from the raw material gas, and the fuel cell A power circuit unit that extracts electric power, a voltage measurement unit that measures the voltage of the fuel cell, a control unit that controls a gas, a power circuit unit, and the like, and a cooling water and a cooling water that extract heat generated in the fuel cell are stored A cooling water tank is provided, and when the fuel cell is stopped, the supply of the oxidant gas is stopped. The oxidant gas path injects water and expels the gas, and then the fuel gas is stopped. The fuel cell system capable of injecting water when the volume by the change or the like is reduced. 停止時に燃料電池の経路に入れる水は、冷却水であることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の燃料電池システムまたは燃料電池システムの運転方法。 7. The fuel cell system or the fuel cell system operating method according to claim 1, wherein the water that enters the fuel cell path at the time of stoppage is cooling water. 8. 電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給・排出し、他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有する一対のセパレータとを具備した燃料電池と、原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、前記燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、前記燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、ガスや電力回路部などを制御する制御部と、前記燃料電池で発生する熱を取り出す冷却水及び冷却水を溜める冷却水タンクとを備え、停止時に燃料ガスと酸化剤ガスの経路の一方または両方に水を注入し停止させ、起動時に燃料ガスと酸化剤ガスの経路の一方または両方の水をガス清浄部で浄化した燃料ガスで追い出し、追い出しに用いた前記燃料ガスは燃焼部で燃焼させ燃料ガスの流出をなくすようにした燃料電池システム。 A pair of electrodes having an electrolyte, a pair of electrodes sandwiching the electrolyte, and a gas flow path for supplying and discharging a fuel gas containing at least hydrogen to one of the electrodes and supplying and discharging an oxidant gas containing oxygen to the other A fuel cell including a separator, a fuel generator that generates fuel gas to be supplied from the raw material gas to the fuel cell, a gas purifier that removes components that adversely affect the fuel cell from the raw material gas, and the fuel cell A power circuit unit that extracts electric power, a voltage measurement unit that measures the voltage of the fuel cell, a control unit that controls a gas, a power circuit unit, and the like, and a cooling water and a cooling water that extract heat generated in the fuel cell are stored A cooling water tank is provided to stop water by injecting water into one or both of the fuel gas and oxidant gas paths at the time of shutdown and to supply water from one or both of the fuel gas and oxidant gas paths at the time of startup. Expelling the fuel gas purified in scan clean unit, the fuel cell system the fuel gas which is to eliminate the leakage of fuel gas is burned in the combustion section utilizing the eviction. 電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給・排出し、他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有する一対のセパレータとを具備した燃料電池と、原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、前記燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、前記燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、ガスや電力回路部などを制御する制御部と、前記燃料電池で発生する熱を取り出す冷却水及び冷却水を溜める冷却水タンクとを備え、停止時に燃料ガスと酸化剤ガスの経路の一方または両方に水を注入し停止させ、停止中に燃料電池の温度が氷点下になる前に水を抜く手段を設けた燃料電池システム。 A pair of electrodes having an electrolyte, a pair of electrodes sandwiching the electrolyte, and a gas flow path for supplying and discharging a fuel gas containing at least hydrogen to one of the electrodes and supplying and discharging an oxidant gas containing oxygen to the other A fuel cell including a separator, a fuel generator that generates fuel gas to be supplied from the raw material gas to the fuel cell, a gas cleaning unit that removes components that adversely affect the fuel cell from the raw material gas, and the fuel cell A power circuit unit that extracts electric power, a voltage measurement unit that measures the voltage of the fuel cell, a control unit that controls a gas, a power circuit unit, and the like, and a cooling water and a cooling water that extract heat generated in the fuel cell are stored A cooling water tank is provided, and water is injected into one or both of the fuel gas and oxidant gas paths at the time of stoppage to stop it, and means for draining water before the temperature of the fuel cell falls below freezing point during stoppage is provided. Fuel cell system. 電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給・排出し、他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有する一対のセパレータとを具備した燃料電池と、原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、前記燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、前記燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、ガスや電力回路部などを制御する制御部と、前記燃料電池で発生する熱を取り出す冷却水及び冷却水を溜める冷却水タンクとを備え、停止時に燃料ガスと酸化剤ガスの経路の一方または両方に水を注入し停止させ、起動時には燃料ガスを流した後に、酸化剤ガスを流すようにした燃料電池システムの運転方法。 A pair of electrodes having an electrolyte, a pair of electrodes sandwiching the electrolyte, and a gas flow path for supplying and discharging a fuel gas containing at least hydrogen to one of the electrodes and supplying and discharging an oxidant gas containing oxygen to the other A fuel cell including a separator, a fuel generator that generates fuel gas to be supplied from the raw material gas to the fuel cell, a gas purifier that removes components that adversely affect the fuel cell from the raw material gas, and the fuel cell A power circuit unit that extracts electric power, a voltage measurement unit that measures the voltage of the fuel cell, a control unit that controls a gas, a power circuit unit, and the like, and a cooling water and a cooling water that extract heat generated in the fuel cell are stored A cooling water tank is provided, and water is injected into one or both of the fuel gas and oxidant gas paths at the time of stoppage to stop it, and after start-up, the fuel gas is allowed to flow before the oxidant gas is allowed to flow. Method of operating a fuel cell system.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010238456A (en) * 2009-03-30 2010-10-21 Toshiba Corp Fuel cell system
JP2013026182A (en) * 2011-07-26 2013-02-04 Toshiba Corp Fuel cell cogeneration system and fuel cell control method
JP5178919B2 (en) * 2009-12-01 2013-04-10 パナソニック株式会社 Power generation system
JPWO2012117525A1 (en) * 2011-03-01 2014-07-07 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system
JP2016167375A (en) * 2015-03-09 2016-09-15 大阪瓦斯株式会社 Operation method for solid polymer type fuel battery
JP2018060687A (en) * 2016-10-05 2018-04-12 三菱自動車工業株式会社 Fuel cell system

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01124962A (en) * 1987-11-10 1989-05-17 Fuji Electric Co Ltd Alkaline electrolyte fuel cell system
JP2003142132A (en) * 2001-11-06 2003-05-16 Daikin Ind Ltd Fuel cell system
JP2004221003A (en) * 2003-01-17 2004-08-05 Mitsubishi Electric Corp Fuel cell power generation system and its operation method
JP2005044621A (en) * 2003-07-22 2005-02-17 Matsushita Electric Ind Co Ltd Fuel cell power generation device and its operation method
JP2005071778A (en) * 2003-08-25 2005-03-17 Matsushita Electric Ind Co Ltd Fuel cell system and its operation method
JP2005085662A (en) * 2003-09-10 2005-03-31 Matsushita Electric Ind Co Ltd Fuel cell system and its operation method

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01124962A (en) * 1987-11-10 1989-05-17 Fuji Electric Co Ltd Alkaline electrolyte fuel cell system
JP2003142132A (en) * 2001-11-06 2003-05-16 Daikin Ind Ltd Fuel cell system
JP2004221003A (en) * 2003-01-17 2004-08-05 Mitsubishi Electric Corp Fuel cell power generation system and its operation method
JP2005044621A (en) * 2003-07-22 2005-02-17 Matsushita Electric Ind Co Ltd Fuel cell power generation device and its operation method
JP2005071778A (en) * 2003-08-25 2005-03-17 Matsushita Electric Ind Co Ltd Fuel cell system and its operation method
JP2005085662A (en) * 2003-09-10 2005-03-31 Matsushita Electric Ind Co Ltd Fuel cell system and its operation method

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010238456A (en) * 2009-03-30 2010-10-21 Toshiba Corp Fuel cell system
JP5178919B2 (en) * 2009-12-01 2013-04-10 パナソニック株式会社 Power generation system
JPWO2012117525A1 (en) * 2011-03-01 2014-07-07 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system
JP2013026182A (en) * 2011-07-26 2013-02-04 Toshiba Corp Fuel cell cogeneration system and fuel cell control method
JP2016167375A (en) * 2015-03-09 2016-09-15 大阪瓦斯株式会社 Operation method for solid polymer type fuel battery
JP2018060687A (en) * 2016-10-05 2018-04-12 三菱自動車工業株式会社 Fuel cell system

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