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JP2005276552A - Operation method of fuel cell - Google Patents

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JP2005276552A
JP2005276552A JP2004086176A JP2004086176A JP2005276552A JP 2005276552 A JP2005276552 A JP 2005276552A JP 2004086176 A JP2004086176 A JP 2004086176A JP 2004086176 A JP2004086176 A JP 2004086176A JP 2005276552 A JP2005276552 A JP 2005276552A
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Japan
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cell
fuel
fuel gas
power generation
flow path
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Application number
JP2004086176A
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Japanese (ja)
Inventor
Akira Jinba
亮 神馬
Katsumi Hayashi
勝美 林
Masaki Tani
雅樹 谷
Takahiro Takai
貴裕 高井
Shigeru Inai
滋 稲井
Hideo Kato
英男 加藤
Hiromichi Yoshida
弘道 吉田
Nobuyuki Matsumoto
伸之 松本
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Honda Motor Co Ltd
Original Assignee
Honda Motor Co Ltd
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Publication date
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    • Y02E60/50Fuel cells

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To control corrosion of a fuel cell component material which may be occurred when scavenging an anode side electrode with air at the time of shutdown. <P>SOLUTION: After shut down time t0 when an ignition switch generates an OFF signal, the air is supplied to the anode-side electrode to start scavenging after time t2 when the maximum value of a cell voltage becomes below a threshold voltage (voltage at which the corrosion of a fuel cell constituent member is suppressed). <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

この発明は、電解質の両側にアノード側電極とカソード側電極とを設けた電解質・電極構造体を、一対のセパレータで挟んで保持するとともに、前記アノード側電極と前記セパレータとの間に燃料ガス流路が形成される一方、前記カソード側電極と前記セパレータとの間に酸化剤ガス流路が形成されて燃料ガス及び酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池の運転方法に関する。   According to the present invention, an electrolyte / electrode structure in which an anode side electrode and a cathode side electrode are provided on both sides of an electrolyte is sandwiched and held between a pair of separators, and a fuel gas flow is interposed between the anode side electrodes and the separators. The present invention relates to a method of operating a fuel cell in which an oxidant gas flow path is formed between the cathode side electrode and the separator while power is generated by a reaction between fuel gas and oxidant gas.

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配置した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟んで保持している。この燃料電池は、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, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode side electrode and a cathode side electrode are arranged on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is held by a separator. This fuel cell is usually used as a fuel cell stack by laminating a predetermined number of electrolyte membrane / electrode structures and separators.

燃料電池において、燃料ガス流路を介してアノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード側電極へと移動し、その移動の間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード側電極には、酸化剤ガス流路を介して酸化剤ガス、例えば、エア等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。   In a fuel cell, a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, supplied to an anode side electrode via a fuel gas channel is hydrogen ionized on an electrode catalyst and is appropriately humidified to an anode side electrode via an electrolyte membrane. The electrons generated during the movement are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. Since the oxidant gas, for example, oxygen-containing gas such as air, is supplied to the cathode side electrode through the oxidant gas flow path, hydrogen ions, electrons and oxygen gas react at the cathode side electrode. Water is generated.

ところで、このような燃料電池システムでは、燃料電池の始動性を確保するため、燃料電池の発電停止時あるいは始動時に、カソード側電極には通常の酸化剤ガスを、アノード側電極には燃料ガスの代わりに酸化剤ガスを流通させて、燃料電池内の電解質膜・電極構造体やセパレータに蓄積された発電による生成水を除去する、いわゆるアノード側酸化剤ガス掃気技術が提案されている(特許文献1、特許文献2参照)。   By the way, in such a fuel cell system, in order to ensure startability of the fuel cell, when the power generation of the fuel cell is stopped or started, normal oxidant gas is used for the cathode side electrode and fuel gas is used for the anode side electrode. Instead, a so-called anode-side oxidant gas scavenging technique has been proposed in which oxidant gas is circulated to remove water generated by power generation accumulated in the electrolyte membrane / electrode structure and separator in the fuel cell (Patent Document). 1, see Patent Document 2).

特開平8−241726号公報(図3)JP-A-8-241726 (FIG. 3) 特開2003−331893号公報(図4)Japanese Patent Laying-Open No. 2003-331893 (FIG. 4)

しかしながら、上記した特許文献1、2に係る燃料電池システムでは、燃料電池の発電停止時における酸化剤ガスによる掃気開始の瞬間には、アノード側電極において燃料ガスに酸化剤ガスが混在することにより、電解質膜・電極構造体の掃気ガスの入口側では両電極側に酸化剤ガスが存在することになるので、0[V]になるが、掃気ガスの出口側ではアノード電極側には排気前の燃料ガスが残っているので、一定の電圧が発生し、結局、電解質膜・電極構造体の掃気ガスの入口側と出口側の間で、その一定の電圧分の電位差が発生する。同様に、始動時における燃料ガスの供給の瞬間には、酸化剤ガスに燃料ガスが混在することより電位差が発生する。この発電停止時及び始動時に発生する電位差により形成される電子の流れ(電解質膜・電極構造体の一端側で発生した一定の電圧を電池として、電子がこの電池の負極側→一方のセパレータ→0[V]となっている電解質膜・電極構造体の他端側→他方のセパレータ→前記電池の正極側に至るループ)が、燃料電池内の電解質膜・電極構造体、電極触媒やセパレータ等の燃料電池構成材料を腐食させるという問題が発生する。   However, in the fuel cell system according to Patent Documents 1 and 2 described above, at the moment of scavenging start by the oxidant gas when the power generation of the fuel cell is stopped, the oxidant gas is mixed in the fuel gas at the anode side electrode, On the inlet side of the scavenging gas of the electrolyte membrane / electrode structure, oxidant gas is present on both electrode sides, so that it becomes 0 [V], but on the outlet side of the scavenging gas, the anode electrode side is before the exhaust. Since the fuel gas remains, a certain voltage is generated. Eventually, a potential difference corresponding to the certain voltage is generated between the scavenging gas inlet side and the outlet side of the electrolyte membrane / electrode structure. Similarly, at the moment of supplying the fuel gas at the time of starting, a potential difference is generated due to the fuel gas mixed in the oxidant gas. The flow of electrons formed by the potential difference generated when power generation is stopped and started (using a constant voltage generated at one end of the electrolyte membrane / electrode structure as a battery, the electrons are on the negative electrode side of this battery → one separator → 0 [V] is the other end side of the electrolyte membrane / electrode structure → the other separator → the loop leading to the positive electrode side of the battery) is the electrolyte membrane / electrode structure, electrode catalyst, separator, etc. in the fuel cell. The problem of corroding the fuel cell constituent material arises.

この発明は、この種の問題を解決するものであり、燃料電池の発電停止時及び始動時における燃料ガスと酸化剤ガスの混入を原因として発生する燃料電池構成材料の腐食を防止あるいは抑制することを可能とする燃料電池の運転方法を提供することを目的とする。   The present invention solves this type of problem, and prevents or suppresses corrosion of fuel cell constituent materials caused by mixing of fuel gas and oxidant gas at the time of stopping and starting power generation of the fuel cell. It is an object of the present invention to provide a method of operating a fuel cell that enables the above.

この項では、理解の容易化のために添付図面中の符号を付けて説明する。したがって、この項に記載した内容がその符号を付けたものに限定して解釈されるものではない。   In this section, for ease of understanding, reference numerals in the attached drawings are used for explanation. Therefore, the contents described in this section should not be construed as being limited to those having the reference numerals.

この発明に係る燃料電池の運転方法は、電解質の両側にアノード側電極とカソード側電極とを設けた電解質・電極構造体を、一対のセパレータで挟んで保持するとともに、前記アノード側電極と前記セパレータとの間に燃料ガス流路が形成される一方、前記カソード側電極と前記セパレータとの間に酸化剤ガス流路が形成された発電セルを有し、燃料ガス及び酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池の運転方法であって、運転中に運転停止信号を検知したときに(S1:YES,S11:YES)前記発電セルのセル電圧が閾値電圧以下になったかどうかを判定するセル電圧判定過程(S3,S14)と、前記セル電圧が前記閾値電圧以下となったとき、前記燃料ガス流路に酸化剤ガスを供給して掃気を行う掃気過程(S4〜S6,S16〜S18)とを有することを特徴とする(請求項1記載の発明)。   According to the fuel cell operating method of the present invention, an electrolyte / electrode structure in which an anode side electrode and a cathode side electrode are provided on both sides of an electrolyte is sandwiched and held by a pair of separators, and the anode side electrode and the separator And a power generation cell in which an oxidant gas flow path is formed between the cathode side electrode and the separator, and generates power by reaction of the fuel gas and the oxidant gas. Cell voltage determination for determining whether or not the cell voltage of the power generation cell is equal to or lower than a threshold voltage when an operation stop signal is detected during operation (S1: YES, S11: YES) Processes (S3, S14) and scavenging processes (S4 to S6, S16) in which scavenging is performed by supplying an oxidant gas to the fuel gas flow path when the cell voltage becomes lower than the threshold voltage. S18) and characterized by having a (first aspect of the present invention).

この発明によれば、運転停止信号を検知したときに、発電セルのセル電圧が閾値電圧以下になったとき、燃料ガス流路に酸化剤ガスを供給して掃気を行うようにしているので、アノード側電極において燃料ガスに酸化剤ガスが混在することにより電位差が発生したとしても、セル電圧が閾値電圧以下となっているので、燃料電池構成材料を腐食させる事態を防止あるいは抑制することができる。   According to this invention, when the operation stop signal is detected, when the cell voltage of the power generation cell is equal to or lower than the threshold voltage, the scavenging is performed by supplying the oxidant gas to the fuel gas flow path. Even if an oxidant gas is mixed in the fuel gas in the anode side electrode, the cell voltage is equal to or lower than the threshold voltage, so that the situation of corroding the fuel cell constituent material can be prevented or suppressed. .

この場合、前記セル電圧判定過程では、前記運転停止信号を検知したとき前記燃料ガス流路への前記燃料ガスの供給を停止し(S2)、前記発電セルのセル電圧を低下させることが好ましい(請求項2記載の発明)。   In this case, in the cell voltage determination process, when the operation stop signal is detected, the supply of the fuel gas to the fuel gas flow path is stopped (S2), and the cell voltage of the power generation cell is preferably reduced ( Invention of Claim 2).

あるいは、前記セル電圧判定過程では、前記運転停止信号を検知したとき前記酸化剤ガス流路へ前記酸化剤ガス流量を低減して供給し(S12)、前記発電セルのセル電圧を低下させることが好ましい(請求項3記載の発明)。   Alternatively, in the cell voltage determination process, when the operation stop signal is detected, the oxidant gas flow rate is reduced and supplied to the oxidant gas flow path (S12), and the cell voltage of the power generation cell is decreased. Preferred (invention of claim 3).

なお、前記酸化剤ガス流量を低減して供給するとき、前記燃料ガス流路への前記燃料ガスの供給を継続する(時点t10〜時点t12)ことが好ましい(請求項4記載の発明)。   Note that, when the oxidant gas flow rate is reduced and supplied, the supply of the fuel gas to the fuel gas flow path is preferably continued (time t10 to time t12) (the invention according to claim 4).

また、請求項3または4記載の運転方法において、前記酸化剤ガス流量を低減して供給するとき、さらに前記発電セルの負荷を増大し(時点t11〜時点t13)、前記発電セルのセル電圧を低下させることが好ましい(請求項5記載の発明)。   Further, in the operation method according to claim 3 or 4, when the oxidant gas flow rate is reduced and supplied, the load of the power generation cell is further increased (time t11 to time t13), and the cell voltage of the power generation cell is increased. It is preferable to lower (Invention of Claim 5).

また、この発明に係る燃料電池の運転方法は、電解質の両側にアノード側電極とカソード側電極とを設けた電解質・電極構造体を、一対のセパレータで挟んで保持するとともに、前記アノード側電極と前記セパレータとの間に燃料ガス流路が形成される一方、前記カソード側電極と前記セパレータとの間に酸化剤ガス流路が形成された発電セルを有し、燃料ガス及び酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池の運転方法であって、運転開始信号を検知したときに(S21:YES)前記発電セルのセル電圧が閾値電圧以下の状態で、前記燃料ガス流路に前記燃料ガスの供給を開始する燃料ガス供給開始過程(S23)を有することが好ましい(請求項6記載の発明)。   In addition, the fuel cell operating method according to the present invention includes an electrolyte / electrode structure in which an anode side electrode and a cathode side electrode are provided on both sides of an electrolyte, sandwiched between a pair of separators, and the anode side electrode A fuel gas flow path is formed between the separator and a power generation cell in which an oxidant gas flow path is formed between the cathode side electrode and the separator. When the operation start signal is detected (S21: YES), the fuel gas is supplied to the fuel gas flow path when the cell voltage of the power generation cell is equal to or lower than a threshold voltage. It is preferable to have a fuel gas supply start process (S23) for starting the process (invention of claim 6).

この発明によれば、運転開始信号を検知したときに発電セルのセル電圧が閾値電圧以下の状態となるように制御して、燃料ガス流路に燃料ガスの供給を開始するようにしているので、アノード側電極において酸化剤ガスに燃料ガスが混在することにより電位差が発生したとしても、セル電圧が閾値電圧以下となっているので、燃料電池構成材料を腐食させる事態を防止あるいは抑制することができる。   According to this invention, when the operation start signal is detected, control is performed so that the cell voltage of the power generation cell is equal to or lower than the threshold voltage, and supply of fuel gas to the fuel gas passage is started. Even if a potential difference occurs due to the fuel gas mixed in the oxidant gas in the anode side electrode, the cell voltage is below the threshold voltage, so that the situation of corroding the fuel cell constituent material can be prevented or suppressed. it can.

この場合、前記燃料ガス供給開始過程において、前記運転開始信号を検知したときに、前記燃料ガス流路に前記燃料ガスの供給を開始したとき、前記酸化剤ガス流路に通常発電時に供給する酸化剤ガスの流量より少ない流量の酸化剤ガスを供給する(S22)ようにすることで、たとえ酸化剤ガスが反応しても発電セルのセル電圧が閾値を超えることがなくなる(請求項7記載の発明)。   In this case, in the fuel gas supply start process, when the operation start signal is detected, the supply of the fuel gas to the fuel gas channel is started, and the oxidation supplied to the oxidant gas channel during normal power generation By supplying an oxidant gas having a flow rate lower than the flow rate of the oxidant gas (S22), the cell voltage of the power generation cell does not exceed the threshold even if the oxidant gas reacts (claim 7). invention).

この場合において、前記燃料ガス流路に前記燃料ガスの供給を開始した後、前記燃料ガス流路内の酸化剤ガスの排出が完了したと判断したとき、前記酸化剤ガス流路に供給する前記酸化剤ガスの流量を通常発電時に供給する流量に増量する(S25)ことで、始動時に燃料電池構成材料を腐食させる事態を防止あるいは抑制し、かつ短時間に通常発電状態とすることができる(請求項8記載の発明)。   In this case, after starting the supply of the fuel gas to the fuel gas flow path, when it is determined that the discharge of the oxidant gas in the fuel gas flow path is completed, the supply to the oxidant gas flow path By increasing the flow rate of the oxidant gas to the flow rate supplied during normal power generation (S25), it is possible to prevent or suppress the situation where the fuel cell constituent material is corroded at the time of start-up, and the normal power generation state can be achieved in a short time ( (Invention of Claim 8)

なお、燃料ガス流路内の酸化剤ガスの排出の完了判断は、空気供給口(36a)と空気排出口(36b)との間の圧力差、及び水素供給口(34a)と水素排出口(34b)との間の圧力差、または燃料ガス流路内の燃料ガスの濃度あるいは燃料ガス流路内の燃料ガス流量を間接的に検出することで判断することができる。計時手段であるタイマにより判断することもできる。   Note that the determination of the completion of the discharge of the oxidant gas in the fuel gas flow path is made by the pressure difference between the air supply port (36a) and the air discharge port (36b), the hydrogen supply port (34a), and the hydrogen discharge port ( 34b), or by indirectly detecting the fuel gas concentration in the fuel gas flow path or the fuel gas flow rate in the fuel gas flow path. It can also be determined by a timer which is a time measuring means.

この発明によれば、アノード側電極においてガス種が入れ替わるときのセル電圧を、閾値電圧以下となるように制御しているので、燃料電池の発電停止時又は始動時における燃料ガスと酸化剤ガスの混入を原因として発生する燃料電池構成材料の腐食を防止あるいは抑制することができる。   According to this invention, since the cell voltage when the gas species is switched in the anode side electrode is controlled to be equal to or lower than the threshold voltage, the fuel gas and oxidant gas at the time of stopping or starting the power generation of the fuel cell are controlled. It is possible to prevent or suppress the corrosion of the fuel cell constituent material that occurs due to the contamination.

図1は、この発明の実施形態に係る燃料電池の運転方法を実施するための燃料電池システム10の概略構成図である。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system 10 for carrying out a method of operating a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

燃料電池システム10は、例えば、自動車等の車両に搭載されており、燃料電池12を備える。この燃料電池12は、複数の発電セル14を矢印A方向に積層するとともに、積層方向両端にエンドプレート16a、16bが配置されており、エンドプレート16a、16bは、図示しない締め付けボルトにより積層方向に締め付けられている。   The fuel cell system 10 is mounted on a vehicle such as an automobile, and includes a fuel cell 12. In the fuel cell 12, a plurality of power generation cells 14 are stacked in the direction of arrow A, and end plates 16a and 16b are disposed at both ends in the stacking direction. The end plates 16a and 16b are stacked in the stacking direction by fastening bolts (not shown). It is tightened.

発電セル14は、例えば、固体高分子電解質膜18の両側にアノード側電極20とカソード側電極22とを配置した電解質膜・電極構造体24と、電解質膜・電極構造体24を挟んで保持する一対の金属セパレータ26、28とを備える。アノード側電極20と金属セパレータ26との間には、燃料ガスとして、例えば、水素(H2)ガスを供給するための燃料ガス流路30が形成される一方、カソード側電極22と金属セパレータ28との間には、酸化剤ガスとして、例えば、酸素(O2)を含む空気を供給するための酸化剤ガス流路32が形成される。 The power generation cell 14 holds, for example, an electrolyte membrane / electrode structure 24 in which an anode-side electrode 20 and a cathode-side electrode 22 are arranged on both sides of a solid polymer electrolyte membrane 18, and an electrolyte membrane / electrode structure 24 interposed therebetween. A pair of metal separators 26 and 28 are provided. A fuel gas flow path 30 for supplying, for example, hydrogen (H 2 ) gas as a fuel gas is formed between the anode side electrode 20 and the metal separator 26, while the cathode side electrode 22 and the metal separator 28 are formed. Between the two, an oxidant gas flow path 32 for supplying air containing, for example, oxygen (O 2 ) as an oxidant gas is formed.

エンドプレート16aには、各発電セル14の燃料ガス流路30に水素ガスを供給するための水素供給口34aと、各発電セル14の酸化剤ガス流路32に空気を供給するための空気供給口36aとが設けられる。エンドプレート16bには、燃料ガス流路30から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを燃料電池12から排出するための水素排出口34bと、酸化剤ガス流路32から排出される未使用の酸素を含む空気を燃料電池12から排出するための空気排出口36bとが設けられる。空気供給口36aと空気排出口36bには、それぞれ空気の圧力を検出する圧力計72、74が設けられる。また、水素供給口34aと水素排出口34bには、それぞれ、運転中における水素の圧力あるいは掃気時における酸素の圧力を検出する圧力計46、55が設けられる。   The end plate 16 a has a hydrogen supply port 34 a for supplying hydrogen gas to the fuel gas flow path 30 of each power generation cell 14 and an air supply for supplying air to the oxidant gas flow path 32 of each power generation cell 14. A mouth 36a is provided. The end plate 16 b has a hydrogen discharge port 34 b for discharging exhaust gas containing unused hydrogen gas discharged from the fuel gas passage 30 from the fuel cell 12, and an unused portion discharged from the oxidant gas passage 32. And an air discharge port 36 b for discharging air containing oxygen from the fuel cell 12. Pressure gauges 72 and 74 for detecting the pressure of air are provided at the air supply port 36a and the air discharge port 36b, respectively. The hydrogen supply port 34a and the hydrogen discharge port 34b are provided with pressure gauges 46 and 55 for detecting the hydrogen pressure during operation or the oxygen pressure during scavenging, respectively.

燃料電池システム10は、燃料電池12に水素ガスを供給する水素供給流路38と、排気弁52を介して排ガスを図示していない希釈ボックスを通じて外部に放出する排気流路54とを備える。   The fuel cell system 10 includes a hydrogen supply channel 38 that supplies hydrogen gas to the fuel cell 12, and an exhaust channel 54 that discharges exhaust gas to the outside through a dilution box (not shown) via an exhaust valve 52.

水素供給流路38には、高圧水素を貯留する水素タンク42と、水素タンク42から供給される水素ガスの圧力を調圧する供給弁44と、調圧された水素ガスを燃料電池12に供給するとともに、水素循環流路47から排ガスを吸引して燃料電池12にもどすためのエゼクタ45と、上述した圧力計46とが設けられる。水素循環流路47には、排気弁52を介して排気流路54が接続されるとともに、水素排出口34b側には、上述した圧力計55の他、水素濃度を検出する濃度計48と、水素の流量を検出する流量計50とが設けられる。   In the hydrogen supply flow path 38, a hydrogen tank 42 that stores high-pressure hydrogen, a supply valve 44 that adjusts the pressure of hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 42, and the adjusted hydrogen gas are supplied to the fuel cell 12. At the same time, an ejector 45 for sucking exhaust gas from the hydrogen circulation passage 47 and returning it to the fuel cell 12 and the pressure gauge 46 described above are provided. An exhaust passage 54 is connected to the hydrogen circulation passage 47 through an exhaust valve 52. On the hydrogen discharge port 34b side, in addition to the pressure gauge 55 described above, a concentration meter 48 for detecting the hydrogen concentration, A flow meter 50 for detecting the flow rate of hydrogen is provided.

また、燃料電池システム10は、燃料電池12に空気を供給する空気供給流路56と、燃料電池12から排出される未使用の空気を含む排ガスを、大気に廃棄するための空気排出流路58とを備える。空気供給流路56には、大気からの空気を圧縮して供給するとともに空気の流量を調節するためのスーパーチャージャ(又はポンプ)60が設けられる。   In addition, the fuel cell system 10 includes an air supply channel 56 for supplying air to the fuel cell 12 and an air exhaust channel 58 for discarding exhaust gas containing unused air discharged from the fuel cell 12 to the atmosphere. With. The air supply channel 56 is provided with a supercharger (or pump) 60 for compressing and supplying air from the atmosphere and adjusting the flow rate of the air.

さらに、空気供給流路56と水素供給流路38との間には、運転停止時の掃気時に酸化剤ガスである空気を水素供給口34aから発電セル14の燃料ガス流路30に供給するための供給弁62が設けられた空気掃気用流路64が設けられている。   Further, between the air supply flow path 56 and the hydrogen supply flow path 38, air that is an oxidant gas is supplied from the hydrogen supply port 34a to the fuel gas flow path 30 of the power generation cell 14 during scavenging when the operation is stopped. An air scavenging flow path 64 provided with the supply valve 62 is provided.

燃料電池12には、発電停止時に、大きさが調節される負荷70が接続されるとともに、各発電セル14の発生電圧であるセル電圧を検出する電圧計65が設けられる。電圧計65は、セル電圧をコントローラ66に送る。コントローラ66には、イグニッションスイッチ68から運転開始信号であるON信号(例えばローレベルからハイレベルに遷移する信号)及び運転停止信号であるOFF信号(したがって、ハイレベルからローレベルに遷移する信号)が送られる。   The fuel cell 12 is connected to a load 70 whose size is adjusted when power generation is stopped, and is provided with a voltmeter 65 that detects a cell voltage that is a voltage generated by each power generation cell 14. The voltmeter 65 sends the cell voltage to the controller 66. The controller 66 has an ON signal (for example, a signal that transitions from a low level to a high level) that is an operation start signal and an OFF signal that is an operation stop signal (therefore, a signal that transitions from a high level to a low level) from the ignition switch 68. Sent.

コントローラ66は、マイクロコンピュータ等により構成され、CPU、メモリ、計時手段であるタイマ、A/D変換器、D/A変換器等のインタフェースが搭載された制御基板により構成され、メモリに記憶されたプログラムを実行することで、供給弁44、62、排気弁52及びスーパーチャージャ60等の燃料電池システム10全体を制御する。   The controller 66 is constituted by a microcomputer or the like, and is constituted by a control board on which an interface such as a CPU, a memory, a timer as a time measuring means, an A / D converter, a D / A converter, etc. is mounted and stored in the memory. By executing the program, the entire fuel cell system 10 such as the supply valves 44 and 62, the exhaust valve 52 and the supercharger 60 is controlled.

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、この実施形態に係る燃料電池の運転方法との関連で、以下、A.通常発電運転時の処理、B.発電運転停止時の処理(2つの処理例)、及びC.発電運転開始時、いわゆる始動時の処理について説明する。   The operation of the fuel cell system 10 configured as described above will be described below in relation to the operation method of the fuel cell according to this embodiment. B. Processing during normal power generation operation B. Processing when power generation operation is stopped (two processing examples), and C.I. A process at the start of power generation operation, so-called startup, will be described.

A.通常発電運転時の処理の説明
イグニッションスイッチ68からON信号が供給される通常発電運転時には、供給弁62が閉じられた状態で、すなわち、空気掃気用流路64が閉じられた状態で、水素タンク42から供給される燃料ガスが、供給弁44を介して所定の圧力に調整され、エゼクタ45、水素供給流路38を通じて水素供給口34aに供給される。
A. Description of processing during normal power generation operation In a normal power generation operation in which an ON signal is supplied from the ignition switch 68, the hydrogen tank is in a state where the supply valve 62 is closed, that is, in a state where the air scavenging flow path 64 is closed. The fuel gas supplied from 42 is adjusted to a predetermined pressure via the supply valve 44 and supplied to the hydrogen supply port 34 a through the ejector 45 and the hydrogen supply flow path 38.

水素供給口34aに供給された燃料ガスは、各発電セル14を構成する燃料ガス流路30に沿ってアノード側電極20に供給されアノード側電極20に沿って移動後、水分を含み水素ガスを含む排ガスは、水素排出口34bから水素循環流路47に送られる。水素循環流路47に排出された排ガスは、エゼクタ45の吸引作用下に水素供給流路82の途上にもどされた後、再度、燃料電池12内の燃料ガスとして供給される。なお、排気弁52は、通常発電中、概ね閉じられており、間欠的に開かれる。   The fuel gas supplied to the hydrogen supply port 34a is supplied to the anode side electrode 20 along the fuel gas flow path 30 constituting each power generation cell 14 and moves along the anode side electrode 20, and then contains hydrogen gas containing moisture. The contained exhaust gas is sent from the hydrogen discharge port 34 b to the hydrogen circulation passage 47. The exhaust gas discharged to the hydrogen circulation passage 47 is returned to the hydrogen supply passage 82 under the suction action of the ejector 45 and then supplied again as the fuel gas in the fuel cell 12. The exhaust valve 52 is generally closed during normal power generation and is opened intermittently.

一方、空気は、外気が圧縮された圧縮空気としてスーパーチャージャ60から供給され、酸化剤ガスとして空気供給流路56を介して、空気供給口36aに供給される。この空気供給口36aから各発電セル14を構成する酸化剤ガス流路32に沿ってカソード側電極22に供給されカソード側電極22に沿って移動後、未使用の空気と水分を含む排ガスが、空気排出口36bから空気排出流路58を通じて大気に排出される。   On the other hand, air is supplied from the supercharger 60 as compressed air in which the outside air is compressed, and is supplied as an oxidant gas to the air supply port 36a via the air supply flow path 56. After the air supply port 36a is supplied to the cathode side electrode 22 along the oxidant gas flow path 32 constituting each power generation cell 14 and moves along the cathode side electrode 22, the exhaust gas containing unused air and moisture is The air is discharged from the air discharge port 36b to the atmosphere through the air discharge channel 58.

これにより、各発電セル14ではアノード側電極20に供給される燃料ガスである水素と、カソード側電極22に供給される酸化剤ガス中の酸素とが反応して発電が行われる。   Thereby, in each power generation cell 14, hydrogen, which is a fuel gas supplied to the anode side electrode 20, reacts with oxygen in the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 22 to generate power.

この発電中には、アノード側電極20において水素ガスが水素イオン化され水素イオンと電子が発生する。水素イオンは固体高分子電解質膜18内を水分を伴ってカソード側電極22に到達する。発生した電子は、アノード側電極20から外部の負荷70(負荷としては、モータ、キャパシタ、補機等が含まれる。)を介し、カソード側電極22に到達する。カソード側電極22に到達した電子と供給される酸素と水素イオンとが、電解質膜18のカソード側電極22側で結合して水になる。   During this power generation, hydrogen gas is ionized at the anode side electrode 20 to generate hydrogen ions and electrons. The hydrogen ions reach the cathode side electrode 22 through the solid polymer electrolyte membrane 18 with moisture. The generated electrons reach the cathode side electrode 22 from the anode side electrode 20 via an external load 70 (the load includes a motor, a capacitor, an auxiliary machine, etc.). Electrons that reach the cathode side electrode 22 and the supplied oxygen and hydrogen ions are combined on the cathode side electrode 22 side of the electrolyte membrane 18 to become water.

B.発電運転停止時の処理の説明
次に、図2に示すフローチャート及び図3示すタイムチャートに沿って、発電運転停止時の第1の処理について説明する。
B. Next, the first process when the power generation operation is stopped will be described with reference to the flowchart shown in FIG. 2 and the time chart shown in FIG. 3.

通常発電運転中、ステップS1において、イグニッションスイッチ68からOFF信号が供給されたことを検知したとき、ステップS2において、燃料ガスの供給弁44と排気弁52が閉じられて水素供給口34aからのアノード側電極20に対する燃料ガスの供給が停止される(図3の(a)の時点t0参照)。   During normal power generation operation, when it is detected in step S1 that an OFF signal has been supplied from the ignition switch 68, in step S2, the fuel gas supply valve 44 and the exhaust valve 52 are closed and the anode from the hydrogen supply port 34a is closed. The supply of fuel gas to the side electrode 20 is stopped (see time t0 in FIG. 3A).

この状態においては、図3の(b)に示すように、カソード側電極22には酸化剤ガスである空気の供給が継続されているので、発電セル14内の燃料ガス流路30に残留している水素と、カソード側電極22に供給される酸化剤ガス中の酸素とが反応して発電が行われてセル電圧が発生するが、図3の(d)の時点t1から分かるように、燃料ガスである水素が希薄になってきた時点t1で、セル電圧が低下を開始する。   In this state, as shown in FIG. 3B, the cathode side electrode 22 continues to be supplied with air, which is an oxidant gas, and therefore remains in the fuel gas flow path 30 in the power generation cell 14. The hydrogen and the oxygen in the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 22 react to generate power and generate a cell voltage. As can be seen from time t1 in FIG. The cell voltage starts to decrease at time t1 when hydrogen as the fuel gas becomes lean.

そこで、次に、ステップS3において、電圧計65により検出される各発電セル14のセル電圧中の最大値が閾値電圧以下になったかどうかが判定される。なお、この閾値電圧は、燃料電池12内の電解質膜・電極構造体24、電極触媒やセパレータ26、28等の燃料電池構成材料の腐食を抑制することができる所定電圧であり、燃料電池12の開発・設計段階で、実験確認による追試等を含め、燃料電池12の耐久性等を考慮した所定の電圧に予め決定することができる。なお、この所定電圧は、上述した、発電停止時の酸化剤ガスによる掃気開始の瞬間、及び始動時の燃料ガスの供給の瞬間において発生する一定の電圧より低い電圧である。   Therefore, next, in step S3, it is determined whether or not the maximum value in the cell voltage of each power generation cell 14 detected by the voltmeter 65 is equal to or lower than the threshold voltage. The threshold voltage is a predetermined voltage that can suppress corrosion of the fuel cell constituent material such as the electrolyte membrane / electrode structure 24, the electrode catalyst, and the separators 26 and 28 in the fuel cell 12. In the development / design stage, a predetermined voltage can be determined in advance in consideration of the durability of the fuel cell 12 including a supplementary test by experimental confirmation. The predetermined voltage is a voltage lower than the constant voltage generated at the moment when the scavenging with the oxidant gas is started and when the fuel gas is supplied at the start.

図3の(d)の時点t2に示すように、セル電圧の最大値が閾値電圧以下の値となったとき、ステップS3の判定が肯定的となる。   As shown at time t2 in FIG. 3D, when the maximum value of the cell voltage is equal to or lower than the threshold voltage, the determination in step S3 becomes affirmative.

セル電圧の最大値が閾値電圧以下の値となった次の時点t2+αで、ステップS4では、供給弁62と排気弁52が開かれ、図3の(a)及び図3の(b)に示すように、酸化剤ガスである空気がスーパーチャージャ60から空気供給流路56を通じて空気供給口36aからカソード側電極22に供給されると同時に、空気掃気用流路64、供給弁62を通じて水素供給流路38を介し水素供給口34aからアノード側電極20に供給される。カソード側電極22に供給された空気は空気排出流路58を通じて外気に排出されるとともに、アノード側電極20に供給された空気は水素排出口34bから排気弁52を通じて排気流路54に排気される。   At the next time point t2 + α when the maximum value of the cell voltage becomes equal to or lower than the threshold voltage, in step S4, the supply valve 62 and the exhaust valve 52 are opened, as shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b). As described above, air as an oxidant gas is supplied from the supercharger 60 through the air supply flow path 56 to the cathode side electrode 22 from the air supply port 36 a, and at the same time, the hydrogen supply flow through the air scavenging flow path 64 and the supply valve 62. The hydrogen is supplied from the hydrogen supply port 34 a to the anode side electrode 20 through the path 38. The air supplied to the cathode side electrode 22 is discharged to the outside air through the air discharge channel 58, and the air supplied to the anode side electrode 20 is exhausted from the hydrogen discharge port 34b to the exhaust channel 54 through the exhaust valve 52. .

また、ステップS4の処理と同時に、図3の(c)の時点t2に示すように、オン状態にあった負荷70がオン状態からオフ状態とされ、発電セル14からの負荷70への電流供給が停止され、発電運転が停止される。   Simultaneously with the process of step S4, as shown at time t2 in FIG. 3C, the load 70 that has been in the on state is changed from the on state to the off state, and current is supplied from the power generation cell 14 to the load 70. Is stopped and power generation operation is stopped.

発電運転が停止した時点t2以降において、ステップS6に示すように、燃料ガス流路30内及び酸化剤ガス流路32内の空気による掃気が完了したかどうかが判定される。この掃気完了の判定は、空気供給口36aと空気排出口36bにおいて計測される圧力計72、74による差圧が所定圧力値以下となっているかどうか、及び水素供給口34aと水素排出口34bにおいて計測される圧力計46、55による差圧が所定圧力値以下となっているかどうかにより判定される。差圧が所定圧力値以下となっているとき、酸化剤ガス流路32と燃料ガス流路30内の水分が燃料電池12の外に排出されたとみなされる。なお、このステップS6の判定は、コントローラ66のタイマにより、予め決めておいた所定時間経過したかどうかにより判定することもできる。   After time t2 when the power generation operation is stopped, as shown in step S6, it is determined whether or not scavenging by the air in the fuel gas channel 30 and the oxidant gas channel 32 is completed. This scavenging completion determination is made based on whether the pressure difference between the pressure gauges 72 and 74 measured at the air supply port 36a and the air discharge port 36b is equal to or lower than a predetermined pressure value, and at the hydrogen supply port 34a and the hydrogen discharge port 34b. It is determined by whether or not the differential pressure measured by the pressure gauges 46 and 55 is equal to or less than a predetermined pressure value. When the differential pressure is equal to or lower than the predetermined pressure value, it is considered that the moisture in the oxidant gas flow path 32 and the fuel gas flow path 30 is discharged out of the fuel cell 12. Note that the determination in step S6 can also be made based on whether or not a predetermined time determined in advance by the timer of the controller 66 has elapsed.

ステップS6の掃気完了判定が肯定的となったとき、時点t3に示すように、ステップ7において、スーパーチャージャ60が停止され、アノード側電極20及びカソード側電極22に対する空気の供給が停止され、以下、燃料電池システム10のシステムが停止される。   When the scavenging completion determination in step S6 becomes affirmative, as shown at time t3, in step 7, the supercharger 60 is stopped and the supply of air to the anode side electrode 20 and the cathode side electrode 22 is stopped. The system of the fuel cell system 10 is stopped.

このように、この発電運転停止時の第1の処理では、通常運転中に運転停止信号であるイグニッションスイッチ68からのOFF信号を検知したときに、セル電圧判定過程であるステップS3の処理で、発電セル14のセル電圧が閾値電圧以下になったかどうかを判定し、セル電圧が閾値電圧以下となった時点t2で、掃気過程であるステップS4以降において燃料ガス流路30に酸化剤ガスである空気を供給して掃気を行うようにしている。   As described above, in the first process at the time of stopping the power generation operation, when the OFF signal from the ignition switch 68 that is the operation stop signal is detected during the normal operation, the process of step S3 that is the cell voltage determination process, It is determined whether or not the cell voltage of the power generation cell 14 has become equal to or lower than the threshold voltage, and at time t2 when the cell voltage has become lower than or equal to the threshold voltage, the fuel gas passage 30 is oxidant gas after step S4, which is a scavenging process. Scavenging is performed by supplying air.

このようにアノード側電極20においてガス種が、燃料ガスから酸化剤ガスに入れ替わるときのセル電圧を閾値電圧よりも低く抑えるようにしているので、セパレータ26やアノード側電極20での腐食を防止することができる。   As described above, since the cell voltage when the gas type is switched from the fuel gas to the oxidant gas in the anode side electrode 20 is kept lower than the threshold voltage, corrosion in the separator 26 and the anode side electrode 20 is prevented. be able to.

この場合、セル電圧判定過程では、運転停止信号であるOFF信号を検知したときの時点t0において燃料ガス流路30への燃料ガスの供給を停止しているので、発電セル14のセル電圧が上昇することがない。なお、燃料ガスの供給を停止しても燃料ガス流路30には燃料ガスが残存しているので、この燃料ガスを消費するために図3の(c)の時点t0〜t2に示すように、その時間内では負荷70をON状態としておくことが好ましい。   In this case, in the cell voltage determination process, the supply of the fuel gas to the fuel gas flow path 30 is stopped at the time t0 when the OFF signal that is the operation stop signal is detected, so that the cell voltage of the power generation cell 14 increases. There is nothing to do. Even if the supply of the fuel gas is stopped, the fuel gas remains in the fuel gas flow path 30. Therefore, in order to consume this fuel gas, as shown at time points t0 to t2 in FIG. It is preferable to keep the load 70 in the ON state within that time.

次に、図4に示すフローチャート及び図5示すタイムチャートに沿って、発電運転停止時の第2の処理について説明する。   Next, the second process when the power generation operation is stopped will be described with reference to the flowchart shown in FIG. 4 and the time chart shown in FIG.

通常発電運転中、ステップS11において、イグニッションスイッチ68からOFF信号が供給されたことを検知したとき、ステップS12において、スーパーチャージャ60による空気の流量が調整され、空気供給口36aから発電セル14の酸化剤ガス流路32への酸化剤ガスの流量が低減して供給される(図5の(b)の時点t10参照)。このため、図5の(d)に示すように、時点t10以降において、セル電圧が徐々に減少を始める。   During normal power generation operation, when it is detected in step S11 that an OFF signal has been supplied from the ignition switch 68, the air flow rate by the supercharger 60 is adjusted in step S12, and the oxidation of the power generation cell 14 from the air supply port 36a. The flow rate of the oxidant gas to the agent gas flow path 32 is reduced and supplied (see time t10 in FIG. 5B). For this reason, as shown in FIG. 5D, the cell voltage starts to gradually decrease after time t10.

次いで、ステップS13において、負荷70を増大させる(図5の(c)の時点t11参照)。   Next, in step S13, the load 70 is increased (see time t11 in FIG. 5C).

この状態においては、酸化剤ガス流量が低減されており(図5の(b)参照)、かつ負荷70が増大されているので、図5の(d)の時点t11以降に示すように、セル電圧が急速に低下する。   In this state, since the oxidant gas flow rate is reduced (see FIG. 5B) and the load 70 is increased, as shown in FIG. 5D after time t11, the cell The voltage drops rapidly.

そこで、次に、ステップS14において、電圧計65により検出される各発電セル14のセル電圧中の最大値が上述した閾値電圧以下になったかどうかが判定される。   Therefore, next, in step S14, it is determined whether or not the maximum value in the cell voltage of each power generation cell 14 detected by the voltmeter 65 is equal to or lower than the above-described threshold voltage.

図5の(d)の時点t12に示すように、セル電圧の最大値が閾値電圧以下の値となったとき、ステップS14の判定が肯定的となる。   As shown at time t12 in FIG. 5D, when the maximum value of the cell voltage becomes equal to or lower than the threshold voltage, the determination in step S14 becomes affirmative.

セル電圧の最大値が閾値電圧以下の値となった時点t12において、水素ガスの供給弁44を閉じて、図5の(a)に示すように、発電セル14のアノード側電極20への燃料ガスの供給を停止する。なお、時点t12まで燃料ガスの供給を継続している理由は、負荷70に大きな電流を流しているときに、燃料ガスの供給が少なくなると、アノード側電極20での腐食が発生する可能性があるからである。   At time t12 when the maximum value of the cell voltage is equal to or lower than the threshold voltage, the hydrogen gas supply valve 44 is closed, and the fuel to the anode electrode 20 of the power generation cell 14 as shown in FIG. Stop supplying gas. The reason why the supply of the fuel gas is continued until time t12 is that the anode-side electrode 20 may be corroded if the supply of the fuel gas is reduced when a large current is passed through the load 70. Because there is.

セル電圧の最大値が閾値電圧以下の値となった時点t12以降、次の時点t13の、ステップS16では、供給弁62が開かれ、図5の(a)に示すように、酸化剤ガスである空気がスーパーチャージャ60から空気供給流路56を通じ空気供給口36aからカソード側電極22に供給されると同時に、空気掃気用流路64、供給弁62を通じて水素供給口34aからアノード側電極20に供給される、いわゆるアノード側電極20の酸化剤ガスによる掃気処理が開始される。   After time t12 when the maximum value of the cell voltage is equal to or lower than the threshold voltage, in step S16 at the next time t13, the supply valve 62 is opened and, as shown in FIG. A certain amount of air is supplied from the supercharger 60 through the air supply flow path 56 to the cathode side electrode 22 from the air supply port 36 a, and at the same time, from the hydrogen supply port 34 a to the anode side electrode 20 through the air scavenging flow path 64 and the supply valve 62. The scavenging process using the oxidizing gas of the so-called anode side electrode 20 to be supplied is started.

このステップS15の処理と同時に、図5の(c)に示すように、オン状態でかつ増量状態にあった負荷70がオン状態からオフ状態とされ、発電セル14からの負荷70への電流供給が停止され、発電運転が停止される。   Simultaneously with the processing of step S15, as shown in FIG. 5C, the load 70 that is in the on state and in the increased state is changed from the on state to the off state, and current supply from the power generation cell 14 to the load 70 is performed. Is stopped and power generation operation is stopped.

時点t13以降において、ステップS18では、燃料ガス流路30内及び酸化剤ガス流路32内の空気による掃気が完了したかどうかが判定される。この掃気完了の判定は、空気供給口36aと空気排出口36bにおいて検出される圧力計72、74による差圧が所定値以下となっているかどうか、及び水素供給口34aと水素排出口34bにおいて検出される圧力計46、55による差圧が所定値以下となっているかどうかにより判定される。差圧が所定圧力値以下となっているとき、酸化剤ガス流路32と燃料ガス流路30内の水分が燃料電池12の外に排出されたとみなされる。なお、このステップS18の判定は、コントローラ66のタイマにより、予め決めておいた所定時間経過したかどうかにより判定することもできる。   After time t13, in step S18, it is determined whether or not scavenging by the air in the fuel gas channel 30 and the oxidant gas channel 32 has been completed. The determination of the completion of the scavenging is performed by detecting whether or not the pressure difference between the pressure gauges 72 and 74 detected at the air supply port 36a and the air discharge port 36b is equal to or less than a predetermined value, and at the hydrogen supply port 34a and the hydrogen discharge port 34b. It is determined whether or not the differential pressure by the pressure gauges 46 and 55 is equal to or less than a predetermined value. When the differential pressure is equal to or lower than the predetermined pressure value, it is considered that the moisture in the oxidant gas flow path 32 and the fuel gas flow path 30 is discharged out of the fuel cell 12. The determination in step S18 can also be performed based on whether or not a predetermined time determined in advance by the timer of the controller 66 has elapsed.

ステップS18の掃気完了判定が肯定的となったとき、時点t14に示すように、ステップ19において、スーパーチャージャ60が停止され、アノード側電極20及びカソード側電極22に対する空気の供給が停止されて掃気処理が完了し、ステップS20において、燃料電池システム10のシステムが停止される。   When the scavenging completion determination in step S18 becomes affirmative, as shown at time t14, in step 19, the supercharger 60 is stopped, the supply of air to the anode side electrode 20 and the cathode side electrode 22 is stopped, and scavenging is performed. The processing is completed, and in step S20, the system of the fuel cell system 10 is stopped.

このように、この発電運転停止時の第2の処理では、通常運転中に運転停止信号であるイグニッションスイッチ68からのOFF信号を検知したときに、セル電圧判定過程であるステップS14の処理で、発電セル14のセル電圧が閾値電圧以下になったかどうかを判定し、セル電圧が閾値電圧以下となった時点t13で、掃気過程であるステップS16以降において燃料ガス流路30に酸化剤ガスである空気を供給して掃気を行うようにしている。   As described above, in the second process at the time of stopping the power generation operation, when the OFF signal from the ignition switch 68 that is an operation stop signal is detected during the normal operation, the process of step S14 that is a cell voltage determination process, It is determined whether or not the cell voltage of the power generation cell 14 has become equal to or lower than the threshold voltage, and at time t13 when the cell voltage has become equal to or lower than the threshold voltage, the fuel gas passage 30 is oxidant gas after step S16, which is a scavenging process. Scavenging is performed by supplying air.

このようにアノード側電極20においてガス種が、燃料ガスから酸化剤ガスに入れ替わるときのセル電圧を閾値電圧よりも低く抑えるようにしているので、セパレータ26やアノード側電極20での腐食を防止することができる。   As described above, since the cell voltage when the gas type is switched from the fuel gas to the oxidant gas in the anode side electrode 20 is kept lower than the threshold voltage, corrosion in the separator 26 and the anode side electrode 20 is prevented. be able to.

この場合、セル電圧判定過程では、運転停止信号であるOFF信号を検知した時点t10において、酸化剤ガス流路32へ酸化剤ガス流量を低減して供給しているので、発電セル14のセル電圧を低下させることができる。   In this case, in the cell voltage determination process, since the oxidant gas flow rate is reduced and supplied to the oxidant gas flow path 32 at time t10 when the OFF signal that is the operation stop signal is detected, the cell voltage of the power generation cell 14 is supplied. Can be reduced.

なお、酸化剤ガス流量を低減して供給するとき、時点t10〜時点t12間に示すように、燃料ガス流路30への燃料ガスの供給を継続することが好ましい。燃料ガスの供給を継続することにより、発電が継続している状態において、アノード側電極20がいわゆるガス欠状態になると、アノード側電極20のセパレータ26が腐食されやすくなり発電性能を低下を引き起こすという、発電性能の低下を未然に回避することができる。   When supplying the oxidant gas at a reduced flow rate, it is preferable to continue supplying the fuel gas to the fuel gas passage 30 as shown between the time t10 and the time t12. By continuing the supply of fuel gas, when the anode side electrode 20 is in a so-called out-of-gas state in a state where power generation is continued, the separator 26 of the anode side electrode 20 is easily corroded, causing a decrease in power generation performance. Therefore, it is possible to avoid a decrease in power generation performance.

なお、時点t10〜時点t13に示すように、酸化剤ガス流量を低減して供給するとき、図5の時点t11〜時点t13に示すように、発電セル14の負荷70を増大することで、発電セル14のセル電圧を一次的に低下させることができるため応答性をよくすることができる。この場合、負荷70として、スーパーチャージャ60の動力や燃料電池12を保温するための動力など、有効なエネルギとして用いることができる。もちろん、負荷70として抵抗器を用いてもよい。   As shown at time t10 to time t13, when the oxidant gas flow rate is reduced and supplied, the load 70 of the power generation cell 14 is increased as shown at time t11 to time t13 in FIG. Since the cell voltage of the cell 14 can be reduced temporarily, the responsiveness can be improved. In this case, the load 70 can be used as effective energy such as power of the supercharger 60 and power for keeping the fuel cell 12 warm. Of course, a resistor may be used as the load 70.

C.発電運転開始時の処理の説明
次に、図6に示すフローチャート及び図7示すタイムチャートに沿って、発電運転開始時の処理について説明する。
C. Next, the process at the start of the power generation operation will be described with reference to the flowchart shown in FIG. 6 and the time chart shown in FIG.

システムの停止中には、上記のステップS6あるいはステップS18の処理により掃気が完了している状態となっているので、発電セル14内の燃料ガス流路30及び酸化剤ガス流路32には空気が入っている状態になっている。   While the system is stopped, the scavenging is completed by the processing in step S6 or step S18. Therefore, air is not supplied to the fuel gas passage 30 and the oxidant gas passage 32 in the power generation cell 14. Is in a state of entering.

ステップS21において、イグニッションスイッチ68からON信号が供給されたことを検知したときに、直ちに燃料ガス流路30に燃料ガスを投入すると、その燃料ガス流路30内で酸化剤ガスと燃料ガスとが混在することになり、これと同時に酸化剤ガス流路32に酸化剤ガスを所定量だけ投入するとセル電圧が急激に上昇し閾値電圧を超える可能性があるので、これを回避するため、ステップS2では、供給弁62と供給弁44を閉じた状態において、図7の(b)の時点t21に示すように、スーパーチャージャ60を弱く駆動し、カソード側電極22に対して、通常発電時に比較して少量の酸化剤ガスを流通させる。   In step S21, when it is detected that the ON signal is supplied from the ignition switch 68, when the fuel gas is immediately supplied to the fuel gas passage 30, the oxidant gas and the fuel gas are generated in the fuel gas passage 30. At the same time, if a predetermined amount of oxidant gas is introduced into the oxidant gas flow path 32, the cell voltage may rise rapidly and exceed the threshold voltage. To avoid this, step S2 is performed. Then, with the supply valve 62 and the supply valve 44 closed, as shown at time t21 in FIG. 7B, the supercharger 60 is driven weakly and the cathode side electrode 22 is compared with that during normal power generation. A small amount of oxidant gas.

そして、時点t22に示すように、少量の酸化剤ガスを流通させた状態で、図7の(a)に示すように、ステップS23では、供給弁44を開きアノード側電極20へ燃料ガスの供給を開始する。   Then, as shown at time t22, in a state where a small amount of oxidant gas is circulated, as shown in FIG. 7A, in step S23, the supply valve 44 is opened to supply the fuel gas to the anode side electrode 20. To start.

次いで、この時点t22以降の状態において、ステップS24にて、燃料ガス流路30内の残ガスである酸化剤ガスの排出が完了したかどうかが判定される。この判定は、水素排出口34bに設けられた濃度計48により測定された水素の濃度が閾値濃度以上となったか、あるいは水素排出口34bに設けられた流量計50により測定された流量が閾値流量以上となったか、さらにはタイマによる計時時間が閾値時間を超えたかどうか等により判定することができる。   Next, in a state after this time t22, in step S24, it is determined whether or not the discharge of the oxidant gas that is the remaining gas in the fuel gas flow channel 30 is completed. This determination is based on whether the hydrogen concentration measured by the concentration meter 48 provided at the hydrogen discharge port 34b is equal to or higher than the threshold concentration, or the flow rate measured by the flow meter 50 provided at the hydrogen discharge port 34b is the threshold flow rate. It can be determined based on whether or not the time has elapsed or whether the time measured by the timer exceeds the threshold time.

ステップS24の判定が肯定的となったとき、ステップS25において、スーパーチャージャ60が通常運転駆動され、空気供給流路56から空気供給口36aを介して酸化剤ガス流路32に増量されて通常流量となった酸化剤ガスが供給されることで、カソード側電極22に対して通常流量の酸化剤ガスが供給される(図8の(b)の時点t23参照)。   When the determination in step S24 becomes affirmative, in step S25, the supercharger 60 is normally driven and increased from the air supply flow path 56 to the oxidant gas flow path 32 through the air supply port 36a, so that the normal flow rate is increased. By supplying the oxidant gas, the oxidant gas having a normal flow rate is supplied to the cathode-side electrode 22 (see time t23 in FIG. 8B).

この時点t23より、ステップS26の上述した通常発電が開始され、発電セル14のセル電圧が、上昇して通常発電時のセル電圧になる。   From this time t23, the above-described normal power generation in step S26 is started, and the cell voltage of the power generation cell 14 rises to the cell voltage during normal power generation.

このように、この運転開始時の処理では、運転開始信号であるイグニッションスイッチ68からのON信号を検知した時点t21で、発電セル14のセル電圧が閾値電圧以下の状態で、燃料ガス流路30に燃料ガスの供給を開始する燃料ガス供給開始過程(ステップS23)を設けている。すなわち、運転開始信号であるON信号を検知したときに発電セル14のセル電圧が閾値電圧以下の状態となるように制御して、燃料ガス流路30に燃料ガスの供給を開始するようにしているので、アノード側電極20において酸化剤ガスに燃料ガスが混在することにより電位差が発生したとしても、セル電圧が閾値電圧以下となっているので、セパレータ26等の燃料電池構成材料を腐食させる事態を防止あるいは抑制することができる。   Thus, in this process at the start of operation, at the time t21 when the ON signal from the ignition switch 68, which is an operation start signal, is detected, the fuel gas flow path 30 is in a state where the cell voltage of the power generation cell 14 is equal to or lower than the threshold voltage. Is provided with a fuel gas supply start process (step S23) for starting the supply of fuel gas. That is, when an ON signal that is an operation start signal is detected, control is performed so that the cell voltage of the power generation cell 14 is equal to or lower than the threshold voltage, and supply of the fuel gas to the fuel gas passage 30 is started. Therefore, even if a potential difference occurs due to the fuel gas mixed in the oxidant gas in the anode electrode 20, the cell voltage is equal to or lower than the threshold voltage, so that the fuel cell constituent material such as the separator 26 is corroded. Can be prevented or suppressed.

この場合、運転開始信号であるON信号を検知したときに、燃料ガス流路30に燃料ガスの供給を開始したときの時点t21〜時点t23において、図7の(b)に示すように、酸化剤ガス流路32に通常発電時に供給する酸化剤ガスの流量より少ない流量の酸化剤ガスを供給するようにすることで、たとえ酸化剤ガスが反応しても発電セル14のセル電圧が閾値を超えることがない。   In this case, when an ON signal that is an operation start signal is detected, at time t21 to time t23 when supply of fuel gas to the fuel gas flow path 30 is started, as shown in FIG. By supplying the oxidant gas with a flow rate smaller than the flow rate of the oxidant gas supplied during normal power generation to the oxidant gas flow path 32, the cell voltage of the power generation cell 14 has a threshold value even if the oxidant gas reacts. Never exceed.

この場合において、燃料ガス流路30に燃料ガスの供給を開始した後、燃料ガス流路30内の酸化剤ガスの排出が完了したと判断したときの時点t23において、図7の(b)に示すように、酸化剤ガス流路32に供給する酸化剤ガスの流量を通常発電時に供給する流量に増量することで、始動時に燃料電池構成材料を腐食させる事態を防止あるいは抑制し、かつ短時間に通常発電状態とすることができる。   In this case, at the time t23 when it is determined that the discharge of the oxidant gas in the fuel gas flow channel 30 is completed after the supply of the fuel gas to the fuel gas flow channel 30 is started, (b) in FIG. As shown in the figure, the flow rate of the oxidant gas supplied to the oxidant gas flow path 32 is increased to the flow rate supplied during normal power generation, thereby preventing or suppressing the situation where the fuel cell constituent material is corroded at the time of starting, and for a short time. In normal power generation state.

この発明に係る燃料電池の運転方法を実施するための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 for enforcing the operating method of the fuel cell concerning this invention. 運転停止時における掃気処理の第1の処理説明に供されるフローチャートである。It is a flowchart with which it uses for the 1st process description of the scavenging process at the time of an operation stop. 運転停止時における掃気処理の第1の処理説明に供されるタイムチャートである。It is a time chart used for the 1st processing explanation of the scavenging process at the time of operation stop. 運転停止時における掃気処理の第2の処理説明に供されるフローチャートである。It is a flowchart with which it uses for 2nd process description of the scavenging process at the time of an operation stop. 運転停止時における掃気処理の第2の処理説明に供されるタイムチャートである。It is a time chart with which it uses for the 2nd process description of the scavenging process at the time of an operation stop. 掃気処理後の運転開始時における処理説明に供されるフローチャートである。It is a flowchart with which process description at the time of the start of operation after a scavenging process is provided. 掃気処理後の運転開始時における処理説明に供されるタイミングチャートである。It is a timing chart with which the process description at the time of the operation start after a scavenging process is provided.

符号の説明Explanation of symbols

10…燃料電池システム 12…燃料電池
14…発電セル 18…固体高分子電解質膜
20…アノード側電極 22…カソード側電極
24…電解質膜・電極構造体 26、28…セパレータ
30…燃料ガス流路 32…酸化剤ガス流路
34a…水素供給口 34b…水素排出口
36a…空気供給口 36b…空気排出口
38…水素供給流路 47…水素循環流路
54…排気流路 56…空気供給流路
58…空気排出流路 64…空気掃気用流路

DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell system 12 ... Fuel cell 14 ... Power generation cell 18 ... Solid polymer electrolyte membrane 20 ... Anode side electrode 22 ... Cathode side electrode 24 ... Electrolyte membrane and electrode structure 26, 28 ... Separator 30 ... Fuel gas flow path 32 ... oxidant gas flow path 34a ... hydrogen supply port 34b ... hydrogen discharge port 36a ... air supply port 36b ... air discharge port 38 ... hydrogen supply flow path 47 ... hydrogen circulation flow path 54 ... exhaust flow path 56 ... air supply flow path 58 ... Air discharge passage 64 ... Air scavenging passage

Claims (8)

電解質の両側にアノード側電極とカソード側電極とを設けた電解質・電極構造体を、一対のセパレータで挟んで保持するとともに、前記アノード側電極と前記セパレータとの間に燃料ガス流路が形成される一方、前記カソード側電極と前記セパレータとの間に酸化剤ガス流路が形成された発電セルを有し、燃料ガス及び酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池の運転方法であって、
運転中に運転停止信号を検知したときに前記発電セルのセル電圧が閾値電圧以下になったかどうかを判定するセル電圧判定過程と、
前記セル電圧が前記閾値電圧以下となったとき、前記燃料ガス流路に酸化剤ガスを供給して掃気を行う掃気過程と
を有することを特徴とする燃料電池の運転方法。
An electrolyte / electrode structure provided with an anode side electrode and a cathode side electrode on both sides of the electrolyte is held between a pair of separators, and a fuel gas flow path is formed between the anode side electrode and the separator. On the other hand, a method of operating a fuel cell having a power generation cell in which an oxidant gas flow path is formed between the cathode side electrode and the separator, and generating power by reaction of fuel gas and oxidant gas,
A cell voltage determination process for determining whether the cell voltage of the power generation cell is equal to or lower than a threshold voltage when an operation stop signal is detected during operation;
A scavenging process in which scavenging is performed by supplying an oxidant gas to the fuel gas flow path when the cell voltage becomes equal to or lower than the threshold voltage.
請求項1記載の運転方法において、
前記セル電圧判定過程では、
前記運転停止信号を検知したとき前記燃料ガス流路への前記燃料ガスの供給を停止し、前記発電セルのセル電圧を低下させる
ことを特徴とする燃料電池の運転方法。
The driving method according to claim 1,
In the cell voltage determination process,
When the operation stop signal is detected, the supply of the fuel gas to the fuel gas flow path is stopped, and the cell voltage of the power generation cell is lowered.
請求項1記載の運転方法において、
前記セル電圧判定過程では、
前記運転停止信号を検知したとき前記酸化剤ガス流路へ前記酸化剤ガス流量を低減して供給し、前記発電セルのセル電圧を低下させる
ことを特徴とする燃料電池の運転方法。
The driving method according to claim 1,
In the cell voltage determination process,
A method of operating a fuel cell, wherein when the operation stop signal is detected, the oxidant gas flow rate is reduced and supplied to the oxidant gas flow path to reduce the cell voltage of the power generation cell.
請求項3記載の運転方法において、
前記酸化剤ガス流量を低減して供給するとき、前記燃料ガス流路への前記燃料ガスの供給を継続する
ことを特徴とする燃料電池の運転方法。
The driving method according to claim 3, wherein
When the oxidant gas flow rate is reduced and supplied, the supply of the fuel gas to the fuel gas flow path is continued.
請求項3または4記載の運転方法において、
前記酸化剤ガス流量を低減して供給するとき、さらに前記発電セルの負荷を増大して、前記発電セルのセル電圧を低下させる
ことを特徴とする燃料電池の運転方法。
The driving method according to claim 3 or 4,
When the oxidant gas flow rate is reduced and supplied, the load on the power generation cell is further increased to lower the cell voltage of the power generation cell.
電解質の両側にアノード側電極とカソード側電極とを設けた電解質・電極構造体を、一対のセパレータで挟んで保持するとともに、前記アノード側電極と前記セパレータとの間に燃料ガス流路が形成される一方、前記カソード側電極と前記セパレータとの間に酸化剤ガス流路が形成された発電セルを有し、燃料ガス及び酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池の運転方法であって、
運転開始信号を検知したときに前記発電セルのセル電圧が閾値電圧以下の状態で、前記燃料ガス流路に前記燃料ガスの供給を開始する燃料ガス供給開始過程
を有することを特徴とする燃料電池の運転方法。
An electrolyte / electrode structure provided with an anode side electrode and a cathode side electrode on both sides of the electrolyte is held between a pair of separators, and a fuel gas flow path is formed between the anode side electrode and the separator. On the other hand, a method of operating a fuel cell having a power generation cell in which an oxidant gas flow path is formed between the cathode side electrode and the separator, and generating power by reaction of fuel gas and oxidant gas,
A fuel cell supply start process for starting supply of the fuel gas to the fuel gas flow path when a cell voltage of the power generation cell is not more than a threshold voltage when an operation start signal is detected. Driving method.
請求項6記載の燃料電池の運転方法において、
前記燃料ガス供給開始過程において、前記運転開始信号を検知したときに、前記燃料ガス流路に前記燃料ガスの供給を開始したとき、前記酸化剤ガス流路に通常発電時に供給する酸化剤ガスの流量より少ない流量の酸化剤ガスを供給する
ことを特徴とする燃料電池の運転方法。
The method of operating a fuel cell according to claim 6,
In the fuel gas supply start process, when the operation start signal is detected, when the supply of the fuel gas to the fuel gas channel is started, the oxidant gas supplied to the oxidant gas channel during normal power generation A method for operating a fuel cell, comprising supplying an oxidant gas having a flow rate lower than the flow rate.
請求項7記載の燃料電池の運転方法において、
前記燃料ガス流路に前記燃料ガスの供給を開始した後、前記燃料ガス流路内の酸化剤ガスの排出が完了したと判断したとき、前記酸化剤ガス流路に供給する前記酸化剤ガスの流量を通常発電時に供給する流量に増量する
ことを特徴とする燃料電池の運転方法。

The operation method of a fuel cell according to claim 7,
After starting the supply of the fuel gas to the fuel gas flow path, when it is determined that the discharge of the oxidant gas in the fuel gas flow path is complete, the oxidant gas supplied to the oxidant gas flow path A method of operating a fuel cell, characterized in that the flow rate is increased to the flow rate supplied during normal power generation.

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