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JP2010061981A - Starting method for fuel cell system - Google Patents

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JP2010061981A
JP2010061981A JP2008226227A JP2008226227A JP2010061981A JP 2010061981 A JP2010061981 A JP 2010061981A JP 2008226227 A JP2008226227 A JP 2008226227A JP 2008226227 A JP2008226227 A JP 2008226227A JP 2010061981 A JP2010061981 A JP 2010061981A
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gas
fuel
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hydrogen
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誠治 杉浦
Ryuhei Ishimaru
竜平 石丸
Shigeo Nakagawa
薫生 中川
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Honda Motor Co Ltd
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Honda Motor Co Ltd
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Abstract

【課題】簡単な工程で、電極触媒の劣化を可及的に阻止し、発電性能を良好に維持することを可能にする。
【解決手段】燃料電池20は、電解質膜・電極構造体28をカソード側セパレータ29及びアノード側セパレータ30で挟持する。アノード側セパレータ30には、複数の燃料ガス流路46a、46bが山部48a、48bを介して交互に設けられる。燃料ガス流路46aは、入口側に絞り部を設ける一方、燃料ガス流路46bは、出口側に絞り部を設ける。燃料電池システムの始動方法は、燃料ガス流路46a、46bに水素ガスを供給することにより、入口側に絞り部がない燃料ガス流路46bに優先的に水素ガスを流通させることによって、この燃料ガス流路46bと燃料ガス流路46aとの間に差圧を発生させ、山部48a、48bに対面するガス拡散層26bに残存する空気を水素ガスに置換する。
【選択図】図3
The present invention provides a simple process for preventing deterioration of an electrode catalyst as much as possible and maintaining good power generation performance.
In a fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure is sandwiched between a cathode separator and an anode separator. The anode separator 30 is provided with a plurality of fuel gas flow paths 46a, 46b alternately via peak portions 48a, 48b. The fuel gas channel 46a is provided with a throttle on the inlet side, while the fuel gas channel 46b is provided with a throttle on the outlet side. The fuel cell system is started by supplying hydrogen gas to the fuel gas passages 46a and 46b and preferentially circulating the hydrogen gas through the fuel gas passage 46b having no throttle on the inlet side. A differential pressure is generated between the gas passage 46b and the fuel gas passage 46a, and the air remaining in the gas diffusion layer 26b facing the peaks 48a and 48b is replaced with hydrogen gas.
[Selection] Figure 3

Description

本発明は、カソード側電極に酸化剤ガスを供給する複数の酸化剤ガス流路及びアノード側電極に燃料ガスを供給する複数の燃料ガス流路を有し、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備え、前記酸化剤ガス流路及び前記燃料ガス流路が前記酸化剤ガスで満たされた状態で運転停止される燃料電池システムの始動方法に関する。   The present invention has a plurality of oxidant gas passages for supplying an oxidant gas to the cathode side electrode and a plurality of fuel gas passages for supplying a fuel gas to the anode side electrode, and the oxidant gas and the fuel gas The present invention relates to a method for starting a fuel cell system that includes a fuel cell that generates electric power through an electrochemical reaction, and that is shut down in a state where the oxidant gas channel and the fuel gas channel are filled with the oxidant gas.

燃料電池は、燃料ガス(主に水素を含有するガス)及び酸化剤ガス(主に酸素を含有するガス)をアノード側電極及びカソード側電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。   A fuel cell supplies a fuel gas (mainly hydrogen-containing gas) and an oxidant gas (mainly oxygen-containing gas) to the anode-side electrode and the cathode-side electrode and causes them to react electrochemically. It is a system that obtains electrical energy.

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体(MEA)を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の発電セルは、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ交互に積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。   For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) provided with an anode electrode and a cathode electrode on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is sandwiched by separators. Has a cell. This type of power generation cell is normally used as a fuel cell stack by alternately laminating a predetermined number of electrolyte membrane / electrode structures and separators.

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、アノード側電極に前記燃料ガスが残存する一方、カソード側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反応が惹起され、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 power generation (operation) is stopped, supply of fuel gas and oxidant gas to the fuel cell is stopped, but the fuel gas remains on the anode side electrode, while the cathode side The oxidant gas remains on the electrode. For this reason, there is a problem that a reaction is caused while the fuel cell is stopped, the cathode side is held at a high potential, and the electrode catalyst layer is deteriorated.

そこで、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は、燃料ガス及び酸化剤ガスを電気化学的に反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池の燃料極側に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系と、前記燃料電池の酸化剤極側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給系と、前記酸化剤ガスの加湿を行う加湿手段と、前記燃料ガス供給系と前記酸化剤ガス供給系とを開閉可能に接続する連通手段とを備えている。   Thus, for example, a fuel cell system disclosed in Patent Document 1 is known. The fuel cell system includes a fuel cell that generates electricity by electrochemically reacting a fuel gas and an oxidant gas, a fuel gas supply system that supplies fuel gas to a fuel electrode side of the fuel cell, and an oxidation of the fuel cell. An oxidant gas supply system for supplying an oxidant gas to the agent electrode side, a humidifying means for humidifying the oxidant gas, and a communication means for connecting the fuel gas supply system and the oxidant gas supply system in an openable and closable manner And.

そして、システム運転停止時に、燃料電池の燃料極側への燃料ガスの供給を停止するとともに、通常発電時に供給する酸化剤ガスよりも乾燥した酸化剤ガスを酸化剤極側へ供給し、その後、乾燥した酸化剤ガスを連通手段を通じて燃料極側にも供給した後、運転を停止することを特徴としている。   And, when the system operation is stopped, the supply of the fuel gas to the fuel electrode side of the fuel cell is stopped, and the oxidant gas dried than the oxidant gas supplied at the time of normal power generation is supplied to the oxidant electrode side. The operation is stopped after supplying the dried oxidant gas to the fuel electrode side through the communication means.

これにより、運転停止時や保管時における燃料電池の電解質膜及び触媒層の劣化を有効に抑制することができるとともに、保管時に電圧が生じる可能性がなくなるため、保管の際の取り扱い性も向上する、としている。   As a result, the deterioration of the electrolyte membrane and catalyst layer of the fuel cell during shutdown and storage can be effectively suppressed, and the possibility of voltage generation during storage is eliminated, so that handling during storage is also improved. , And.

特開2006−86015号公報JP 2006-86015 A

ところで、燃料電池は、通常、図7に示すように、電解質膜・電極構造体1をアノード側セパレータ2及びカソード側セパレータ3で挟持している。電解質膜・電極構造体1は、固体高分子電解質膜4を備え、前記固体高分子電解質膜4の両面には、アノード側電極5及びカソード側電極6が設けられている。アノード側電極5は、電極触媒層5a及びガス拡散層5bを有する一方、カソード側電極6は、電極触媒層6a及びガス拡散層6bを有している。   By the way, in a fuel cell, as shown in FIG. 7, the electrolyte membrane / electrode structure 1 is usually sandwiched between an anode side separator 2 and a cathode side separator 3. The electrolyte membrane / electrode structure 1 includes a solid polymer electrolyte membrane 4, and an anode side electrode 5 and a cathode side electrode 6 are provided on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 4. The anode side electrode 5 has an electrode catalyst layer 5a and a gas diffusion layer 5b, while the cathode side electrode 6 has an electrode catalyst layer 6a and a gas diffusion layer 6b.

アノード側セパレータ2には、複数の燃料ガス流路2aが山部2b間に形成されるとともに、カソード側セパレータ3には、複数の酸化剤ガス流路3aが山部3b間に形成されている。   The anode-side separator 2 has a plurality of fuel gas passages 2a formed between the peaks 2b, and the cathode-side separator 3 has a plurality of oxidant gas passages 3a formed between the peaks 3b. .

この燃料電池の運転停止時に、上記の特許文献1を採用すると、燃料ガス流路2a及び酸化剤ガス流路3aに乾燥した酸化剤ガスが充填されている。このため、燃料電池を始動させる際には、燃料ガス流路2aに燃料ガスが供給されることにより、前記燃料ガス流路2a及びガス拡散層5bに残存する酸化剤ガスが前記燃料ガスに置換されている。   When the above-described Patent Document 1 is employed when the operation of the fuel cell is stopped, the fuel gas passage 2a and the oxidant gas passage 3a are filled with the dried oxidant gas. Therefore, when starting the fuel cell, the fuel gas is supplied to the fuel gas passage 2a, so that the oxidant gas remaining in the fuel gas passage 2a and the gas diffusion layer 5b is replaced with the fuel gas. Has been.

しかしながら、ガス拡散層5bにおいて、特に、アノード側セパレータ2の山部2bに対面する部分7では、燃料ガスが流れ難くなり、この部分7に残存する酸化剤ガスは、燃料ガスと置換されるまでに相当な時間がかかってしまう。これにより、燃料ガスと酸化剤ガスとが反応して電極触媒層5aが劣化し、燃料電池の発電性能が低下するという問題がある。   However, in the gas diffusion layer 5b, particularly in the portion 7 facing the peak portion 2b of the anode-side separator 2, the fuel gas hardly flows, and the oxidant gas remaining in this portion 7 is replaced with the fuel gas. It takes a considerable amount of time. Thereby, there exists a problem that fuel gas and oxidant gas react, the electrode catalyst layer 5a deteriorates, and the electric power generation performance of a fuel cell falls.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な工程で、電極触媒の劣化を可及的に阻止し、発電性能を良好に維持することが可能な燃料電池システムの始動方法を提供することを目的とする。   The present invention solves this type of problem, and provides a starting method of a fuel cell system capable of preventing deterioration of an electrode catalyst as much as possible and maintaining good power generation performance with a simple process. The purpose is to do.

本発明は、カソード側電極に酸化剤ガスを供給する複数の酸化剤ガス流路及びアノード側電極に燃料ガスを供給する複数の燃料ガス流路を有し、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備え、前記酸化剤ガス流路及び前記燃料ガス流路が前記酸化剤ガスで満たされた状態で運転停止される燃料電池システムの始動方法に関するものである。   The present invention has a plurality of oxidant gas passages for supplying an oxidant gas to the cathode side electrode and a plurality of fuel gas passages for supplying a fuel gas to the anode side electrode, and the oxidant gas and the fuel gas The present invention relates to a method for starting a fuel cell system that includes a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction, and that is shut down in a state where the oxidant gas channel and the fuel gas channel are filled with the oxidant gas.

この始動方法は、燃料ガス流路に燃料ガスを供給するとともに、隣接する前記燃料ガス流路間に差圧を発生させることにより、アノード側電極の少なくとも発電領域内に滞留する酸化剤ガスを、前記燃料ガスに置換している。   In this starting method, the fuel gas is supplied to the fuel gas flow path, and a differential pressure is generated between the adjacent fuel gas flow paths, so that the oxidant gas staying in at least the power generation region of the anode side electrode is The fuel gas is substituted.

また、互いに隣接する燃料ガス流路は、一方の燃料ガス流路の入口側と他方の燃料ガス流路の出口側とに交互に絞り部を設けるとともに、前記絞り部は、発電領域外に配置されることにより、少なくとも発電領域内に滞留する酸化剤ガスを、燃料ガスに置換することが好ましい。   The fuel gas flow paths adjacent to each other are provided with throttle portions alternately on the inlet side of one fuel gas flow channel and the outlet side of the other fuel gas flow channel, and the throttle portions are disposed outside the power generation region. By doing so, it is preferable to replace at least the oxidant gas staying in the power generation region with the fuel gas.

さらに、この始動方法は、燃料ガス流路を負圧にした後、前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給することにより、酸化剤ガスを前記燃料ガスに置換することが好ましい。   Further, in this starting method, it is preferable to replace the oxidant gas with the fuel gas by supplying the fuel gas to the fuel gas flow channel after making the fuel gas flow channel have a negative pressure.

本発明では、隣接する燃料ガス流路間に差圧を発生させるため、高圧側の燃料ガス流路から低圧側の燃料ガス流路に燃料ガスが移動する。従って、隣接する燃料ガス流路を仕切る山部に対面するガス拡散層に残存する酸化剤ガスは、前記燃料ガス流路間を横切って移動する燃料ガスにより良好に置換される。   In the present invention, in order to generate a differential pressure between adjacent fuel gas passages, the fuel gas moves from the high-pressure fuel gas passage to the low-pressure fuel gas passage. Therefore, the oxidant gas remaining in the gas diffusion layer facing the mountain portion that partitions adjacent fuel gas flow paths is satisfactorily replaced by the fuel gas that moves across the fuel gas flow paths.

これにより、少なくとも発電領域全域に残存する酸化剤ガスを、迅速且つ確実に燃料ガスに置換することができ、簡単な工程で、電極触媒の劣化を可及的に阻止し、発電性能を良好に維持することが可能になる。   As a result, at least the oxidant gas remaining in the entire power generation region can be quickly and reliably replaced with the fuel gas, and the deterioration of the electrode catalyst is prevented as much as possible with a simple process, and the power generation performance is improved. It becomes possible to maintain.

図1は、本発明の第1の実施形態に係る始動方法が適用される燃料電池システム10の概略構成図である。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system 10 to which a starting method according to a first embodiment of the present invention is applied.

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に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置14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16と、前記燃料電池システム10全体の制御を行うコントローラ18とを備える。   The fuel cell system 10 includes a fuel cell stack 12, an oxidant gas supply device 14 for supplying an oxidant gas to the fuel cell stack 12, a fuel gas supply device 16 for supplying a fuel gas to the fuel cell stack 12, And a controller 18 that controls the entire fuel cell system 10.

燃料電池スタック12は、複数の燃料電池20を積層して構成される。図2に示すように、各燃料電池20は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜22をカソード側電極24とアノード側電極26とで挟持した電解質膜・電極構造体28を備える。電解質膜・電極構造体28は、カソード側セパレータ29及びアノード側セパレータ30により挟持される。カソード側セパレータ29及びアノード側セパレータ30は、例えば、カーボンセパレータで構成される。   The fuel cell stack 12 is configured by stacking a plurality of fuel cells 20. As shown in FIG. 2, each fuel cell 20 includes, for example, an electrolyte membrane in which a solid polymer electrolyte membrane 22 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water is sandwiched between a cathode side electrode 24 and an anode side electrode 26. An electrode structure 28 is provided. The electrolyte membrane / electrode structure 28 is sandwiched between the cathode side separator 29 and the anode side separator 30. The cathode side separator 29 and the anode side separator 30 are made of, for example, a carbon separator.

図3に示すように、カソード側電極24及びアノード側電極26は、固体高分子電解質膜22の両面に形成され、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子からなる電極触媒層24a、26aと、カーボンペーパ等からなるガス拡散層24b、26bとを有する。   As shown in FIG. 3, the cathode-side electrode 24 and the anode-side electrode 26 are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 22, and electrode catalyst layers 24a, 26a made of porous carbon particles having platinum alloys supported on the surface thereof. And gas diffusion layers 24b and 26b made of carbon paper or the like.

図2に示すように、燃料電池20の矢印B方向(長手方向)の一端縁部には、積層方向である矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス(以下、空気ともいう)を供給する酸化剤ガス入口連通孔32a、冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔34b、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガス(以下、水素ガスともいう)を排出する燃料ガス出口連通孔36bが矢印C方向(鉛直方向)に配列して設けられる。   As shown in FIG. 2, one end edge of the fuel cell 20 in the arrow B direction (longitudinal direction) communicates with each other in the arrow A direction, which is the stacking direction, and an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas (hereinafter, An oxidant gas inlet communication hole 32a for supplying a cooling medium, a cooling medium outlet communication hole 34b for discharging a cooling medium, and a fuel gas outlet for discharging a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas (hereinafter also referred to as hydrogen gas). The communication holes 36b are arranged in the direction of arrow C (vertical direction).

燃料電池20の矢印B方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給する燃料ガス入口連通孔36a、冷却媒体を供給する冷却媒体入口連通孔34a、及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔32bが矢印C方向に配列して設けられる。   The other end edge of the fuel cell 20 in the direction of arrow B communicates with each other in the direction of arrow A, a fuel gas inlet communication hole 36a for supplying fuel gas, a cooling medium inlet communication hole 34a for supplying a cooling medium, and an oxidation Oxidant gas outlet communication holes 32b for discharging the agent gas are arranged in the direction of arrow C.

カソード側セパレータ29の電解質膜・電極構造体28に向かう面29aには、矢印B方向に延在する複数の酸化剤ガス流路38が山部40間に設けられる。酸化剤ガス流路38の矢印B方向両端は、バッファ部42a、42bを介して酸化剤ガス入口連通孔32a及び酸化剤ガス出口連通孔32bに連通する。カソード側セパレータ29の面29aとは反対の面29bと、アノード側セパレータ30との間には、冷却媒体流路44が形成される。   A plurality of oxidant gas flow paths 38 extending in the direction of arrow B are provided between the peaks 40 on the surface 29 a of the cathode separator 29 facing the electrolyte membrane / electrode structure 28. Both ends of the oxidant gas flow path 38 in the direction of arrow B communicate with the oxidant gas inlet communication hole 32a and the oxidant gas outlet communication hole 32b via the buffer portions 42a and 42b. A cooling medium flow path 44 is formed between a surface 29 b opposite to the surface 29 a of the cathode side separator 29 and the anode side separator 30.

図4に示すように、アノード側セパレータ30の電解質膜・電極構造体28に向かう面30aには、矢印B方向に延在して複数の燃料ガス流路46a、46bが山部48a、48bを介して交互に形成される。燃料ガス流路46a、46bの両端には、バッファ部50a、50bが設けられる。   As shown in FIG. 4, on the surface 30a of the anode-side separator 30 facing the electrolyte membrane / electrode structure 28, a plurality of fuel gas channels 46a, 46b extend in the direction of arrow B, and peak portions 48a, 48b are formed. Are alternately formed. Buffer portions 50a and 50b are provided at both ends of the fuel gas flow paths 46a and 46b.

アノード側セパレータ30には、それぞれ燃料ガス入口連通孔36a及び燃料ガス出口連通孔36bに近接して複数の連通孔52a、52bが貫通形成される。連通孔52aは、燃料ガス入口連通孔36aを面30b側から面30a側に連通し、さらにバッファ部50aを介して燃料ガス流路46a、46bに連通する。連通孔52bは、燃料ガス出口連通孔36bを面30b側から面30a側に連通し、さらにバッファ部50bを介して燃料ガス流路46a、46bに連通する。   A plurality of communication holes 52a and 52b are formed in the anode-side separator 30 so as to be close to the fuel gas inlet communication hole 36a and the fuel gas outlet communication hole 36b, respectively. The communication hole 52a communicates the fuel gas inlet communication hole 36a from the surface 30b side to the surface 30a side, and further communicates with the fuel gas flow paths 46a and 46b via the buffer portion 50a. The communication hole 52b communicates the fuel gas outlet communication hole 36b from the surface 30b side to the surface 30a side, and further communicates with the fuel gas flow paths 46a and 46b via the buffer portion 50b.

燃料ガス流路46aは、入口側(バッファ部50a側)に絞り部54aを設ける一方、燃料ガス流路46bは、出口側(バッファ部50b側)に絞り部54bを設ける。絞り部54a、54bは、矢印C方向に向かって交互に配置されるとともに、前記絞り部54a、54bは、アノード側電極26の発電領域Gの外方に設定される。なお、絞り部54a、54bに代えて、例えば、燃料ガス流路46aの入口側及び燃料ガス流路46bの出口側の深さを浅く設定してもよい。   The fuel gas channel 46a is provided with a throttle 54a on the inlet side (buffer 50a side), while the fuel gas channel 46b is provided with a throttle 54b on the outlet side (buffer 50b side). The throttle portions 54 a and 54 b are alternately arranged in the direction of arrow C, and the throttle portions 54 a and 54 b are set outside the power generation region G of the anode side electrode 26. For example, the depths on the inlet side of the fuel gas channel 46a and the outlet side of the fuel gas channel 46b may be set to be shallow instead of the throttle portions 54a and 54b.

カソード側セパレータ29は、ガスケット等のシール部材56を設けるとともに、アノード側セパレータ30は、同様に、ガスケット等のシール部材58を設ける。   The cathode side separator 29 is provided with a seal member 56 such as a gasket, and the anode side separator 30 is similarly provided with a seal member 58 such as a gasket.

図1に示すように、酸化剤ガス供給装置14は、大気からの空気を圧縮して供給するエアコンプレッサ60を備え、前記エアコンプレッサ60が空気供給流路62に配設される。空気供給流路62には、加湿器64が配設されるとともに、前記空気供給流路62は、燃料電池スタック12の酸化剤ガス入口連通孔32aに連通する。   As shown in FIG. 1, the oxidant gas supply device 14 includes an air compressor 60 that compresses and supplies air from the atmosphere, and the air compressor 60 is disposed in an air supply flow path 62. A humidifier 64 is disposed in the air supply flow path 62, and the air supply flow path 62 communicates with the oxidant gas inlet communication hole 32 a of the fuel cell stack 12.

酸化剤ガス供給装置14は、酸化剤ガス出口連通孔32bに連通する空気排出流路66を備える。この空気排出流路66には、エアコンプレッサ60から空気供給流路62を通って燃料電池スタック12に供給される空気の圧力を調整するための開度調整可能な背圧制御弁68が設けられる。   The oxidant gas supply device 14 includes an air discharge channel 66 that communicates with the oxidant gas outlet communication hole 32b. The air discharge channel 66 is provided with a back pressure control valve 68 with an adjustable opening for adjusting the pressure of air supplied from the air compressor 60 through the air supply channel 62 to the fuel cell stack 12. .

燃料ガス供給装置16は、高圧水素を貯留する水素タンク70を備え、この水素タンク70は、水素供給流路72を介して燃料電池スタック12の燃料ガス入口連通孔36aに連通する。この水素供給流路72には、水素タンク元弁74a、減圧弁74b、水素供給弁74c及びエゼクタ76が、順次、設けられる。   The fuel gas supply device 16 includes a hydrogen tank 70 that stores high-pressure hydrogen. The hydrogen tank 70 communicates with the fuel gas inlet communication hole 36 a of the fuel cell stack 12 through a hydrogen supply flow path 72. In this hydrogen supply flow path 72, a hydrogen tank main valve 74a, a pressure reducing valve 74b, a hydrogen supply valve 74c, and an ejector 76 are sequentially provided.

エゼクタ76は、水素タンク70から供給される水素ガスを、水素供給流路72を通って燃料電池スタック12に供給するとともに、燃料電池スタック12で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、水素循環路84から吸引して、再度、前記燃料電池スタック12に燃料ガスとして供給する。   The ejector 76 supplies the hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 70 to the fuel cell stack 12 through the hydrogen supply flow path 72, and exhaust gas containing unused hydrogen gas that has not been used in the fuel cell stack 12. Then, the gas is sucked from the hydrogen circulation path 84 and supplied again as fuel gas to the fuel cell stack 12.

水素供給流路72と空気供給流路62とは、連結流路78を介して連通可能であり、この連結流路78には、バルブ80が配設される。   The hydrogen supply flow path 72 and the air supply flow path 62 can communicate with each other via a connection flow path 78, and a valve 80 is disposed in the connection flow path 78.

燃料ガス出口連通孔36bには、オフガス流路82が連通する。オフガス流路82には、水素循環路84が連通するとともに、前記水素循環路84は、エゼクタ76に連通する。水素循環路84には、ポンプ弁86を介して水素ポンプ88が接続される一方、オフガス流路82には、燃料排出弁(パージ弁)90が配設される。   An off gas passage 82 communicates with the fuel gas outlet communication hole 36b. A hydrogen circulation path 84 communicates with the off-gas flow path 82, and the hydrogen circulation path 84 communicates with an ejector 76. A hydrogen pump 88 is connected to the hydrogen circulation path 84 via a pump valve 86, while a fuel discharge valve (purge valve) 90 is disposed in the offgas flow path 82.

燃料電池スタック12には、例えば、走行用モータ等の負荷92が、スイッチ94を介して電気的に切断及び接続可能に設けられる。   For example, a load 92 such as a travel motor is provided in the fuel cell stack 12 through a switch 94 so as to be electrically disconnected and connectable.

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、本発明の第1の実施形態に係る始動方法との関連で以下に説明する。   The operation of the fuel cell system 10 configured as described above will be described below in relation to the starting method according to the first embodiment of the present invention.

燃料電池システム10の運転停止時には、後述するように、酸化剤ガス流路38及び燃料ガス流路46a、46bが、酸化剤ガスである空気により満たされている。   When the operation of the fuel cell system 10 is stopped, as will be described later, the oxidant gas passage 38 and the fuel gas passages 46a and 46b are filled with air which is an oxidant gas.

そこで、コントローラ18に燃料電池システム10の始動信号が入力されると、例えば、水素供給弁74cが閉塞される一方、ポンプ弁86が開放される。このため、水素ポンプ88の作用下に、燃料電池スタック12内の燃料ガス流路46a、46bが吸引される。   Therefore, when the start signal of the fuel cell system 10 is input to the controller 18, for example, the hydrogen supply valve 74c is closed and the pump valve 86 is opened. Therefore, the fuel gas flow paths 46 a and 46 b in the fuel cell stack 12 are sucked under the action of the hydrogen pump 88.

燃料ガス流路46a、46bが所定の負圧状態(例えば、絶対圧で40〜85kPa)に至ると、ポンプ弁86が閉塞される一方、水素供給弁74cが開放される。従って、水素タンク70から水素供給流路72に燃料ガスである水素ガスが供給される。   When the fuel gas passages 46a and 46b reach a predetermined negative pressure state (for example, 40 to 85 kPa in absolute pressure), the pump valve 86 is closed and the hydrogen supply valve 74c is opened. Accordingly, hydrogen gas as fuel gas is supplied from the hydrogen tank 70 to the hydrogen supply flow path 72.

この水素ガスは、水素供給流路72を通って燃料電池スタック12の燃料ガス入口連通孔36aに供給される。これにより、燃料電池スタック12内では、各燃料電池20の燃料ガス流路46a、46bに水素ガスが供給される。具体的には、図2及び図4に示すように、各アノード側セパレータ30に供給された水素ガスは、面30b側から複数の連通孔52aを通って面30a側に移動し、バッファ部50aを介して各燃料ガス流路46a、46bに供給される。   This hydrogen gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole 36 a of the fuel cell stack 12 through the hydrogen supply flow path 72. Thereby, in the fuel cell stack 12, hydrogen gas is supplied to the fuel gas flow paths 46a and 46b of each fuel cell 20. Specifically, as shown in FIGS. 2 and 4, the hydrogen gas supplied to each anode-side separator 30 moves from the surface 30b side to the surface 30a side through the plurality of communication holes 52a, and the buffer portion 50a. To the fuel gas flow paths 46a and 46b.

この場合、第1の実施形態では、図4に示すように、燃料ガス流路46aの入口側に絞り部54aが設けられる一方、燃料ガス流路46bの出口側に絞り部54bが設けられている。このため、バッファ部50aに導入された水素ガスは、抵抗の少ない、すなわち、入口側に絞り部のない燃料ガス流路46bに優先的に流通する一方、入口側に絞り部54aを設ける燃料ガス流路46aには、比較的少量の水素ガスが流通する。   In this case, in the first embodiment, as shown in FIG. 4, the throttle portion 54a is provided on the inlet side of the fuel gas passage 46a, while the throttle portion 54b is provided on the outlet side of the fuel gas passage 46b. Yes. For this reason, the hydrogen gas introduced into the buffer 50a has a low resistance, that is, it preferentially circulates in the fuel gas flow path 46b having no throttle on the inlet side, while providing the throttle 54a on the inlet side. A relatively small amount of hydrogen gas flows through the flow path 46a.

多量の水素ガスが流通する燃料ガス流路46bは、出口側に絞り部54bが設けられており、この燃料ガス流路46b内の水素ガス圧力は、燃料ガス流路46a内の水素ガス圧力よりも高圧になる。従って、燃料ガス流路46b、46a間に水素ガス圧力の差圧が発生し、高圧側である前記燃料ガス流路46b内の水素ガスは、山部48a、48bに対面するガス拡散層26b内を通って、低圧側の燃料ガス流路46aに移動する(図3及び図4参照)。   The fuel gas passage 46b through which a large amount of hydrogen gas circulates is provided with a throttle portion 54b on the outlet side. The hydrogen gas pressure in the fuel gas passage 46b is higher than the hydrogen gas pressure in the fuel gas passage 46a. Even high pressure. Accordingly, a differential pressure of the hydrogen gas pressure is generated between the fuel gas flow paths 46b and 46a, and the hydrogen gas in the fuel gas flow path 46b on the high pressure side is in the gas diffusion layer 26b facing the peaks 48a and 48b. And moves to the fuel gas passage 46a on the low pressure side (see FIGS. 3 and 4).

その際、ガス拡散層26bには、ほぼ全域にわたって空気が残存しており、燃料ガス流路46bに対面する部分付近の空気は、この燃料ガス流路46bを流通する水素ガスと容易且つ迅速に置換される一方、山部48a、48bに対面する部分付近では、空気が残存し易い。   At that time, air remains in the gas diffusion layer 26b over almost the entire area, and the air in the vicinity of the portion facing the fuel gas flow path 46b easily and quickly passes with the hydrogen gas flowing through the fuel gas flow path 46b. On the other hand, air tends to remain in the vicinity of the portion facing the peak portions 48a and 48b.

しかしながら、第1の実施形態では、燃料ガス流路46b、46a間の水素ガス圧力の差圧により、前記燃料ガス流路46bを流通する水素ガスは、前記山部48a、48bに対面する部分を通って、燃料ガス流路46aに移動する。これにより、山部48a、48bに対面する部分近傍に残存する空気は、燃料ガス流路46b、46a間を横切って移動する水素ガスにより良好且つ迅速に置換される。   However, in the first embodiment, due to the differential pressure of the hydrogen gas pressure between the fuel gas passages 46b and 46a, the hydrogen gas flowing through the fuel gas passage 46b has a portion facing the peak portions 48a and 48b. It moves to the fuel gas flow path 46a. As a result, the air remaining in the vicinity of the portion facing the ridges 48a and 48b is satisfactorily and quickly replaced by the hydrogen gas moving across the fuel gas flow paths 46b and 46a.

このため、燃料ガス流路46a、46b及びガス拡散層26bの少なくとも発電領域全域に残存する酸化剤ガスを、迅速且つ確実に水素ガスに置換することができ、簡単な工程で、電極触媒層26aの劣化を可及的に阻止し、各燃料電池20の発電性能を良好に維持することが可能になるという効果が得られる。   For this reason, the oxidant gas remaining in at least the entire power generation region of the fuel gas passages 46a and 46b and the gas diffusion layer 26b can be quickly and reliably replaced with hydrogen gas, and the electrode catalyst layer 26a can be easily processed. As a result, it is possible to prevent the deterioration of the fuel cell as much as possible and to maintain the power generation performance of each fuel cell 20 satisfactorily.

しかも、燃料ガス流路46a、46bでは、始動前に負圧状態にした後、水素ガスの供給が行われている。従って、燃料ガス流路46a、46b及びガス拡散層26bに残存する空気は、水素ガスと一層迅速に置換することができ、燃料電池スタック12の始動が短時間で確実に遂行可能になるという利点がある。   Moreover, in the fuel gas passages 46a and 46b, hydrogen gas is supplied after being brought into a negative pressure state before starting. Therefore, the air remaining in the fuel gas passages 46a and 46b and the gas diffusion layer 26b can be replaced with hydrogen gas more quickly, and the fuel cell stack 12 can be started up reliably in a short time. There is.

なお、燃料ガス流路46a、46bを流通した水素ガスは、バッファ部50bから複数の連通孔52bを通って、燃料ガス出口連通孔36bに排出される。   The hydrogen gas flowing through the fuel gas passages 46a and 46b is discharged from the buffer portion 50b through the plurality of communication holes 52b to the fuel gas outlet communication hole 36b.

一方、酸化剤ガス供給装置14では、図1に示すように、エアコンプレッサ60を介して空気供給流路62に空気が送られる。この空気は、酸化剤ガス入口連通孔32aに供給され、燃料電池スタック12内の各燃料電池20に設けられているカソード側セパレータ29に供給される。   On the other hand, in the oxidant gas supply device 14, as shown in FIG. 1, air is sent to the air supply flow path 62 via the air compressor 60. The air is supplied to the oxidant gas inlet communication hole 32 a and is supplied to the cathode separator 29 provided in each fuel cell 20 in the fuel cell stack 12.

図2に示すように、カソード側セパレータ29では、酸化剤ガス入口連通孔32aに供給された空気は、酸化剤ガス流路38に沿って矢印B方向に移動しながら、カソード側電極24に供給される。   As shown in FIG. 2, in the cathode side separator 29, the air supplied to the oxidant gas inlet communication hole 32 a is supplied to the cathode side electrode 24 while moving in the arrow B direction along the oxidant gas flow path 38. Is done.

このように、燃料ガス流路46a、46bに水素ガスが供給される一方、酸化剤ガス流路38に空気が供給される。この状態で、図1に示すように、スイッチ94が閉塞されることにより、燃料電池スタック12が負荷92に電気的に接続される。このため、燃料電池スタック12の始動が開始される。   In this manner, hydrogen gas is supplied to the fuel gas flow paths 46 a and 46 b, while air is supplied to the oxidant gas flow path 38. In this state, as shown in FIG. 1, the switch 94 is closed to electrically connect the fuel cell stack 12 to the load 92. For this reason, starting of the fuel cell stack 12 is started.

この始動時には、酸化剤ガスは、各カソード側電極24に沿って供給される一方、燃料ガスは、各アノード側電極26に沿って供給される。これにより、カソード側電極24に供給される空気と、アノード側電極26に供給される燃料ガスとが、電気化学的に反応して発電が行われる。   At the start-up, oxidant gas is supplied along each cathode side electrode 24, while fuel gas is supplied along each anode side electrode 26. As a result, the air supplied to the cathode side electrode 24 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 26 react electrochemically to generate power.

また、図示しないが、冷却媒体入口連通孔34aには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。この冷却媒体は、各冷却媒体流路44を流通することにより、燃料電池20を冷却した後、冷却媒体出口連通孔34bに排出される。   Although not shown, a coolant such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied to the coolant supply passage 34a. The cooling medium flows through each cooling medium flow path 44 to cool the fuel cell 20 and then is discharged to the cooling medium outlet communication hole 34b.

さらに、燃料電池スタック12による発電が停止される際には、バルブ80が開放されるとともに、水素供給弁74cが閉塞される。従って、エアコンプレッサ60を介して空気供給流路62に供給される空気は、燃料電池スタック12内の酸化剤ガス流路38に供給される一方、一部が連結流路78を通って水素供給流路72から前記燃料電池スタック12内の燃料ガス流路46a、46bに供給される。これにより、酸化剤ガス流路38及び燃料ガス流路46a、46bは、空気によりパージされて燃料電池システム10の運転が停止される。   Further, when power generation by the fuel cell stack 12 is stopped, the valve 80 is opened and the hydrogen supply valve 74c is closed. Therefore, the air supplied to the air supply flow path 62 via the air compressor 60 is supplied to the oxidant gas flow path 38 in the fuel cell stack 12, while a part thereof supplies hydrogen through the connection flow path 78. The fuel gas is supplied from the flow path 72 to the fuel gas flow paths 46 a and 46 b in the fuel cell stack 12. As a result, the oxidant gas flow path 38 and the fuel gas flow paths 46a and 46b are purged with air, and the operation of the fuel cell system 10 is stopped.

図5は、本発明の第2の実施形態に係る始動方法が適用される燃料電池システムを構成する燃料電池100の要部分解斜視説明図である。なお、第1の実施形態に使用される燃料電池20と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。   FIG. 5 is an exploded perspective view of a main part of the fuel cell 100 constituting the fuel cell system to which the starting method according to the second embodiment of the present invention is applied. In addition, the same referential mark is attached | subjected to the component same as the fuel cell 20 used for 1st Embodiment, and the detailed description is abbreviate | omitted.

燃料電池100は、電解質膜・電極構造体102をカソード側セパレータ104及びアノード側セパレータ106で挟持して構成される。カソード側セパレータ104の電解質膜・電極構造体102に向かう面29aには、例えば、矢印B方向に1往復半だけ折り返す蛇行流路である酸化剤ガス流路108が設けられる。   The fuel cell 100 is configured by sandwiching an electrolyte membrane / electrode structure 102 between a cathode side separator 104 and an anode side separator 106. The surface 29a of the cathode separator 104 facing the electrolyte membrane / electrode structure 102 is provided with, for example, an oxidant gas flow path 108 that is a meandering flow path that folds back and forth by one reciprocal half in the direction of arrow B.

酸化剤ガス流路108の入口側及び出口側には、それぞれブリッジ部110a、110bを介して酸化剤ガス入口連通孔32a及び酸化剤ガス出口連通孔32bに連通する。   The inlet side and outlet side of the oxidant gas flow path 108 communicate with the oxidant gas inlet communication hole 32a and the oxidant gas outlet communication hole 32b via the bridge portions 110a and 110b, respectively.

アノード側セパレータ106の電解質膜・電極構造体102に向かう面30aには、図6に示すように、例えば、矢印B方向に1往復半だけ折り返す蛇行流路である燃料ガス流路112a、112bが交互に設けられる。   On the surface 30a of the anode-side separator 106 facing the electrolyte membrane / electrode structure 102, as shown in FIG. 6, for example, fuel gas channels 112a and 112b, which are meandering channels that fold back and forth halfway in the direction of arrow B, are provided. It is provided alternately.

燃料ガス流路112aの入口側(燃料ガス入口連通孔36a側)には、絞り部54aが設けられる一方、燃料ガス流路112bの出口側(燃料ガス出口連通孔36b側)には、絞り部54bが設けられる。   A throttle portion 54a is provided on the inlet side (fuel gas inlet communication hole 36a side) of the fuel gas channel 112a, while a throttle portion is provided on the outlet side (fuel gas outlet communication hole 36b side) of the fuel gas channel 112b. 54b is provided.

このように構成される第2の実施形態では、図6に示すように、燃料ガス流路112aと燃料ガス流路112bとが交互に設けられるとともに、前記燃料ガス流路112aの入口側に絞り部54aが設けられ、且つ、前記燃料ガス流路112bの出口側に絞り部54bが設けられている。   In the second embodiment configured as described above, as shown in FIG. 6, the fuel gas flow paths 112a and the fuel gas flow paths 112b are alternately provided, and are throttled to the inlet side of the fuel gas flow path 112a. A portion 54a is provided, and a throttle portion 54b is provided on the outlet side of the fuel gas passage 112b.

このため、始動時に、燃料ガス入口連通孔36aから複数の連通孔52aを介して燃料ガス流路112a、112bに水素ガスが導入されると、入口側に絞り部のない前記燃料ガス流路112bに優先的に水素ガスが流通し、水素ガス流通量の少ない前記燃料ガス流路112aとの間に水素ガス圧の差圧が惹起される。従って、水素ガスが多量に流通する燃料ガス流路112bでは、前記燃料ガス流路112bに沿って蛇行しながら絞り部54b側に移動するとともに、水素ガスの一部が差圧によって前記燃料ガス流路112bから燃料ガス流路112a間を横切って移動する。   For this reason, when hydrogen gas is introduced from the fuel gas inlet communication hole 36a into the fuel gas flow paths 112a and 112b through the plurality of communication holes 52a at the time of start-up, the fuel gas flow path 112b without the throttle portion on the inlet side. The hydrogen gas is preferentially circulated, and a differential pressure of the hydrogen gas pressure is induced between the fuel gas passage 112a with a small hydrogen gas circulation amount. Therefore, in the fuel gas passage 112b through which a large amount of hydrogen gas flows, the fuel gas passage 112b moves toward the throttle portion 54b while meandering along the fuel gas passage 112b, and part of the hydrogen gas flows due to the differential pressure. It moves from the path 112b across the fuel gas flow path 112a.

これにより、第2の実施形態では、第1の実施形態と同様に、山部114a、114bに対面するガス拡散層内を水素ガスが円滑に流動し、この部分に残存する空気を水素ガスに迅速に置換することが可能になる。   As a result, in the second embodiment, as in the first embodiment, the hydrogen gas smoothly flows in the gas diffusion layer facing the peak portions 114a and 114b, and the air remaining in this portion is converted into hydrogen gas. It becomes possible to replace quickly.

このため、アノード側電極26の少なくとも発電領域全域に残存する空気を迅速且つ確実に水素ガスに置換することができ、簡単な工程で、電極触媒の劣化を可及的に阻止し、燃料電池100の発電性能を良好に維持することが可能になる等、第1の実施形態と同様の効果が得られる。   For this reason, the air remaining in at least the entire power generation region of the anode-side electrode 26 can be quickly and surely replaced with hydrogen gas, and the deterioration of the electrode catalyst is prevented as much as possible with a simple process. The same effects as those of the first embodiment can be obtained, such as being able to maintain the power generation performance of the first embodiment.

本発明の第1の実施形態に係る始動方法が適用される燃料電池システムの概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system to which a starting method according to a first embodiment of the present invention is applied. 前記燃料電池システムを構成する燃料電池の要部分解斜視説明図である。It is a principal part disassembled perspective explanatory drawing of the fuel cell which comprises the said fuel cell system. 前記燃料電池の拡大断面説明図である。It is an expanded sectional view of the fuel cell. 前記燃料電池を構成するアノード側セパレータの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the anode side separator which comprises the said fuel cell. 本発明の第2の実施形態に係る始動方法が適用される燃料電池システムを構成する燃料電池の要部分解斜視説明図である。It is a principal part disassembled perspective explanatory drawing of the fuel cell which comprises the fuel cell system with which the starting method which concerns on the 2nd Embodiment of this invention is applied. 前記燃料電池を構成するアノード側セパレータの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the anode side separator which comprises the said fuel cell. 一般的な燃料電池の断面説明図である。It is sectional explanatory drawing of a common fuel cell.

符号の説明Explanation of symbols

10…燃料電池システム 12…燃料電池スタック
14…酸化剤ガス供給装置 16…燃料ガス供給装置
18…コントローラ 20、100…燃料電池
22…固体高分子電解質膜 24…カソード側電極
24a、26a…電極触媒層 24b、26b…ガス拡散層
26…アノード側電極 28、102…電解質膜・電極構造体
29、30、104、106…セパレータ
32a…酸化剤ガス入口連通孔 32b…酸化剤ガス出口連通孔
34a…冷却媒体入口連通孔 34b…冷却媒体出口連通孔
36a…燃料ガス入口連通孔 36b…燃料ガス出口連通孔
38、108…酸化剤ガス流路
40、48a、48b、114a、114b…山部
42a、42b、50a、50b…バッファ部
44…冷却媒体流路
46a、46b、112a、112b…燃料ガス流路
54a、54b…絞り部 60…エアコンプレッサ
70…水素タンク 76…エゼクタ
88…水素ポンプ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell system 12 ... Fuel cell stack 14 ... Oxidant gas supply device 16 ... Fuel gas supply device 18 ... Controller 20, 100 ... Fuel cell 22 ... Solid polymer electrolyte membrane 24 ... Cathode side electrodes 24a, 26a ... Electrode catalyst Layer 24b, 26b ... Gas diffusion layer 26 ... Anode side electrode 28, 102 ... Electrolyte membrane / electrode structure 29, 30, 104, 106 ... Separator 32a ... Oxidant gas inlet communication hole 32b ... Oxidant gas outlet communication hole 34a ... Cooling medium inlet communication hole 34b ... Cooling medium outlet communication hole 36a ... Fuel gas inlet communication hole 36b ... Fuel gas outlet communication hole 38, 108 ... Oxidant gas flow path 40, 48a, 48b, 114a, 114b ... Mount 42a, 42b , 50a, 50b ... buffer section 44 ... cooling medium flow path 46a, 46b, 112a, 112b ... fuel gas flow path 4a, 54b ... aperture portion 60 ... Air compressor 70 ... hydrogen tank 76 ... ejector 88 ... hydrogen pump

Claims (3)

カソード側電極に酸化剤ガスを供給する複数の酸化剤ガス流路及びアノード側電極に燃料ガスを供給する複数の燃料ガス流路を有し、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備え、前記酸化剤ガス流路及び前記燃料ガス流路が前記酸化剤ガスで満たされた状態で運転停止される燃料電池システムの始動方法であって、
前記燃料ガス流路に前記燃料ガスを供給するとともに、隣接する前記燃料ガス流路間に差圧を発生させることにより、前記アノード側電極の少なくとも発電領域内に滞留する前記酸化剤ガスを、前記燃料ガスに置換することを特徴とする燃料電池システムの始動方法。
A plurality of oxidant gas passages for supplying an oxidant gas to the cathode side electrode and a plurality of fuel gas passages for supplying a fuel gas to the anode side electrode; A fuel cell system start-up method comprising a fuel cell for generating electric power, wherein the oxidant gas passage and the fuel gas passage are filled with the oxidant gas, and the operation is stopped.
While supplying the fuel gas to the fuel gas flow path and generating a differential pressure between the adjacent fuel gas flow paths, the oxidant gas that stays in at least the power generation region of the anode side electrode, A starting method for a fuel cell system, characterized by substituting with fuel gas.
請求項1記載の始動方法において、互いに隣接する前記燃料ガス流路は、一方の燃料ガス流路の入口側と他方の燃料ガス流路の出口側とに交互に絞り部を設けるとともに、
前記絞り部は、発電領域外に配置されることにより、少なくとも前記発電領域内に滞留する前記酸化剤ガスを、前記燃料ガスに置換することを特徴とする燃料電池システムの始動方法。
2. The starting method according to claim 1, wherein the fuel gas flow paths adjacent to each other are provided with throttle portions alternately on the inlet side of one fuel gas flow path and the outlet side of the other fuel gas flow path,
A method for starting a fuel cell system, wherein the throttle unit is disposed outside the power generation region to replace at least the oxidant gas staying in the power generation region with the fuel gas.
請求項1又は2記載の始動方法において、前記燃料ガス流路を負圧にした後、前記燃料ガス流路に前記燃料ガスを供給することにより、前記酸化剤ガスを前記燃料ガスに置換することを特徴とする燃料電池システムの始動方法。   3. The start-up method according to claim 1 or 2, wherein after the fuel gas passage is set to a negative pressure, the oxidant gas is replaced with the fuel gas by supplying the fuel gas to the fuel gas passage. A method for starting a fuel cell system.
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