JP2009301751A - Starting method of fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent deterioration of an electrode catalyst as much as possible and maintain power generation performance excellently by a simple process. <P>SOLUTION: The starting method of a fuel cell system 10 includes a process in which hydrogen gas is supplied by replacing air simultaneously in an oxidant gas passage 32 and a fuel gas passage 34 of a fuel cell stack 12 where the air is filled up while the system is shutdown, a process in which the air is supplied to the oxidant gas passage 32 after the supply of the hydrogen gas to the oxidant gas passage 32 is shutdown, and a process in which a load 66 is connected with the fuel cell stack 12 to start power generation by the fuel cell stack 12. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路及びアノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路を有し、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備え、前記酸化剤ガス流路及び前記燃料ガス流路が前記酸化剤ガスで満たされた状態で運転停止される燃料電池システムの起動方法に関する。   The present invention has an oxidant gas flow path for supplying an oxidant gas to the cathode side electrode and a fuel gas flow path for supplying a fuel gas to the anode side electrode, and an electrochemical reaction between the oxidant gas and the fuel gas. The present invention relates to a starting method of a fuel cell system that includes a fuel cell that generates electric power, and is shut down in a state where the oxidant gas channel and the fuel gas channel are filled with the oxidant gas.

燃料電池は、燃料ガス(主に水素を含有するガス)及び酸化剤ガス(主に酸素を含有するガス)をアノード側電極及びカソード側電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。   A fuel cell supplies a fuel gas (mainly hydrogen-containing gas) and an oxidant gas (mainly oxygen-containing gas) to the anode-side electrode and the cathode-side electrode and causes them to react electrochemically. It is a system that obtains electrical energy.

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の発電セルは、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ交互に積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。   For example, a polymer electrolyte fuel cell includes a power generation cell in which an electrolyte membrane / electrode structure provided with an anode side electrode and a cathode side electrode is sandwiched between separators on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane. ing. This type of power generation cell is normally used as a fuel cell stack by alternately laminating a predetermined number of electrolyte membrane / electrode structures and separators.

この種の燃料電池では、発電(運転)が停止されると、前記燃料電池への燃料ガス及び酸化剤ガスの供給が停止されるものの、アノード側電極に前記燃料ガスが残存する一方、カソード側電極に前記酸化剤ガスが残存している。このため、燃料電池の停止中に、カソード側が高電位に保持されてしまい、電極触媒層が劣化するという問題がある。   In this type of fuel cell, when power generation (operation) is stopped, supply of fuel gas and oxidant gas to the fuel cell is stopped, but the fuel gas remains on the anode side electrode, while the cathode side The oxidant gas remains on the electrode. For this reason, there is a problem that the cathode side is held at a high potential while the fuel cell is stopped, and the electrode catalyst layer is deteriorated.

そこで、例えば、特許文献1に開示されているように、燃料電池スタックの運転停止時において、冷却媒体の温度が設定温度以下まで低下した後に、アノード側供給ライン及びカソード側供給ラインを空気によりパージする燃料電池システムが知られている。   Therefore, for example, as disclosed in Patent Document 1, when the fuel cell stack is stopped, the anode-side supply line and the cathode-side supply line are purged with air after the temperature of the cooling medium has dropped to a set temperature or lower. Fuel cell systems are known.

米国特許第7,270,904号明細書US Pat. No. 7,270,904

しかしながら、上記の特許文献1では、カソード側電極及びアノード側電極に空気が存在している状態で、燃料電池を起動させると、前記アノード側電極に燃料ガスと前記空気とが混在してしまう。このため、特にカソード側電極が高電位になり易く、アノード側電極よりも高活性な触媒が使用される前記カソード側電極では、電極触媒が劣化(損傷)するおそれがある。これにより、燃料電池の発電性能の低下が惹起されるという問題がある。   However, in Patent Document 1 described above, when the fuel cell is started in a state where air is present in the cathode side electrode and the anode side electrode, fuel gas and air are mixed in the anode side electrode. For this reason, in particular, the cathode catalyst is likely to be at a high potential, and the electrode catalyst may be deteriorated (damaged) in the cathode electrode in which a catalyst having a higher activity than the anode electrode is used. As a result, there is a problem in that the power generation performance of the fuel cell is reduced.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な工程で、電極触媒の劣化を可及的に阻止し、発電性能を良好に維持することが可能な燃料電池システムの起動方法を提供することを目的とする。   The present invention solves this type of problem, and provides a method for starting a fuel cell system capable of preventing deterioration of an electrode catalyst as much as possible and maintaining good power generation performance with a simple process. The purpose is to do.

本発明は、カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路及びアノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路を有し、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備え、前記酸化剤ガス流路及び前記燃料ガス流路が前記酸化剤ガスで満たされた状態で運転停止される燃料電池システムの起動方法に関するものである。   The present invention has an oxidant gas flow path for supplying an oxidant gas to the cathode side electrode and a fuel gas flow path for supplying a fuel gas to the anode side electrode, and an electrochemical reaction between the oxidant gas and the fuel gas. The present invention relates to a method of starting a fuel cell system that includes a fuel cell that generates electric power, and that is shut down in a state where the oxidant gas passage and the fuel gas passage are filled with the oxidant gas.

この起動方法は、酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路に、燃料ガスを同時に供給する工程と、前記記酸化剤ガス流路への前記燃料ガスの供給を停止した後、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する工程と、燃料電池に負荷を接続して前記燃料電池による発電を開始する工程とを有している。   This starting method includes a step of simultaneously supplying fuel gas to the oxidant gas flow path and the fuel gas flow path, and after stopping the supply of the fuel gas to the oxidant gas flow path, the oxidant gas flow A step of supplying an oxidant gas to the road, and a step of connecting a load to the fuel cell and starting power generation by the fuel cell.

また、この起動方法は、酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路に燃料ガスを同時に供給する際、酸化剤ガスと前記燃料ガスとの界面の移動速度を同一にする工程を有することが好ましい。   The starting method preferably includes a step of making the moving speeds of the interfaces between the oxidant gas and the fuel gas the same when simultaneously supplying the fuel gas to the oxidant gas channel and the fuel gas channel.

さらに、この起動方法は、酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路に、燃料ガスを同時に供給する際、前記酸化剤ガス流路の上流側から分岐するバイパス流路に供給される酸化剤ガスを介し、燃料電池から排出される前記燃料ガスを希釈する工程を有することが好ましい。   Further, in this activation method, when the fuel gas is simultaneously supplied to the oxidant gas flow channel and the fuel gas flow channel, the oxidant gas supplied to the bypass flow channel branched from the upstream side of the oxidant gas flow channel is supplied. And a step of diluting the fuel gas discharged from the fuel cell.

本発明では、酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路に、燃料ガスを同時に供給(パージ)することにより、前記酸化剤ガス流路及び前記燃料ガス流路に残存していた酸化剤ガスが前記燃料ガスに置換される。従って、燃料ガスによるパージを行わずに、酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する一方、燃料ガス流路に燃料ガスを供給する場合に比べ、部分的な電位の上昇を抑制することができ、電極触媒の劣化の抑制が図られる。   In the present invention, by simultaneously supplying (purging) the fuel gas to the oxidant gas flow path and the fuel gas flow path, the oxidant gas remaining in the oxidant gas flow path and the fuel gas flow path is Replaced with fuel gas. Therefore, while the oxidant gas is supplied to the oxidant gas flow path without purging with the fuel gas, it is possible to suppress a partial potential increase compared to the case where the fuel gas is supplied to the fuel gas flow path. It is possible to suppress deterioration of the electrode catalyst.

次いで、酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが供給される。このため、酸化剤ガス流路には、燃料ガスと酸化剤ガスとが混在し、アノード側電極に高電位が発生し易い。その際、アノード側電極は、カソード側電極に比べて活性を低く設定することが可能であるため、前記アノード側電極の電極触媒が劣化することを阻止することができる。これにより、簡単な工程で、電極触媒の劣化を可及的に阻止し、発電性能を良好に維持することが可能になる。   Next, an oxidant gas is supplied to the oxidant gas flow path. For this reason, fuel gas and oxidant gas are mixed in the oxidant gas flow path, and a high potential is likely to be generated in the anode side electrode. In that case, since the activity of the anode side electrode can be set lower than that of the cathode side electrode, it is possible to prevent the electrode catalyst of the anode side electrode from deteriorating. Thereby, it becomes possible to prevent deterioration of the electrode catalyst as much as possible and maintain good power generation performance with a simple process.

図1は、本発明の第1の実施形態に係る起動方法が適用される燃料電池システム10の概略構成図である。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system 10 to which a startup method according to the first embodiment of the present invention is applied.

燃料電池システム10は、燃料電池スタック12と、前記燃料電池スタック12に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置14と、前記燃料電池スタック12に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置16と、前記燃料電池システム10全体の制御を行うコントローラ18とを備える。   The fuel cell system 10 includes a fuel cell stack 12, an oxidant gas supply device 14 for supplying an oxidant gas to the fuel cell stack 12, a fuel gas supply device 16 for supplying a fuel gas to the fuel cell stack 12, And a controller 18 that controls the entire fuel cell system 10.

燃料電池スタック12は、複数の燃料電池20を積層して構成される。各燃料電池20は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜22をカソード側電極24とアノード側電極26とで挟持した電解質膜・電極構造体28を備え、前記電解質膜・電極構造体28を一対のセパレータ30a、30bで挟持する。   The fuel cell stack 12 is configured by stacking a plurality of fuel cells 20. Each fuel cell 20 includes, for example, an electrolyte membrane / electrode structure 28 in which a solid polymer electrolyte membrane 22 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water is sandwiched between a cathode side electrode 24 and an anode side electrode 26. The electrolyte membrane / electrode structure 28 is sandwiched between a pair of separators 30a and 30b.

カソード側電極24及びアノード側電極26は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層(図示せず)と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層(図示せず)とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜22の両面に形成される。   The cathode side electrode 24 and the anode side electrode 26 are uniformly coated on the surface of the gas diffusion layer with a gas diffusion layer (not shown) made of carbon paper or the like and porous carbon particles carrying a platinum alloy on the surface. An electrode catalyst layer (not shown). The electrode catalyst layers are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 22.

電解質膜・電極構造体28とセパレータ30aとの間には、カソード側電極24に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路32が形成されるとともに、前記電解質膜・電極構造体28とセパレータ30bとの間には、アノード側電極26に燃料ガスを供給する燃料ガス流路34が形成される。   Between the electrolyte membrane / electrode structure 28 and the separator 30a, an oxidant gas passage 32 for supplying an oxidant gas to the cathode side electrode 24 is formed, and the electrolyte membrane / electrode structure 28 and the separator 30b are formed. A fuel gas flow path 34 for supplying fuel gas to the anode side electrode 26 is formed between the two.

燃料電池スタック12の積層方向一端部には、空気(酸素含有ガス)等の酸化剤ガスを酸化剤ガス流路32に供給するための酸化剤ガス入口連通孔36aと、水素含有ガス等の燃料ガスを燃料ガス流路34に供給するための燃料ガス入口連通孔38aとが形成される。燃料電池スタック12の積層方向他端部には、酸化剤ガスを酸化剤ガス流路32から排出するための酸化剤ガス出口連通孔36bと、燃料ガスを燃料ガス流路34から排出するための燃料ガス出口連通孔38bとが形成される。なお、燃料電池スタック12内には、各燃料電池20間又は複数の燃料電池20毎に冷却媒体を流す冷却媒体流路(図示せず)が設けられる。   At one end of the fuel cell stack 12 in the stacking direction, an oxidant gas inlet communication hole 36a for supplying an oxidant gas such as air (oxygen-containing gas) to the oxidant gas flow path 32 and a fuel such as a hydrogen-containing gas. A fuel gas inlet communication hole 38 a for supplying gas to the fuel gas channel 34 is formed. At the other end in the stacking direction of the fuel cell stack 12, an oxidant gas outlet communication hole 36 b for discharging the oxidant gas from the oxidant gas channel 32 and a fuel gas for discharging from the fuel gas channel 34. A fuel gas outlet communication hole 38b is formed. In the fuel cell stack 12, a cooling medium flow path (not shown) is provided for flowing a cooling medium between the fuel cells 20 or for each of the plurality of fuel cells 20.

酸化剤ガス供給装置14は、大気からの空気を圧縮して供給するエアコンプレッサ40を備え、前記エアコンプレッサ40が空気供給流路42に配設される。空気供給流路42には、必要に応じてバルブ44が配設されるとともに、前記空気供給流路42は、燃料電池スタック12の酸化剤ガス入口連通孔36aに連通する。   The oxidant gas supply device 14 includes an air compressor 40 that compresses and supplies air from the atmosphere, and the air compressor 40 is disposed in the air supply flow path 42. The air supply channel 42 is provided with a valve 44 as necessary, and the air supply channel 42 communicates with the oxidant gas inlet communication hole 36 a of the fuel cell stack 12.

酸化剤ガス供給装置14は、酸化剤ガス出口連通孔36bに連通する空気排出流路46を備える。この空気排出流路46には、エアコンプレッサ40から空気供給流路42を通って燃料電池スタック12に供給される空気の圧力を調整するための開度調整可能なバルブ(背圧制御弁)48が設けられる。   The oxidant gas supply device 14 includes an air discharge channel 46 that communicates with the oxidant gas outlet communication hole 36b. The air discharge channel 46 includes a valve (back pressure control valve) 48 with an adjustable opening for adjusting the pressure of air supplied from the air compressor 40 through the air supply channel 42 to the fuel cell stack 12. Is provided.

燃料ガス供給装置16は、高圧水素(水素含有ガス)を貯留する水素タンク50を備え、この水素タンク50は、水素供給流路52を介して燃料電池スタック12の燃料ガス入口連通孔38aに連通する。この水素供給流路52には、バルブ54とエゼクタ56とが設けられる。水素供給流路52と空気供給流路42とは、連結流路58を介して連通可能であり、この連結流路58には、バルブ60が配設される。   The fuel gas supply device 16 includes a hydrogen tank 50 that stores high-pressure hydrogen (hydrogen-containing gas). The hydrogen tank 50 communicates with the fuel gas inlet communication hole 38 a of the fuel cell stack 12 via the hydrogen supply flow path 52. To do. The hydrogen supply channel 52 is provided with a valve 54 and an ejector 56. The hydrogen supply channel 52 and the air supply channel 42 can communicate with each other via a connection channel 58, and a valve 60 is disposed in the connection channel 58.

燃料ガス出口連通孔38bには、オフガス流路62が連通する。オフガス流路62には、水素循環路64が連通し、前記水素循環路64は、エゼクタ56に連通する。オフガス流路62には、燃料ガスを燃料ガス流路34に供給する際に開放されるパージ弁65が配設される。   The off gas passage 62 communicates with the fuel gas outlet communication hole 38b. A hydrogen circulation path 64 communicates with the off-gas flow path 62, and the hydrogen circulation path 64 communicates with the ejector 56. A purge valve 65 that is opened when the fuel gas is supplied to the fuel gas passage 34 is disposed in the off gas passage 62.

エゼクタ56は、水素タンク50から供給される水素ガスを、水素供給流路52を通って燃料電池スタック12に供給するとともに、燃料電池スタック12で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、水素循環路64から吸引して、再度、前記燃料電池スタック12に燃料ガスとして供給する。   The ejector 56 supplies the hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 50 to the fuel cell stack 12 through the hydrogen supply flow path 52, and exhaust gas containing unused hydrogen gas that has not been used in the fuel cell stack 12. Then, the gas is sucked from the hydrogen circulation path 64 and supplied again as fuel gas to the fuel cell stack 12.

燃料電池スタック12には、例えば、駆動モータ等の負荷66が、スイッチ68を介して電気的に切断及び接続可能に設けられる。   For example, a load 66 such as a drive motor is provided in the fuel cell stack 12 through a switch 68 so as to be electrically disconnected and connectable.

このように構成される燃料電池システム10の動作について、本発明の第1の実施形態に係る起動方法との関連で、図2に示すフローチャートに沿って以下に説明する。   The operation of the fuel cell system 10 configured as described above will be described below along the flowchart shown in FIG. 2 in relation to the activation method according to the first embodiment of the present invention.

燃料電池システム10の運転停止時には、後述するように、酸化剤ガス流路32及び燃料ガス流路34が、酸化剤ガス(以下、空気ともいう)により満たされている。   When the operation of the fuel cell system 10 is stopped, as will be described later, the oxidant gas passage 32 and the fuel gas passage 34 are filled with an oxidant gas (hereinafter also referred to as air).

そこで、コントローラ18に燃料電池システム10の起動信号が入力されると、図3に示すように、バルブ54、60が開放される一方、バルブ44が閉塞される。このため、水素タンク50から水素供給流路52に燃料ガス(以下、水素ガスともいう)が供給される。   Therefore, when the activation signal of the fuel cell system 10 is input to the controller 18, the valves 54 and 60 are opened and the valve 44 is closed as shown in FIG. Therefore, fuel gas (hereinafter also referred to as hydrogen gas) is supplied from the hydrogen tank 50 to the hydrogen supply flow path 52.

この水素ガスは、水素供給流路52を通って燃料電池スタック12の燃料ガス入口連通孔38aに供給される一方、連結流路58で分岐し、空気供給流路42を通って前記燃料電池スタック12の酸化剤ガス入口連通孔36aに供給される。従って、燃料電池スタック12内では、各燃料電池20の燃料ガス流路34及び酸化剤ガス流路32に水素が供給される(図2中、ステップS1)。   The hydrogen gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole 38a of the fuel cell stack 12 through the hydrogen supply flow path 52, and is branched at the connection flow path 58, and passes through the air supply flow path 42 to the fuel cell stack. 12 oxidant gas inlet communication holes 36a. Accordingly, in the fuel cell stack 12, hydrogen is supplied to the fuel gas channel 34 and the oxidant gas channel 32 of each fuel cell 20 (step S1 in FIG. 2).

その際、空気排出流路46に配置されているバルブ48の開度制御が行われる。図4に示すように、それぞれ空気が充填されている酸化剤ガス流路32及び燃料ガス流路34に水素ガスが供給されると、空気と水素ガスとの界面70a、70bが矢印A方向に移動する。このため、バルブ48の開度制御を行うことにより、酸化剤ガス流路32における水素ガス及び空気の界面70aと、燃料ガス流路34における空気及び水素ガスの界面70bとは、矢印A方向への移動速度が同一に設定される(ステップS2)。これにより、酸化剤ガス流路32と燃料ガス流路34とに、燃料ガスを同時に供給することができる。なお、バルブ48の開度制御に代えて、酸化剤ガス流路32に圧損部材(図示せず)を設けることにより、燃料ガスの供給を同時に行うことも可能である。   At that time, the opening degree control of the valve 48 arranged in the air discharge channel 46 is performed. As shown in FIG. 4, when hydrogen gas is supplied to the oxidant gas flow path 32 and the fuel gas flow path 34 filled with air, the interfaces 70a and 70b between the air and the hydrogen gas are directed in the direction of arrow A. Moving. Therefore, by controlling the opening degree of the valve 48, the hydrogen gas / air interface 70a in the oxidant gas flow channel 32 and the air / hydrogen gas interface 70b in the fuel gas flow channel 34 are directed in the direction of arrow A. Are set to the same speed (step S2). Thereby, fuel gas can be simultaneously supplied to the oxidant gas flow path 32 and the fuel gas flow path 34. Instead of controlling the opening degree of the valve 48, it is also possible to supply fuel gas at the same time by providing a pressure loss member (not shown) in the oxidant gas flow path 32.

次いで、ステップS3に進んで、酸化剤ガス流路32への水素ガスの供給が終了するか否かが判断される。ここで、例えば、燃料電池スタック12に所定量(予め設定されているスタック配管容積)の水素ガスが供給されたと判断された際、あるいは、前記水素ガスが所定の時間(上記容積を満たすのに必要な時間)だけ供給されたと判断された際、酸化剤ガス流路32への水素ガスの供給が終了したと判断し(ステップS3中、YES)、ステップS4に進んで、前記酸化剤ガス流路32への水素ガスの供給が停止される。具体的には、バルブ60を閉塞することにより、空気供給流路42と水素供給流路52とが遮断される。   Next, the process proceeds to step S3, where it is determined whether or not the supply of hydrogen gas to the oxidant gas flow path 32 is terminated. Here, for example, when it is determined that a predetermined amount (predetermined stack pipe volume) of hydrogen gas has been supplied to the fuel cell stack 12, or when the hydrogen gas satisfies a predetermined time (to satisfy the above volume). When it is determined that only the required time has been supplied, it is determined that the supply of hydrogen gas to the oxidant gas flow path 32 has been completed (YES in step S3), and the process proceeds to step S4, where the oxidant gas flow The supply of hydrogen gas to the passage 32 is stopped. Specifically, the air supply flow path 42 and the hydrogen supply flow path 52 are blocked by closing the valve 60.

そして、図5に示すように、バルブ44が開放されると、エアコンプレッサ40を介して空気供給流路42に空気が送られる。この空気は、燃料電池スタック12内の各燃料電池20に設けられている酸化剤ガス流路32に供給される(ステップS5)。   Then, as shown in FIG. 5, when the valve 44 is opened, air is sent to the air supply channel 42 via the air compressor 40. This air is supplied to the oxidant gas flow path 32 provided in each fuel cell 20 in the fuel cell stack 12 (step S5).

従って、酸化剤ガス流路32に空気が供給される一方、燃料ガス流路34に水素ガスが供給される。この状態で、スイッチ68が閉塞されることにより、燃料電池スタック12が負荷66に電気的に接続される(ステップS6及び図6参照)。このため、燃料電池スタック12の起動が開始される。   Accordingly, air is supplied to the oxidant gas passage 32 and hydrogen gas is supplied to the fuel gas passage 34. In this state, the switch 68 is closed, whereby the fuel cell stack 12 is electrically connected to the load 66 (see step S6 and FIG. 6). For this reason, activation of the fuel cell stack 12 is started.

この起動時には、酸化剤ガスは、各燃料電池20の酸化剤ガス流路32に送られ、各カソード側電極24に沿って供給される。一方、燃料ガスは、燃料電池20の各燃料ガス流路34に供給され、各アノード側電極26に沿って供給される。これにより、カソード側電極24に供給される空気と、アノード側電極26に供給される燃料ガスとが、電気化学的に反応して発電が行われる。   At the start-up, the oxidant gas is sent to the oxidant gas flow path 32 of each fuel cell 20 and supplied along each cathode side electrode 24. On the other hand, the fuel gas is supplied to each fuel gas channel 34 of the fuel cell 20 and supplied along each anode side electrode 26. As a result, the air supplied to the cathode side electrode 24 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 26 react electrochemically to generate power.

さらに、燃料電池スタック12による発電が停止される際には、図7に示すように、バルブ54が閉塞されるとともに、バルブ60が開放される。このため、エアコンプレッサ40を介して空気供給流路42に供給される空気は、燃料電池スタック12内の酸化剤ガス流路32に供給される一方、一部が連結流路58を通って水素供給流路52から前記燃料電池スタック12内の燃料ガス流路34に供給される。従って、酸化剤ガス流路32及び燃料ガス流路34は、空気によりパージされて燃料電池システム10の運転が停止される。   Further, when the power generation by the fuel cell stack 12 is stopped, the valve 54 is closed and the valve 60 is opened as shown in FIG. For this reason, the air supplied to the air supply flow path 42 via the air compressor 40 is supplied to the oxidant gas flow path 32 in the fuel cell stack 12, while part of the air passes through the connection flow path 58 to form hydrogen. The fuel is supplied from the supply passage 52 to the fuel gas passage 34 in the fuel cell stack 12. Therefore, the oxidant gas passage 32 and the fuel gas passage 34 are purged with air, and the operation of the fuel cell system 10 is stopped.

この場合、第1の実施形態では、燃料電池システム10の運転が停止されている際、燃料電池スタック12の各酸化剤ガス流路32及び各燃料ガス流路34に空気が充填されている。そして、燃料電池システム10を起動する際、先ず、酸化剤ガス流路32及び燃料ガス流路34に水素ガスが同時に供給されている。   In this case, in the first embodiment, when the operation of the fuel cell system 10 is stopped, the oxidant gas flow paths 32 and the fuel gas flow paths 34 of the fuel cell stack 12 are filled with air. When starting the fuel cell system 10, first, hydrogen gas is simultaneously supplied to the oxidant gas passage 32 and the fuel gas passage 34.

このため、酸化剤ガス流路32及び燃料ガス流路34に残存していた空気は、水素ガスに置換された後、前記酸化剤ガス流路32にのみ空気が供給されている。従って、酸化剤ガス流路32及び燃料ガス流路34に空気が存在した状態で、前記燃料ガス流路34に水素ガスを、前記酸化剤ガス流路32に空気を、それぞれ供給する場合に比べ、部分的な電位の上昇を抑制することができ、電極触媒層の劣化の抑制が図られる。   For this reason, the air remaining in the oxidant gas flow path 32 and the fuel gas flow path 34 is replaced with hydrogen gas, and then air is supplied only to the oxidant gas flow path 32. Therefore, compared with a case where hydrogen gas is supplied to the fuel gas flow channel 34 and air is supplied to the oxidant gas flow channel 32 in a state where air exists in the oxidant gas flow channel 32 and the fuel gas flow channel 34, respectively. Thus, a partial increase in potential can be suppressed, and deterioration of the electrode catalyst layer can be suppressed.

しかも、酸化剤ガス流路32及び燃料ガス流路34が、水素ガスに置換された後、この酸化剤ガス流路32に空気が供給されるため、前記酸化剤ガス流路32では、水素ガスと空気とが混在してアノード側電極26に高電位が発生し易い。その際、アノード側電極26は、カソード側電極24に比べて活性を低く設定することができるため、前記アノード側電極26の電極触媒が劣化することを良好に阻止することが可能になる。   In addition, after the oxidant gas flow path 32 and the fuel gas flow path 34 are replaced with hydrogen gas, air is supplied to the oxidant gas flow path 32. And air are mixed, and a high potential is easily generated in the anode side electrode 26. At that time, since the activity of the anode side electrode 26 can be set lower than that of the cathode side electrode 24, it is possible to satisfactorily prevent the electrode catalyst of the anode side electrode 26 from deteriorating.

これにより、第1の実施形態では、簡単な工程で、電極触媒の劣化を可及的に阻止し、燃料電池スタック12全体の発電性能を良好に維持することができるという効果が得られる。   As a result, in the first embodiment, it is possible to obtain an effect that the degradation of the electrode catalyst can be prevented as much as possible by a simple process, and the power generation performance of the entire fuel cell stack 12 can be maintained satisfactorily.

また、酸化剤ガス流路32及び燃料ガス流路34に、水素ガスを同時に供給するために、バルブ48の開度制御が行われている。従って、図4に示すように、酸化剤ガス流路32と燃料ガス流路34とでは、それぞれの空気及び水素ガスの界面70a、70bが、矢印A方向に移動する速度を同一に制御することができ、部分的な電位の上昇が確実に抑制されるという利点がある。   Further, the opening degree of the valve 48 is controlled in order to simultaneously supply hydrogen gas to the oxidant gas passage 32 and the fuel gas passage 34. Therefore, as shown in FIG. 4, in the oxidant gas flow channel 32 and the fuel gas flow channel 34, the air and hydrogen gas interfaces 70a and 70b are controlled to have the same speed at which they move in the direction of arrow A. There is an advantage that a partial increase in potential is surely suppressed.

図8は、本発明の第2の実施形態に係る起動方法が適用される燃料電池システム80の概略構成図である。なお、第1の実施形態に使用される燃料電池システム10と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。   FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system 80 to which the activation method according to the second embodiment of the present invention is applied. Note that the same components as those of the fuel cell system 10 used in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

燃料電池システム80は、空気排出流路46及びオフガス流路62が接続される希釈ボックス82を備える。この希釈ボックス82には、空気供給流路42にエアコンプレッサ40とバルブ44との間に位置して接続されるバイパス流路84が接続されるとともに、前記バイパス流路84には、バルブ86が配設される。   The fuel cell system 80 includes a dilution box 82 to which the air discharge channel 46 and the off-gas channel 62 are connected. The dilution box 82 is connected to the air supply passage 42 by a bypass passage 84 that is positioned between the air compressor 40 and the valve 44, and the bypass passage 84 is provided with a valve 86. Arranged.

このように構成される第2の実施形態では、酸化剤ガス流路32及び燃料ガス流路34を水素ガスでパージする際、バルブ44が閉塞される一方、バルブ54、60、48及び86が開放される。このため、水素タンク50から水素供給流路52に供給される水素ガスは、燃料ガス流路34と酸化剤ガス流路32とに供給され、余剰の水素ガスは、オフガス流路62及び空気排出流路46を介して希釈ボックス82に導入される。   In the second embodiment configured as described above, when purging the oxidant gas flow path 32 and the fuel gas flow path 34 with hydrogen gas, the valve 44 is closed, while the valves 54, 60, 48 and 86 are Opened. Therefore, the hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 50 to the hydrogen supply flow path 52 is supplied to the fuel gas flow path 34 and the oxidant gas flow path 32, and the surplus hydrogen gas is discharged to the off-gas flow path 62 and the air discharge. It is introduced into the dilution box 82 via the flow path 46.

その際、エアコンプレッサ40が駆動され、バイパス流路84を通って希釈ボックス82に空気が導入されている。従って、希釈ボックス82内では、排出された水素ガスが空気によって十分に希釈された後、系外に排出される。   At that time, the air compressor 40 is driven and air is introduced into the dilution box 82 through the bypass channel 84. Therefore, in the dilution box 82, the discharged hydrogen gas is sufficiently diluted with air and then discharged out of the system.

このため、第2の実施形態では、上記の第1の実施形態と同様の効果を有するとともに、水素ガスパージにおいて燃料電池スタック12から排出される水素ガスを、空気により十分に希釈することができ、排出される前記水素ガスの処理が良好且つ容易に遂行されるという効果が得られる。   For this reason, in the second embodiment, the hydrogen gas discharged from the fuel cell stack 12 in the hydrogen gas purge can be sufficiently diluted with air while having the same effect as the first embodiment. It is possible to obtain an effect that the treatment of the discharged hydrogen gas is favorably and easily performed.

本発明の第1の実施形態に係る起動方法が適用される燃料電池システムの概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system to which a startup method according to a first embodiment of the present invention is applied. 前記起動方法を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the said starting method. 水素ガスによるパージ工程の説明図である。It is explanatory drawing of the purge process by hydrogen gas. 前記パージ工程における水素ガスと空気との界面の説明図である。It is explanatory drawing of the interface of hydrogen gas and air in the said purge process. 水素ガスパージされた酸化剤ガス流路に空気を供給する際の説明図である。It is explanatory drawing at the time of supplying air to the oxidant gas flow path purged with hydrogen gas. 燃料電池スタックに負荷を接続して起動を開始する際の説明図である。It is explanatory drawing at the time of starting a connection by connecting load to a fuel cell stack. 前記燃料電池システムの運転を停止する際の説明図である。It is explanatory drawing at the time of stopping driving | operation of the said fuel cell system. 本発明の第2の実施形態に係る起動方法が適用される燃料電池システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the fuel cell system with which the starting method which concerns on the 2nd Embodiment of this invention is applied.

符号の説明Explanation of symbols

10、80…燃料電池システム 12…燃料電池スタック
14…酸化剤ガス供給装置 16…燃料ガス供給装置
18…コントローラ 20…燃料電池
22…固体高分子電解質膜 24…カソード側電極
26…アノード側電極 28…電解質膜・電極構造体
30a、30b…セパレータ 32…酸化剤ガス流路
34…燃料ガス流路 40…エアコンプレッサ
42…空気供給流路 44、48、54、60、86…バルブ
46…空気排出流路 50…水素タンク
52…水素供給流路 56…エゼクタ
62…オフガス流路 66…負荷
82…希釈ボックス 84…バイパス流路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,80 ... Fuel cell system 12 ... Fuel cell stack 14 ... Oxidant gas supply device 16 ... Fuel gas supply device 18 ... Controller 20 ... Fuel cell 22 ... Solid polymer electrolyte membrane 24 ... Cathode side electrode 26 ... Anode side electrode 28 ... Electrolyte membrane / electrode structure 30a, 30b ... Separator 32 ... Oxidant gas channel 34 ... Fuel gas channel 40 ... Air compressor 42 ... Air supply channel 44, 48, 54, 60, 86 ... Valve 46 ... Air exhaust Channel 50 ... Hydrogen tank 52 ... Hydrogen supply channel 56 ... Ejector 62 ... Off-gas channel 66 ... Load 82 ... Dilution box 84 ... Bypass channel

Claims (3)

カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路及びアノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路を有し、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備え、前記酸化剤ガス流路及び前記燃料ガス流路が前記酸化剤ガスで満たされた状態で運転停止される燃料電池システムの起動方法であって、
前記酸化剤ガス流路及び前記燃料ガス流路に、前記燃料ガスを同時に供給する工程と、
前記酸化剤ガス流路への前記燃料ガスの供給を停止した後、前記酸化剤ガス流路に前記酸化剤ガスを供給する工程と、
前記燃料電池に負荷を接続して該燃料電池による発電を開始する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
A fuel cell having an oxidant gas flow path for supplying an oxidant gas to the cathode side electrode and a fuel gas flow path for supplying a fuel gas to the anode side electrode, and generating electric power by an electrochemical reaction of the oxidant gas and the fuel gas A starting method of a fuel cell system, wherein the operation is stopped in a state where the oxidant gas flow path and the fuel gas flow path are filled with the oxidant gas,
Simultaneously supplying the fuel gas to the oxidant gas flow path and the fuel gas flow path;
Supplying the oxidant gas to the oxidant gas flow path after stopping the supply of the fuel gas to the oxidant gas flow path;
Connecting a load to the fuel cell and starting power generation by the fuel cell;
A starting method for a fuel cell system, comprising:
請求項1記載の起動方法において、前記酸化剤ガス流路及び前記燃料ガス流路に前記燃料ガスを同時に供給する際、前記酸化剤ガスと前記燃料ガスとの界面の移動速度を同一にする工程を有することを特徴とする燃料電池システムの起動方法。   2. The starting method according to claim 1, wherein when the fuel gas is simultaneously supplied to the oxidant gas flow path and the fuel gas flow path, the moving speed of the interface between the oxidant gas and the fuel gas is made equal. A starting method for a fuel cell system, comprising: 請求項1又は2記載の起動方法において、前記酸化剤ガス流路及び前記燃料ガス流路に、前記燃料ガスを同時に供給する際、前記酸化剤ガス流路の上流側から分岐するバイパス流路に供給される前記酸化剤ガスを介し、前記燃料電池から排出される前記燃料ガスを希釈する工程を有することを特徴とする燃料電池システムの起動方法。   The start-up method according to claim 1 or 2, wherein when supplying the fuel gas simultaneously to the oxidant gas flow path and the fuel gas flow path, the bypass flow path branches from the upstream side of the oxidant gas flow path. A method for starting a fuel cell system, comprising the step of diluting the fuel gas discharged from the fuel cell through the supplied oxidant gas.
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