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JP2012028115A - Fuel battery system, and operation method of fuel battery system - Google Patents

Fuel battery system, and operation method of fuel battery system Download PDF

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JP2012028115A JP2010164822A JP2010164822A JP2012028115A JP 2012028115 A JP2012028115 A JP 2012028115A JP 2010164822 A JP2010164822 A JP 2010164822A JP 2010164822 A JP2010164822 A JP 2010164822A JP 2012028115 A JP2012028115 A JP 2012028115A
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fuel
fuel cell
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Haruhiko Shintani
晴彦 新谷
Yoichiro Tsuji
庸一郎 辻
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Panasonic Corp
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Panasonic Corp
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Abstract

【課題】燃料電池システムの運転停止時に、結晶性の低いカーボンの劣化を抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【解決手段】第1セルブロック51及び第2セルブロック52を有する燃料電池101と、燃料ガス供給器102と、酸化剤ガス供給器103と、酸化剤ガス供給遮断機構104と、制御器110と、を備え、第1セルブロック51と第2セルブロック52は電気的に直列に接続され、第2セルブロック52に含まれる第2カーボン粉末の結晶性は第1セルブロック51に含まれる第1カーボン粉末の結晶性よりも低く、制御器110は、酸化剤ガス供給遮断機構104により、第2セルブロック52への酸化剤ガスの供給を遮断させて劣化抑制発電を行い、その後、燃料電池101及び燃料ガス供給器102を停止させる、燃料電池システム。
【選択図】図2
An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of suppressing deterioration of carbon having low crystallinity when the operation of the fuel cell system is stopped.
A fuel cell having a first cell block and a second cell block, a fuel gas supply device, an oxidant gas supply device, an oxidant gas supply blocking mechanism, and a controller. The first cell block 51 and the second cell block 52 are electrically connected in series, and the crystallinity of the second carbon powder contained in the second cell block 52 is the first contained in the first cell block 51. The controller 110 lowers the crystallinity of the carbon powder and causes the oxidant gas supply cut-off mechanism 104 to cut off the supply of the oxidant gas to the second cell block 52 to perform deterioration-suppressing power generation, and then the fuel cell 101. And a fuel cell system for stopping the fuel gas supply device 102.
[Selection] Figure 2

Description

本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法に関し、特に、2つ以上のセルスタックを有する燃料電池の構造に関する。   The present invention relates to a fuel cell system and a method for operating the fuel cell system, and more particularly to a structure of a fuel cell having two or more cell stacks.

固体高分子形燃料電池(以下、PEFC(Polymer Electrolyte Fuel Cell)という)は、都市ガスなどの原料ガスを改質し水素を含む燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスを電気化学的に反応させることで、電気と熱を同時に発生させるものである。PEFCの単電池(セル)は、電解質層及び一対のガス拡散電極から構成されるMEA(Membrane−Electrode−Assembly:電解質層−電極積層体)と、ガスケットと、導電性で板状のセパレータと、を有している。セパレータのガス拡散電極と当接する主面には、燃料ガス又は酸化剤ガス(これらを反応ガスという)を流すための溝状のガス流路が設けられていて、ガス拡散電極と当接する主面の反対側の主面には、発生した熱を回収し、セル内を冷却するための冷却媒体が通流する溝状の冷却媒体流路が設けられている。そして、周縁部にガスケットが配置されたMEAが一対のセパレータで挟まれて、セルが構成されている。セルスタックは、このセルを複数積層し、積層されたセルの両端を端板で挟み、該端板とセルとを締結具により締結することにより、形成されている。   A polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell)) reforms a raw material gas such as city gas, and electrochemically converts a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air. By reacting, electricity and heat are generated simultaneously. A single cell (cell) of PEFC is composed of an electrolyte layer and a pair of gas diffusion electrodes, MEA (Membrane-Electrode-Assembly: electrolyte layer-electrode laminate), gasket, conductive plate separator, have. The main surface that contacts the gas diffusion electrode of the separator is provided with a groove-like gas flow path for flowing fuel gas or oxidant gas (these are called reaction gases), and the main surface that contacts the gas diffusion electrode The main surface on the opposite side is provided with a groove-like cooling medium flow path through which a cooling medium for recovering the generated heat and cooling the inside of the cell flows. The MEA having a gasket disposed at the peripheral edge is sandwiched between a pair of separators to form a cell. The cell stack is formed by stacking a plurality of cells, sandwiching both ends of the stacked cells with end plates, and fastening the end plates and the cells with a fastener.

このようなPEFCを家庭用燃料電池に用いる場合には、発生した熱を回収して、家庭の給湯に利用することで、エネルギーの利用効率を高める工夫がなされている。従来、家庭用燃料電池では、給湯に用いられる温水の温度は、60℃前後であったが、貯湯槽のコンパクト化や床暖房への適用を考えた場合、より高温の温水を利用することが求められている。このような高温の温水を発生させるためには、セルスタック出口の冷却媒体の温度を高くする必要がある。   When such a PEFC is used in a household fuel cell, a device has been devised to improve the energy utilization efficiency by collecting the generated heat and using it for domestic hot water supply. Conventionally, in a domestic fuel cell, the temperature of hot water used for hot water supply was around 60 ° C. However, considering the downsizing of a hot water tank and application to floor heating, hot water having a higher temperature can be used. It has been demanded. In order to generate such hot water, it is necessary to increase the temperature of the cooling medium at the cell stack outlet.

また、PEFCを自動車用燃料電池に用いる場合には、家庭用燃料電池と比べて、高い出力を発生する必要があるため、大量の熱が発生する。したがって、限られた搭載スペースの中でセルスタックを効率よく冷却するためには、冷却媒体と外気との温度差を大きく取る必要がある。したがって、自動車用燃料電池においても、セルスタック出口の冷却媒体の温度をできるだけ高くすることが求められている。   In addition, when PEFC is used for an automobile fuel cell, a large amount of heat is generated because it is necessary to generate a higher output as compared with a household fuel cell. Therefore, in order to efficiently cool the cell stack in a limited mounting space, it is necessary to take a large temperature difference between the cooling medium and the outside air. Therefore, also in the fuel cell for automobiles, it is required to make the temperature of the cooling medium at the cell stack outlet as high as possible.

しかしながら、燃料電池スタック出口の冷却媒体の温度を高くするには、セルスタックの運転温度を上げる必要があるが、運転温度を上げると、MEA周囲の相対湿度の低下により、高分子電解質膜及び触媒層中に含まれる電解質が乾燥してイオン伝導性が低下し、発電効率が低下するという問題が生じる。また、MEA周囲の相対湿度を上げるには、反応ガスの加湿温度を高めることが有効であるが、このためには、加湿器の性能を上げる必要があり、燃料電池システムのコストアップや大型化につながるというデメリットが生じる。   However, in order to increase the temperature of the cooling medium at the outlet of the fuel cell stack, it is necessary to raise the operating temperature of the cell stack. The electrolyte contained in the layer is dried, resulting in a problem that ion conductivity is lowered and power generation efficiency is lowered. In order to increase the relative humidity around the MEA, it is effective to increase the humidification temperature of the reaction gas. For this purpose, it is necessary to improve the performance of the humidifier, which increases the cost and size of the fuel cell system. Disadvantage that leads to

このような問題に対して、本発明者等が鋭意検討した結果、カソード触媒層に用いるカーボン担体の含水性を大きくすることで、MEA周囲の相対湿度が低下した場合においても、比較的高い発電効率が得られることを見出した。   As a result of intensive studies by the present inventors on such problems, even when the relative humidity around the MEA is reduced by increasing the water content of the carbon support used in the cathode catalyst layer, relatively high power generation is possible. It has been found that efficiency can be obtained.

ところで、含水性の大きなカーボンは、結晶性が低い場合が多く、燃料電池システムの停止時に高い電位にさらされることで劣化するため、充分な耐久性を確保することができないという問題があった。このような燃料電池の停止時におけるカーボン劣化の問題に対して、燃料電池停止時に、まず、酸素の供給を停止し、酸素分圧が予め定めた値に達した後、水素の供給を停止する高分子電解質形燃料電池発電装置の運転方法が開示されている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に開示されている高分子電解質形燃料電池発電装置の運転方法は、燃料電池の発電運転停止後のカソードに残留する酸素濃度を低く抑えることで、高分子電解質形燃料電池の構成部材の腐食を抑制することができる。   By the way, carbon having a large water content often has low crystallinity and deteriorates by being exposed to a high potential when the fuel cell system is stopped, so that there is a problem that sufficient durability cannot be ensured. In response to such a problem of carbon deterioration when the fuel cell is stopped, when the fuel cell is stopped, first, the supply of oxygen is stopped, and after the oxygen partial pressure reaches a predetermined value, the supply of hydrogen is stopped. A method of operating a polymer electrolyte fuel cell power generator is disclosed (see, for example, Patent Document 1). The operation method of the polymer electrolyte fuel cell power generator disclosed in Patent Document 1 is a constituent member of a polymer electrolyte fuel cell by suppressing the oxygen concentration remaining in the cathode after stopping the power generation operation of the fuel cell. Corrosion can be suppressed.

特表2000−512069号公報Special Table 2000-512069

しかしながら、上記特許文献1に開示されている高分子電解質形燃料電池発電装置の運転方法では、残留酸素を完全に消費することができないため、結晶性の低いカーボンを触媒層に用いた場合には、触媒劣化を充分に防ぐことができず、耐久性を充分に確保できないという点で未だ改善の余地があった。   However, in the operation method of the polymer electrolyte fuel cell power generator disclosed in Patent Document 1 above, residual oxygen cannot be completely consumed. Therefore, when carbon with low crystallinity is used for the catalyst layer, However, there is still room for improvement in that catalyst deterioration cannot be sufficiently prevented and durability cannot be sufficiently secured.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、MEA周囲の相対湿度が低下しやすい運転条件であっても高い性能を発揮し、かつ、高い耐久性を実現する燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and provides a fuel cell system and a fuel cell that exhibit high performance and achieve high durability even under operating conditions in which the relative humidity around the MEA tends to decrease. It aims at providing the operation method of a system.

上記従来の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、アノードと、カソードと、前記アノード及び前記カソードに挾持された電解質層と、を有するセルが積層されてなる第1セルブロックを1以上有する第1セルブロック群及びアノードと、カソードと、前記アノード及び前記カソードに挾持された電解質層と、を有するセルが積層されてなる第2セルブロックを1以上有する第2セルブロック群を有する燃料電池と、前記燃料電池の前記第1セルブロック群及び前記第2セルブロック群に燃料ガス供給経路を介して燃料ガスを供給する燃料ガス供給器と、前記燃料電池の前記第1セルブロック群及び前記第2セルブロック群に酸化剤ガス供給経路を介して酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、前記燃料電池の第2セルブロック群への前記酸化剤ガスの供給を遮断するように構成された酸化剤ガス供給遮断機構と、制御器と、を備え、前記第1セルブロック群と前記第2セルブロック群は、電気的に直列に接続され、前記第1セルブロック群の前記カソードは、電極触媒と該電極触媒を担持する第1カーボン粉末を含む第1触媒担持体を有する第1カソード触媒層を有し、前記第2セルブロック群の前記カソードは、電極触媒と該電極触媒を担持する第1カーボン粉末を含む第2触媒担持体を有する第2カソード触媒層を有し、前記第2カーボン粉末の結晶性は前記第1カーボン粉末の結晶性よりも低く、前記制御器は、前記燃料ガス供給器及び前記酸化剤ガス供給器を作動させ、かつ、前記酸化剤ガス供給遮断機構により、前記第2セルブロック群への前記酸化剤ガスの供給を遮断させて劣化抑制発電を行い、その後、前記燃料ガス供給器及び前記酸化剤ガス供給器を停止させる。   In order to solve the above-described conventional problems, a fuel cell system according to the present invention includes a first cell block in which cells having an anode, a cathode, and an electrolyte layer sandwiched between the anode and the cathode are stacked. 1st cell block group which has 1 or more and anode, 2nd cell block group which has 1 or more 2nd cell block formed by laminating | stacking the cell which has an anode, a cathode, and the electrolyte layer clamped by the said anode and said cathode A fuel cell, a fuel gas supplier for supplying fuel gas to the first cell block group and the second cell block group of the fuel cell via a fuel gas supply path, and the first cell of the fuel cell An oxidant gas supply device for supplying an oxidant gas to the block group and the second cell block group via an oxidant gas supply path; and a second cell of the fuel cell. An oxidant gas supply shut-off mechanism configured to shut off the supply of the oxidant gas to the block group, and a controller, wherein the first cell block group and the second cell block group are electrically The cathode of the first cell block group includes a first cathode catalyst layer having a first catalyst support including an electrode catalyst and a first carbon powder supporting the electrode catalyst, and The cathode of the two-cell block group includes a second cathode catalyst layer having an electrode catalyst and a second catalyst support including a first carbon powder supporting the electrode catalyst, and the crystallinity of the second carbon powder is Lower than the crystallinity of the first carbon powder, the controller activates the fuel gas supply device and the oxidant gas supply device, and moves to the second cell block group by the oxidant gas supply cutoff mechanism. Before To cut off the supply of oxidant gas performs deterioration suppressing power generation, then, stopping the fuel gas supply unit and the oxidizing gas supply device.

これにより、燃料電池システムの停止時に、第2セルブロック群のカソードに残存する酸素濃度を低く抑えることができ、結晶性の低いカーボンの劣化を抑制することができる。一方、第1セルブロック群には、結晶性の高いカーボンを用いているため、停止時に特別な処理をしなくても大きな劣化を起こすおそれはない。さらに、本発明の燃料電池システムを、低加湿条件で運転した場合、第2セルブロックにより、高い発電性能を発揮することができる。したがって、低加湿条件であっても高い電池性能を発揮し、かつ、高い耐久性を実現することができる。   Thereby, when the fuel cell system is stopped, the oxygen concentration remaining at the cathode of the second cell block group can be kept low, and deterioration of carbon having low crystallinity can be suppressed. On the other hand, since the highly crystalline carbon is used for the first cell block group, there is no risk of significant deterioration even if no special treatment is performed at the time of stopping. Furthermore, when the fuel cell system of the present invention is operated under low humidification conditions, high power generation performance can be exhibited by the second cell block. Therefore, even under low humidification conditions, high battery performance can be exhibited and high durability can be realized.

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記第1触媒担持体のG−bandピーク半値幅が60cm−1以下であり、前記第2触媒担持体のG−bandピーク半値幅が60cm−1よりも大きくてもよい。 In the fuel cell system according to the present invention, the first catalyst carrier has a G-band peak half-width of 60 cm −1 or less, and the second catalyst carrier has a G-band peak half-width of 60 cm −1 . May be larger.

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記第2触媒担持体の含水率は、前記第1触媒担持体の含水率よりも大きくてもよい。   In the fuel cell system according to the present invention, the moisture content of the second catalyst carrier may be greater than the moisture content of the first catalyst carrier.

また、本発明に係る燃料電池システムでは、80℃、90%RH飽和水蒸気条件下における、前記第1触媒担持体の含水率が0.31g−HO/g−C以下であり、前記第2触媒担持体の含水率が0.31g−HO/g−Cより大きくてもよい。 In the fuel cell system according to the present invention, the water content of the first catalyst carrier under the condition of 80 ° C. and 90% RH saturated steam is 0.31 g-H 2 O / g-C or less, The water content of the two-catalyst carrier may be greater than 0.31 g-H 2 O / g-C.

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御器は、前記燃料電池の前記第2セルブロック群を通流する前記酸化剤ガスの相対湿度の方が、前記第1セルブロック群を通流する前記酸化剤ガスの相対湿度よりも低くなるように前記燃料電池の発電を制御するように構成されていてもよい。   Further, in the fuel cell system according to the present invention, the controller causes the relative humidity of the oxidant gas flowing through the second cell block group of the fuel cell to flow through the first cell block group. The power generation of the fuel cell may be controlled to be lower than the relative humidity of the oxidant gas.

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御器は、前記第2セルブロック群のカソード電位がアノード電位よりも低くなると、前記燃料ガス供給器及び前記酸化剤ガス供給器を停止させてもよい。   In the fuel cell system according to the present invention, the controller may stop the fuel gas supplier and the oxidant gas supplier when the cathode potential of the second cell block group becomes lower than the anode potential. Good.

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記第2セルブロック群の電圧を検出する電圧検出器をさらに備え、前記制御器は、前記電圧検出器が検出した電圧が反転すると、前記燃料ガス供給器及び前記酸化剤ガス供給器を停止させてもよい。   The fuel cell system according to the present invention further includes a voltage detector that detects a voltage of the second cell block group, and the controller supplies the fuel gas when the voltage detected by the voltage detector is inverted. And the oxidant gas supply device may be stopped.

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記第2セルブロック群には、各セルブロックを貫通し、かつ、各セルブロックの各セルを分流するようにして前記酸化剤ガスを流す第2セルブロック内部酸化剤ガス流路が設けられ、前記燃料電池システムは、前記第2セルブロック内部酸化剤ガス流路の圧力を検出する圧力検出器をさらに備え、前記制御器は、前記圧力検出器が検出する圧力が降下傾向から上昇傾向に変わると、前記燃料ガス供給器及び前記酸化剤ガス供給器を停止させてもよい。   Further, in the fuel cell system according to the present invention, the second cell block group includes a second cell through which the oxidant gas flows so as to pass through each cell block and to divert each cell of each cell block. A block internal oxidant gas flow path is provided, the fuel cell system further includes a pressure detector for detecting a pressure of the second cell block internal oxidant gas flow path, and the controller includes the pressure detector. When the detected pressure changes from a decreasing tendency to an increasing tendency, the fuel gas supply device and the oxidant gas supply device may be stopped.

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記燃料電池の前記第1セルブロック群及び前記第2セルブロック群に冷却媒体供給経路を介して冷却媒体を供給する冷却媒体供給器を備え、前記制御器は、前記燃料電池の前記第1セルブロック群及び前記第2セルブロック群を通流する前記燃料ガス及び/又は前記酸化剤ガスの露点が、前記燃料電池の前記第1セルブロック群及び前記第2セルブロック群を通流する前記冷却媒体の温度よりも低くなるように制御してもよい。   The fuel cell system according to the present invention further includes a cooling medium supplier that supplies a cooling medium to the first cell block group and the second cell block group of the fuel cell via a cooling medium supply path, and the control is performed. A dew point of the fuel gas and / or the oxidant gas flowing through the first cell block group and the second cell block group of the fuel cell is determined by the first cell block group of the fuel cell and the You may control so that it may become lower than the temperature of the said cooling medium which flows through a 2nd cell block group.

さらに、本発明に係る燃料電池システムでは、前記第1セルブロックには、該第1セルブロックを貫通し、かつ、各セルブロックの各セルを分流するようにして前記冷却媒体を流す第1セルブロック内部冷却媒体流路が設けられ、前記第2セルブロックには、該第2セルブロックを貫通し、かつ、各セルブロックの各セルを分流するようにして前記冷却媒体を流す第2セルブロック内部冷却媒体流路が設けられ、前記第1セルブロック内部冷却媒体流路と前記第2セルブロック内部冷却媒体流路は冷却媒体接続経路により直列に接続されていてもよい。   Furthermore, in the fuel cell system according to the present invention, the first cell that passes through the first cell block and allows the cooling medium to flow through the cells of each cell block is divided into the first cell block. A block internal cooling medium flow path is provided, and the second cell block passes through the second cell block and allows the cooling medium to flow through the cells of each cell block. An internal cooling medium flow path may be provided, and the first cell block internal cooling medium flow path and the second cell block internal cooling medium flow path may be connected in series by a cooling medium connection path.

また、本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、燃料電池システムが、アノードと、カソードと、前記アノード及び前記カソードに挾持された電解質層と、を有するセルが積層されてなる第1セルブロック群及び第2セルブロック群を有する燃料電池と、前記燃料電池の前記第1セルブロック群及び前記第2セルブロック群に燃料ガス供給経路を介して燃料ガスを供給する燃料ガス供給器と、前記燃料電池の前記第1セルブロック群及び前記第2セルブロック群に酸化剤ガス供給経路を介して酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、前記燃料電池の第2セルブロックへの前記酸化剤ガスの供給を遮断するように構成された酸化剤ガス供給遮断機構と、を備え、前記第1セルブロック群と前記第2セルブロック群は、電気的に直列に接続され、前記第1セルブロックの前記カソードは、電極触媒と該電極触媒を担持する第1カーボン粉末を含む第1触媒担持体を有する第1カソード触媒層を有し、前記第2セルブロックの前記カソードは、電極触媒と該電極触媒を担持する第1カーボン粉末を含む第2触媒担持体を有する第2カソード触媒層を有し、前記第2カーボン粉末の結晶性は前記第1カーボン粉末の結晶性よりも低く、前記酸化剤ガス供給遮断機構が、前記第2セルブロック群への前記酸化剤ガスの供給を遮断して劣化抑制発電を行い、その後、前記燃料ガス供給器及び前記酸化剤ガス供給器を停止させる。   In the fuel cell system operating method according to the present invention, the fuel cell system includes a first cell block in which cells each including an anode, a cathode, and an electrolyte layer sandwiched between the anode and the cathode are stacked. A fuel cell having a group and a second cell block group, a fuel gas supplier for supplying fuel gas to the first cell block group and the second cell block group of the fuel cell via a fuel gas supply path, and An oxidant gas supply device that supplies an oxidant gas to the first cell block group and the second cell block group of the fuel cell via an oxidant gas supply path, and the oxidation of the fuel cell to the second cell block An oxidant gas supply shut-off mechanism configured to shut off the supply of the agent gas, and the first cell block group and the second cell block group are electrically connected in series. And the cathode of the first cell block has a first cathode catalyst layer having a first catalyst support including an electrode catalyst and a first carbon powder supporting the electrode catalyst, and the cathode of the second cell block. The cathode has a second cathode catalyst layer having an electrode catalyst and a second catalyst support including the first carbon powder supporting the electrode catalyst, and the crystallinity of the second carbon powder is the crystal of the first carbon powder. The oxidant gas supply shut-off mechanism cuts off the supply of the oxidant gas to the second cell block group to perform deterioration-suppressing power generation, and then the fuel gas supply unit and the oxidant gas Stop the feeder.

これにより、燃料電池システムの停止時に、第2セルブロック群のカソードに残存する酸素濃度を低く抑えることができ、結晶性の低いカーボンの劣化を抑制することができる。また、低加湿条件であっても高い電池性能を発揮し、かつ、高い耐久性を実現することができる。   Thereby, when the fuel cell system is stopped, the oxygen concentration remaining at the cathode of the second cell block group can be kept low, and deterioration of carbon having low crystallinity can be suppressed. Further, even under low humidification conditions, high battery performance can be exhibited and high durability can be realized.

本発明の燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法によれば、燃料電池システムの停止時に、結晶性の低いカーボンの劣化を抑制することが可能となる。また、本発明の燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法では、低加湿条件で運転を行っても高い電池性能を発揮し、かつ、高い耐久性を実現することが可能となる。   According to the fuel cell system and the operation method of the fuel cell system of the present invention, it is possible to suppress deterioration of carbon having low crystallinity when the fuel cell system is stopped. Moreover, in the fuel cell system and the fuel cell system operation method of the present invention, it is possible to achieve high battery performance and high durability even when operated under low humidification conditions.

図1は、本発明の実施の形態1に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. 図2は、本発明の実施の形態1に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. 図3は、図1に示す燃料電池の第2セルブロックの概略構成を模式的に示す斜視図である。FIG. 3 is a perspective view schematically showing a schematic configuration of the second cell block of the fuel cell shown in FIG. 1. 図4は、図3に示す第2セルブロックの第2セルの概略構成を模式的に示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a schematic configuration of the second cell of the second cell block shown in FIG. 図5は、本実施の形態1に係る燃料電池システムの停止動作を模式的に示すフローチャートである。FIG. 5 is a flowchart schematically showing a stop operation of the fuel cell system according to the first embodiment. 図6は、本実施の形態1に係る燃料電池システムの変形例1の燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。FIG. 6 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system of Modification 1 of the fuel cell system according to Embodiment 1. In FIG. 図7は、本実施の形態1に係る燃料電池システムの変形例2の燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。FIG. 7 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system of Modification 2 of the fuel cell system according to Embodiment 1. In FIG. 図8は、本実施の形態1に係る燃料電池システムの変形例3の燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。FIG. 8 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system of Modification 3 of the fuel cell system according to Embodiment 1. In FIG. 図9は、本発明の実施の形態2に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。FIG. 9 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention. 図10は、本実施の形態2に係る燃料電池システムの停止動作を模式的に示すフローチャートである。FIG. 10 is a flowchart schematically showing a stop operation of the fuel cell system according to the second embodiment. 図11は、評価試験1の結果を示した表である。FIG. 11 is a table showing the results of Evaluation Test 1. 図12は、評価試験2の結果を示すグラフである。FIG. 12 is a graph showing the results of evaluation test 2.

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Further, in all the drawings, only components necessary for explaining the present invention are extracted and illustrated, and other components are not illustrated. Furthermore, the present invention is not limited to the following embodiment.

(実施の形態1)
本発明の実施の形態1に係る燃料電池システムは、第1セルブロック群と第2セルブロック群を有する燃料電池と、燃料ガス供給器と、酸化剤ガス供給器と、酸化剤ガス供給遮断機構と、制御器と、を備え、第2セルブロック群のカソードに含まれる第2カーボン粉末の結晶性が、第1セルブロック群のカソードに含まれる第1カーボン粉末の結晶性よりも低く、制御器が、酸化剤ガス供給遮断機構により第2セルブロック群への酸化剤ガスの供給を遮断させて劣化抑制発電を行い、その後、燃料ガス供給器及び酸化剤ガス供給器を停止させる態様を例示するものである。
(Embodiment 1)
A fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention includes a fuel cell having a first cell block group and a second cell block group, a fuel gas supply device, an oxidant gas supply device, and an oxidant gas supply cutoff mechanism. And the controller, the crystallinity of the second carbon powder contained in the cathode of the second cell block group is lower than the crystallinity of the first carbon powder contained in the cathode of the first cell block group, Exemplified is a mode in which the generator cuts off the supply of the oxidant gas to the second cell block group by the oxidant gas supply cut-off mechanism to perform deterioration-suppressing power generation and then stops the fuel gas supply unit and the oxidant gas supply unit To do.

[燃料電池システムの構成]
図1及び図2は、本発明の実施の形態1に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。なお、図1においては、燃料電池システムの発電運転時における反応ガス及び冷却媒体の流れを示し、図2においては、燃料電池システムの劣化抑制発電運転時における反応ガス及び冷却媒体の流れを示している。
[Configuration of fuel cell system]
1 and 2 are schematic diagrams showing a schematic configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. 1 shows the flow of the reaction gas and the cooling medium during the power generation operation of the fuel cell system, and FIG. 2 shows the flow of the reaction gas and the cooling medium during the deterioration suppressing power generation operation of the fuel cell system. Yes.

図1に示すように、本発明の実施の形態1に係る燃料電池システム100は、第1セルブロック51と第2セルブロック52を有する燃料電池101と、燃料ガス供給器102と、酸化剤ガス供給器103と、酸化剤ガス供給遮断機構104と、制御器110と、を備えている。そして、制御器110が、酸化剤ガス供給遮断機構104により第2セルブロック52への酸化剤ガスの供給を遮断させて劣化抑制発電を行い、その後、燃料ガス供給器102及び酸化剤ガス供給器103を停止させる。   As shown in FIG. 1, a fuel cell system 100 according to Embodiment 1 of the present invention includes a fuel cell 101 having a first cell block 51 and a second cell block 52, a fuel gas supplier 102, and an oxidant gas. A supply device 103, an oxidant gas supply cutoff mechanism 104, and a controller 110 are provided. Then, the controller 110 cuts off the supply of the oxidant gas to the second cell block 52 by the oxidant gas supply cut-off mechanism 104 to perform deterioration-suppressing power generation, and then the fuel gas supply unit 102 and the oxidant gas supply unit 103 is stopped.

燃料ガス供給器102には、燃料ガス供給経路132を介して燃料電池101の第2セルブロック52(正確には、第2セルブロック内部燃料ガス流路52Aの入口)が接続されている。燃料ガス供給器102は、燃料電池101に燃料ガス(水素ガス)をその流量及び加湿量を調整しながら供給することができれば、どのような態様であってもよい。本実施の形態1においては、水素生成装置、水素ボンベ、又は水素吸蔵合金等の水素ガスを供給するように構成された機器と、加湿器と、流量調整器と、を有している(いずれも図示せず)。   The fuel cell supplier 102 is connected to the second cell block 52 of the fuel cell 101 via the fuel gas supply path 132 (more precisely, the inlet of the second cell block internal fuel gas flow path 52A). The fuel gas supply unit 102 may be in any form as long as the fuel gas (hydrogen gas) can be supplied to the fuel cell 101 while adjusting its flow rate and humidification amount. The first embodiment includes a device configured to supply hydrogen gas such as a hydrogen generator, a hydrogen cylinder, or a hydrogen storage alloy, a humidifier, and a flow rate regulator (whichever (Not shown).

水素生成装置は、原料ガス(例えば、メタンガスやプロパンガス等)と水から燃料ガスを生成するように構成されている。また、加湿器は、水素生成装置等からの燃料ガスを加湿することができれば、どのような態様のものであってもよく、例えば、冷却媒体が水である場合、冷却媒体と全熱交換する全熱交換器であってもよく、タンク等に貯えられた水を水蒸気にして燃料ガスを加湿する、いわゆる加湿器であってもよい。流量調整器は、例えば、流量調整可能なポンプやポンプと流量調整弁で構成されていてもよい。   The hydrogen generator is configured to generate a fuel gas from a raw material gas (for example, methane gas or propane gas) and water. Further, the humidifier may be of any form as long as the fuel gas from the hydrogen generator or the like can be humidified. For example, when the cooling medium is water, the humidifier performs total heat exchange with the cooling medium. It may be a total heat exchanger, or a so-called humidifier that humidifies the fuel gas using water stored in a tank or the like as water vapor. The flow rate regulator may be constituted by, for example, a pump that can regulate the flow rate, a pump, and a flow rate regulating valve.

酸化剤ガス供給器103には、酸化剤ガス供給経路133を介して、燃料電池101の第2セルブロック52(正確には、第2セルブロック内部酸化剤ガス流路52Bの入口)が接続されている。また、酸化剤ガス供給器103は、燃料電池101に酸化剤ガス(空気)を例えば、その流量及び加湿量を調整しながら供給することができれば、どのような態様であってもよい。本実施の形態1においては、ファンやブロワ等のファン類と、加湿器と、流量調整器と、を有している(いずれも図示せず)。   The oxidant gas supply unit 103 is connected to the second cell block 52 of the fuel cell 101 (more precisely, the inlet of the oxidant gas flow path 52B inside the second cell block) via the oxidant gas supply path 133. ing. The oxidant gas supply unit 103 may be in any form as long as the oxidant gas (air) can be supplied to the fuel cell 101 while adjusting the flow rate and the humidification amount, for example. The first embodiment includes fans such as a fan and a blower, a humidifier, and a flow rate regulator (all not shown).

加湿器は、ファン類から供給される酸化剤ガスを加湿することができれば、どのような態様のものであってもよく、例えば、冷却媒体が水である場合、冷却媒体と全熱交換する全熱交換器であってもよく、タンク等に貯えられた水を水蒸気にして酸化剤ガスを加湿する、いわゆる加湿器であってもよい。流量調整器は、例えば、流量調整可能なポンプやポンプと流量調整弁で構成されていてもよい。   The humidifier may be in any form as long as it can humidify the oxidant gas supplied from the fans. For example, when the cooling medium is water, the humidifier performs all heat exchange with the cooling medium. It may be a heat exchanger, or a so-called humidifier that humidifies the oxidant gas using water stored in a tank or the like as water vapor. The flow rate regulator may be constituted by, for example, a pump that can regulate the flow rate, a pump, and a flow rate regulating valve.

第2セルブロック52の第2セルブロック内部燃料ガス流路52Aの出口には、燃料ガス接続経路134を介して第1セルブロック51(正確には、第1セルブロック内部燃料ガス流路51Aの入口)が接続されている。第1セルブロック内部燃料ガス流路51Aの出口には、燃料ガス排出経路136が接続されている。また、第2セルブロック内部酸化剤ガス流路52Bの出口には、酸化剤ガス接続経路135を介して第1セルブロック51(正確には、第1セルブロック内部酸化剤ガス流路51Bの入口)が接続されている。第1セルブロック内部酸化剤ガス流路51Bの出口には、酸化剤ガス排出経路137が接続されている。   The outlet of the second cell block internal fuel gas flow path 52A of the second cell block 52 is connected to the first cell block 51 (more precisely, the first cell block internal fuel gas flow path 51A via the fuel gas connection path 134). The entrance) is connected. A fuel gas discharge path 136 is connected to the outlet of the first cell block internal fuel gas flow path 51A. The outlet of the second cell block internal oxidant gas flow path 52B is connected to the first cell block 51 (more precisely, the inlet of the first cell block internal oxidant gas flow path 51B via the oxidant gas connection path 135). ) Is connected. An oxidant gas discharge path 137 is connected to the outlet of the first cell block internal oxidant gas flow path 51B.

これにより、適宜加湿された燃料ガスが、燃料ガス供給器102から燃料ガス供給経路132を通流して、燃料電池101(正確には、第2セルブロック52)に供給され、適宜加湿された酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給器103から酸化剤ガス供給経路133を通流して、燃料電池101(正確には、第2セルブロック52)に供給される。   As a result, the appropriately humidified fuel gas flows from the fuel gas supply device 102 through the fuel gas supply path 132 and is supplied to the fuel cell 101 (more precisely, the second cell block 52). The agent gas flows from the oxidant gas supply device 103 through the oxidant gas supply path 133 and is supplied to the fuel cell 101 (more precisely, the second cell block 52).

第2セルブロック52に供給された燃料ガスは、第2セルブロック内部燃料ガス流路52Aを通流して、燃料ガス接続経路134から第1セルブロック51に供給される。また、第2セルブロック52に供給された酸化剤ガスは、第2セルブロック内部酸化剤ガス流路52Bを通流して、酸化剤ガス接続経路135から第1セルブロック51に供給される。   The fuel gas supplied to the second cell block 52 flows through the second cell block internal fuel gas flow path 52 </ b> A and is supplied to the first cell block 51 from the fuel gas connection path 134. The oxidant gas supplied to the second cell block 52 flows through the second cell block internal oxidant gas flow path 52 </ b> B and is supplied to the first cell block 51 from the oxidant gas connection path 135.

そして、第1セルブロック51に供給された燃料ガスは、第1セルブロック内部燃料ガス流路51Aを通流する。第2セルブロック52及び第1セルブロック51で使用されなかった燃料ガスは、燃料ガス排出経路136に排出される。また、第1セルブロック51に供給された酸化剤ガスは、第1セルブロック内部酸化剤ガス流路51Bを通流する。第1セルブロック51及び第2セルブロック52で使用されなかった酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出経路137に排出される。なお、未使用の燃料ガスは、例えば、未使用の酸化剤ガスで充分に希釈してから燃料電池システム100外(大気中)に排出してもよく、燃料ガス供給器102が、水素生成装置で構成されている場合には、該水素生成装置の燃焼器(図示せず)に供給されてもよい。   The fuel gas supplied to the first cell block 51 flows through the first cell block internal fuel gas flow path 51A. The fuel gas that has not been used in the second cell block 52 and the first cell block 51 is discharged to the fuel gas discharge path 136. The oxidant gas supplied to the first cell block 51 flows through the first cell block internal oxidant gas flow path 51B. The oxidant gas that has not been used in the first cell block 51 and the second cell block 52 is discharged to the oxidant gas discharge path 137. The unused fuel gas may be discharged to the outside of the fuel cell system 100 (in the atmosphere) after being sufficiently diluted with an unused oxidant gas, for example. May be supplied to a combustor (not shown) of the hydrogen generator.

酸化剤ガス供給経路133と酸化剤ガス接続経路135の途中には、酸化剤ガス供給遮断機構104がこれらの経路を跨ぐようにして配設されている。酸化剤ガス供給遮断機構104は、燃料電池101の第2セルブロック52への酸化剤ガスの供給を遮断するように構成されている。具体的には、酸化剤ガス供給遮断機構104は、酸化剤ガス供給切替器104Aと酸化剤ガスバイパス経路104Bを有している。酸化剤ガス供給切替器104Aは、本実施の形態1においては、三方弁で構成されていて、酸化剤ガス供給経路133を通流する酸化剤ガスの供給先(通流先)を第2セルブロック52と酸化剤ガスバイパス経路104Bとの間で切替えるように構成されている。酸化剤ガスバイパス経路104Bは、その上流端が、酸化剤ガス供給切替器104Aに接続されていて、その下流端が酸化剤ガス接続経路135の途中に接続されている。   In the middle of the oxidant gas supply path 133 and the oxidant gas connection path 135, the oxidant gas supply blocking mechanism 104 is disposed so as to straddle these paths. The oxidant gas supply blocking mechanism 104 is configured to block the supply of oxidant gas to the second cell block 52 of the fuel cell 101. Specifically, the oxidant gas supply cutoff mechanism 104 includes an oxidant gas supply switching unit 104A and an oxidant gas bypass path 104B. In the first embodiment, the oxidant gas supply switching unit 104A is configured by a three-way valve, and the oxidant gas supply destination (flow destination) flowing through the oxidant gas supply path 133 is the second cell. The block 52 and the oxidant gas bypass path 104B are configured to be switched. The upstream end of the oxidant gas bypass path 104B is connected to the oxidant gas supply switching unit 104A, and the downstream end is connected to the middle of the oxidant gas connection path 135.

また、燃料電池システム100は、冷却媒体供給器105を備えている。冷却媒体供給器105は、燃料電池101の第2セルブロック52(正確には、第2セルブロック冷却媒体内部流路52Cの入口)が接続されている。冷却媒体供給器105は、例えば、外部から供給された冷却媒体を貯えるタンクと、冷却媒体温度調整器と、ポンプと、流量調整弁を有している。冷却媒体温度調整器としては、例えば、燃料ガスや酸化剤ガス等と熱交換する熱交換器や冷却媒体を加熱するヒータ等の加熱器や冷却媒体を冷却する冷却器が挙げられる。また、冷却媒体としては、例えば、水やエチレングリコール等の不凍液が挙げられる。なお、本実施の形態1においては、冷却媒体供給器105は、タンクと、ポンプと、流量調整弁で構成したが、これに限定されず、ポンプが流量調整可能である場合、流量調整弁を有しない構成としてもよい。   In addition, the fuel cell system 100 includes a cooling medium supplier 105. The coolant supply unit 105 is connected to the second cell block 52 of the fuel cell 101 (more precisely, the inlet of the second cell block coolant internal flow path 52C). The coolant supply unit 105 includes, for example, a tank that stores a coolant supplied from the outside, a coolant temperature controller, a pump, and a flow rate adjustment valve. Examples of the cooling medium temperature adjuster include a heat exchanger that exchanges heat with fuel gas, oxidant gas, and the like, a heater such as a heater that heats the cooling medium, and a cooler that cools the cooling medium. Moreover, as a cooling medium, antifreezing liquids, such as water and ethylene glycol, are mentioned, for example. In the first embodiment, the cooling medium supply unit 105 is configured by a tank, a pump, and a flow rate adjustment valve. However, the present invention is not limited to this, and the flow rate adjustment valve is provided when the pump can adjust the flow rate. It is good also as a structure which does not have.

第2セルブロック52の第2セルブロック冷却媒体内部流路52Cの出口には、冷却媒体接続流路139を介して第1セルブロック51(正確には、第1セルブロック冷却媒体内部流路51Cの入口)が接続されている。第1セルブロック冷却媒体内部流路51Cの出口には、冷却媒体排出経路140が接続されている。   The outlet of the second cell block cooling medium internal flow path 52C of the second cell block 52 is connected to the first cell block 51 (more precisely, the first cell block cooling medium internal flow path 51C via a cooling medium connection flow path 139). Is connected). A cooling medium discharge path 140 is connected to the outlet of the first cell block cooling medium internal flow path 51C.

これにより、適宜の温度に調整された冷却媒体が、冷却媒体供給器105から冷却媒体供給経路138を通流して第2セルブロック52に供給される。第2セルブロック52に供給された冷却媒体は、第2セルブロック冷却媒体内部流路52Cを通流して、冷却媒体接続流路139から第1セルブロック51に供給される。第1セルブロック51に供給された冷却媒体は、第1セルブロック冷却媒体内部流路51Cを通流して、冷却媒体排出経路140から燃料電池システム100外に排出される。このようにして、燃料電池101の温度を冷却媒体供給器105によって調整される。なお、本実施の形態1においては、冷却媒体が、燃料電池システム100外に排出する形態を採用したが、これに限定されず、冷却媒体供給器105と燃料電池101とを循環する形態を採用してもよい。   Accordingly, the cooling medium adjusted to an appropriate temperature is supplied from the cooling medium supply unit 105 through the cooling medium supply path 138 to the second cell block 52. The cooling medium supplied to the second cell block 52 flows through the second cell block cooling medium internal flow path 52C and is supplied from the cooling medium connection flow path 139 to the first cell block 51. The cooling medium supplied to the first cell block 51 flows through the first cell block cooling medium internal flow path 51C, and is discharged out of the fuel cell system 100 from the cooling medium discharge path 140. In this way, the temperature of the fuel cell 101 is adjusted by the cooling medium supplier 105. In the first embodiment, the cooling medium is discharged from the fuel cell system 100. However, the present invention is not limited to this, and a cooling medium supply device 105 and the fuel cell 101 are circulated. May be.

また、燃料電池101の第2セルブロック52と第1セルブロック51は、電気配線161により電気的に接続されている。第2セルブロック52には、該第2セルブロック52内の電圧を検出する電圧検出器106が設けられている。電圧検出器106は、検出した第2セルブロック52の電圧を制御器110に出力するように構成されている。さらに、燃料電池101には、燃料電池101内で発電した電力を外部電力負荷に供給するための電力調整器107が設けられている。電力調整器107は、例えば、燃料電池101で発電された直流電力を直流電圧に変換するコンバータと、コンバータから出力される直流電力を交流電力に変換するインバータを有している。そして、電力調整器107は、制御器110の制御により、燃料電池101から取り出す電力を調整している。   In addition, the second cell block 52 and the first cell block 51 of the fuel cell 101 are electrically connected by an electrical wiring 161. The second cell block 52 is provided with a voltage detector 106 that detects the voltage in the second cell block 52. The voltage detector 106 is configured to output the detected voltage of the second cell block 52 to the controller 110. Further, the fuel cell 101 is provided with a power regulator 107 for supplying power generated in the fuel cell 101 to an external power load. The power regulator 107 includes, for example, a converter that converts DC power generated by the fuel cell 101 into a DC voltage, and an inverter that converts DC power output from the converter into AC power. The power adjuster 107 adjusts the electric power extracted from the fuel cell 101 under the control of the controller 110.

また、制御器110は、マイコン等のコンピュータによって構成されており、燃料電池システム100の各機器を制御することにより、燃料電池システム100の発電運転等の各制御を行うように構成されている。そして、制御器110は、例えば、CPU、半導体メモリから構成された内部メモリ、通信部、及びカレンダー機能を有する時計部(いずれも図示せず)を有している。ここで、本発明において、制御器は、単独の制御器だけでなく、複数の制御器が協働して燃料電池システム100の制御を実行する制御器群をも意味する。このため、制御器110は、単独の制御器から構成される必要はなく、複数の制御器が分散配置され、それらが協働して燃料電池システム100を制御するように構成されていてもよい。   The controller 110 is configured by a computer such as a microcomputer, and is configured to control each device such as a power generation operation of the fuel cell system 100 by controlling each device of the fuel cell system 100. The controller 110 includes, for example, a CPU, an internal memory composed of a semiconductor memory, a communication unit, and a clock unit (all not shown) having a calendar function. Here, in the present invention, the controller means not only a single controller but also a controller group in which a plurality of controllers cooperate to execute control of the fuel cell system 100. For this reason, the controller 110 does not need to be composed of a single controller, and a plurality of controllers may be arranged in a distributed manner so as to control the fuel cell system 100 in cooperation with each other. .

なお、本実施の形態1においては、第2セルブロック52の第2セルブロック内部燃料ガス流路52Aと第1セルブロック51の第1セルブロック内部燃料ガス流路51Aとを直列に接続する形態を採用したが、これに限定されず、第2セルブロック内部燃料ガス流路52Aと第1セルブロック内部燃料ガス流路51Aとを並列に接続する形態を採用してもよい。ここで、2つの流路が直列に接続するとは、一方の流路の下流端(出口)と他方の流路の上流端(入口)とが接続することをいう。また、2つの流路が並列に接続するとは、一方の流路の上流端(入口)と他方の流路の上流端(入口)とが接続することをいう。   In the first embodiment, the second cell block internal fuel gas flow path 52A of the second cell block 52 and the first cell block internal fuel gas flow path 51A of the first cell block 51 are connected in series. However, the present invention is not limited to this, and a form in which the second cell block internal fuel gas flow path 52A and the first cell block internal fuel gas flow path 51A are connected in parallel may be employed. Here, that two flow paths are connected in series means that the downstream end (exit) of one flow path and the upstream end (inlet) of the other flow path are connected. In addition, two channels connected in parallel means that the upstream end (inlet) of one channel and the upstream end (inlet) of the other channel are connected.

同様に、第2セルブロック52の第2セルブロック冷却媒体内部流路52Cと第1セルブロック51の第1セルブロック冷却媒体内部流路51Cとを直列に接続する形態を採用したが、これに限定されず、第2セルブロック冷却媒体内部流路52Cと第1セルブロック冷却媒体内部流路51Cとを並列に接続する形態を採用してもよい。なお、燃料電池101から排出される冷却媒体の温度を容易に高温にする観点から、第2セルブロック冷却媒体内部流路52Cと第1セルブロック冷却媒体内部流路51Cは直列に接続する形態を採用することが好ましい。   Similarly, the second cell block cooling medium internal flow path 52C of the second cell block 52 and the first cell block cooling medium internal flow path 51C of the first cell block 51 are connected in series. Without being limited thereto, a form in which the second cell block cooling medium internal flow path 52C and the first cell block cooling medium internal flow path 51C are connected in parallel may be employed. From the viewpoint of easily increasing the temperature of the cooling medium discharged from the fuel cell 101, the second cell block cooling medium internal flow path 52C and the first cell block cooling medium internal flow path 51C are connected in series. It is preferable to adopt.

[燃料電池の構成]
次に、燃料電池101の第2セルブロック52の構成について、図3を参照しながら説明する。図3は、図1に示す燃料電池101の第2セルブロック52の概略構成を模式的に示す斜視図である。なお、第1セルブロック51は、第2セルブロック52と基本的構成は同じであるので、その詳細な説明は省略する。
[Configuration of fuel cell]
Next, the configuration of the second cell block 52 of the fuel cell 101 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a perspective view schematically showing a schematic configuration of the second cell block 52 of the fuel cell 101 shown in FIG. Since the basic configuration of the first cell block 51 is the same as that of the second cell block 52, detailed description thereof is omitted.

図3に示すように、板状の全体形状を有する第2セル22がその厚み方向に積層されてなるセル積層体70と、セル積層体70の両端に配置された端板61、62と、端板61、セル積層体70、及び端板62を第2セル22の積層方向において締結する図示されない締結具と、を有している。なお、端板61とセル積層体70の間及び端板62とセル積層体70の間には、集電板及び絶縁板がそれぞれ配設されているが図示を省略している。   As shown in FIG. 3, a cell laminate 70 in which the second cells 22 having a plate-like overall shape are laminated in the thickness direction thereof, end plates 61 and 62 disposed at both ends of the cell laminate 70, An end plate 61, a cell stack 70, and a fastener (not shown) that fastens the end plate 62 in the stacking direction of the second cells 22. A current collecting plate and an insulating plate are disposed between the end plate 61 and the cell stack 70 and between the end plate 62 and the cell stack 70, respectively, but are not shown.

セル積層体70には、該セル積層体70の第2セル22の積層方向に貫通するように、燃料ガス供給マニホールド32、燃料ガス排出マニホールド34、酸化剤ガス供給マニホールド33、酸化剤ガス排出マニホールド35、冷却媒体供給マニホールド38、及び冷却媒体排出マニホールド39が設けられている。なお、第2セル22の積層方向における酸化剤ガスと冷却媒体の通流方向は、面内の湿度分布をできるだけ小さくするという観点から、同じであることが好ましい。   The cell stack 70 includes a fuel gas supply manifold 32, a fuel gas discharge manifold 34, an oxidant gas supply manifold 33, and an oxidant gas discharge manifold so as to penetrate in the stacking direction of the second cells 22 of the cell stack 70. 35, a cooling medium supply manifold 38, and a cooling medium discharge manifold 39 are provided. Note that the flow direction of the oxidant gas and the cooling medium in the stacking direction of the second cells 22 is preferably the same from the viewpoint of making the in-plane humidity distribution as small as possible.

そして、燃料ガス供給マニホールド32、後述する第2セル22に設けられた燃料ガス流路8、及び燃料ガス排出マニホールド34が第2セルブロック内部燃料ガス流路52Aを構成し、酸化剤ガス供給マニホールド33、第2セル22に設けられた酸化剤ガス流路9、及び酸化剤ガス排出マニホールド35が第2セルブロック内部酸化剤ガス流路52Bを構成する。また、冷却媒体供給マニホールド38、第2セル22に設けられた冷却媒体流路10、及び冷却媒体排出マニホールド39が第2セルブロック冷却媒体内部流路52Cを構成する。   The fuel gas supply manifold 32, the fuel gas flow path 8 provided in the second cell 22 described later, and the fuel gas discharge manifold 34 constitute the second cell block internal fuel gas flow path 52A, and the oxidant gas supply manifold. 33, the oxidant gas flow path 9 provided in the second cell 22 and the oxidant gas discharge manifold 35 constitute a second cell block internal oxidant gas flow path 52B. In addition, the cooling medium supply manifold 38, the cooling medium flow path 10 provided in the second cell 22, and the cooling medium discharge manifold 39 constitute a second cell block cooling medium internal flow path 52C.

[セルの構成]
次に、第1セルブロック51を構成する第1セル21及び第2セルブロック52を構成する第2セル22の構成について、図4を参照しながら詳細に説明する。なお、第1セル21と第2セル22は、基本的構成は同じであるため、第1セル21については、第2セル22との相違点のみを説明する。
[Cell structure]
Next, the configuration of the first cell 21 constituting the first cell block 51 and the second cell 22 constituting the second cell block 52 will be described in detail with reference to FIG. Since the basic configuration of the first cell 21 and the second cell 22 is the same, only the difference between the first cell 21 and the second cell 22 will be described.

図4は、図3に示す第2セルブロック52の第2セル22の概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図4においては、一部を省略している。   4 is a cross-sectional view schematically showing a schematic configuration of the second cell 22 of the second cell block 52 shown in FIG. In FIG. 4, a part is omitted.

図4に示すように、第2セル22は、MEA(Membrane−Electrode−Assembly:膜−電極接合体)5と、ガスケット7と、アノードセパレータ6Aと、カソードセパレータ6Bと、を備えている。   As shown in FIG. 4, the second cell 22 includes an MEA (Membrane-Electrode-Assembly: membrane-electrode assembly) 5, a gasket 7, an anode separator 6A, and a cathode separator 6B.

まず、MEA5について説明する。   First, the MEA 5 will be described.

MEA5は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜(電解質層)1と、アノード電極4Aと、カソード電極4Bと、を有している。高分子電解質膜1は、略4角形(ここでは、矩形)の形状を有しており、高分子電解質膜1の両面には、その周縁部より内方に位置するようにアノード電極4Aとカソード電極4Bがそれぞれ設けられている。なお、高分子電解質膜1の周縁部には、酸化剤ガス排出マニホールド孔等の各マニホールド孔(図示せず)が厚み方向に貫通するように設けられている。   The MEA 5 includes a polymer electrolyte membrane (electrolyte layer) 1 that selectively transports hydrogen ions, an anode electrode 4A, and a cathode electrode 4B. The polymer electrolyte membrane 1 has a substantially quadrangular (here, rectangular) shape, and an anode electrode 4A and a cathode are positioned on both sides of the polymer electrolyte membrane 1 so as to be located inward from the peripheral edge thereof. Electrodes 4B are provided respectively. Note that manifold holes (not shown) such as an oxidant gas discharge manifold hole are provided in the periphery of the polymer electrolyte membrane 1 so as to penetrate in the thickness direction.

アノード電極4Aは、高分子電解質膜1の一方の主面上に設けられ、電極触媒と、該電極触媒を担持した第2カーボン粉末と高分子電解質を含む第2触媒担持体と、を有するアノード触媒層2Aと、アノード触媒層2Aの上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたアノードガス拡散層3Aと、を有している。同様に、カソード電極4Bは、高分子電解質膜1の他方の主面上に設けられ、電極触媒と、該電極触媒を担持した第2カーボン粉末と高分子電解質を含む第2触媒担持体と、を有するカソード触媒層2Bと、カソード触媒層2Bの上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたカソードガス拡散層3Bと、を有している。   The anode electrode 4A is provided on one main surface of the polymer electrolyte membrane 1, and includes an electrode catalyst, a second carbon powder supporting the electrode catalyst, and a second catalyst support including a polymer electrolyte. The catalyst layer 2A and the anode gas diffusion layer 3A provided on the anode catalyst layer 2A and having both gas permeability and conductivity are provided. Similarly, the cathode electrode 4B is provided on the other main surface of the polymer electrolyte membrane 1, and includes an electrode catalyst, a second carbon powder supporting the electrode catalyst, and a second catalyst support including a polymer electrolyte, A cathode catalyst layer 2B, and a cathode gas diffusion layer 3B provided on the cathode catalyst layer 2B and having both gas permeability and conductivity.

なお、アノード触媒層2A及びカソード触媒層2Bは、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等の撥水材料を更に含んでもよい。また、アノード触媒層2A及びカソード触媒層2Bの構成は、同一であってもよく、異なっていてもよい。また、触媒担持体として使用するカーボン粉末は、ラマン分光測定によるD−bandピーク半値幅が5〜200cm−1の範囲のものであることが好ましい。また、触媒担持体は、水分吸脱着測定器を用いて、80℃、90%RH飽和水蒸気条件下で測定された含水率が、0.01〜10g−HO/g−Cであることが好ましい。ここで、触媒担持体の含水率(g−HO/g−C)は、電極触媒とカーボン粉末を含む触媒担持体を水分吸脱着測定器を用いて測定し、炭素元素あたりの水分量として換算したものである。 The anode catalyst layer 2A and the cathode catalyst layer 2B may further include a water repellent material such as polytetrafluoroethylene, for example. The configurations of the anode catalyst layer 2A and the cathode catalyst layer 2B may be the same or different. The carbon powder used as the catalyst carrier preferably has a D-band peak half-value width in the range of 5 to 200 cm −1 by Raman spectroscopic measurement. The catalyst carrier has a water content of 0.01 to 10 g-H 2 O / g-C measured using a moisture adsorption / desorption measuring device under conditions of 80 ° C. and 90% RH saturated steam. Is preferred. Here, the moisture content (g-H 2 O / g-C) of the catalyst carrier is determined by measuring the catalyst carrier including the electrode catalyst and the carbon powder using a moisture adsorption / desorption measuring device, and the amount of moisture per carbon element. As converted.

また、電極触媒としては、金属粒子を用いることができる。当該金属粒子としては、特に限定されず種々の金属を使用することができるが、電極反応活性の観点から、白金、金、銀、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、クロム、鉄、チタン、マンガン、コバルト、ニッケル、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、亜鉛及びスズからなる金属群より選択される少なくとも1以上の金属であることが好ましい。なかでも、白金、又は白金と上記金属群より選択される少なくとも1以上の金属との合金が好ましく、白金とルテニウムの合金が、アノード触媒層2Aにおいて触媒の活性が安定することから特に好ましい。   Moreover, metal particles can be used as the electrode catalyst. The metal particles are not particularly limited, and various metals can be used. From the viewpoint of electrode reaction activity, platinum, gold, silver, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, chromium, iron, titanium, It is preferably at least one metal selected from the metal group consisting of manganese, cobalt, nickel, molybdenum, tungsten, aluminum, silicon, zinc and tin. Among these, platinum or an alloy of platinum and at least one metal selected from the above metal group is preferable, and an alloy of platinum and ruthenium is particularly preferable because the activity of the catalyst is stabilized in the anode catalyst layer 2A.

ところで、燃料電池101の触媒層(アノード触媒層2Aとカソード触媒層2Bの両方を指す)は、その運転条件が低加湿条件になった場合でも高い発電効率を発揮させるためには、含水率が大きい方が好ましい。一般に、結晶性の高いカーボン粉末は、含水率が小さい場合が多く、逆に、結晶性の低いカーボン粉末は、含水率が大きい場合が多い。一方、燃料電池システム100の運転停止時における触媒層の劣化を抑制する観点からは、結晶性の高いカーボン粉末を使用する方が好ましい。   By the way, the catalyst layer of the fuel cell 101 (refers to both the anode catalyst layer 2A and the cathode catalyst layer 2B) has a moisture content in order to exhibit high power generation efficiency even when the operating conditions are low humidification conditions. Larger is preferable. In general, carbon powder with high crystallinity often has a low water content, and conversely, carbon powder with low crystallinity often has a high water content. On the other hand, from the viewpoint of suppressing deterioration of the catalyst layer when the fuel cell system 100 is stopped, it is preferable to use carbon powder having high crystallinity.

そこで、本発明においては、後述するように、燃料電池システム100の運転停止時に、第2セルブロック52を高電位にさらさないようにして、触媒層の劣化を抑制している。そして、低加湿条件でも高い発電性能を発揮するように、第2セル22のカソード触媒層2Bを構成する第2触媒担持体に含まれる第2カーボン粉末は、その結晶性が、第1セル21のカソード触媒層2Bを構成する第1触媒担持体に含まれる第1カーボン粉末の結晶性よりも低いものを使用している。一方、第1セルブロック51は、燃料電池システム100の運転停止時に、高電位にさらされるおそれがあるため、第1セル21のカソード触媒層2Bを構成する第1触媒担持体に含まれる第1カーボン粉末を結晶性の高いものを使用している。   Therefore, in the present invention, as will be described later, the deterioration of the catalyst layer is suppressed by preventing the second cell block 52 from being exposed to a high potential when the fuel cell system 100 is stopped. The second carbon powder contained in the second catalyst carrier constituting the cathode catalyst layer 2B of the second cell 22 has a crystallinity of the first cell 21 so as to exhibit high power generation performance even under low humidification conditions. The cathode catalyst layer 2B is made of a material having a lower crystallinity than the first carbon powder contained in the first catalyst carrier. On the other hand, since the first cell block 51 may be exposed to a high potential when the operation of the fuel cell system 100 is stopped, the first cell block 51 is included in the first catalyst carrier constituting the cathode catalyst layer 2B of the first cell 21. Carbon powder with high crystallinity is used.

具体的には、第1触媒担持体は、第1カーボン粉末の結晶性を高める観点から、ラマン分光測定によるD−bandピーク半値幅が小さい方が好ましく、60cm−1以下であることが好ましく、52cm−1以下であることがより好ましい。一方、第2触媒担持体は、低加湿条件でも高い発電性能を発揮させる観点から、ラマン分光測定によるD−bandピーク半値幅が60cm−1よりも大きいことが好ましい。同様の観点から、第2触媒担持体は、第1触媒担持体よりもその含水率が大きいほうが好ましく、その含水率が0.31g−HO/g−Cよりも大きいほうが好ましい。また、第1触媒担持体は、その含水率が0.31g−HO/g−C以下であることが好ましい。 Specifically, from the viewpoint of enhancing the crystallinity of the first carbon powder, the first catalyst support preferably has a smaller D-band peak half-value width by Raman spectroscopic measurement, preferably 60 cm −1 or less. More preferably, it is 52 cm −1 or less. On the other hand, the second catalyst carrier preferably has a half-width of D-band peak by Raman spectroscopic measurement larger than 60 cm −1 from the viewpoint of exhibiting high power generation performance even under low humidification conditions. From the same viewpoint, the second catalyst carrier preferably has a higher moisture content than the first catalyst carrier, and preferably has a moisture content greater than 0.31 g-H 2 O / g-C. Moreover, it is preferable that the water content of the first catalyst carrier is 0.31 g-H 2 O / g-C or less.

次に、第2セル22の他の要素について説明する。   Next, other elements of the second cell 22 will be described.

MEA5のアノード電極4A及びカソード電極4B(正確には、アノードガス拡散層3A及びカソードガス拡散層3B)の周囲には、高分子電解質膜1を挟んで一対のフッ素ゴム製でドーナツ状のガスケット7が配設されている。これにより、燃料ガスや酸化剤ガスが電池外にリークされることが防止され、また、第2セルブロック52内でこれらのガスが互いに混合されることが防止される。なお、ガスケット7の周縁部には、厚み方向の貫通孔からなる酸化剤ガス排出マニホールド孔等のマニホールド孔(図示せず)が設けられている。   Around the anode electrode 4A and the cathode electrode 4B (more precisely, the anode gas diffusion layer 3A and the cathode gas diffusion layer 3B) of the MEA 5, a pair of fluorine rubber doughnut-shaped gaskets 7 with the polymer electrolyte membrane 1 interposed therebetween Is arranged. This prevents fuel gas and oxidant gas from leaking out of the battery, and prevents these gases from being mixed with each other in the second cell block 52. Note that a manifold hole (not shown) such as an oxidant gas discharge manifold hole made of a through hole in the thickness direction is provided at the peripheral edge of the gasket 7.

また、MEA5とガスケット7を挟むように、導電性のアノードセパレータ6Aとカソードセパレータ6Bが配設されている。これにより、MEA5が機械的に固定され、複数の第2セル22をその厚み方向に積層したときには、MEA5が電気的に接続される。なお、これらのセパレータ6A、6Bは、熱伝導性及び導電性に優れた金属、黒鉛、又は、黒鉛と樹脂を混合したものを使用することができ、例えば、カーボン粉末とバインダー(溶剤)との混合物を射出成形により作製したものやチタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施したものを使用することができる。   In addition, a conductive anode separator 6A and a cathode separator 6B are disposed so as to sandwich the MEA 5 and the gasket 7. Thereby, MEA 5 is mechanically fixed, and when a plurality of second cells 22 are stacked in the thickness direction, MEA 5 is electrically connected. In addition, these separators 6A and 6B can use the metal excellent in heat conductivity and electroconductivity, graphite, or what mixed graphite and resin, for example, carbon powder and a binder (solvent). A mixture prepared by injection molding or a plate of titanium or stainless steel plated with gold can be used.

アノードセパレータ6Aのアノード電極4Aと接触する一方の主面(以下、内面という)には、燃料ガスが通流するための溝状の燃料ガス流路8が設けられており、また、他方の主面(以下、外面という)には、冷却媒体が通流するための溝状の冷却媒体流路10が設けられている。同様に、カソードセパレータ6Bのカソード電極4Bと接触する一方の主面(以下、内面という)には、酸化剤ガスが通流するための溝状の酸化剤ガス流路9が設けられており、また、他方の主面(以下、外面という)には、冷却媒体が通流するための溝状の冷却媒体流路10が設けられている。   On one main surface (hereinafter referred to as an inner surface) of the anode separator 6A that is in contact with the anode electrode 4A, a groove-like fuel gas flow path 8 is provided for allowing the fuel gas to flow therethrough. A groove-like cooling medium flow path 10 through which the cooling medium flows is provided on the surface (hereinafter referred to as an outer surface). Similarly, a groove-like oxidant gas flow path 9 through which an oxidant gas flows is provided on one main surface (hereinafter referred to as an inner surface) of the cathode separator 6B that is in contact with the cathode electrode 4B. The other main surface (hereinafter referred to as an outer surface) is provided with a groove-like cooling medium flow path 10 through which the cooling medium flows.

なお、燃料ガス流路8と酸化剤ガス流路9は、いわゆる対向流となるように設けてられていてもよく、いわゆる並行流となるように設けられていてもよい。ここで、対向流とは、第1セル21(又は第2セル22)の厚み方向から見て、一部に酸化剤ガスと燃料ガスが並走するように流れる部分を有するが、巨視的に(全体として)酸化剤ガスと燃料ガスの上流から下流への全体的な流れの方向が互いに反対になるように構成されていることをいう。また、並行流とは、第1セル21(又は第2セル22)の厚み方向から見て、一部に酸化剤ガスと燃料ガスが反対になるように流れる部分を有するが、巨視的に(全体として)酸化剤ガスと燃料ガスの上流から下流への全体的な流れの方向が一致するように構成されていることをいう。   The fuel gas flow path 8 and the oxidant gas flow path 9 may be provided so as to be a so-called counter flow, or may be provided so as to be a so-called parallel flow. Here, the counter flow has a part in which the oxidant gas and the fuel gas flow in parallel to each other when viewed from the thickness direction of the first cell 21 (or the second cell 22). It means that the directions of the overall flow from the upstream side to the downstream side of the oxidant gas and the fuel gas are opposite to each other (as a whole). In addition, the parallel flow has a part that flows so that the oxidant gas and the fuel gas are opposite to each other when viewed from the thickness direction of the first cell 21 (or the second cell 22). It means that the directions of the overall flow from the upstream side to the downstream side of the oxidant gas and the fuel gas coincide with each other.

これにより、アノード電極4A及びカソード電極4Bには、それぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、これらのガスが反応して電気と熱が発生する。また、冷却水等の冷却媒体を冷却媒体流路10に通流させることにより、発生した熱の回収が行われる。   Thereby, fuel gas and oxidant gas are supplied to the anode electrode 4A and the cathode electrode 4B, respectively, and these gases react to generate electricity and heat. Further, the generated heat is recovered by passing a cooling medium such as cooling water through the cooling medium flow path 10.

[燃料電池システムの動作]
次に、本実施の形態1に係る燃料電池システム100の動作について、図2及び図5を参照しながら説明する。図5は、本実施の形態1に係る燃料電池システム100の停止動作を模式的に示すフローチャートである。
[Operation of fuel cell system]
Next, the operation of the fuel cell system 100 according to Embodiment 1 will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a flowchart schematically showing a stop operation of the fuel cell system 100 according to the first embodiment.

なお、ここでは、燃料電池システム100の停止動作について説明し、本実施の形態1に係る燃料電池システム100の運転動作(発電動作)については、一般的な燃料電池システムの運転動作と同様に行われるため、その詳細な説明するが、以下のことを注記する。制御器110は、燃料電池システム100の発電動作時には、第2セルブロック52の第2セルブロック内部酸化剤ガス流路52Bを通流する酸化剤ガスの方が、第1セルブロック51の第1セルブロック内部酸化剤ガス流路51Bを通流する酸化剤ガスよりも、その相対湿度が低くなるように、燃料ガス供給器102、酸化剤ガス供給器103、及び冷却媒体供給器105を制御している。   Here, the stop operation of the fuel cell system 100 will be described, and the operation operation (power generation operation) of the fuel cell system 100 according to Embodiment 1 is performed in the same manner as the operation operation of a general fuel cell system. Therefore, the following will be noted. During the power generation operation of the fuel cell system 100, the controller 110 uses the oxidant gas flowing through the second cell block internal oxidant gas flow path 52 </ b> B of the second cell block 52 in the first cell block 51. The fuel gas supply device 102, the oxidant gas supply device 103, and the cooling medium supply device 105 are controlled so that the relative humidity is lower than that of the oxidant gas flowing through the cell block internal oxidant gas flow path 51B. ing.

具体的には、燃料ガス供給器102、酸化剤ガス供給器103、及び冷却媒体供給器105から供給される燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却媒体の流量と燃料ガス及び酸化剤ガスの加湿量を制御することで、第2セルブロック52の第2セルブロック内部酸化剤ガス流路52Bを通流する酸化剤ガスの方が、第1セルブロック51の第1セルブロック内部酸化剤ガス流路51Bを通流する酸化剤ガスよりも、その相対湿度が低くすることができる。   Specifically, the flow rates of the fuel gas, the oxidant gas, and the cooling medium supplied from the fuel gas supply unit 102, the oxidant gas supply unit 103, and the cooling medium supply unit 105, and the humidification amounts of the fuel gas and the oxidant gas The oxidant gas flowing through the second cell block internal oxidant gas flow path 52B of the second cell block 52 is controlled by controlling the oxidant gas flow path inside the first cell block of the first cell block 51. The relative humidity can be made lower than that of the oxidant gas flowing through 51B.

まず、予め設定された燃料電池システム100の運転停止時間になった場合や使用者がリモコンを操作して燃料電池システム100の運転停止を指示したような場合、制御器110は、燃料電池システム100の各機器に運転停止指令を出力する(ステップS101)。   First, when the preset operation stop time of the fuel cell system 100 is reached or when the user operates the remote controller to instruct the operation stop of the fuel cell system 100, the controller 110 controls the fuel cell system 100. An operation stop command is output to each of the devices (step S101).

次に、制御器110は、酸化剤ガス供給遮断機構104に第2セルブロック52への酸化剤ガスの供給遮断指令を出力する(ステップS102)。これにより、酸化剤ガス供給遮断機構104の酸化剤ガス供給切替器104Aは、酸化剤ガスの供給先を第2セルブロック52から酸化剤ガスバイパス経路104Bに切替える。そして、燃料電池システム100は、劣化抑制発電を行う。   Next, the controller 110 outputs an oxidant gas supply cutoff command to the second cell block 52 to the oxidant gas supply cutoff mechanism 104 (step S102). Thereby, the oxidant gas supply switching unit 104A of the oxidant gas supply cutoff mechanism 104 switches the supply destination of the oxidant gas from the second cell block 52 to the oxidant gas bypass path 104B. The fuel cell system 100 performs deterioration-suppressing power generation.

ここで、劣化抑制発電とは、第2セルブロック52への酸化剤ガスの供給を遮断した状態で、発電運転を行うことをいう。劣化抑制発電を行っている間、第1セルブロック51では、電力が発生する。一方、第2セルブロック52には、酸化剤ガスが供給されない。このため、第2セルブロック52では、第1セルブロック51で発生した電力を用いて、第2セルブロック内部酸化剤ガス流路52B内の酸化剤ガスが、電気化学的な反応により消費される。   Here, the deterioration-suppressing power generation refers to performing a power generation operation in a state where the supply of the oxidant gas to the second cell block 52 is shut off. During the deterioration-suppressing power generation, the first cell block 51 generates power. On the other hand, the oxidant gas is not supplied to the second cell block 52. Therefore, in the second cell block 52, the oxidant gas in the second cell block internal oxidant gas flow path 52B is consumed by the electrochemical reaction using the electric power generated in the first cell block 51. .

次に、制御器110は、電圧検出器106が検出した電圧を取得する(ステップS103)。ついで、制御器110は、ステップS103で取得した電圧が、反転したか否かを判定する(ステップS104)。上述したように、第2セルブロック52では、第2セルブロック内部酸化剤ガス流路52B内の酸化剤ガスが消費される。そして、第2セルブロック内部酸化剤ガス流路52B内に残留する酸化剤ガスが充分に低減される(第2セルブロック52内の酸化剤ガスがほぼ完全に消費される)と、カソード電極4Bでは、水素生成反応が生じるため、第2セルブロック52の電圧が反転する。   Next, the controller 110 acquires the voltage detected by the voltage detector 106 (step S103). Next, the controller 110 determines whether or not the voltage acquired in step S103 is inverted (step S104). As described above, in the second cell block 52, the oxidant gas in the second cell block internal oxidant gas flow path 52B is consumed. When the oxidant gas remaining in the second cell block internal oxidant gas flow path 52B is sufficiently reduced (the oxidant gas in the second cell block 52 is almost completely consumed), the cathode electrode 4B. Then, since the hydrogen generation reaction occurs, the voltage of the second cell block 52 is inverted.

すなわち、本実施の形態1においては、第2セルブロック52の電圧を検出することで、第2セルブロック52のカソード電極4Bの電位がアノード電極4Aの電位よりも低くなった状態を検出するようにしている。なお、第2セルブロック52の電圧の反転は、電圧検出器106の正極を第2セルブロック52のカソード電極4Bに接続している場合には、電圧検出器106で検出された電圧がプラスの値からマイナスの値を示すと電圧が反転したと判断することができる。また、電圧検出器106の正極を第2セルブロック52のアノード電極4Aに接続している場合には、マイナスの値からプラスの値を示すと電圧が反転したと判断することができる。   That is, in the first embodiment, the state in which the potential of the cathode electrode 4B of the second cell block 52 is lower than the potential of the anode electrode 4A is detected by detecting the voltage of the second cell block 52. I have to. The inversion of the voltage of the second cell block 52 is such that the voltage detected by the voltage detector 106 is positive when the positive electrode of the voltage detector 106 is connected to the cathode electrode 4B of the second cell block 52. A negative value from the value indicates that the voltage has been reversed. Further, when the positive electrode of the voltage detector 106 is connected to the anode electrode 4A of the second cell block 52, it can be determined that the voltage is inverted when a positive value is shown from a negative value.

制御器110は、電圧が反転していない場合には(ステップS104でNo)、ステップS103に戻り、電圧が反転するまで、ステップS103とステップS104を繰り返す。一方、制御器110は、電圧が反転した場合には(ステップS104でYes)、ステップS105に進む。   If the voltage is not inverted (No in step S104), the controller 110 returns to step S103 and repeats step S103 and step S104 until the voltage is inverted. On the other hand, when the voltage is inverted (Yes in step S104), the controller 110 proceeds to step S105.

ステップS105では、制御器110は、電力調整器107に外部電力負荷への電力供給を停止させる。ついで、制御器110は、燃料ガス供給器102及び酸化剤ガス供給器103に燃料電池101への燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を停止させる(ステップS106)。   In step S105, the controller 110 causes the power regulator 107 to stop supplying power to the external power load. Next, the controller 110 causes the fuel gas supply unit 102 and the oxidant gas supply unit 103 to stop supplying the fuel gas and the oxidant gas to the fuel cell 101 (step S106).

[燃料電池システムの作用効果]
このように構成された本実施の形態1に係る燃料電池システム100では、燃料電池システム100の停止時に、第2セルブロック52への酸化剤ガスの供給を遮断させるとともに、第1セルブロック51へは酸化剤ガスの供給を継続させることにより、第2セルブロック52内に残存する酸化剤ガスをより充分に低減することができる。そして、上述したように、結晶性の低い第2カーボン粉末を使用している第2セルブロック52では、残存する酸化剤ガスを充分に低減することにより、触媒層の劣化を充分に抑制することができる。一方、第1セルブロック51の触媒層には、結晶性の高い第1カーボン粉末を用いているため、燃料電池システム100の停止時に、触媒層が高い電位にさらされても、触媒層の劣化を抑制することができる。
[Function and effect of fuel cell system]
In the fuel cell system 100 according to Embodiment 1 configured as described above, when the fuel cell system 100 is stopped, the supply of the oxidant gas to the second cell block 52 is shut off, and the first cell block 51 is also stopped. The oxidant gas remaining in the second cell block 52 can be more sufficiently reduced by continuing the supply of the oxidant gas. As described above, in the second cell block 52 using the second carbon powder having low crystallinity, the deterioration of the catalyst layer is sufficiently suppressed by sufficiently reducing the remaining oxidant gas. Can do. On the other hand, because the first carbon block 51 uses the first carbon powder with high crystallinity, even if the catalyst layer is exposed to a high potential when the fuel cell system 100 is stopped, the catalyst layer is deteriorated. Can be suppressed.

さらに、本実施の形態1に係る燃料電池システム100では、第2セルブロック52に結晶性の低い第2カーボン粉末を使用することで、発電運転時には、高い発電性能を発揮することができ、特に、燃料電池101に供給する反応ガスを低加湿条件にした場合に、高い発電性能を発揮することができる。   Furthermore, in the fuel cell system 100 according to the first embodiment, by using the second carbon powder having low crystallinity for the second cell block 52, high power generation performance can be exhibited during power generation operation. When the reaction gas supplied to the fuel cell 101 is in a low humidification condition, high power generation performance can be exhibited.

なお、本実施の形態1においては、制御器110は、燃料電池101を通流する燃料ガス及び/又は酸化剤ガスの露点が、燃料電池101を通流する冷却媒体の温度よりも低くなるように、すなわち、燃料ガス及び/又は酸化剤ガスが低加湿条件となるように、冷却媒体供給器105、燃料ガス供給器102及び/又は酸化剤ガス供給器103を制御してもよい。   In the first embodiment, the controller 110 causes the dew point of the fuel gas and / or oxidant gas flowing through the fuel cell 101 to be lower than the temperature of the cooling medium flowing through the fuel cell 101. In other words, the coolant supply unit 105, the fuel gas supply unit 102, and / or the oxidant gas supply unit 103 may be controlled so that the fuel gas and / or the oxidant gas are in a low humidification condition.

また、本実施の形態1においては、酸化剤ガス供給遮断機構104は、三方弁で酸化剤ガス供給切替器104Aを構成したが、これに限定されず、酸化剤ガス供給経路133の酸化剤ガスバイパス経路104Bが接続された部分よりも下流側の部分と酸化剤ガスバイパス経路104Bのそれぞれに設けた開閉弁で酸化剤ガス供給切替器104Aを構成してもよい。また、第2セルブロック52への酸化剤ガスの供給の遮断をより確実に行うために、酸化剤ガス接続経路135の酸化剤ガスバイパス経路104Bが接続された部分よりも上流側に設けた開閉弁と、酸化剤ガス供給切替器104Aと、酸化剤ガスバイパス経路104Bと、から酸化剤ガス供給遮断機構104を構成してもよい。   In the first embodiment, the oxidant gas supply cutoff mechanism 104 includes the oxidant gas supply switching unit 104A with a three-way valve. However, the present invention is not limited to this, and the oxidant gas supply path 133 is not limited to this. The oxidant gas supply switching unit 104A may be configured by an on-off valve provided in each of the part downstream of the part to which the bypass path 104B is connected and the oxidant gas bypass path 104B. Further, in order to more reliably shut off the supply of the oxidant gas to the second cell block 52, an opening / closing provided upstream of the portion of the oxidant gas connection path 135 to which the oxidant gas bypass path 104B is connected. The oxidant gas supply shut-off mechanism 104 may be configured by the valve, the oxidant gas supply switching unit 104A, and the oxidant gas bypass path 104B.

さらに、本実施の形態1においては、電圧検出器106が検出する電圧により、第2セルブロック52のカソード電極4Bの電位が、アノード電極4Aの電位よりも低くなったか否かを判断する形態を採用したが、これに限定されず、例えば、予め実験等で第2セルブロック52への酸化剤ガスの供給を遮断してから、第2セルブロック52のカソード電極4Bの電位が、アノード電極4Aの電位よりも低くなる時間Tを求めておき、当該時間Tを過ぎると、外部電力負荷への電力供給を停止して、燃料ガス供給器102及び酸化剤ガス供給器103を停止させる形態を採用してもよい。   Further, in the first embodiment, a mode is determined in which whether or not the potential of the cathode electrode 4B of the second cell block 52 is lower than the potential of the anode electrode 4A by the voltage detected by the voltage detector 106. However, the present invention is not limited to this. For example, after the supply of the oxidant gas to the second cell block 52 is shut off in advance by an experiment or the like, the potential of the cathode electrode 4B of the second cell block 52 becomes the anode electrode 4A. A time T that is lower than the potential is obtained, and when the time T passes, the power supply to the external power load is stopped and the fuel gas supply device 102 and the oxidant gas supply device 103 are stopped. May be.

[変形例1]
次に、本実施の形態1に係る燃料電池システム100の変形例について説明する。
[Modification 1]
Next, a modification of the fuel cell system 100 according to Embodiment 1 will be described.

図6は、本実施の形態1に係る燃料電池システムの変形例1の燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。なお、図6においては、燃料電池システムの劣化抑制発電運転時における反応ガス及び冷却媒体の流れを示している。   FIG. 6 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system of Modification 1 of the fuel cell system according to Embodiment 1. In FIG. FIG. 6 shows the flow of the reaction gas and the cooling medium during the deterioration suppressing power generation operation of the fuel cell system.

図6に示すように、本変形例1の燃料電池システム100は、実施の形態1に係る燃料電池システム100と基本的構成は同じであるが、第1セルブロック51が第2セルブロック52よりも上流側に配置されている点が異なる。このため、燃料ガス供給器102には、燃料ガス供給経路132を介して、第1セルブロック内部燃料ガス流路51Aの入口が接続されている。酸化剤ガス供給器103には、酸化剤ガス供給経路133を介して、第1セルブロック内部酸化剤ガス流路51Bの入口が接続されている。冷却媒体供給器105には、冷却媒体供給経路138を介して、第1セルブロック冷却媒体内部流路51Cの入口が接続されている。   As shown in FIG. 6, the fuel cell system 100 according to the first modification has the same basic configuration as the fuel cell system 100 according to the first embodiment, but the first cell block 51 is more than the second cell block 52. Also differs in that it is arranged upstream. Therefore, the fuel gas supply device 102 is connected to the inlet of the first cell block internal fuel gas flow path 51 </ b> A via the fuel gas supply path 132. The inlet of the first cell block internal oxidant gas flow path 51 </ b> B is connected to the oxidant gas supply unit 103 via the oxidant gas supply path 133. An inlet of the first cell block cooling medium internal flow path 51 </ b> C is connected to the cooling medium supply unit 105 via a cooling medium supply path 138.

また、燃料ガス接続経路134は、第1セルブロック内部燃料ガス流路51Aの出口と第2セルブロック内部燃料ガス流路52Aの入口を接続している。酸化剤ガス接続経路135は、第1セルブロック内部酸化剤ガス流路51Bの出口と第2セルブロック内部酸化剤ガス流路52Bの入口を接続している。冷却媒体接続流路139は、第1セルブロック冷却媒体内部流路51Cの出口と第2セルブロック冷却媒体内部流路52Cの入口を接続している。   The fuel gas connection path 134 connects the outlet of the first cell block internal fuel gas flow path 51A and the inlet of the second cell block internal fuel gas flow path 52A. The oxidant gas connection path 135 connects the outlet of the first cell block internal oxidant gas flow path 51B and the inlet of the second cell block internal oxidant gas flow path 52B. The cooling medium connection flow path 139 connects the outlet of the first cell block cooling medium internal flow path 51C and the inlet of the second cell block cooling medium internal flow path 52C.

さらに、第2セルブロック内部燃料ガス流路52Aの出口には、燃料ガス排出経路136が接続されている。第2セルブロック内部酸化剤ガス流路52Bの出口には、酸化剤ガス排出経路137が接続されている。第2セルブロック冷却媒体内部流路52Cの出口には、冷却媒体排出経路140が接続されている。   Further, a fuel gas discharge path 136 is connected to the outlet of the second cell block internal fuel gas flow path 52A. An oxidant gas discharge path 137 is connected to the outlet of the second cell block internal oxidant gas flow path 52B. A cooling medium discharge path 140 is connected to the outlet of the second cell block cooling medium internal flow path 52C.

そして、酸化剤ガス供給遮断機構104は、酸化剤ガス接続経路135と酸化剤ガス排出経路137を跨ぐように配設されている。具体的には、酸化剤ガス供給切替器104Aが酸化剤ガス接続経路135の途中に設けられていて、酸化剤ガスバイパス経路104Bは、その上流端が、酸化剤ガス供給切替器104Aに接続されていて、その下流端が酸化剤ガス排出経路137の途中に接続されている。   The oxidant gas supply blocking mechanism 104 is disposed so as to straddle the oxidant gas connection path 135 and the oxidant gas discharge path 137. Specifically, the oxidant gas supply switch 104A is provided in the middle of the oxidant gas connection path 135, and the oxidant gas bypass path 104B is connected at its upstream end to the oxidant gas supply switch 104A. In addition, the downstream end is connected to the middle of the oxidant gas discharge path 137.

このように構成された本変形例1の燃料電池システム100であっても、実施の形態1に係る燃料電池システム100と同様の作用効果を奏する。   Even the fuel cell system 100 of the first modification configured as described above has the same effects as the fuel cell system 100 according to the first embodiment.

[変形例2]
図7は、本実施の形態1に係る燃料電池システムの変形例2の燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。なお、図7においては、燃料電池システムの劣化抑制発電運転時における反応ガス及び冷却媒体の流れを示している。
[Modification 2]
FIG. 7 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system of Modification 2 of the fuel cell system according to Embodiment 1. In FIG. FIG. 7 shows the flow of the reaction gas and the cooling medium during the deterioration suppressing power generation operation of the fuel cell system.

図7に示すように、本変形例2の燃料電池システム100は、実施の形態1に係る燃料電池システム100と基本的構成は同じであるが、第1セルブロック51に設けられた各流路と第2セルブロック52に設けられた各流路とが並列に接続されている点が異なる。   As shown in FIG. 7, the fuel cell system 100 of Modification 2 has the same basic configuration as the fuel cell system 100 according to Embodiment 1, but each flow path provided in the first cell block 51. And the respective flow paths provided in the second cell block 52 are connected in parallel.

具体的には、燃料ガス接続経路134の上流端が、燃料ガス供給経路132の途中に接続されていて、燃料ガス供給経路132と燃料ガス接続経路134により、第2セルブロック内部燃料ガス流路52Aの入口と第1セルブロック内部燃料ガス流路51Aの入口とが並列に接続されている。また、第2セルブロック内部燃料ガス流路52Aの出口には、燃料ガス排出経路136が接続されている。これにより、燃料ガス供給器102から燃料ガス供給経路132に供給された燃料ガスは、その一部が燃料ガス接続経路134に分流される。このようにして、燃料ガスが第1セルブロック内部燃料ガス流路51Aと第2セルブロック内部燃料ガス流路52Aのそれぞれに供給される。第1セルブロック内部燃料ガス流路51A及び第2セルブロック内部燃料ガス流路52Aに供給された燃料ガスは、それぞれ、燃料ガス排出経路136から排出される。   Specifically, the upstream end of the fuel gas connection path 134 is connected in the middle of the fuel gas supply path 132, and the fuel gas flow path 132 and the fuel gas connection path 134 allow the fuel gas flow path inside the second cell block to be connected. An inlet of 52A and an inlet of the first cell block internal fuel gas flow path 51A are connected in parallel. A fuel gas discharge path 136 is connected to the outlet of the second cell block internal fuel gas flow path 52A. As a result, part of the fuel gas supplied from the fuel gas supply device 102 to the fuel gas supply path 132 is diverted to the fuel gas connection path 134. In this way, the fuel gas is supplied to each of the first cell block internal fuel gas flow path 51A and the second cell block internal fuel gas flow path 52A. The fuel gas supplied to the first cell block internal fuel gas flow path 51A and the second cell block internal fuel gas flow path 52A is discharged from the fuel gas discharge path 136, respectively.

また、酸化剤ガス接続経路135の上流端は、酸化剤ガス供給経路133の途中に接続されていて、酸化剤ガス供給経路133と酸化剤ガス接続経路135により、第2セルブロック内部酸化剤ガス流路52Bの入口と第1セルブロック内部酸化剤ガス流路51Bの入口とが並列に接続されている。また、第2セルブロック内部酸化剤ガス流路52Bの出口には、酸化剤ガス排出経路137が接続されている。これにより、酸化剤ガス供給器103から酸化剤ガス供給経路133に供給された酸化剤ガスは、その一部が酸化剤ガス接続経路135に分流される。このようにして、酸化剤ガスが第1セルブロック内部酸化剤ガス流路51Bと第2セルブロック内部酸化剤ガス流路52Bのそれぞれに供給される。第1セルブロック内部酸化剤ガス流路51Bと第2セルブロック内部酸化剤ガス流路52Bに供給された酸化剤ガスは、それぞれ、酸化剤ガス排出経路137から排出される。   The upstream end of the oxidant gas connection path 135 is connected in the middle of the oxidant gas supply path 133, and the second cell block internal oxidant gas is formed by the oxidant gas supply path 133 and the oxidant gas connection path 135. The inlet of the flow path 52B and the inlet of the first cell block internal oxidant gas flow path 51B are connected in parallel. An oxidant gas discharge path 137 is connected to the outlet of the second cell block internal oxidant gas flow path 52B. As a result, part of the oxidant gas supplied from the oxidant gas supply unit 103 to the oxidant gas supply path 133 is diverted to the oxidant gas connection path 135. In this way, the oxidant gas is supplied to each of the first cell block internal oxidant gas flow path 51B and the second cell block internal oxidant gas flow path 52B. The oxidant gas supplied to the first cell block internal oxidant gas flow path 51B and the second cell block internal oxidant gas flow path 52B is discharged from the oxidant gas discharge path 137, respectively.

さらに、冷却媒体接続流路139は、その上流端が冷却媒体供給経路138の途中に接続されていて、冷却媒体供給経路138と冷却媒体接続流路139により、第2セルブロック冷却媒体内部流路52Cの入口と第1セルブロック冷却媒体内部流路51Cの入り口とが並列に接続されている。また、第1セルブロック冷却媒体内部流路51Cの出口には、冷却媒体排出経路140が接続されている。これにより、冷却媒体供給器105から冷却媒体供給経路138に供給された冷却媒体は、その一部が冷却媒体接続流路139に分流される。このようにして、冷却媒体が第1セルブロック冷却媒体内部流路51Cと第2セルブロック冷却媒体内部流路52Cに供給される。第1セルブロック冷却媒体内部流路51Cと第2セルブロック冷却媒体内部流路52Cに供給された冷却媒体は、それぞれ、冷却媒体排出経路140から排出される。   Further, the upstream end of the cooling medium connection flow path 139 is connected in the middle of the cooling medium supply path 138, and the second cell block cooling medium internal flow path is formed by the cooling medium supply path 138 and the cooling medium connection flow path 139. The inlet of 52C and the inlet of the first cell block cooling medium internal flow path 51C are connected in parallel. A cooling medium discharge path 140 is connected to the outlet of the first cell block cooling medium internal flow path 51C. Thereby, a part of the cooling medium supplied from the cooling medium supply unit 105 to the cooling medium supply path 138 is diverted to the cooling medium connection channel 139. In this way, the cooling medium is supplied to the first cell block cooling medium internal flow path 51C and the second cell block cooling medium internal flow path 52C. The cooling medium supplied to the first cell block cooling medium internal flow path 51C and the second cell block cooling medium internal flow path 52C is discharged from the cooling medium discharge path 140, respectively.

そして、本変形例2の燃料電池システム100では、酸化剤ガス供給遮断機構104が開閉弁で構成されていて、酸化剤ガス供給経路133の途中に配設されている。また、酸化剤ガスバイパス経路104Bは、酸化剤ガス接続経路135が兼ねている。このため、燃料電池システム100の運転停止動作では、酸化剤ガス供給遮断機構104である開閉弁が、その弁体を閉止することで、第2セルブロック内部酸化剤ガス流路52Bへの酸化剤ガスの供給を遮断する。   In the fuel cell system 100 of the second modification, the oxidant gas supply blocking mechanism 104 is configured by an on-off valve and is disposed in the middle of the oxidant gas supply path 133. The oxidant gas bypass path 104B also serves as the oxidant gas connection path 135. For this reason, in the operation stop operation of the fuel cell system 100, the on-off valve, which is the oxidant gas supply shut-off mechanism 104, closes the valve body so that the oxidant into the second cell block internal oxidant gas flow path 52B. Shut off gas supply.

このように構成された本変形例2の燃料電池システム100であっても、実施の形態1に係る燃料電池システム100と同様の作用効果を奏する。   Even the fuel cell system 100 according to the second modification configured as described above has the same operational effects as the fuel cell system 100 according to the first embodiment.

なお、本変形例2の燃料電池システム100では、第1セルブロック冷却媒体内部流路51Cと第2セルブロック冷却媒体内部流路52Cを並列に接続する形態を採用したが、これに限定されず、実施の形態1と同様に、第1セルブロック冷却媒体内部流路51Cと第2セルブロック冷却媒体内部流路52Cを直列に接続する形態を採用してもよい。また、第1セルブロック内部燃料ガス流路51Aと第2セルブロック内部燃料ガス流路52Aを並列に接続する形態を採用したが、これに限定されず、実施の形態1と同様に、第1セルブロック内部燃料ガス流路51Aと第2セルブロック内部燃料ガス流路52Aを直列に接続する形態を採用してもよい。   In the fuel cell system 100 of the second modification, the first cell block cooling medium internal flow path 51C and the second cell block cooling medium internal flow path 52C are connected in parallel. However, the present invention is not limited to this. Similarly to the first embodiment, the first cell block cooling medium internal flow path 51C and the second cell block cooling medium internal flow path 52C may be connected in series. Moreover, although the form which connects 51 A of 1st cell block internal fuel gas flow paths and 52 A of 2nd cell block internal fuel gas flow paths in parallel was employ | adopted, it is not limited to this, Like Embodiment 1, 1st A mode in which the cell block internal fuel gas flow path 51A and the second cell block internal fuel gas flow path 52A are connected in series may be employed.

[変形例3]
図8は、本実施の形態1に係る燃料電池システムの変形例3の燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。なお、図8においては、燃料電池システムの劣化抑制発電運転時における反応ガス及び冷却媒体の流れを示している。
[Modification 3]
FIG. 8 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system of Modification 3 of the fuel cell system according to Embodiment 1. In FIG. FIG. 8 shows the flow of the reaction gas and the cooling medium during the deterioration suppressing power generation operation of the fuel cell system.

図8に示すように、本変形例3の燃料電池システム100は、実施の形態1に係る燃料電池システム100と基本的構成は同じであるが、第1セルブロック51が複数(ここでは2つ)設けられている点が異なる。具体的には、反応ガスの通流方向から見て、第1セルブロック51の下流側に更に第1セルブロック51が配置されていて、これらの第1セルブロック51が直列に接続されている。   As shown in FIG. 8, the basic configuration of the fuel cell system 100 of Modification 3 is the same as that of the fuel cell system 100 according to Embodiment 1, but there are a plurality of first cell blocks 51 (two in this case). ) Different points are provided. Specifically, the first cell block 51 is further arranged on the downstream side of the first cell block 51 as viewed from the flow direction of the reaction gas, and these first cell blocks 51 are connected in series. .

なお、以下の説明では、反応ガスの通流方向から見て、上流側に配置されている第1セルブロック51を上流側第1セルブロック51といい、下流側に配置されている第1セルブロック51を下流側第1セルブロック51という。   In the following description, the first cell block 51 disposed on the upstream side when viewed from the flow direction of the reaction gas is referred to as the upstream first cell block 51, and the first cell disposed on the downstream side. The block 51 is referred to as a downstream first cell block 51.

より詳細には、上流側第1セルブロック51と下流側第1セルブロック51は、燃料ガス接続経路134、酸化剤ガス接続経路135、及び冷却媒体接続流路139により直列に接続されている。また、下流側第1セルブロック51には、燃料ガス排出経路136、酸化剤ガス排出経路137、及び冷却媒体排出経路140がそれぞれ接続されている。なお、本変形例3では、第2セルブロック52と上流側第1セルブロック51及び下流側第1セルブロック51とを直列に接続したが、これに限定されず、第2セルブロック52と上流側第1セルブロック51及び下流側第1セルブロック51とを並列に接続してもよく、上流側第1セルブロック51又は下流側第1セルブロック51のいずれか一方の第1セルブロック51を、第2セルブロック52と直列に接続して、他方の第1セルブロック512を第2セルブロック52と並列に接続してもよい。   More specifically, the upstream first cell block 51 and the downstream first cell block 51 are connected in series by a fuel gas connection path 134, an oxidant gas connection path 135, and a cooling medium connection flow path 139. In addition, a fuel gas discharge path 136, an oxidant gas discharge path 137, and a cooling medium discharge path 140 are connected to the downstream first cell block 51, respectively. In the third modification, the second cell block 52, the upstream first cell block 51, and the downstream first cell block 51 are connected in series. However, the present invention is not limited to this, and the second cell block 52 and the upstream The side first cell block 51 and the downstream side first cell block 51 may be connected in parallel, and either the upstream side first cell block 51 or the downstream side first cell block 51 The second cell block 52 may be connected in series, and the other first cell block 512 may be connected in parallel with the second cell block 52.

このように構成された本変形例3の燃料電池システム100であっても、実施の形態1に係る燃料電池システム100と同様の作用効果を奏する。   Even the fuel cell system 100 of the third modification configured as described above has the same effects as the fuel cell system 100 according to the first embodiment.

なお、本変形例3の燃料電池システム100では、複数の第1セルブロック51、すなわち、第1セルブロック群を備える形態を採用したが、これに限定されず、複数の第2セルブロック52、すなわち、第2セルブロック群を備える形態を採用してもよい。この場合、第2セルブロック群と1の第1セルブロック51を備える形態を採用してもよく、本変形例のように、1の第2セルブロック52と第1セルブロック群を備える形態を採用してもよく、また、第2セルブロック群と第1セルブロック群を備える形態を採用してもよい。また、第1セルブロック51と第2セルブロック52は直列に接続してもよく、並列に接続してもよい。さらに、第1セルブロック(群)と第2セルブロック(群)を直列に接続する場合、反応ガスの通流方向から見て、その並ぶ順は限定されない。   In addition, in the fuel cell system 100 of the third modification, a form including a plurality of first cell blocks 51, that is, a first cell block group is adopted, but is not limited thereto, and a plurality of second cell blocks 52, That is, you may employ | adopt the form provided with a 2nd cell block group. In this case, a form including the second cell block group and one first cell block 51 may be adopted, and a form including one second cell block 52 and the first cell block group as in the present modification. You may employ | adopt and the form provided with a 2nd cell block group and a 1st cell block group may be employ | adopted. The first cell block 51 and the second cell block 52 may be connected in series or may be connected in parallel. Further, when the first cell block (group) and the second cell block (group) are connected in series, the order in which the first cell block (group) and the second cell block (group) are arranged is not limited as viewed from the flow direction of the reaction gas.

(実施の形態2)
本発明の実施の形態2に係る燃料電池システムは、第2セルブロック内部酸化剤ガス流路の圧力を検出する圧力検出器を備える態様を例示するものである。
(Embodiment 2)
The fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention exemplifies an aspect including a pressure detector that detects the pressure in the second cell block internal oxidant gas flow path.

[燃料電池システムの構成]
図9は、本発明の実施の形態2に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。なお、図9においては、燃料電池システムの劣化抑制発電運転時における反応ガス及び冷却媒体の流れを示している。
[Configuration of fuel cell system]
FIG. 9 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention. FIG. 9 shows the flow of the reaction gas and the cooling medium during the deterioration suppressing power generation operation of the fuel cell system.

図9に示すように、本発明の実施の形態2に係る燃料電池システム100は、実施の形態1に係る燃料電池システム100と基本的構成は同じであるが、電圧検出器106に代えて、第2セルブロック52の第2セルブロック内部酸化剤ガス流路52B内の圧力を検出する圧力検出器108が設けられている点が異なる。圧力検出器108は、第2セルブロック内部酸化剤ガス流路52B内の圧力を検出して、検出した圧力を制御器110に出力することができればどのような形態であってもよい。   As shown in FIG. 9, the basic configuration of the fuel cell system 100 according to Embodiment 2 of the present invention is the same as that of the fuel cell system 100 according to Embodiment 1, but instead of the voltage detector 106, The difference is that a pressure detector 108 for detecting the pressure in the second cell block internal oxidant gas flow path 52B of the second cell block 52 is provided. The pressure detector 108 may take any form as long as it can detect the pressure in the second cell block internal oxidant gas flow path 52 </ b> B and output the detected pressure to the controller 110.

[燃料電池システムの動作]
次に、本実施の形態2に係る燃料電池システム100の動作について、図9及び図10を参照しながら説明する。図10は、本実施の形態2に係る燃料電池システム100の停止動作を模式的に示すフローチャートである。
[Operation of fuel cell system]
Next, the operation of the fuel cell system 100 according to Embodiment 2 will be described with reference to FIGS. 9 and 10. FIG. 10 is a flowchart schematically showing a stop operation of the fuel cell system 100 according to the second embodiment.

図10に示すように、本実施の形態2に係る燃料電池システム100の停止動作は、実施の形態1に係る燃料電池システム100の停止動作と基本的には同じであるが、ステップS103とステップS104に代えて、ステップS103AとステップS104Aを行う点が異なる。具体的には、制御器110は、酸化剤ガス供給遮断機構104に第2セルブロック52への酸化剤ガスの供給遮断指令を出力して(ステップS102)、劣化抑制発電を行わせた後に、圧力検出器108が検出した圧力を取得する(ステップS103A)。   As shown in FIG. 10, the stop operation of the fuel cell system 100 according to the second embodiment is basically the same as the stop operation of the fuel cell system 100 according to the first embodiment. The difference is that step S103A and step S104A are performed instead of S104. Specifically, the controller 110 outputs an oxidant gas supply cut-off command to the second cell block 52 to the oxidant gas supply cut-off mechanism 104 (step S102), and causes the deterioration-suppressing power generation to be performed. The pressure detected by the pressure detector 108 is acquired (step S103A).

次に、制御器110は、ステップS103Aで取得した圧力が、下降傾向から上昇傾向に変わったか否かを判定する(ステップS104A)。上述したように、第2セルブロック52では、第2セルブロック内部酸化剤ガス流路52B内の酸化剤ガスが消費される。そして、第2セルブロック内部酸化剤ガス流路52B内に残留する酸化剤ガスが充分に低減される(第2セルブロック52内の酸化剤ガスがほぼ完全に消費される)と、カソード電極4Bでは、水素生成反応が生じる。このため、第2セルブロック52の第2セルブロック内部酸化剤ガス流路52B内の圧力は、減少した後に増加する。   Next, the controller 110 determines whether or not the pressure acquired in step S103A has changed from a downward trend to an upward trend (step S104A). As described above, in the second cell block 52, the oxidant gas in the second cell block internal oxidant gas flow path 52B is consumed. When the oxidant gas remaining in the second cell block internal oxidant gas flow path 52B is sufficiently reduced (the oxidant gas in the second cell block 52 is almost completely consumed), the cathode electrode 4B. Then, a hydrogen generation reaction occurs. For this reason, the pressure in the second cell block internal oxidant gas flow path 52B of the second cell block 52 increases after decreasing.

すなわち、本実施の形態2においては、第2セルブロック内部酸化剤ガス流路52B内の圧力を検出することで、第2セルブロック52のカソード電極4Bの電位がアノード電極4Aの電位よりも低くなった状態を検出するようにしている。   That is, in the second embodiment, the potential of the cathode electrode 4B of the second cell block 52 is lower than the potential of the anode electrode 4A by detecting the pressure in the second cell block internal oxidant gas flow path 52B. It is trying to detect the state that became.

そして、制御器110は、圧力が下降傾向から上昇傾向に変わっていない場合(圧力が増加していない場合)には(ステップS104AでNo)、ステップS103Aに戻り、圧力が増加するまで、ステップS103AとステップS104Aを繰り返す。一方、制御器110は、圧力が増加した場合には(ステップS104AでYes)、ステップS105に進んで、電圧検出器106に外部電力負荷への電力供給を停止させて、燃料ガス供給器102及び酸化剤ガス供給器103を停止させる(ステップS106)。   Then, when the pressure has not changed from the downward trend to the upward trend (when the pressure has not increased) (No in step S104A), the controller 110 returns to step S103A and continues to step S103A until the pressure increases. Step S104A is repeated. On the other hand, when the pressure increases (Yes in step S104A), the controller 110 proceeds to step S105 to stop the voltage detector 106 from supplying power to the external power load, and the fuel gas supplier 102 and The oxidant gas supply unit 103 is stopped (step S106).

このように構成された本実施の形態2に係る燃料電池システム100であっても、実施の形態1に係る燃料電池システム100と同様の作用効果を奏する。   Even the fuel cell system 100 according to the second embodiment configured as described above has the same effects as the fuel cell system 100 according to the first embodiment.

次に、実験例について説明する。   Next, experimental examples will be described.

[実験例]
まず、以下のようにして、燃料電池(単セル)101を作製した。
[Experimental example]
First, a fuel cell (single cell) 101 was produced as follows.

カソード触媒層2Bに用いる触媒担持体として、白金コバルト合金粒子(電気触媒)をそれぞれ種類の異なるカーボン粉末に担持した触媒担持体A、触媒担持体B、及び触媒担持体Cを用意した。なお、触媒担持体A〜Cの結晶性(G−bandピーク半値幅と含水率)については、後述する。そして、各触媒担持体と水素イオン伝導性を有する高分子電解質溶液(旭硝子(株)製のFlemion)を、エタノールと水との混合分散媒(質量比1:1)に分散させてカソード触媒層形成用インクを調製した。このとき、カーボン粉末の質量WCat−Cに対する高分子電解質の質量WPの比(WP/WCat−C)が0.8となるように、高分子電解質溶液の質量を調整した。   As a catalyst carrier used for the cathode catalyst layer 2B, a catalyst carrier A, a catalyst carrier B, and a catalyst carrier C in which platinum cobalt alloy particles (electrocatalysts) are supported on different types of carbon powders were prepared. In addition, the crystallinity (G-band peak half width and water content) of the catalyst carriers A to C will be described later. Then, each catalyst carrier and a polymer electrolyte solution having hydrogen ion conductivity (Flemion manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) are dispersed in a mixed dispersion medium (mass ratio 1: 1) of ethanol and water to form a cathode catalyst layer. A forming ink was prepared. At this time, the mass of the polymer electrolyte solution was adjusted so that the ratio (WP / WCat-C) of the mass WP of the polymer electrolyte to the mass WCat-C of the carbon powder was 0.8.

次に、得られたカソード触媒層形成用インクを用い、高分子電解質膜1(ジャパンゴアテックス(株)製のGSII)の一方の面に、スプレー法によって塗布し、白金担持量が0.3mg/cmで寸法が140mm×140mmのカソード触媒層2Bを形成した。 Next, using the obtained cathode catalyst layer forming ink, it was applied to one surface of the polymer electrolyte membrane 1 (GSII manufactured by Japan Gore-Tex Co., Ltd.) by a spray method, and the platinum loading amount was 0.3 mg. A cathode catalyst layer 2B having a size of 140 mm × 140 mm at / cm 2 was formed.

一方、アノード触媒層2Aに用いる触媒担持体としては、白金ルテニウム合金粒子(電極触媒)を比表面積800m/gのカーボン粉末上に担持させてなる触媒担持体(田中貴金属工業(株)製のTEC61E54)を用いた。この触媒担持体と高分子電解質溶液(旭硝子(株)製のFlemion)を、エタノールと水との混合分散媒(質量比1:1)に分散させてアノード触媒層形成用インクを調製した。このとき、カソード触媒層2Bのときと同様に、カーボン粉末の質量WCat−Cに対する高分子電解質の質量WPの比(WP/WCat−C)が0.8となるように、高分子電解質溶液の質量を調整した。 On the other hand, as the catalyst carrier used for the anode catalyst layer 2A, a catalyst carrier (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) obtained by supporting platinum ruthenium alloy particles (electrode catalyst) on carbon powder having a specific surface area of 800 m 2 / g. TEC61E54) was used. The catalyst carrier and polymer electrolyte solution (Flemion manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) were dispersed in a mixed dispersion medium (mass ratio 1: 1) of ethanol and water to prepare an anode catalyst layer forming ink. At this time, as in the case of the cathode catalyst layer 2B, the ratio of the mass WP of the polymer electrolyte to the mass WCat-C of the carbon powder (WP / WCat-C) is 0.8 so that the polymer electrolyte solution The mass was adjusted.

次に、得られたアノード触媒層形成用インクを、高分子電解質膜1のカソード触媒層2Bが形成された面とは反対側の面(高分子電解質膜1の他方の面)に、スプレー法によって塗布し、白金担持量が0.1mg/cmで寸法が140mm×140mmのアノード触媒層2Aを形成して、膜−触媒層接合体を作成した。 Next, the obtained anode catalyst layer forming ink is sprayed onto the surface of the polymer electrolyte membrane 1 opposite to the surface on which the cathode catalyst layer 2B is formed (the other surface of the polymer electrolyte membrane 1). The anode catalyst layer 2A having a platinum loading of 0.1 mg / cm 2 and dimensions of 140 mm × 140 mm was formed to prepare a membrane-catalyst layer assembly.

上記のようにして作製した膜−触媒層接合体を用い、以下のようにして膜電極接合体を作製した。   Using the membrane-catalyst layer assembly produced as described above, a membrane electrode assembly was produced as follows.

ガス拡散層を形成するために、厚みが270μmのカーボンクロス(三菱化学(株)製のSK−1)を、フッ素樹脂含有の水性ディスパージョン(ダイキン工業(株)製のND−1)に含浸した後、乾燥することで上記カーボンクロスに撥水性を付与した(撥水処理)。   In order to form a gas diffusion layer, a carbon cloth having a thickness of 270 μm (SK-1 manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) was impregnated into an aqueous dispersion containing fluororesin (ND-1 manufactured by Daikin Industries, Ltd.). Then, the carbon cloth was given water repellency by drying (water repellency treatment).

続いて、撥水処理後のカーボンクロスの一方の面(全面)に撥水カーボン層を形成した。具体的には、導電性カーボン粉末(電気化学工業(株)製のデンカブラック)とポリテトラフルオロエチレン(PTFE)微粉末を分散させた水溶液(ダイキン工業(株)製のD−1)とを混合し、撥水カーボン層形成用インクを調製した。この撥水カーボン層形成用インクを、ドクターブレード法によって、上記撥水処理後のカーボンクロスの一方の面に塗布し、撥水カーボン層を形成した。このとき、撥水カーボン層の一部は、上記カーボンクロスの中に埋めこまれていた。   Subsequently, a water repellent carbon layer was formed on one surface (entire surface) of the carbon cloth after the water repellent treatment. Specifically, a conductive carbon powder (Denka Black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) and an aqueous solution (D-1 manufactured by Daikin Kogyo Co., Ltd.) in which fine powder of polytetrafluoroethylene (PTFE) is dispersed are used. By mixing, an ink for forming a water-repellent carbon layer was prepared. This water repellent carbon layer forming ink was applied to one surface of the carbon cloth after the water repellent treatment by a doctor blade method to form a water repellent carbon layer. At this time, a part of the water repellent carbon layer was embedded in the carbon cloth.

次に、撥水処理及び撥水カーボン層形成後のカーボンクロスを、PTFEの融点以上の温度である350℃で30分間焼成して、ガス拡散層を得た。得られたガス拡散層における撥水カーボン層の中央部分が、アノード触媒層2A(又はカソード触媒層2B)に接するように、2枚のガス拡散層で膜−触媒層接合体を挟み、全体をホットプレス機で熱圧着(120℃、30分、10kgf/cm)することにより、MEA5を得た。 Next, the carbon cloth after the water repellent treatment and the formation of the water repellent carbon layer was baked for 30 minutes at 350 ° C., which is a temperature equal to or higher than the melting point of PTFE, to obtain a gas diffusion layer. The membrane-catalyst layer assembly is sandwiched between the two gas diffusion layers so that the central portion of the water-repellent carbon layer in the obtained gas diffusion layer is in contact with the anode catalyst layer 2A (or the cathode catalyst layer 2B). MEA5 was obtained by thermocompression bonding (120 ° C., 30 minutes, 10 kgf / cm 2 ) with a hot press machine.

このようにして得られたMEA5の高分子電解質膜1の周辺部にガスケット7を配置し、MEA5とガスケット7をアノードセパレータ6Aとカソードセパレータ6Bで挟持して、締結具で締結し、燃料電池101を作製した。   The gasket 7 is arranged around the polymer electrolyte membrane 1 of the MEA 5 thus obtained, the MEA 5 and the gasket 7 are sandwiched between the anode separator 6A and the cathode separator 6B, and fastened with a fastener. Was made.

(評価試験1)
評価試験1では、低加湿条件における燃料電池101の発電性能及び触媒担持体A〜CのG−bandピーク半値幅と含水率を測定した。
(Evaluation Test 1)
In the evaluation test 1, the power generation performance of the fuel cell 101 under low humidification conditions, the G-band peak half width and the moisture content of the catalyst carriers A to C were measured.

具体的には、燃料電池101の温度が90℃になるように、冷却媒体流路10に冷却媒体(ここでは、水)を通流させ、燃料ガスとして75%水素+25%二酸化炭素の混合ガスを燃料ガス流路8に供給し、酸化剤ガスとして空気を酸化剤ガス流路9に供給した。このとき、燃料ガス及び空気の露点は、ともに65℃となるように加湿してから供給した。   Specifically, a cooling medium (here, water) is passed through the cooling medium flow path 10 so that the temperature of the fuel cell 101 becomes 90 ° C., and a mixed gas of 75% hydrogen + 25% carbon dioxide is used as the fuel gas. Was supplied to the fuel gas channel 8 and air was supplied to the oxidant gas channel 9 as an oxidant gas. At this time, the fuel gas and the dew point of the air were both humidified so as to be 65 ° C. and then supplied.

そして、電流密度を0.16mA/cm、水素ガス利用率を75%、空気利用率を55%に設定し、12時間経過後の燃料電池101の出力電圧を測定した。また、触媒担持体A〜CのG−bandピーク半値幅をラマン分光測定装置にて測定した。さらに、触媒担持体A〜Cの80℃、90%RG飽和水蒸気条件下での含水率を水分吸脱着測定器を用いて測定した。これらの結果を図11に示す。 The current density was set to 0.16 mA / cm 2 , the hydrogen gas utilization rate was set to 75%, the air utilization rate was set to 55%, and the output voltage of the fuel cell 101 after 12 hours was measured. Further, the G-band peak half-value widths of the catalyst carriers A to C were measured with a Raman spectrometer. Furthermore, the moisture content of the catalyst supports A to C under 80 ° C. and 90% RG saturated steam conditions was measured using a moisture adsorption / desorption measuring device. These results are shown in FIG.

図11は、評価試験1の結果(触媒担持体A〜Cを用いた燃料電池(単電池)の電圧(相対値)及び触媒担持体A〜CのG−bandピーク半値幅、80℃、90%RH飽和水蒸気における含水率)を示した表である。図11に示すように、含水率が大きい触媒担持体Aは、D−bandピーク半値幅が大きく、結晶性が低いことがわかる。また、触媒担持体Aを使用した燃料電池101では、電池性能は高いことがわかる。一方、含水率が小さい触媒担持体B及び触媒担持体Cは、結晶性が高いが、これらの触媒担持体を用いた燃料電池101は、電池性能は低いことがわかる。   FIG. 11 shows the results of evaluation test 1 (the voltage (relative value) of the fuel cell (single cell) using the catalyst carriers A to C and the G-band peak half-value width of the catalyst carriers A to C, 80 ° C., 90 ° C. It is the table | surface which showed the water content in% RH saturated water vapor | steam. As shown in FIG. 11, it can be seen that the catalyst carrier A having a high water content has a large D-band peak half width and low crystallinity. It can also be seen that the fuel cell 101 using the catalyst carrier A has high cell performance. On the other hand, the catalyst carrier B and the catalyst carrier C having a low water content have high crystallinity, but the fuel cell 101 using these catalyst carriers has low cell performance.

(評価試験2)
評価試験2では、上記のようにして作製した3種類の燃料電池101の起動(発電)/停止の繰り返しに伴う触媒劣化試験を燃料電池101の電圧を測定することにより行った。
(Evaluation test 2)
In the evaluation test 2, a catalyst deterioration test accompanying repeated starting (power generation) / stopping of the three types of fuel cells 101 produced as described above was performed by measuring the voltage of the fuel cell 101.

具体的には、燃料電池101の温度が65℃になるように、冷却媒体供給器105から冷却媒体供給経路138を介して、冷却媒体内部流路に冷却媒体(ここでは、水)を通流させた。また、燃料ガスとして75%水素+25%二酸化炭素の混合ガスを燃料ガス供給器102から燃料ガス供給経路132を介して、燃料ガス内部流路に供給した。酸化剤ガスとして空気を酸化剤ガス供給器103から酸化剤ガス供給経路133を介して、酸化剤ガス内部流路に供給した。このとき、燃料ガス及び空気の露点は、ともに65℃となるように加湿してから供給した。   Specifically, the cooling medium (here, water) is passed through the cooling medium internal flow path from the cooling medium supply unit 105 through the cooling medium supply path 138 so that the temperature of the fuel cell 101 becomes 65 ° C. I let you. Further, a mixed gas of 75% hydrogen + 25% carbon dioxide was supplied from the fuel gas supply device 102 to the fuel gas internal flow path via the fuel gas supply path 132 as the fuel gas. Air as oxidant gas was supplied from the oxidant gas supply device 103 to the oxidant gas internal flow path via the oxidant gas supply path 133. At this time, the fuel gas and the dew point of the air were both humidified so as to be 65 ° C. and then supplied.

そして、燃料ガス及び空気を供給した状態で、2分間、開回路状態を保った(燃料電池101の起動)。ついで、電流密度を0.16mA/cm、水素ガス利用率を75%、空気利用率を55%で発電し(燃料電池101の発電)、燃料電池101の出力電圧を測定した。そして、発電開始から28分後に、再び、開回路状態に戻し、燃料ガス及び空気の供給を停止した。その際、燃料ガス内部流路及び酸化剤ガス内部流路の入口は、それぞれ、燃料ガス供給経路132及び酸化剤ガス供給経路133の途中に設けたバルブにより封止した。また、燃料ガス内部流路及び酸化剤ガス内部流路の出口は、それぞれの出口に接続された燃料ガス排出経路136及び酸化剤ガス排出経路137の下流端を水中に浸すことで封止した。この状態を30分間継続した(燃料電池101の停止)。その後、再び燃料電池101を起動し、発電、及び停止といった一連の操作を繰り返した。この結果を図12に示す。 Then, an open circuit state was maintained for 2 minutes with fuel gas and air being supplied (activation of the fuel cell 101). Next, power was generated at a current density of 0.16 mA / cm 2 , a hydrogen gas utilization rate of 75% and an air utilization rate of 55% (power generation of the fuel cell 101), and the output voltage of the fuel cell 101 was measured. And 28 minutes after the start of power generation, the circuit was returned to the open circuit state again, and the supply of fuel gas and air was stopped. At that time, the inlets of the fuel gas internal channel and the oxidant gas internal channel were sealed by valves provided in the middle of the fuel gas supply channel 132 and the oxidant gas supply channel 133, respectively. Further, the outlets of the fuel gas internal flow path and the oxidant gas internal flow path were sealed by immersing the downstream ends of the fuel gas discharge path 136 and the oxidant gas discharge path 137 connected to the respective outlets in water. This state was continued for 30 minutes (stop of the fuel cell 101). Thereafter, the fuel cell 101 was started again, and a series of operations such as power generation and stop were repeated. The result is shown in FIG.

図12は、評価試験2の結果を示すグラフである。図12に示すように、触媒担持体B及び触媒担持体Cをそれぞれ使用した燃料電池101では、起動/停止繰り返し試験前の電圧と起動/停止繰り返しを4000回行った後の電圧を比較した電圧劣化率が、5%以下であった。一方、触媒担持体Aを使用した燃料電池101では、起動/停止繰り返し試験前の電圧と起動/停止繰り返しを1600回行った後の電圧を比較した電圧劣化率が、8%以上低下した。したがって、触媒担持体B及び触媒担持体Cを用いた燃料電池101では、通常の停止処理を行っても実用に耐え得る耐久性を有するが、触媒担持体Aを用いた燃料電池101では、特別な停止処理を行わなければ、充分な耐久性を確保することができないことが示唆された。   FIG. 12 is a graph showing the results of evaluation test 2. As shown in FIG. 12, in the fuel cell 101 using the catalyst carrier B and the catalyst carrier C, the voltage obtained by comparing the voltage before the start / stop repetition test and the voltage after 4000 start / stop repetitions. The deterioration rate was 5% or less. On the other hand, in the fuel cell 101 using the catalyst carrier A, the voltage deterioration rate comparing the voltage before the start / stop repetition test and the voltage after 1600 start / stop repetitions decreased by 8% or more. Accordingly, the fuel cell 101 using the catalyst carrier B and the catalyst carrier C has durability that can withstand practical use even if a normal stop process is performed. However, the fuel cell 101 using the catalyst carrier A has a special durability. It was suggested that sufficient durability could not be ensured without proper stopping treatment.

これらの評価試験から、結晶性の低いカーボン粉末を使用した触媒担持体Aの燃料電池101は、電池性能を充分に発揮することができるが、通常の停止処理では、劣化しやすいことがわかった。また、結晶性の高いカーボン粉末を使用した触媒担持体B及び触媒担持体Cの燃料電池101は、電池性能は低いが、通常の停止処理でも充分な耐久性を有することがわかった。   From these evaluation tests, it was found that the fuel cell 101 of the catalyst carrier A using the carbon powder having low crystallinity can sufficiently exhibit the cell performance, but is easily deteriorated by the normal stop treatment. . Further, it has been found that the fuel cell 101 of the catalyst carrier B and the catalyst carrier C using carbon powder having high crystallinity has low battery performance but has sufficient durability even in a normal stop treatment.

そこで、本発明者等は、結晶性の異なるカーボン粉末を、異なるセル(セルスタック)に用いることで、電池性能の向上と耐久性の向上を両立することができることを見出し、本発明を想到した。すなわち、燃料電池システムの停止時に、結晶性の高いカーボン粉末を用いた第1セル(第1セルスタック(群))を使用することで、通常の停止処理を行っても耐久性を維持するとともに、結晶性の低いカーボン粉末を用いた第2セル(第2セルスタック(群))を用いることで、電池性能の向上を図り、かつ、燃料電池システムの停止時に、第2セルへの酸化剤ガスの供給を停止することで、第2セル内の酸化剤ガスを充分に低減させて、触媒劣化を抑制することで、耐久性の向上を図ることを見出した。   Thus, the present inventors have found that the use of carbon powders having different crystallinity in different cells (cell stacks) can achieve both improvement in battery performance and improvement in durability, and have conceived the present invention. . That is, when the fuel cell system is stopped, by using the first cell (first cell stack (group)) using carbon powder having high crystallinity, the durability is maintained even if normal stop processing is performed. In addition, by using the second cell (second cell stack (group)) using carbon powder having low crystallinity, the battery performance is improved, and when the fuel cell system is stopped, the oxidant to the second cell It has been found that by stopping the supply of gas, the oxidant gas in the second cell is sufficiently reduced and catalyst deterioration is suppressed, thereby improving durability.

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の要旨を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。   From the foregoing description, many modifications and other embodiments of the present invention are obvious to one skilled in the art. Accordingly, the foregoing description should be construed as illustrative only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best mode of carrying out the invention. The details of the structure and / or function may be substantially changed without departing from the scope of the invention. Moreover, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiment.

本発明の燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法では、燃料電池システムの停止時に、触媒層のカーボンの劣化を抑制することで、高い耐久性を実現することが可能であるので、燃料電池の分野において有用である。   In the fuel cell system and the operation method of the fuel cell system of the present invention, high durability can be realized by suppressing carbon deterioration of the catalyst layer when the fuel cell system is stopped. Useful in the field.

1 高分子電解質膜
2A アノード触媒層
2B カソード触媒層
3A アノードガス拡散層
3B カソードガス拡散層
4A アノード電極
4B カソード電極
5 MEA(Membrane−Electrode−Assembly:膜−電極接合体)
6A アノードセパレータ
6B カソードセパレータ
7 ガスケット
8 燃料ガス流路
9 酸化剤ガス流路
10 冷却媒体流路
21 第1セル
22 第2セル
32 燃料ガス供給マニホールド
33 酸化剤ガス供給マニホールド
34 燃料ガス排出マニホールド
35 酸化剤ガス排出マニホールド
38 冷却媒体供給マニホールド
39 冷却媒体排出マニホールド
51 第1セルブロック
51A 第1セルブロック内部燃料ガス流路
51B 第1セルブロック内部酸化剤ガス流路
51C 第1セルブロック冷却媒体内部流路
52 第2セルブロック
52A 第2セルブロック内部燃料ガス流路
52B 第2セルブロック内部酸化剤ガス流路
52C 第2セルブロック冷却媒体内部流路
61 端板
62 端板
70 セル積層体
100 燃料電池システム
101 燃料電池
102 燃料ガス供給器
103 酸化剤ガス供給器
104 酸化剤ガス供給遮断機構
104A 酸化剤ガス供給切替器
104B 酸化剤ガスバイパス経路
105 冷却媒体供給器
106 電圧検出器
107 電力調整器
108 圧力検出器
110 制御器
132 燃料ガス供給経路
133 酸化剤ガス供給経路
134 燃料ガス接続経路
135 酸化剤ガス接続経路
136 燃料ガス排出経路
137 酸化剤ガス排出経路
138 冷却媒体供給経路
139 冷却媒体接続流路
140 冷却媒体排出経路
161 電気配線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Polymer electrolyte membrane 2A Anode catalyst layer 2B Cathode catalyst layer 3A Anode gas diffusion layer 3B Cathode gas diffusion layer 4A Anode electrode 4B Cathode electrode 5 MEA (Membrane-Electrode-Assembly: membrane-electrode assembly)
6A Anode separator 6B Cathode separator 7 Gasket 8 Fuel gas flow path 9 Oxidant gas flow path 10 Cooling medium flow path 21 First cell 22 Second cell 32 Fuel gas supply manifold 33 Oxidant gas supply manifold 34 Fuel gas discharge manifold 35 Oxidation Agent gas discharge manifold 38 Cooling medium supply manifold 39 Cooling medium discharge manifold 51 First cell block 51A First cell block internal fuel gas flow path 51B First cell block internal oxidant gas flow path 51C First cell block cooling medium internal flow path 52 2nd cell block 52A 2nd cell block internal fuel gas flow path 52B 2nd cell block internal oxidant gas flow path 52C 2nd cell block cooling medium internal flow path 61 End plate 62 End plate 70 Cell laminated body 100 Fuel cell system 101 burning Battery 102 Fuel gas supply device 103 Oxidant gas supply device 104 Oxidant gas supply shut-off mechanism 104A Oxidant gas supply switch 104B Oxidant gas bypass path 105 Cooling medium supply device 106 Voltage detector 107 Power regulator 108 Pressure detector 110 Controller 132 Fuel gas supply path 133 Oxidant gas supply path 134 Fuel gas connection path 135 Oxidant gas connection path 136 Fuel gas discharge path 137 Oxidant gas discharge path 138 Cooling medium supply path 139 Cooling medium connection path 140 Cooling medium discharge Route 161 Electrical wiring

Claims (10)

アノードと、カソードと、前記アノード及び前記カソードに挾持された電解質層と、を有するセルが積層されてなる第1セルブロックを1以上有する第1セルブロック群及びアノードと、カソードと、前記アノード及び前記カソードに挾持された電解質層と、を有するセルが積層されてなる第2セルブロックを1以上有する第2セルブロック群を有する燃料電池と、
前記燃料電池の前記第1セルブロック群及び前記第2セルブロック群に燃料ガス供給経路を介して燃料ガスを供給する燃料ガス供給器と、
前記燃料電池の前記第1セルブロック群及び前記第2セルブロック群に酸化剤ガス供給経路を介して酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、
前記燃料電池の第2セルブロック群への前記酸化剤ガスの供給を遮断するように構成された酸化剤ガス供給遮断機構と、
制御器と、を備え、
前記第1セルブロック群と前記第2セルブロック群は、電気的に直列に接続され、
前記第1セルブロック群の前記カソードは、電極触媒と該電極触媒を担持する第1カーボン粉末を含む第1触媒担持体を有する第1カソード触媒層を有し、
前記第2セルブロック群の前記カソードは、電極触媒と該電極触媒を担持する第1カーボン粉末を含む第2触媒担持体を有する第2カソード触媒層を有し、
前記第2カーボン粉末の結晶性は前記第1カーボン粉末の結晶性よりも低く、
前記制御器は、前記燃料ガス供給器及び前記酸化剤ガス供給器を作動させ、かつ、前記酸化剤ガス供給遮断機構により、前記第2セルブロック群への前記酸化剤ガスの供給を遮断させて劣化抑制発電を行い、
その後、前記燃料ガス供給器及び前記酸化剤ガス供給器を停止させる、燃料電池システム。
First cell block group and anode having one or more first cell blocks formed by laminating a cell having an anode, a cathode, and an anode and an electrolyte layer sandwiched between the cathode, a cathode, the anode, A fuel cell having a second cell block group having one or more second cell blocks formed by laminating cells having an electrolyte layer held between the cathodes;
A fuel gas supplier for supplying fuel gas to the first cell block group and the second cell block group of the fuel cell via a fuel gas supply path;
An oxidant gas supplier for supplying an oxidant gas to the first cell block group and the second cell block group of the fuel cell via an oxidant gas supply path;
An oxidant gas supply shut-off mechanism configured to shut off the supply of the oxidant gas to the second cell block group of the fuel cell;
A controller, and
The first cell block group and the second cell block group are electrically connected in series,
The cathode of the first cell block group includes a first cathode catalyst layer having a first catalyst support including an electrode catalyst and a first carbon powder supporting the electrode catalyst,
The cathode of the second cell block group has a second cathode catalyst layer having an electrode catalyst and a second catalyst support including a first carbon powder supporting the electrode catalyst,
The crystallinity of the second carbon powder is lower than the crystallinity of the first carbon powder,
The controller operates the fuel gas supply unit and the oxidant gas supply unit, and shuts off the supply of the oxidant gas to the second cell block group by the oxidant gas supply cutoff mechanism. Deterioration suppression power generation,
Then, the fuel cell system which stops the fuel gas supply unit and the oxidant gas supply unit.
前記第1触媒担持体のG−bandピーク半値幅が60cm−1以下であり、前記第2触媒担持体のG−bandピーク半値幅が60cm−1よりも大きい、請求項1に記載の燃料電池システム。 2. The fuel cell according to claim 1, wherein the first catalyst carrier has a G-band peak half-width of 60 cm −1 or less, and the second catalyst carrier has a G-band peak half-width of 60 cm −1 or more. system. 前記第2触媒担持体の含水率は、前記第1触媒担持体の含水率よりも大きい、請求項1に記載の燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein a moisture content of the second catalyst carrier is higher than a moisture content of the first catalyst carrier. 80℃、90%RH飽和水蒸気条件下における、前記第1触媒担持体の含水率が0.31g−HO/g−C以下であり、前記第2触媒担持体の含水率が0.31g−HO/g−Cより大きい、請求項3に記載の燃料電池システム。 Under the conditions of 80 ° C. and 90% RH saturated steam, the water content of the first catalyst carrier is 0.31 g-H 2 O / g-C or less, and the water content of the second catalyst carrier is 0.31 g. -H larger 2 O / g-C, the fuel cell system according to claim 3. 前記制御器は、前記燃料電池の前記第2セルブロック群を通流する前記酸化剤ガスの相対湿度の方が、前記第1セルブロック群を通流する前記酸化剤ガスの相対湿度よりも低くなるように前記燃料電池の発電を制御するように構成されている、請求項1に記載の燃料電池システム。   In the controller, the relative humidity of the oxidant gas flowing through the second cell block group of the fuel cell is lower than the relative humidity of the oxidant gas flowing through the first cell block group. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell system is configured to control power generation of the fuel cell. 前記制御器は、前記第2セルブロック群のカソード電位がアノード電位よりも低くなると、前記燃料ガス供給器及び前記酸化剤ガス供給器を停止させる、請求項1に記載の燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the controller stops the fuel gas supply unit and the oxidant gas supply unit when a cathode potential of the second cell block group becomes lower than an anode potential. 3. 前記第2セルブロック群の電圧を検出する電圧検出器をさらに備え、
前記制御器は、前記電圧検出器が検出した電圧が反転すると、前記燃料ガス供給器及び前記酸化剤ガス供給器を停止させる、請求項6に記載の燃料電池システム。
A voltage detector for detecting a voltage of the second cell block group;
The fuel cell system according to claim 6, wherein the controller stops the fuel gas supply device and the oxidant gas supply device when the voltage detected by the voltage detector is inverted.
前記第2セルブロック群には、各セルブロックを貫通し、かつ、各セルブロックの各セルを分流するようにして前記酸化剤ガスを流す第2セルブロック内部酸化剤ガス流路が設けられ、
前記燃料電池システムは、前記第2セルブロック内部酸化剤ガス流路の圧力を検出する圧力検出器をさらに備え、
前記制御器は、前記圧力検出器が検出する圧力が降下傾向から上昇傾向に変わると、前記燃料ガス供給器及び前記酸化剤ガス供給器を停止させる、請求項6に記載の燃料電池システム。
The second cell block group is provided with a second cell block internal oxidant gas flow channel that passes through each cell block and flows the oxidant gas so as to divert each cell of each cell block,
The fuel cell system further includes a pressure detector that detects a pressure of the oxidant gas flow path inside the second cell block,
The fuel cell system according to claim 6, wherein the controller stops the fuel gas supply device and the oxidant gas supply device when the pressure detected by the pressure detector changes from a decreasing tendency to an increasing tendency.
前記第1セルブロックには、該第1セルブロックを貫通し、かつ、各セルブロックの各セルを分流するようにして前記冷却媒体を流す第1セルブロック内部冷却媒体流路が設けられ、
前記第2セルブロックには、該第2セルブロックを貫通し、かつ、各セルブロックの各セルを分流するようにして前記冷却媒体を流す第2セルブロック内部冷却媒体流路が設けられ、
前記第1セルブロック内部冷却媒体流路と前記第2セルブロック内部冷却媒体流路は冷却媒体接続経路により直列に接続されている、請求項1に記載の燃料電池システム。
The first cell block is provided with a first cell block internal cooling medium flow path that passes through the first cell block and flows the cooling medium so as to divert each cell of each cell block,
The second cell block is provided with a second cell block internal cooling medium flow path that passes through the second cell block and flows the cooling medium so as to divert each cell of each cell block.
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the first cell block internal cooling medium flow path and the second cell block internal cooling medium flow path are connected in series by a cooling medium connection path.
燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池システムは、
アノードと、カソードと、前記アノード及び前記カソードに挾持された電解質層と、を有するセルが積層されてなる第1セルブロック群及び第2セルブロック群を有する燃料電池と、
前記燃料電池の前記第1セルブロック群及び前記第2セルブロック群に燃料ガス供給経路を介して燃料ガスを供給する燃料ガス供給器と、
前記燃料電池の前記第1セルブロック群及び前記第2セルブロック群に酸化剤ガス供給経路を介して酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、
前記燃料電池の第2セルブロックへの前記酸化剤ガスの供給を遮断するように構成された酸化剤ガス供給遮断機構と、を備え、
前記第1セルブロック群と前記第2セルブロック群は、電気的に直列に接続され、
前記第1セルブロックの前記カソードは、電極触媒と該電極触媒を担持する第1カーボン粉末を含む第1触媒担持体を有する第1カソード触媒層を有し、
前記第2セルブロックの前記カソードは、電極触媒と該電極触媒を担持する第1カーボン粉末を含む第2触媒担持体を有する第2カソード触媒層を有し、
前記第2カーボン粉末の結晶性は前記第1カーボン粉末の結晶性よりも低く、
前記酸化剤ガス供給遮断機構が、前記第2セルブロック群への前記酸化剤ガスの供給を遮断して劣化抑制発電を行い、
その後、前記燃料ガス供給器及び前記酸化剤ガス供給器を停止させる、燃料電池システムの運転方法。



A method for operating a fuel cell system, comprising:
The fuel cell system includes:
A fuel cell having a first cell block group and a second cell block group in which cells having an anode, a cathode, and an electrolyte layer sandwiched between the anode and the cathode are stacked;
A fuel gas supplier for supplying fuel gas to the first cell block group and the second cell block group of the fuel cell via a fuel gas supply path;
An oxidant gas supplier for supplying an oxidant gas to the first cell block group and the second cell block group of the fuel cell via an oxidant gas supply path;
An oxidant gas supply shut-off mechanism configured to shut off the supply of the oxidant gas to the second cell block of the fuel cell,
The first cell block group and the second cell block group are electrically connected in series,
The cathode of the first cell block has a first cathode catalyst layer having a first catalyst support including an electrode catalyst and a first carbon powder supporting the electrode catalyst;
The cathode of the second cell block has a second cathode catalyst layer having a second catalyst carrier including an electrode catalyst and a first carbon powder supporting the electrode catalyst;
The crystallinity of the second carbon powder is lower than the crystallinity of the first carbon powder,
The oxidant gas supply shut-off mechanism shuts off the supply of the oxidant gas to the second cell block group and performs deterioration suppressing power generation,
Thereafter, the fuel gas supply device and the oxidant gas supply device are stopped.



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