JP2010165639A - Fuel cell system, and starting method thereof - Google Patents

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Ikuyasu Kato
育康 加藤
Kazunobu Yamada
和順 山田
Takuboku Tezuka
卓睦 手塚
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Toyota Motor Corp
Soken Inc
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Nippon Soken Inc
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To quickly carry out substitution with hydrogen with a simple structure. <P>SOLUTION: A fuel cell system 10 is provided with a fuel cell stack 100, a fuel gas supply part 200 connected to a first side in a stacking direction of the fuel cell stack, a first fuel gas exhaust part 400 connected to a second side contrary to the first side, a second fuel gas exhaust part 500 connected to the first side, and a control part 600 controlling supply and exhaust of fuel gas to and from the fuel cell stack. The control part stops exhaustion of gas from the second fuel gas exhaust part at starting of the fuel cell stack 100, supplies fuel gas from the fuel gas supply part 200, and at the same time, exhausts gas from the first fuel gas exhaust part 400 to substitute gas inside the fuel cell stack with the fuel gas, and, after substitution with the fuel gas, stops exhaustion of gas from the first fuel gas exhaust part 400, and exhausts gas from the second fuel gas exhaust part 500. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。   The present invention relates to a fuel cell system.

燃料電池では、運転を停止すると、水素が供給されなくなるため、アノード側の水素は、空気に置き換えられていく。従来の燃料電池では、起動時に水素を加圧充填し、アノード内の空気を水素に置換するものが知られている(特許文献1)。一方、水素の供給口と排気口とを同じエンドプレート側に設ける方が、配管の引き回しや、水素の再利用の観点から好ましい。   In the fuel cell, when the operation is stopped, hydrogen is not supplied, so the hydrogen on the anode side is replaced with air. A conventional fuel cell is known in which hydrogen is pressurized and filled at startup, and the air in the anode is replaced with hydrogen (Patent Document 1). On the other hand, it is preferable to provide the hydrogen supply port and the exhaust port on the same end plate side from the viewpoints of piping routing and hydrogen reuse.

特開2003−331888号公報JP 2003-331888 A

しかし、従来の燃料電池では、水素の供給口と排気口とを同じエンドプレート側に設けた場合、水素の供給口と反対側のエンドプレートに近いセルにおいて、空気が水素に置換されにくいという問題があった。   However, in the conventional fuel cell, when the hydrogen supply port and the exhaust port are provided on the same end plate side, it is difficult to replace the air with hydrogen in a cell close to the end plate opposite to the hydrogen supply port. was there.

本発明は、上記課題の少なくとも1つを解決し、簡単な構成で、速やかに水素への置換を行うことを目的とする。   An object of the present invention is to solve at least one of the above-described problems, and to quickly replace hydrogen with a simple configuration.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.

[適用例1]
燃料電池システムであって、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックのスタック積層方向の第1の端部に接続された燃料ガス供給部と、前記第1の端部と反対側の前記燃料電池スタックの第2の端部に接続された第1の燃料ガス排出部と、前記第1の端部に接続された第2の燃料ガス排出部と、前記燃料ガスの前記燃料電池スタックへの供給、排出を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池スタックの起動時に、前記第2の燃料ガス排出部からのガスの排出を停止させ、前記燃料ガス供給部から燃料ガスを供給すると共に前記第1の燃料ガス排出部からガスを排出させて、前記燃料電池スタック内の燃料ガス流路中の残存ガスを前記燃料ガスに置換させ、前記燃料ガスへの置換後、前記第1の燃料ガス排出部からのガスの排出を停止させるとともに、前記第2の燃料ガス排出部からガスを排出させる、燃料電池システム。
この適用例によれば、簡単な構成で、速やかに水素への置換を行うことが可能となる。
[Application Example 1]
A fuel cell system comprising: a fuel cell stack; a fuel gas supply unit connected to a first end of the fuel cell stack in a stacking direction; and the fuel cell stack opposite to the first end A first fuel gas discharge section connected to the second end of the first fuel gas discharge section, a second fuel gas discharge section connected to the first end section, and supply of the fuel gas to the fuel cell stack. A control unit that controls discharge, and the control unit stops discharge of gas from the second fuel gas discharge unit when starting the fuel cell stack, and discharges fuel gas from the fuel gas supply unit. And supplying the gas from the first fuel gas discharge unit to replace the remaining gas in the fuel gas flow path in the fuel cell stack with the fuel gas. After the replacement with the fuel gas, Gas from the fuel gas discharge part of 1 To stop the discharge, to discharge the gas from the second fuel gas discharge portion, the fuel cell system.
According to this application example, replacement with hydrogen can be performed quickly with a simple configuration.

[適用例2]
適用例1に記載の燃料電池システムにおいて、前記第1の燃料ガス排出部は、予め定められた圧力以上で開弁して、前記燃料電池スタック内のガスを排出するための排気弁を備える、燃料電池システム。
この適用例によれば、燃料ガスの圧力を利用して、一気に燃料ガスへの置換を行うことが可能となる。
[Application Example 2]
In the fuel cell system according to Application Example 1, the first fuel gas discharge unit includes an exhaust valve that opens at a predetermined pressure or higher and discharges the gas in the fuel cell stack. Fuel cell system.
According to this application example, it is possible to perform replacement with the fuel gas at once using the pressure of the fuel gas.

[適用例3]
適用例2に記載の燃料電池システムにおいて、前記第1の燃料ガス排出部は、さらに、前記排気弁から排出されたガスを一時的に貯留するバッファタンクと、前記バッファタンクの下流側に接続され、前記バッファタンク内のガスを排気するための第2の排気弁と、
を備える、燃料電池システム。
燃料電池スタック内のガスには、燃料ガスが含まれる場合がある。この適用例によれば、燃料電池スタック内のガスをバッファタンクに一時的に貯留して、徐々に排気することが可能である。
[Application Example 3]
In the fuel cell system according to Application Example 2, the first fuel gas discharge unit is further connected to a buffer tank that temporarily stores the gas discharged from the exhaust valve, and a downstream side of the buffer tank. A second exhaust valve for exhausting the gas in the buffer tank;
A fuel cell system comprising:
The gas in the fuel cell stack may include fuel gas. According to this application example, the gas in the fuel cell stack can be temporarily stored in the buffer tank and gradually exhausted.

[適用例4]
適用例2または適用例3の記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス供給部は、 燃料タンクと、前記燃料タンクと前記燃料電池スタックの間に配置される燃料ガス供給圧力調整部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池システムの起動時に、前記燃料ガス供給部に対して前記燃料電池システムの通常運転時における前記燃料ガスの供給圧力よりも高い圧力で前記燃料ガスを供給させる、燃料電池システム。
この適用例によれば、起動時における燃料電池スタック内の圧力を通常運転時よりも高めることが可能となり、その後、燃料ガスの圧力を利用して、一気に燃料ガスへの置換を行うことが可能となる。
[Application Example 4]
In the fuel cell system according to Application Example 2 or Application Example 3, the fuel gas supply unit includes a fuel tank, and a fuel gas supply pressure adjustment unit disposed between the fuel tank and the fuel cell stack. The control unit causes the fuel gas supply unit to supply the fuel gas at a pressure higher than a supply pressure of the fuel gas during normal operation of the fuel cell system when the fuel cell system is started. Battery system.
According to this application example, it is possible to increase the pressure in the fuel cell stack at the time of startup than during normal operation, and thereafter, it is possible to perform replacement with the fuel gas at once using the pressure of the fuel gas. It becomes.

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムの他、燃料電池システムの起動方法、燃料電池システムの制御方法等、様々な形態で実現することができる。   The present invention can be realized in various forms. For example, in addition to the fuel cell system, the present invention can be realized in various forms such as a fuel cell system activation method and a fuel cell system control method. .

本発明の第1の実施例に係る燃料電池システムを模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the fuel cell system which concerns on the 1st Example of this invention. 燃料電池システムの燃料電池スタック近傍を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the fuel cell stack vicinity of a fuel cell system. 燃料電池スタック内の空気が水素に置換されていく様子を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows a mode that the air in a fuel cell stack is substituted by hydrogen. 第2の実施例に係る燃料電池システムを模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the fuel cell system which concerns on a 2nd Example.

[第1の実施例]
図1は、本発明の第1の実施例に係る燃料電池システムを模式的に示す説明図である。燃料電池システム10は、燃料電池スタック100と、燃料ガス供給部200と、酸化ガス供給部300と、第1の燃料ガス排出部400と、第2の燃料ガス排出部500と、制御部600と、を備える。例えば、燃料ガスとして水素を用い、酸化ガスとして空気を用いることが可能である。
[First embodiment]
FIG. 1 is an explanatory view schematically showing a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. The fuel cell system 10 includes a fuel cell stack 100, a fuel gas supply unit 200, an oxidizing gas supply unit 300, a first fuel gas discharge unit 400, a second fuel gas discharge unit 500, and a control unit 600. . For example, it is possible to use hydrogen as the fuel gas and air as the oxidizing gas.

燃料電池スタック100は、エンドプレート150、155と、燃料ガス供給マニホールド110と、燃料ガス排出マニホールド112と、酸化ガス供給マニホールド120と、酸化ガス排出マニホールド122と、を備える。エンドプレート150、155は、燃料電池スタック100の両端に配置されている。燃料ガス供給マニホールド110は、図1に示す燃料電池スタック100の右側端部のエンドプレート155から最左端の発電ユニット(図示せず)までは貫通しているが、燃料電池スタック100の左側端部のエンドプレート150までは貫通していない。燃料ガス排出マニホールド112は、燃料電池スタック100の右側端部から左側端部まで貫通している。酸化ガス供給マニホールド120と、酸化ガス排出マニホールド122とは、燃料電池スタック100の左側端部から最右端の発電ユニット(図示せず)までは貫通しているが、燃料電池スタック100の右側端部のエンドプレート155までは貫通していない。   The fuel cell stack 100 includes end plates 150 and 155, a fuel gas supply manifold 110, a fuel gas discharge manifold 112, an oxidizing gas supply manifold 120, and an oxidizing gas discharge manifold 122. The end plates 150 and 155 are disposed at both ends of the fuel cell stack 100. The fuel gas supply manifold 110 penetrates from the right end plate 155 of the fuel cell stack 100 shown in FIG. 1 to the leftmost power generation unit (not shown), but the left end portion of the fuel cell stack 100. The end plate 150 is not penetrated. The fuel gas discharge manifold 112 penetrates from the right end to the left end of the fuel cell stack 100. The oxidizing gas supply manifold 120 and the oxidizing gas discharge manifold 122 penetrate from the left end of the fuel cell stack 100 to the rightmost power generation unit (not shown), but the right end of the fuel cell stack 100. The end plate 155 is not penetrated.

燃料ガス供給部200は、水素タンク210と、減圧弁220と、流量制御弁230とを備える。水素タンク210は、配管240により、燃料ガス供給マニホールド110に接続されている。減圧弁220と、流量制御弁230とは、配管240上に配置されている。   The fuel gas supply unit 200 includes a hydrogen tank 210, a pressure reducing valve 220, and a flow rate control valve 230. The hydrogen tank 210 is connected to the fuel gas supply manifold 110 by a pipe 240. The pressure reducing valve 220 and the flow rate control valve 230 are disposed on the pipe 240.

酸化ガス供給部300は、空気取入口310と、エアポンプ320とを備える。空気取入口310は、配管330により、酸化ガス供給マニホールド120に接続されている。エアポンプ320は、配管330上に配置され、空気を圧縮して、燃料電池スタック100に供給する。なお、エアポンプ320と、燃料電池スタック100との間の配管330上に、圧縮された空気を冷却するためのラジエーターを備えていてもよい。   The oxidizing gas supply unit 300 includes an air intake port 310 and an air pump 320. The air intake 310 is connected to the oxidizing gas supply manifold 120 by a pipe 330. The air pump 320 is disposed on the pipe 330, compresses air, and supplies the compressed air to the fuel cell stack 100. A radiator for cooling the compressed air may be provided on the pipe 330 between the air pump 320 and the fuel cell stack 100.

第1の燃料ガス排出部400は、第1の排気弁410と、バッファタンク420と、第2の排気弁430と、を備える。第1の排気弁410と、バッファタンク420と、第2の排気弁430とは、配管440により、燃料ガス排出マニホールド112の左側に接続されている。すなわち、第1の燃料ガス排出部400と燃料電池スタック100との接続位置は、燃料ガス供給部200と燃料電池スタック100との接続位置と、燃料電池スタック100のスタック積層方向について反対側である。   The first fuel gas discharge unit 400 includes a first exhaust valve 410, a buffer tank 420, and a second exhaust valve 430. The first exhaust valve 410, the buffer tank 420, and the second exhaust valve 430 are connected to the left side of the fuel gas discharge manifold 112 by a pipe 440. That is, the connection position between the first fuel gas discharge unit 400 and the fuel cell stack 100 is opposite to the connection position between the fuel gas supply unit 200 and the fuel cell stack 100 and the stacking direction of the fuel cell stack 100. .

第1の排気弁410は、燃料電池システム10の起動時に開いて、燃料電池スタック100内のガスを排出するために用いられる。第1の排気弁410は、所定の圧力値で開くリリーフ弁として構成されていてもよく、制御部600の制御により開くオン/オフ弁として構成されていてもよい。なお、リリーフ弁の開弁圧力は、燃料電池システム10の通常運転時の燃料電池スタック100の内部の圧力よりも高い値とすることが好ましい。バッファタンク420は、燃料電池スタック100内のガスを、大気に放出する前に、一時的に貯留するために用いられる。第2の排気弁430は、バッファタンク420内のガスを大気に放出するために用いられる。   The first exhaust valve 410 is opened when the fuel cell system 10 is activated, and is used to discharge the gas in the fuel cell stack 100. The first exhaust valve 410 may be configured as a relief valve that opens at a predetermined pressure value, or may be configured as an on / off valve that opens under the control of the control unit 600. The opening pressure of the relief valve is preferably higher than the pressure inside the fuel cell stack 100 during normal operation of the fuel cell system 10. The buffer tank 420 is used to temporarily store the gas in the fuel cell stack 100 before releasing it to the atmosphere. The second exhaust valve 430 is used to release the gas in the buffer tank 420 to the atmosphere.

第2の燃料ガス排出部500は、第3の排気弁510を備える。第3の排気弁510は、配管520により、燃料ガス排出マニホールド112の右側に接続されている。すなわち、第1の燃料ガス排出部400の燃料電池スタック100との接続位置は、燃料ガス供給部200と燃料電池スタック100との接続位置と、燃料電池スタック100のスタック積層方向について同じ側である。第3の排気弁510は、燃料排ガスを排出するために用いられる。また、燃料電池スタック100内の圧力を調整するためにも用いられる。   The second fuel gas discharge unit 500 includes a third exhaust valve 510. The third exhaust valve 510 is connected to the right side of the fuel gas discharge manifold 112 by a pipe 520. That is, the connection position of the first fuel gas discharge unit 400 to the fuel cell stack 100 is the same side as the connection position of the fuel gas supply unit 200 and the fuel cell stack 100 and the stacking direction of the fuel cell stack 100. . The third exhaust valve 510 is used for discharging fuel exhaust gas. It is also used for adjusting the pressure in the fuel cell stack 100.

図2は、燃料電池システムの燃料電池スタック近傍を模式的に示す説明図である。燃料電池スタック100は、積層された複数の発電ユニット130と、ガス遮断プレート140、145と、エンドプレート150、155とを備える。ここで、複数の発電ユニット130のうち、左側端部の発電ユニットを「左端発電ユニット130L」と呼び、右側端部の発電ユニットを「右端発電ユニット130R」と呼ぶ。   FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing the vicinity of the fuel cell stack of the fuel cell system. The fuel cell stack 100 includes a plurality of stacked power generation units 130, gas blocking plates 140 and 145, and end plates 150 and 155. Here, among the plurality of power generation units 130, the power generation unit at the left end is referred to as “left end power generation unit 130L”, and the power generation unit at the right end is referred to as “right end power generation unit 130R”.

ガス遮断プレート140は、左端発電ユニット130Lの左側に配置されている。ガス遮断プレート140は、燃料ガス排出マニホールド112と、酸化ガス供給マニホールド120と、酸化ガス排出マニホールド122とを貫通させるための孔141〜143を備えている。ガス遮断プレート145は、右端発電ユニット130Rの右側に配置されている。ガス遮断プレート145は、燃料ガス供給マニホールド110と、燃料ガス排出マニホールド112を貫通させるための孔146、147を備えている。   The gas cutoff plate 140 is disposed on the left side of the left end power generation unit 130L. The gas blocking plate 140 includes holes 141 to 143 for allowing the fuel gas discharge manifold 112, the oxidizing gas supply manifold 120, and the oxidizing gas discharge manifold 122 to pass therethrough. The gas cutoff plate 145 is disposed on the right side of the right end power generation unit 130R. The gas shut-off plate 145 includes holes 146 and 147 through which the fuel gas supply manifold 110 and the fuel gas discharge manifold 112 pass.

エンドプレート150は、ガス遮断プレート140の左側に配置されている。エンドプレート150は、燃料ガス排出マニホールド112と、酸化ガス供給マニホールド120と、酸化ガス排出マニホールド122とを貫通させるための孔(符号を付せず)を備えている。エンドプレート160は、ガス遮断プレート145の右側に配置されている。エンドプレート160は、燃料ガス供給マニホールド110と、燃料ガス排出マニホールド112を貫通させるための孔(符号を付せず)を備えている。なお、図2では、燃料電池スタック100は、ガス遮断プレート140、145と、エンドプレート150、155とを別個に備えているが、ガス遮断プレート140、145を備えず、エンドプレート150、155がガス遮断プレート140、145の機能を兼ねていてもよい。   The end plate 150 is disposed on the left side of the gas blocking plate 140. The end plate 150 includes a hole (not labeled) for allowing the fuel gas discharge manifold 112, the oxidizing gas supply manifold 120, and the oxidizing gas discharge manifold 122 to pass through. The end plate 160 is disposed on the right side of the gas blocking plate 145. The end plate 160 includes a fuel gas supply manifold 110 and a hole (not labeled) for passing through the fuel gas discharge manifold 112. In FIG. 2, the fuel cell stack 100 includes the gas blocking plates 140 and 145 and the end plates 150 and 155 separately, but does not include the gas blocking plates 140 and 145, and the end plates 150 and 155 The functions of the gas blocking plates 140 and 145 may also be used.

燃料電池システム10の起動時の動作について説明する。制御部600は、まず、流量制御弁230と、第2の排気弁430と、第3の排気弁510とを閉じる。また、制御部600は、減圧弁220の圧力を起動時の充填圧力Paに設定する。また、第1の排気弁410が開く開弁圧力Pcは、燃料電池システム10の通常運転時の圧力Pbよりも高い圧力に予め設定されている。   An operation at startup of the fuel cell system 10 will be described. First, the control unit 600 closes the flow control valve 230, the second exhaust valve 430, and the third exhaust valve 510. Further, the control unit 600 sets the pressure of the pressure reducing valve 220 to the charging pressure Pa at the time of activation. Further, the valve opening pressure Pc at which the first exhaust valve 410 opens is set in advance to a pressure higher than the pressure Pb during normal operation of the fuel cell system 10.

ここで、圧力Pa、Pb、Pcは、おおよそ、Pa≫Pc>Pbの関係となっていればよい。例えば、燃料ガス供給側の配管240の容積と燃料電池スタック100のアノード内容積の和Vaと、燃料ガス排出側の配管440の容積とバッファタンク420の容積の和Vbと、の比を用いて、充填圧力Paを決定してもよい。起動時には、燃料電池スタック100や配管240、440、バッファタンク420の内部の圧力は、大気圧(1気圧)になっている。このときの気体状態方程式は、
PV=1・(Va+Vb)=nRT ・・・(1)
である。これを、燃料ガス排出側の配管440とバッファタンク420に押し込めると、体積はVbとなる。このときの圧力をPxとすると、気体の状態方程式は、
Px・Vb=nRT ・・・(2)
となる。したがって(1)式、(2)式より、
Px=(Va+Vb)/Vb ・・・(3)
となる。したがって、充填圧力Paを、
Pa≧Px=(Va+Vb)/Vb ・・・(4)
を満たすように設定してもよい。こうすれば、燃料電池スタック100の内部を水素に置換することが可能である。逆に、充填圧力Paを決めた後、充填圧力Paの値を用いて、バッファタンク420の容量を決めてもよい。これは、(3)式をVbについて解けばよく、
Vb=Va/(Pa−1) ・・・(5)
となる。バッファタンク420の大きさは、Vbから燃料ガス排出側の配管440の容積を引いた大きさにしてもよい。この結果から、充填圧力Paを大きくした方が、バッファタンク420の大きさを小さくすることが可能である。
Here, the pressures Pa, Pb, and Pc only need to satisfy a relationship of Pa >>Pc> Pb. For example, using the ratio of the sum Va of the fuel gas supply side pipe 240 and the anode internal volume of the fuel cell stack 100 to the sum Vb of the volume of the fuel gas discharge side pipe 440 and the volume of the buffer tank 420 is used. The filling pressure Pa may be determined. At the time of startup, the pressure inside the fuel cell stack 100, the pipes 240 and 440, and the buffer tank 420 is atmospheric pressure (1 atm). The gas equation of state at this time is
PV = 1 · (Va + Vb) = nRT (1)
It is. When this is pushed into the piping 440 and the buffer tank 420 on the fuel gas discharge side, the volume becomes Vb. If the pressure at this time is Px, the equation of state of the gas is
Px · Vb = nRT (2)
It becomes. Therefore, from Equation (1) and Equation (2),
Px = (Va + Vb) / Vb (3)
It becomes. Therefore, the filling pressure Pa is
Pa ≧ Px = (Va + Vb) / Vb (4)
You may set so that it may satisfy | fill. In this way, the inside of the fuel cell stack 100 can be replaced with hydrogen. Conversely, after determining the filling pressure Pa, the capacity of the buffer tank 420 may be determined using the value of the filling pressure Pa. This can be done by solving equation (3) for Vb,
Vb = Va / (Pa-1) (5)
It becomes. The size of the buffer tank 420 may be a size obtained by subtracting the volume of the piping 440 on the fuel gas discharge side from Vb. From this result, it is possible to reduce the size of the buffer tank 420 by increasing the filling pressure Pa.

制御部600が流量制御弁230を開くと、水素タンク210内の水素は、燃料電池スタック100に流入し、燃料電池スタック100内の圧力を上昇させる。燃料電池スタック100内の圧力が第1の排気弁410の開弁圧力Pcまで上昇すると、第1の排気弁410が開く。燃料電池スタック100内部の圧力は、バッファタンク420内の圧力(大気圧)よりも大きい。従って、第1の排気弁410が開くと、燃料電池システム10が運転停止していた間に燃料電池スタック100のアノード流路(燃料ガス供給マニホールド110、燃料ガス排出マニホールド112、各発電ユニット130内の燃料ガス流路(図示せず))に溜まっていた空気は、水素タンク210から供給された水素と共に、バッファタンク420に流れ込む。これにより、燃料電池スタック100内のアノード流路は、水素に置換される。なお、第1の排気弁の開弁圧力Pcを大きく設定しておくことにより、燃料電池スタック100内を一気に水素に置換することが可能である。これにより、起動時に、空気と水素とが共存することにより発生する触媒層の触媒担持カーボンの酸化を抑制し、触媒層が劣化することを抑制することが可能となる。   When the control unit 600 opens the flow control valve 230, hydrogen in the hydrogen tank 210 flows into the fuel cell stack 100 and increases the pressure in the fuel cell stack 100. When the pressure in the fuel cell stack 100 rises to the valve opening pressure Pc of the first exhaust valve 410, the first exhaust valve 410 opens. The pressure inside the fuel cell stack 100 is larger than the pressure inside the buffer tank 420 (atmospheric pressure). Accordingly, when the first exhaust valve 410 is opened, the anode flow path (the fuel gas supply manifold 110, the fuel gas discharge manifold 112, and the power generation unit 130 in the fuel cell stack 100 while the operation of the fuel cell system 10 is stopped). The air accumulated in the fuel gas flow path (not shown) flows into the buffer tank 420 together with the hydrogen supplied from the hydrogen tank 210. Thereby, the anode flow path in the fuel cell stack 100 is replaced with hydrogen. Note that by setting the valve opening pressure Pc of the first exhaust valve large, it is possible to replace the inside of the fuel cell stack 100 with hydrogen all at once. Thereby, at the time of start-up, it becomes possible to suppress the oxidation of the catalyst-supporting carbon of the catalyst layer generated by the coexistence of air and hydrogen, and to suppress the deterioration of the catalyst layer.

燃料電池スタック100内のアノード流路の圧力が充填圧力Paまで上昇すると、制御部600は、第1の排気弁410を閉じ、減圧弁220の設定圧力を、燃料電池システム10の通常運転時の圧力Pbに設定する。その後、制御部600は、第3の排気弁510を開け、エアポンプ320を動作させて燃料電池スタック100に空気を供給し、燃料電池システム10を通常運転させる。   When the pressure of the anode flow path in the fuel cell stack 100 rises to the filling pressure Pa, the control unit 600 closes the first exhaust valve 410 and changes the set pressure of the pressure reducing valve 220 to that during normal operation of the fuel cell system 10. Set to pressure Pb. Thereafter, the controller 600 opens the third exhaust valve 510, operates the air pump 320 to supply air to the fuel cell stack 100, and causes the fuel cell system 10 to operate normally.

図3は、燃料電池スタック内の空気が水素に置換されていく様子を示す説明図である。なお、図3では、第1の排気弁410の記載を省略している。本実施例では、起動時には、水素の排出方向と、起動時における水素の排出方向が反対側のため、図3(a)から(e)に示すように、燃料電池スタック100の右上から左下に向かって、空気が水素に置換される。したがって、水素が置換されにくい発電ユニットが生じにくい。   FIG. 3 is an explanatory diagram showing how the air in the fuel cell stack is replaced with hydrogen. In FIG. 3, the description of the first exhaust valve 410 is omitted. In this embodiment, since the hydrogen discharge direction at the time of startup is opposite to the hydrogen discharge direction at the time of startup, as shown in FIGS. 3 (a) to 3 (e), the fuel cell stack 100 is moved from the upper right to the lower left. On the other hand, air is replaced with hydrogen. Therefore, it is difficult to produce a power generation unit in which hydrogen is not easily replaced.

また、第1の排気弁410として、リリーフ弁を使用すれば、燃料電池スタック100内の圧力が第1の排気弁410の開弁圧力Pcになったときに開く。したがって、この開弁圧力Pcと、バッファタンク420の当所の圧力(ほぼ大気圧)との差を用いて、一気に水素に置換することが可能である。   Further, if a relief valve is used as the first exhaust valve 410, it opens when the pressure in the fuel cell stack 100 reaches the valve opening pressure Pc of the first exhaust valve 410. Therefore, it is possible to replace the valve opening pressure Pc with hydrogen at once by using the difference between the valve opening pressure Pc and the local pressure (approximately atmospheric pressure) of the buffer tank 420.

なお、図3のように、燃料電池スタック100内に残存する空気を水素に置換する際に、水素の一部が配管440から流出する場合がある。本実施例では、バッファタンク420を備えているので、この流出した水素をバッファタンク420に回収することが可能である。なお、この水素は、第2の排気弁430を開くことにより、徐々に大気に放出することが可能である。   Note that, as shown in FIG. 3, when the air remaining in the fuel cell stack 100 is replaced with hydrogen, part of the hydrogen may flow out from the pipe 440. In this embodiment, since the buffer tank 420 is provided, the hydrogen that has flowed out can be recovered in the buffer tank 420. Note that this hydrogen can be gradually released into the atmosphere by opening the second exhaust valve 430.

[第2の実施例]
図4は、第2の実施例に係る燃料電池システムを模式的に示す説明図である。第2の実施例では、燃料ガス供給部200の配管240と、第2の燃料ガス排出部500の配管520との間に、循環ポンプ700を備えている。循環ポンプ700は、通常運転時に、第2の燃料ガス排出部500に排出される水素を、燃料ガス供給部200に送る。これにより、通常運転時において、水素を効率よく利用することが可能である。なお、図4に示した水素パージを行う場合には、循環ポンプ700は停止し、これによって、水素の循環が阻止される。なお、必要に応じて、循環ポンプ700の前後にオン/オフ弁を設けて、水素循環の有無を制御する用にしてもよい。このような、水素ガスを循環させるシステムであっても、本発明を適用することが可能である。
[Second Embodiment]
FIG. 4 is an explanatory view schematically showing a fuel cell system according to the second embodiment. In the second embodiment, a circulation pump 700 is provided between the pipe 240 of the fuel gas supply unit 200 and the pipe 520 of the second fuel gas discharge unit 500. Circulation pump 700 sends the hydrogen discharged to second fuel gas discharge unit 500 to fuel gas supply unit 200 during normal operation. This makes it possible to efficiently use hydrogen during normal operation. When the hydrogen purge shown in FIG. 4 is performed, the circulation pump 700 is stopped, thereby preventing the circulation of hydrogen. If necessary, on / off valves may be provided before and after the circulation pump 700 to control the presence or absence of hydrogen circulation. The present invention can be applied even to such a system that circulates hydrogen gas.

上記説明では、バッファタンク420を備えている燃料電池システム10を例にとり説明したが、バッファタンク420は省略してもよい。   In the above description, the fuel cell system 10 including the buffer tank 420 has been described as an example, but the buffer tank 420 may be omitted.

本実施例では、起動時の水素の充填圧力を、通常運転時の供給圧力よりも高くしているが、起動時の水素の充填圧力は、通常運転時の供給圧力と同じであってもよい。起動時の水素の供給圧力が、通常運転時の供給圧力と同じであっても、第1の燃料ガス排出部が、燃料ガス供給部と反対側に接続され、第2の燃料ガス排出部が、燃料ガス供給部と同じ側に接続されていれば、燃料電池スタック100内の空気を水素に容易に置換することが可能である。   In this embodiment, the hydrogen filling pressure at the time of startup is set higher than the supply pressure at the time of normal operation, but the hydrogen filling pressure at the time of startup may be the same as the supply pressure at the time of normal operation. . Even if the supply pressure of hydrogen at the time of startup is the same as the supply pressure during normal operation, the first fuel gas discharge unit is connected to the side opposite to the fuel gas supply unit, and the second fuel gas discharge unit If connected to the same side as the fuel gas supply unit, the air in the fuel cell stack 100 can be easily replaced with hydrogen.

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。   The embodiments of the present invention have been described above based on some examples. However, the above-described embodiments of the present invention are for facilitating the understanding of the present invention and limit the present invention. It is not a thing. The present invention can be changed and improved without departing from the spirit and scope of the claims, and it is needless to say that the present invention includes equivalents thereof.

10…燃料電池システム
100…燃料電池スタック
110…燃料ガス供給マニホールド
112…燃料ガス排出マニホールド
120…酸化ガス供給マニホールド
122…酸化ガス排出マニホールド
130…発電ユニット
130L…発電ユニット
130R…発電ユニット
140…ガス遮断プレート
141〜143、146、147…孔
145…ガス遮断プレート
150…エンドプレート
160…エンドプレート
200…燃料ガス供給部
210…水素タンク
210…高圧水素タンク
220…減圧弁
230…流量制御弁
240…配管
300…酸化ガス供給部
310…空気取入口
320…エアポンプ
330…配管
400…第1の燃料ガス排出部
410…第1の排気弁
420…バッファタンク
430…第2の排気弁
440…配管
500…第2の燃料ガス排出部
510…第3の排気弁
520…配管
600…制御部
700…循環ポンプ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell system 100 ... Fuel cell stack 110 ... Fuel gas supply manifold 112 ... Fuel gas discharge manifold 120 ... Oxidation gas supply manifold 122 ... Oxidation gas discharge manifold 130 ... Power generation unit 130L ... Power generation unit 130R ... Power generation unit 140 ... Gas cutoff Plates 141 to 143, 146, 147 ... holes 145 ... gas blocking plate 150 ... end plate 160 ... end plate 200 ... fuel gas supply unit 210 ... hydrogen tank 210 ... high pressure hydrogen tank 220 ... pressure reducing valve 230 ... flow rate control valve 240 ... piping DESCRIPTION OF SYMBOLS 300 ... Oxidizing gas supply part 310 ... Air intake 320 ... Air pump 330 ... Piping 400 ... 1st fuel gas discharge part 410 ... 1st exhaust valve 420 ... Buffer tank 430 ... 2nd exhaust valve 440 ... Piping 50 ... second fuel gas discharge portion 510 ... third exhaust valves 520 ... pipe 600 ... control unit 700 ... circulation pump

Claims (7)

燃料電池システムであって、
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックのスタック積層方向の第1の端部に接続された燃料ガス供給部と、
前記第1の端部と反対側の前記燃料電池スタックの第2の端部に接続された第1の燃料ガス排出部と、
前記第1の端部に接続された第2の燃料ガス排出部と、
前記燃料ガスの前記燃料電池スタックへの供給、排出を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池スタックの起動時に、前記第2の燃料ガス排出部からのガスの排出を停止させ、前記燃料ガス供給部から燃料ガスを供給すると共に前記第1の燃料ガス排出部からガスを排出させて、前記燃料電池スタック内の燃料ガス流路中の残存ガスを前記燃料ガスに置換させ、
前記燃料ガスへの置換後、前記第1の燃料ガス排出部からのガスの排出を停止させるとともに、前記第2の燃料ガス排出部からガスを排出させる、
燃料電池システム。
A fuel cell system,
A fuel cell stack;
A fuel gas supply unit connected to a first end of the fuel cell stack in the stacking direction;
A first fuel gas exhaust connected to a second end of the fuel cell stack opposite the first end;
A second fuel gas exhaust connected to the first end;
A control unit for controlling supply and discharge of the fuel gas to the fuel cell stack;
With
The controller is
When starting the fuel cell stack, the gas discharge from the second fuel gas discharge unit is stopped, the fuel gas is supplied from the fuel gas supply unit, and the gas is discharged from the first fuel gas discharge unit. And replacing the residual gas in the fuel gas flow path in the fuel cell stack with the fuel gas,
After the replacement with the fuel gas, the gas discharge from the first fuel gas discharge unit is stopped and the gas is discharged from the second fuel gas discharge unit.
Fuel cell system.
請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、
前記第1の燃料ガス排出部は、予め定められた圧力以上で開弁して、前記燃料電池スタック内のガスを排出するための排気弁を備える、燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1, wherein
The first fuel gas discharge unit is a fuel cell system including an exhaust valve that opens at a predetermined pressure or more and discharges gas in the fuel cell stack.
請求項2に記載の燃料電池システムにおいて、
前記第1の燃料ガス排出部は、さらに、
前記排気弁から排出されたガスを一時的に貯留するバッファタンクと、
前記バッファタンクの下流側に接続され、前記バッファタンク内のガスを排気するための第2の排気弁と、
を備える、燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 2, wherein
The first fuel gas discharge unit further includes:
A buffer tank for temporarily storing the gas discharged from the exhaust valve;
A second exhaust valve connected to the downstream side of the buffer tank for exhausting the gas in the buffer tank;
A fuel cell system comprising:
請求項2または請求項3の記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガス供給部は、
燃料タンクと、
前記燃料タンクと前記燃料電池スタックの間に配置される燃料ガス供給圧力調整部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池システムの起動時に、前記燃料ガス供給部に対して前記燃料電池システムの通常運転時における前記燃料ガスの供給圧力よりも高い圧力で前記燃料ガスを供給させる、燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 2 or claim 3,
The fuel gas supply unit
A fuel tank,
A fuel gas supply pressure adjusting unit disposed between the fuel tank and the fuel cell stack;
With
The control unit causes the fuel gas supply unit to supply the fuel gas at a pressure higher than a supply pressure of the fuel gas during normal operation of the fuel cell system when the fuel cell system is started. system.
燃料電池システムの起動方法であって、
(a)燃料電池スタックの起動時に、燃料タンクから燃料電池スタックのスタック積層方向の第1の端部から燃料ガスを供給し、
(b)前記第1の端部と反対側の前記燃料電池スタックの第2の端部に接続された第1の燃料ガス排出部から前記燃料電池スタック内のガスを排出しながら燃料ガスに置換し、
(c)燃料ガスへの置換後、前記第1の燃料ガス排出部からのガスの排出を停止させ、前記第1の端部に接続された第2の燃料ガス排出部からガスを排出させる、燃料電池システムの起動方法。
A method for starting a fuel cell system, comprising:
(A) When starting the fuel cell stack, supply fuel gas from the first end in the stacking direction of the fuel cell stack from the fuel tank;
(B) Replacement with fuel gas while discharging the gas in the fuel cell stack from the first fuel gas discharge portion connected to the second end portion of the fuel cell stack opposite to the first end portion And
(C) After the replacement with the fuel gas, the discharge of the gas from the first fuel gas discharge unit is stopped, and the gas is discharged from the second fuel gas discharge unit connected to the first end, How to start a fuel cell system.
請求項5に記載の燃料電池システムの起動方法において、
前記(a)の工程において、前記燃料ガスを通常運転時の圧力よりも高い圧力で供給し、
前記(b)の工程において、前記燃料電池スタック内の圧力が予め定められた圧力以上になったときに、前記第1の燃料ガス排出部から前記燃料電池スタック内のガスを排出させる、燃料電池システムの起動方法。
In the starting method of the fuel cell system according to claim 5,
In the step (a), the fuel gas is supplied at a pressure higher than the pressure during normal operation,
In the step (b), when the pressure in the fuel cell stack becomes equal to or higher than a predetermined pressure, the fuel cell discharges the gas in the fuel cell stack from the first fuel gas discharge unit. How to start the system.
請求項6に記載の燃料電池システムの起動方法において、
前記(b)の工程において、前記燃料電池スタック内のガスを、バッファタンクに貯蔵し、前記(c)の工程に切り替わった後、前記バッファタンクから前記ガスを徐々に排気させる、燃料電池システムの起動方法。
In the starting method of the fuel cell system according to claim 6,
In the step (b), the gas in the fuel cell stack is stored in a buffer tank, and after switching to the step (c), the gas is gradually exhausted from the buffer tank. starting method.
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JP2013140731A (en) * 2012-01-05 2013-07-18 Nissan Motor Co Ltd Fuel cell system
RU2564533C2 (en) * 2011-06-03 2015-10-10 Язаки Корпорейшн Junction terminal and method for manufacturing junction terminal

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