JP2010040250A - Fuel cell system and starting method therefor - Google Patents

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順司 上原
Kenichiro Ueda
健一郎 上田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enable to speedily and efficiently carry out substitution of anode gas at start-up in a simple control. <P>SOLUTION: The fuel cell system 10 includes a fuel cell stack 12; an anode gas supply mechanism 16 supplying fuel gas to the fuel cell stack 12; an anode gas supply valve 54, fitted to the anode gas supply mechanism 16 for controlling supply of the fuel gas to an anode gas flow channel 34; an anode purge valve 64 for exhausting residue gas guided out of the anode gas flow channel 34; and a controller 18 for making the anode purge valve 64 open before opening of the anode gas supply valve 54, when gas pressure of the anode gas flow channel 34 detected by a pressure detector 66 is determined as being positive, with the anode gas supply valve 54 in an opened state at the start of the fuel cell system 10. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、アノードガス流路にアノードガスを供給するとともに、カソードガス流路にカソードガスを供給して発電を行う燃料電池を備える燃料電池システム及びその起動方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that supplies an anode gas to an anode gas flow channel and supplies a cathode gas to a cathode gas flow channel to generate electric power, and a starting method thereof.

燃料電池は、燃料ガス(主に水素を含有するガス、例えば、水素ガス)及び酸化剤ガス(主に酸素を含有するガス、例えば、空気)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 (a gas mainly containing hydrogen, for example, hydrogen gas) and an oxidant gas (a gas mainly containing oxygen, for example, air) to an anode side electrode and a cathode side electrode for electricity. It is a system that obtains direct-current electrical energy through chemical reaction.

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、停止時間の経過に伴ってアノード側電極に酸化剤ガス等の不純ガスが進入し、前記アノード側電極側の水素濃度が低下するという問題がある。   In this type of fuel cell, when power generation (operation) is stopped, an impure gas such as an oxidant gas enters the anode side electrode as the stop time elapses, and the hydrogen concentration on the anode side electrode side decreases. There is a problem.

そこで、例えば、特許文献1に開示されているように、燃料電池システムでの発電開始前において、システム放置中に内部に滞留している不純ガスを効率的に排除し、高濃度な水素に置換することで、燃料電池システムの起動を円滑に行えるようにした燃料電池システムの起動時の水素パージ方法が知られている。   Therefore, for example, as disclosed in Patent Document 1, before starting the power generation in the fuel cell system, the impure gas staying inside the system while it is left is efficiently removed and replaced with high-concentration hydrogen. Thus, there is known a hydrogen purge method at the time of starting the fuel cell system that can smoothly start the fuel cell system.

この水素パージ方法は、燃料電池の起動信号を検出するステップと、前記燃料電池の起動信号を検出した後、水素タンクから燃料電池の水素極に供給される前の水素極の圧力を検出するステップと、前記水素タンクと前記燃料電池の水素極との間に配置された水素遮断弁の開弁後から水素パージ弁が開弁するまでの開弁開始時間を、検出された前記水素極の圧力に応じて設定するステップと、前記水素遮断弁を開弁するステップと、前記水素遮断弁の開弁後、前記開弁開始時間を経過したか否かを判断するステップと、前記開弁開始時間を経過したと判断された後に、前記水素パージ弁を所定時間だけ開弁状態に保持するステップとを有している。   The hydrogen purge method includes a step of detecting a fuel cell start signal, and a step of detecting a pressure of the hydrogen electrode before being supplied from the hydrogen tank to the hydrogen electrode of the fuel cell after detecting the fuel cell start signal. And the opening start time from the opening of the hydrogen shutoff valve disposed between the hydrogen tank and the hydrogen electrode of the fuel cell to the opening of the hydrogen purge valve, and the detected pressure of the hydrogen electrode A step of opening the hydrogen cutoff valve, a step of determining whether or not the valve opening start time has elapsed after opening the hydrogen cutoff valve, and the valve opening start time. And after maintaining that the hydrogen purge valve is kept open for a predetermined time.

さらに、この水素パージ方法は、燃料電池の起動信号を検出するステップと、前記燃料電池の起動信号を検出した後、水素タンクと燃料電池の水素極との間に配置された水素遮断弁を開弁するステップと、水素極の圧力を検出するステップと、検出された前記水素極の圧力が所定値以上であるか否かを判定するステップと、検出された前記水素極の圧力が所定値以上であると判定された後に、水素パージ弁を所定時間だけ開弁状態に保持するステップとを有している。   Further, the hydrogen purging method includes a step of detecting a start signal of the fuel cell and, after detecting the start signal of the fuel cell, opening a hydrogen shut-off valve disposed between the hydrogen tank and the hydrogen electrode of the fuel cell. A step of detecting, a step of detecting a pressure of the hydrogen electrode, a step of determining whether or not the detected pressure of the hydrogen electrode is equal to or higher than a predetermined value, and a pressure of the detected hydrogen electrode being equal to or higher than a predetermined value And a step of holding the hydrogen purge valve in a valve open state for a predetermined time after the determination.

特開2007−128902号公報JP 2007-128902 A

ところで、上記の特許文献1では、燃料電池の起動時に、水素遮断弁を開弁して水素極(アノード側電極)に水素を供給し、設定された開弁開始時間が経過した後、又は水素極の圧力が所定値以上に昇圧された後、水素パージ弁を開弁させている。このため、水素極には、水素と残留ガスとの混在ガスが比較的多量に存在しており、水素パージ弁が開弁されてガス置換を行う際、水素置換に必要とされる時間が長くなるおそれがある。   By the way, in the above Patent Document 1, when the fuel cell is started, the hydrogen shut-off valve is opened to supply hydrogen to the hydrogen electrode (anode side electrode), and after the set valve opening start time has elapsed, After the electrode pressure is increased to a predetermined value or higher, the hydrogen purge valve is opened. For this reason, the hydrogen electrode contains a relatively large amount of mixed gas of hydrogen and residual gas, and when the hydrogen purge valve is opened and gas replacement is performed, the time required for hydrogen replacement is long. There is a risk.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な制御で、起動時のアノードガスの置換を迅速且つ効率的に行うことが可能な燃料電池システム及びその起動方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to solve this kind of problem, and to provide a fuel cell system capable of quickly and efficiently replacing an anode gas at start-up with simple control, and a start-up method thereof. And

本発明に係る燃料電池システムは、アノードガス流路にアノードガスを供給するとともに、カソードガス流路にカソードガスを供給して発電を行う燃料電池と、前記アノードガス流路に前記アノードガスを供給するアノードガス供給機構と、前記アノードガス供給機構に設けられ、前記アノードガス流路への前記アノードガスの供給を制御するアノードガス供給弁と、前記アノードガス流路から導出される前記アノードガスをアノードガス経路外に排出するアノードパージ弁と、前記アノードガス流路のガス圧力を直接的又は間接的に検出するアノードガス圧力検知機構と、燃料電池システム起動時に、前記アノードガス供給弁が閉弁された状態で、前記アノードガス圧力検知機構により検出された前記アノードガス流路のガス圧力が正圧であると判断された際、前記アノードガス供給弁の開弁前に前記アノードパージ弁を開弁させる制御機構とを備えている。   The fuel cell system according to the present invention supplies an anode gas to the anode gas flow channel, supplies a cathode gas to the cathode gas flow channel to generate power, and supplies the anode gas to the anode gas flow channel. An anode gas supply mechanism, an anode gas supply valve which is provided in the anode gas supply mechanism and controls the supply of the anode gas to the anode gas flow path, and the anode gas derived from the anode gas flow path An anode purge valve that discharges outside the anode gas path, an anode gas pressure detection mechanism that directly or indirectly detects the gas pressure in the anode gas flow path, and the anode gas supply valve is closed when the fuel cell system is started. In this state, the gas pressure in the anode gas flow path detected by the anode gas pressure detection mechanism is a positive pressure. When it is determined that, and a control mechanism for opening the anode purge valve before opening of the anode gas supply valve.

また、制御機構は、アノードガス圧力検知機構により検出されたアノードガス流路のガス圧力が負圧であると判断された際、アノードガス供給弁を開弁させて前記アノードガス流路のガス圧力が正圧になった後、アノードパージ弁を開弁させることが好ましい。   In addition, the control mechanism opens the anode gas supply valve when the gas pressure in the anode gas flow path detected by the anode gas pressure detection mechanism is negative, and opens the gas pressure in the anode gas flow path. The anode purge valve is preferably opened after the pressure becomes positive.

さらに、この燃料電池システムは、アノード掃気機構を備え、制御機構は、前記燃料電池システムの停止中に前記アノード掃気機構による掃気が行われた際、燃料電池システム起動時に、アノードガス供給弁の開弁前に前記アノードパージ弁を開弁させることが好ましい。   The fuel cell system further includes an anode scavenging mechanism, and the control mechanism opens the anode gas supply valve when the fuel cell system is started when scavenging by the anode scavenging mechanism is performed while the fuel cell system is stopped. It is preferable to open the anode purge valve before the valve.

さらにまた、本発明に係る燃料電池システムの起動方法は、燃料電池システム起動時に、アノードガス供給弁が閉弁された状態で、アノードガス圧力検知機構によりアノードガス流路のガス圧力を検出する工程と、検出された前記アノードガス流路のガス圧力が正圧であると判断された際、前記アノードガス供給弁の開弁前にアノードパージ弁を開弁させる工程とを有している。   Furthermore, the fuel cell system activation method according to the present invention includes a step of detecting the gas pressure in the anode gas flow path by the anode gas pressure detection mechanism with the anode gas supply valve closed when the fuel cell system is activated. And a step of opening the anode purge valve before opening the anode gas supply valve when it is determined that the detected gas pressure in the anode gas flow path is a positive pressure.

また、この起動方法は、アノードガス圧力検知機構により検出されたアノードガス流路のガス圧力が負圧であると判断された際、アノードガス供給弁を開弁させる工程と、前記アノードガス流路にアノードガスが供給されることにより、前記アノードガス流路のガス圧力が正圧になった後、アノードパージ弁を開弁させる工程とを有することが好ましい。   The starting method includes a step of opening an anode gas supply valve when the gas pressure in the anode gas flow path detected by the anode gas pressure detection mechanism is negative, and the anode gas flow path It is preferable to include a step of opening the anode purge valve after the gas pressure in the anode gas flow path becomes positive by supplying the anode gas.

さらに、燃料電池システムは、アノード掃気機構を備え、前記燃料電池システムの停止中に前記アノード掃気機構による掃気が行われた際、燃料電池システム起動時に、アノードガス供給弁の開弁前にアノードパージ弁を開弁させることが好ましい。   The fuel cell system further includes an anode scavenging mechanism. When scavenging by the anode scavenging mechanism is performed while the fuel cell system is stopped, an anode purge is performed before the anode gas supply valve is opened when the fuel cell system is started. It is preferable to open the valve.

本発明では、燃料電池システム起動時に、アノードガス流路のガス圧力が正圧であると判断された際、アノードガス供給弁の開弁前にアノードパージ弁を開弁させることにより、前記アノードガス流路内の残留ガスをパージすることができる。アノードガス流路内が正圧であるため、アノードパージ弁を開弁させても、大気が逆流することがないからである。   In the present invention, when it is determined that the gas pressure in the anode gas flow path is positive when the fuel cell system is started, the anode purge valve is opened before the anode gas supply valve is opened. Residual gas in the flow path can be purged. This is because the atmosphere in the anode gas flow path does not flow backward even when the anode purge valve is opened because the anode gas flow path has a positive pressure.

従って、アノードパージ弁の開弁作用下に、アノードガス流路内の残留ガスが排出された後、アノードガス供給弁が開弁されて前記アノードガス流路にアノードガスが供給される。これにより、アノードガス流路内のアノードガス濃度が迅速に高くなるため、簡単な制御で、起動時のアノードガスの置換を急速且つ効率的に行うことができ、起動時間の短縮化を容易に図ることが可能になる。   Therefore, after the residual gas in the anode gas channel is discharged under the opening action of the anode purge valve, the anode gas supply valve is opened and the anode gas is supplied to the anode gas channel. As a result, the anode gas concentration in the anode gas flow path quickly increases, so that the anode gas can be replaced quickly and efficiently at start-up with simple control, and the start-up time can be easily reduced. It becomes possible to plan.

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カソードガス供給機構14と、前記燃料電池スタック12に燃料ガスを供給するアノードガス供給機構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(制御機構)18とを備える。   The fuel cell system 10 includes a fuel cell stack 12, a cathode gas supply mechanism 14 for supplying an oxidant gas to the fuel cell stack 12, an anode gas supply mechanism 16 for supplying a fuel gas to the fuel cell stack 12, And a controller (control mechanism) 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 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カソードガス流路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アノードガス流路34が形成される。   Between the electrolyte membrane / electrode structure 28 and the separator 30a, a cathode gas channel 32 for supplying an oxidant gas to the cathode electrode 24 is formed, and the electrolyte membrane / electrode structure 28 and the separator 30b In the meantime, an anode gas flow path 34 for supplying fuel gas to the anode electrode 26 is formed.

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)等の酸化剤ガスをカソードガス流路32に供給するための酸化剤ガス入口連通孔36aと、前記酸化剤ガスを前記カソードガス流路32から排出するための酸化剤ガス出口連通孔36bとが設けられる。燃料電池スタック12の積層方向他端部には、水素含有ガス等の燃料ガスをアノードガス流路34に供給するための燃料ガス入口連通孔38aと、前記燃料ガスを前記アノードガス流路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 cathode gas flow path 32, and the oxidant gas is supplied to the cathode. An oxidant gas outlet communication hole 36b for discharging from the gas flow path 32 is provided. At the other end of the fuel cell stack 12 in the stacking direction, a fuel gas inlet communication hole 38 a for supplying a fuel gas such as a hydrogen-containing gas to the anode gas flow path 34 and the fuel gas from the anode gas flow path 34 are provided. A fuel gas outlet communication hole 38b for discharging 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.

カソードガス供給機構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 cathode gas supply mechanism 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 communicates with the oxidant gas inlet communication hole 36 a of the fuel cell stack 12.

カソードガス供給機構14は、酸化剤ガス出口連通孔36bに連通する空気排出流路44を備える。この空気排出流路44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)46が設けられる。空気排出流路44は、希釈ボックス48に接続される。   The cathode gas supply mechanism 14 includes an air discharge channel 44 that communicates with the oxidant gas outlet communication hole 36b. The air discharge passage 44 has a valve (back pressure control valve) 46 with an adjustable opening for adjusting the pressure of air supplied from the air compressor 40 through the air supply passage 42 to the fuel cell stack 12. Is provided. The air discharge channel 44 is connected to the dilution box 48.

アノードガス供給機構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、アノードガス供給弁(遮断弁)54とエゼクタ56とが設けられる。   The anode gas supply mechanism 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 an anode gas supply valve (shutoff valve) 54 and an ejector 56.

燃料ガス出口連通孔38bには、オフガス流路58が連通する。オフガス流路58には、水素循環路60とパージ流路62とが連通し、前記水素循環路60は、エゼクタ56に連通する。パージ流路62は、アノードパージ弁64を介して希釈ボックス48に接続される。   An off gas passage 58 communicates with the fuel gas outlet communication hole 38b. A hydrogen circulation path 60 and a purge flow path 62 communicate with the off-gas flow path 58, and the hydrogen circulation path 60 communicates with an ejector 56. The purge flow path 62 is connected to the dilution box 48 via the anode purge valve 64.

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60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。オフガス流路58には、アノードガス流路34のガス圧力を直接的に検出するアノードガス圧力検知機構、例えば、圧力検出器66が設けられる。   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 60 and supplied again as fuel gas to the fuel cell stack 12. The off-gas channel 58 is provided with an anode gas pressure detection mechanism that directly detects the gas pressure in the anode gas channel 34, for example, a pressure detector 66.

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.

先ず、燃料電池システム10を起動させるために、イグニッション(図示せず)がONされると(ステップS1)、ステップS2に進んで、アノードガス流路34内のアノードガス圧が、圧力検出器66により直接的に検出される。コントローラ18では、検出されたアノードガス流路34のアノードガス圧力と大気圧とが比較される(ステップS3)。   First, when an ignition (not shown) is turned on to start the fuel cell system 10 (step S1), the process proceeds to step S2, and the anode gas pressure in the anode gas flow path 34 is changed to a pressure detector 66. Detected directly. In the controller 18, the detected anode gas pressure in the anode gas flow path 34 is compared with the atmospheric pressure (step S3).

そして、検出されたアノードガス圧が大気圧よりも高い、すなわち、正圧(より好ましくは、正圧+所定値α)であると判断されると(ステップS3中、YES)、図3に示すタイミングチャートに沿って、ステップS4以降の処理が行われる。なお、所定値αは、アノードパージを行う際に、大気からの空気の吸い込みを可及的に阻止し得る圧力に設定されることが好ましい。   When it is determined that the detected anode gas pressure is higher than atmospheric pressure, that is, positive pressure (more preferably, positive pressure + predetermined value α) (YES in step S3), FIG. 3 shows. The processing after step S4 is performed along the timing chart. The predetermined value α is preferably set to a pressure that can prevent air from being sucked in from the atmosphere as much as possible when the anode purge is performed.

そこで、アノードガス供給弁54が閉弁された状態で、アノードパージ弁64が開弁される(ステップS4)。このため、燃料電池スタック12では、各アノードガス流路34に残存する残留ガス(水素及び空気等)は、前記アノードガス流路34と大気圧との圧力差によって、オフガス流路58からアノードガス経路外であるパージ流路62を介して希釈ボックス48に排出される。   Therefore, the anode purge valve 64 is opened with the anode gas supply valve 54 closed (step S4). For this reason, in the fuel cell stack 12, residual gas (hydrogen, air, etc.) remaining in each anode gas flow channel 34 flows from the off gas flow channel 58 to the anode gas due to a pressure difference between the anode gas flow channel 34 and atmospheric pressure. It is discharged to the dilution box 48 via the purge flow path 62 that is outside the path.

ステップS5に進んで、アノードパージ弁64が開放されてからの経過時間や、パージ流路62を流動する排ガスの流速等によって、所定量のアノードパージが完了したか否かが判断される(ステップS5)。所定量のアノードパージが完了すると(ステップS5中、YES)、ステップS6に進んで、アノードパージ弁64が閉塞される。   Proceeding to step S5, it is determined whether or not a predetermined amount of anode purge has been completed based on the elapsed time since the anode purge valve 64 was opened, the flow rate of the exhaust gas flowing through the purge passage 62, and the like (step S5). S5). When the predetermined amount of anode purge is completed (YES in step S5), the process proceeds to step S6, and the anode purge valve 64 is closed.

次いで、ステップS7において、アノードガス供給弁54が閉弁されていると判断され(ステップS7中、YES)、ステップS8に進んで、前記アノードガス供給弁54が開放される。従って、燃料電池スタック12内では、各アノードガス流路34に水素タンク50から水素が供給され、水素ガス置換が行われる。その後、ステップS9に進んで、燃料電池スタック12のOCVチェックが行われる。   Next, in step S7, it is determined that the anode gas supply valve 54 is closed (YES in step S7), the process proceeds to step S8, and the anode gas supply valve 54 is opened. Therefore, in the fuel cell stack 12, hydrogen is supplied from the hydrogen tank 50 to each anode gas flow path 34, and hydrogen gas replacement is performed. Thereafter, the process proceeds to step S9, and the OCV check of the fuel cell stack 12 is performed.

一方、ステップS3において、アノードガス流路34内のアノードガス圧が、大気圧未満であると判断されると(ステップS3中、NO)、図4に示すタイミングチャートに沿って、ステップS10以降の処理が行われる。   On the other hand, when it is determined in step S3 that the anode gas pressure in the anode gas flow path 34 is less than atmospheric pressure (NO in step S3), the steps after step S10 are performed in accordance with the timing chart shown in FIG. Processing is performed.

このステップS10では、アノードパージ弁64が開放される前に、アノードガス供給弁54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を介して、燃料電池スタック12内のアノードガス流路34に水素ガスが供給され、このアノードガス流路34内のガス圧が昇圧される。   In step S10, the anode gas supply valve 54 is opened before the anode purge valve 64 is opened. Therefore, hydrogen gas is supplied from the hydrogen tank 50 to the anode gas flow path 34 in the fuel cell stack 12 via the hydrogen supply flow path 52, and the gas pressure in the anode gas flow path 34 is increased.

そして、アノードガス流路34のアノードガス圧が大気圧よりも高圧であると判断されると(ステップS11中、YES)、ステップS4に進んで、アノードパージ弁64が開放される。従って、アノードガス流路34では、大気からの空気の逆流を阻止することができ、このアノードガス流路34内の残留ガスは、パージ流路62を介して希釈ボックス48に確実に排出される。   When it is determined that the anode gas pressure in the anode gas flow path 34 is higher than the atmospheric pressure (YES in step S11), the process proceeds to step S4, and the anode purge valve 64 is opened. Therefore, the anode gas flow path 34 can prevent the backflow of air from the atmosphere, and the residual gas in the anode gas flow path 34 is reliably discharged to the dilution box 48 via the purge flow path 62. .

この場合、第1の実施形態では、燃料電池システム10の起動時に、アノードガス流路34のガス圧が正圧であると判断された際(ステップS3)、アノードガス供給弁54の開弁前に、アノードパージ弁64を開弁させている。このため、燃料電池スタック12に水素ガスの供給を開始する前に、アノードガス流路34内の残留ガスを確実且つ迅速に排出することができる。   In this case, in the first embodiment, when it is determined that the gas pressure in the anode gas flow path 34 is positive at the time of starting the fuel cell system 10 (step S3), before the anode gas supply valve 54 is opened. In addition, the anode purge valve 64 is opened. For this reason, before the supply of hydrogen gas to the fuel cell stack 12 is started, the residual gas in the anode gas flow path 34 can be reliably and rapidly discharged.

従って、アノードガス流路34内が負圧でない場合、すなわち、大気の逆流がない場合には、先ず、アノードパージ弁64の開弁作用下に、前記アノードガス流路34内の残留ガスを排出した後、アノードガス供給弁54が開弁されている。これにより、アノードガス流路34内のアノードガス濃度を迅速に高くすることができ、簡単な制御で、起動時の水素ガス置換を急速且つ効率的に行うことが可能になり、起動時間の短縮を容易に図ることができるという効果が得られる。   Therefore, when the pressure in the anode gas flow path 34 is not negative, that is, when there is no back flow of the atmosphere, first, the residual gas in the anode gas flow path 34 is discharged under the opening action of the anode purge valve 64. After that, the anode gas supply valve 54 is opened. As a result, the anode gas concentration in the anode gas flow path 34 can be quickly increased, and hydrogen gas replacement at start-up can be performed quickly and efficiently with simple control, thereby shortening the start-up time. It is possible to easily achieve the effect.

一方、ステップS3において、アノードガス流路34内のアノードガス圧が負圧であると判断された際には、先ず、アノードガス供給弁54が開弁されてアノードガス圧が正圧になった後、アノードパージ弁64が開弁されている。このため、アノードガス流路34内が負圧である際に、このアノードガス流路34に大気中の空気が逆流することを確実に阻止することが可能になる。   On the other hand, when it is determined in step S3 that the anode gas pressure in the anode gas flow path 34 is negative, first, the anode gas supply valve 54 is opened and the anode gas pressure becomes positive. Thereafter, the anode purge valve 64 is opened. For this reason, when the inside of the anode gas flow path 34 has a negative pressure, it is possible to reliably prevent the air in the atmosphere from flowing backward through the anode gas flow path 34.

図5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70の概略構成図である。なお、第1の実施形態に係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。また、以下に説明する第3の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。   FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system 70 to which the activation method according to the second embodiment of the present invention is applied. The same components as those of the fuel cell system 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. Similarly, in the third embodiment described below, detailed description thereof is omitted.

燃料電池システム70は、アノードガス流路34のアノードガス圧を間接的に検出するアノードガス圧力検知機構としてタイマ72を備え、このタイマ72がコントローラ18に接続される。タイマ72は、燃料電池システム70が停止している時間を計時する。   The fuel cell system 70 includes a timer 72 as an anode gas pressure detection mechanism that indirectly detects the anode gas pressure in the anode gas flow path 34, and this timer 72 is connected to the controller 18. The timer 72 measures the time during which the fuel cell system 70 is stopped.

すなわち、燃料電池システム70の停止後の時間の経過に伴って、例えば、アノードガス流路34内の残留水素が、固体高分子電解質膜22を透過してカソードガス流路32にリークして反応することにより、前記アノードガス流路34のガス圧が低下する。このため、停止後の経過時間によって、アノードガス流路34内のガス圧が大気圧よりも低下することになり、前記アノードガス流路34内が負圧になる経過時間を設定時間とする。   That is, as time elapses after the fuel cell system 70 is stopped, for example, residual hydrogen in the anode gas channel 34 permeates through the solid polymer electrolyte membrane 22 and leaks into the cathode gas channel 32 to react. As a result, the gas pressure in the anode gas flow path 34 decreases. For this reason, the gas pressure in the anode gas flow path 34 falls below the atmospheric pressure depending on the elapsed time after the stop, and the elapsed time in which the anode gas flow path 34 becomes negative is set as the set time.

この第2の実施形態では、図6に示すフローチャートに沿って燃料電池システム70の起動が行われる。具体的には、燃料電池システム70では、イグニッション(図示せず)がオンされた後(ステップS21)、ステップS22に進んで、前記燃料電池システム70の停止後の経過時間(以下、停止時間という)がタイマ72を介して検出される。   In the second embodiment, the fuel cell system 70 is activated according to the flowchart shown in FIG. Specifically, in the fuel cell system 70, after an ignition (not shown) is turned on (step S21), the process proceeds to step S22, and an elapsed time after the fuel cell system 70 is stopped (hereinafter referred to as a stop time). ) Is detected via the timer 72.

そして、停止時間が設定時間よりも短いと判断されると(ステップS23中、YES)、アノードガス流路34内のアノードガス圧が大気圧以上、すなわち、正圧であると推定され、ステップS24に進んで、アノードパージ弁64が開弁される。以下、ステップS25〜ステップS29の処理が、第1の実施形態におけるステップS5〜ステップS9と同様に行われる。   If it is determined that the stop time is shorter than the set time (YES in step S23), it is estimated that the anode gas pressure in the anode gas flow path 34 is equal to or higher than atmospheric pressure, that is, a positive pressure, and step S24. Then, the anode purge valve 64 is opened. Hereinafter, the processing of step S25 to step S29 is performed similarly to step S5 to step S9 in the first embodiment.

一方、ステップS23において、燃料電池システム70の停止時間が、設定時間を超えていると判断されると(ステップS23中、NO)、ステップS30に進んで、アノードパージ弁64の開弁に先立って、アノードガス供給弁54が開弁される。従って、水素タンク50内の水素ガスは、アノードガス流路34に供給されてアノードガス流路34内のアノードガス圧が昇圧される。そして、水素ガスが所定の時間だけ供給された(アノードガス流路34内のアノードガス圧が大気圧以上に至った)と判断されると(ステップS31中、YES)、ステップS24に進んで、上記と同様の処理が遂行される。   On the other hand, if it is determined in step S23 that the stop time of the fuel cell system 70 exceeds the set time (NO in step S23), the process proceeds to step S30, and prior to opening the anode purge valve 64. The anode gas supply valve 54 is opened. Accordingly, the hydrogen gas in the hydrogen tank 50 is supplied to the anode gas channel 34 and the anode gas pressure in the anode gas channel 34 is increased. When it is determined that hydrogen gas has been supplied for a predetermined time (the anode gas pressure in the anode gas passage 34 has reached atmospheric pressure or higher) (YES in step S31), the process proceeds to step S24. Processing similar to the above is performed.

このように、第2の実施形態では、燃料電池システム70の停止時間に基づいて、アノードガス流路34内が正圧であると判断されると、アノードガス供給弁54の開弁に先立ってアノードパージ弁64を開弁させている。これにより、アノードガス流路34内のアノードガス濃度を迅速に高くすることができ、起動時間の短縮化を図ることが可能になる等、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。   As described above, in the second embodiment, when it is determined that the anode gas flow path 34 is at a positive pressure based on the stop time of the fuel cell system 70, the anode gas supply valve 54 is opened before the valve is opened. The anode purge valve 64 is opened. As a result, the anode gas concentration in the anode gas flow path 34 can be quickly increased, and the start-up time can be shortened. For example, the same effects as in the first embodiment can be obtained. .

図7は、本発明の第3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。   FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system 80 to which the startup method according to the third embodiment of the present invention is applied.

燃料電池システム80は、アノード掃気機構82を備える。アノード掃気機構82は、空気供給流路42と水素供給流路52とに両端が接続されて燃料電池スタック12をバイパスするアノード掃気流路84を備えるとともに、前記アノード掃気流路84には、開閉弁86が配設される。   The fuel cell system 80 includes an anode scavenging mechanism 82. The anode scavenging mechanism 82 includes an anode scavenging flow path 84 that is connected at both ends to the air supply flow path 42 and the hydrogen supply flow path 52 and bypasses the fuel cell stack 12. A valve 86 is provided.

このように構成される第3の実施形態では、図8に示すフローチャートに沿って、起動処理が行われる。   In the third embodiment configured as described above, the activation process is performed according to the flowchart shown in FIG.

燃料電池システム80では、イグニッションがオンされた後(ステップS41)、アノードガス流路34内のアノードガス圧力が検出される(ステップS42)。そして、ステップS43に進んで、燃料電池システム80の停止中にアノード掃気が行われたか否かが判断される。   In the fuel cell system 80, after the ignition is turned on (step S41), the anode gas pressure in the anode gas flow path 34 is detected (step S42). Then, the process proceeds to step S43, and it is determined whether anode scavenging has been performed while the fuel cell system 80 is stopped.

このアノード掃気は、アノード掃気機構82を構成する開閉弁86が開弁された状態で、エアコンプレッサ40が駆動されることにより、アノード掃気流路84に空気が導入される。アノード掃気流路84は、水素供給流路52に接続されており、この水素供給流路52からアノードガス流路34に空気が供給されることにより、前記アノードガス流路34は、掃気ガスである空気に置換される。   In the anode scavenging, air is introduced into the anode scavenging flow path 84 by driving the air compressor 40 in a state where the on-off valve 86 constituting the anode scavenging mechanism 82 is opened. The anode scavenging flow path 84 is connected to the hydrogen supply flow path 52, and when the air is supplied from the hydrogen supply flow path 52 to the anode gas flow path 34, the anode gas flow path 34 is made of scavenging gas. Replaced with some air.

そこで、ステップS43で、燃料電池システム80に停止中のアノード掃気が行われていないと判断されると(ステップS43中、YES)、ステップS44に進んで、前記アノードガス流路34内のアノードガス圧が正圧であるか否かが判断される。次いで、ステップS45〜ステップS50の処理が、第1の実施形態におけるステップS4〜ステップS9と同様に行われる。   Therefore, when it is determined in step S43 that the stopped anode scavenging is not performed in the fuel cell system 80 (YES in step S43), the process proceeds to step S44, and the anode gas in the anode gas flow path 34 is obtained. It is determined whether or not the pressure is positive. Subsequently, the process of step S45-step S50 is performed similarly to step S4-step S9 in 1st Embodiment.

一方、ステップS43で、燃料電池システム80が停止中にアノード掃気を行ったと判断されると(ステップS43中、NO)、アノードガス流路34は、空気に置換されているため、正圧であると判断される。これにより、アノードパージ弁64が開弁されて(ステップS45)、アノードガス流路34の水素ガス置換処理が迅速且つ良好に遂行される。   On the other hand, if it is determined in step S43 that the anode scavenging has been performed while the fuel cell system 80 is stopped (NO in step S43), the anode gas flow path 34 is at a positive pressure because it is replaced with air. It is judged. Thereby, the anode purge valve 64 is opened (step S45), and the hydrogen gas replacement process of the anode gas flow path 34 is performed quickly and satisfactorily.

また、ステップS44で、アノードガス流路34内のアノードガス圧力が負圧であると判断されると(ステップS44中、NO)、ステップS51以降に進んで、第1の実施形態のステップS10以降と同様の処理が行われる。   Further, when it is determined in step S44 that the anode gas pressure in the anode gas flow path 34 is negative (NO in step S44), the process proceeds to step S51 and subsequent steps, and then step S10 and subsequent steps of the first embodiment. The same processing is performed.

このように、第3の実施形態では、燃料電池システム80の停止中に、アノードガス流路34にアノード掃気処理が施されていると判断されると、このアノードガス流路34内が正圧であるとして、アノードガス供給弁54の開弁前にアノードパージ弁64が開弁されている。従って、この第3の実施形態では、上記の第1及び第2の実施形態と同様の効果が得られる。   As described above, in the third embodiment, when it is determined that the anode gas flow path 34 is subjected to the anode scavenging process while the fuel cell system 80 is stopped, the inside of the anode gas flow path 34 is positively pressurized. As a result, the anode purge valve 64 is opened before the anode gas supply valve 54 is opened. Therefore, in the third embodiment, the same effect as in the first and second embodiments can be obtained.

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. アノードガス流路が正圧である際のタイミングチャートである。It is a timing chart when an anode gas channel is positive pressure. アノードガス流路が負圧である際のタイミングチャートである。It is a timing chart when an anode gas channel is negative pressure. 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. 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. 本発明の第3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 3rd Embodiment of this 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.

符号の説明Explanation of symbols

10、70、80…燃料電池システム 12…燃料電池スタック
14…カソードガス供給機構 16…アノードガス供給機構
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…カソードガス流路
34…アノードガス流路 40…エアコンプレッサ
42…空気供給流路 44…空気排出流路
46…バルブ 48…希釈ボックス
50…水素タンク 52…水素供給流路
54…アノードガス供給弁 56…エゼクタ
58…オフガス流路 60…水素循環路
62…パージ流路 64…アノードパージ弁
72…タイマ 82…アノード掃気機構
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 70, 80 ... Fuel cell system 12 ... Fuel cell stack 14 ... Cathode gas supply mechanism 16 ... Anode gas supply mechanism 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 ... Cathode gas channel 34 ... Anode gas channel 40 ... Air compressor 42 ... Air supply channel 44 ... Air discharge channel 46 ... Valve 48 ... Dilution box 50 ... Hydrogen tank 52 ... Hydrogen supply flow path 54 ... Anode gas supply valve 56 ... Ejector 58 ... Off gas flow path 60 ... Hydrogen circulation path 62 ... Purge flow path 64 ... Anode purge valve 72 ... Timer 82 ... Anode scavenging mechanism

Claims (6)

アノードガス流路にアノードガスを供給するとともに、カソードガス流路にカソードガスを供給して発電を行う燃料電池と、
前記アノードガス流路に前記アノードガスを供給するアノードガス供給機構と、
前記アノードガス供給機構に設けられ、前記アノードガス流路への前記アノードガスの供給を制御するアノードガス供給弁と、
前記アノードガス流路から導出される前記アノードガスをアノードガス経路外に排出するアノードパージ弁と、
前記アノードガス流路のガス圧力を直接的又は間接的に検出するアノードガス圧力検知機構と、
燃料電池システム起動時に、前記アノードガス供給弁が閉弁された状態で、前記アノードガス圧力検知機構により検出された前記アノードガス流路のガス圧力が正圧であると判断された際、前記アノードガス供給弁の開弁前に前記アノードパージ弁を開弁させる制御機構と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell that supplies an anode gas to the anode gas flow path and supplies a cathode gas to the cathode gas flow path to generate power;
An anode gas supply mechanism for supplying the anode gas to the anode gas flow path;
An anode gas supply valve that is provided in the anode gas supply mechanism and controls the supply of the anode gas to the anode gas flow path;
An anode purge valve for discharging the anode gas derived from the anode gas flow path out of the anode gas path;
An anode gas pressure detection mechanism for directly or indirectly detecting the gas pressure of the anode gas flow path;
When it is determined that the gas pressure in the anode gas flow path detected by the anode gas pressure detection mechanism is positive while the anode gas supply valve is closed at the time of starting the fuel cell system, the anode A control mechanism for opening the anode purge valve before opening the gas supply valve;
A fuel cell system comprising:
請求項1記載の燃料電池システムにおいて、前記制御機構は、前記アノードガス圧力検知機構により検出された前記アノードガス流路のガス圧力が負圧であると判断された際、前記アノードガス供給弁を開弁させて前記アノードガス流路のガス圧力が正圧になった後、前記アノードパージ弁を開弁させることを特徴とする燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein when the control mechanism determines that the gas pressure in the anode gas flow path detected by the anode gas pressure detection mechanism is negative, the control mechanism controls the anode gas supply valve. A fuel cell system, wherein the anode purge valve is opened after the valve is opened and the gas pressure in the anode gas passage becomes positive. 請求項1又は2記載の燃料電池システムにおいて、アノード掃気機構を備え、
前記制御機構は、前記燃料電池システムの停止中に前記アノード掃気機構による掃気が行われた際、燃料電池システム起動時に、前記アノードガス供給弁の開弁前に前記アノードパージ弁を開弁させることを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1 or 2, further comprising an anode scavenging mechanism,
The control mechanism opens the anode purge valve before opening the anode gas supply valve when the fuel cell system is started when scavenging by the anode scavenging mechanism is performed while the fuel cell system is stopped. A fuel cell system.
アノードガス流路にアノードガスを供給するとともに、カソードガス流路にカソードガスを供給して発電を行う燃料電池と、
前記アノードガス流路に前記アノードガスを供給するアノードガス供給機構と、
前記アノードガス供給機構に設けられ、前記アノードガス流路への前記アノードガスの供給を制御するアノードガス供給弁と、
前記アノードガス流路から導出される前記アノードガスをアノードガス経路外に排出するアノードパージ弁と、
前記アノードガス流路のガス圧力を直接的又は間接的に検出するアノードガス圧力検知機構と、
を備える燃料電池システムの起動方法であって、
燃料電池システム起動時に、前記アノードガス供給弁が閉弁された状態で、前記アノードガス圧力検知機構により前記アノードガス流路のガス圧力を検出する工程と、
検出された前記アノードガス流路のガス圧力が正圧であると判断された際、前記アノードガス供給弁の開弁前に前記アノードパージ弁を開弁させる工程と、
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 that supplies an anode gas to the anode gas flow path and supplies a cathode gas to the cathode gas flow path to generate power;
An anode gas supply mechanism for supplying the anode gas to the anode gas flow path;
An anode gas supply valve that is provided in the anode gas supply mechanism and controls the supply of the anode gas to the anode gas flow path;
An anode purge valve for discharging the anode gas derived from the anode gas flow path out of the anode gas path;
An anode gas pressure detection mechanism for directly or indirectly detecting the gas pressure in the anode gas flow path;
A method for starting a fuel cell system comprising:
Detecting the gas pressure in the anode gas flow path by the anode gas pressure detection mechanism with the anode gas supply valve closed at the time of starting the fuel cell system;
Opening the anode purge valve before opening the anode gas supply valve when it is determined that the detected gas pressure in the anode gas flow path is a positive pressure; and
A starting method for a fuel cell system, comprising:
請求項4記載の起動方法において、前記アノードガス圧力検知機構により検出された前記アノードガス流路のガス圧力が負圧であると判断された際、前記アノードガス供給弁を開弁させる工程と、
前記アノードガス流路に前記アノードガスが供給されることにより、前記アノードガス流路のガス圧力が正圧になった後、前記アノードパージ弁を開弁させる工程と、
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。
The starting method according to claim 4, wherein when the gas pressure in the anode gas flow path detected by the anode gas pressure detection mechanism is determined to be negative, the anode gas supply valve is opened.
A step of opening the anode purge valve after the gas pressure in the anode gas channel becomes positive by supplying the anode gas to the anode gas channel;
A starting method for a fuel cell system, comprising:
請求項4又は5記載の起動方法において、前記燃料電池システムは、アノード掃気機構を備え、
前記燃料電池システムの停止中に前記アノード掃気機構による掃気が行われた際、燃料電池システム起動時に、前記アノードガス供給弁の開弁前に前記アノードパージ弁を開弁させることを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
6. The startup method according to claim 4, wherein the fuel cell system includes an anode scavenging mechanism,
When scavenging by the anode scavenging mechanism is performed while the fuel cell system is stopped, the anode purge valve is opened before the anode gas supply valve is opened when the fuel cell system is started. How to start the battery system.
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