JP2006302707A - Fuel cell system - Google Patents

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Yasutaka Otake
康貴 大竹
Yasushi Araki
康 荒木
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To effectively replace all cells in a stack when starting a fuel cell system. <P>SOLUTION: The fuel cell system is equipped with two stacks connected in series made by laminating a plurality of unit cells, each stack includes a manifold for supply and a manifold for evacuation connected to an inlet and an outlet of each gas flow path of the unit cell, respectively. A first evacuation pipe is connected to an equipotential surface side outlet of the manifold for evacuation, an evacuation part switching means to open and close the pipe is provided. also, A through-hole for retention gas evacuation penetrating the stack is provided, the manifold for evacuation and the through-hole for retention gas evacuation are connected with a connecting tube on a facing surface side, and a connecting tube switching means to open and close the connecting tube is provided. A second evacuation pipe connecting to the through-hole for retention gas evacuation is provided on the equipotential surface side. The first evacuation pipe and the second pipe connecting to each of stacks are joined together outside the stacks, respectively. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

この発明は、燃料電池システムに関する。更に具体的には、単電池を積層してなる、直列に接続した2つのスタック備える燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell system. More specifically, the present invention relates to a fuel cell including two stacks connected in series, each of which is formed by stacking unit cells.

従来、特開2001−76751号公報には、2つの燃料電池のスタックを平行に配置して、直列に接続した燃料電池が開示されている。この燃料電池においては、単電池であるセルの積層方向両端面のうち一方の面に、各スタックの燃料ガスの供給口と排出口、および酸素ガスの供給口と排出口が配置されている。また、スタック間で、燃料ガスの供給口同士、排出口同士、酸素ガスの供給口同士、排出口同士は、それぞれガス管で接続されている。   Conventionally, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2001-76751 discloses a fuel cell in which two fuel cell stacks are arranged in parallel and connected in series. In this fuel cell, a fuel gas supply port and a discharge port, and an oxygen gas supply port and a discharge port of each stack are arranged on one surface of both end surfaces in the stacking direction of cells that are unit cells. Further, between the stacks, the fuel gas supply ports, the discharge ports, the oxygen gas supply ports, and the discharge ports are connected by gas pipes.

上記従来技術の燃料電池によれば、このような構成とすることで、ガス管をスタックの一面に集中させて配置させることができる。したがって、ガス管の接続構造を簡素化すると共に、燃料電池の高さ方向を有効に短尺化することができる。   According to the above-described conventional fuel cell, the gas pipes can be concentrated on one surface of the stack with such a configuration. Therefore, the gas pipe connection structure can be simplified, and the height direction of the fuel cell can be effectively shortened.

特開2001−76751号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2001-76751 特開2002−367664号公報JP 2002-367664 A 特開平5−41240号公報Japanese Patent Laid-Open No. 5-41240 特開2002−313390号公報JP 2002-313390 A 特開2004−193107号公報JP 2004-193107 A

上記燃料電池の発電が停止して放置状態になると、アノード側に供給された燃料ガスがバルブ等からの漏れによってシステム外に徐々に放出される場合がある。また、放置状態中にも、燃料ガスと酸素との反応が徐々に進み、アノード側の燃料ガスが失われる場合がある。したがって放置後に燃料電池を起動するとき、アノード側の燃料ガスは失われて、アノード側に酸素や窒素が充満している場合がある。また、放置状態で不要な反応が起きることを防止するため、発電の停止中に燃料ガス流路内を窒素等の不活性ガスで置換する場合もある。このため、燃料電池の起動時には、まず、アノード側に充満した酸素や窒素を、燃料ガスにより置換する必要がある。   When power generation of the fuel cell is stopped and left as it is, the fuel gas supplied to the anode side may be gradually discharged out of the system due to leakage from a valve or the like. In addition, the reaction between the fuel gas and oxygen gradually proceeds even when left unattended, and the anode side fuel gas may be lost. Therefore, when the fuel cell is started after being left, the fuel gas on the anode side may be lost and the anode side may be filled with oxygen or nitrogen. In addition, in order to prevent an unnecessary reaction from occurring when left unattended, the inside of the fuel gas channel may be replaced with an inert gas such as nitrogen while power generation is stopped. For this reason, at the time of starting the fuel cell, it is necessary to first replace oxygen or nitrogen filled on the anode side with the fuel gas.

しかし、上記燃料電池において、燃料ガスの供給口と排出口とは同じ一面に設けられている。このため、置換用に供給した燃料ガスは、燃料ガスの供給口および排出口に近いセルにより多く供給される。したがって、供給口に対して奥側に位置するセルにまで、燃料ガスが十分に行き渡らない場合がある。特に、水素の密度は、窒素に比べて小さい。このため、燃料ガスとして水素を用いる場合、供給口に対して奥側のセル中に滞留する窒素ガス等の密度の重いガス追い出して、水素に置換するためには多大な時間を要する。   However, in the fuel cell, the fuel gas supply port and the discharge port are provided on the same surface. For this reason, the fuel gas supplied for replacement is supplied more to the cells near the fuel gas supply port and the discharge port. Therefore, there is a case where the fuel gas does not sufficiently reach the cell located on the back side with respect to the supply port. In particular, the density of hydrogen is smaller than that of nitrogen. For this reason, when hydrogen is used as the fuel gas, it takes a long time to expel a gas having a high density such as nitrogen gas staying in the cell on the back side with respect to the supply port and replace it with hydrogen.

これに対して迅速に滞留ガスを燃料ガスに置換するため、供給口とは反対側の面に滞留ガス用の排出口を別途設けて、奥側のセルにまで燃料ガスが迅速に行き渡るようにすることも考えられる。しかし、上記従来技術の構造では、スタックを直列に接続している。このため、供給口とは反対側の面の電位は、スタック間で大きく異なることになる。このような電位差の大きい面に滞留ガス排出の配管を設けることは、滞留ガス排出用の配管間に電位差を生じさせることとなる。燃料ガスとしては水素等の可燃ガスを用いることが考えられるため、滞留ガス排出用配管に電位差が生じるのは好ましいものではない。   On the other hand, in order to quickly replace the staying gas with the fuel gas, a discharge port for the staying gas is separately provided on the surface opposite to the supply port so that the fuel gas can quickly reach the inner cell. It is also possible to do. However, in the above prior art structure, the stacks are connected in series. For this reason, the electric potential of the surface opposite to the supply port is greatly different between the stacks. Providing piping for staying gas discharge on such a surface having a large potential difference causes a potential difference between the piping for discharging staying gas. Since it is conceivable to use a combustible gas such as hydrogen as the fuel gas, it is not preferable that a potential difference is generated in the stay gas discharge pipe.

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池の配管構造の複雑化を抑えつつ、起動時にスタック内のセル全体を効率よく置換できるように改良した燃料電池システムを提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and is an improved fuel cell system that can efficiently replace the entire cells in the stack at the start-up while suppressing the complexity of the piping structure of the fuel cell. The purpose is to provide.

第1の発明は、上記の目的を達成するため、単電池を複数積層してなる、直列に接続された2つのスタックを備える燃料電池システムであって、
前記各スタックは、
前記単電池の積層方向の両端面のうち、前記スタック間で互いに等電位となる等電位面から、前記等電位面とは反対側の端面である対向面まで、前記スタックを貫通し、かつ、前記単電池の各ガス流路に接続する供給用マニホールドと、
前記等電位面から前記対向面まで前記スタックを貫通し、かつ、前記各ガス流路に接続する排出用マニホールドと、
前記排出用マニホールドの前記等電位面側の出口に接続し、前記排出用マニホールドから排出されるガスを、前記スタック外に排出する第1排出配管と、
前記第1排出配管を開閉する排出部開閉手段と、
前記等電位面から前記対向面まで前記スタックを貫通する滞留ガス排出用貫通孔と、
前記対向面側において、前記排出用マニホールドと前記滞留ガス排出用貫通孔とを連結する連結管と、
前記連結管を開閉する連結管開閉手段と、
前記滞留ガス排出用貫通孔の前記等電位面側の出口に接続し、前記滞留ガス排出用貫通孔から排出されるガスを、前記スタック外に排出する第2排出配管と、
を備え、
前記各スタックの前記第1排出配管は、前記スタック外において互いに合流し、
前記各スタックの前記第2排出配管は、前記スタック外において互いに合流することを特徴とする。
In order to achieve the above object, a first invention is a fuel cell system comprising two stacks connected in series, wherein a plurality of single cells are stacked.
Each stack is
Of the both end faces of the unit cell in the stacking direction, through the stack from the equipotential surface that is equipotential between the stacks, to the facing surface that is the end face opposite to the equipotential face, and A supply manifold connected to each gas flow path of the unit cell;
A discharge manifold that passes through the stack from the equipotential surface to the opposing surface and is connected to each gas flow path;
A first exhaust pipe connected to an outlet on the equipotential surface side of the exhaust manifold and exhausting the gas exhausted from the exhaust manifold out of the stack;
Discharge part opening and closing means for opening and closing the first discharge pipe;
A stagnant gas discharge through-hole penetrating the stack from the equipotential surface to the opposing surface;
A connecting pipe connecting the exhaust manifold and the staying gas discharge through-hole on the opposite surface side;
Connecting pipe opening and closing means for opening and closing the connecting pipe;
A second discharge pipe connected to an outlet on the equipotential surface side of the staying gas discharge through hole, and discharging the gas discharged from the staying gas discharge through hole to the outside of the stack;
With
The first discharge pipes of the stacks merge with each other outside the stack,
The second discharge pipes of the stacks may join each other outside the stack.

また、第2の発明は、第1の発明において、前記供給用マニホールドの前記等電位面側の入口から、ガスを供給する供給手段と、
前記燃料電池システムの起動時に、前記排出部開閉手段を閉じて、前記連結管開閉手段を開いた、第1開閉状態とし、前記燃料電池システムの発電時に、前記排出部開閉手段を開いて、前記連結管開閉手段を閉じた、第2開閉状態とするように制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, supply means for supplying a gas from an inlet on the equipotential surface side of the supply manifold;
When the fuel cell system is started, the discharge part opening / closing means is closed and the connecting pipe opening / closing means is opened to be in a first open / close state, and when the fuel cell system generates power, the discharge part opening / closing means is opened, Control means for controlling the pipe opening / closing means to be in a second open / closed state,
It is characterized by providing.

また、第3の発明は、第2の発明において、前記ガス流路の滞留ガスを、前記供給手段からの供給ガスに置換したことを検知する置換完了検知手段を備え、
前記制御手段は、前記ガス置換完了が検知された場合に、前記第2開閉状態とすることを特徴とする。
Further, the third invention comprises a replacement completion detecting means for detecting in the second invention that the staying gas in the gas flow passage is replaced with the supply gas from the supply means,
The control means sets the second open / close state when the gas replacement completion is detected.

また、第4の発明は、第3の発明において、前記置換完了検知手段は、
前記ガス流路を前記供給ガスに置換するための供給ガスの供給時間を検出する供給時間検出手段と、
前記供給時間が、前記ガス流路内を置換するのに十分な置換所要時間以上であるか否かを比較する比較手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記供給時間が、前記置換所要時間以上である場合に、前記第2開閉状態とすることを特徴とする。
In a fourth aspect based on the third aspect, the replacement completion detecting means is
A supply time detecting means for detecting a supply time of a supply gas for replacing the gas flow path with the supply gas;
A comparison means for comparing whether or not the supply time is equal to or longer than a required replacement time sufficient to replace the gas flow path;
With
The control means sets the second open / close state when the supply time is equal to or longer than the replacement time.

また、第5の発明は、第3の発明において、前記置換完了検知手段は、
前記連結管に設けられたガス濃度センサと、
前記ガス濃度センサの出力と、前記ガス流路内が前記供給ガスに置換された場合に出力される判断値とを比較する比較手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記比較の結果から、前記ガス流路内が前記供給ガスに置換されたと判断された場合に、前記第2開閉状態とすることを特徴とする。
In a fifth aspect based on the third aspect, the replacement completion detecting means is
A gas concentration sensor provided in the connecting pipe;
Comparison means for comparing the output of the gas concentration sensor with a judgment value output when the gas flow path is replaced with the supply gas;
With
The control means sets the second open / close state when it is determined from the result of the comparison that the inside of the gas flow path is replaced with the supply gas.

また、第6の発明は、第1から第5のいずれかの発明において、前記第2排出配管は、前記排出部開閉手段よりも前記ガスの流れに対して下流側において、前記第1排出配管と接続することを特徴とする。   In a sixth aspect based on any one of the first to fifth aspects, the second discharge pipe is located on the downstream side of the gas flow with respect to the gas flow with respect to the discharge portion opening / closing means. It connects with.

また、第7の発明は、第6の発明において、前記第2排出配管の、前記第1排出配管と前記第2排出配管との接続部よりも前記ガスの流れに対して上流側に、前記第2排出配管を開閉する滞留ガス用開閉手段を備えることを特徴とする。   The seventh invention is the sixth invention, wherein the second discharge pipe is more upstream of the gas flow than the connection portion between the first discharge pipe and the second discharge pipe. It is characterized by comprising a retention gas opening / closing means for opening / closing the second discharge pipe.

また、第8の発明は、第1から第7のいずれかの発明において、前記連結管は、前記スタック外部に設けられ、
前記対向面において、前記滞留ガス排出用貫通孔と前記排出用マニホールドとに接続することを特徴とする。
Further, in an eighth invention according to any one of the first to seventh inventions, the connecting pipe is provided outside the stack,
The opposing surface is connected to the staying gas discharge through hole and the discharge manifold.

また、第9の発明は、第1から第8のいずれかの発明において、前記供給用マニホールド及び排出用マニホールドは、前記燃料電池のアノード側のマニホールドであることを特徴とする。   According to a ninth invention, in any one of the first to eighth inventions, the supply manifold and the discharge manifold are manifolds on an anode side of the fuel cell.

また、第10の発明は、第9の発明において、前記供給用マニホールドの前記等電位面側の入口から、酸化剤ガス又は空気を供給する酸化剤供給手段を備え、
前記燃料電池システムの停止中に、前記ガス流路を、前記酸化剤ガス又は前記空気で置換することを特徴とする。
Further, a tenth aspect of the invention is the ninth aspect of the invention, further comprising oxidant supply means for supplying an oxidant gas or air from an inlet on the equipotential surface side of the supply manifold,
The gas flow path is replaced with the oxidant gas or the air while the fuel cell system is stopped.

また、第11の発明は、第1から第9のいずれかの発明において、前記燃料電池システムは、前記供給用マニホールドの前記等電位面側の入口から不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段を備え、
前記燃料電池システムの停止中に、前記ガス流路を、前記不活性ガスで置換することを特徴とする。
An eleventh aspect of the invention is the inert gas supply means for supplying an inert gas from an inlet on the equipotential surface side of the supply manifold in any one of the first to ninth aspects of the invention. With
The gas flow path is replaced with the inert gas while the fuel cell system is stopped.

第1の発明によれば、排出用マニホールドは、等電位面においては第1排出配管に接続し、対向面側においては、滞留ガス排出用貫通孔に接続する。また、滞留ガス排出用貫通孔は、対向面から等電位面まで貫通して等電位面において、第2排出配管に接続する。したがって、排出用マニホールドに、等電位面側の出口と対向面側の出口とを設けることができ、状況に応じて出口を選択してガスを排出することができる。また、対向面側の出口を選択したとき、排出用マニホールドから排出されたガスの最終的な出口は、滞留ガス排出用貫通孔が接続される第2排出配管であり、この配管は、等電位面に配置されている。したがって、排出用マニホールドの対向面側からのガスの排出を可能にしつつ、滞留ガス排出用の第2排出配管についても、配管に電位差が生じるのを防ぐことができる。   According to the first invention, the discharge manifold is connected to the first discharge pipe on the equipotential surface, and is connected to the staying gas discharge through hole on the opposite surface side. Further, the staying gas discharge through-hole penetrates from the opposing surface to the equipotential surface and is connected to the second discharge pipe on the equipotential surface. Accordingly, the discharge manifold can be provided with an outlet on the equipotential surface side and an outlet on the opposite surface side, and the gas can be discharged by selecting the outlet according to the situation. Further, when the outlet on the opposite surface side is selected, the final outlet of the gas discharged from the discharge manifold is the second discharge pipe to which the staying gas discharge through-hole is connected, and this pipe has an equipotential Arranged on the surface. Therefore, it is possible to prevent the potential difference from being generated in the pipes for the second discharge pipe for discharging the staying gas while enabling the discharge of the gas from the opposed surface side of the discharge manifold.

また、第2の発明によれば、燃料電池システムの起動時には、排出部開閉手段を閉じて、排出用マニホールドの対向面側の出口から、滞留ガスを排出することができる。したがって、起動時に、供給ガスにより各ガス流路を効率よく置換することができる。一方、発電時には、連結管開閉手段を閉じて、排出用マニホールドの等電位面側の出口からガスを排出することができ、燃料電池システムの発電力を高く確保することができる。   Further, according to the second aspect of the invention, when the fuel cell system is started, the discharge part opening / closing means can be closed and the accumulated gas can be discharged from the outlet on the opposite surface side of the discharge manifold. Therefore, at the time of start-up, each gas flow path can be efficiently replaced with the supply gas. On the other hand, at the time of power generation, the connecting pipe opening / closing means can be closed and gas can be discharged from the outlet on the equipotential surface side of the discharge manifold, so that high power generation of the fuel cell system can be ensured.

また、第3〜第5の発明によれば、ガス流路の置換が完了したことを検知した場合に、対向面側の連結管開閉手段を閉じて、排出用マニホールドの等電位面からの出口からガスを排出されるようにする。したがって、ガス置換を確実に完了することができ、供給ガスの余分な消費を抑えることができる。   According to the third to fifth inventions, when it is detected that the replacement of the gas flow path is completed, the connection pipe opening / closing means on the opposite surface side is closed, and the outlet from the equipotential surface of the discharge manifold So that the gas is discharged. Therefore, gas replacement can be completed with certainty, and excess consumption of the supply gas can be suppressed.

また、第6の発明によれば、第2排出配管は、排出部開閉手段よりもガスの流れに対して下流側において、第1排出配管と接続する。したがって、配管構造を簡略にすることができる。   According to the sixth invention, the second discharge pipe is connected to the first discharge pipe on the downstream side of the gas flow with respect to the discharge portion opening / closing means. Therefore, the piping structure can be simplified.

また、第7の発明によれば、第2排出配管を開閉する滞留ガス用開閉手段を備える。したがって、必要な場合にのみ滞留ガス用開閉手段を開くことができ、不必要なガスの放出を抑えることができる。   According to the seventh aspect of the invention, the staying gas opening / closing means for opening / closing the second exhaust pipe is provided. Therefore, the staying gas opening / closing means can be opened only when necessary, and unnecessary gas release can be suppressed.

また、第8の発明によれば、各連結管は、スタック外の対向面において、滞留ガス排出用貫通孔と排出用マニホールドとに接続する。これにより、連結管をスタック外に配置した場合にも、連結管に電位差が生じることを防ぐことができる。   According to the eighth invention, each connecting pipe is connected to the staying gas discharge through-hole and the discharge manifold on the opposing surface outside the stack. Thereby, even when the connecting pipe is arranged outside the stack, it is possible to prevent a potential difference from occurring in the connecting pipe.

また、第9の発明によれば、燃料電池システムの起動時に、燃料ガス流路を効率よく置換することができる。   Further, according to the ninth aspect, the fuel gas flow path can be efficiently replaced when the fuel cell system is started.

また、第10の発明によれば、燃料電池システムの停止中に、燃料ガス流路を効率よく酸化剤ガスまたは空気により置換することができる。これにより、燃料電池システムの停止中に燃料電池システム内で不要な反応が起きるのを抑えることができる。また、このように酸化剤ガスまたは空気により置換した場合にも、起動時には効率よくガス流路を置換することができる。   According to the tenth aspect, the fuel gas flow path can be efficiently replaced with the oxidant gas or air while the fuel cell system is stopped. Thereby, it is possible to suppress an unnecessary reaction from occurring in the fuel cell system while the fuel cell system is stopped. In addition, even when the oxidant gas or air is replaced in this way, the gas flow path can be replaced efficiently at the time of startup.

また、第11の発明によれば、燃料電池システムの停止中に、ガス流路を、不活性ガスで置換する。これにより、停止中に燃料電池システム内で不要な反応が起きるのを抑えることができる。また、このように不活性ガスで置換した場合にも、起動時には効率よくガス流路を置換することができる。   According to the eleventh aspect, the gas flow path is replaced with an inert gas while the fuel cell system is stopped. Thereby, it is possible to suppress an unnecessary reaction from occurring in the fuel cell system during the stop. Further, even when the inert gas is replaced in this way, the gas flow path can be replaced efficiently at the time of startup.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is simplified or omitted.

実施の形態1.
[実施の形態1の燃料電池システムの構成について]
図1はこの発明の実施の形態1の燃料電池システムを説明するため概念図である。
図1に示すように、実施の形態1の燃料電池システムは、2つのスタック2a、2bを備える。スタック2a、2bは、直列に接続されて、平行に配置されている。尚、図1は、各スタック2a、2bの断面を表すが、点線は、燃料ガスの供給及び排出の通路をイメージ化して表している。
Embodiment 1 FIG.
[Configuration of Fuel Cell System of Embodiment 1]
FIG. 1 is a conceptual diagram for explaining a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention.
As shown in FIG. 1, the fuel cell system of Embodiment 1 includes two stacks 2a and 2b. The stacks 2a and 2b are connected in series and arranged in parallel. FIG. 1 shows a cross section of each of the stacks 2a and 2b, but the dotted line represents the supply and discharge passages of the fuel gas.

各スタック2a、2b内には、複数のセル4が積層されている。各セル4内には、カソード、アノード、および両電極に挟まれた固体高分子膜が配置されている。また、アノード側には燃料ガス流路が設けられ、燃料ガスとして例えば水素が供給される。また、カソード側には酸素ガス流路が設けられ、大気が供給される。   A plurality of cells 4 are stacked in each stack 2a, 2b. In each cell 4, a cathode, an anode, and a solid polymer film sandwiched between both electrodes are disposed. Further, a fuel gas flow path is provided on the anode side, and for example, hydrogen is supplied as the fuel gas. In addition, an oxygen gas flow path is provided on the cathode side, and air is supplied.

各スタック2a、2bにおいて、セル4の積層方向の一端面には第1エンドプレート6が設けられ、反対側の端面には、第2エンドプレート8が設けられている。スタック2aとスタック2bとは、第2エンドプレート8側において、電気的に直列接続されている。したがって、各スタック2a、2bの第2エンドプレート8側は、等電位面となっている。一方、第1エンドプレート6側の電位は、スタック2a、2b間で異なっている。また、各スタック2a、2bの第1エンドプレート6には、それぞれ、端子10a、10bが設けられている。端子10aは、この燃料電池システムにおいてプラス側の端子であり、端子10bは、マイナス側の端子である。   In each stack 2a, 2b, a first end plate 6 is provided on one end surface of the cells 4 in the stacking direction, and a second end plate 8 is provided on the opposite end surface. The stack 2a and the stack 2b are electrically connected in series on the second end plate 8 side. Therefore, the second end plate 8 side of each stack 2a, 2b is an equipotential surface. On the other hand, the potential on the first end plate 6 side differs between the stacks 2a and 2b. The first end plates 6 of the stacks 2a and 2b are provided with terminals 10a and 10b, respectively. The terminal 10a is a positive terminal in this fuel cell system, and the terminal 10b is a negative terminal.

スタック2a、2bの第2エンドプレート8の外側には、燃料ガス供給用の供給配管12が配置されている。供給配管12は、燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段(図示せず)に接続される。供給配管12は、2つの供給配管14に分岐する。各供給配管14はその途中に、第1バルブ16を備える。また、各供給配管14は、各スタック2a、2bの第2エンドプレート8において、供給用マニホールド18に接続されている。供給用マニホールド18は、セル4の積層方向にセル4を貫通して形成され、各セル4内の燃料ガス流路の一端に接続されている。   A supply pipe 12 for supplying fuel gas is disposed outside the second end plate 8 of the stacks 2a and 2b. The supply pipe 12 is connected to a fuel gas supply means (not shown) for supplying fuel gas. The supply pipe 12 branches into two supply pipes 14. Each supply pipe 14 includes a first valve 16 in the middle thereof. Each supply pipe 14 is connected to a supply manifold 18 in the second end plate 8 of each stack 2a, 2b. The supply manifold 18 is formed to penetrate the cells 4 in the stacking direction of the cells 4 and is connected to one end of the fuel gas flow path in each cell 4.

排出用マニホールド20は、セル4の積層方向に、セル4を貫通して形成され、各セルの燃料ガス流路の他端に接続されている。また、各排出用マニホールド20は、第2エンドプレート8において、排出配管22に接続されている。各排出配管22はその途中に、第2バルブ24を有する。また、スタック2a、2bにそれぞれ接続する2本の排出配管22は、共に、一本の排出配管26に接続して合流している。   The discharge manifold 20 is formed through the cell 4 in the stacking direction of the cells 4 and is connected to the other end of the fuel gas flow path of each cell. Each discharge manifold 20 is connected to a discharge pipe 22 in the second end plate 8. Each discharge pipe 22 has a second valve 24 in the middle thereof. Further, the two discharge pipes 22 connected to the stacks 2a and 2b are connected to the single discharge pipe 26 and joined together.

各スタック2a、2b内には、排出用マニホールド20に平行して、滞留ガス排出用貫通孔28が配置されている。滞留ガス排出用貫通孔28は、第1エンドプレート6と第2エンドプレート8との間において、セル4の積層方向にセル4を貫通して形成されている。   In each of the stacks 2 a and 2 b, a stay gas discharge through hole 28 is arranged in parallel with the discharge manifold 20. The stay gas discharge through hole 28 is formed between the first end plate 6 and the second end plate 8 so as to penetrate the cell 4 in the stacking direction of the cells 4.

滞留ガス排出用貫通孔28と、前述の供給用マニホールド18と排出用マニホールド20との関係を、図2を用いて説明する。図2は、燃料電池システムのセル4の正面図である。
図2において、セル4の左上には、アノード入口30が設けられている。また、アノード入口30の対角方向に、アノード出口32が配置されている。アノード入口30とアノード出口32とは、セル4内の燃料ガス流路により接続されている。セル4が複数積層されて、アノード入口30が連結されることにより、供給用マニホールド18が構成される。また、アノード出口32が連結されることにより、排出用マニホールド20が構成される。
The relationship between the staying gas discharge through hole 28 and the aforementioned supply manifold 18 and discharge manifold 20 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a front view of the cell 4 of the fuel cell system.
In FIG. 2, an anode inlet 30 is provided at the upper left of the cell 4. Further, an anode outlet 32 is arranged in a diagonal direction of the anode inlet 30. The anode inlet 30 and the anode outlet 32 are connected by a fuel gas flow path in the cell 4. A plurality of cells 4 are stacked and the anode inlet 30 is connected to form a supply manifold 18. Further, the discharge outlet manifold 20 is configured by connecting the anode outlet 32.

アノード出口32の下部には、滞留ガス排出口34が設けられている。セル4が複数積層されて滞留ガス排出口34が連結されることにより、滞留ガス排出用貫通孔28が構成される。   A staying gas discharge port 34 is provided below the anode outlet 32. A plurality of cells 4 are stacked and the staying gas discharge port 34 is connected to form a staying gas discharge through hole 28.

セル4右上には、カソード入口36が設けられている。また、カソード入口36の対角方向に、カソード出口38が配置されている。カソード入口36とカソード出口38とは、セル4内の酸素ガス流路により接続されている。セル4が複数積層されることにより、カソード入口36、カソード出口38がそれぞれ連結され、酸素ガス用の供給用マニホールドと排出用マニホールドとが同様に構成される。セル4には、冷却媒体入口40および冷却媒体出口42が設けられている。セル4が複数積層させることにより、冷却媒体入口40と冷却媒体出口42とは、それぞれ連結されて、冷却媒体の供給用マニホールドと排出用マニホールドとが同様に構成される。これらの酸素ガス用の供給用及び排出用マニホールド、冷却媒体用の供給用及び排出用マニホールドは、簡略化のため、図1においては省略されている。   A cathode inlet 36 is provided at the upper right of the cell 4. A cathode outlet 38 is disposed diagonally to the cathode inlet 36. The cathode inlet 36 and the cathode outlet 38 are connected by an oxygen gas flow path in the cell 4. By stacking a plurality of cells 4, the cathode inlet 36 and the cathode outlet 38 are connected to each other, and the supply manifold and the discharge manifold for oxygen gas are similarly configured. The cell 4 is provided with a cooling medium inlet 40 and a cooling medium outlet 42. By stacking a plurality of cells 4, the cooling medium inlet 40 and the cooling medium outlet 42 are connected to each other, and the cooling medium supply manifold and the discharge manifold are configured similarly. The supply and discharge manifolds for oxygen gas and the supply and discharge manifolds for the cooling medium are omitted in FIG. 1 for simplicity.

再び、図1を参照して、滞留ガス排出用貫通孔28の一端は、第1エンドプレート6側において、排出用マニホールド20に連結管44により接続されている。連結管44は、スタック2a、2b外に配置されている。連結管44はその途中に、第3バルブ46を有する。第3バルブ46は、連結管44を開閉することができる。   Referring again to FIG. 1, one end of the staying gas discharge through hole 28 is connected to the discharge manifold 20 by a connecting pipe 44 on the first end plate 6 side. The connecting pipe 44 is disposed outside the stacks 2a and 2b. The connecting pipe 44 has a third valve 46 in the middle thereof. The third valve 46 can open and close the connecting pipe 44.

一方、滞留ガス排出用貫通孔28の他端は、第2エンドプレート8側において、排出配管48に接続されている。排出配管48はその途中に、第4バルブ50を有する。排出配管48は、排出配管22の第2バルブ24よりも、ガスの流れに対して下流側において排出配管22に接続して合流し、最終的に、排出配管26に合流する。   On the other hand, the other end of the staying gas discharge through hole 28 is connected to a discharge pipe 48 on the second end plate 8 side. The discharge pipe 48 has a fourth valve 50 in the middle thereof. The discharge pipe 48 is connected to the discharge pipe 22 on the downstream side of the second valve 24 of the discharge pipe 22 to join the exhaust pipe 22, and finally joins the discharge pipe 26.

上述したように、スタック2a、2bは直列に接続されているため、第2エンドプレート8側において、スタック2aとスタック2bとの電位差はゼロとなっている。また、各スタック2a、2bに接続する供給配管14、排出配管22、48は、電位差ゼロの第2エンドプレート8側に配置されている。したがって、これらの供給配管あるいは排出配管が、それぞれ、供給配管12、排出配管26に最終的に合流しても、ショート等の問題が起きないように構成されている。   As described above, since the stacks 2a and 2b are connected in series, the potential difference between the stack 2a and the stack 2b is zero on the second end plate 8 side. In addition, the supply pipe 14 and the discharge pipes 22 and 48 connected to the stacks 2a and 2b are arranged on the second end plate 8 side where the potential difference is zero. Therefore, even if these supply pipes or discharge pipes finally join the supply pipe 12 and the discharge pipe 26, respectively, a problem such as a short circuit does not occur.

一方、第1エンドプレート6には、スタック2a、2b間で大きな電位差がある。この第1エンドプレート6側に、連結管44が設けられている。しかし、連結管44は、それぞれ同一の第1エンドプレート6上に配置されたものであり、ショート等の問題が起きないように構成されている。   On the other hand, the first end plate 6 has a large potential difference between the stacks 2a and 2b. A connecting pipe 44 is provided on the first end plate 6 side. However, each of the connecting pipes 44 is disposed on the same first end plate 6 and is configured so as not to cause a problem such as a short circuit.

燃料電池システムは制御装置52を有する。制御装置52は、供給配管12への燃料ガスの供給および第1〜第4バルブ16、24、46、50の開閉を制御する。また、制御装置52は、燃料ガスの供給時間を検出することができる。   The fuel cell system has a control device 52. The control device 52 controls the supply of the fuel gas to the supply pipe 12 and the opening and closing of the first to fourth valves 16, 24, 46 and 50. The control device 52 can detect the fuel gas supply time.

[実施の形態1の燃料電池システムの発電時の動作について]
図3は、実施の形態1の燃料電池システムにおける通常発電中の燃料ガスの流れについて説明するための模式図である。
図3に示すように、燃料電池システムの通常発電中は、第1バルブ16および第2バルブ24のみが開放され、第3バルブ46および第4バルブ50は閉じられる。燃料電池システムの制御装置52は、この発電時の第1〜第4バルブの状態、即ち、第1バルブ16、第2バルブ24を開放、第3バルブ46、第4バルブ50を閉鎖する状態を、発電時の開閉条件として記憶し、発電中は、発電時の開閉条件に各バルブを制御する。
[Operation of the fuel cell system according to Embodiment 1 during power generation]
FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the flow of fuel gas during normal power generation in the fuel cell system of the first embodiment.
As shown in FIG. 3, during the normal power generation of the fuel cell system, only the first valve 16 and the second valve 24 are opened, and the third valve 46 and the fourth valve 50 are closed. The control device 52 of the fuel cell system is in a state of the first to fourth valves during power generation, that is, a state in which the first valve 16 and the second valve 24 are opened, and the third valve 46 and the fourth valve 50 are closed. These are stored as opening / closing conditions during power generation, and during power generation, each valve is controlled to the opening / closing conditions during power generation.

燃料電池システムの発電時には、上記発電時の開閉条件下で、供給配管12から、供給配管14を介して供給用マニホールド18に燃料ガスとして水素が供給される。供給用マニホールド18に供給された水素は、各セル4のアノード側の燃料ガス流路に供給される。一方、同様にして、酸素供給用マニホールドから大気が供給され、各セル4のカソード側の酸素ガス流路に供給される。   During power generation of the fuel cell system, hydrogen is supplied from the supply pipe 12 to the supply manifold 18 as a fuel gas through the supply pipe 14 under the open / close conditions during power generation. The hydrogen supplied to the supply manifold 18 is supplied to the fuel gas channel on the anode side of each cell 4. On the other hand, similarly, air is supplied from the oxygen supply manifold and supplied to the oxygen gas flow path on the cathode side of each cell 4.

アノードに水素が供給されると、アノードの触媒によって電子が分離して、供給された水素は水素イオンとなる。水素イオンは、固体高分子膜を通り、カソード側に移動する。カソード側に移動した水素イオンは、カソード側に供給された酸素と反応して水蒸気となる。ここで水素イオンから分離した電子は、別経路でカソードに向かう。これによって、カソードから、アノードに電流が流れ、電力が発生する。このように各セル4中で発生した電力は、端子10a及び10bから回収される。   When hydrogen is supplied to the anode, electrons are separated by the catalyst of the anode, and the supplied hydrogen becomes hydrogen ions. Hydrogen ions move to the cathode side through the solid polymer membrane. The hydrogen ions that have moved to the cathode side react with oxygen supplied to the cathode side to become water vapor. Here, the electrons separated from the hydrogen ions travel to the cathode through another path. As a result, current flows from the cathode to the anode, and electric power is generated. Thus, the electric power generated in each cell 4 is recovered from the terminals 10a and 10b.

アノード側の排ガスは、燃料ガス流路から、排出用マニホールド20に排出される。ここで、第3バルブ46は閉じられた状態であり、即ち、排出用マニホールド20の第1プレート6側は閉じられた状態となっている。したがって、排出用マニホールド20から排出されたガスは、第1エンドプレート6側の排出配管22を介して排出配管26により排出される。   The exhaust gas on the anode side is discharged from the fuel gas passage to the discharge manifold 20. Here, the third valve 46 is in a closed state, that is, the first plate 6 side of the discharge manifold 20 is closed. Accordingly, the gas discharged from the discharge manifold 20 is discharged through the discharge pipe 26 via the discharge pipe 22 on the first end plate 6 side.

[実施の形態1の燃料電池システムの起動時の動作について]
燃料電池システムの発電停止後放置状態が長くなった場合、アノード側に供給された燃料ガスが徐々に放出されることが考えられる。また、放置状態においても、燃料ガスと酸素との反応が徐々に進み、アノード側の燃料ガスが失われる場合がある。したがって放置後に燃料電池を起動する場合、アノード側の燃料ガスは失われて、アノード側に酸素や窒素等の滞留ガスが充満している場合がある。したがって、放置後燃料電池システムを起動する時には、セル4の燃料ガス流路を燃料ガスで置換する必要がある。
[Operation of the fuel cell system according to Embodiment 1 at the time of startup]
When the fuel cell system is left standing after power generation is stopped, the fuel gas supplied to the anode side may be gradually released. Further, even when left unattended, the reaction between the fuel gas and oxygen gradually proceeds, and the fuel gas on the anode side may be lost. Therefore, when the fuel cell is started after being left standing, the fuel gas on the anode side may be lost and the anode side may be filled with a staying gas such as oxygen or nitrogen. Therefore, when starting the fuel cell system after being left, it is necessary to replace the fuel gas flow path of the cell 4 with the fuel gas.

図4は、実施の形態1の燃料電池システムの燃料ガス流路置換中のガスの流れについて説明するための模式図である。
図4に示すように、燃料ガス流路の置換の際には、第2バルブ24を閉鎖して、第1バルブ16、第3バルブ46、第4バルブ50を開放した状態にする。制御装置52は、このような置換時の第1〜第4バルブの状態、即ち、第1バルブ16、第3バルブ46、第4バルブ50を開放し、第2バルブ24を閉鎖した状態を、置換時の開閉条件として記憶する。また、制御装置52は、各セル4の燃料ガス流路が燃料ガスに置換される時間を、置換所要時間として記憶する。
FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a gas flow during fuel gas flow path replacement in the fuel cell system of the first embodiment.
As shown in FIG. 4, when the fuel gas flow path is replaced, the second valve 24 is closed and the first valve 16, the third valve 46, and the fourth valve 50 are opened. The control device 52 is in the state of the first to fourth valves at the time of such replacement, that is, the state in which the first valve 16, the third valve 46, the fourth valve 50 are opened and the second valve 24 is closed. It is stored as the opening / closing condition at the time of replacement. Further, the control device 52 stores the time required for replacing the fuel gas flow path of each cell 4 with the fuel gas as the required replacement time.

燃料ガス流路の置換の際には、上記置換時の開閉条件下で、供給配管12から燃料ガスを供給する。供給された燃料ガスは、供給配管14を介して供給用マニホールド18から、各セル4の燃料ガス流路内に流入する。流入したガスは、燃料ガス流路内の窒素や酸素等の滞留ガスを排出用マニホールド20に排出する。   When replacing the fuel gas flow path, the fuel gas is supplied from the supply pipe 12 under the opening and closing conditions during the replacement. The supplied fuel gas flows from the supply manifold 18 into the fuel gas flow path of each cell 4 via the supply pipe 14. The inflowing gas discharges a staying gas such as nitrogen or oxygen in the fuel gas flow path to the discharge manifold 20.

ここで、排出用マニホールド20の排出配管22は、第2バルブ24によって閉じられている。したがって、排出用マニホールド20に排出された滞留ガスは、連結管44に押し出されて連結管44から、滞留ガス排出用貫通孔28に流入する。滞留ガス排出用貫通孔28に流入した滞留ガスは、排出配管48、26に流入して排出される。   Here, the discharge pipe 22 of the discharge manifold 20 is closed by the second valve 24. Accordingly, the staying gas discharged to the discharge manifold 20 is pushed out to the connecting pipe 44 and flows into the staying gas discharge through hole 28 from the connecting pipe 44. The staying gas flowing into the staying gas discharge through hole 28 flows into the discharge pipes 48 and 26 and is discharged.

このように、燃料ガス流路の置換時には、燃料ガスは、供給用マニホールド18の第2エンドプレート8側の入口から、各セル4の流路に供給される。そして、セル4の燃料ガス流路を通過した後は、排出用マニホールド20の第1エンドプレート6側の出口、即ち、供給用マニホールド18の入口とは反対側に向かって一旦排出される。したがって、供給用マニホールド18の入口に対して、奥のほうにあるセル4にまで効率よく燃料ガスを行き渡らせることができる。   Thus, when replacing the fuel gas flow path, the fuel gas is supplied to the flow path of each cell 4 from the inlet on the second end plate 8 side of the supply manifold 18. Then, after passing through the fuel gas flow path of the cell 4, the discharge manifold 20 is once discharged toward the outlet on the first end plate 6 side, that is, the side opposite to the inlet of the supply manifold 18. Therefore, the fuel gas can be efficiently distributed to the cell 4 at the back of the inlet of the supply manifold 18.

[燃料電池システムの制御について]
図5は、実施の形態1の燃料電池システムにおいて制御装置52が実行する制御のルーチンについて説明するための模式図である。上記の各動作は、このルーチンを実行することによって実行される。
図5に示すように、ステップS102において、まず、燃料電池が起動されたか否かを検出する。起動されていない場合には、一旦このルーチンを終了する。
[Control of fuel cell system]
FIG. 5 is a schematic diagram for explaining a control routine executed by the control device 52 in the fuel cell system of the first embodiment. Each of the above operations is executed by executing this routine.
As shown in FIG. 5, in step S102, first, it is detected whether or not the fuel cell is activated. If it has not been started, this routine is once terminated.

ステップS102において、燃料電池システムの起動が検出された場合、第1〜第4バルブを、置換時の開閉条件となるように設定する(ステップS104)。即ち、制御装置52は、予め記憶された置換時の開閉条件に第1〜第4バルブを制御する。これにより、第2バルブ24は閉鎖され、第1、第3、第4バルブ16、46、50は開放された状態となる。   If activation of the fuel cell system is detected in step S102, the first to fourth valves are set to satisfy the opening / closing conditions at the time of replacement (step S104). That is, the control device 52 controls the first to fourth valves according to opening / closing conditions stored at the time of replacement. As a result, the second valve 24 is closed, and the first, third, and fourth valves 16, 46, and 50 are opened.

次に、燃料ガスの供給を行う(ステップS106)。供給された燃料ガスにより、燃料ガス流路に溜まった滞留ガスは押し出されて、燃料ガスの流れと共に、排出用マニホールド20に流れ出る。流出した滞留ガスは、連結管44、滞留ガス排出用貫通孔28、排出配管48を通り、排出配管26から排出される。   Next, fuel gas is supplied (step S106). The supplied fuel gas pushes out the accumulated gas accumulated in the fuel gas flow path and flows out to the discharge manifold 20 together with the flow of the fuel gas. The stagnant gas that has flowed out passes through the connecting pipe 44, the stagnant gas discharge through hole 28, and the discharge pipe 48 and is discharged from the discharge pipe 26.

次に、燃料ガスの供給開始後、置換所要時間が検出したか否かを判断する(ステップS108)。制御装置52は、燃料ガスの供給開始からの経過時間が、予め記憶した置換所要時間以上であるか否かを判断する。これにより、各セル4の燃料ガス流路の置換が完了したか否かが判断される。ステップS108において、置換所要時間が経過していないものと判断された場合には、燃料ガスの置換を継続する(ステップS106)。   Next, it is determined whether or not a required replacement time has been detected after the start of fuel gas supply (step S108). The control device 52 determines whether or not the elapsed time from the start of fuel gas supply is equal to or longer than the replacement required time stored in advance. Thereby, it is determined whether or not the replacement of the fuel gas flow path of each cell 4 is completed. If it is determined in step S108 that the required replacement time has not elapsed, the replacement of the fuel gas is continued (step S106).

一方、ステップS108において、置換所要時間が経過したと判断された場合、第1〜第4バルブを、発電時の開閉条件に設定する(ステップS110)。即ち、制御装置52は、予め記憶された発電時の開閉条件に第1〜第4バルブを制御する。これにより、第1バルブ16は、開放したまま、第2バルブ24は開放され、第3、第4バルブ46、50は閉鎖される。   On the other hand, if it is determined in step S108 that the required replacement time has elapsed, the first to fourth valves are set to open / close conditions during power generation (step S110). That is, the control device 52 controls the first to fourth valves according to opening / closing conditions at the time of power generation stored in advance. As a result, the second valve 24 is opened while the first valve 16 is open, and the third and fourth valves 46 and 50 are closed.

次に、燃料電池システムの発電が開始される(ステップS112)。このとき、燃料ガスは、供給用マニホールド18から、各セル4の燃料ガス流路に供給され、排出用マニホールド20から、排出配管22を介して排出される。また、燃料ガスの供給により、アノード側とカソード側で、水素イオンと酸素との反応が起きると共に、電子が分離して電力が発生する。この電力は電力取り出し端子10a、10bから回収される。   Next, power generation of the fuel cell system is started (step S112). At this time, the fuel gas is supplied from the supply manifold 18 to the fuel gas flow path of each cell 4 and discharged from the discharge manifold 20 via the discharge pipe 22. In addition, the supply of fuel gas causes a reaction between hydrogen ions and oxygen on the anode side and the cathode side, and electrons are separated to generate electric power. This electric power is recovered from the power extraction terminals 10a and 10b.

以上のように、実施の形態1の燃料電池システムにおいては、起動前の置換の際には、第2エンドプレート8側から燃料ガスを供給し、第1エンドプレート6側に排出するように燃料ガスの通路を設定することができる。したがって、燃料ガス流路に溜まった不要な滞留ガスを、効率よく排出することができる。一方、発電時には、燃料ガスが第2エンドプレート8側から供給および排出されるように、燃料ガスの通路を変更することができる。したがって、発電時においては、効率よく燃料ガスを供給して燃料電池システムの発電効率を高く維持することができる。   As described above, in the fuel cell system according to Embodiment 1, the fuel gas is supplied from the second end plate 8 side and discharged to the first end plate 6 side at the time of replacement before startup. Gas passages can be set. Therefore, unnecessary staying gas accumulated in the fuel gas passage can be efficiently discharged. On the other hand, during power generation, the fuel gas passage can be changed so that the fuel gas is supplied and discharged from the second end plate 8 side. Therefore, at the time of power generation, the fuel gas can be efficiently supplied and the power generation efficiency of the fuel cell system can be kept high.

なお、実施の形態1においては、排出配管22と排出配管48とが、第2バルブ24の下流で接続して、排出配管26に合流する構造について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、例えば、各スタック2a、2bの排出配管48を、排出配管22とは独立して、他の排出配管を設けて集合させたものであってもよい。   In the first embodiment, the structure in which the discharge pipe 22 and the discharge pipe 48 are connected downstream of the second valve 24 and merge with the discharge pipe 26 has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, the discharge pipes 48 of the respective stacks 2a and 2b may be aggregated by providing other discharge pipes independently of the discharge pipe 22. .

また、実施の形態1においては、排出用マニホールド20と滞留ガス排出用貫通孔28とが、スタック2a、2bの外部に設けられた連結管44により接続されている場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、排出用マニホールド20と滞留ガス排出用貫通孔28が、スタック2a、2bの内部において、例えば、第1エンドプレート6内で接続しているものであってもよい。但し、この場合にも、排出用マニホールド20と滞留ガス排出用貫通孔28との間を開閉する第3のバルブ46に相当する手段は必要である。   In the first embodiment, the case where the discharge manifold 20 and the staying gas discharge through hole 28 are connected by the connecting pipe 44 provided outside the stacks 2a and 2b has been described. However, the present invention is not limited to this, and the discharge manifold 20 and the staying gas discharge through hole 28 are connected inside the stacks 2a and 2b, for example, in the first end plate 6. May be. In this case, however, means corresponding to the third valve 46 for opening and closing between the discharge manifold 20 and the staying gas discharge through hole 28 is necessary.

実施の形態2.
[実施の形態2の燃料電池システムについて]
図6は、この発明の実施の形態2の水素濃度センサを表す模式図である。
実施の形態2における燃料電池システムは、図6に示す水素濃度センサが設けられている点を除き、図1に示す燃料電池システムと同様のものである。
Embodiment 2.
[Fuel Cell System of Embodiment 2]
FIG. 6 is a schematic diagram showing a hydrogen concentration sensor according to Embodiment 2 of the present invention.
The fuel cell system in Embodiment 2 is the same as the fuel cell system shown in FIG. 1 except that the hydrogen concentration sensor shown in FIG. 6 is provided.

図6に示す水素濃度センサは、連結管44に設置されている。水素濃度センサは、絶縁体62で絶縁された容器60内を備える。容器60は、連結管44の一部に設けられた穴部に、絶縁体62により絶縁されて、配置されている。また容器60の、連結管44との接続面は、電解質膜64により閉じられている。容器60と電解質膜64とにより形成される空間内には、純水素66が充填されている。容器60内には、第1触媒68が配置されている。第1触媒68は一面において純水素66に接し、この面とは反対側の面において、電解質膜64に接している。また電解質膜64の連結管44側には、第2触媒70が設けられている。第2触媒70は、連結管44内に露出し、連結管44内を流れるガスに晒されている。また、第1触媒68と第2触媒70とには、電圧計72が接続され、第1触媒68と第2触媒70との間の電圧を測定することができる。また、電圧計72には制御装置52が接続されている。   The hydrogen concentration sensor shown in FIG. 6 is installed in the connecting pipe 44. The hydrogen concentration sensor includes the inside of a container 60 insulated by an insulator 62. The container 60 is disposed in a hole provided in a part of the connecting pipe 44 by being insulated by an insulator 62. Further, the connection surface of the container 60 with the connecting pipe 44 is closed by an electrolyte membrane 64. The space formed by the container 60 and the electrolyte membrane 64 is filled with pure hydrogen 66. A first catalyst 68 is disposed in the container 60. The first catalyst 68 is in contact with the pure hydrogen 66 on one surface, and is in contact with the electrolyte membrane 64 on the surface opposite to this surface. A second catalyst 70 is provided on the side of the connecting pipe 44 of the electrolyte membrane 64. The second catalyst 70 is exposed in the connecting pipe 44 and is exposed to the gas flowing in the connecting pipe 44. In addition, a voltmeter 72 is connected to the first catalyst 68 and the second catalyst 70, and the voltage between the first catalyst 68 and the second catalyst 70 can be measured. A control device 52 is connected to the voltmeter 72.

この水素濃度センサは、容器60内の純水素66と、連結管44を流れるガス中の水素との濃度差に応じて、第1、第2触媒68、70間に発生する起電力を、電圧計72により測定する。制御装置52は、測定された電圧に応じて、連結管44内のガスの水素濃度を出力することができる。   This hydrogen concentration sensor generates an electromotive force generated between the first and second catalysts 68 and 70 in accordance with the concentration difference between pure hydrogen 66 in the container 60 and hydrogen in the gas flowing through the connecting pipe 44. Measured with a total of 72. The control device 52 can output the hydrogen concentration of the gas in the connection pipe 44 according to the measured voltage.

連結管44に排出される滞留ガス中の水素濃度は、セル4の燃料ガス流路の水素による置換が進むに連れて、高くなる。制御装置52は、燃料ガス流路の置換が完了した場合に出力される水素濃度を、置換完了水素濃度として記憶する。   The hydrogen concentration in the staying gas discharged to the connection pipe 44 increases as the replacement of the fuel gas flow path of the cell 4 with hydrogen proceeds. The control device 52 stores the hydrogen concentration output when the replacement of the fuel gas flow path is completed as the replacement completed hydrogen concentration.

[実施の形態2の制御について]
図7は、実施の形態2の燃料電池システムにおいて制御装置52が実行する制御のルーチンを説明するためのフロー図である。
図7に示すルーチンは、図5に示すルーチンのステップS108に代えて、ステップS202を行う点を除き、図5に示すルーチンと同様である。
[Control of Embodiment 2]
FIG. 7 is a flowchart for illustrating a control routine executed by control device 52 in the fuel cell system of the second embodiment.
The routine shown in FIG. 7 is the same as the routine shown in FIG. 5 except that step S202 is performed instead of step S108 of the routine shown in FIG.

具体的に、ステップS106において燃料ガスの供給開始した後、ステップS202において、連結管44を流れるガスの水素濃度が、置換完了水素濃度より大きいか否かを判断する。即ち、水素ガスによる燃料ガス流路の置換が完了したか否が、水素濃度を基準として判断される。   Specifically, after the supply of fuel gas is started in step S106, it is determined in step S202 whether or not the hydrogen concentration of the gas flowing through the connecting pipe 44 is greater than the replacement completion hydrogen concentration. That is, it is determined based on the hydrogen concentration whether or not the replacement of the fuel gas flow path with the hydrogen gas is completed.

水素濃度が置換完了水素濃度より大きいと判断された場合には、実施の形態1において説明したように、ステップS110の実行に移る。一方、水素濃度が置換完了水素濃度よりも小さいと判断された場合には、引き続き燃料ガスの供給を行う(ステップS106)。   If it is determined that the hydrogen concentration is higher than the substitution completion hydrogen concentration, the process proceeds to step S110 as described in the first embodiment. On the other hand, when it is determined that the hydrogen concentration is lower than the replacement completion hydrogen concentration, the fuel gas is continuously supplied (step S106).

以上のように、実施の形態2においては、実施の形態1に加えて、連結管44の水素濃度を測定することにより、燃料ガスの置換完了を判断することができる。したがって、一定時間の置換を行う実施の形態1のような場合に比べて、確実に置換を行うことができると共に、燃料ガスの無駄な消費を抑えることができる。   As described above, in the second embodiment, in addition to the first embodiment, the completion of the replacement of the fuel gas can be determined by measuring the hydrogen concentration in the connecting pipe 44. Therefore, as compared with the case of the first embodiment in which replacement is performed for a certain period of time, replacement can be surely performed and wasteful consumption of fuel gas can be suppressed.

[実施の形態2の他の例]
図8は、実施の形態2における燃料電池システムの他の例を表す。
図8は、水素濃度センサに代えて、連結管44にNセンサ74を用いた点を除き、実施の形態2に説明したものと同様である。
[Another example of the second embodiment]
FIG. 8 shows another example of the fuel cell system in the second embodiment.
FIG. 8 is the same as that described in the second embodiment except that an N 2 sensor 74 is used for the connecting pipe 44 instead of the hydrogen concentration sensor.

燃料電池システムの起動時、燃料ガス流路にはNが滞留している。したがって、燃料ガス流路の置換が未完了の状態においては、排出されるガスには、Nが混入され、置換が終了すると、排出ガスにはNがほとんど混入されなくなる。したがって、Nセンサ74を用いても、置換の終了を検出することができる。この場合、制御装置52は、置換終了となるN濃度を、置換完了N濃度として記憶し、ステップS202において、N濃度が置換完了N濃度にまで低下しているか否かを判断する。このように、連結管44中に、Nセンサ74を設けて、N濃度を測定することによっても、置換の完了を検出することができる。 At the start of the fuel cell system, N 2 stays in the fuel gas flow path. Therefore, in a state where the replacement of the fuel gas channel is not completed, N 2 is mixed in the exhausted gas, and when the replacement is completed, N 2 is hardly mixed in the exhaust gas. Therefore, even when the N 2 sensor 74 is used, the end of the replacement can be detected. In this case, the control unit 52, the N 2 concentration to be replaced ends, and stored as substituted completed N 2 concentration, in step S202, N 2 concentration is determined whether or not reduced to complete N 2 concentration substituted . As described above, the completion of the replacement can also be detected by providing the N 2 sensor 74 in the connecting pipe 44 and measuring the N 2 concentration.

また、図8においては、水素濃度センサに代えて、Nセンサ74を用いる場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、例えば、上記したような濃淡電池法の水素濃度センサに代えて、触媒型の水素濃度センサを用いてもよい。また、同様に、この発明は、例えば、Nセンサに代えて、COセンサを用いることもできる。ガス流路の置換中、滞留ガスにはCOが混入するが、置換が終了すると、COは、ほとんど混入されなくなる。したがって、COセンサを用いても、置換の終了を検出することができる。 In FIG. 8, the case where the N 2 sensor 74 is used instead of the hydrogen concentration sensor has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, instead of the hydrogen concentration sensor of the concentration cell method as described above, a catalyst type hydrogen concentration sensor may be used. Similarly, in the present invention, for example, a CO 2 sensor can be used instead of the N 2 sensor. During replacement of the gas flow path, CO 2 is mixed into the staying gas, but when the replacement is completed, CO 2 is hardly mixed. Therefore, the end of replacement can be detected even using a CO 2 sensor.

また、例えば、この発明は、セルモニターを用いて、セル電圧が立ち上がったか否かでガスの置換完了を判断するものであってもよい。但し、セルモニター近くでガスの置換されると、検出される電位があがってしまう場合がある。その結果、セル全体の置換が終わっていないにも関わらず、誤判定がなされる場合がある。したがって、置換判定の確実さ、容易さを考慮すると、上記のように、ガス濃度センサを用いる方法は有効である。   Further, for example, the present invention may use a cell monitor to determine the completion of gas replacement based on whether or not the cell voltage has risen. However, if the gas is replaced near the cell monitor, the detected potential may increase. As a result, an erroneous determination may be made even though replacement of the entire cell has not been completed. Therefore, considering the certainty and ease of replacement determination, the method using the gas concentration sensor is effective as described above.

また、この発明は、実施の形態1、2の燃料電池システムの制御に加えて、供給配管12に接続する不活性ガス供給手段を設けて、燃料電池システムの停止中に、供給配管12から窒素等の不活性ガスを供給し、燃料ガス流路を不活性ガスにより置換する制御を行うものであってもよい。これにより、停止中に燃料ガス流路内で、不要な反応が起きるのを抑えることができる。また、このとき、各バルブを上記置換時の開閉条件に制御して、不活性ガスを供給してもよい。これにより、第1エンドプレート6側付近のセル4の燃料ガス流路まで、効率よく置換することができる。また、このように、停止中に燃料ガス流路内に不活性ガスを充填しても、この発明の燃料電池システムによれば、起動時には、燃料ガスにより効率よく置換することができる。   In addition to the control of the fuel cell system according to the first and second embodiments, the present invention is provided with an inert gas supply means connected to the supply pipe 12 so that the nitrogen can be supplied from the supply pipe 12 while the fuel cell system is stopped. For example, an inert gas such as an inert gas may be supplied to replace the fuel gas flow path with an inert gas. Thereby, it is possible to suppress an unnecessary reaction from occurring in the fuel gas flow channel during the stop. At this time, the inert gas may be supplied by controlling each valve to the opening and closing conditions at the time of replacement. Thereby, it can replace efficiently to the fuel gas flow path of the cell 4 near the 1st end plate 6 side. Further, even when the fuel gas flow path is filled with the inert gas during the stop as described above, according to the fuel cell system of the present invention, the fuel gas can be efficiently replaced by the fuel gas at the time of startup.

また、不活性ガスに代えて、供給配管12に、空気または酸化剤ガスを供給する酸化剤供給手段を設けて、同様の方法で、燃料電池システムの停止中に、空気または酸化剤ガスを供給して、燃料ガス流路を置換するものであってもよい。このように、空気または酸化剤ガスを用いても、停止中における燃料ガス流路内での不要な反応を抑えることができる。   Further, instead of the inert gas, the supply pipe 12 is provided with an oxidant supply means for supplying air or oxidant gas, and the air or oxidant gas is supplied in a similar manner while the fuel cell system is stopped. Then, the fuel gas flow path may be replaced. As described above, even when air or oxidant gas is used, unnecessary reaction in the fuel gas flow channel during stoppage can be suppressed.

以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に限定されるものではない。また、実施の形態において説明する構造や、方法におけるステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。   In the above embodiment, when referring to the number of each element, quantity, quantity, range, etc., unless otherwise specified or clearly specified in principle, the number referred to It is not limited. Further, the structures described in the embodiments, steps in the method, and the like are not necessarily essential to the present invention unless otherwise specified or clearly specified in principle.

なお、例えば、実施の形態1、2において、第1エンドプレート6、第2エンドプレート8は、それぞれ、この発明の「対向面」、「等電位面」に該当し、排出配管22、排出配管48は、それぞれ、「第1排出配管」、「第2排出配管」に該当し、第2バルブ24、第3バルブ46、第4バルブ50は、それぞれ、「排出部開閉手段」、「連結管開閉手段」、「滞留ガス用開閉手段」に該当する。また、例えば、実施の形態1において、制御装置52により、供給時間を検出することにより、この発明の「供給時間検出手段」が実現される。また例えば、実施の形態2の窒素濃度センサ、Nセンサ74、COセンサは、この発明の「ガス濃度センサ」に該当する。 For example, in the first and second embodiments, the first end plate 6 and the second end plate 8 correspond to the “opposing surface” and “equipotential surface” of the present invention, respectively, and the discharge pipe 22 and the discharge pipe. 48 correspond to “first discharge pipe” and “second discharge pipe”, respectively, and the second valve 24, the third valve 46, and the fourth valve 50 are “discharge section opening / closing means” and “connecting pipe”, respectively. It corresponds to “opening / closing means” and “opening / closing means for staying gas”. Further, for example, in the first embodiment, the “supply time detecting means” of the present invention is realized by detecting the supply time by the control device 52. Further, for example, the nitrogen concentration sensor, the N 2 sensor 74, and the CO 2 sensor according to the second embodiment correspond to the “gas concentration sensor” of the present invention.

また、例えば、実施の形態1、2において、ステップS104、S110を実行することにより、この発明の「制御手段」が実現され、ステップS108あるいはステップS202を実行することにより、この発明の「置換完了検知手段」及び「比較手段」が実現される。   Further, for example, in the first and second embodiments, by executing steps S104 and S110, the “control means” of the present invention is realized, and by executing step S108 or step S202, the “replacement completion” of the present invention is achieved. "Detection means" and "comparison means" are realized.

この発明の実施の形態1における燃料電池システムについて説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the fuel cell system in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における燃料電池システムのセルについて説明するための正面図である。It is a front view for demonstrating the cell of the fuel cell system in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における燃料電池システムの発電時の状態について説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the state at the time of the electric power generation of the fuel cell system in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における燃料電池システムの置換時の状態について説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the state at the time of replacement | exchange of the fuel cell system in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における燃料電池システムが実行する制御のルーチンについて説明するためのフロー図である。It is a flowchart for demonstrating the routine of control which the fuel cell system in Embodiment 1 of this invention performs. この発明の実施の形態2における燃料電池システムについて説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the fuel cell system in Embodiment 2 of this invention. この発明の実施の形態2における燃料電池システムが実行する制御のルーチンについて説明するためのフロー図である。It is a flowchart for demonstrating the routine of control which the fuel cell system in Embodiment 2 of this invention performs. この発明の実施の形態2における燃料電池システムの他の例について説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the other example of the fuel cell system in Embodiment 2 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

2a、2b スタック
4 セル
6 第1エンドプレート
8 第2エンドプレート
10a、10b 端子
12、14 供給配管
16 第1バルブ
18 供給用マニホールド
20 排出用マニホールド
22 排出配管
24 第2バルブ
26 排出配管
28 滞留ガス排出用貫通孔
30 アノード入口
32 アノード出口
34 滞留ガス排出孔
36 カソード入口
38 カソード出口
40 冷却媒体入口
42 冷却媒体出口
44 連結管
46 第3バルブ
48 排出配管
50 第4バルブ
52 制御装置
60 容器
62 絶縁体
64 電解質膜
66 純水素
68 第1触媒
70 第2触媒
72 電圧計
74 Nセンサ
2a, 2b Stack 4 cell 6 1st end plate 8 2nd end plate 10a, 10b Terminals 12, 14 Supply piping 16 First valve 18 Supply manifold 20 Discharge manifold 22 Discharge piping 24 Second valve 26 Discharge piping 28 Residual gas Through hole 30 for discharge 30 Anode inlet 32 Anode outlet 34 Remaining gas discharge hole 36 Cathode inlet 38 Cathode outlet 40 Cooling medium inlet 42 Cooling medium outlet 44 Connecting pipe 46 Third valve 48 Discharge pipe 50 Fourth valve 52 Controller 60 Container 62 Insulation Body 64 Electrolyte membrane 66 Pure hydrogen 68 First catalyst 70 Second catalyst 72 Voltmeter 74 N 2 sensor

Claims (11)

単電池を複数積層してなる、直列に接続された2つのスタックを備える燃料電池システムにおいて、
前記各スタックは、
前記単電池の積層方向の両端面のうち、前記スタック間で互いに等電位となる等電位面から、前記等電位面とは反対側の端面である対向面まで、前記スタックを貫通し、かつ、前記単電池の各ガス流路に接続する供給用マニホールドと、
前記等電位面から前記対向面まで前記スタックを貫通し、かつ、前記各ガス流路に接続する排出用マニホールドと、
前記排出用マニホールドの前記等電位面側の出口に接続し、前記排出用マニホールドから排出されるガスを、前記スタック外に排出する第1排出配管と、
前記第1排出配管を開閉する排出部開閉手段と、
前記等電位面から前記対向面まで前記スタックを貫通する滞留ガス排出用貫通孔と、
前記対向面側において、前記排出用マニホールドと前記滞留ガス排出用貫通孔とを連結する連結管と、
前記連結管を開閉する連結管開閉手段と、
前記等電位面側において、前記滞留ガス排出用貫通孔と接続し、前記滞留ガス排出用貫通孔から排出されるガスを、前記スタック外に排出する第2排出配管と、
を備え、
前記各スタックの前記第1排出配管は、前記スタック外において互いに合流し、
前記各スタックの前記第2排出配管は、前記スタック外において互いに合流することを特徴とする燃料電池システム。
In a fuel cell system comprising two stacks connected in series, wherein a plurality of unit cells are stacked,
Each stack is
Of the both end faces of the unit cell in the stacking direction, through the stack from the equipotential surface that is equipotential between the stacks, to the facing surface that is the end face opposite to the equipotential face, and A supply manifold connected to each gas flow path of the unit cell;
A discharge manifold that passes through the stack from the equipotential surface to the opposing surface and is connected to each gas flow path;
A first exhaust pipe connected to an outlet on the equipotential surface side of the exhaust manifold and exhausting the gas exhausted from the exhaust manifold out of the stack;
Discharge part opening and closing means for opening and closing the first discharge pipe;
A stagnant gas discharge through-hole penetrating the stack from the equipotential surface to the opposing surface;
A connecting pipe connecting the exhaust manifold and the staying gas discharge through-hole on the opposite surface side;
Connecting pipe opening and closing means for opening and closing the connecting pipe;
On the equipotential surface side, connected to the through hole for staying gas discharge, and a second discharge pipe for discharging the gas discharged from the through hole for staying gas discharge out of the stack;
With
The first discharge pipes of the stacks merge with each other outside the stack,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the second discharge pipes of the stacks merge with each other outside the stack.
前記供給用マニホールドの前記等電位面側の入口から、ガスを供給する供給手段と、
前記燃料電池システムの起動時に、前記排出部開閉手段を閉じて、前記連結管開閉手段を開いた、第1開閉状態とし、前記燃料電池システムの発電時に、前記排出部開閉手段を開いて、前記連結管開閉手段を閉じた、第2開閉状態とするように制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
Supply means for supplying gas from an inlet on the equipotential surface side of the supply manifold;
When the fuel cell system is started, the discharge part opening / closing means is closed and the connecting pipe opening / closing means is opened to be in a first open / close state, and when the fuel cell system is generating power, the discharge part opening / closing means is opened, Control means for controlling the pipe opening / closing means to be in a second open / closed state,
The fuel cell system according to claim 1, comprising:
前記ガス流路の滞留ガスを、前記供給手段からの供給ガスに置換したことを検知する置換完了検知手段を備え、
前記制御手段は、前記ガス置換完了が検知された場合に、前記第2開閉状態とすることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。
A replacement completion detecting means for detecting that the staying gas in the gas flow path is replaced with the supply gas from the supply means;
3. The fuel cell system according to claim 2, wherein when the gas replacement completion is detected, the control unit sets the second open / close state. 4.
前記置換完了検知手段は、前記ガス流路を前記供給ガスに置換するための供給ガスの供給時間を検出する供給時間検出手段と、
前記供給時間が、前記ガス流路内を置換するのに十分な置換所要時間以上であるか否かを比較する比較手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記供給時間が、前記置換所要時間以上である場合に、前記第2開閉状態とすることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。
The replacement completion detecting means is a supply time detecting means for detecting a supply time of a supply gas for replacing the gas flow path with the supply gas;
A comparison means for comparing whether or not the supply time is equal to or longer than a required replacement time sufficient to replace the gas flow path;
With
4. The fuel cell system according to claim 3, wherein the control unit sets the second open / close state when the supply time is equal to or longer than the time required for replacement.
前記置換完了検知手段は、前記連結管に設けられたガス濃度センサと、
前記ガス濃度センサの出力と、前記ガス流路内が前記供給ガスに置換された場合に出力される判断値とを比較する比較手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記比較の結果から、前記ガス流路内が前記供給ガスに置換されたと判断された場合に、前記第2開閉状態とすることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。
The replacement completion detection means includes a gas concentration sensor provided in the connection pipe,
Comparison means for comparing the output of the gas concentration sensor with a judgment value output when the gas flow path is replaced with the supply gas;
With
4. The fuel cell according to claim 3, wherein the control means sets the second open / close state when it is determined from the result of the comparison that the inside of the gas flow path is replaced with the supply gas. 5. system.
前記第2排出配管は、前記排出部開閉手段よりも前記ガスの流れに対して下流側において、前記第1排出配管と接続することを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の燃料電池システム。   6. The fuel according to claim 1, wherein the second discharge pipe is connected to the first discharge pipe on a downstream side of the gas flow with respect to the discharge portion opening / closing means. Battery system. 前記第2排出配管の、前記第1排出配管と前記第2排出配管との接続部よりも前記ガスの流れに対して上流側に、前記第2排出配管を開閉する滞留ガス用開閉手段を備えることを特徴とする請求項6に記載の燃料電池システム。   Residual gas opening / closing means for opening and closing the second discharge pipe is provided upstream of the connection of the first discharge pipe and the second discharge pipe of the second discharge pipe with respect to the gas flow. The fuel cell system according to claim 6. 前記連結管は、前記スタック外部に設けられ、
前記対向面において、前記滞留ガス排出用貫通孔と前記排出用マニホールドとに接続することを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の燃料電池システム。
The connecting pipe is provided outside the stack,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7, wherein the opposed surface is connected to the staying gas discharge through hole and the discharge manifold.
前記供給用マニホールド及び排出用マニホールドは、前記燃料電池のアノード側のマニホールドであることを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の燃料電池システム。   9. The fuel cell system according to claim 1, wherein the supply manifold and the discharge manifold are manifolds on an anode side of the fuel cell. 前記供給用マニホールドの前記等電位面側の入口から、酸化剤ガス又は前記空気を供給する酸化剤供給手段を備え、
前記燃料電池システムの停止中に、前記ガス流路を、前記酸化剤ガスまたは前記空気で置換することを特徴とする請求項9に記載の燃料電池システム。
An oxidant supply means for supplying an oxidant gas or the air from an inlet on the equipotential surface side of the supply manifold;
The fuel cell system according to claim 9, wherein the gas flow path is replaced with the oxidant gas or the air while the fuel cell system is stopped.
前記燃料電池システムは、前記供給用マニホールドの前記等電位面側の入口から不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段を備え、
前記燃料電池システムの停止中に、前記ガス流路を、前記不活性ガスで置換することを特徴とする請求項1から9のいずれかに記載の燃料電池システム。
The fuel cell system includes an inert gas supply means for supplying an inert gas from an inlet on the equipotential surface side of the supply manifold,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 9, wherein the gas flow path is replaced with the inert gas while the fuel cell system is stopped.
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