JP2010176993A - Shutdown method of solid polymer fuel cell system and solid polymer fuel cell system - Google Patents

Shutdown method of solid polymer fuel cell system and solid polymer fuel cell system Download PDF

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Eiki Ito
栄基 伊藤
Akio Sato
昭男 佐藤
Takuya Moriga
卓也 森賀
Setsuo Omoto
節男 大本
Toshihiro Tani
俊宏 谷
Mitsuyoshi Iwata
光由 岩田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a shutdown method of a solid polymer fuel cell system and a solid polymer fuel cell system with a volume of use of nitrogen greatly reduced, and capable of stopping the solid polymer fuel cell system even in a compact system. <P>SOLUTION: The shutdown method of the solid polymer fuel cell system comprises, (1) a route closing process of containing a supply route of hydrogen and oxygen supplied to the fuel cell, (2) a hydrogen and oxygen removal mode process carrying out removal of residue hydrogen and oxygen from a fuel cell stack 11, (for instance, consuming hydrogen and oxygen in the fuel cell system through power generation by (1) passing a given current, (2) connecting a given resistor, (3) impressing a given voltage or the like, and (4) evacuating residue hydrogen and oxygen outside or the like), and (3) an inert gas substituting process of supplying inert gas in the fuel cell stack 11. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池システムの停止方法及び固体高分子形燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a method for stopping a polymer electrolyte fuel cell system and a polymer electrolyte fuel cell system.

図５に従来の固体高分子形燃料電池システムの概略図を示す。
図５に示すように、アノード極１１ａとカソード極１１ｂとを有する燃料電池スタック（複数の燃料電池セルの積層体）１１には、燃料ガス供給手段である水素ボンベ１２から水素（Ｈ2）がアノード極１１ａに、配管Ｌ1を介して供給され、酸化剤ガス供給手段の酸素ボンベ１３からは酸素（Ｏ2）が配管Ｌ2を介して供給されている。
燃料電池セルを構成するイオン交換膜からなる電解質膜１１ｃは、アノード極１１ａ及びカソード極１１ｂの間に配置されている。また、水素と酸素の供給の際には、それぞれ燃料側加湿器１４ａと酸化剤側加湿器１４ｂとにより加湿された水素と酸素を含有するガスが配管Ｌ３，Ｌ４を介して、それぞれ供給されている。また、配管Ｌ３，Ｌ４には、圧力計Ｐ1、Ｐ2が設置され、それぞれの供給圧力を監視している。 FIG. 5 shows a schematic diagram of a conventional polymer electrolyte fuel cell system.
As shown in FIG. 5, hydrogen (H 2 ) is supplied to a fuel cell stack (laminated body of a plurality of fuel cells) 11 having an anode electrode 11a and a cathode electrode 11b from a hydrogen cylinder 12 serving as a fuel gas supply means. Oxygen (O 2 ) is supplied to the anode 11a via the pipe L 1 and oxygen (O 2 ) is supplied from the oxygen cylinder 13 of the oxidant gas supply means via the pipe L 2 .
The electrolyte membrane 11c made of an ion exchange membrane constituting the fuel battery cell is disposed between the anode electrode 11a and the cathode electrode 11b. In addition, when the supply of hydrogen and oxygen, gas containing humidified hydrogen and oxygen by the respective fuel side humidifier 14a and the oxidizing agent side humidifier 14b via the pipe L 3, L 4, supplied Has been. In addition, pressure gauges P 1 and P 2 are installed in the pipes L 3 and L 4 to monitor respective supply pressures.

また、パージ用の不活性ガスの供給手段である窒素ボンベ１５ａ、１５ｂから供給される窒素（Ｎ2）は、Ｌ９，Ｌ１０を介して、燃料電池スタック１１のアノード極１１ａ側とカソード極１１ｂ側に供給され、窒素と水素又は窒素と酸素とが合流され、窒素置換を行うようにしている。この供給の際には、燃料側窒素加湿器１６ａと酸化剤側窒素加湿器１６ｂとにより加湿されたパージガスが配管Ｌ７，Ｌ８を介して、それぞれ供給されている。
さらに、アノード極１１ａ及びカソード極１１ｂの下流側の配管Ｌ５，Ｌ６には、それぞれドレンポット１７ａ、１７ｂが設置され、凝縮されたドレンの除去をしている。
また、各配管Ｌ１，Ｌ２，Ｌ９，Ｌ１０には、マスフローコントローラー１８ａ、１８ｂ、１９ａ、１９ｂが設置されている。 Further, nitrogen cylinder 15a which is a supply means of the inert gas for purging, the nitrogen supplied from 15b (N 2), via the L 9, L 10, anode 11a side and the cathode electrode of the fuel cell stack 11 11b is supplied, and nitrogen and hydrogen or nitrogen and oxygen are merged to perform nitrogen substitution. During this supply, the purge gas that has been humidified by the fuel-side nitrogen humidifier 16a and the oxidizing agent side nitrogen humidifier 16b via the pipe L 7, L 8, are supplied, respectively.
Further, the pipe L 5, L 6 of the downstream side of the anode electrode 11a and cathode electrode 11b, is drain pot 17a respectively, 17b are disposed, and the removal of condensed drain.
In addition, each pipe L 1, L 2, L 9 , L 10, mass flow controllers 18a, 18b, 19a, 19b are installed.

２つの第１仕切弁２０ａ、２０ｂは、水素ボンベ１２及び酸素ボンベ１３の下流側の配管Ｌ１，Ｌ２にそれぞれ設置され、供給する際のガス圧力の調整をしている。２つの第２仕切弁２１ａ、２１ｂは、燃料側加湿器１４ａ及び酸化剤側加湿器１４ｂの下流側の配管Ｌ３，Ｌ４にそれぞれ設置され、流路の開閉をしている。
２つの第３仕切弁２２ａ、２２ｂは、アノード極１１ａ及びカソード極１１ｂの下流側の配管Ｌ５，Ｌ６にそれぞれ設置され、流路の開閉をしている。
２つの第４仕切弁２３ａ、２３ｂは、窒素ボンベ１５ａ、１５ｂ近傍の前記配管Ｌ９，Ｌ１０にそれぞれ設置され、ガス圧力の調整をしている。２つの第５仕切弁２４ａ、２４ｂは、燃料側窒素加湿器１６ａと酸化剤側窒素加湿器１６ｂの下流側の配管Ｌ７，Ｌ８にそれぞれ設置され、流路の開閉をしている。 The two first gate valves 20a and 20b are installed in the pipes L 1 and L 2 on the downstream side of the hydrogen cylinder 12 and the oxygen cylinder 13, respectively, and adjust the gas pressure when supplying them. The two second gate valves 21a and 21b are respectively installed in the pipes L 3 and L 4 on the downstream side of the fuel side humidifier 14a and the oxidant side humidifier 14b, and open and close the flow paths.
Two third partition valve 22a, 22b are respectively installed in the pipe L 5, L 6 of the downstream side of the anode electrode 11a and cathode electrode 11b, and the opening and closing of the flow path.
Two fourth partition valves 23a, 23b is nitrogen cylinder 15a, respectively installed in the pipe L 9, L 10 and 15b near, and the adjustment of the gas pressure. Two fifth gate valve 24a, 24b are respectively installed in the pipe L 7, L 8 on the downstream side of the fuel-side nitrogen humidifier 16a and the oxidant side of nitrogen humidifier 16b, are the opening and closing of the flow path.

次に、従来の固体高分子形燃料電池システムの停止・保管方法を説明する。
まず、固体高分子形燃料電池システムの運転の際には、第４仕切弁２３ａ、２３ｂ及び第５仕切弁２４ａ、２４ｂを閉じておき、水素を水素ボンベ１２から燃料側加湿器１４ａを通してアノード極１１ａに、酸素を酸素ボンベ１３から酸化剤側加湿器１４ｂを通してカソード極１１ｂにそれぞれ供給することにより発電を行う。 Next, a method for stopping and storing a conventional polymer electrolyte fuel cell system will be described.
First, when the polymer electrolyte fuel cell system is operated, the fourth gate valves 23a and 23b and the fifth gate valves 24a and 24b are closed, and hydrogen is supplied from the hydrogen cylinder 12 through the fuel side humidifier 14a to the anode electrode. Electricity is generated by supplying oxygen to the cathode 11b from the oxygen cylinder 13 through the oxidant side humidifier 14b.

そして、固体高分子形燃料電池システムの運転停止の際においては、第１仕切弁２０ａ及び第２仕切弁２１ａを閉じて、水素ボンベ１２からの燃料の供給を停止し、燃料電池スタックを冷却した後、第４仕切弁２３ａ及び第５仕切弁２４ａを開けて窒素を窒素ボンベ１５ａから燃料側窒素加湿器１６ａを経由して供給し、ここで飽和まで加湿された窒素を前記アノード極１１ａに供給して前記アノード極１１ａの残存水素をパージしながら窒素に置換する。
置換を終了した後、第５仕切弁２４ａを閉じることにより加湿された窒素の封入を完了する。 When the operation of the polymer electrolyte fuel cell system is stopped, the first gate valve 20a and the second gate valve 21a are closed, the supply of fuel from the hydrogen cylinder 12 is stopped, and the fuel cell stack is cooled. Thereafter, the fourth gate valve 23a and the fifth gate valve 24a are opened, and nitrogen is supplied from the nitrogen cylinder 15a via the fuel side nitrogen humidifier 16a. Here, the nitrogen humidified until saturation is supplied to the anode 11a. Then, the remaining hydrogen in the anode 11a is replaced with nitrogen while purging.
After completion of the replacement, the humidification of nitrogen is completed by closing the fifth gate valve 24a.

また、同様にして、第１仕切弁２０ｂ及び第２仕切弁２１ｂを閉じて、酸素ボンベ１３からの酸素の供給を停止し、第４仕切弁２３ｂ及び第５仕切弁２４ｂを開けて窒素を窒素ボンベ１５ｂから酸化剤側窒素加湿器１６ｂに供給し、ここで飽和まで加湿された窒素をカソード極１１ｂに供給して前記カソード極１１ｂの残存酸素をパージしながら窒素に置換する。
置換を終了した後、第５仕切弁２４ｂを閉じることにより加湿された窒素の封入を完了する。 Similarly, the first gate valve 20b and the second gate valve 21b are closed, the supply of oxygen from the oxygen cylinder 13 is stopped, the fourth gate valve 23b and the fifth gate valve 24b are opened, and nitrogen is nitrogenated. The gas is supplied from the cylinder 15b to the oxidant side nitrogen humidifier 16b, where the nitrogen humidified until saturation is supplied to the cathode electrode 11b, and the remaining oxygen in the cathode electrode 11b is purged and replaced with nitrogen.
After completion of the replacement, the humidification of nitrogen is completed by closing the fifth gate valve 24b.

ここで、パージガスとして飽和まで加湿された窒素とするのは、パージを行うには多量（燃料電池スタック系内の４〜５倍の体積）のガスが必要となるので、供給される窒素による燃料電池スタック内の乾燥を防ぐために、飽和まで加湿された窒素が必要となるからである。   Here, nitrogen that has been humidified until saturation is used as the purge gas because a large amount of gas (4 to 5 times the volume in the fuel cell stack system) is required for purging. This is because nitrogen that has been humidified to saturation is required to prevent drying in the battery stack.

このようにして、燃料ガス流路または酸化剤ガス流路に加湿された窒素を封入した状態で運転を停止し、保管することによって燃料電池を構成する前記電解質膜であるイオン交換膜を乾燥させずに保水状態を維持できるため、再起動時、水素ボンベ１２及び酸素ボンベ１３からそれぞれ燃料（水素）および酸化剤（酸素）を導入することにより速やかに発電を開始できる（特許文献１）。   In this way, the operation is stopped with the humidified nitrogen sealed in the fuel gas channel or the oxidant gas channel, and the ion exchange membrane, which is the electrolyte membrane constituting the fuel cell, is dried by storing it. Therefore, at the time of restart, power generation can be started quickly by introducing fuel (hydrogen) and oxidant (oxygen) from the hydrogen cylinder 12 and the oxygen cylinder 13 respectively (Patent Document 1).

特開平０６−２５１７８８号公報Japanese Patent Laid-Open No. 06-251788

しかしながら、パージガスとして窒素を用い、燃料電池スタック１１内の水素及び酸素を殆ど追出して窒素パージするために、燃料電池スタック１１内及び配管の全てをガス置換するので、用いる窒素使用量が多くなる、という問題がある。
また、大量な窒素で置換するので、燃料電池スタック１１内を加湿状態とする必要があり、窒素加湿器１６ａ、１６ｂの設置及びそれに伴う流量制御器等の周辺機器の設置が必須となる。
この結果、長期間に亙って燃料電池システムの運転及び停止を何度も繰り返すような場合には、不活性ガスを供給する窒素ボンベの大容量化や多量のボンベの保管が必要であると共に、周辺装置の設置スペースも問題となる。 However, since nitrogen is used as the purge gas to purge most of the hydrogen and oxygen in the fuel cell stack 11 and purge the nitrogen, the entire amount of the fuel cell stack 11 and the piping are replaced with gas, so that the amount of nitrogen used is increased. There is a problem.
In addition, since a large amount of nitrogen is substituted, the fuel cell stack 11 needs to be in a humidified state, and the installation of the nitrogen humidifiers 16a and 16b and the accompanying peripheral devices such as a flow rate controller are essential.
As a result, when the operation and stop of the fuel cell system are repeated many times over a long period of time, it is necessary to increase the capacity of the nitrogen cylinder for supplying the inert gas and to store a large amount of cylinders. Also, the installation space for peripheral devices becomes a problem.

本発明は、前記問題に鑑み、窒素使用量を大幅に低減すると共に、コンパクトな装置においても燃料電池システムの停止が可能な固体高分子形燃料電池システムの停止方法及び固体高分子形燃料電池システムを提供することを課題とする。   In view of the above problems, the present invention provides a method for stopping a polymer electrolyte fuel cell system and a polymer electrolyte fuel cell system capable of significantly reducing the amount of nitrogen used and stopping the fuel cell system even in a compact apparatus. It is an issue to provide.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の第１の発明は、固体高分子形燃料電池システムの停止方法であって、１） 燃料電池スタックに供給する水素及び酸素の供給経路を封じ込む経路閉鎖工程と、２） 燃料電池スタックに対し、残存する水素及び酸素を除去する水素及び酸素除去モード工程と、３） 前記燃料電池スタック内に不活性ガスを供給する不活性ガス置換工程と、を有することを特徴とする固体高分子形燃料電池システムの停止方法にある。   In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object, a first invention of the present invention is a method for stopping a polymer electrolyte fuel cell system, and 1) supply of hydrogen and oxygen supplied to a fuel cell stack A path closing process for sealing the path, 2) a hydrogen and oxygen removal mode process for removing remaining hydrogen and oxygen from the fuel cell stack, and 3) an inert gas for supplying an inert gas into the fuel cell stack. A method of stopping the polymer electrolyte fuel cell system, comprising: a replacement step.

第２の発明は、第１の発明において、水素及び酸素除去モードは、残存する水素及び酸素の消費を行うことを特徴とする固体高分子形燃料電池システムの停止方法にある。   According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the hydrogen and oxygen removal mode is a method of stopping the polymer electrolyte fuel cell system, wherein the remaining hydrogen and oxygen are consumed.

第３の発明は、第１の発明において、水素及び酸素除去モードは、残存する水素及び酸素を系外に強制排気することを特徴とする固体高分子形燃料電池システムの停止方法にある。   According to a third invention, in the first invention, the hydrogen and oxygen removal mode is a method for stopping the polymer electrolyte fuel cell system, wherein the remaining hydrogen and oxygen are forcibly exhausted out of the system.

第４の発明は、第１乃至３のいずれか一つの発明において、前記不活性ガスは、加湿しない不活性ガスであることを特徴とする固体高分子形燃料電池システムの停止方法にある。   According to a fourth aspect of the invention, there is provided the method for stopping a polymer electrolyte fuel cell system according to any one of the first to third aspects, wherein the inert gas is an inert gas that is not humidified.

第５の発明は、第１乃至４のいずれか一つの発明において、前記１）の経路閉鎖工程の後に、前記燃料電池スタック内に残存する水素及び酸素をガス循環ラインにより循環させる水素及び酸素循環工程を有することを特徴とする固体高分子形燃料電池システムの停止方法にある。   A fifth invention is the hydrogen and oxygen circulation according to any one of the first to fourth inventions, wherein the hydrogen and oxygen remaining in the fuel cell stack are circulated by a gas circulation line after the path closing step of 1). And a method for stopping the polymer electrolyte fuel cell system.

第６の発明は、第１乃至５のいずれか一つの発明において、前記２）の水素及び酸素除去モード工程において、前記燃料電池スタック内の圧力が、スタック温度の所定圧力に低下するまで保持することを特徴とする固体高分子形燃料電池システムの停止方法にある。   According to a sixth aspect of the present invention, in any one of the first to fifth aspects, in the hydrogen and oxygen removal mode step of 2), the pressure in the fuel cell stack is maintained until the stack temperature is lowered to a predetermined pressure. There is a method for stopping a polymer electrolyte fuel cell system.

第７の発明は、第１乃至６のいずれか一つの発明において、前記３）の不活性ガス置換工程において、前記水素及び酸素除去モード工程により除去した水素及び酸素分だけ不活性ガスを供給することを特徴とする固体高分子形燃料電池システムの停止方法にある。   In a seventh aspect of the present invention, in any one of the first to sixth aspects, the inert gas is supplied by the hydrogen and oxygen components removed in the hydrogen and oxygen removal mode step in the inert gas replacement step of 3). There is a method for stopping a polymer electrolyte fuel cell system.

第８の発明は、第１乃至７のいずれか一つの発明において、前記燃料電池スタック内の圧力が所定の圧力になった時点で、不活性ガスの供給系を封じ込め、不活性ガス置換を終了することを特徴とする固体高分子形燃料電池システムの停止方法にある。   In an eighth aspect of the present invention, in any one of the first to seventh aspects, when the pressure in the fuel cell stack reaches a predetermined pressure, the inert gas supply system is sealed, and the inert gas replacement is completed. There is a method for stopping a polymer electrolyte fuel cell system.

第９の発明は、第１乃至８のいずれか一つの発明において、燃料電池スタック内のアノード系内の不活性ガスの置換容積が、カソード系内の不活性ガスのガス置換容積の二倍以上であることを特徴とする固体高分子形燃料電池システムの停止方法にある。   According to a ninth invention, in any one of the first to eighth inventions, the replacement volume of the inert gas in the anode system in the fuel cell stack is at least twice the gas replacement volume of the inert gas in the cathode system. In the method for stopping the polymer electrolyte fuel cell system,

第１０の発明は、アノード極とカソード極との間に電解質膜を介在してなる燃料電池セルを備える燃料電池スタックと、アノード極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、カソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、運転停止の際に不活性ガスを燃料電池スタック内に供給する不活性ガス供給手段と、前記運転停止の際に、燃料電池スタックに供給する水素及び酸素の供給経路を封じ込めると共に、残存する燃料ガス及び酸化剤ガスの水素及び酸素の除去を行い、且つ前記水素及び酸素の除去と共に、又は除去のほぼ完了の後に、不活性ガスを供給する制御を行う制御装置と、を有することを特徴とする固体高分子形燃料電池システムにある。   According to a tenth aspect of the invention, there is provided a fuel cell stack including a fuel cell having an electrolyte membrane interposed between an anode electrode and a cathode electrode, fuel gas supply means for supplying a fuel gas to the anode electrode, and oxidation at the cathode electrode An oxidant gas supply means for supplying an agent gas, an inert gas supply means for supplying an inert gas into the fuel cell stack when the operation is stopped, hydrogen supplied to the fuel cell stack when the operation is stopped, and Control to supply the inert gas together with the removal of the hydrogen and oxygen of the remaining fuel gas and oxidant gas, and with or substantially after the removal of the hydrogen and oxygen, while confining the oxygen supply path. And a control device for performing the solid polymer fuel cell system.

第１１の発明は、第１０の発明において、更に残存するガスを系外に排気するガス排気手段を有し、前記制御装置は、ガスの除去に際して当該ガス排気手段の制御を行うことを特徴とする固体することにより行う固体高分子形燃料電池システムにある。   An eleventh aspect of the invention is characterized in that, in the tenth aspect of the invention, further comprising gas exhaust means for exhausting remaining gas out of the system, and the control device controls the gas exhaust means when removing the gas. It is in a polymer electrolyte fuel cell system that performs by solidifying.

第１２の発明は、第１０又は１１の発明において、前記不活性ガスは、加湿しない不活性ガスであることを特徴とする固体高分子形燃料電池システムにある。   A twelfth invention is the polymer electrolyte fuel cell system according to the tenth or eleventh invention, wherein the inert gas is an inert gas which is not humidified.

本発明によれば、固体高分子形燃料電池システムの停止の際に、燃料電池に供給する水素及び酸素の供給経路を封じ込む経路閉鎖工程と、燃料電池スタックに対し、残存する水素及び酸素の除去を行う水素及び酸素除去モード工程とを有することにより、不活性ガスのガスパージ消費量を軽減すると共に、設備を簡略化し、かつ、停止時の電池の劣化を防止できる。
また、パージする不活性ガス量が従来よりも大幅に低減されるので、不活性ガスの加湿が不要となる。 According to the present invention, when the solid polymer fuel cell system is stopped, a path closing step for sealing a supply path for hydrogen and oxygen supplied to the fuel cell, and the remaining hydrogen and oxygen remaining in the fuel cell stack. By including the hydrogen and oxygen removal mode process for performing the removal, the gas purge consumption of the inert gas can be reduced, the equipment can be simplified, and the battery can be prevented from deteriorating when stopped.
Further, since the amount of inert gas to be purged is greatly reduced as compared with the conventional case, humidification of the inert gas becomes unnecessary.

図１は、実施例１の固体高分子形燃料電池システムの概略図である。1 is a schematic diagram of a polymer electrolyte fuel cell system of Example 1. FIG. 図２は、実施例２の固体高分子形燃料電池システムの概略図である。FIG. 2 is a schematic view of a polymer electrolyte fuel cell system of Example 2. 図３は、試験結果を示す燃料電池システムの運転時間と水素及び酸素濃度又は系内圧力との関係図である。FIG. 3 is a graph showing the relationship between the operation time of the fuel cell system and the hydrogen and oxygen concentrations or the system pressure, showing the test results. 図４は、比較例のパージ時間と水素及び酸素濃度との関係図である。FIG. 4 is a relationship diagram between the purge time and the hydrogen and oxygen concentrations in the comparative example. 図５は、従来技術の固体高分子形燃料電池システムの概略図である。FIG. 5 is a schematic view of a prior art polymer electrolyte fuel cell system.

以下に、本発明にかかるガス中のガス成分計測装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。   Embodiments of a gas component measuring device in gas according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.

本発明による実施例１に係る固体高分子形燃料電池システムの停止方法及び固体高分子形燃料電池システムについて、図面を参照して説明する。
図１は、実施例に係る固体高分子形燃料電池システムの概略図を示す。
なお、前述した従来技術を示す図５の固体高分子形燃料電池システムと同一の部材については、同一符号を付して重複する説明は省略する。
図１に示すように、本実施例に係る固体高分子形燃料電池システム１０Ａは、アノード極１１ａとカソード極１１ｂとの間に電解質膜１１ｃを介在してなる燃料電池セルを備える燃料電池スタック１１と、アノード極１１ａに燃料ガス（例えば水素）を供給する燃料ガス供給手段と、カソード極１１ｂに酸化剤ガス（例えば酸素）を供給する酸化剤ガス供給手段と、運転停止の際に不活性ガス（例えば窒素）を燃料電池スタック１１内に供給する不活性ガス供給手段と、前記運転停止の際に、燃料電池スタック１１内に供給する水素及び酸素の供給経路を封じ込めると共に、残存する燃料ガス及び酸化剤ガスの水素及び酸素の除去を行い、且つ前記水素及び酸素の除去と共に、又は除去のほぼ完了の後に、不活性ガスを供給する制御を行う制御装置（図示せず）とを有するものである。 A method for stopping a polymer electrolyte fuel cell system and a polymer electrolyte fuel cell system according to Example 1 of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram of a polymer electrolyte fuel cell system according to an embodiment.
In addition, about the same member as the polymer electrolyte fuel cell system of FIG. 5 which shows the prior art mentioned above, the same code | symbol is attached | subjected and the overlapping description is abbreviate | omitted.
As shown in FIG. 1, a polymer electrolyte fuel cell system 10A according to this embodiment includes a fuel cell stack 11 including a fuel cell having an electrolyte membrane 11c interposed between an anode electrode 11a and a cathode electrode 11b. A fuel gas supply means for supplying a fuel gas (for example, hydrogen) to the anode electrode 11a, an oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas (for example, oxygen) to the cathode electrode 11b, and an inert gas when the operation is stopped. An inert gas supply means for supplying (for example, nitrogen) into the fuel cell stack 11 and a supply path of hydrogen and oxygen supplied into the fuel cell stack 11 when the operation is stopped; Control is performed to remove hydrogen and oxygen from the oxidant gas and to supply an inert gas with or after the removal of the hydrogen and oxygen. Those having a device (not shown).

図１に示すように、本実施例の固体高分子形燃料電池システム１０Ａでは、従来のシステム構成において、さらにアノード極１１ａ内を水素が循環する循環ラインＬ１１と、カソード極１１ｂ内を酸素が循環する循環ラインＬ１２とを有している。また各循環ラインＬ１１、Ｌ１２には、循環ポンプ３１ａ、３１ｂ、第６仕切弁３２ａ、３２ｂ、第７仕切弁３３ａ、３３ｂが各々設置されている。 As shown in FIG. 1, the polymer electrolyte fuel cell system 10A of the present embodiment, in a conventional system configuration, a circulation line L 11 further circulating hydrogen in the anode electrode 11a, oxygen within the cathode electrode 11b and a circulation line L 12 to circulate. Further, circulation pumps 31a and 31b, sixth gate valves 32a and 32b, and seventh gate valves 33a and 33b are installed in the circulation lines L 11 and L 12 , respectively.

また、本実施例においては、アノード極１１ａ側のドレンポット１７ａは、カソード極１１ｂ側のドレンポット１７ｂよりもその容量を大きくしていると共に、アノード極１１ａ側の水素循環ラインＬ１１は、ドレンポット１７ａを出た後で水素を循環するようにしている。 In the present embodiment, drain pot 17a of the anode 11a side, than the drain pot 17b of the cathode electrode 11b side with which to increase its capacity, the hydrogen circulation line L 11 of the anode 11a side, drain Hydrogen is circulated after leaving the pot 17a.

本実施例では、パージする不活性ガス（窒素）は、積極的に加湿しても良いが、本発明においては窒素パージ量が少ないので、従来のような窒素用の加湿装置を設置せず、加湿を省略するようにしてもよい。   In this embodiment, the inert gas (nitrogen) to be purged may be positively humidified, but in the present invention, since the nitrogen purge amount is small, a conventional humidifier for nitrogen is not installed, Humidification may be omitted.

本実施例に係る固体高分子形燃料電池システムを停止する方法は、燃料電池に供給する水素及び酸素を含有するガスの供給経路を封じ込む経路閉鎖工程（第１の工程）と、燃料電池スタック１１に対し、残存する水素及び酸素の除去を行う水素及び酸素除去モード工程（第２の工程）と、燃料電池スタック１１内に不活性ガス供給手段から不活性ガスを供給してパージする工程（第３の工程）とを有する。   The method of stopping the polymer electrolyte fuel cell system according to this embodiment includes a path closing step (first step) for sealing a supply path for a gas containing hydrogen and oxygen supplied to the fuel cell, and a fuel cell stack. 11, a hydrogen and oxygen removal mode step (second step) for removing the remaining hydrogen and oxygen, and a step of purging by supplying an inert gas from the inert gas supply means into the fuel cell stack 11 ( A third step).

この経路閉鎖工程は、燃料供給側では、水素ボンベ１２からの水素の供給を停止し、第１仕切弁２０ａ、第２仕切弁２１ａ及び第３仕切弁２２ａを閉めることにより行う。一方、酸素供給側では、酸素ボンベ１３からの酸素の供給を停止し、第１仕切弁２０ｂ、第２仕切弁２１ｂ及び第３仕切弁２２ｂを閉めることにより行う。なお、仕切弁２２ａ、２２ｂは、ドレンポット１７ａ、１７ｂの上流側に設置しても良いし、下流側に設置してもよい。これと共に、循環ラインＬ１１、Ｌ１２に設置された第６仕切弁３２ａ、３２ｂ、第７仕切弁３３ａ、３３ｂを開く。 This path closing step is performed on the fuel supply side by stopping the supply of hydrogen from the hydrogen cylinder 12 and closing the first gate valve 20a, the second gate valve 21a, and the third gate valve 22a. On the other hand, on the oxygen supply side, the supply of oxygen from the oxygen cylinder 13 is stopped, and the first gate valve 20b, the second gate valve 21b, and the third gate valve 22b are closed. The gate valves 22a and 22b may be installed on the upstream side of the drain pots 17a and 17b, or may be installed on the downstream side. At the same time, the sixth gate valves 32a and 32b and the seventh gate valves 33a and 33b installed in the circulation lines L 11 and L 12 are opened.

この水素及び酸素の供給経路を封じ込めた後に、残存する水素及び酸素の除去を行う水素及び酸素除去モード工程を実施する。
ここで、前記水素及び酸素除去モードとは、残存する水素及び酸素を積極的に消費する工程であり、特に制限されるものではない。この水素及び酸素除去モードとしては、例えば（１）所定の電流を通電する方法、（２）所定の抵抗を接続する方法、（３）所定の電圧を印加する方法等を適宜行うことにより、燃料電池システム内の水素、酸素を発電により消費させるようにしている。 After the supply path of hydrogen and oxygen is sealed, a hydrogen and oxygen removal mode process for removing the remaining hydrogen and oxygen is performed.
Here, the hydrogen and oxygen removal mode is a step of actively consuming remaining hydrogen and oxygen, and is not particularly limited. As this hydrogen and oxygen removal mode, for example, (1) a method of applying a predetermined current, (2) a method of connecting a predetermined resistance, (3) a method of applying a predetermined voltage, etc. Hydrogen and oxygen in the battery system are consumed by power generation.

この水素及び酸素除去モード工程により、残存された水素及び酸素を効率的に除去することができる。
本実施例の水素及び酸素除去モード工程においては、燃料電池スタック内の圧力が、スタック温度の所定圧力に低下するまでそれを保持し、残存ガスを使い果たすようにしている。なお、本圧力としては反応物である水の生成量の指標である飽和水蒸気圧が例示される。 By this hydrogen and oxygen removal mode step, the remaining hydrogen and oxygen can be efficiently removed.
In the hydrogen and oxygen removal mode process of the present embodiment, the pressure in the fuel cell stack is maintained until the stack temperature drops to a predetermined pressure, and the remaining gas is used up. In addition, as this pressure, the saturated water vapor pressure which is a parameter | index of the production amount of the water which is a reaction material is illustrated.

その後、残存するガスが殆ど無くなったら、第４仕切弁２３ａ、２３ｂ及び第５仕切弁２４ａ、２４ｂを開き、窒素ボンベ１５ａ、１５ｂからの窒素をアノード極１１ａ、カソード極１１ｂ側にそれぞれ供給し、不活性ガス置換工程を実施する。   After that, when the remaining gas is almost exhausted, the fourth gate valves 23a and 23b and the fifth gate valves 24a and 24b are opened, and nitrogen from the nitrogen cylinders 15a and 15b is supplied to the anode 11a and cathode 11b sides, respectively. An inert gas replacement step is performed.

そして、燃料電池スタック１１内の圧力が所定の圧力（最初の停止時の圧力に相当）になった時点で、不活性ガスのパージ系を封じ込め、不活性ガス置換工程を終了する。
具体的には、窒素ボンベ１５ａ、１５ｂからの窒素の供給を停止すると共に、第４仕切弁２３ａ、２３ｂ及び第５仕切弁２４ａ、２４ｂを閉鎖する。
この窒素パージされた状態で保管を行う。 Then, when the pressure in the fuel cell stack 11 reaches a predetermined pressure (corresponding to the pressure at the first stop), the inert gas purge system is sealed, and the inert gas replacement step is completed.
Specifically, the supply of nitrogen from the nitrogen cylinders 15a and 15b is stopped, and the fourth gate valves 23a and 23b and the fifth gate valves 24a and 24b are closed.
Storage is performed in a state purged with nitrogen.

また、本実施例においては、アノード極１１ａ側のドレンポット１７ａの大きさをカソード極１１ｂ側のドレンポット１７ｂよりも大きくしている。
実施例１における停止工程において、燃料電池系内の水素及び酸素を消費する場合、次の化学式（１）に従って反応が進む。
２Ｈ2＋Ｏ2→２Ｈ2Ｏ…（１）
この式（１）から、水素は酸素の２倍のモル数が必要であり、同圧、同温度条件下では、水素は酸素と比較して２倍の体積が必要となる。
よって、残存する水素及び酸素を消費するためには、燃料電池システムの停止時に燃料電池を封じきる際に、水素系内の体積を２倍にすることが必要となる。 In the present embodiment, the drain pot 17a on the anode 11a side is made larger than the drain pot 17b on the cathode 11b side.
In the stop step in Example 1, when hydrogen and oxygen in the fuel cell system are consumed, the reaction proceeds according to the following chemical formula (1).
2H 2 + O 2 → 2H 2 O (1)
From this equation (1), hydrogen needs to have twice the number of moles of oxygen, and under the same pressure and temperature conditions, hydrogen needs to have a volume twice that of oxygen.
Therefore, in order to consume the remaining hydrogen and oxygen, it is necessary to double the volume in the hydrogen system when sealing the fuel cell when the fuel cell system is stopped.

よって、本実施例では、ドレンポット１７ａを大きくすることでアノード極１１ａ系内のガス体積を、カソード極１１ｂ側のガス体積よりも２倍以上にするようにしている。
なお、アノード極１１ａ系内の体積を２倍以上にできるのであれば、ドレンポットによらず、大きい径の配管を用いるようにしても良い。 Therefore, in this embodiment, the drain pot 17a is enlarged so that the gas volume in the anode electrode 11a system is more than twice the gas volume on the cathode electrode 11b side.
In addition, as long as the volume in the anode electrode 11a system can be doubled or larger, a pipe having a large diameter may be used regardless of the drain pot.

ここで、固体高分子形燃料電池システムの運転・停止工程の具体例について、図１を参照しつつ説明する。本例では、水素及び酸素の除去を行った後に、窒素置換する方法である。
（１）先ず、燃料電池システム１０Ａで発電をしている(このときの運転圧力は、例えば５０ｋＰａＧとする。)。
（２）次に、燃料電池システム１０Ａに対して、運転を停止する制御を、図示しない制御装置により行う。
（３）次に、第１仕切弁２０ａ、２０ｂ、第２仕切弁２１ａ、２１ｂ及び第３仕切弁２２ａ、２２ｂを閉鎖して、水素及び酸素の供給系を封じ込める制御を、図示しない制御装置により行う。
（４）次に、第６仕切弁３２ａ、３２ｂ、第７仕切弁３３ａ、３３ｂを開き、循環ラインＬ１１、Ｌ１２の設置された循環ポンプ３１ａ、３１ｂを起動する制御を、図示しない制御装置により行う。
（５）その後、燃料電池スタック１１に、例えば抵抗を接続して、燃料電池システム内に残存する水素、酸素を発電により消費する水素及び酸素除去モード制御を、図示しない制御装置により行う。
（６）そして、燃料電池スタック１１内の圧力を圧力計Ｐ1、Ｐ2により監視し、スタック温度の所定圧力に低下するまで、（５）の水素及び酸素除去モードを保持する制御を、図示しない制御装置により行う。
（７）所定の圧力となったときに、窒素の供給準備を行う制御を、図示しない制御装置により行う。具体的には、第５仕切弁２４ａ、２４ｂを開くと共に、第４仕切弁である圧調弁２３ａ、２３ｂを運転時の圧力の５０ｋＰａＧに設定する。
（８）除去した水素及び酸素分だけ窒素を供給（系内の体積と同等又は１．５倍程度）して、不活性ガス置換工程を実施する制御を、図示しない制御装置により行う。そして、燃料電池スタック１１系内の圧力が５０ｋＰａＧになった時点で、窒素の供給を停止し、第４仕切弁２３ａ、２３ｂ及び第５仕切弁２４ａ、２４ｂを閉じ、燃料電池システムの系を封じ込め、停止工程を終了する制御を、図示しない制御装置により行う。 Here, a specific example of the operation / stop process of the polymer electrolyte fuel cell system will be described with reference to FIG. In this example, after removing hydrogen and oxygen, nitrogen is substituted.
(1) First, power is generated by the fuel cell system 10A (the operating pressure at this time is, for example, 50 kPaG).
(2) Next, control for stopping the operation of the fuel cell system 10A is performed by a control device (not shown).
(3) Next, the first gate valve 20a, 20b, the second gate valve 21a, 21b and the third gate valve 22a, 22b are closed by a control device (not shown) to contain the supply system of hydrogen and oxygen. Do.
(4) Next, control for opening the sixth gate valves 32a and 32b and the seventh gate valves 33a and 33b and starting the circulation pumps 31a and 31b in which the circulation lines L 11 and L 12 are installed is not shown. To do.
(5) Thereafter, a resistance is connected to the fuel cell stack 11, for example, and hydrogen and oxygen removal mode control for consuming hydrogen and oxygen remaining in the fuel cell system by power generation is performed by a control device (not shown).
(6) The pressure in the fuel cell stack 11 is monitored by the pressure gauges P 1 and P 2 , and the control for maintaining the hydrogen and oxygen removal mode in (5) until the stack temperature is reduced to a predetermined pressure is illustrated. Do not use the control device.
(7) When a predetermined pressure is reached, control for preparing nitrogen supply is performed by a control device (not shown). Specifically, the fifth gate valves 24a and 24b are opened, and the pressure regulating valves 23a and 23b, which are the fourth gate valves, are set to a pressure of 50 kPaG during operation.
(8) Nitrogen is supplied for the removed hydrogen and oxygen (equivalent to about the volume in the system or about 1.5 times), and control for performing the inert gas replacement step is performed by a control device (not shown). When the pressure in the fuel cell stack 11 system reaches 50 kPaG, the supply of nitrogen is stopped, the fourth gate valves 23a and 23b and the fifth gate valves 24a and 24b are closed, and the fuel cell system system is contained. The control for terminating the stopping process is performed by a control device (not shown).

また、固体高分子形燃料電池システムの他の運転・停止工程の具体例を説明する。本例では、水素及び酸素の除去と共に、窒素パージする方法である。なお、前述した工程（１）〜（５）は同様の操作を行っている。
（１）先ず、燃料電池システム１０Ａで発電をしている(このときの運転圧力は、例えば５０ｋＰａＧとする。)。
（２）次に、燃料電池システム１０Ａに対して、運転を停止する制御を、図示しない制御装置により行う。
（３）次に、第１仕切弁２０ａ、２０ｂ、第２仕切弁２１ａ、２１ｂ及び第３仕切弁２２ａ、２２ｂを閉鎖して、水素及び酸素の供給系を封じ込める制御を、図示しない制御装置により行う。
（４）次に、第６仕切弁３２ａ、３２ｂ、第７仕切弁３３ａ、３３ｂを開き、循環ラインＬ１１、Ｌ１２の設置された循環ポンプ３１ａ、３１ｂを起動する制御を、図示しない制御装置により行う。
（５）その後、燃料電池スタック１１に、例えば抵抗を接続して、燃料電池システム内に残存する水素、酸素を発電により消費する水素及び酸素除去モード制御を、図示しない制御装置により行う。
（６）水素及び酸素除去モード工程と同時に、窒素の供給準備を行う制御を、図示しない制御装置により行う。具体的には、第５仕切弁２４ａ、２４ｂを開くと共に、第４仕切弁である圧調弁２３ａ、２３ｂを運転時の圧力の５０ｋＰａＧに設定する。
（７）そして、除去した水素及び酸素分だけ窒素を供給（系内の体積と同等又は１．５倍程度）し、不活性ガス置換工程を実施する制御を、図示しない制御装置により行う。この際、燃料電池スタック１１系内の圧力を予め５０ｋＰａＧに設定しておく。そして、燃料電池スタック１１系内の圧力が５０ｋＰａＧになった時点で、窒素の供給を停止し、第４仕切弁２３ａ、２３ｂ及び第５仕切弁２４ａ、２４ｂを閉じ、システムの系を封じ込め、停止工程を終了する制御を、図示しない制御装置により行う。 A specific example of another operation / stop process of the polymer electrolyte fuel cell system will be described. In this example, nitrogen is purged together with removal of hydrogen and oxygen. Note that the same operations are performed in the above-described steps (1) to (5).
(1) First, power is generated by the fuel cell system 10A (the operating pressure at this time is, for example, 50 kPaG).
(2) Next, control for stopping the operation of the fuel cell system 10A is performed by a control device (not shown).
(3) Next, the first gate valve 20a, 20b, the second gate valve 21a, 21b, and the third gate valve 22a, 22b are closed by a control device (not shown) to contain the supply system of hydrogen and oxygen. Do.
(4) Next, control for opening the sixth gate valves 32a and 32b and the seventh gate valves 33a and 33b and starting the circulation pumps 31a and 31b in which the circulation lines L 11 and L 12 are installed is not shown. To do.
(5) Thereafter, a resistance is connected to the fuel cell stack 11, for example, and hydrogen and oxygen removal mode control for consuming hydrogen and oxygen remaining in the fuel cell system by power generation is performed by a control device (not shown).
(6) Simultaneously with the hydrogen and oxygen removal mode step, control for preparing for supply of nitrogen is performed by a control device (not shown). Specifically, the fifth gate valves 24a and 24b are opened, and the pressure regulating valves 23a and 23b, which are the fourth gate valves, are set to a pressure of 50 kPaG during operation.
(7) Then, nitrogen is supplied for the removed hydrogen and oxygen components (equivalent to about the volume in the system or about 1.5 times the volume), and control for performing the inert gas replacement step is performed by a control device (not shown). At this time, the pressure in the fuel cell stack 11 system is set to 50 kPaG in advance. Then, when the pressure in the fuel cell stack 11 system reaches 50 kPaG, the supply of nitrogen is stopped, the fourth gate valves 23a and 23b and the fifth gate valves 24a and 24b are closed, the system system is sealed and stopped. Control to end the process is performed by a control device (not shown).

本発明においては、予め系内に残存する水素及び酸素を除去しておいて、その後窒素を供給することで、パージのための必要窒素量の低減が可能となる。
また、窒素パージ完了後の燃料電池スタック内における、水素及び酸素の濃度は１％以下が望ましい。これは、１％以上の場合には、酸素が系内に残留した状態で保管した場合、水素極へ酸素が拡散により移動した状態で起動操作すると酸素極の触媒層が電気化学的に腐食することがあるためである。 In the present invention, by removing hydrogen and oxygen remaining in the system in advance and then supplying nitrogen, the amount of nitrogen necessary for purging can be reduced.
Further, the hydrogen and oxygen concentrations in the fuel cell stack after completion of the nitrogen purge are preferably 1% or less. In the case of 1% or more, when oxygen is stored in the system, the catalyst layer of the oxygen electrode is electrochemically corroded when the start-up operation is performed with oxygen moving to the hydrogen electrode by diffusion. Because there are things.

さらに、本発明ではパージ窒素量が、系内の体積と同等のパージ量と少ないため、パージ窒素は無加湿状態で供給しても、低加湿による燃料電池セルの劣化(燃料電池に用いているセルの高分子膜は、低加湿状態で水素や酸素が共存する状態になると、化学分解を生じる等)が発生しない。
これは、もともと燃料電池スタック内部における水分量で十分湿潤状態を確保できるからである。なお、加湿状態で窒素を供給することを妨げるものではない。 Further, in the present invention, the purge nitrogen amount is as small as the purge amount equivalent to the volume in the system. Therefore, even if purge nitrogen is supplied in a non-humidified state, deterioration of the fuel cell due to low humidification (used in fuel cells) In the polymer film of the cell, when hydrogen or oxygen coexists in a low humidified state, chemical decomposition or the like does not occur.
This is because a sufficiently wet state can be secured by the amount of water originally in the fuel cell stack. In addition, supply of nitrogen in a humidified state is not prevented.

よって、従来の窒素パージのように、大量の窒素置換を行うことがないので、不活性ガスの使用量の大幅な低減を図ることができる。
また、大量の不活性ガスを供給する必要がないので、加湿窒素とする必要が無くなり、窒素加湿器の設置及びそのための流量制御器等の周辺機器の設置が不要となる。
この結果、例えば海底や宇宙等の限られた閉鎖空間で長期間に亙って固体高分子形燃料電池システムの運転及び停止を繰り返すような場合には、窒素ボンベの大量の保管が不要となると共に、周辺装置の設置スペースも小さくなり、燃料電池システムのコンパクト化を図ることができる。
ここで、循環ポンプ３１ａ、３１ｂを起動せずに実施例１の工程を実施してもかまわない。 Therefore, since a large amount of nitrogen replacement is not performed unlike the conventional nitrogen purge, the amount of inert gas used can be significantly reduced.
In addition, since it is not necessary to supply a large amount of inert gas, it is not necessary to use humidified nitrogen, and it is not necessary to install a nitrogen humidifier and peripheral equipment such as a flow rate controller.
As a result, for example, when the operation and stop of the polymer electrolyte fuel cell system are repeated over a long period in a limited space such as the sea floor or space, it is not necessary to store a large amount of nitrogen cylinders. At the same time, the installation space for the peripheral devices is reduced, and the fuel cell system can be made compact.
Here, the steps of the first embodiment may be performed without starting the circulation pumps 31a and 31b.

次に、本発明による実施例２に係る固体高分子形燃料電池システムの停止方法について、図面を参照して説明する。
図２は、実施例に係る固体高分子形燃料電池システムの概略図を示す。
なお、前述した図１の固体高分子形燃料電池システム１０Ａと同一の部材については、同一符号を付して重複する説明は省略する。
図２に示すように、本実施例の固体高分子形燃料電池システム１０Ｂでは、実施例１の燃料電池システム１０Ａの循環ラインＬ１１、Ｌ１２に設置される循環ポンプ３１ａ、３１ｂの代わりに、排気ポンプ３４ａ、３４ｂと外部に残存ガスを排出する排出ラインＬ１３、Ｌ１４とを設け、該排出ラインＬ１３、Ｌ１４には、第８仕切弁３５ａ、３５ｂを設けたものである。 Next, a method for stopping the polymer electrolyte fuel cell system according to Example 2 of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 2 is a schematic diagram of a polymer electrolyte fuel cell system according to an embodiment.
In addition, about the same member as 10 A of the polymer electrolyte fuel cell system of FIG. 1 mentioned above, the same code | symbol is attached | subjected and the overlapping description is abbreviate | omitted.
As shown in FIG. 2, in the polymer electrolyte fuel cell system 10B of the present embodiment, instead of the circulation pumps 31a and 31b installed in the circulation lines L 11 and L 12 of the fuel cell system 10A of the first embodiment, exhaust pump 34a, provided a discharge line L 13, L 14 for discharging the remaining gas to 34b and the outside, the said discharge line L 13, L 14, is obtained eighth gate valves 35a, and 35b respectively.

そして、停止の際に、水素及び酸素除去モードとして、残存する水素及び酸素を排気ポンプで外部に排出するようにしている。
なお、燃料電池システム１０Ｂが宇宙空間で使用する設備など、周囲が減圧状態に設置される場合には、排気ポンプ３４ａ、３４ｂを用いずに、第８仕切弁３５ａ、３５ｂを開放することで、残存する水素及び酸素を系外に強制排気させて、除去させるようにしてもよい。 When stopping, the remaining hydrogen and oxygen are discharged to the outside by an exhaust pump as a hydrogen and oxygen removal mode.
In addition, when the surroundings are installed in a reduced pressure state, such as equipment used by the fuel cell system 10B in outer space, the eighth gate valves 35a and 35b are opened without using the exhaust pumps 34a and 34b. The remaining hydrogen and oxygen may be forced out of the system and removed.

［試験例及び比較例］
実施例１に示す方法で、容積３Ｌの燃料電池スタックを用いて、窒素パージ時の水素及び酸素濃度の経時変化を計測した。
図３にその試験結果を示す。図３に示すように、運転時間が０分のときに、燃料電池スタック１１に、燃料電池システム内に残存する水素、酸素を発電により消費を開始する。燃料電池システム内に残存する水素、酸素が消費されると系内の圧力が低下し、系内の水素及び酸素が消費されると圧力の低下量が小さくなる。その後、系内が５０ｋＰａＧになるように窒素でパージをすると、系内の水素及び酸素の濃度は１．０％以下となった。このとき、システムに供給した窒素量は約４．５ＮＬであった。 [Test examples and comparative examples]
With the method shown in Example 1, using a fuel cell stack with a volume of 3 L, changes with time in hydrogen and oxygen concentrations during nitrogen purge were measured.
FIG. 3 shows the test results. As shown in FIG. 3, when the operation time is 0 minute, the fuel cell stack 11 starts to consume hydrogen and oxygen remaining in the fuel cell system by power generation. When the hydrogen and oxygen remaining in the fuel cell system are consumed, the pressure in the system decreases, and when the hydrogen and oxygen in the system are consumed, the amount of pressure decrease decreases. Thereafter, when purging with nitrogen so that the inside of the system became 50 kPaG, the concentration of hydrogen and oxygen in the system became 1.0% or less. At this time, the amount of nitrogen supplied to the system was about 4.5 NL.

比較例として、従来の図５に示すような、燃料電池スタック（容積３Ｌ）を用いて、窒素パージ時の水素及び酸素濃度の経時変化を計測した。その結果を図４に示す。
パージ時間と水素及び酸素濃度の関係を示す図４に示すように、パージに際して、水素より酸素の方が置換されにくく、水素及び酸素濃度が１％以下となるには、１０分程度の時間が必要であった。このときシステムに供給した窒素量は約２５ＮＬであった。試験例と比較して約５倍の窒素量が必要であった。 As a comparative example, using a conventional fuel cell stack (volume 3 L) as shown in FIG. 5, changes with time in hydrogen and oxygen concentrations during nitrogen purge were measured. The result is shown in FIG.
As shown in FIG. 4 showing the relationship between the purge time and the hydrogen and oxygen concentrations, oxygen is less easily replaced than hydrogen during the purge, and it takes about 10 minutes for the hydrogen and oxygen concentrations to be 1% or less. there were. At this time, the amount of nitrogen supplied to the system was about 25 NL. About 5 times the amount of nitrogen was required as compared with the test example.

以上のように、本発明に係る固体高分子形燃料電池システムの停止方法は、そのシステムの停止の際に、不活性ガスのガスパージ消費量を軽減すると共に、設備を簡略化し、かつ、停止時の電池の劣化を防止できる。   As described above, the method of stopping the polymer electrolyte fuel cell system according to the present invention reduces the gas purge consumption of the inert gas when the system is stopped, simplifies the equipment, and Battery deterioration can be prevented.

１１ 燃料電池スタック
１１ａ アノード極
１１ｂ カソード極
１１ｃ 電解質膜
１２ 水素ボンベ
１３ 酸素ボンベ
１４ａ、１４ｂ 加湿器
１５ａ、１５ｂ 窒素ボンベ
１６ａ、１６ｂ 窒素加湿器
１７ａ、１７ｂ ドレンポット DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Fuel cell stack 11a Anode electrode 11b Cathode electrode 11c Electrolyte membrane 12 Hydrogen cylinder 13 Oxygen cylinder 14a, 14b Humidifier 15a, 15b Nitrogen cylinder 16a, 16b Nitrogen humidifier 17a, 17b Drain pot

Claims (12)

固体高分子形燃料電池システムの停止方法であって、
１） 燃料電池スタックに供給する水素及び酸素の供給経路を封じ込む経路閉鎖工程と、
２） 燃料電池スタックに対し、残存する水素及び酸素を除去する水素及び酸素除去モード工程と、
３） 前記燃料電池スタック内に不活性ガスを供給する不活性ガス置換工程と、
を有することを特徴とする固体高分子形燃料電池システムの停止方法。 A method for stopping a polymer electrolyte fuel cell system, comprising:
1) a path closing process for sealing a supply path of hydrogen and oxygen supplied to the fuel cell stack;
2) a hydrogen and oxygen removal mode process for removing residual hydrogen and oxygen from the fuel cell stack;
3) an inert gas replacement step of supplying an inert gas into the fuel cell stack;
A method for stopping a polymer electrolyte fuel cell system, comprising: 請求項１において、
水素及び酸素除去モードは、残存する水素及び酸素の消費を行うことを特徴とする固体高分子形燃料電池システムの停止方法。 In claim 1,
The method for stopping a polymer electrolyte fuel cell system, wherein in the hydrogen and oxygen removal mode, the remaining hydrogen and oxygen are consumed. 請求項１において、
水素及び酸素除去モードは、残存する水素及び酸素を系外に強制排気することを特徴とする固体高分子形燃料電池システムの停止方法。 In claim 1,
In the hydrogen and oxygen removal mode, the remaining hydrogen and oxygen are forcibly exhausted out of the system. 請求項１乃至３のいずれか一つにおいて、
前記不活性ガスは、加湿しない不活性ガスであることを特徴とする固体高分子形燃料電池システムの停止方法。 In any one of Claims 1 thru | or 3,
The method for stopping a polymer electrolyte fuel cell system, wherein the inert gas is an inert gas that is not humidified. 請求項１乃至４のいずれか一つにおいて、
前記１）の経路閉鎖工程の後に、前記燃料電池スタック内に残存する水素及び酸素をガス循環ラインにより循環させる水素及び酸素循環工程を有することを特徴とする固体高分子形燃料電池システムの停止方法。 In any one of Claims 1 thru | or 4,
A method for stopping a polymer electrolyte fuel cell system comprising a hydrogen and oxygen circulation step of circulating hydrogen and oxygen remaining in the fuel cell stack through a gas circulation line after the route closing step of 1) . 請求項１乃至５のいずれか一つにおいて、
前記２）の水素及び酸素除去モード工程において、前記燃料電池スタック内の圧力が、スタック温度の所定圧力に低下するまで保持することを特徴とする固体高分子形燃料電池システムの停止方法。 In any one of Claims 1 thru | or 5,
In the hydrogen and oxygen removal mode step of 2), the pressure in the fuel cell stack is maintained until the stack temperature drops to a predetermined pressure of the stack temperature, and the solid polymer fuel cell system stopping method is characterized. 請求項１乃至６のいずれか一つにおいて、
前記３）の不活性ガス置換工程において、前記水素及び酸素除去モード工程により除去した水素及び酸素分だけ不活性ガスを供給することを特徴とする固体高分子形燃料電池システムの停止方法。 In any one of Claims 1 thru | or 6,
3. The method for stopping a polymer electrolyte fuel cell system, wherein, in the inert gas replacement step of 3), an inert gas is supplied only for the hydrogen and oxygen components removed in the hydrogen and oxygen removal mode step. 請求項１乃至７のいずれか一つにおいて、
前記燃料電池スタック内の圧力が所定の圧力になった時点で、不活性ガスの供給系を封じ込め、不活性ガス置換を終了することを特徴とする固体高分子形燃料電池システムの停止方法。 In any one of Claims 1 thru | or 7,
A method for stopping a polymer electrolyte fuel cell system, comprising: sealing an inert gas supply system at a time point when the pressure in the fuel cell stack reaches a predetermined pressure, and ending inert gas replacement. 請求項１乃至８のいずれか一つにおいて、
燃料電池スタック内のアノード系内の不活性ガスの置換容積が、カソード系内の不活性ガスのガス置換容積の二倍以上であることを特徴とする固体高分子形燃料電池システムの停止方法。 In any one of Claims 1 to 8,
A method for stopping a polymer electrolyte fuel cell system, wherein the replacement volume of the inert gas in the anode system in the fuel cell stack is at least twice the gas replacement volume of the inert gas in the cathode system. アノード極とカソード極との間に電解質膜を介在してなる燃料電池セルを備える燃料電池スタックと、
アノード極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
カソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
運転停止の際に不活性ガスを燃料電池スタック内に供給する不活性ガス供給手段と、
前記運転停止の際に、燃料電池スタックに供給する水素及び酸素の供給経路を封じ込めると共に、残存する燃料ガス及び酸化剤ガスの水素及び酸素の除去を行い、且つ前記水素及び酸素の除去と共に、又は除去のほぼ完了の後に、不活性ガスを供給する制御を行う制御装置と、を有することを特徴とする固体高分子形燃料電池システム。 A fuel cell stack including a fuel cell having an electrolyte membrane interposed between an anode electrode and a cathode electrode;
Fuel gas supply means for supplying fuel gas to the anode electrode;
An oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the cathode electrode;
An inert gas supply means for supplying an inert gas into the fuel cell stack when the operation is stopped;
When shutting down, the supply path of hydrogen and oxygen supplied to the fuel cell stack is sealed, the remaining fuel gas and oxidant gas are removed of hydrogen and oxygen, and the hydrogen and oxygen are removed, or A solid-state polymer fuel cell system, comprising: a control device that performs a control of supplying an inert gas after the completion of the removal. 請求項１０において、
更に残存するガスを系外に排気するガス排気手段を有し、
前記制御装置は、ガスの除去に際して当該ガス排気手段の制御を行う
ことを特徴とする固体することにより行う固体高分子形燃料電池システム。 In claim 10,
Furthermore, it has a gas exhaust means for exhausting the remaining gas out of the system,
The said control apparatus controls the said gas exhaust means at the time of gas removal, The polymer electrolyte fuel cell system performed by solidifying characterized by the above-mentioned. 請求項１０又は１１において、
前記不活性ガスは、加湿しない不活性ガスであることを特徴とする固体高分子形燃料電池システム。 In claim 10 or 11,
The solid polymer fuel cell system, wherein the inert gas is an inert gas that is not humidified.
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