JP6639972B2

JP6639972B2 - Sub-zero starting method for fuel cell system

Info

Publication number: JP6639972B2
Application number: JP2016054225A
Authority: JP
Inventors: 宮島　一嘉; 一嘉宮島; 旭紘松井; 邦明尾島; 憲司樽家; 宏一朗古澤
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2016-03-17
Filing date: 2016-03-17
Publication date: 2020-02-05
Anticipated expiration: 2036-03-17
Also published as: JP2017168369A

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置、及び前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置を備える燃料電池システムの氷点下始動方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas, a fuel gas supply device that supplies the fuel gas to the fuel cell, and an oxidant that supplies the oxidant gas to the fuel cell. The present invention relates to a subzero starting method for a fuel cell system including a gas supply device.

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一方の面にアノード電極が、他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータによって挟持されることにより、発電セル（単位セル）が構成されている。通常、所定の数の発電セルが積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池車両（燃料電池電気自動車等）に組み込まれている。 For example, a polymer electrolyte fuel cell has an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode electrode is provided on one surface of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane, and a cathode electrode is provided on the other surface. It has. The electrolyte membrane / electrode structure constitutes a power generation cell (unit cell) by being sandwiched between separators. Normally, a predetermined number of power generation cells are stacked, for example, to be incorporated in a fuel cell vehicle (such as a fuel cell electric vehicle) as a vehicle-mounted fuel cell stack.

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

そこで、カソード電極及びアノード電極に、それぞれ空気が満たされた状態で、燃料電池の起動を開始する処理が行われている。その際、アノード電極では、水素ガスの供給が開始されると、前記アノード電極の上流側に水素ガスが存在する一方、該アノード電極の下流側に空気が存在してしまう。このため、アノード電極に局部電池が形成され、電子は、導線性の高い電極触媒層、カーボンペーパ（拡散層）及びセパレータを介して前記アノード電極の上流から下流に移動する。 Therefore, a process of starting the fuel cell in a state where the cathode electrode and the anode electrode are filled with air is performed. At this time, when the supply of the hydrogen gas is started at the anode electrode, the hydrogen gas is present on the upstream side of the anode electrode, while the air is present on the downstream side of the anode electrode. For this reason, a local battery is formed on the anode electrode, and electrons move from upstream to downstream of the anode electrode via the highly conductive electrode catalyst layer, carbon paper (diffusion layer), and separator.

カソード電極では、アノード電極の下流に対向して高電位となる。従って、カソード電極の電極触媒層では、触媒担持カーボンの酸化（腐食）によりＰｔ（白金）の溶出が惹起され易い。これにより、電極触媒層の劣化が急速に進行するという問題がある。 The cathode electrode has a high potential facing the downstream of the anode electrode. Therefore, in the electrode catalyst layer of the cathode electrode, elution of Pt (platinum) is easily caused by oxidation (corrosion) of the catalyst-supporting carbon. As a result, there is a problem that the deterioration of the electrode catalyst layer progresses rapidly.

上記の課題に鑑み、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムでは、システム起動時には、少なくとも燃料ガス流路に燃料ガスが行き渡る以前に、酸化剤ガス流路への燃料ガスの供給を開始している。次いで、少なくとも燃料ガス流路に燃料ガスが行き渡った後に、酸化剤ガス流路への酸化剤ガスの供給に切り替えている。 In view of the above problems, for example, a fuel cell system disclosed in Patent Document 1 is known. In this fuel cell system, when the system is started, the supply of the fuel gas to the oxidizing gas flow channel is started at least before the fuel gas reaches the fuel gas flow channel. Next, the supply of the oxidizing gas to the oxidizing gas flow path is switched to at least after the fuel gas has spread to the fuel gas flow path.

これにより、システム起動時に既存のガスを用いて燃料電池内で生じるカーボンの腐食反応を抑制することができ、システムを大型化することなく、効果的に起動時の酸化剤極の劣化を抑制できる、としている。 As a result, it is possible to suppress the corrosion reaction of carbon generated in the fuel cell using the existing gas at the time of starting the system, and it is possible to effectively suppress the deterioration of the oxidizer electrode at the time of starting without increasing the size of the system. , And

特開２００５−１４９８３８号公報JP 2005-149838 A

ところで、燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置では、前記燃料電池の酸化剤ガス入口に連通する酸化剤ガス供給路と、前記燃料電池の酸化剤ガス出口に連通する酸化剤ガス排出路とを備えている。そして、酸化剤ガス供給路には、供給側開閉弁（封止弁）が配置される一方、酸化剤ガス排出路には、排出側開閉弁（封止弁）が配置されている場合がある。 Meanwhile, in the oxidizing gas supply device that supplies the oxidizing gas to the fuel cell, an oxidizing gas supply passage communicating with the oxidizing gas inlet of the fuel cell, and an oxidizing gas communicating with the oxidizing gas outlet of the fuel cell. And a discharge path. In some cases, a supply-side on-off valve (sealing valve) is disposed in the oxidizing gas supply path, while a discharge-side on-off valve (sealing valve) is disposed in the oxidizing gas discharge path. .

供給側開閉弁及び排出側開閉弁は、通常、システム停止時に閉弁されているが、氷点下では、凍結を回避するために開弁状態でシステム停止が行われている。このため、次回の起動時には、アノード側に水素（燃料ガス）を投入した後、カソード側に空気（酸化剤ガス）を投入することができないという問題がある。これを回避するためには、供給側開閉弁及び排出側開閉弁の開閉制御が必要になり、制御が煩雑化するとともに、時間がかかるという問題がある。 The supply-side on-off valve and the discharge-side on-off valve are normally closed when the system is stopped. However, below freezing, the system is stopped in an open state to avoid freezing. For this reason, at the next start-up, there is a problem that it is not possible to supply air (oxidant gas) to the cathode side after supplying hydrogen (fuel gas) to the anode side. In order to avoid this, it is necessary to control the opening and closing of the supply-side on-off valve and the discharge-side on-off valve, so that the control becomes complicated and time is required.

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な制御で、電極触媒の劣化を可及的に抑制することが可能な燃料電池システムの氷点下始動方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve this kind of problem, and an object of the present invention is to provide a subzero starting method of a fuel cell system capable of suppressing deterioration of an electrode catalyst as much as possible with simple control. .

本発明に係る氷点下始動方法が適用される燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、を備えている。燃料電池は、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極との間で挟持する電解質膜・電極構造体を備えるとともに、前記アノード電極に供給される燃料ガスと前記カソード電極に供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する。 A fuel cell system to which a subzero starting method according to the present invention is applied includes a fuel cell, a fuel gas supply device that supplies a fuel gas to the fuel cell, and an oxidant gas supply device that supplies an oxidant gas to the fuel cell And The fuel cell includes an electrolyte membrane / electrode structure sandwiching a solid polymer electrolyte membrane between an anode electrode and a cathode electrode, and includes a fuel gas supplied to the anode electrode and an oxidant supplied to the cathode electrode. Electric power is generated by an electrochemical reaction with gas.

酸化剤ガス供給装置は、燃料電池の酸化剤ガス入口に連通する酸化剤ガス供給路と、前記燃料電池の酸化剤ガス出口に連通する酸化剤ガス排出路とを備えている。酸化剤ガス供給路に供給側開閉弁が配置され、酸化剤ガス排出路に排出側開閉弁が配置されるとともに、前記供給側開閉弁の上流側及び前記排出側開閉弁の下流側には、前記酸化剤ガス供給路と前記酸化剤ガス排出路とを連通するバイパス流路が設けられている。 The oxidizing gas supply device includes an oxidizing gas supply passage communicating with an oxidizing gas inlet of the fuel cell, and an oxidizing gas discharge passage communicating with an oxidizing gas outlet of the fuel cell. A supply-side on-off valve is disposed on the oxidizing gas supply path, and a discharge-side on-off valve is disposed on the oxidizing gas discharge path.On the upstream side of the supply-side on-off valve and the downstream side of the discharge-side on-off valve, A bypass flow path that connects the oxidizing gas supply path and the oxidizing gas discharge path is provided.

バイパス流路には、バイパス弁が配置され、酸化剤ガス排出路には、排出側開閉弁と前記バイパス流路の連結部との間に背圧弁が配置され、前記背圧弁は、燃料電池に供給される酸化剤ガスの圧力を調整している。前記燃料ガス供給装置は、前記燃料電池の燃料ガス出口に連通し、該燃料電池から排出される前記燃料ガスをパージするパージ弁を備える。前記パージ弁の下流は、前記酸化剤ガス排出路の下流に連通している。
In the bypass flow path, a bypass valve is disposed, and in the oxidizing gas discharge path, a back pressure valve is disposed between a discharge side on-off valve and a connection portion of the bypass flow path, and the back pressure valve is connected to the fuel cell. The pressure of the supplied oxidizing gas is adjusted. The fuel gas supply device includes a purge valve that communicates with a fuel gas outlet of the fuel cell and purges the fuel gas discharged from the fuel cell. The downstream of the purge valve communicates with the downstream of the oxidizing gas discharge passage.

前記燃料電池システムの運転が停止される際に、前記燃料電池が氷点下の設定温度以下になると、前記燃料電池のカソード側に前記酸化剤ガスによるパージ処理が施される。燃料電池システムの始動前に、供給側開閉弁及び排出側開閉弁は、開弁状態に維持されている。そして、始動開始信号を受けて、バイパス弁が開弁される一方、背圧弁が閉状態に保持される。さらに、酸化剤ガス供給路に酸化剤ガスが供給され、該酸化剤ガスがバイパス流路から酸化剤ガス排出路に流通される。
When the operation of the fuel cell system is stopped, if the temperature of the fuel cell becomes equal to or lower than a set temperature below freezing, a purge process using the oxidizing gas is performed on the cathode side of the fuel cell. Before the start of the fuel cell system, the supply-side on-off valve and the discharge-side on-off valve are maintained in an open state. Then, in response to the start start signal, the bypass valve is opened and the back pressure valve is kept closed. Further, the oxidizing gas is supplied to the oxidizing gas supply passage, and the oxidizing gas flows from the bypass passage to the oxidizing gas discharge passage.

次いで、前記バイパス流路から酸化剤ガス排出路に流通する酸化剤ガスの流量が、前記パージ弁から排出される前記燃料ガスの希釈に必要な流量に至った際、燃料ガス供給装置から燃料電池の燃料ガス入口に燃料ガスが供給され、該燃料電池内の燃料ガス流路系が前記燃料ガスにより置換される。燃料ガス流路系が燃料ガスにより置換された後、バイパス開閉弁が閉弁され且つ背圧弁の閉弁状態が解除されることにより、燃料電池の酸化剤ガス流路系に酸化剤ガスが供給される。
Next, when the flow rate of the oxidizing gas flowing from the bypass flow path to the oxidizing gas discharge path reaches a flow rate required for diluting the fuel gas discharged from the purge valve , the fuel gas supply The fuel gas is supplied to the fuel gas inlet of the fuel cell, and the fuel gas passage system in the fuel cell is replaced by the fuel gas. After the fuel gas passage system is replaced with the fuel gas, the bypass on-off valve is closed and the back pressure valve is released from the closed state, so that the oxidant gas is supplied to the oxidant gas passage system of the fuel cell. Is done.

本発明によれば、バイパス弁が開弁される一方、背圧弁が閉状態に保持されるため、酸化剤ガス供給路に供給される酸化剤ガスは、燃料電池をバイパスしてバイパス流路を流通することができる。このため、供給側開閉弁及び排出側開閉弁が開弁されていても、燃料電池のカソード側に酸化剤ガスが導入されることがない。従って、燃料電池のカソード側への酸化剤ガスの導入を抑制した状態で、前記燃料電池のアノード側に燃料ガスを供給することが可能になる。これにより、簡単な制御で、電極触媒の劣化を可及的に抑制することができる。 According to the present invention, while the bypass valve is opened and the back pressure valve is kept closed, the oxidizing gas supplied to the oxidizing gas supply path bypasses the fuel cell and passes through the bypass flow path. Can be distributed. Therefore, even when the supply-side on-off valve and the discharge-side on-off valve are opened, the oxidizing gas is not introduced into the cathode side of the fuel cell. Therefore, it is possible to supply the fuel gas to the anode side of the fuel cell while suppressing the introduction of the oxidizing gas to the cathode side of the fuel cell. Thus, the deterioration of the electrode catalyst can be suppressed as much as possible with a simple control.

本発明の実施形態に係る氷点下始動方法が適用される燃料電池システムの概略構成説明図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic configuration explanatory diagram of a fuel cell system to which a subzero starting method according to an embodiment of the present invention is applied. 前記氷点下始動方法を説明するタイムチャートである。It is a time chart explaining the above-mentioned freezing start method. 前記燃料電池システムのカソード側に空気によるパージ処理が施される際の動作説明図である。FIG. 4 is an operation explanatory diagram when a purge process with air is performed on the cathode side of the fuel cell system. 前記氷点下始動方法において、バイパス流路に空気が供給される際の動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing at the time of supplying air to a bypass flow path in the said subzero starting method. 前記氷点下始動方法において、アノード側が水素置換される際の動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing at the time of the hydrogen substitution on the anode side in the said subzero starting method.

図１に示すように、本発明の実施形態に係る氷点下始動方法が適用される燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両（図示せず）に搭載される。 As shown in FIG. 1, a fuel cell system 10 to which a subzero starting method according to an embodiment of the present invention is applied is mounted on a fuel cell vehicle (not shown) such as a fuel cell electric vehicle, for example.

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１４と、前記燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１６とを備える。燃料電池システム１０は、図示しないが、燃料電池スタック１２に冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置を備える。燃料電池システム１０は、制御部１８により駆動制御される。 The fuel cell system 10 includes a fuel cell stack 12, a fuel gas supply device 14 for supplying a fuel gas to the fuel cell stack 12, and an oxidant gas supply device 16 for supplying an oxidant gas to the fuel cell stack 12. Prepare. Although not shown, the fuel cell system 10 includes a cooling medium supply device that supplies a cooling medium to the fuel cell stack 12. The drive of the fuel cell system 10 is controlled by the control unit 18.

燃料電池スタック１２は、複数の発電セル２０が水平方向又は鉛直方向に積層される。発電セル２０は、電解質膜・電極構造体２２を第１セパレータ２４及び第２セパレータ２６で挟持する。第１セパレータ２４及び第２セパレータ２６は、金属セパレータ又はカーボンセパレータにより構成される。 In the fuel cell stack 12, a plurality of power generation cells 20 are stacked in a horizontal direction or a vertical direction. The power generation cell 20 sandwiches the electrolyte membrane / electrode structure 22 between the first separator 24 and the second separator 26. The first separator 24 and the second separator 26 are configured by a metal separator or a carbon separator.

電解質膜・電極構造体２２は、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜２８と、前記固体高分子電解質膜２８を挟持するアノード電極３０及びカソード電極３２とを備える。固体高分子電解質膜２８は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。 The electrolyte membrane / electrode structure 22 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 28 which is a thin film of perfluorosulfonic acid containing water, and an anode electrode 30 and a cathode electrode 32 which sandwich the solid polymer electrolyte membrane 28. Is provided. For the solid polymer electrolyte membrane 28, an HC (hydrocarbon) -based electrolyte is used in addition to a fluorine-based electrolyte.

第１セパレータ２４は、電解質膜・電極構造体２２との間に、アノード電極３０に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路３４を設ける。第２セパレータ２６は、電解質膜・電極構造体２２との間に、カソード電極３２に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路３６を設ける。互いに隣接する第１セパレータ２４と第２セパレータ２６との間には、冷却媒体を流通させるための冷却媒体流路３８が設けられる。 The first separator 24 has a fuel gas flow path 34 for supplying a fuel gas to the anode 30 between the electrolyte membrane / electrode structure 22. The second separator 26 has an oxidizing gas passage 36 for supplying an oxidizing gas to the cathode 32 between the electrolyte membrane and the electrode structure 22. Between the first separator 24 and the second separator 26 adjacent to each other, a cooling medium flow path 38 for flowing a cooling medium is provided.

発電セル２０の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、燃料ガス入口４０ａ及び燃料ガス出口４０ｂが設けられる。燃料ガス入口４０ａは、各発電セル２０の積層方向に貫通するとともに、燃料ガス流路３４の供給側に連通する。燃料ガス出口４０ｂは、各発電セル２０の積層方向に貫通するとともに、燃料ガス流路３４の排出側に連通する。 A fuel gas inlet 40a and a fuel gas outlet 40b are provided at one end of the power generation cell 20 in the stacking direction (the direction of arrow A). The fuel gas inlet 40 a penetrates in the stacking direction of the power generation cells 20 and communicates with the supply side of the fuel gas flow path 34. The fuel gas outlet 40 b penetrates in the stacking direction of the power generation cells 20 and communicates with the discharge side of the fuel gas flow path 34.

発電セル２０の積層方向（矢印Ａ方向）他端には、酸化剤ガス入口４２ａ及び酸化剤ガス出口４２ｂが設けられる。酸化剤ガス入口４２ａは、各発電セル２０の積層方向に貫通するとともに、酸化剤ガス流路３６の供給側に連通する。酸化剤ガス出口４２ｂは、各発電セル２０の積層方向に貫通するとともに、酸化剤ガス流路３６の排出側に連通する。 An oxidizing gas inlet 42a and an oxidizing gas outlet 42b are provided at the other end of the power generation cell 20 in the stacking direction (the direction of arrow A). The oxidizing gas inlet 42 a penetrates in the stacking direction of the power generation cells 20 and communicates with the supply side of the oxidizing gas flow path 36. The oxidizing gas outlet 42b penetrates in the stacking direction of the power generation cells 20 and communicates with the discharge side of the oxidizing gas flow path 36.

燃料ガス供給装置１４は、高圧水素を貯留する水素タンク４４を備え、この水素タンク４４は、水素供給路（燃料ガス供給路）４６を介して燃料電池スタック１２の燃料ガス入口４０ａに連通する。水素供給路４６は、燃料電池スタック１２に水素ガスを供給する。 The fuel gas supply device 14 includes a hydrogen tank 44 that stores high-pressure hydrogen. The hydrogen tank 44 communicates with a fuel gas inlet 40 a of the fuel cell stack 12 via a hydrogen supply path (fuel gas supply path) 46. The hydrogen supply path 46 supplies hydrogen gas to the fuel cell stack 12.

水素供給路４６には、インジェクタ４８及びエゼクタ５０が直列に設けられるとともに、前記インジェクタ４８及び前記エゼクタ５０を跨いでバイパス供給路５２が接続される。バイパス供給路５２には、ＢＰ（バイパス）インジェクタ５４が設けられる。ＢＰインジェクタ５４は、燃料電池スタック１２の始動時や高負荷発電が要求された際等に、高濃度な水素を供給するために使用されるサブインジェクタである一方、インジェクタ４８は、通常の発電時に主として使用されるメインインジェクタである。 An injector 48 and an ejector 50 are provided in series with the hydrogen supply path 46, and a bypass supply path 52 is connected across the injector 48 and the ejector 50. A BP (bypass) injector 54 is provided in the bypass supply path 52. The BP injector 54 is a sub-injector used to supply high-concentration hydrogen when starting the fuel cell stack 12 or when high-load power generation is required, while the injector 48 operates during normal power generation. It is a main injector mainly used.

燃料電池スタック１２の燃料ガス出口４０ｂには、燃料ガス排出路（オフガス配管）５６が連通する。燃料ガス排出路５６は、アノード電極３０で少なくとも一部が使用された燃料ガスである燃料排ガスを、燃料電池スタック１２から導出する。燃料ガス排出路５６には、気液分離器５８が接続されるとともに、前記気液分離器５８の下流から分岐する水素循環流路６０を介してエゼクタ５０が接続される。水素循環流路６０には、水素ポンプ６２が設けられる。水素ポンプ６２は、特に起動時に、燃料ガス排出路５６に排出された燃料排ガスを、水素循環流路６０を通って水素供給路４６に循環させる。 The fuel gas outlet 40b of the fuel cell stack 12 communicates with a fuel gas discharge passage (off-gas pipe) 56. The fuel gas discharge path 56 derives, from the fuel cell stack 12, a fuel exhaust gas that is a fuel gas at least partially used in the anode 30. A gas-liquid separator 58 is connected to the fuel gas discharge path 56, and an ejector 50 is connected to the fuel gas discharge path 56 via a hydrogen circulation channel 60 branched from the downstream of the gas-liquid separator 58. A hydrogen pump 62 is provided in the hydrogen circulation channel 60. The hydrogen pump 62 circulates the fuel exhaust gas discharged to the fuel gas discharge passage 56 to the hydrogen supply passage 46 through the hydrogen circulation passage 60 particularly at the time of startup.

燃料ガス排出路５６の下流には、パージ流路６４の一端が連通するとともに、前記パージ流路６４の途上には、パージ弁６６が設けられる。気液分離器５８の底部には、主に液体成分を含む流体を排出する排水流路６８の一端が接続される。排水流路６８の途上には、ドレイン弁７０が配設される。 One end of a purge passage 64 communicates downstream of the fuel gas discharge passage 56, and a purge valve 66 is provided in the middle of the purge passage 64. One end of a drain passage 68 for discharging a fluid mainly containing a liquid component is connected to the bottom of the gas-liquid separator 58. A drain valve 70 is provided on the way of the drain passage 68.

酸化剤ガス供給装置１６は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ７２を備え、前記エアポンプ７２が空気供給路（酸化剤ガス供給路）７４に配設される。空気供給路７４は、燃料電池スタック１２に空気を供給する。 The oxidizing gas supply device 16 includes an air pump 72 that compresses and supplies air from the atmosphere. The air pump 72 is provided in an air supply path (oxidizing gas supply path) 74. The air supply path 74 supplies air to the fuel cell stack 12.

空気供給路７４は、エアポンプ７２の下流側に位置して供給側開閉弁（封止弁）７６ａ及び加湿器７８を配設するとともに、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口４２ａに連通する。空気供給路７４には、加湿器７８を跨いでバイパス供給路８０が接続される。バイパス供給路８０には、開閉弁８２が設けられる。 The air supply path 74 has a supply-side on-off valve (sealing valve) 76 a and a humidifier 78 located downstream of the air pump 72 and communicates with the oxidant gas inlet 42 a of the fuel cell stack 12. A bypass supply path 80 is connected to the air supply path 74 across a humidifier 78. An on-off valve 82 is provided in the bypass supply path 80.

燃料電池スタック１２の酸化剤ガス出口４２ｂには、空気排出路（酸化剤ガス排出路）８４が連通する。空気排出路８４には、供給空気と排出空気との間で水分及び熱を交換する加湿器７８、排出側開閉弁（封止弁）７６ｂ及び背圧弁８６が配設される。空気排出路８４は、カソード電極３２で少なくとも一部が使用された酸化剤ガスである酸化剤排ガスを、燃料電池スタック１２から排出する。空気排出路８４の下流には、パージ流路６４の他端及び排水流路６８の他端が接続され、希釈部を構成する。 An air exhaust passage (oxidant gas exhaust passage) 84 communicates with the oxidant gas outlet 42b of the fuel cell stack 12. In the air discharge path 84, a humidifier 78 for exchanging moisture and heat between supply air and discharge air, a discharge side opening / closing valve (sealing valve) 76b, and a back pressure valve 86 are provided. The air discharge passage 84 discharges, from the fuel cell stack 12, an oxidant exhaust gas that is an oxidant gas at least partially used in the cathode electrode 32. The other end of the purge passage 64 and the other end of the drain passage 68 are connected downstream of the air discharge passage 84 to form a dilution unit.

空気供給路７４と空気排出路８４とには、供給側開閉弁７６ａの上流側と排出側開閉弁７６ｂの下流側及び背圧弁８６の下流側とにバイパス流路８８の両端が連通する。バイパス流路８８には、前記バイパス流路８８を流通する空気の流量を調整するＢＰ流量調整弁（バイパス弁）９０が配設される。空気供給路７４と空気排出路８４とには、供給側開閉弁７６ａの下流側及び排出側開閉弁７６ｂの上流側に位置して空気循環流路９２が連通する。空気循環流路９２には、循環ポンプ９４が配置される。循環ポンプ９４は、空気排出路８４に排出された酸化剤排ガス（一部が消費された酸化剤ガス）を空気循環流路９２を通って空気供給路７４に循環させる。 Both ends of a bypass flow passage 88 communicate with the air supply passage 74 and the air discharge passage 84 at the upstream side of the supply-side on-off valve 76a, the downstream side of the discharge-side on-off valve 76b, and the downstream side of the back pressure valve 86. A BP flow control valve (bypass valve) 90 for adjusting the flow rate of the air flowing through the bypass flow passage 88 is provided in the bypass flow passage 88. The air supply passage 74 and the air discharge passage 84 communicate with an air circulation passage 92 located downstream of the supply-side on-off valve 76a and upstream of the discharge-side on-off valve 76b. A circulation pump 94 is arranged in the air circulation channel 92. The circulation pump 94 circulates the oxidant exhaust gas (partially consumed oxidant gas) discharged to the air discharge passage 84 through the air circulation passage 92 to the air supply passage 74.

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、以下に説明する。 The operation of the fuel cell system 10 configured as described above will be described below.

燃料ガス供給装置１４では、水素タンク４４から水素供給路４６に水素ガスが供給される。この水素ガスは、インジェクタ４８及びエゼクタ５０を通って燃料電池スタック１２の燃料ガス入口４０ａに供給される。水素ガスは、燃料ガス入口４０ａから燃料ガス流路３４に導入される。水素ガスは、燃料ガス流路３４に沿って移動し、電解質膜・電極構造体２２のアノード電極３０に供給される。 In the fuel gas supply device 14, hydrogen gas is supplied from a hydrogen tank 44 to a hydrogen supply path 46. This hydrogen gas is supplied to the fuel gas inlet 40a of the fuel cell stack 12 through the injector 48 and the ejector 50. Hydrogen gas is introduced into the fuel gas flow path 34 from the fuel gas inlet 40a. The hydrogen gas moves along the fuel gas flow path 34 and is supplied to the anode 30 of the electrolyte membrane / electrode structure 22.

酸化剤ガス供給装置１６では、エアポンプ７２の回転作用下に、空気供給路７４に空気が送られる。この空気は、加湿器７８を通って加湿された後、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口４２ａに供給される。空気は、酸化剤ガス入口４２ａから酸化剤ガス流路３６に導入される。空気は、酸化剤ガス流路３６に沿って移動し、電解質膜・電極構造体２２のカソード電極３２に供給される。 In the oxidizing gas supply device 16, air is sent to the air supply passage 74 under the rotation of the air pump 72. This air is humidified through the humidifier 78 and then supplied to the oxidizing gas inlet 42 a of the fuel cell stack 12. The air is introduced into the oxidizing gas passage 36 from the oxidizing gas inlet 42a. The air moves along the oxidant gas flow path 36 and is supplied to the cathode electrode 32 of the electrolyte membrane / electrode structure 22.

従って、各電解質膜・電極構造体２２では、アノード電極３０に供給される水素ガスと、カソード電極３２に供給される空気中の酸素とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。 Accordingly, in each of the electrolyte membrane / electrode structures 22, the hydrogen gas supplied to the anode electrode 30 and the oxygen in the air supplied to the cathode electrode 32 are consumed by the electrochemical reaction in the electrode catalyst layer to generate electric power. Is performed.

次いで、アノード電極３０に供給されて一部が消費された水素ガスは、燃料ガス出口４０ｂから燃料ガス排出路５６に排出される。水素ガスは、燃料ガス排出路５６から水素循環流路６０に導入され、エゼクタ５０の吸引作用下に水素供給路４６に循環される。燃料ガス排出路５６に排出された水素ガスは、必要に応じて、パージ弁６６の開放作用下に希釈部外に排出（パージ）される。 Next, the hydrogen gas supplied to the anode electrode 30 and partially consumed is discharged from the fuel gas outlet 40b to the fuel gas discharge path 56. The hydrogen gas is introduced into the hydrogen circulation channel 60 from the fuel gas discharge channel 56 and circulated to the hydrogen supply channel 46 under the suction of the ejector 50. The hydrogen gas discharged to the fuel gas discharge passage 56 is discharged (purged) to the outside of the dilution section as needed by the opening operation of the purge valve 66.

同様に、カソード電極３２に供給されて一部が消費された空気は、酸化剤ガス出口４２ｂから空気排出路８４に排出される。空気は、加湿器７８を通って空気供給路７４から供給される新たな空気を加湿した後、背圧弁８６の設定圧力に調整された後、希釈部に排出される。なお、空気排出路８４に排出された空気は、必要に応じて、循環ポンプ９４の作用下に空気循環流路９２を通って空気供給路７４に循環される。 Similarly, the air supplied to the cathode electrode 32 and partially consumed is discharged from the oxidant gas outlet 42b to the air discharge path 84. After humidifying the fresh air supplied from the air supply path 74 through the humidifier 78, the air is adjusted to the set pressure of the back pressure valve 86, and then discharged to the dilution unit. The air discharged to the air discharge passage 84 is circulated to the air supply passage 74 through the air circulation passage 92 under the action of the circulation pump 94 as necessary.

次いで、本実施形態に係る燃料電池システム１０の氷点下始動方法について、図２に示すタイムチャートに沿って、以下に説明する。 Next, a subzero starting method of the fuel cell system 10 according to the present embodiment will be described below with reference to a time chart shown in FIG.

燃料電池システム１０の運転が停止される際には、供給側開閉弁７６ａ及び排出側開閉弁７６ｂが閉弁されている。そして、燃料電池スタック１２が氷点下の設定温度以下になると、カソード側にのみ空気によるパージ処理が施される。図３に示すように、ＢＰ流量調整弁９０が閉弁される一方、供給側開閉弁７６ａ及び排出側開閉弁７６ｂが開弁されている。 When the operation of the fuel cell system 10 is stopped, the supply-side on-off valve 76a and the discharge-side on-off valve 76b are closed. Then, when the temperature of the fuel cell stack 12 becomes equal to or lower than the set temperature below the freezing point, the air is purged only on the cathode side. As shown in FIG. 3, the BP flow control valve 90 is closed, while the supply-side on-off valve 76a and the discharge-side on-off valve 76b are open.

この状態で、エアポンプ７２が駆動され、空気供給路７４に空気が供給される。空気は、空気供給路７４を通って酸化剤ガス入口４２ａから燃料電池スタック１２内のカソード側に導入される。酸化剤ガス流路３６を含むカソード流路系を流通した空気は、水分等の不要物を伴って空気排出路８４に排出される。カソード流路系のパージ処理が終了すると、供給側開閉弁７６ａ及び排出側開閉弁７６は、開弁状態に維持されている。
In this state, the air pump 72 is driven, and the air is supplied to the air supply path 74. The air is introduced from the oxidant gas inlet 42 a through the air supply passage 74 to the cathode side in the fuel cell stack 12. The air flowing through the cathode flow path system including the oxidizing gas flow path 36 is discharged to the air discharge path 84 with unnecessary substances such as moisture. When purging the cathode flow channel system is completed, the supply-side valve 76a and the discharge side valve 76 is maintained in the open state.

そこで、氷点下始動時には、図２に示すように、制御部１８は、ＢＰ流量調整弁９０を開弁させるとともに、背圧弁８６を開状態に保持している。パージ弁６６は、予め閉弁されている。水素ポンプ６２がオンされるとともに、エアポンプ７２がオンされた後、背圧弁８６が閉状態に保持される。 Therefore, at the time of starting below the freezing point, as shown in FIG. 2, the control unit 18 opens the BP flow control valve 90 and holds the back pressure valve 86 in the open state. The purge valve 66 is closed in advance. After the hydrogen pump 62 is turned on and the air pump 72 is turned on, the back pressure valve 86 is kept closed.

図４に示すように、エアポンプ７２の作用下に、空気供給路７４に空気が供給されると、この空気は、バイパス流路８８を流通して空気排出路８４に導入される。さらに、空気は、空気排出路８４の下流側の希釈部に供給される。ここで、供給側開閉弁７６ａ及び排出側開閉弁７６ｂは、開弁されている一方、背圧弁８６が閉状態に保持されている。このため、空気供給路７４に供給された空気は、燃料電池スタック１２内に投入されることがなく、前記燃料電池スタック１２をバイパスすることができる。 As shown in FIG. 4, when air is supplied to the air supply path 74 under the action of the air pump 72, the air flows through the bypass flow path 88 and is introduced into the air discharge path 84. Further, the air is supplied to a dilution section on the downstream side of the air discharge path 84. Here, the supply-side on-off valve 76a and the discharge-side on-off valve 76b are opened, while the back pressure valve 86 is held in a closed state. Therefore, the air supplied to the air supply path 74 is not injected into the fuel cell stack 12, and can bypass the fuel cell stack 12.

バイパス流路８８から空気排出路８４に流通する空気の流量が増加し、前記空気の流量が、所定流量、例えば、パージ弁６６から排出される水素ガスの希釈に必要な流量に至った際、燃料電池スタック１２の燃料ガス入口４０ａに前記水素ガスが供給（投入）される。従って、燃料電池スタック１２では、各発電セル２０の燃料ガス流路３４に水素ガスが供給され、前記燃料ガス流路３４に残存していた空気とともに、前記水素ガスが燃料ガス排出路５６に排出される。これにより、燃料ガス排出路５６での排出水素濃度が上昇する（図２参照）。 When the flow rate of the air flowing from the bypass passage 88 to the air discharge passage 84 increases and the flow rate of the air reaches a predetermined flow rate, for example, a flow rate required for diluting the hydrogen gas discharged from the purge valve 66, The hydrogen gas is supplied (input) to the fuel gas inlet 40 a of the fuel cell stack 12. Accordingly, in the fuel cell stack 12, hydrogen gas is supplied to the fuel gas flow path 34 of each power generation cell 20, and the hydrogen gas is discharged to the fuel gas discharge path 56 together with the air remaining in the fuel gas flow path 34. Is done. As a result, the concentration of the discharged hydrogen in the fuel gas discharge passage 56 increases (see FIG. 2).

一方、各発電セル２０の酸化剤ガス流路３６には、空気が残存している。このため、各電解質膜・電極構造体２２では、水素ガスと空気中の酸素とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。すなわち、図２に示すように、セル電圧（発電セル２０からの電圧）が上昇する。 On the other hand, air remains in the oxidant gas flow path 36 of each power generation cell 20. For this reason, in each of the electrolyte membrane / electrode structures 22, hydrogen gas and oxygen in the air are consumed by the electrochemical reaction in the electrode catalyst layer to generate power. That is, as shown in FIG. 2, the cell voltage (the voltage from the power generation cell 20) increases.

次いで、例えば、発電セル２０のＯＣＶ（開回路電圧）に基づいて、始動完了であると判断されると、パージ弁６６が開弁される。このため、図５に示すように、燃料電池スタック１２の燃料ガス流路３４を循環していた水素ガス及び空気を含む排ガスは、パージ流路６４に排出される。従って、燃料ガス流路３４には、水素タンク４４から供給される水素ガスが充填され、燃料ガス流路系の水素置換処理が行われる。 Next, for example, when it is determined that the start is completed based on the OCV (open circuit voltage) of the power generation cell 20, the purge valve 66 is opened. For this reason, as shown in FIG. 5, the exhaust gas containing the hydrogen gas and the air circulating in the fuel gas flow channel 34 of the fuel cell stack 12 is discharged to the purge flow channel 64. Therefore, the fuel gas flow path 34 is filled with hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 44, and the hydrogen replacement processing of the fuel gas flow path system is performed.

水素置換処理により、燃料電池スタック１２内の水素濃度が所定濃度まで上昇すると、該水素置換処理が終了する。そして、ＢＰ流量調整弁９０が閉弁されるとともに、背圧弁８６は、閉状態から、燃料電池スタック１２に供給される空気の圧力を調整可能な状態、すなわち、通常状態に操作される。これにより、燃料電池スタック１２は、通常の運転（発電）が可能になる。 When the hydrogen concentration in the fuel cell stack 12 increases to a predetermined concentration by the hydrogen replacement processing, the hydrogen replacement processing ends. Then, the BP flow control valve 90 is closed, and the back pressure valve 86 is operated from the closed state to a state where the pressure of the air supplied to the fuel cell stack 12 can be adjusted, that is, a normal state. Thereby, the fuel cell stack 12 can perform normal operation (power generation).

この場合、本実施形態では、燃料電池システム１０の始動前に、供給側開閉弁７６ａ及び排出側開閉弁７６ｂは、開弁状態に維持される。そして、始動開始信号を受けて、ＢＰ流量調整弁９０が開弁される一方、背圧弁８６が閉状態に保持されることにより、空気供給路７４に供給される空気は、バイパス流路８８から空気排出路８４に流通される（図４参照）。 In this case, in the present embodiment, before the fuel cell system 10 starts, the supply-side on-off valve 76a and the discharge-side on-off valve 76b are maintained in the open state. Then, in response to the start start signal, the BP flow control valve 90 is opened, while the back pressure valve 86 is kept closed, so that the air supplied to the air supply path 74 flows from the bypass flow path 88 It is circulated through the air discharge path 84 (see FIG. 4).

この状態で、水素供給路４６から燃料電池スタック１２の燃料ガス入口４０ａに水素ガスが供給され、該燃料電池スタック１２内の燃料ガス流路系が前記水素ガスにより置換される。さらに、燃料ガス流路系（アノード側）が水素ガスにより置換された後、ＢＰ流量調整弁９０が閉弁され且つ背圧弁８６の閉弁状態が解除されることにより、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス流路系（カソード側）に酸化剤ガスが供給される。 In this state, hydrogen gas is supplied from the hydrogen supply passage 46 to the fuel gas inlet 40a of the fuel cell stack 12, and the fuel gas flow path system in the fuel cell stack 12 is replaced by the hydrogen gas. Further, after the fuel gas flow path system (anode side) is replaced with hydrogen gas, the BP flow control valve 90 is closed and the back pressure valve 86 is released from the closed state, thereby oxidizing the fuel cell stack 12. An oxidizing gas is supplied to the agent gas flow path system (cathode side).

このように、ＢＰ流量調整弁９０が開弁される一方、背圧弁８６が閉状態に保持されるため、空気供給路７４に供給される空気は、燃料電池スタック１２をバイパスしてバイパス流路８８を流通することができる。このため、供給側開閉弁７６ａ及び排出側開閉弁７６ｂが開弁されていても、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス流路系に空気が導入されることがない。 As described above, the BP flow control valve 90 is opened while the back pressure valve 86 is maintained in a closed state, so that the air supplied to the air supply passage 74 bypasses the fuel cell stack 12 and 88 can be distributed. Therefore, even when the supply-side on-off valve 76a and the discharge-side on-off valve 76b are opened, air is not introduced into the oxidizing gas flow path system of the fuel cell stack 12.

従って、燃料電池スタック１２への空気の導入を抑制した状態で、前記燃料電池スタック１２の燃料ガス流路系に水素ガスを供給することが可能になる。これにより、簡単な制御で、特にカソード電極３２を構成する電極触媒の劣化を可及的に抑制することができるという効果が得られる。 Therefore, it is possible to supply hydrogen gas to the fuel gas flow path system of the fuel cell stack 12 while suppressing the introduction of air into the fuel cell stack 12. Thereby, the effect that the deterioration of the electrode catalyst constituting the cathode electrode 32 can be suppressed as much as possible with a simple control is obtained.

１０…燃料電池システム１２…燃料電池スタック
１４…燃料ガス供給装置１６…酸化剤ガス供給装置
１８…制御部２０…発電セル
２２…電解質膜・電極構造体２４、２６…セパレータ
２８…固体高分子電解質膜３０…アノード電極
３２…カソード電極３４…燃料ガス流路
３６…酸化剤ガス流路４０ａ…燃料ガス入口
４０ｂ…燃料ガス出口４２ａ…酸化剤ガス入口
４２ｂ…酸化剤ガス出口４４…水素タンク
７２…エアポンプ７４…空気供給路
７６ａ…供給側開閉弁７６ｂ…排出側開閉弁
７８…加湿器８０…バイパス供給路
８４…空気排出路８６…背圧弁
９０…ＢＰ流量調整弁９２…空気循環流路
９４…循環ポンプ DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell system 12 ... Fuel cell stack 14 ... Fuel gas supply device 16 ... Oxidizing gas supply device 18 ... Control part 20 ... Power generation cell 22 ... Electrolyte membrane / electrode structure 24, 26 ... Separator 28 ... Solid polymer electrolyte Membrane 30 Anode electrode 32 Cathode electrode 34 Fuel gas flow passage 36 Oxidant gas flow passage 40a Fuel gas inlet 40b Fuel gas outlet 42a Oxidant gas inlet 42b Oxidant gas outlet 44 Hydrogen tank 72 Air pump 74 Air supply path 76a Supply-side on-off valve 76b Discharge-side on-off valve 78 Humidifier 80 Bypass supply path 84 Air discharge path 86 Back pressure valve 90 BP flow regulating valve 92 Air circulation path 94 Circulation pump

Claims

An electrolyte membrane / electrode structure sandwiching a solid polymer electrolyte membrane between an anode electrode and a cathode electrode is provided, and electricity between a fuel gas supplied to the anode electrode and an oxidant gas supplied to the cathode electrode is provided. A fuel cell that generates power through a chemical reaction,
A fuel gas supply device that supplies the fuel gas to the fuel cell;
An oxidizing gas supply device that supplies the oxidizing gas to the fuel cell;
With
The oxidizing gas supply device is disposed in an oxidizing gas supply passage communicating with an oxidizing gas inlet of the fuel cell, an oxidizing gas discharge passage communicating with an oxidizing gas outlet of the fuel cell, and the oxidizing gas supply passage. A supply-side on-off valve, a discharge-side on-off valve disposed in the oxidizing gas discharge path, an upstream side of the supply-side on-off valve and a downstream side of the discharge-side on-off valve, A bypass flow path communicating with the oxidizing gas discharge path, a bypass valve disposed in the bypass flow path, and a oxidizing gas discharge path disposed between the discharge-side on-off valve and a connection portion of the bypass flow path. A back pressure valve for adjusting the pressure of the oxidizing gas supplied to the fuel cell ,
The fuel gas supply device includes a purge valve that communicates with a fuel gas outlet of the fuel cell and purges the fuel gas discharged from the fuel cell, and a downstream of the purge valve is connected to the oxidizing gas discharge passage. a subzero method of starting a fuel cell system that has communicated with the downstream,
When the operation of the fuel cell system is stopped, when the temperature of the fuel cell becomes equal to or lower than a set temperature below freezing, a purge process using the oxidizing gas is performed on the cathode side of the fuel cell,
Before the start of the fuel cell system, the supply-side on-off valve and the discharge-side on-off valve are maintained in an open state,
Receiving a start start signal, opening the bypass valve, and holding the back pressure valve in a closed state;
A step of supplying the oxidizing gas to the oxidizing gas supply path, and causing the oxidizing gas to flow from the bypass flow path to the oxidizing gas discharge path;
Flow rate of the oxidant gas flowing through the oxidizing gas discharging passage from the bypass passage, when led to flow rate required dilution of the fuel gas discharged from the purge valve, said from the fuel gas supply device Supplying the fuel gas to a fuel gas inlet of a fuel cell, and replacing a fuel gas flow path system in the fuel cell with the fuel gas;
After replacing the fuel gas flow path system with the fuel gas, by closing the bypass valve and releasing the closed state of the back pressure valve, the oxidizer gas flow system of the fuel cell is filled with the oxidant. Supplying a gas;
A method for starting a fuel cell system at a temperature below freezing, comprising: