JP2006019153A

JP2006019153A - Fuel cell system and starting method thereof

Info

Publication number: JP2006019153A
Application number: JP2004196345A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Inai; 滋稲井; Hiromichi Yoshida; 弘道吉田; Katsumi Hayashi; 勝美林; Akira Jinba; 亮神馬
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-07-02
Filing date: 2004-07-02
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2024-07-02
Also published as: JP4608250B2

Abstract

【課題】本発明では、燃料電池の起動を良好に行うことができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの起動方法を提供することを主たる目的とする。
【解決手段】燃料電池システム１は、燃料電池１３と、水素ガスを燃料電池１３に供給する高圧水素タンク１１と、空気を燃料電池１３に供給するコンプレッサ１２と、燃料電池１３に接続される抵抗４１を備えた補助外部回路４０と、補助外部回路４０の断接を行うスイッチ４２と、を備えている。さらに、燃料電池システム１は、燃料電池１３を起動させるための指令を受けると、補助外部回路４０を燃料電池１３に接続してから水素ガスのみを燃料電池１３に供給し、この水素ガスの供給から所定時間経過後に、空気を燃料電池１３に供給する制御部１７を備えている。
【選択図】図１PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system and a fuel cell system starting method capable of favorably starting a fuel cell.
A fuel cell system includes a fuel cell, a high-pressure hydrogen tank that supplies hydrogen gas to the fuel cell, a compressor that supplies air to the fuel cell, and a resistance connected to the fuel cell. The auxiliary external circuit 40 having 41 and a switch 42 for connecting and disconnecting the auxiliary external circuit 40 are provided. Further, when the fuel cell system 1 receives a command for starting the fuel cell 13, the fuel cell system 1 supplies the hydrogen gas only to the fuel cell 13 after connecting the auxiliary external circuit 40 to the fuel cell 13. Is provided with a controller 17 for supplying air to the fuel cell 13 after a predetermined time has elapsed.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、燃料電池システムおよびその起動方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a startup method thereof.

一般に、燃料電池は、プロトン導電性の高分子電解質膜（ＰＥＭ膜）を挟んで一側にカソード極を区画し、他側にアノード極を区画して構成されており、カソード極に供給される空気中の酸素と、アノード極に供給される水素との電気化学反応によって発電するものである。このような燃料電池としては、前記した高分子電解質膜をカソード極とアノード極で挟んだものを良好な導電性を有するセパレータで挟持してなるセル（単セル）を複数積層された燃料電池が知られており、この燃料電池では、各セルにおいて良好に水素と酸素とが反応することで良好な発電を行うことが可能となっている。 In general, a fuel cell is configured such that a cathode electrode is defined on one side with a proton conductive polymer electrolyte membrane (PEM membrane) interposed therebetween, and an anode electrode is defined on the other side, and is supplied to the cathode electrode. Electricity is generated by an electrochemical reaction between oxygen in the air and hydrogen supplied to the anode electrode. As such a fuel cell, a fuel cell in which a plurality of cells (single cells) in which a polymer electrolyte membrane is sandwiched between a cathode electrode and an anode electrode and sandwiched between separators having good conductivity is laminated. It is known that in this fuel cell, it is possible to perform good power generation by allowing hydrogen and oxygen to react well in each cell.

ところで、燃料電池は、燃料と酸素があれば電圧が発生するが、燃料電池の触媒は、高電圧（例えば０．８Ｖ／単電池以上）に長時間放置されると活性が低下する（特許文献１の段落０００３）。また、積層された燃料電池の場合、反応ガスが燃料電池の各単電池に行き渡る前に燃料電池から電流を抜き出すと、単電池を積層している関係から、反応ガスが行き渡っていない単電池にも電流が流れることとなり、これにより単電池の構造体であるカーボンが腐食することがある（特許文献１の段落０００４）。 By the way, although a fuel cell generates a voltage if there is fuel and oxygen, the activity of the catalyst of the fuel cell is lowered when left at a high voltage (for example, 0.8 V / unit cell or more) for a long time (Patent Document). 1 paragraph 0003). Also, in the case of stacked fuel cells, if the current is extracted from the fuel cell before the reaction gas reaches each unit cell of the fuel cell, the unit cell does not reach the reaction gas because the cells are stacked. As a result, a current flows, and the carbon which is the structure of the unit cell may corrode (paragraph 0004 of Patent Document 1).

ところで、この問題（起動時に単電池が高電圧状態になること、起動時に反応ガスが供給されないうちに外部負荷との接続により燃料不足の単電池にも大きな電流が流れてしまうこと）に対しては、従来は、（１）「単電池の開回路電圧が所定の電圧になったのを確認してから、外部負荷を接続する」ことや、（２）「燃料電池の両極間にその途中に抵抗器と開閉器を有する外部接続回路を設け、外部負荷接続までこの外部接続回路に微小な電流を流し、単電池の電圧を下げつつ所定時間経過後に外部負荷を接続する」ことが行われていた（特許文献１の段落０００５）。 By the way, for this problem (the unit cell is in a high voltage state at the start-up, and a large current flows through the fuel-deficient unit cell due to connection to an external load before the reaction gas is supplied at the start-up) Conventionally, (1) “Check that the open circuit voltage of the unit cell has reached a predetermined voltage and then connect an external load” or (2) “Between the two poles of the fuel cell Is provided with an external connection circuit having a resistor and a switch, and a small amount of current is passed through the external connection circuit until the external load is connected, and the external load is connected after a predetermined time while lowering the voltage of the unit cell. (Patent Document 1, paragraph 0005).

しかし、前記した（１）では、依然として単電池の電圧が高電圧になり、前記した（２）では、外部接続回路に微小な電流が流れていて、スタックの開回路の検知が容易でないので、外部負荷接続のタイミングが取りにくいという問題があった（特許文献１の段落０００６）。このため、特許文献１の技術では、燃料電池の起動時に、少なくとも抵抗からなる補助回路を接続することで単電池の電圧が高くなることと大きな電流が流れることを防止しすることとし、また、補助回路を流れている電流や電圧を検知し、所定の電流値や電圧値に達したときに外部負荷を接続して燃料電池を起動することで外部負荷接続のタイミングを決めることとしている（特許文献１の請求項１、２、段落０００６、０００７）。
特開平１０−２８４１０４号公報（請求項１、２、段落０００４〜０００７） However, in the above (1), the voltage of the single cell is still a high voltage, and in the above (2), a minute current is flowing in the external connection circuit, and it is not easy to detect the open circuit of the stack. There was a problem that the timing of external load connection was difficult to take (paragraph 0006 of Patent Document 1). For this reason, in the technology of Patent Document 1, at the time of starting the fuel cell, an auxiliary circuit consisting of at least a resistor is connected to prevent the cell voltage from increasing and a large current from flowing, The current and voltage flowing through the auxiliary circuit are detected, and when a predetermined current value or voltage value is reached, the external load is connected and the fuel cell is started to determine the timing of the external load connection (patent) (Claims 1 and 2 and paragraphs 0006 and 0007 of Document 1).
JP-A-10-284104 (Claims 1, 2, paragraphs 0004 to 0007)

しかしながら、前記した特許文献１の技術においては、アノード極に供給した燃料ガスは、カソード極に供給した空気中の酸素（酸化剤）と反応することになるので、燃料ガスが消費され、アノード極を燃料ガスで満たすまでに時間がかかることになる。また、アノード極に供給した燃料ガスが、併せてカソード極に供給される空気中の酸素と反応することで、補助回路に大きな電流が流れることとなる。また、起動時、空気により掃気されたアノード極に燃料を供給すると、同極（１つの極）に燃料と空気とが共存することとなり、いわゆる同極発電という現象を生じて燃料電池の構成材料を劣化（セパレータや膜電極構造体等を腐食）させるおそれがある。 However, in the technique of Patent Document 1 described above, the fuel gas supplied to the anode electrode reacts with oxygen (oxidant) in the air supplied to the cathode electrode, so the fuel gas is consumed and the anode electrode It takes time to fill the gas with fuel gas. Further, the fuel gas supplied to the anode electrode reacts with oxygen in the air supplied to the cathode electrode together, so that a large current flows through the auxiliary circuit. In addition, when fuel is supplied to the anode electrode scavenged by air at the start-up, the fuel and air coexist on the same electrode (one electrode), and a so-called homopolar power generation phenomenon occurs, and the constituent material of the fuel cell May be deteriorated (a separator, a membrane electrode structure or the like is corroded).

そこで、本発明では、かかる課題を解決し、燃料電池の起動を良好に行うことができる燃料電池システムおよびその起動方法を提供することを主たる目的とする。 Therefore, the main object of the present invention is to solve this problem and to provide a fuel cell system and a method for starting the fuel cell that can favorably start the fuel cell.

本発明者らは、前記した課題に鑑み、アノード極に燃料ガスを供給した後、カソード極に酸化剤ガスを供給することにより、燃料電池の起動を良好に行うことができることを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、前記課題を解決する本発明のうち請求項１に記載の発明は、燃料ガス供給手段からアノード極に供給される燃料ガスと酸化剤ガス供給手段からカソード極に供給される酸化剤ガスとの反応により、負荷に供給する電力を発電する単セルが積層された燃料電池と、前記燃料電池に電気的に接続され、前記負荷よりも消費電力が小さな第２の負荷と、前記第２の負荷の断接を行う負荷断接手段と、を備えた燃料電池システムである。そして、この燃料電池システムは、前記燃料電池の起動に際して、前記燃料電池から前記負荷に電力を供給する前に、前記負荷断接手段によって前記第２の負荷を前記燃料電池に電気的に接続してから前記燃料ガス供給手段によって前記燃料ガスを前記アノード極に供給し、その後、前記酸化剤ガス供給手段によって前記酸化剤ガスを前記カソード極に供給させる制御手段を備えたことを特徴とする。 In view of the above problems, the present inventors have found that the fuel cell can be favorably started by supplying the oxidant gas to the cathode electrode after supplying the fuel gas to the anode electrode. It came to complete.
That is, the invention according to claim 1 of the present invention that solves the above-mentioned problems includes a fuel gas supplied from the fuel gas supply means to the anode electrode and an oxidant gas supplied from the oxidant gas supply means to the cathode electrode. As a result of the reaction, a fuel cell in which single cells that generate power to be supplied to the load are stacked, a second load that is electrically connected to the fuel cell and consumes less power than the load, and the second And a load connection / disconnection means for connecting / disconnecting a load. The fuel cell system electrically connects the second load to the fuel cell by the load connecting / disconnecting means before supplying power from the fuel cell to the load when the fuel cell is started. The fuel gas is supplied to the anode electrode by the fuel gas supply means, and then the control gas is supplied to the cathode electrode by the oxidant gas supply means.

この請求項１に記載の発明によれば、制御手段は、燃料電池の起動の際、負荷断接手段によって第２の負荷を燃料電池に接続させ、その後燃料ガス供給手段によって燃料ガスをアノード極に供給させる。この際、アノード極に供給された燃料ガスとカソード極に既に存在する酸化剤ガスとが反応する。この結果として発生した電力は第２の負荷に供給されるので、燃料電池の単セルの高電圧化が防止される。また、第２の負荷を接続することにより、同極発電による燃料電池の構成材料の劣化が防止される。 According to the first aspect of the present invention, the control means connects the second load to the fuel cell by the load connecting / disconnecting means when starting the fuel cell, and then the fuel gas is supplied to the anode electrode by the fuel gas supply means. To supply. At this time, the fuel gas supplied to the anode electrode reacts with the oxidant gas already present at the cathode electrode. Since the electric power generated as a result is supplied to the second load, the high voltage of the single cell of the fuel cell is prevented. Further, by connecting the second load, deterioration of the constituent material of the fuel cell due to homopolar power generation is prevented.

ところで、酸化剤ガスを供給していない状況で第２の負荷が電力を消費すると、アノード極に供給している燃料ガスと反応すべきカソード極の酸化剤ガスは欠乏する。これにより反応が抑制され、アノード極の燃料ガスの消費が押さえられる。この結果、アノード極を燃料ガスで満たす時間を短縮することが可能となる。また、反応が抑制されることにより、単セルに大きな電流が流れることも抑制される。よって、燃料ガスが不足している単セル（全体として不足している単セル／部分的に不足している単セル）に大きな電流が流れることによる燃料電池の構成材料の腐食といった問題を抑制することができる。また、高電圧化も抑制される。
そして、制御手段は、その後、酸化剤ガスを燃料電池に供給する。 By the way, when the second load consumes electric power in a state where the oxidant gas is not supplied, the cathode oxidant gas to be reacted with the fuel gas supplied to the anode electrode is deficient. This suppresses the reaction and suppresses the consumption of fuel gas at the anode electrode. As a result, it is possible to shorten the time for filling the anode electrode with the fuel gas. Moreover, it is suppressed that a big electric current flows into a single cell by suppressing reaction. Therefore, the problem of corrosion of the constituent material of the fuel cell due to a large current flowing through the single cell (fuel cell that is insufficient as a whole / single cell that is partially insufficient) that is short of fuel gas is suppressed. be able to. Moreover, the increase in voltage is also suppressed.
And a control means supplies oxidant gas to a fuel cell after that.

また、前記課題を解決する本発明のうち請求項２に記載の発明は、燃料ガス供給手段からアノード極に供給される燃料ガスと酸化剤ガス供給手段からカソード極に供給される酸化剤ガスとの反応により、負荷に供給する電力を発電する単セルが積層された燃料電池と、前記燃料電池に電気的に接続され、前記燃料電池から取り出す電力を制限する取出し電力制限手段と、を備えた燃料電池システムである。そして、この燃料電池システムは、前記燃料電池の起動に際して、前記取出し電力制限手段によって前記燃料電池から前記負荷に向けて取り出す電力を小さく制限しつつ、前記燃料ガス供給手段によって前記燃料ガスを前記アノード極に供給し、その後、前記酸化剤ガス供給手段によって前記酸化剤ガスを前記カソード極に供給させる制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 Further, the invention according to claim 2 of the present invention for solving the above-mentioned problems is that the fuel gas supplied from the fuel gas supply means to the anode electrode, and the oxidant gas supplied from the oxidant gas supply means to the cathode electrode, A fuel cell in which unit cells for generating power to be supplied to a load are stacked by the reaction of the above, and a take-out power limiting unit that is electrically connected to the fuel cell and limits the power taken out from the fuel cell. It is a fuel cell system. In the fuel cell system, when the fuel cell is started, the fuel gas is supplied to the anode by the fuel gas supply unit while the power to be taken out from the fuel cell toward the load is limited by the extraction power limiting unit. A fuel cell system comprising control means for supplying to the cathode and then supplying the oxidant gas to the cathode by the oxidant gas supply means.

この請求項２に記載の発明では、請求項１が第２の負荷で行っていたことを、取出し電力制限手段により行う。この取出し電力制限手段は、燃料電池から取り出して負荷に与える電力が起動時に小さくなるように制御される。 In the second aspect of the present invention, what is performed by the second load in the first aspect is performed by the extraction power limiting means. The take-out power limiting means is controlled so that the power taken out from the fuel cell and applied to the load is reduced at the time of startup.

請求項３に記載の発明は、前記アノード極内の燃料ガスの量を検知する燃料検知手段を備えた請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記制御手段が、前記燃料ガスを前記アノード極に供給した後、前記燃料検知手段からの信号に基づいて前記アノード極内の前記燃料ガスの量が所定値以上になったか否かを判断し、所定値以上になったと判断した後、前記負荷断接手段によって前記第２の負荷を、前記酸化剤ガスの前記燃料電池への供給前に切断することを特徴とする。 Invention of Claim 3 is a fuel cell system of Claim 1 provided with the fuel detection means which detects the quantity of the fuel gas in the said anode pole, Comprising: The said control means makes the said fuel gas the said fuel gas. After supplying to the anode electrode, it is determined whether the amount of the fuel gas in the anode electrode has become a predetermined value or more based on a signal from the fuel detection means, and after determining that it has become a predetermined value or more, The load connecting / disconnecting means disconnects the second load before supplying the oxidant gas to the fuel cell.

この請求項３に記載の発明によれば、アノード極内の燃料ガスの量（濃度・圧力）を検知する燃料検知手段を設けたので、アノード極内が燃料ガスで満たされたか否かを正確に知ることができる。また、酸化剤ガスを燃料電池へ供給する前に、第２の負荷を切断するので、カソード極内に供給した酸化剤ガスとアノード極内に供給した燃料ガスとが反応することで生ずる大きな電流が第２の負荷に流れるのを防止できる。そのため、第２の負荷に設ける抵抗を小型にすることができる。なお、前記したように燃料電池に燃料ガスを供給する際は、第２の負荷には小さな電流しか流れないので、この小さな電流に対応する程度の大きさの抵抗を設ければよいことになり、その分コストを下げることができる。 According to the third aspect of the present invention, since the fuel detection means for detecting the amount (concentration / pressure) of the fuel gas in the anode electrode is provided, it is accurately determined whether or not the anode electrode is filled with the fuel gas. Can know. In addition, since the second load is disconnected before supplying the oxidant gas to the fuel cell, a large current is generated by the reaction between the oxidant gas supplied into the cathode electrode and the fuel gas supplied into the anode electrode. Can be prevented from flowing to the second load. Therefore, the resistance provided in the second load can be reduced. As described above, when supplying the fuel gas to the fuel cell, only a small current flows through the second load. Therefore, it is sufficient to provide a resistor having a magnitude corresponding to the small current. The cost can be reduced accordingly.

請求項４に記載の発明は、前記アノード極内の燃料ガスの量を検知する燃料検知手段を備えた請求項２に記載の燃料電池システムであって、前記制御手段が、前記燃料ガスを前記アノード極に供給した後、前記燃料検知手段からの信号に基づいて当該アノード極内の前記燃料ガスの量が所定値以上になったか否かを判断し、所定値以上になったと判断した後、前記取出し電力制限手段による制限を解除又は緩和することを特徴とする。 Invention of Claim 4 is a fuel cell system of Claim 2 provided with the fuel detection means which detects the quantity of the fuel gas in the said anode pole, Comprising: The said control means makes the said fuel gas the said fuel gas. After supplying to the anode electrode, based on a signal from the fuel detection means, it is determined whether the amount of the fuel gas in the anode electrode has become a predetermined value or more, and after determining that it has become a predetermined value or more, The restriction by the extraction power restriction means is canceled or relaxed.

この請求項４に記載の発明によれば、燃料ガスの量により取出し電力制限手段による制限を解除したり緩和したりする。つまり、アノード極内が燃料ガスで満たされたか否かを正確に知ることができるので、燃料電池が制限なしに電力を負荷に供給できる時期や、制限を緩和して電力を負荷に供給できるタイミングを、客観的に、かつ再現性よく決定することができる。 According to the fourth aspect of the present invention, the restriction by the extraction power restriction means is canceled or relaxed depending on the amount of the fuel gas. In other words, since it is possible to accurately know whether or not the anode electrode is filled with fuel gas, the timing when the fuel cell can supply power to the load without limitation, or the timing when the limitation can be relaxed and power can be supplied to the load. Can be determined objectively and with good reproducibility.

請求項５に記載の発明は、燃料ガス供給手段からアノード極に供給される燃料ガスと酸化剤ガス供給手段からカソード極に供給される酸化剤ガスとの反応により、負荷に供給する電力を発電する単セルが積層された燃料電池と、前記燃料電池に電気的に接続され、前記負荷よりも消費電力が小さな第２の負荷と、前記第２の負荷の断接を行う負荷断接手段と、を備えた燃料電池システムの起動方法である。そして、この起動方法では、前記燃料電池システムの起動を制御する制御手段が、前記燃料電池の起動に際して、前記燃料電池から前記負荷に電力を供給する前に、前記負荷断接手段によって前記第２の負荷を前記燃料電池に接続する接続工程と、前記燃料ガス供給手段から前記燃料ガスを前記アノード極に供給する燃料ガス供給工程と、前記第２の負荷を前記負荷断接手段により切断する工程と、前記酸化剤ガス供給手段から前記酸化剤ガスを前記カソード極に供給する酸化剤ガス供給工程と、を実行することを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, the power supplied to the load is generated by the reaction between the fuel gas supplied from the fuel gas supply means to the anode electrode and the oxidant gas supplied from the oxidant gas supply means to the cathode electrode. A fuel cell in which single cells are stacked, a second load that is electrically connected to the fuel cell and that consumes less power than the load, and a load connection / disconnection means for connecting / disconnecting the second load And a starting method of the fuel cell system. In this activation method, when the fuel cell system is activated, the control means for controlling the activation of the fuel cell system supplies the load from the fuel cell before supplying power to the load. A connecting step of connecting the load to the fuel cell, a fuel gas supplying step of supplying the fuel gas from the fuel gas supplying means to the anode electrode, and a step of disconnecting the second load by the load connecting / disconnecting means And an oxidant gas supply step of supplying the oxidant gas from the oxidant gas supply means to the cathode electrode.

この請求項５に記載の発明によれば、燃料電池を起動させると、接続工程において第２の負荷が燃料電池に接続され、その後燃料ガス供給工程において燃料ガスが燃料電池に供給される。この際、アノード極に供給された燃料ガスとカソード極に既に存在する酸化剤ガスとが反応する。しかし、この反応は、カソード極に酸化剤ガスが供給されていないことから限定的なものになり、高電圧化や燃料ガスの消費が抑制される。 According to the fifth aspect of the present invention, when the fuel cell is started, the second load is connected to the fuel cell in the connection step, and then the fuel gas is supplied to the fuel cell in the fuel gas supply step. At this time, the fuel gas supplied to the anode electrode reacts with the oxidant gas already present at the cathode electrode. However, this reaction is limited because no oxidant gas is supplied to the cathode electrode, and high voltage and fuel gas consumption are suppressed.

請求項１、２、５に記載の発明によれば、燃料電池の起動を良好に行うことができる。 According to the first, second, and fifth aspects of the invention, the fuel cell can be favorably started.

請求項３に記載の発明によれば、酸化剤ガスを燃料電池へ供給することで燃料電池から大きな起電力が発生する前に、第２の負荷を切断するので、第２の負荷に設ける抵抗を小型にすることができ、その分コストを下げることができる。 According to the third aspect of the present invention, the second load is disconnected before the large electromotive force is generated from the fuel cell by supplying the oxidant gas to the fuel cell. Can be reduced in size, and the cost can be reduced accordingly.

請求項４に記載の発明によれば、電力制限の解除又は緩和のタイミング（発電タイミング）を燃料検知手段により適切に決定することができる。 According to the fourth aspect of the present invention, the timing for canceling or relaxing the power limit (power generation timing) can be appropriately determined by the fuel detection means.

［システム構成］
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は本実施形態に係る燃料電池システムを示す構成図である。 [System configuration]
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. In the drawings to be referred to, FIG. 1 is a configuration diagram showing a fuel cell system according to the present embodiment.

図１に示すように、燃料電池システム１は、高圧水素タンク（燃料ガス供給手段）１１、コンプレッサ（酸化剤ガス供給手段）１２、燃料電池１３、遮断弁１４、切替弁１５、パージ弁１６および制御部（制御手段）１７を主に備えている。さらに、この燃料電池システム１には、燃料電池１３で発電された電力をモータ等の負荷３１に供給するための主回路３０と、燃料電池１３の起動時に利用される補助外部回路４０と、燃料電池１３内での反応に寄与しなかった水素ガスを希釈して外部に排出するための希釈ボックス５０とが設けられている。なお、本実施形態では、高圧水素タンク１１とコンプレッサ１２も燃料電池システム１の構成要素に含めることとして説明する。 As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 includes a high-pressure hydrogen tank (fuel gas supply means) 11, a compressor (oxidant gas supply means) 12, a fuel cell 13, a shutoff valve 14, a switching valve 15, a purge valve 16, and A control unit (control means) 17 is mainly provided. Further, the fuel cell system 1 includes a main circuit 30 for supplying electric power generated by the fuel cell 13 to a load 31 such as a motor, an auxiliary external circuit 40 used when the fuel cell 13 is started, a fuel A dilution box 50 is provided for diluting and discharging the hydrogen gas that has not contributed to the reaction in the battery 13 to the outside. In the present embodiment, the high-pressure hydrogen tank 11 and the compressor 12 will be described as being included in the constituent elements of the fuel cell system 1.

高圧水素タンク１１内には、数十ＭＰａの高圧の水素ガス（燃料ガス）が貯蔵されており、この水素ガスは遮断弁１４が開かれることで燃料電池１３のアノード極（燃料極）へ供給されるようになっている。なお、この高圧水素タンク１１と燃料電池１３との間には、水素ガスの通り道となる管状の燃料ガス供給路２１が設けられており、この燃料ガス供給路２１には、高圧水素タンク１１側から燃料電池１３側に向けて順に、遮断弁１４、エゼクタ２１Ａ、圧力センサ２１Ｂが設けられている。この圧力センサ２１Ａは、燃料電池１３の上流側（アノード極の入口）ではなく、下流側（アノード極の出口）に設けてもよい。 In the high-pressure hydrogen tank 11, high-pressure hydrogen gas (fuel gas) of several tens of MPa is stored, and this hydrogen gas is supplied to the anode electrode (fuel electrode) of the fuel cell 13 by opening the shut-off valve 14. It has come to be. A tubular fuel gas supply path 21 that serves as a passage for hydrogen gas is provided between the high-pressure hydrogen tank 11 and the fuel cell 13, and the fuel gas supply path 21 is connected to the high-pressure hydrogen tank 11 side. In order from the fuel cell 13 to the fuel cell 13 side, a shut-off valve 14, an ejector 21A, and a pressure sensor 21B are provided. The pressure sensor 21A may be provided not on the upstream side (the anode electrode inlet) but on the downstream side (the anode electrode outlet) of the fuel cell 13.

なお、エゼクタ２１Ａは、高圧水素タンク１１から送られてくる水素ガスと燃料電池１３のアノード極側の排出口から循環流路ＲＰ（図示せぬ循環ポンプ等を含む）を介して戻ってくる水素ガスとを混合させて燃料電池１３に再供給して水素ガスを循環させるものである。また、圧力センサ２１Ｂは、常時燃料ガス供給路２１内の圧力（燃料電池１３のアノード極内の圧力）を検出しており、その圧力値を示す信号を制御部１７に出力している。ここで、圧力センサ２１Ｂは、アノード極内（アノード極入口）の圧力を検出するものであるが、圧力と水素ガスの量とは比例の関係にあるので、間接的に水素ガスの量の検出に寄与することとなる。 The ejector 21A returns the hydrogen gas sent from the high-pressure hydrogen tank 11 and the hydrogen returned from the discharge port on the anode electrode side of the fuel cell 13 via the circulation flow path RP (including a circulation pump not shown). Gas is mixed and re-supplied to the fuel cell 13 to circulate hydrogen gas. Further, the pressure sensor 21B constantly detects the pressure in the fuel gas supply path 21 (pressure in the anode electrode of the fuel cell 13), and outputs a signal indicating the pressure value to the control unit 17. Here, the pressure sensor 21B detects the pressure in the anode (inlet of the anode), but since the pressure and the amount of hydrogen gas are in a proportional relationship, the amount of hydrogen gas is indirectly detected. Will contribute.

コンプレッサ１２は、空気（酸化剤ガス）を圧縮して燃料電池１３のカソード極（空気極）に供給するものである。そして、コンプレッサ１２と燃料電池１３との間には、空気の通り道となる管状の空気供給路２２が設けられている。 The compressor 12 compresses air (oxidant gas) and supplies it to the cathode electrode (air electrode) of the fuel cell 13. And between the compressor 12 and the fuel cell 13, the tubular air supply path 22 used as the passage of air is provided.

燃料電池１３は、図示せぬ高分子電解質膜、カソード極、アノード極およびセパレータ等によって構成される単セル１３ａが複数積層（例えば数百枚積層）されて構成されており、高圧水素タンク１１から供給される水素ガスと、コンプレッサ１２から供給される空気中の酸素とを各単セル１３ａにおいて電気化学反応させることにより発電するものである。具体的には、この燃料電池１３においては、高圧水素タンク１１やコンプレッサ１２から送られてくる水素ガスや空気が、燃料電池１３の入口側に位置する単セル１３ａから出口側に位置する単セル１３ａへと順に送られるようになっている。 The fuel cell 13 is configured by laminating a plurality of single cells 13 a (for example, hundreds of layers) composed of a polymer electrolyte membrane, a cathode electrode, an anode electrode, and a separator (not shown). Electric power is generated by an electrochemical reaction between the supplied hydrogen gas and oxygen in the air supplied from the compressor 12 in each single cell 13a. Specifically, in the fuel cell 13, hydrogen gas or air sent from the high-pressure hydrogen tank 11 or the compressor 12 is a single cell located on the outlet side from the single cell 13 a located on the inlet side of the fuel cell 13. It is sent to 13a in order.

また、燃料電池１３には、負荷３１が主回路３０を介して接続されており、この負荷３１を制御部１７でＯＮ・ＯＦＦ（駆動・停止）することにより、燃料電池１３が稼動・停止されるように（燃料電池１３からの電流の取り出し・取り出しの停止がされるように）なっている。ちなみに、燃料電池システム１は、負荷３１で消費される消費電力に見合う電力を燃料電池１３から取り出せるように（発電できるように）、消費電力に応じた量の空気、つまり消費電力が多い場合は多い量の空気を、消費電力が少ない場合は少ない量の空気を、コンプレッサ１２から燃料電池１３に供給しているものとする。また、水素は、燃料電池１３による水素の消費量が多くなるとそれに付随して多く供給されるように構成されているものとする。なお、燃料電池１３の性質上、燃料電池１３に豊富な空気および水素が供給されていても、負荷３１が電力を消費しなければ燃料電池１３は発電しない（酸素も水素も消費しない）。 Further, a load 31 is connected to the fuel cell 13 via the main circuit 30, and the fuel cell 13 is operated / stopped by turning the load 31 ON / OFF (driving / stopping) by the control unit 17. The current is taken out from the fuel cell 13 and the take-out is stopped. Incidentally, when the fuel cell system 1 has a large amount of air corresponding to the power consumption, that is, when the power consumption is large so that the power corresponding to the power consumption consumed by the load 31 can be extracted from the fuel cell 13 (so that it can generate power). It is assumed that a large amount of air is supplied from the compressor 12 to the fuel cell 13 when the power consumption is low. Further, it is assumed that a large amount of hydrogen is supplied as the amount of hydrogen consumed by the fuel cell 13 increases. Note that due to the nature of the fuel cell 13, even if abundant air and hydrogen are supplied to the fuel cell 13, the fuel cell 13 does not generate power unless the load 31 consumes power (neither oxygen nor hydrogen is consumed).

次に、本実施形態では、燃料電池１３には、前記した主回路３０の他に、補助外部回路４０が接続されている。ここで、この補助外部回路４０は、主に、負荷３１よりも消費電力の小さな抵抗（第２の負荷）４１とスイッチ（負荷断接手段）４２とを有する回路である。そして、スイッチ４２を制御部１７によってＯＮ・ＯＦＦすることによって、燃料電池１３と補助外部回路４０とが電気的に接続・切断（断接）されるようになっている。 Next, in this embodiment, in addition to the main circuit 30 described above, an auxiliary external circuit 40 is connected to the fuel cell 13. Here, the auxiliary external circuit 40 is a circuit that mainly includes a resistor (second load) 41 and a switch (load connecting / disconnecting means) 42 that consume less power than the load 31. The fuel cell 13 and the auxiliary external circuit 40 are electrically connected / disconnected (connected / disconnected) by turning on / off the switch 42 by the control unit 17.

遮断弁１４は、制御部１７によって適宜開閉されることによって、高圧水素タンク１１から燃料電池１３への水素ガスの供給・停止を切り替えている。 The shut-off valve 14 is appropriately opened and closed by the control unit 17 to switch supply / stop of hydrogen gas from the high-pressure hydrogen tank 11 to the fuel cell 13.

切替弁１５は、制御部１７によって適宜開閉される弁であり、燃料ガス供給路２１における遮断弁１４の下流側部分と空気供給路２２とに跨るように接続される掃気用流路２３に設けられている。そして、この切替弁１５が閉じられた状態では、コンプレッサ１２からの空気は空気供給路２２を介して燃料電池１３のカソード極側のみに供給され、切替弁１５が開かれた状態では、コンプレッサ１２からの空気は、燃料電池１３のカソード極側に供給される他、掃気用流路２３および燃料ガス供給路２１を介して燃料電池１３のアノード極側にも供給されるようになっている。 The switching valve 15 is a valve that is appropriately opened and closed by the control unit 17, and is provided in the scavenging flow path 23 connected so as to straddle the downstream portion of the cutoff valve 14 in the fuel gas supply path 21 and the air supply path 22. It has been. When the switching valve 15 is closed, the air from the compressor 12 is supplied only to the cathode electrode side of the fuel cell 13 via the air supply path 22. When the switching valve 15 is opened, the compressor 12 is supplied. In addition to being supplied to the cathode electrode side of the fuel cell 13, the air from is also supplied to the anode electrode side of the fuel cell 13 via the scavenging flow path 23 and the fuel gas supply path 21.

パージ弁１６は、制御部１７によって適宜開閉される弁であり、燃料電池１３のアノード極側の出口に接続される燃料ガス排出路２４に設けられている。そして、このパージ弁１６と前記した切替弁１５をともに開くことによって、アノード極側の掃気が行われるようになっている。 The purge valve 16 is a valve that is appropriately opened and closed by the control unit 17, and is provided in the fuel gas discharge path 24 connected to the anode electrode side outlet of the fuel cell 13. Then, by opening both the purge valve 16 and the switching valve 15, the scavenging of the anode electrode side is performed.

希釈ボックス５０は、前記した燃料ガス排出路２４から排出されてくる水素ガスと、燃料電池１３のカソード極側の出口に接続される空気排出路２５から排出されてくる空気とを、その内部で混合させることにより、水素ガスを希釈して外部へ排出するための装置である。 The dilution box 50 contains the hydrogen gas discharged from the fuel gas discharge path 24 and the air discharged from the air discharge path 25 connected to the cathode-side outlet of the fuel cell 13 inside. It is an apparatus for diluting and discharging hydrogen gas to the outside by mixing.

制御部１７は、ＣＰＵ、メモリ（ＲＯＭ・ＲＡＭ）、入出力インタフェイス、各種電子回路等を含んで構成され、コンプレッサ１２の駆動・停止またはその回転速度を変更させる機能や、遮断弁１４、切替弁１５およびパージ弁１６を開閉させる機能や、スイッチ４２および負荷３１をＯＮ・ＯＦＦさせる機能を主に有しており、燃料電池システム１の起動時または停止時等においてこれらの各機器を適宜制御している。システムの起動時における制御部１７の機能を簡単に説明すると、制御部１７は、図示しないイグニッションスイッチのＯＮ（ＩＧ−ＯＮ）により前記した各種機能を準備する。準備後は、最初にスイッチ４２をＯＮにするとともに遮断弁１４を開き、アノード極に水素の供給を行い、水素の濃度が所定値以上になるとスイッチ４２をＯＦＦにし、その後コンプレッサ１２を駆動させてカソード極に空気を供給する機能を有している。具体的には、システムの起動時において、制御部１７は図２に示すフローチャートに基づいて動作している。 The control unit 17 includes a CPU, a memory (ROM / RAM), an input / output interface, various electronic circuits, and the like, and has a function of driving / stopping the compressor 12 or changing the rotation speed thereof, a shutoff valve 14, and switching. It mainly has a function of opening and closing the valve 15 and the purge valve 16 and a function of turning on and off the switch 42 and the load 31 and appropriately controls these devices when the fuel cell system 1 is started or stopped. is doing. The function of the control unit 17 at the time of starting the system will be briefly described. The control unit 17 prepares the various functions described above by turning on an ignition switch (IG-ON) (not shown). After the preparation, first, the switch 42 is turned ON and the shut-off valve 14 is opened to supply hydrogen to the anode electrode. When the hydrogen concentration exceeds a predetermined value, the switch 42 is turned OFF, and then the compressor 12 is driven. It has a function of supplying air to the cathode electrode. Specifically, at the time of system startup, the control unit 17 operates based on the flowchart shown in FIG.

［起動時の動作］
以下に、システムの起動時における制御部１７の動作について、図２に示すフローチャートや図１を参照して説明する。参照する図面において、図２はシステムの起動時における制御部の動作を示すフローチャートであり、図３はパージ時間から水素濃度を導出するために利用するマップである。 [Startup behavior]
The operation of the control unit 17 at the time of starting the system will be described below with reference to the flowchart shown in FIG. 2 and FIG. In the drawings to be referred to, FIG. 2 is a flowchart showing the operation of the control unit at the time of starting the system, and FIG. 3 is a map used for deriving the hydrogen concentration from the purge time.

制御部１７は、例えば運転者がイグニッションスイッチ（図示せず）をＯＮにすることによって各種機能を準備する（ステップＳ１）。具体的には、制御部１７のＲＯＭに書き込まれているプログラムやマップ等をＣＰＵに読み込み、前記した各機能を準備する。なお、この段階では、主回路３０は燃料電池１３には電気的に接続されていない。ステップＳ１により各機能を準備すると、次に、制御部１７は、スイッチ４２をＯＮにし、補助外部回路４０を燃料電池１３に電気的に接続させる（ステップＳ２）。ステップＳ２の後、制御部１７は、遮断弁１４を開き、これによって高圧水素タンク１１から燃料電池１３のアノード極へ水素ガスを供給させる（ステップＳ３）。併せて、制御部１７は、パージ弁１６を開き、燃料電池１３のアノード極内の空気を希釈ボックス５０にパージして排出する（ステップＳ４）。これにより、起動前にアノード極に満たされていた空気（或いは不活性ガス）がアノード極から排出され水素濃度が上昇する（アノード極に水素が行き渡って満たされていく）。 The control unit 17 prepares various functions, for example, when a driver turns on an ignition switch (not shown) (step S1). Specifically, a program, a map, and the like written in the ROM of the control unit 17 are read into the CPU to prepare each function described above. At this stage, the main circuit 30 is not electrically connected to the fuel cell 13. If each function is prepared by step S1, next, the control part 17 will turn ON the switch 42, and will electrically connect the auxiliary | assistant external circuit 40 to the fuel cell 13 (step S2). After step S2, the control unit 17 opens the shut-off valve 14, thereby supplying hydrogen gas from the high-pressure hydrogen tank 11 to the anode electrode of the fuel cell 13 (step S3). At the same time, the control unit 17 opens the purge valve 16 to purge and discharge the air in the anode electrode of the fuel cell 13 to the dilution box 50 (step S4). As a result, the air (or inert gas) filled in the anode electrode before starting is discharged from the anode electrode, and the hydrogen concentration increases (hydrogen is spread and filled in the anode electrode).

ステップ４でパージを行いつつ、制御部１７は、図示しないタイマで水素の供給時間を計測しており、この供給時間と図３に示すマップとに基づいて、燃料電池１３におけるアノード極内の水素ガスの量（濃度）が所定値以上になったか否かを判断する（ステップＳ５）。つまり、ステップＳ５では、各単セル１３ａが水素で満たされたか否かを判断する。なお、水素で満たされたか否かの判断値である所定値は、燃料電池１３の寿命を短縮化させない等の観点に基づき、実験等により予め定められている。このステップＳ５において、制御部１７は、水素ガスの濃度が所定値未満であると判断すると（Ｎｏ）、再度ステップＳ５の処理を繰り返す。そして、水素ガスの濃度が所定値以上になったと判断すると（Ｙｅｓ）、制御部１７はパージ弁１６を閉じる。なお、供給時間からアノード極内の水素の量を決定する図３のマップは、実験等の結果に基づいて予め作成されるものであり、制御部１７内の図示しないメモリに予め記憶されている。ここで、タイマと図３のマップとが燃料ガスの量を検知する燃料検知手段に相当する。ちなみに、図２のフローチャートのステップＳ３とステップＳ４は順序が逆でもよい。また、ステップＳ４〜ステップＳ６は、「水素濃度が所定値以上となる所定時間だけパージ弁を開く」というものでもよい。この場合における所定時間は、燃料電池１３の内部にあるガス流路の体積や供給されるガスの流量等により計算することができるし、予め実験により定めることもできる。 While purging in step 4, the control unit 17 measures the supply time of hydrogen with a timer (not shown). Based on this supply time and the map shown in FIG. It is determined whether or not the gas amount (concentration) has reached a predetermined value or more (step S5). That is, in step S5, it is determined whether each single cell 13a is filled with hydrogen. Note that the predetermined value, which is a determination value as to whether or not the fuel cell 13 is filled with hydrogen, is determined in advance by experiments or the like from the viewpoint of not shortening the life of the fuel cell 13. In this step S5, if the control part 17 judges that the density | concentration of hydrogen gas is less than predetermined value (No), it will repeat the process of step S5 again. When it is determined that the hydrogen gas concentration has become equal to or higher than the predetermined value (Yes), the control unit 17 closes the purge valve 16. The map in FIG. 3 for determining the amount of hydrogen in the anode electrode from the supply time is created in advance based on the results of experiments and the like, and is stored in advance in a memory (not shown) in the control unit 17. . Here, the timer and the map of FIG. 3 correspond to fuel detection means for detecting the amount of fuel gas. Incidentally, the order of steps S3 and S4 in the flowchart of FIG. 2 may be reversed. Further, step S4 to step S6 may be "open the purge valve only for a predetermined time when the hydrogen concentration is equal to or higher than a predetermined value". The predetermined time in this case can be calculated based on the volume of the gas flow path inside the fuel cell 13, the flow rate of the supplied gas, or the like, or can be determined in advance by experiments.

ところで、ステップＳ３で水素がアノード極に供給されると、この水素は、カソード極に既に存在する空気との間で電気化学反応を起こし、電圧を生じる。しかし、ステップＳ２で燃料電池１３には電気的に補助外部回路４０が接続されているので、この補助外部回路４０に電流が流れ、単セル１３ａの電圧が高くなることが抑制される。また、ステップＳ３で水素がアノード極に供給されると、アノード極に水素と酸素とが双方とも濃い状態で存在することとなり、同極発電による燃料電池１３の構成材料の劣化が心配される。しかし、ステップＳ２で燃料電池１３には電気的に補助外部回路４０が接続されているので、同極発電によるアノード極の劣化は防止される。つまり、補助外部回路４０により、セパレータや膜電極構造体等の腐食が防止される。 By the way, when hydrogen is supplied to the anode electrode in step S3, this hydrogen causes an electrochemical reaction with the air already existing in the cathode electrode, thereby generating a voltage. However, since the auxiliary external circuit 40 is electrically connected to the fuel cell 13 in step S2, it is suppressed that a current flows through the auxiliary external circuit 40 and the voltage of the single cell 13a increases. In addition, when hydrogen is supplied to the anode electrode in step S3, both the hydrogen and oxygen are present in the anode electrode in a concentrated state, and there is a concern about deterioration of the constituent material of the fuel cell 13 due to the homopolar power generation. However, since the auxiliary external circuit 40 is electrically connected to the fuel cell 13 in step S2, deterioration of the anode electrode due to homopolar power generation is prevented. That is, the auxiliary external circuit 40 prevents corrosion of the separator and the membrane electrode structure.

ちなみに、補助外部回路４０が接続されていると燃料電池１３は発電を継続するが、ステップＳ４とステップＳ５が実行されている段階では、カソード極にコンプレッサ１２から空気が供給されていない。このため、カソード極は直ぐに酸素不足の状況となり、電気化学反応は抑制される（収束する）。これにより、水素の消費が抑制され、アノード極を水素で満たすまでにかかる時間を短縮することが可能となる。また、反応が抑制されることで、電圧の上昇も抑制され、さらに、補助外部回路４０に流れる電流も抑制される。 Incidentally, although the fuel cell 13 continues to generate power when the auxiliary external circuit 40 is connected, air is not supplied from the compressor 12 to the cathode electrode at the stage where Step S4 and Step S5 are executed. For this reason, the cathode electrode immediately becomes deficient in oxygen, and the electrochemical reaction is suppressed (converged). As a result, the consumption of hydrogen is suppressed, and the time taken to fill the anode electrode with hydrogen can be shortened. Further, since the reaction is suppressed, an increase in voltage is also suppressed, and further, a current flowing through the auxiliary external circuit 40 is also suppressed.

なお、燃料電池１３の電圧と補助外部回路４０を流れる電流について説明すると、アノード極が水素で満たされていくと、燃料電池１３の電圧は上昇する方向に向かうと共に、補助外部回路４０に流れる電流も上昇する方向に向かう。一方、カソード極の酸素が消費されていくと、燃料電池１３の電圧は低下する方向に向かうと共に、補助外部回路４０に流れる電流も低下する方向に向かう。このため、本実施形態のステップＳ３〜ステップＳ５では、全体として電圧・電流とも上昇が抑制される。 The voltage of the fuel cell 13 and the current flowing through the auxiliary external circuit 40 will be described. When the anode electrode is filled with hydrogen, the voltage of the fuel cell 13 increases and the current flowing through the auxiliary external circuit 40 is increased. Also going in the direction of rising. On the other hand, as oxygen in the cathode electrode is consumed, the voltage of the fuel cell 13 tends to decrease, and the current flowing through the auxiliary external circuit 40 also decreases. For this reason, in step S3-step S5 of this embodiment, the rise in both voltage and current is suppressed as a whole.

この結果、触媒が高電圧に長時間放置されることによって触媒の活性が低下したり、燃料電池１３に水素が不足する状況で強制的に大きな電流が流れることにより、燃料電池１３の構造体が腐食したりするといった問題を抑制することができる。しかも、供給された水素は消費が抑制されるので、迅速にアノード極に水素を供給することができる。 As a result, when the catalyst is left at a high voltage for a long time, the activity of the catalyst is reduced, or a large current is forced to flow in a situation where hydrogen is insufficient in the fuel cell 13, whereby the structure of the fuel cell 13 is Problems such as corrosion can be suppressed. In addition, consumption of the supplied hydrogen is suppressed, so that hydrogen can be quickly supplied to the anode electrode.

ステップＳ５において、水素濃度が所定値以上になると、制御部１７は、パージ弁１６を閉じ（ステップＳ６）、その後、スイッチ４２をＯＦＦにして補助外部回路４０を燃料電池１３から電気的に切断させる（ステップＳ７）。 In step S5, when the hydrogen concentration becomes a predetermined value or more, the control unit 17 closes the purge valve 16 (step S6), and then turns off the switch 42 to electrically disconnect the auxiliary external circuit 40 from the fuel cell 13. (Step S7).

ステップＳ７の後、制御部１７は、コンプレッサ１２を駆動させて空気を燃料電池１３に供給する（ステップＳ８）。そして、二つの回路３０，４０がともに接続されていない状態の燃料電池１３の開放セル電圧（ＯＣＶ；Open Circuit Voltage）が所定値以上になったか否かを判断する（ステップＳ９）。つまり、ステップＳ９では、空気が各単セル１３ａに行き渡ったか否か（空気で満たされたか否か）を判断する。そして、このステップＳ９において、制御部１７は、開放セル電圧が所定値未満であると判断すると（Ｎｏ）、再度ステップＳ９の処理を繰り返し、開放セル電圧が所定値以上になったと判断すると（Ｙｅｓ）、負荷３１をＯＮにすることで発電を開始させる。なお、開放セル電圧は、図示せぬ電圧計等によって検出されている。これによれば、燃料電池１３の発電のタイミングを適切に決定することができる。 After step S7, the control unit 17 drives the compressor 12 to supply air to the fuel cell 13 (step S8). Then, it is determined whether or not the open cell voltage (OCV) of the fuel cell 13 in a state where the two circuits 30 and 40 are not connected to each other is equal to or higher than a predetermined value (step S9). That is, in step S9, it is determined whether or not air has spread to each single cell 13a (whether or not it is filled with air). In step S9, when the control unit 17 determines that the open cell voltage is less than the predetermined value (No), the control unit 17 repeats the process of step S9 again and determines that the open cell voltage is equal to or higher than the predetermined value (Yes). ), Power generation is started by turning on the load 31. The open cell voltage is detected by a voltmeter (not shown) or the like. According to this, the power generation timing of the fuel cell 13 can be appropriately determined.

ところで、前記したとおり、アノード極が燃料不足の状態で大きな電流が燃料電池１３に流れるとカーボンの腐食等の問題が生じる。しかし、カソード極が酸化剤ガス不足（酸素不足）の状態で大きな電流が流れても、燃料電池１３の構成部材には酸素に代わる酸化剤がないことから、カソード極が酸素不足になることによる燃料電池１３の構成部材の腐食反応（還元反応）は生じない。よって、本実施形態の場合、喩え各単セル１３ａが新鮮な空気（コンプレッサ１２で供給された空気）で満たされる前に、或いは単セル１３ａ内が新鮮な空気で満たされる前に大きな電流が流れたとしても、アノード極が水素で満たされている状態では、カーボンの腐食やその他の燃料電池１３の構成部材の腐食は発生しづらいものと考えられる。この点を考慮すると、各単セル１３ａが水素で満たされたところで、カソード極に空気の供給を開始すると共に、主回路３０を燃料電池１３に電気的に接続して、負荷３１に電力を供給するようにしてもよい。 By the way, as described above, when a large current flows through the fuel cell 13 with the anode electrode short of fuel, problems such as carbon corrosion occur. However, even if a large current flows in a state where the cathode electrode is deficient in oxidant gas (oxygen deficiency), the constituent members of the fuel cell 13 have no oxidant instead of oxygen, so that the cathode electrode is deficient in oxygen. The corrosion reaction (reduction reaction) of the constituent members of the fuel cell 13 does not occur. Therefore, in this embodiment, a large current flows before each single cell 13a is filled with fresh air (air supplied by the compressor 12) or before the single cell 13a is filled with fresh air. Even so, in the state where the anode electrode is filled with hydrogen, it is considered that corrosion of carbon and other components of the fuel cell 13 are unlikely to occur. Considering this point, when each single cell 13a is filled with hydrogen, supply of air to the cathode electrode is started, and the main circuit 30 is electrically connected to the fuel cell 13 to supply power to the load 31. You may make it do.

［停止時の動作］
続いて、システムの停止時における制御部１７の動作について、図４に示すフローチャートや図１を参照して説明する。なお、停止時における制御部１７の動作は、本発明とは間接的に関係があるだけなので、あくまでも一例として簡単に説明することとする。参照する図面において、図４は燃料電池システムの停止時における制御部の動作を示すフローチャートである。 [Operation when stopped]
Next, the operation of the control unit 17 when the system is stopped will be described with reference to the flowchart shown in FIG. 4 and FIG. Note that the operation of the control unit 17 at the time of the stop is only indirectly related to the present invention, and will be described simply as an example. In the drawings to be referred to, FIG. 4 is a flowchart showing the operation of the control unit when the fuel cell system is stopped.

制御部１７は、システムの停止要求を入力すると（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、遮断弁１４を閉じ（遮断弁ＯＦＦ、ステップＳ１２）、燃料電池１３のアノード極内の掃気を行うか否かを判断する（ステップＳ１３）。なお、掃気を行うか否かの判断は、例えば図示しない温度センサで検出する外気温が所定値以下であるか否か（燃料電池システム１の流路内に残存する水が凍る可能性があるか否か）を判断することにより行うことができる。また、ネットワークを通じて外部から気象予報データを取得して、このデータに基づいて掃気を行うか否かの判断を行うことができる。 When the control unit 17 inputs a system stop request (step S11: Yes), the control unit 17 closes the shutoff valve 14 (shutoff valve OFF, step S12), and determines whether or not scavenging in the anode electrode of the fuel cell 13 is performed. (Step S13). Whether or not scavenging is performed is determined by, for example, whether or not the outside air temperature detected by a temperature sensor (not shown) is equal to or lower than a predetermined value (the water remaining in the flow path of the fuel cell system 1 may be frozen). Or not). It is also possible to acquire weather forecast data from the outside through a network and determine whether or not to perform scavenging based on this data.

制御部１７は、ステップＳ１３においてアノード掃気を行わないと判断すると（Ｎｏ）、アノード極内の圧力ＰＨ（図示しない圧力センサでアノード極の出口の圧力検出）が所定値Ｐ１になるまで燃料電池１３による発電を続行させ（ステップＳ１４）水素を消費し、圧力が所定値Ｐ１になったら負荷３１をＯＦＦにすることで（ステップＳ１５）、燃料電池１３による発電を停止させる。なお、この間発電した電力を負荷３１で消費するのではなく、図示いない蓄電手段に蓄電することができる。ステップＳ１５の後において、制御部１７は、所定時間Ｔ１が経過したと判断すると（ステップＳ１６：Ｙｅｓ）、コンプレッサ１２によるカソード側の掃気が完了したと判断して、パージ弁１６を開く（パージ弁ＯＮ、ステップＳ１７）。これにより、アノード極内の水素ガスの残圧（所定値Ｐ１）によってアノード極内のガスが希釈ボックス５０に排出される。 If the control unit 17 determines that the anode scavenging is not performed in step S13 (No), the fuel cell 13 until the pressure PH in the anode electrode (detection of the pressure at the outlet of the anode electrode with a pressure sensor not shown) reaches a predetermined value P1. (Step S14) When hydrogen is consumed and the pressure reaches the predetermined value P1, the load 31 is turned off (step S15) to stop the power generation by the fuel cell 13. In addition, the electric power generated during this time is not consumed by the load 31, but can be stored in a power storage means (not shown). After step S15, when the control unit 17 determines that the predetermined time T1 has elapsed (step S16: Yes), it determines that scavenging of the cathode side by the compressor 12 has been completed, and opens the purge valve 16 (purge valve 16). ON, step S17). Thereby, the gas in the anode electrode is discharged to the dilution box 50 by the residual pressure (predetermined value P1) of the hydrogen gas in the anode electrode.

一方、前記したステップＳ１３において、制御部１７は、気温が低い等により、アノード極内の掃気を行うと判断すると（Ｙｅｓ）、アノード極内の圧力ＰＨが前記所定値Ｐ１よりも低い圧力となる所定値Ｐ２になるまで燃料電池１３による発電を続行させ（ステップＳ１８）、所定値Ｐ２になったら負荷３１をＯＦＦにすることで（ステップＳ１９）、燃料電池１３による発電を停止させる。ステップＳ１９の後、制御部１７は、切替弁１５およびパージ弁１６をともに開らくことで（切替弁・パージ弁ＯＮ、ステップＳ２０）、コンプレッサ１２からの空気をアノード極およびカソード極の両方に供給させる。これにより、これらの系内がともに掃気されることとなる。 On the other hand, when the control unit 17 determines in step S13 that scavenging in the anode electrode is performed due to low temperature or the like (Yes), the pressure PH in the anode electrode becomes a pressure lower than the predetermined value P1. The power generation by the fuel cell 13 is continued until the predetermined value P2 is reached (step S18). When the predetermined value P2 is reached, the load 31 is turned off (step S19) to stop the power generation by the fuel cell 13. After step S19, the control unit 17 opens both the switching valve 15 and the purge valve 16 (switching valve / purge valve ON, step S20), and supplies air from the compressor 12 to both the anode electrode and the cathode electrode. Let As a result, both of these systems are scavenged.

ステップＳ２０の後において、制御部１７は、所定時間Ｔ２が経過したと判断すると（ステップＳ２１：Ｙｅｓ）、アノード極およびカソード極の掃気が完了したと判断して、切替弁１５を閉じる（切替弁ＯＦＦ、ステップＳ２２）。これにより、コンプレッサ１２からアノード極への空気の供給が止められることとなる。 After step S20, when the control unit 17 determines that the predetermined time T2 has elapsed (step S21: Yes), the control unit 17 determines that scavenging of the anode electrode and the cathode electrode is completed, and closes the switching valve 15 (switching valve). OFF, step S22). As a result, the supply of air from the compressor 12 to the anode electrode is stopped.

そして、ステップＳ２２の後や、前記したステップＳ１７の後、制御部１７は、アノード極の圧力ＰＨが前記した所定値Ｐ１，Ｐ２より低く大気圧より高い値となる所定値Ｐ３以下であるか否かを判断する（ステップＳ２３）。ステップＳ２３において、圧力ＰＨが所定値Ｐ３以下であると判断されると（Ｙｅｓ）、制御部１７はパージ弁１６を閉じた後（パージ弁ＯＦＦ、ステップＳ２４）、コンプレッサ１２による空気の供給を停止させ（エア供給ＯＦＦ、ステップＳ２５）、このフローチャートによる動作を終了させる。 After step S22 or after step S17, the controller 17 determines whether or not the pressure PH of the anode electrode is equal to or less than a predetermined value P3 that is lower than the predetermined values P1 and P2 and higher than the atmospheric pressure. Is determined (step S23). If it is determined in step S23 that the pressure PH is equal to or lower than the predetermined value P3 (Yes), the control unit 17 closes the purge valve 16 (purge valve OFF, step S24), and then stops supplying air by the compressor 12. (Air supply OFF, step S25), and the operation according to this flowchart is terminated.

以上によれば、本実施形態において、燃料電池システム１（燃料電池１３）の起動を次のように良好に行うことができる。
燃料電池１３の起動時において、補助外部回路４０を燃料電池１３に接続した後、水素ガスを燃料電池１３に供給することによって、水素ガスとカソード極側の空気中の酸素との反応を抑えることができるので、アノード極を水素ガスで満たすまでにかかる時間を短縮させることができる。
水素を供給した後、空気を燃料電池１３へ供給すると、燃料電池１３から大きな起電力が発生するが、本実施形態では、空気を燃料電池１３へ供給する前に補助外部回路４０を燃料電池１３から電気的に切断するので、補助外部回路４０に設ける抵抗４１を小型にすることができ、その分コストを下げることができる。
また、水素濃度を検出することで、起動時における燃料電池１３の発電タイミング（補助外部回路４０を切断するタイミングや後記する電流の制限を解除又は緩和するタイミング）をより適切に決定することができる。 According to the above, in the present embodiment, the fuel cell system 1 (fuel cell 13) can be favorably started as follows.
When the fuel cell 13 is started up, the auxiliary external circuit 40 is connected to the fuel cell 13 and then hydrogen gas is supplied to the fuel cell 13 to suppress the reaction between hydrogen gas and oxygen in the air on the cathode electrode side. As a result, the time required to fill the anode electrode with hydrogen gas can be shortened.
When air is supplied to the fuel cell 13 after supplying hydrogen, a large electromotive force is generated from the fuel cell 13. In this embodiment, the auxiliary external circuit 40 is connected to the fuel cell 13 before supplying air to the fuel cell 13. Therefore, the resistor 41 provided in the auxiliary external circuit 40 can be reduced in size, and the cost can be reduced accordingly.
Further, by detecting the hydrogen concentration, it is possible to more appropriately determine the power generation timing of the fuel cell 13 at the time of start-up (timing for disconnecting the auxiliary external circuit 40 or timing for releasing or relaxing current limitation described later). .

また、燃料電池１３による発電開始前に補助外部回路４０を切断することで、開放セル電圧をチェックすることが可能となるので、これにより、燃料電池１３の発電のタイミング（負荷３１への電力の供給のタイミング）を適切に決定することができる。また、開放セル電圧をチェックすることで、クロスリーク（水素や空気が薄い高分子電解質膜を透過して相互に行き来すること）の発生等、高分子電解質膜の劣化やその他の理由によるリークを確認することができる。
また、本発明では、空気を供給しない状態で先に水素を燃料電池１３に供給することから、本質的に燃料不足になりづらく、かつ本質的に高電圧になりづらい構成をしているといえる。このため、燃料電池１３の起動を良好に行うことができる。また、本質的に燃料不足になりづらく、かつ本質的に高電圧になりづらい構成をしていることから、補助外部回路４０を切断するタイミングを早くすることもできる。 In addition, by disconnecting the auxiliary external circuit 40 before starting the power generation by the fuel cell 13, it becomes possible to check the open cell voltage, so that the power generation timing of the fuel cell 13 (the power to the load 31) Supply timing) can be appropriately determined. In addition, by checking the open cell voltage, it is possible to prevent leakage due to degradation of the polymer electrolyte membrane or other reasons, such as the occurrence of cross leaks (hydrogen and air permeate through the thin polymer electrolyte membrane). Can be confirmed.
Further, in the present invention, since hydrogen is supplied to the fuel cell 13 in advance without supplying air, it can be said that it is essentially difficult to run out of fuel and essentially difficult to attain high voltage. . For this reason, the fuel cell 13 can be favorably started. In addition, since it is essentially difficult to run out of fuel and essentially difficult to attain a high voltage, the timing of disconnecting the auxiliary external circuit 40 can be advanced.

なお、本発明は、前記した実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
例えば、前記した実施形態では、アノード極内の水素濃度を知るために、換言すると、アノード極が水素で満たされたかどうかを知るために（ステップＳ７／ステップＳ８の開始タイミングを知るために）、タイマと図３のマップとを用いたが、圧力センサ２１Ｂとマップとにより、水素濃度（水素の量）を検出するようにしてもよい。圧力により水素濃度を検出できるのは、燃料電池１３のアノード極の圧力と水素の量とは関連性があるからである。また、図２のステップＳ４でパージ弁１４を所定時間開いてパージを行い、パージ弁１４を閉じてパージを終了した後、圧力センサ２１Ｂによりアノード極の圧力の上昇を検知し、水素濃度を検出するようにしてもよい。また、間接的に水素の量（濃度）を検出するのではなく、水素濃度センサにより水素の量（濃度）を直接的に検出するようにしてもよい。また、マップは、関数やテーブルに置き換えることもできる。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented in various forms.
For example, in the above-described embodiment, in order to know the hydrogen concentration in the anode electrode, in other words, to know whether the anode electrode is filled with hydrogen (in order to know the start timing of step S7 / step S8), Although the timer and the map of FIG. 3 are used, the hydrogen concentration (amount of hydrogen) may be detected by the pressure sensor 21B and the map. The reason why the hydrogen concentration can be detected by the pressure is that the pressure at the anode electrode of the fuel cell 13 is related to the amount of hydrogen. Further, in step S4 of FIG. 2, the purge valve 14 is opened for a predetermined time to perform the purge, and after the purge valve 14 is closed and the purge is completed, the pressure sensor 21B detects an increase in the pressure of the anode electrode to detect the hydrogen concentration. You may make it do. Further, instead of indirectly detecting the amount (concentration) of hydrogen, the amount (concentration) of hydrogen may be directly detected by a hydrogen concentration sensor. Maps can also be replaced with functions and tables.

また、本実施形態では、アノード極が掃気してあって、アノード極が空気で満たされている状態から燃料電池１３を起動することを説明したが、アノード極が掃気されていない場合に本発明を適用してもよい。すなわち、前記した図４のフローチャートのステップＳ１３でアノード掃気を行わない場合について、本発明を適用してもよい。この場合でも、アノード極が所定の圧力に上昇するまでの間、空気を供給しないことから水素の消費を抑制でき、迅速にアノード極の圧力上昇を図ることができる。 Further, in the present embodiment, it has been described that the fuel cell 13 is started from a state where the anode electrode is scavenged and the anode electrode is filled with air. However, the present invention is applied when the anode electrode is not scavenged. May be applied. That is, the present invention may be applied to the case where anode scavenging is not performed in step S13 in the flowchart of FIG. Even in this case, since no air is supplied until the anode electrode rises to a predetermined pressure, consumption of hydrogen can be suppressed, and the anode electrode pressure can be quickly increased.

また、第２の負荷としての抵抗４１は、単純な抵抗ではなく、照明のランプといったように熱以外のもの（光・振動・回転力）を発生させるようなものでもよい。また、第２の負荷が起動時に燃料電池１３が発電した電力を蓄える蓄電手段のようなものでもよい。 Further, the resistor 41 as the second load is not a simple resistor but may be one that generates something other than heat (light, vibration, rotational force), such as an illumination lamp. Further, the second load may be a power storage means for storing electric power generated by the fuel cell 13 at the time of startup.

また、図１に示したような補助外部回路４０を備えた構成の代わりに（或いは併せて）、図５に示すように、主回路３０に燃料電池１３から取り出す電力（電流）を制限する取出し電流制限手段（取り出し電力制限手段）３２を備えた構成にし、起動時に、この取出し電流制限手段３２により負荷３１に供給する電流を小さく制限する構成としてもよい。この場合、図２のステップＳ２の「補助外部回路接続」は、「取出し電流制限手段により燃料電池から取り出す電力を小さく制限」というように読み替えるとよい。また、ステップＳ７の「補助外部回路切断」は、「取出し電流制限手段による制限を解除（緩和）」というように読み替えるとよい。ちなみに、制限して取り出した電流は、キャパシタとか二次電池のような蓄電手段等に蓄えたりする構成としたり、負荷３１を構成する各種電力消費機器のうち、消費電力の小さな機器で消費する構成としたりすることができる。ここで、取出し電流（電力）の制限量は、起動時における単セル１３ａの高電圧化の防止、水素をアノード極に満たす際における水素の消費を低く押さえる等の点を考慮しつつ設定される。
なお、図５は、常に取出し電流制限手段３２を介して燃料電池１３から電流を取り出して負荷３１に供給する構成を示しているが、スイッチによる切換え等により、起動時にだけ取出し電流制限手段３２を負荷３１と燃料電池１３との間に介在させるようにしてもよい。 Further, in place of (or in combination with) the configuration including the auxiliary external circuit 40 as shown in FIG. 1, as shown in FIG. 5, an extraction for limiting the power (current) extracted from the fuel cell 13 to the main circuit 30. The current limiting unit (extraction power limiting unit) 32 may be provided, and the current supplied to the load 31 by the extraction current limiting unit 32 may be limited to a small amount at the time of startup. In this case, “auxiliary external circuit connection” in step S2 of FIG. 2 may be read as “restriction of the electric power extracted from the fuel cell by the extraction current limiting means”. Also, “auxiliary external circuit disconnection” in step S7 may be read as “removal (relaxation) of restriction by extraction current restriction means”. By the way, the current taken out in a limited manner is configured to be stored in a power storage means such as a capacitor or a secondary battery, or is configured to be consumed by a device with low power consumption among various power consuming devices constituting the load 31. It can be done. Here, the limit amount of the extraction current (electric power) is set in consideration of the prevention of the high voltage of the single cell 13a at the time of start-up and the low consumption of hydrogen when filling the anode with hydrogen. .
5 shows a configuration in which current is always taken out from the fuel cell 13 via the extraction current limiting means 32 and supplied to the load 31. However, the extraction current limiting means 32 is changed only at the start-up by switching by a switch or the like. It may be interposed between the load 31 and the fuel cell 13.

また、図４のフローチャートについて、アノード掃気を行う場合に、ステップＳ１９の後に補助外部回路４０を燃料電池１３に電気的に接続するようにして、アノード掃気の際の同極発電による問題を防止するようにしてもよい。なお、接続した補助外部回路４０の切断は、例えばアノード極が空気により置換された後に行うようにするとよい（例えばステップＳ２１の後）。もちろん、図５に示した取出し電流制限手段３２を備えた構成の場合も、補助外部回路４０を備えた構成の場合と同様に、取出し電流制限手段３２によりアノード掃気時の同極発電による問題を防止することができる。 Further, in the flowchart of FIG. 4, when anode scavenging is performed, the auxiliary external circuit 40 is electrically connected to the fuel cell 13 after step S <b> 19 to prevent problems due to homopolar power generation during anode scavenging. You may do it. The connected auxiliary external circuit 40 may be disconnected after the anode electrode is replaced with air (for example, after step S21). Of course, in the case of the configuration including the extraction current limiting means 32 shown in FIG. 5 as well as the configuration of the auxiliary external circuit 40, the extraction current limiting means 32 causes a problem due to homopolar power generation during anode scavenging. Can be prevented.

本実施形態に係る燃料電池システムを示す構成図である。It is a block diagram which shows the fuel cell system which concerns on this embodiment. 燃料電池システムの起動時における制御部の動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of the control part at the time of starting of a fuel cell system. パージ時間から水素濃度を導出するために利用するマップである。It is a map utilized in order to derive | require hydrogen concentration from purge time. 燃料電池システムの停止時における制御部の動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of the control part at the time of a stop of a fuel cell system. 図１の補助外部回路に代えて、取出し電流制限手段備えた構成を示したブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing a configuration including an extraction current limiting unit instead of the auxiliary external circuit of FIG. 1.

Explanation of symbols

１燃料電池システム
１１高圧水素タンク
１２コンプレッサ
１３燃料電池
１３ａセル
１４遮断弁
１５切替弁
１６パージ弁
１７制御部
２１Ｂ圧力センサ
３０主回路
３１負荷
３２取出し電流制限手段（取出し電力制限手段）
４０補助外部回路
４１抵抗（第２の負荷）
４２スイッチ
５０希釈ボックス DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system 11 High pressure hydrogen tank 12 Compressor 13 Fuel cell 13a Cell 14 Shut-off valve 15 Switching valve 16 Purge valve 17 Control part 21B Pressure sensor 30 Main circuit 31 Load 32 Extraction current limiting means (extraction electric power limitation means)
40 Auxiliary external circuit 41 Resistance (second load)
42 switch 50 dilution box

Claims

A fuel cell in which single cells for generating electric power to be supplied to a load are stacked by a reaction between a fuel gas supplied from the fuel gas supply means to the anode electrode and an oxidant gas supplied from the oxidant gas supply means to the cathode electrode When,
A second load electrically connected to the fuel cell and consuming less power than the load;
A fuel cell system comprising a load connection / disconnection means for performing connection / disconnection of the second load,
When starting the fuel cell, before supplying electric power from the fuel cell to the load, the fuel cell supplying unit connects the second load electrically to the fuel cell by the load connecting / disconnecting unit. A fuel cell system comprising control means for supplying the fuel gas to the anode electrode and then supplying the oxidant gas to the cathode electrode by the oxidant gas supply means.

A fuel cell in which single cells for generating electric power to be supplied to a load are stacked by a reaction between a fuel gas supplied from the fuel gas supply means to the anode electrode and an oxidant gas supplied from the oxidant gas supply means to the cathode electrode When,
A fuel cell system comprising: an extraction power limiting means that is electrically connected to the fuel cell and limits the power extracted from the fuel cell;
When the fuel cell is started, the fuel gas is supplied to the anode electrode by the fuel gas supply unit while the power extracted from the fuel cell toward the load is limited to be small by the extraction power limiting unit, and then the fuel cell is supplied. A fuel cell system comprising control means for supplying the oxidant gas to the cathode electrode by oxidant gas supply means.

The fuel cell system according to claim 1, further comprising fuel detection means for detecting an amount of fuel gas in the anode electrode of the fuel cell.
The control means is
After supplying the fuel gas to the anode electrode, it is determined whether or not the amount of the fuel gas in the anode electrode is equal to or greater than a predetermined value based on a signal from the fuel detection means. And determining that the second load is disconnected by the load connecting / disconnecting means before supplying the oxidant gas to the cathode electrode.

The fuel cell system according to claim 2, further comprising fuel detection means for detecting the amount of fuel gas in the anode electrode of the fuel cell,
The control means is
After supplying the fuel gas to the anode electrode, it is determined whether or not the amount of the fuel gas in the anode electrode is equal to or greater than a predetermined value based on a signal from the fuel detection means. The fuel cell system is characterized in that after the determination is made, the restriction by the extracted power restriction means is released or relaxed.

A fuel cell in which single cells for generating electric power to be supplied to a load are stacked by a reaction between a fuel gas supplied from the fuel gas supply means to the anode electrode and an oxidant gas supplied from the oxidant gas supply means to the cathode electrode When,
A second load electrically connected to the fuel cell and consuming less power than the load;
A load connection / disconnection means for connecting / disconnecting the second load;
The control means for controlling the start of the fuel cell system, before supplying power from the fuel cell to the load at the start of the fuel cell,
A connecting step of connecting the second load to the fuel cell by the load connecting / disconnecting means;
A fuel gas supply step of supplying the fuel gas from the fuel gas supply means to the anode electrode;
Cutting the second load by the load connecting / disconnecting means;
An oxidant gas supply step of supplying the oxidant gas from the oxidant gas supply means to the cathode electrode.