JP2001283881A - Fuel cell device and operating method of fuel cell device - Google Patents

Fuel cell device and operating method of fuel cell device

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JP2001283881A
JP2001283881A JP2000099725A JP2000099725A JP2001283881A JP 2001283881 A JP2001283881 A JP 2001283881A JP 2000099725 A JP2000099725 A JP 2000099725A JP 2000099725 A JP2000099725 A JP 2000099725A JP 2001283881 A JP2001283881 A JP 2001283881A
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fuel cell
reformer
fuel
anode
cathode
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Setsuo Omoto
節男 大本
Keiji Fujikawa
圭司 藤川
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enable to supply fuel and the like in high precision to a reformer of a fuel cell device and also to aim cost reduction and compactness of the fuel cell device. SOLUTION: A fuel cell device is equipped with a reformer 30 for generating fuel gas to be supplied to each anode A of the fuel cell FC. To the reformer 30, methanol, reforming water and reforming air are supplied at a constant pressure respectively from a fuel supply portion 1, a water supply portion 20 and a blower B. And the liquid pressure inside the reformer 30 is kept constant by a pressure control valve PRV 3 and electromagnetic valves SV1, SV2, SV3, SV4 are provided in the liquid lines L1, L2, L3, L4 connecting the reformer 30 with the water supply portion 20 and the blower B, which open and shut intermittently each line.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池装置、及
び、その運転方法に関し、特に、アノードとカソードと
によって挟持された高分子電解質を有する燃料電池によ
って電力を発生させる燃料電池装置、及び、その運転方
法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell device and a method of operating the fuel cell device, and more particularly, to a fuel cell device which generates electric power by a fuel cell having a polymer electrolyte sandwiched between an anode and a cathode, and It relates to the driving method.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来から、アノードとカソードとによっ
て挟持された電解質を有する燃料電池が知られている。
この種の燃料電池は、電極活物質としての燃料ガス(ア
ノード反応ガス)と酸化用ガス(カソード反応ガス)と
を利用した電気化学反応によって発生する電気エネルギ
を直接取り出すものあることから、特に、低温の作動領
域において高い発電効率を有する。従って、燃料電池を
備えた発電ユニットとしての燃料電池装置によれば、カ
ルノー効率の制約を受ける熱機関と比較して、高い総合
エネルギ効率を達成することが可能となり、また、電気
化学反応に伴って発生する熱エネルギの回収も容易であ
る。
2. Description of the Related Art Fuel cells having an electrolyte sandwiched between an anode and a cathode have been known.
This type of fuel cell directly extracts electric energy generated by an electrochemical reaction using a fuel gas (anode reaction gas) and an oxidizing gas (cathode reaction gas) as an electrode active material. It has high power generation efficiency in the low-temperature operation region. Therefore, according to the fuel cell device as a power generation unit equipped with a fuel cell, it is possible to achieve a higher overall energy efficiency as compared with a heat engine that is restricted by Carnot efficiency, It is also easy to recover the thermal energy generated.

【0003】燃料電池の電極活物質、及び、電解質とし
ては、水素、酸素、及び、プロトン伝導性電解質を用い
るのが一般的であり、この場合、アノードにおいて次の
(1)式に、カソードにおいて(2)式に、それぞれ示
す電極反応が進行し、全体として(3)式に示す全電池
反応が進行して起電力が発生する。 H2→2H++2e- …(1) (1/2)O2+2H++2e- …(2) H2+(1/2)O2→H2O …(3)
As an electrode active material and an electrolyte of a fuel cell, hydrogen, oxygen, and a proton conductive electrolyte are generally used. In this case, the following formula (1) is used for the anode and The electrode reaction shown in equation (2) proceeds, and the whole battery reaction shown in equation (3) proceeds as a whole to generate an electromotive force. H 2 → 2H + + 2e (1) (1/2) O 2 + 2H + + 2e (2) H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O (3)

【0004】このような電気化学反応によって電力を発
生する燃料電池は、電極活物質、電解質、及び、作動温
度等によって分類されるが、中でも、電解質として高分
子電解質を用いた、いわゆる高分子電解質型燃料電池
(PEMC)等は、小型軽量化が容易であることから、
電気自動車等の移動車両や小型コジェネレーションシス
テムの電源としての実用化が期待されている。高分子電
解質型燃料電池では、電解質としてプロトン導電性を有
する陽イオン交換膜(固体高分子電解質膜)が使用され
る。そして、燃料ガスとして、メタノールや天然ガスと
いった炭化水素系原燃料を水蒸気改質して生成される水
素含有ガスが用いられ、酸化用ガスとして、空気が用い
られる。
[0004] Fuel cells that generate electric power by such an electrochemical reaction are classified according to an electrode active material, an electrolyte, an operating temperature, and the like. Among them, a so-called polymer electrolyte using a polymer electrolyte as an electrolyte is particularly preferred. Type fuel cells (PEMC) etc. are easy to reduce in size and weight.
Practical application as a power source for mobile vehicles such as electric vehicles and small cogeneration systems is expected. In a polymer electrolyte fuel cell, a cation exchange membrane (solid polymer electrolyte membrane) having proton conductivity is used as an electrolyte. As a fuel gas, a hydrogen-containing gas generated by steam reforming a hydrocarbon raw fuel such as methanol or natural gas is used, and air is used as an oxidizing gas.

【0005】かかる高分子電解質型燃料電池のアノード
に供給するための燃料ガスを生成する改質装置について
説明すると、燃料ガスとしてメタノールを用いる場合、
改質装置では、まず、次の(4)式に示す反応が進行
し、メタノールと水とから、水素と一酸化炭素を含有す
る改質ガスが生成される。そして、(4)式の反応によ
って生成された改質ガスに含まれる未反応の一酸化炭素
が、(5)式に示すように、水と反応して二酸化炭素と
なる。これにより、改質装置によって、水素濃度に比し
て一酸化炭素濃度が極めて低い燃料ガスが生成される。
すなわち、改質装置全体では、次の(6)式に示す反応
が進行することになる。また、必要に応じて、燃料ガス
に空気又は純酸素を混入させて、次の(7)式に示すメ
タノールの部分酸化反応を進行させる場合もある。 CH3OH→CO+2H2−21.7kcal/mol …(4) CO+H2O→CO2+H2+9.8kcal/mol …(5) CH3OH+H2O→CO2+3H2−11.9Kcal/Mol …(6) CH3OH+1/2O2→CO+H2O+H2 +36.2kcal/mol …(7)
[0005] A reformer for producing a fuel gas to be supplied to the anode of such a polymer electrolyte fuel cell will be described.
In the reformer, first, the reaction shown in the following equation (4) proceeds, and a reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide is generated from methanol and water. Then, unreacted carbon monoxide contained in the reformed gas generated by the reaction of the formula (4) reacts with water to form carbon dioxide as shown in the formula (5). As a result, the reformer generates fuel gas having an extremely low carbon monoxide concentration as compared with the hydrogen concentration.
That is, the reaction represented by the following equation (6) proceeds in the entire reforming apparatus. Further, if necessary, air or pure oxygen may be mixed into the fuel gas to advance the partial oxidation reaction of methanol represented by the following equation (7). CH 3 OH → CO + 2H 2 −21.7 kcal / mol (4) CO + H 2 O → CO 2 + H 2 +9.8 kcal / mol (5) CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 3H 2 −11.9 Kcal / Mol (6) CH 3 OH + OO 2 → CO + H 2 O + H 2 +36.2 kcal / mol (7)

【0006】上記(6)及び(7)式に示すように、メ
タノールを改質する際には、一酸化炭素がある程度生成
され、改質装置から燃料電池のアノードに供給される燃
料ガスにも含まれることになる。当該一酸化炭素は、ア
ノード反応ガスの燃料としてメタノール以外の炭化水素
を用いた場合であっても生成されてしまうものであり、
アノードの電極触媒に触媒毒として作用する。従って、
高分子電解質型の燃料電池では、アノードの長寿命化を
図る観点から、燃料ガス中の一酸化炭素濃度をできる限
り低下させる必要がある。燃料ガス中の一酸化炭素濃度
を低下させるためには、改質装置に対する燃料(メタノ
ール等)及び改質用流体(水、空気等)の供給量を常に
最適に制御することが重要となる。
[0006] As shown in the above formulas (6) and (7), when reforming methanol, carbon monoxide is generated to some extent, and the fuel gas supplied from the reformer to the anode of the fuel cell is also generated. Will be included. The carbon monoxide is generated even when a hydrocarbon other than methanol is used as a fuel of the anode reaction gas,
It acts as a catalyst poison on the anode electrode catalyst. Therefore,
In a polymer electrolyte fuel cell, it is necessary to reduce the concentration of carbon monoxide in the fuel gas as much as possible from the viewpoint of extending the life of the anode. In order to reduce the concentration of carbon monoxide in the fuel gas, it is important to always optimally control the supply amounts of the fuel (eg, methanol) and the reforming fluid (eg, water, air) to the reformer.

【0007】このため、従来の燃料電池装置には、燃料
タンクと改質装置を結ぶ燃料ラインや、水タンク等と改
質装置とを結ぶ改質流体ラインに、例えば、サーマルマ
スフローコントローラ等の高精度な流量調整手段が設け
られていた。この流量調整手段は、燃料電池に対する負
荷要求に対応するように正確に制御され、燃料ラインや
改質流体ラインの開度を変化させて改質装置に対する燃
料供給量及び改質流体供給量の調整を行う。
For this reason, in a conventional fuel cell device, a fuel line connecting a fuel tank and a reformer or a reforming fluid line connecting a water tank or the like and a reformer is provided with a high-performance device such as a thermal mass flow controller. An accurate flow rate adjusting means was provided. The flow rate adjusting means is accurately controlled so as to respond to a load demand for the fuel cell, and adjusts the fuel supply amount and the reforming fluid supply amount to the reforming device by changing the opening of the fuel line and the reforming fluid line. I do.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たように構成された従来の燃料電池装置には、次のよう
な問題点が存在していた。すなわち、従来の燃料電池装
置に設けられていたサーマルフローメータ等の流量調整
手段は、燃料ラインや改質流体ラインの開度を変化させ
るものであり、精度の面では優れたものといえるが、き
わめて高価であり、大きなサイズ、重量を有するもので
あった。しかも、これらの流量調整手段は、開度の調整
能力を向上させようとすればする程、コスト及びサイズ
が増大化してしまう。従って、このような流量調整手段
を燃料電池装置に多数適用すれば、装置全体のコスト及
びサイズも必然的に増大化してしまう。一方、車両搭載
や小型コジェネレーションシステムへの適用等を主目的
とする燃料電池装置には、低コストかつコンパクトであ
ることが求められる。このため、従来から、改質装置に
燃料等を精度よく供給可能であると共に低コストかつコ
ンパクトな構成の出現が望まれていた。
However, the conventional fuel cell device constructed as described above has the following problems. That is, the flow rate adjusting means such as the thermal flow meter provided in the conventional fuel cell device changes the degree of opening of the fuel line and the reforming fluid line, and can be said to be excellent in terms of accuracy. It was extremely expensive and had a large size and weight. Moreover, the cost and size of these flow rate adjusting means increase as the opening degree adjusting ability is improved. Therefore, if a large number of such flow rate adjusting means are applied to a fuel cell device, the cost and size of the entire device will inevitably increase. On the other hand, a fuel cell device mainly intended to be mounted on a vehicle or applied to a small cogeneration system is required to be low-cost and compact. For this reason, the appearance of a low-cost and compact configuration that can supply fuel and the like to the reformer with high accuracy has been desired.

【0009】そこで、本発明は、改質装置に燃料等を精
度よく供給することが可能であると共に、容易にコスト
ダウン化及びコンパクト化を図ることができる燃料電池
装置、及び、その運転方法の提供を目的とする。
Accordingly, the present invention provides a fuel cell device capable of accurately supplying fuel and the like to a reforming device, easily reducing costs and downsizing, and a method of operating the fuel cell device. For the purpose of providing.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】請求項1に記載の本発明
による燃料電池装置は、アノードとカソードとによって
挟持された高分子電解質を有する燃料電池を備え、改質
装置で生成されたアノード反応ガスをアノードに供給す
ると共にカソード反応ガス供給手段からカソード反応ガ
スをカソードに供給し、電気化学反応によって電力を発
生する燃料電池装置において、改質装置に対して略一定
の圧力で流体を供給可能な流体供給手段と、改質装置内
部の流体圧力を略一定に保つ圧力調整手段と、改質装置
と流体供給手段とを結ぶ流体ラインに設けられており、
当該流体ラインを断続的に開閉可能な流路開閉手段とを
備えることを特徴とする。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a fuel cell device comprising a fuel cell having a polymer electrolyte sandwiched between an anode and a cathode, wherein an anode reaction generated in a reformer is provided. In a fuel cell device that supplies gas to the anode and supplies cathode reaction gas to the cathode from the cathode reaction gas supply means and generates electric power by an electrochemical reaction, a fluid can be supplied to the reformer at a substantially constant pressure. Fluid supply means, pressure adjusting means for keeping the fluid pressure inside the reformer substantially constant, and a fluid line connecting the reformer and the fluid supply means,
And a flow path opening / closing means capable of opening and closing the fluid line intermittently.

【0011】この燃料電池装置は、移動車両や小型コジ
ェネレーションシステムの電源として採用すると好適な
ものであり、アノードとカソードとによって挟持された
固体高分子電解質膜等の電解質が含まれる燃料電池を備
える。この燃料電池のカソードには、改質装置によって
生成される水素含有ガス等のアノード反応ガス(燃料ガ
ス)が供給される。また、燃料電池のカソードには、ブ
ロア等からなるカソード反応ガス供給装置によって空気
等のカソード反応ガス(酸化用ガス)が供給される。こ
れにより、アノードでアノード反応ガスが、カソードで
カソード反応ガスがそれぞれ電気化学反応し、燃料電池
全体では所定の全電池反応が進行して起電力が得られ
る。
The fuel cell device is suitable for use as a power source for a mobile vehicle or a small cogeneration system, and includes a fuel cell containing an electrolyte such as a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between an anode and a cathode. . An anode reaction gas (fuel gas) such as a hydrogen-containing gas generated by the reformer is supplied to the cathode of the fuel cell. A cathode reaction gas (oxidizing gas) such as air is supplied to the cathode of the fuel cell by a cathode reaction gas supply device including a blower or the like. Thereby, the anode reactant gas reacts at the anode and the cathode reactant gas reacts at the cathode, and a predetermined whole cell reaction proceeds in the entire fuel cell to obtain an electromotive force.

【0012】このように構成された燃料電池装置では、
アノード反応ガスに含まれる一酸化炭素の濃度をできる
限り低下させるために、改質装置に対する燃料(メタノ
ール等)及び改質用流体(水、空気等)の供給量を常に
最適に制御する必要がある。このために、この燃料電池
装置では、燃料や改質用流体といった所定の流体の供給
源となる流体供給手段と改質装置とを結ぶ流体ラインに
流路開閉手段が設けられている。この流路開閉手段は当
該流体ラインを断続的に開閉可能なものである。また、
流体供給手段は、ポンプ又は圧縮機等からなり、燃料や
改質用流体といった所定の流体を流路開閉手段に対して
略一定の圧力で供給可能である。そして、改質装置内部
の流体圧力は、圧力調整手段によって常時、略一定に保
たれる。
In the fuel cell device configured as described above,
In order to reduce the concentration of carbon monoxide contained in the anode reaction gas as much as possible, it is necessary to always optimally control the supply amounts of the fuel (methanol, etc.) and the reforming fluid (water, air, etc.) to the reformer. is there. For this purpose, in this fuel cell device, a flow passage opening / closing means is provided in a fluid line connecting a fluid supply means serving as a supply source of a predetermined fluid such as a fuel or a reforming fluid to the reforming apparatus. The flow path opening / closing means can open / close the fluid line intermittently. Also,
The fluid supply means includes a pump, a compressor, or the like, and can supply a predetermined fluid such as a fuel or a reforming fluid to the flow path opening / closing means at a substantially constant pressure. The fluid pressure inside the reformer is always kept substantially constant by the pressure adjusting means.

【0013】このように構成された燃料電池装置では、
流体供給手段から燃料や改質用流体等の所定の流体が略
一定の圧力で流路開閉手段に供給されるので、流路開閉
手段の入口における流体圧力は常時、略一定になる。ま
た、改質装置内部の流体圧力が圧力調整手段によって常
時、略一定に保たれているので、流路開閉手段の出口に
おける流体圧力も常時、略一定になる。すなわち、かか
る構成のもとでは、流路開閉手段の入口と出口との間の
差圧は、常に略一定に保たれることになる。
In the fuel cell device configured as described above,
Since a predetermined fluid such as a fuel or a reforming fluid is supplied from the fluid supply means to the flow path opening / closing means at a substantially constant pressure, the fluid pressure at the inlet of the flow path opening / closing means is always substantially constant. Further, since the fluid pressure inside the reformer is always kept substantially constant by the pressure adjusting means, the fluid pressure at the outlet of the flow path opening / closing means also becomes almost always constant. That is, under such a configuration, the differential pressure between the inlet and the outlet of the flow path opening / closing means is always kept substantially constant.

【0014】このように、流路開閉手段の入口と出口と
の間の差圧を略一定に保つことにより、流量特性が極め
て単純化され、当該差圧と流路開閉手段の開通時間とか
ら改質装置に対する流体の供給量を極めて容易に定める
ことが可能となる。従って、この燃料電池装置では、流
路開閉手段を開閉制御するだけで、改質装置に対する流
体の供給量、すなわち、燃料(メタノール等)及び改質
用流体(水、空気等)の供給量を常に最適かつ精度よく
調節することが可能となる。加えて、流路開閉手段とし
て、サイズが大きく高価なサーマルマスフローコントロ
ーラ等を使用する必要がなくなり、小型で安価な電磁弁
等を採用可能となる。従って、燃料電池装置全体を大幅
にコストダウン化、コンパクト化することができる。
As described above, by maintaining the pressure difference between the inlet and the outlet of the flow path opening / closing means substantially constant, the flow rate characteristics are extremely simplified, and the flow rate characteristics are greatly reduced. The supply amount of the fluid to the reformer can be determined very easily. Therefore, in this fuel cell device, the supply amount of the fluid to the reformer, that is, the supply amount of the fuel (methanol or the like) and the supply amount of the reforming fluid (water or air or the like) to the reformer is controlled only by controlling the opening and closing of the flow path opening and closing means. Adjustment can always be performed optimally and accurately. In addition, it is not necessary to use a large and expensive thermal mass flow controller or the like as the flow path opening / closing means, so that a small and inexpensive solenoid valve or the like can be adopted. Therefore, the entire fuel cell device can be significantly reduced in cost and size.

【0015】また、圧力調整手段は、改質装置からアノ
ードにアノード反応ガスを供給するためのガスラインに
設けられており、改質装置の出口におけるアノード反応
ガスの圧力を略一定に保つものであると好ましい。
The pressure adjusting means is provided in a gas line for supplying the anode reaction gas from the reformer to the anode, and keeps the pressure of the anode reaction gas at the outlet of the reformer substantially constant. It is preferred that there is.

【0016】このような構成を採用すれば、きわめて容
易に改質装置内部の流体圧力を略一定に保つことができ
る。また。このような圧力調整手段として、一般的な圧
力調整弁(開度調整弁)を採用することが可能となるの
で、燃料電池装置のコストアップを抑制できる。
By adopting such a configuration, the fluid pressure inside the reformer can be very easily maintained substantially constant. Also. As such a pressure adjusting means, a general pressure adjusting valve (opening adjusting valve) can be adopted, so that an increase in cost of the fuel cell device can be suppressed.

【0017】更に、燃料電池に対する負荷要求に基づい
て、流路開閉手段の開通時間と閉止時間との割合を設定
する制御手段を更に備えると好ましい。
Further, it is preferable to further comprise a control means for setting a ratio between an opening time and a closing time of the flow path opening / closing means based on a load request for the fuel cell.

【0018】このような構成を採用すれば、燃料電池に
対する負荷要求が変化し、燃料電池に供給すべきアノー
ド反応ガスの量が変化したとしても、常に、一酸化炭素
濃度が極めて低いアノード反応ガスを改質装置で生成可
能となる。従って、燃料電池を安定的に作動させると共
に、アノードの寿命を長期化させることができる。
By adopting such a configuration, even if the load demand on the fuel cell changes and the amount of the anode reactant gas to be supplied to the fuel cell changes, the anode reactant gas having an extremely low carbon monoxide concentration is always maintained. Can be generated by the reformer. Therefore, the fuel cell can be operated stably, and the life of the anode can be prolonged.

【0019】また、流路開閉手段は、弁本体に形成され
た流路を開閉する弁体に取り付けられた可動鉄心と、可
動鉄心を覆うように配置された電磁コイルとを備える電
磁弁であると好ましい。
The flow path opening / closing means is an electromagnetic valve including a movable iron core attached to a valve body that opens and closes a flow path formed in the valve body, and an electromagnetic coil arranged to cover the movable iron core. Is preferred.

【0020】このような電磁弁は、きわめて低コストか
つコンパクトに製造可能であり、かつ、確実に作動させ
ることが可能なものである。従って、このような構成を
採用すれば、燃料電池装置全体を大幅にコストダウン
化、コンパクト化することができる。この場合、可動鉄
心を弁本体に形成された流路内に配置すれば、より一層
のコンパクト化を図ることができる。
Such an electromagnetic valve can be manufactured at a very low cost and in a compact manner, and can be reliably operated. Therefore, by adopting such a configuration, it is possible to greatly reduce the cost and size of the entire fuel cell device. In this case, if the movable iron core is arranged in a flow path formed in the valve body, further downsizing can be achieved.

【0021】更に、流路開閉手段に駆動電圧を断続的に
印加するためのパルス信号を発生するパルス発生手段を
更に備え、制御手段は、燃料電池に対する負荷要求に応
じて流路開閉手段の開通時間と閉止時間とを定め、当該
開通時間と閉止時間とに応じたパルス信号をパルス発生
手段に発生させるものであると好ましい。
Further, there is further provided a pulse generating means for generating a pulse signal for intermittently applying a drive voltage to the flow passage opening / closing means, wherein the control means opens the flow passage opening / closing means in response to a load request for the fuel cell. It is preferable that a time and a closing time are determined, and a pulse signal corresponding to the opening time and the closing time is generated by the pulse generating means.

【0022】このような構成を採用すれば、流路開閉手
段としての電磁弁を極めて確実かつ精度よく開閉制御す
ることができる。これにより、改質装置に対する流体の
供給量を極めて精度よく調節することが可能となる。
By adopting such a configuration, it is possible to control the opening and closing of the solenoid valve as the passage opening and closing means very reliably and accurately. As a result, it is possible to adjust the supply amount of the fluid to the reformer very accurately.

【0023】請求項6に記載の本発明による燃料電池装
置の運転方法は、アノードとカソードとによって挟持さ
れた高分子電解質を有する燃料電池を用い、改質装置で
生成したアノード反応ガスをアノードに供給すると共に
カソード反応ガス供給手段からカソード反応ガスをカソ
ードに供給し、アノード反応ガスとカソード反応ガスと
を電気化学反応させて電力を発生する燃料電池装置の運
転方法において、改質装置に所定の流体を供給するため
の流体ラインに流路開閉手段を設け、当該流路開閉手段
の入口における流体圧力と改質装置内部の流体圧力との
差を略一定に保ちながら、流路開閉手段を断続的に開閉
させ、改質装置に所定の流体を供給することを特徴とす
る。
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a method for operating a fuel cell device according to the present invention, wherein a fuel cell having a polymer electrolyte sandwiched between an anode and a cathode is used, and an anode reaction gas generated by a reformer is supplied to the anode. In the method of operating a fuel cell device, which supplies a cathode reactant gas to a cathode from a cathode reactant gas supply means and supplies an anode reactant gas and a cathode reactant gas by electrochemical reaction, a predetermined amount is supplied to a reformer. A flow path opening / closing means is provided in a fluid line for supplying a fluid, and the flow path opening / closing means is intermittently connected while maintaining a substantially constant difference between a fluid pressure at an inlet of the flow path opening / closing means and a fluid pressure inside the reformer. And a predetermined fluid is supplied to the reformer.

【0024】この場合、改質装置の出口におけるアノー
ド反応ガスの圧力を略一定に保つことにより、改質装置
内部の流体圧力を略一定に保つと好ましい。
In this case, it is preferable that the pressure of the anode reaction gas at the outlet of the reformer is kept substantially constant, so that the fluid pressure inside the reformer is kept substantially constant.

【0025】また、燃料電池に対する負荷要求に応じて
改質装置に対する流体の供給継続時間と供給停止時間と
を定めると好ましい。
It is preferable that the supply time of the fluid to the reformer and the supply stop time are determined in accordance with the load demand on the fuel cell.

【0026】[0026]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
による燃料電池装置、及び、燃料電池装置の運転方法の
好適な実施形態について詳細に説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of a fuel cell device and a method of operating a fuel cell device according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

【0027】図1は、本発明による燃料電池装置を示す
系統図である。同図に示す燃料電池装置1は、移動車両
や小型コジェネレーションシステムの電源として採用す
ると好適なものであり、固体高分子電解質型の燃料電池
FCを備える。この燃料電池FCは、水素を含む燃料ガ
ス(アノード反応ガス)と、酸化用ガスとしての空気
(カソード反応ガス)とを利用した電気化学反応によっ
て電気エネルギを発生する。燃料電池FCが発生する電
気エネルギは、移動車両の駆動源や小型コジェネレーシ
ョンシステムの発電源として利用される。なお、燃料電
池装置1に、直接メタノール型燃料電池(DMFC)を
備えることも可能である。
FIG. 1 is a system diagram showing a fuel cell device according to the present invention. The fuel cell device 1 shown in FIG. 1 is suitable for use as a power source for a mobile vehicle or a small cogeneration system, and includes a solid polymer electrolyte fuel cell FC. The fuel cell FC generates electric energy by an electrochemical reaction using a fuel gas containing hydrogen (anode reaction gas) containing hydrogen and air (cathode reaction gas) as an oxidizing gas. The electric energy generated by the fuel cell FC is used as a driving source for a moving vehicle or a power source for a small cogeneration system. The fuel cell device 1 may include a direct methanol fuel cell (DMFC).

【0028】図1に示すように、燃料電池装置1は、燃
料ガスを生成するための燃料供給部10、水供給部2
0、及び、改質装置30を備えている。燃料供給部10
は、燃料ガスを生成するためのメタノールを貯留する燃
料タンク11を有する。燃料タンク11内には、燃料ポ
ンプP1が配置されており、燃料ポンプP1の吐出口に
は、圧力調整ラインLP1の一端が接続されている。圧
力調整ラインLP1は、中途に圧力調整弁PRV1を有
し、その他端側は燃料タンク11内に導かれている。圧
力調整弁PRV1は、燃料ポンプP1から吐出されて圧
力調整ラインLP1内を流通する流体圧力を所定値に保
つ。なお、圧力調整弁PRV1による圧力調整によって
余剰となったメタノールは、圧力調整ラインLP1を介
して燃料タンク11内に返送される。
As shown in FIG. 1, a fuel cell device 1 includes a fuel supply unit 10 for generating fuel gas, a water supply unit 2
0 and a reformer 30. Fuel supply unit 10
Has a fuel tank 11 for storing methanol for generating fuel gas. A fuel pump P1 is disposed in the fuel tank 11, and one end of a pressure adjustment line LP1 is connected to a discharge port of the fuel pump P1. The pressure adjustment line LP1 has a pressure adjustment valve PRV1 halfway, and the other end is guided into the fuel tank 11. The pressure regulating valve PRV1 keeps a fluid pressure discharged from the fuel pump P1 and flowing through the pressure regulating line LP1 at a predetermined value. In addition, excess methanol due to pressure adjustment by the pressure adjustment valve PRV1 is returned to the fuel tank 11 via the pressure adjustment line LP1.

【0029】また、圧力調整ラインLP1からは、燃料
ポンプP1と圧力調整弁PRV1との間において燃料ラ
インL1が分岐されている。燃料ラインL1は、中途に
流路開閉手段として機能する電磁弁SV1を有し、燃料
供給ラインLSに接続されている。ここで、上述したよ
うに、燃料ポンプP1と圧力調整弁PRV1との間にお
ける圧力調整ラインLP1内の流体圧力は、燃料供給部
10の圧力調整弁PRV1によって一定に保たれてい
る。従って、電磁弁SV1の上流側における燃料ライン
L1内の流体圧力は常に一定となる。
A fuel line L1 branches from the pressure adjustment line LP1 between the fuel pump P1 and the pressure adjustment valve PRV1. The fuel line L1 has an electromagnetic valve SV1 functioning as a flow path opening / closing means on the way, and is connected to the fuel supply line LS. Here, as described above, the fluid pressure in the pressure adjustment line LP1 between the fuel pump P1 and the pressure adjustment valve PRV1 is kept constant by the pressure adjustment valve PRV1 of the fuel supply unit 10. Therefore, the fluid pressure in the fuel line L1 on the upstream side of the solenoid valve SV1 is always constant.

【0030】同様に、水供給部20は、燃料(メタノー
ル)を改質する際に改質用流体として利用される水を貯
留する水タンク21を有する。水タンク21内には、水
ポンプP2が配置されており、水ポンプP2の吐出口に
は、圧力調整ラインLP2の一端が接続されている。こ
の圧力調整ラインLP2も、中途に圧力調整弁PRV2
を有し、その他端側は水タンク21内に導かれている。
圧力調整弁PRV2は、水ポンプP2から吐出されて圧
力調整ラインLP2内を流通する流体圧力を所定値に保
つ。なお、圧力調整弁PRV2による圧力調整によって
余剰となった水は、圧力調整ラインLP2を介して水タ
ンク21内に返送される。
Similarly, the water supply section 20 has a water tank 21 for storing water used as a reforming fluid when reforming fuel (methanol). A water pump P2 is disposed in the water tank 21, and one end of a pressure adjustment line LP2 is connected to a discharge port of the water pump P2. This pressure adjustment line LP2 also has a pressure adjustment valve PRV2
And the other end is guided into the water tank 21.
The pressure regulating valve PRV2 keeps the fluid pressure discharged from the water pump P2 and flowing through the pressure regulating line LP2 at a predetermined value. The surplus water due to the pressure adjustment by the pressure adjustment valve PRV2 is returned to the water tank 21 via the pressure adjustment line LP2.

【0031】そして、圧力調整ラインLP2からは、水
ポンプP2と圧力調整弁PRV2との間において改質用
水ラインL2が分岐されている。改質用水ラインL2
は、中途に流路開閉手段として機能する電磁弁SV2を
有し、燃料ラインL1と燃料供給ラインLSとの接続部
に合流している。ここで、上述したように、水ポンプP
2と圧力調整弁PRV2との間における圧力調整ライン
LP2内の流体圧力は、水供給部20の圧力調整弁PR
V2によって一定に保たれている。従って、電磁弁SV
2の上流側における改質用水ラインL2内の流体圧力は
常に一定となる。
The reforming water line L2 branches off from the pressure adjusting line LP2 between the water pump P2 and the pressure adjusting valve PRV2. Reforming water line L2
Has an electromagnetic valve SV2 functioning as a flow path opening / closing means on the way, and joins a connection portion between the fuel line L1 and the fuel supply line LS. Here, as described above, the water pump P
The fluid pressure in the pressure adjustment line LP2 between the pressure adjustment valve PRV2 and the pressure adjustment valve PRV2 of the water supply unit 20
It is kept constant by V2. Therefore, the solenoid valve SV
The fluid pressure in the reforming water line L2 on the upstream side of 2 is always constant.

【0032】燃料供給部10から供給されるメタノール
と水供給部20から供給される改質用水は、燃料ライン
L1と、改質用水ラインL2と、燃料供給ラインLSと
の合流部で混ざり合い、燃料供給ラインLSを介して改
質装置30に供給される。改質装置30は、燃料供給部
10から供給されるメタノールを水供給部20から供給
される改質用水を利用した水蒸気改質によって水素を含
む燃料ガスを生成するものである。このため、改質装置
30は、蒸発部31、改質部32、及び、選択酸化部3
3を含む。
The methanol supplied from the fuel supply unit 10 and the reforming water supplied from the water supply unit 20 are mixed at the junction of the fuel line L1, the reforming water line L2, and the fuel supply line LS, The fuel is supplied to the reformer 30 via the fuel supply line LS. The reformer 30 generates a fuel gas containing hydrogen by steam reforming of methanol supplied from the fuel supply unit 10 using reforming water supplied from the water supply unit 20. For this reason, the reformer 30 includes the evaporator 31, the reformer 32, and the selective oxidizer 3
3 inclusive.

【0033】改質装置30における燃料ガスの生成工程
について説明すると、燃料供給部10及び水供給部20
からの水メタノール混合液は、燃料供給ラインLSを介
して、まず蒸発部31に供給される。蒸発部31は、図
示しないバーナを備えており、このバーナが発生する熱
によって水メタノール混合液は気化・昇温して水メタノ
ール混合ガスとなる。そして、蒸発部31で気化・昇温
した水メタノール混合ガスは、改質部32に流入する。
The fuel gas generation process in the reformer 30 will be described. The fuel supply unit 10 and the water supply unit 20
Is first supplied to the evaporator 31 via the fuel supply line LS. The evaporating section 31 includes a burner (not shown), and the heat generated by the burner vaporizes and raises the temperature of the water-methanol mixture to form a water-methanol mixture. Then, the water-methanol mixed gas vaporized and heated in the evaporator 31 flows into the reformer 32.

【0034】改質部32の内部には、改質触媒として、
例えば、微粒子状の触媒を坦持させたハニカム状の多孔
質体(図示せず)が配置されている。改質部32に流入
した水メタノール混合ガスが当該改質触媒の表面を通過
すると、上記(4)、(5)、及び、(6)式に示した
反応が進行し、これにより、水素リッチな改質ガスが生
成される。
Inside the reforming section 32, as a reforming catalyst,
For example, a honeycomb-shaped porous body (not shown) carrying a particulate catalyst is arranged. When the water-methanol mixed gas that has flowed into the reforming section 32 passes through the surface of the reforming catalyst, the reactions shown in the above equations (4), (5), and (6) progress, and as a result, The resulting reformed gas is generated.

【0035】なお、上記(4)〜(6)式に示す水蒸気
改質反応は、吸熱反応であることから、反応を進行させ
るための熱を改質部32内に供給する必要がある。この
ためには、蒸発部31から水メタノール混合ガスが熱を
同伴しながら改質部32に流れ込むように構成すると好
ましい。また、改質部32に所定の加熱装置を設け、反
応を進行させるための熱を当該加熱装置から改質部32
内に与えるように構成してもよい。なお、Cu−Zn触
媒によって水蒸気改質反応を進行させる場合、改質部3
2の内部温度を、250〜300℃の温度範囲にすると
好ましい。
Since the steam reforming reaction shown in the above formulas (4) to (6) is an endothermic reaction, it is necessary to supply heat into the reforming section 32 to advance the reaction. To this end, it is preferable that the water / methanol mixed gas be flowed from the evaporator 31 into the reformer 32 while entraining heat. Further, a predetermined heating device is provided in the reforming section 32, and heat for promoting the reaction is supplied from the heating apparatus to the reforming section 32.
You may comprise so that it may give inside. When the steam reforming reaction is advanced by the Cu—Zn catalyst, the reforming unit 3
It is preferable that the internal temperature of No. 2 be in a temperature range of 250 to 300 ° C.

【0036】更に、この改質部32には、中途に流路開
閉手段として機能する電磁弁SV3を有する空気ライン
L3が接続されており、改質部32内には、空気ライン
L3を介して改質用の空気が必要に応じて供給される。
改質部32内に改質用空気が供給された場合、改質部3
2では、蒸発部31から流入する水メタノール混合ガス
中のメタノールと改質用の空気に含まれる酸素との間
で、上記(7)式に示した反応が進行する。これによ
り、吸熱反応を進行させるために必要な熱を更に補うこ
とができる。
Further, an air line L3 having a solenoid valve SV3 functioning as a passage opening / closing means is connected to the reforming section 32, and the reforming section 32 is connected to the reforming section 32 via the air line L3. Reforming air is supplied as needed.
When the reforming air is supplied into the reforming section 32, the reforming section 3
In 2, the reaction represented by the above formula (7) proceeds between methanol in the water-methanol mixed gas flowing from the evaporator 31 and oxygen contained in the reforming air. As a result, the heat required to advance the endothermic reaction can be further supplemented.

【0037】このようにして改質部32で生成された改
質ガスは、次に、選択酸化部33に流入する。選択酸化
部33には、メタロシリケート触媒等のCO選択酸化触
媒を坦持させた多孔質体(図示せず)が配置されてい
る。また、選択酸化部33には、中途に電磁弁SV4
(流路開閉手段)を有する空気ラインL4が接続されて
おり、選択酸化部33内には、空気ラインL4を介して
CO酸化用の空気が供給される。そして、選択酸化部3
3に流入した改質ガスが当該CO選択酸化触媒の表面を
通過すると、空気ラインL4から供給されたCO酸化用
の空気が利用されて、次の(8)式に示す選択酸化反応
が進行する。 CO+1/2O2→CO2 …(8)
Next, the reformed gas generated in the reforming section 32 flows into the selective oxidizing section 33. In the selective oxidation section 33, a porous body (not shown) supporting a CO selective oxidation catalyst such as a metallosilicate catalyst is arranged. In addition, the selective oxidizing unit 33 includes a solenoid valve SV4
An air line L4 having (flow path opening / closing means) is connected, and air for CO oxidation is supplied into the selective oxidizing unit 33 via the air line L4. And the selective oxidation unit 3
When the reformed gas that has flowed into 3 passes through the surface of the CO selective oxidation catalyst, the CO oxidation air supplied from the air line L4 is used, and the selective oxidation reaction represented by the following equation (8) proceeds. . CO + 1 / 2O 2 → CO 2 (8)

【0038】これにより、改質部32で生成された改質
ガス中の一酸化炭素のみが選択的に酸化され、選択酸化
部33では、一酸化炭素濃度が十分に低減された燃料ガ
スが生成されることになる。そして、改質装置30の選
択酸化部33で生成された燃料ガスは、燃料ガス供給ラ
インL5を介して燃料電池FCに供給される。この燃料
ガス供給ラインL5には、改質装置30の近傍に位置す
るように圧力調整弁PRV3が配置されている。この圧
力調整弁PRV3は、改質装置出口における燃料ガス供
給ラインL5内の燃料ガスの圧力を常に所定値に維持す
るものである。これにより、改質装置30(蒸発部3
1、改質部32、及び、選択酸化部33)の内部におけ
る水メタノール混合ガス、改質ガスといった流体の圧力
を、燃料電池装置1のコストアップを抑制しながら常に
一定に保つことができる。
As a result, only the carbon monoxide in the reformed gas generated in the reforming section 32 is selectively oxidized, and in the selective oxidizing section 33, the fuel gas having a sufficiently reduced carbon monoxide concentration is generated. Will be done. Then, the fuel gas generated in the selective oxidizing unit 33 of the reformer 30 is supplied to the fuel cell FC via the fuel gas supply line L5. A pressure regulating valve PRV3 is disposed in the fuel gas supply line L5 so as to be located near the reformer 30. The pressure regulating valve PRV3 always maintains the pressure of the fuel gas in the fuel gas supply line L5 at the reformer outlet at a predetermined value. Thereby, the reformer 30 (evaporator 3
1, the pressure of the fluid such as the mixed gas of water / methanol and the reformed gas inside the reforming section 32 and the selective oxidizing section 33) can be always kept constant while suppressing an increase in the cost of the fuel cell device 1.

【0039】また、圧力調整弁PRV3の下流側には、
凝縮器35が配置されている。改質装置30から流出し
て燃料ガス供給ラインL5を流通する燃料ガスは、改質
装置30で進行する水蒸気改質反応の反応温度に応じて
昇温しているが、この凝縮器35で燃料電池FCの作動
温度近傍まで冷却される。これに伴い、燃料ガス中に含
まれている水蒸気も冷却されて凝縮し、燃料ガス中の水
蒸気分圧も燃料電池の作動温度における飽和水蒸気圧ま
で低下する。この結果、燃料電池FC内で燃料ガス中の
水蒸気が凝縮してしまうことを防止可能となり、凝縮し
た水によって燃料ガスの流入を妨げてしまうような事態
を防止することができる。なお、凝縮器35で回収され
た水は、水供給部20の水タンク21内に戻されて各種
用途に再利用される。
On the downstream side of the pressure regulating valve PRV3,
A condenser 35 is arranged. The fuel gas flowing out of the reformer 30 and flowing through the fuel gas supply line L5 is heated in accordance with the reaction temperature of the steam reforming reaction that proceeds in the reformer 30. The battery is cooled to near the operating temperature of the battery FC. Along with this, the water vapor contained in the fuel gas is also cooled and condensed, and the partial pressure of the water vapor in the fuel gas also decreases to the saturated water vapor pressure at the operating temperature of the fuel cell. As a result, it is possible to prevent the water vapor in the fuel gas from being condensed in the fuel cell FC, and to prevent a situation in which the condensed water hinders the flow of the fuel gas. The water collected by the condenser 35 is returned to the water tank 21 of the water supply unit 20 and reused for various uses.

【0040】一方、燃料電池装置1は、カソード反応ガ
スとしての空気を燃料電池FCに供給するカソード反応
ガス供給手段として、ブロアBを備える。このブロアB
は、中途に空気流量調整弁FRVを有する空気供給ライ
ンL6を介して燃料電池FCと接続されており、大気中
の空気を吸込んで所定圧力まで昇圧させ、燃料電池FC
に対して圧送する。これにより、燃料電池FCには、圧
縮されて所定温度(例えば、120℃程度)まで昇温し
た空気が供給されることになる。
On the other hand, the fuel cell device 1 includes a blower B as a cathode reaction gas supply means for supplying air as a cathode reaction gas to the fuel cell FC. This blower B
Is connected to the fuel cell FC via an air supply line L6 having an air flow regulating valve FRV halfway, and sucks air in the atmosphere to increase the pressure to a predetermined pressure.
Pressure feed. As a result, the compressed air heated to a predetermined temperature (for example, about 120 ° C.) is supplied to the fuel cell FC.

【0041】また、上述した改質用空気を選択酸化部3
3に供給するための空気ラインL4は、ブロアBに接続
された空気供給ラインL6から分岐されており、改質用
空気を改質部32に供給するための空気ラインL3は、
この空気ラインL4から分岐されている。すなわち、ブ
ロアBは、改質装置30の改質部32及び選択酸化部3
3に改質用空気を供給する流体供給手段としても機能す
る。これにより、改質用空気を供給するための供給源を
別途設ける必要がなくなるので、燃料電池装置1全体の
コンパクト化を図ることができる。
Further, the above-described reforming air is supplied to the selective oxidation section 3.
3 is branched from an air supply line L6 connected to the blower B, and an air line L3 for supplying reforming air to the reforming section 32 is
It is branched from this air line L4. That is, the blower B includes the reformer 32 and the selective oxidizer 3 of the reformer 30.
3 also functions as a fluid supply means for supplying reforming air. This eliminates the need to separately provide a supply source for supplying the reforming air, so that the entire fuel cell device 1 can be made compact.

【0042】このようにして、燃料電池FCは、改質装
置30から燃料ガスの供給を受け、ブロアBから空気の
供給を受けることになる。この燃料電池FCについて詳
細に説明すると、燃料電池FCは、図2に示すように、
単セルUC(図3参照)とセパレータSP(図4参照)
とを図示しないシール材を介して交互に多数積層させた
スタック40を有する。このスタック40は、各単セル
UCのアノードAと接続されたアノード集電板41a
と、各単セルUCのカソードCと接続されたカソード集
電板41bとによって挟持されており、アノード集電板
41aとカソード集電板41bとの外方には、絶縁板4
2が配置されている。
As described above, the fuel cell FC receives the supply of the fuel gas from the reformer 30 and the supply of the air from the blower B. The fuel cell FC will be described in detail. As shown in FIG.
Single cell UC (see FIG. 3) and separator SP (see FIG. 4)
And a stack 40 in which a large number are alternately stacked via a sealing material (not shown). The stack 40 includes an anode current collector 41a connected to the anode A of each single cell UC.
And a cathode current collector 41b connected to the cathode C of each unit cell UC, and an insulating plate 4 is provided outside the anode current collector 41a and the cathode current collector 41b.
2 are arranged.

【0043】各絶縁板42の外方には、スタック締付板
43を介してフランジ44a,44bが配置されてい
る。各フランジ44a,44bは、膜板45によって連
結されると共に強固に締め付けられている。これによ
り、スタック40、アノード集電板41a、カソード集
電板41b、絶縁板42等が一体化される。なお、各フ
ランジ44a,44bは、リブ構造を有する無垢材から
なり、これにより、燃料電池FC全体が軽量化される。
また、絶縁板42とフランジ44a,44bとの間に
は、皿ばね等の弾性体46を配置すると好ましく、これ
により、燃料電池FCの温度上昇、温度降下によるスタ
ック40の伸縮を吸収することができる。
Outside the insulating plates 42, flanges 44a, 44b are arranged via a stack tightening plate 43. The flanges 44a and 44b are connected by a membrane plate 45 and firmly fastened. As a result, the stack 40, the anode current collector 41a, the cathode current collector 41b, the insulating plate 42, and the like are integrated. Each of the flanges 44a and 44b is made of a solid material having a rib structure, thereby reducing the weight of the entire fuel cell FC.
Further, it is preferable to dispose an elastic body 46 such as a disc spring between the insulating plate 42 and the flanges 44a and 44b, thereby absorbing expansion and contraction of the stack 40 due to temperature rise and temperature drop of the fuel cell FC. it can.

【0044】更に、燃料電池FCは、カソード集電板4
1b側に位置する絶縁板42の左上コーナー部を貫通す
る燃料ガス入口47a(アノード反応ガス入口)を有
し、この燃料ガス入口47aには、改質装置30と連な
る燃料ガス供給ラインL5が接続される。また、燃料電
池FCは、カソード集電板41b側に位置する絶縁板4
2の右上コーナー部を貫通する空気入口47b(カソー
ド反応ガス入口)を有し、この空気入口47bには、ブ
ロアBと連なる空気供給ラインL6が接続される。これ
により、燃料ガス入口47aから各単セルUCのアノー
ドAに燃料ガスが流れ込み、空気入口47bから各単セ
ルUCのカソードCに酸化用ガスとしての空気が流れ込
むことになる。
Further, the fuel cell FC includes a cathode current collector 4
The fuel gas inlet 47a (anode reaction gas inlet) penetrates the upper left corner of the insulating plate 42 located on the 1b side, and a fuel gas supply line L5 connected to the reformer 30 is connected to the fuel gas inlet 47a. Is done. Further, the fuel cell FC includes an insulating plate 4 located on the side of the cathode current collector 41b.
2 has an air inlet 47b (cathode reaction gas inlet) penetrating through the upper right corner, and an air supply line L6 connected to the blower B is connected to the air inlet 47b. As a result, the fuel gas flows from the fuel gas inlet 47a to the anode A of each unit cell UC, and the air as the oxidizing gas flows from the air inlet 47b to the cathode C of each unit cell UC.

【0045】図3に示すように、各単セルUCは、電解
質膜EMをガス拡散電極であるアノードAとカソードC
とによって挟持させたものである。電解質膜EMは、例
えばフッ素系樹脂等の固体高分子材料によって形成され
ており、湿潤状態下で良好なイオン伝導性を示すイオン
交換膜である。電解質膜を構成する固体高分子材料とし
ては、ナフィオン膜(デュポン社製)のほか、パーフル
オロカーボンスルホン酸樹脂、ポリサルホン樹脂、パー
フルオロカルボン酸樹脂、スルホン酸基を有するポリス
チレン系陽イオン交換樹脂、フルオロカーボンマトリッ
クスとトリフルオロエチレンとのグラフト共重合樹脂、
ポリエチレンスルホン酸樹脂、及び、ポリビニルスルホ
ン酸樹脂等を用いることができる。
As shown in FIG. 3, each single cell UC includes an electrolyte membrane EM having an anode A and a cathode C which are gas diffusion electrodes.
It is made to be pinched by. The electrolyte membrane EM is an ion exchange membrane formed of, for example, a solid polymer material such as a fluorine-based resin and showing good ion conductivity in a wet state. Examples of the solid polymer material constituting the electrolyte membrane include a Nafion membrane (manufactured by DuPont), a perfluorocarbon sulfonic acid resin, a polysulfone resin, a perfluorocarboxylic acid resin, a polystyrene-based cation exchange resin having a sulfonic acid group, and a fluorocarbon. A graft copolymer resin of a matrix and trifluoroethylene,
A polyethylene sulfonic acid resin, a polyvinyl sulfonic acid resin, or the like can be used.

【0046】一方、ガス拡散電極であるアノードA及び
カソードCは、何れもガス拡散層と、ガス拡散層上に形
成された反応層(触媒層)とからなる。ここで、ガス拡
散層と反応層とについて簡単に説明すると、ガス拡散層
は、各単セルUC毎に供給された燃料ガス又は空気を反
応層側に円滑かつ均一に供給すると共に、反応層におけ
る電極反応によって生じる電子を単セルUCの外部に放
出させる役割を担うものである。 ガス拡散層として
は、例えば、電気伝導性を有する多孔質体(本実施形態
では、炭素繊維からなるカーボンペーパ)にフッ素系樹
脂(例えば、PTFE〔ポリテトラフルオロエチレ
ン〕)を用いて撥水化処理を施したものが使用される。
On the other hand, the anode A and the cathode C, which are gas diffusion electrodes, each comprise a gas diffusion layer and a reaction layer (catalyst layer) formed on the gas diffusion layer. Here, the gas diffusion layer and the reaction layer will be briefly described. The gas diffusion layer smoothly and uniformly supplies the fuel gas or air supplied for each single cell UC to the reaction layer side, It plays a role in releasing electrons generated by the electrode reaction to the outside of the single cell UC. As the gas diffusion layer, for example, a water-repellent material is used by using a fluorocarbon resin (for example, PTFE [polytetrafluoroethylene]) on a porous body having electrical conductivity (in this embodiment, carbon paper made of carbon fiber). The treated one is used.

【0047】また、反応層は、アノードでは、上記
(1)式、カソードでは、上記(2)式にそれぞれ示す
電極反応が進行させる役割を担う。この反応層は、いわ
ゆる反応サイトの三次元化、すなわち、触媒とイオン伝
導性の電解質からなる領域(電解質ネットワーク)と燃
料ガス又は空気が供給される領域(ガス拡散ネットワー
ク)との三相界面面積の増大化が図られている。具体的
には、触媒表面積の大きな触媒担持カーボンブラック微
粒子で基礎となる骨格を形成し、当該骨格の一部分にP
TFE等の撥水剤を分散させて撥水化処理を施すること
により、疎水性のガス拡散ネットワークを構築する。そ
して、上記骨格の他の部分に、高分子電解質を有機溶媒
に溶解させた溶液を浸透塗布等して、触媒担持カーボン
ブラックの表面を高分子電解質で被覆し親水性の電解質
ネットワークを構築する。これにより、燃料ガス又は空
気とイオン(プロトン)と触媒とを効率よく接触させて
各電極反応を速やかに進行させることが可能となる。
The reaction layer plays the role of promoting the electrode reactions represented by the above formula (1) at the anode and the above formula (2) at the cathode. This reaction layer is a three-dimensional reaction site, that is, a three-phase interface area between a region formed of a catalyst and an ion-conductive electrolyte (electrolyte network) and a region supplied with fuel gas or air (gas diffusion network). Is being increased. Specifically, a basic skeleton is formed from catalyst-supporting carbon black fine particles having a large catalyst surface area, and P
A hydrophobic gas diffusion network is constructed by dispersing a water repellent such as TFE and performing a water repellent treatment. Then, a solution obtained by dissolving a polymer electrolyte in an organic solvent is applied to the other portion of the skeleton by, for example, permeation coating, so that the surface of the catalyst-carrying carbon black is coated with the polymer electrolyte to construct a hydrophilic electrolyte network. This makes it possible to efficiently contact the fuel gas or air, the ions (protons), and the catalyst, and to promptly advance the respective electrode reactions.

【0048】このようなガス拡散層と反応層とからなる
アノードAとカソードCは、以下のような手順に従って
製造される。先ず、界面活性剤を含む有機溶媒中に親水
性のカーボンブラック微粒子と疎水性のカーボンブラッ
ク微粒子とPTFEとを混入し、USHM(超音波ホモ
ジナイザー)やビーズミルなどによって分散混合させて
ペースト状のスラリーを調製する。次に、当該スラリー
をガス拡散層となるカーボンぺーパ上に厚さが均一にな
るように塗布した上で乾燥させる。そして、当該カーボ
ンペーパに電気炉又はホットプレス等を用いて熱処理を
施し、スラリー内のPTFEを焼結させると共に界面活
性剤を除去することにより反応層を形成する。更に、反
応層の表面に電極触媒を構成する金属塩を含む溶液(例
えば、塩化白金酸水溶液等)を塗布し、電気炉等で乾燥
・熱分解させた後、水素還元等の処理を施す。これによ
り、アノードAとカソードCとが完成する。
The anode A and the cathode C comprising such a gas diffusion layer and a reaction layer are manufactured according to the following procedure. First, hydrophilic carbon black fine particles, hydrophobic carbon black fine particles, and PTFE are mixed in an organic solvent containing a surfactant, and dispersed and mixed with a USHM (ultrasonic homogenizer) or a bead mill to form a paste-like slurry. Prepare. Next, the slurry is applied on a carbon paper serving as a gas diffusion layer so as to have a uniform thickness, and then dried. Then, the carbon paper is subjected to a heat treatment using an electric furnace or a hot press or the like, thereby sintering the PTFE in the slurry and removing the surfactant to form a reaction layer. Further, a solution containing a metal salt constituting an electrode catalyst (for example, an aqueous solution of chloroplatinic acid) is applied to the surface of the reaction layer, dried and thermally decomposed in an electric furnace or the like, and then subjected to a treatment such as hydrogen reduction. Thereby, the anode A and the cathode C are completed.

【0049】この場合、電極触媒を構成する金属塩を含
む溶液は、親水性の電解質ネットワークを経由して反応
層内の細部に浸透して行くことから、水素還元処理等を
施した後の反応層内には、電極触媒が高い分散度で担持
されることになる。なお、必要に応じて、触媒担持量を
低減させたり、疎水性のより優れたガス拡散ネットワー
クの構築したりするために、フッ素系樹脂で予め被覆し
た触媒無担持のカーボンブラック微粒子を触媒担持カー
ボンブラック微粒子に分散させてもよい。
In this case, since the solution containing the metal salt constituting the electrode catalyst penetrates into details in the reaction layer via the hydrophilic electrolyte network, the reaction after the hydrogen reduction treatment or the like is performed. The electrode catalyst is supported in the layer with a high degree of dispersion. If necessary, to reduce the amount of supported catalyst or to construct a gas diffusion network having better hydrophobicity, unsupported carbon black fine particles previously coated with a fluororesin may be used as catalyst-supporting carbon black particles. It may be dispersed in black fine particles.

【0050】また、反応層の電気抵抗を低減させるため
に、触媒無担持のカーボンブラック微粒子からなる骨格
に撥水化処理を施すことなく、高分子電解質のみで被覆
して高分子電解質自体が構造的に有する疎水性領域をガ
ス拡散ネットワークとすることも可能である。更に、ア
ノードA及びカソードCは、カーボンフエルトや、炭素
繊維からなるカーボンクロス等を用いて構成してもよ
い。
In order to reduce the electric resistance of the reaction layer, the skeleton composed of the catalyst-free carbon black fine particles is coated with only the polymer electrolyte without subjecting the skeleton to water repellency treatment, so that the polymer electrolyte itself has a structure. It is also possible to use a hydrophobic region that is physically present as a gas diffusion network. Furthermore, the anode A and the cathode C may be configured using carbon felt, carbon cloth made of carbon fiber, or the like.

【0051】そして、上述した構成を有するアノードA
及びカソードを、固体高分子材料からなる電解質膜EM
に接合させることにより、単セルUCが形成される。具
体的には、アノードAとカソードCとの反応層を電解質
膜EMと接触させた上で、電気炉やホットプレス等で熱
処理することにより、単セルUCが完成する。この場
合、アノードA及びカソードCの接合面における密着性
を向上させるために、アノードA及びカソードCの反応
層表面に高分子電解質の膜を有機溶媒に溶解させた溶液
を少量塗布した上で熱処理を施すと好ましい。また、ア
ノードAとカソードCとを接合する前に、過酸化水素の
希薄溶液にて電解質膜EM中の不純物を酸化除去し、そ
の後、硫酸水溶液で電解質膜EM内のイオン交換基をプ
ロトンフォームにする等して電解質膜の活性化処理を施
すと好ましい。
The anode A having the above-described configuration
And a cathode, an electrolyte membrane EM made of a solid polymer material
To form a single cell UC. Specifically, a single cell UC is completed by bringing a reaction layer of the anode A and the cathode C into contact with the electrolyte membrane EM and then performing a heat treatment with an electric furnace, a hot press or the like. In this case, in order to improve the adhesion at the joining surface between the anode A and the cathode C, a small amount of a solution obtained by dissolving a polymer electrolyte film in an organic solvent is applied to the surface of the reaction layer of the anode A and the cathode C, and then heat-treated. Is preferably applied. Further, before joining the anode A and the cathode C, the impurities in the electrolyte membrane EM are oxidized and removed with a dilute solution of hydrogen peroxide, and then the ion exchange groups in the electrolyte membrane EM are converted into proton foam with a sulfuric acid aqueous solution. It is preferable to perform an activation treatment of the electrolyte membrane, for example.

【0052】上述したように構成された単セルUCと共
に、スタック40を構成するセパレータSPは、図3に
示すように、1体の単セルUCに対して、アノードA側
と、カソードC側とにそれぞれ1体ずつ装着される。セ
パレータSPは、例えば、カーボンを圧縮してガス不透
過とした緻密質カーボンといったようなガス不透過の導
電性部材により形成され、図4(a)及び図4(b)に
示すように、矩形薄板状を呈する。ここで、図4(a)
は、セパレータSPの表裏面のうち、アノードAと接す
る側の面(以下「アノード接触面」という)をアノード
A側から視た平面図であり、カソードCと接する側の面
(以下「カソード接触面」という)をカソードC側から
視た平面図である。
As shown in FIG. 3, together with the single cell UC configured as described above, the separator SP forming the stack 40 is arranged such that the anode A side and the cathode C side correspond to one single cell UC. Is attached to each one. The separator SP is formed of, for example, a gas-impermeable conductive member such as dense carbon which is made by compressing carbon to be gas-impermeable, and has a rectangular shape as shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b). It has a thin plate shape. Here, FIG.
Is a plan view of a surface (hereinafter, referred to as an “anode contact surface”) of the front and back surfaces of the separator SP viewed from the anode A side, and a surface (hereinafter, referred to as a “cathode contact surface”) contacting the cathode C. FIG. 2 is a plan view of the surface (referred to as “surface”) viewed from the cathode C side.

【0053】図4(a)及び図4(b)に示すように、
セパレータSPの四隅には、その側縁部に沿って延びる
長穴状の開口部50a,50b,51a,51bが形成
されている。また、セパレータSPのアノード接触面に
は、一端側が図中右上の開口部50aと連通し、他端側
が図中左下の開口部51aと連通するように、S字状に
屈曲する複数の溝52が形成されている。更に、セパレ
ータSPのカソード接触面には、一端側が図中右上の開
口部50bと連通し、他端側が図中左下の開口部51b
と連通するように、S字状に屈曲する複数の溝53が形
成されている。
As shown in FIGS. 4A and 4B,
Slot-shaped openings 50a, 50b, 51a, 51b extending along the side edges are formed at the four corners of the separator SP. The anode contact surface of the separator SP has a plurality of grooves 52 bent in an S-shape such that one end communicates with the upper right opening 50a in the figure and the other end communicates with the lower left opening 51a in the figure. Are formed. Further, the cathode contact surface of the separator SP has one end communicating with the upper right opening 50b in the figure and the other end communicating with the lower left opening 51b in the figure.
A plurality of grooves 53 that are bent in an S-shape are formed so as to communicate with the grooves.

【0054】このように構成されたセパレータSPと単
セルUCとを多数積層させてスタック40を構成する
と、各開口部50a,50b,51a,51bは、それ
ぞれ1本の流路を形成する。また、各セパレータSPの
アノード接触面に形成された各溝52は、各単セルUC
のアノードAの表面とにより、燃料ガス流路54を画成
する(図3参照)。更に、各セパレータSPのカソード
接触面に形成された各溝53は、各単セルUCのカソー
ドCの表面とにより、空気流路55を画成する(図3参
照)。そして、開口部50aが形成する流路は、燃料ガ
ス入口47aと連通され、開口部50bが形成する流路
は、空気入口47bと連通される。
When the stack 40 is formed by stacking a large number of the separators SP and the single cells UC thus configured, each of the openings 50a, 50b, 51a, 51b forms one flow path. Further, each groove 52 formed on the anode contact surface of each separator SP is provided with each single cell UC.
The fuel gas flow path 54 is defined by the surface of the anode A (see FIG. 3). Further, each groove 53 formed on the cathode contact surface of each separator SP defines an air flow path 55 by the surface of the cathode C of each single cell UC (see FIG. 3). The flow path formed by the opening 50a communicates with the fuel gas inlet 47a, and the flow path formed by the opening 50b communicates with the air inlet 47b.

【0055】これにより、改質装置30で生成された燃
料ガスは、燃料ガス入口47aと、各セパレータSPの
開口部50aとを介して、各セパレータSPの各溝52
とアノードAの表面とによって画成される燃料ガス流路
54に流れ込む。そして、燃料ガスが燃料ガス流路54
を流通すると、各アノードAで上記(1)式に示す反応
が進行する。また、ブロアBから供給される酸化用ガス
としての空気は、空気入口47bと、各セパレータSP
の開口部50bが形成する流路とを介して、各セパレー
タSPの各溝53とカソードCの表面とによって画成さ
れる空気流路55に流れ込む。そして、空気が空気流路
55を流通すると、各カソードCで上記(2)式に示す
反応が進行する。この結果、各単セルUCで上記(3)
式に示す全電池反応が進行し、燃料電池FCのアノード
集電板41aとカソード集電板41bとから起電力を得
ることができる。
As a result, the fuel gas generated by the reformer 30 is supplied to each groove 52 of each separator SP through the fuel gas inlet 47a and the opening 50a of each separator SP.
And the surface of the anode A flows into the fuel gas flow path 54 defined by the fuel gas flow path 54. Then, the fuel gas is supplied to the fuel gas passage 54.
, The reaction represented by the above formula (1) proceeds at each anode A. Further, the air as the oxidizing gas supplied from the blower B is supplied to the air inlet 47b and each of the separators SP.
Flows into the air flow path 55 defined by the grooves 53 of each separator SP and the surface of the cathode C via the flow path formed by the opening 50b. When the air flows through the air flow path 55, the reaction represented by the above formula (2) proceeds at each cathode C. As a result, in each single cell UC, the above (3)
The whole cell reaction shown in the equation proceeds, and an electromotive force can be obtained from the anode current collector 41a and the cathode current collector 41b of the fuel cell FC.

【0056】また、この燃料電池FCのセパレータSP
では、燃料ガス流路54を画成する溝52と、空気流路
55を画成する溝53とがS字状に屈曲されている。従
って、各単セルUCのアノードAに供給された燃料ガス
は、S字状の燃料ガス流路54内を開口部50aから開
口部51aに向けて規則的に進行し、燃料ガス流路54
の途中におけるアノード反応サイトで消費されることに
なる。同様に、各単セルUCのカソードCに供給された
空気は、S字状の空気流路55を開口部50bから開口
部51bに向けて規則的に進行し、空気流路55の途中
におけるカソード反応サイトで消費される。
Further, the separator SP of this fuel cell FC
Here, the groove 52 defining the fuel gas flow path 54 and the groove 53 defining the air flow path 55 are bent in an S-shape. Therefore, the fuel gas supplied to the anode A of each single cell UC travels regularly in the S-shaped fuel gas flow path 54 from the opening 50a toward the opening 51a.
At the anode reaction site on the way. Similarly, the air supplied to the cathode C of each single cell UC travels regularly through the S-shaped air flow path 55 from the opening 50b to the opening 51b. Consumed at the reaction site.

【0057】これにより、燃料ガスと空気とは互いに逆
方向かつ規則的に進行するので、電極反応の進行に伴う
反応熱によって各アノードA及びカソードCに不均一な
温度分布が生じてしまうことが効果的に抑制できる。こ
の結果、燃料電池FC内では、上記(1)に示すアノー
ド電極反応と(2)に示すカソード電極反応とが良好に
進行することになる。なお、燃料ガス流路54及び空気
流路55はS字状のものに限られず、他の形態の流路5
4,55を画成するようにカソードCに溝52,53を
形成してもよい。
As a result, the fuel gas and the air proceed in the opposite directions and regularly, and the heat of reaction accompanying the progress of the electrode reaction may cause an uneven temperature distribution in each of the anodes A and the cathodes C. It can be suppressed effectively. As a result, in the fuel cell FC, the anode electrode reaction shown in (1) and the cathode electrode reaction shown in (2) proceed favorably. Note that the fuel gas flow path 54 and the air flow path 55 are not limited to the S-shape, and the flow path 5 of another form may be used.
Grooves 52, 53 may be formed in cathode C to define 4,55.

【0058】燃料ガス流路54を流通しながらアノード
Aで反応した燃料ガスは、アノード排ガスとなり、各セ
パレータSPの開口部51aが形成する流路に流れ込
む。各セパレータSPの開口部51aが形成する流路
は、空気入口47bの下方に配置されたアノード排ガス
出口48a(図2参照)に接続されている。また、空気
流路55を流通しながらカソードCで反応した空気は、
カソード排ガスとなり、各セパレータSPの開口部51
bが形成する流路に流れ込む。各セパレータSPの開口
部51bが形成する流路は、燃料ガス入口47aの下方
に配置されたカソード排ガス出口48b(図2参照)に
接続されている。
The fuel gas that has reacted at the anode A while flowing through the fuel gas passage 54 becomes anode exhaust gas and flows into the passage formed by the opening 51a of each separator SP. The flow path formed by the opening 51a of each separator SP is connected to an anode exhaust gas outlet 48a (see FIG. 2) disposed below the air inlet 47b. The air that has reacted at the cathode C while flowing through the air flow path 55 is:
It becomes cathode exhaust gas and the opening 51 of each separator SP
b flows into the channel formed. The flow path formed by the opening 51b of each separator SP is connected to a cathode exhaust gas outlet 48b (see FIG. 2) disposed below the fuel gas inlet 47a.

【0059】燃料電池FCのアノード排ガス出口48a
は、図1に示すように、中途に圧力調整弁PRV4を有
するアノード排ガスラインL7を介して、改質装置30
の蒸発部31に接続されている。同様に、燃料電池FC
のカソード排ガス出口48bも、中途に圧力調整弁PR
V5を有するカソード排ガスラインL8を介して、改質
装置30の蒸発部31(バーナ)に接続されている。そ
して、燃料電池FCの各アノードAで生成されたアノー
ド排ガスは、改質装置30の蒸発部31に設けられてい
るバーナで燃料として、各カソードCで生成されたカソ
ード排ガスは、酸化剤として再利用される。
The anode exhaust gas outlet 48a of the fuel cell FC
As shown in FIG. 1, the reformer 30 is connected via an anode exhaust gas line L7 having a pressure regulating valve PRV4 in the middle.
Is connected to the evaporating section 31 of the first section. Similarly, the fuel cell FC
Of the cathode exhaust gas outlet 48b of the pressure regulator PR
It is connected to the evaporator 31 (burner) of the reformer 30 via a cathode exhaust gas line L8 having V5. The anode exhaust gas generated at each anode A of the fuel cell FC is used as fuel by a burner provided in the evaporator 31 of the reformer 30, and the cathode exhaust gas generated at each cathode C is reused as an oxidant. Used.

【0060】なお、圧力調整弁PRV4は、アノード排
ガスラインL7を流通するアノード排ガスの圧力を燃料
電池FCの出口で所定値に保つものであり、圧力調整弁
PRV5は、カソード排ガスラインL8を流通するカソ
ード排ガスの圧力を燃料電池FCの出口で所定値に保つ
ものである。これにより、燃料電池FCの内部における
流体圧力、すなわち、各セパレータSPの開口部50
a,50b,51a,51bが形成する流路や、各燃料
ガス流路54、各空気流路55の内部における燃料ガ
ス、及び、空気の圧力を一定に保つことが可能となり、
燃料電池FCを所望の電池電圧で作動させることができ
る。
The pressure regulating valve PRV4 keeps the pressure of the anode exhaust gas flowing through the anode exhaust gas line L7 at a predetermined value at the outlet of the fuel cell FC, and the pressure regulating valve PRV5 flows through the cathode exhaust gas line L8. The pressure of the cathode exhaust gas is maintained at a predetermined value at the outlet of the fuel cell FC. Thereby, the fluid pressure inside the fuel cell FC, that is, the opening 50 of each separator SP
a, 50b, 51a, and 51b, and the pressure of the fuel gas and air in each fuel gas flow path 54 and each air flow path 55 can be kept constant.
The fuel cell FC can be operated at a desired cell voltage.

【0061】また、カソード排ガスラインL8からは、
予熱ラインL20が分岐されている。この予熱ラインL
20は、圧力調整弁PRV5の下流側でカソード排ガス
ラインL8から分岐しており、図1に示すように、その
中途には、水供給部20の水タンク21内に配される伝
熱管T20が設けられている。当該伝熱管T20を介し
て、水タンク21内に貯留されている水は、燃料電池F
Cから昇温した状態で排出されるカソード排ガスと熱交
換することになる。これにより、カソード排ガスの熱を
利用して、水タンク21内の水(改質用水、及び、加湿
用水)を所定温度(例えば、80℃程度)まで予熱する
ことが可能となる。予熱ラインL20は、改質装置30
の蒸発部31の手前で再度、カソード排ガスラインL8
と合流しており、水供給部20の水タンク21を熱源と
して通過したカソード排ガスは、蒸発部31に設けられ
ているバーナで酸化剤として再利用される。
From the cathode exhaust gas line L8,
The preheating line L20 is branched. This preheating line L
Reference numeral 20 branches off from the cathode exhaust gas line L8 on the downstream side of the pressure regulating valve PRV5. As shown in FIG. 1, a heat transfer tube T20 arranged in the water tank 21 of the water supply unit 20 is provided in the middle of the branch. Is provided. The water stored in the water tank 21 via the heat transfer tube T20 is supplied to the fuel cell F
Heat exchange is performed with the cathode exhaust gas discharged while the temperature is raised from C. This makes it possible to preheat water (reforming water and humidifying water) in the water tank 21 to a predetermined temperature (for example, about 80 ° C.) using the heat of the cathode exhaust gas. The preheating line L20 is connected to the reformer 30
Again before the evaporation section 31 of the cathode exhaust gas line L8
And the cathode exhaust gas that has passed through the water tank 21 of the water supply unit 20 as a heat source is reused as an oxidant by a burner provided in the evaporation unit 31.

【0062】一方、このように構成された燃料電池FC
は、上記(1)に示すアノード電極反応と(2)に示す
カソード電極反応とが進行するにつれて発熱するが、燃
料電池FCの作動を安定化させるためには、その作動温
度を略一定に維持することが重要である。このため、燃
料電池FCは内部に冷却媒体を流通させることができる
ように構成されており、燃料電池装置1には、冷却系統
60が備えられている。燃料電池FCの冷却構造につい
て説明すると、図4(a)及び図4(b)に示すよう
に、燃料電池FCのスタック40を構成する各セパレー
タSPには、開口部50aと開口部51bとの間に更な
る開口部56が形成されている。更に、開口部50bと
開口部51aとの間には、開口部56と対向するように
開口部57が形成されている。
On the other hand, the fuel cell FC thus configured
Generates heat as the anode electrode reaction shown in the above (1) and the cathode electrode reaction shown in the above (2) progress. However, in order to stabilize the operation of the fuel cell FC, the operating temperature is maintained substantially constant. It is important to. For this reason, the fuel cell FC is configured to allow a cooling medium to flow therein, and the fuel cell device 1 is provided with a cooling system 60. The cooling structure of the fuel cell FC will be described. As shown in FIGS. 4A and 4B, each separator SP forming the stack 40 of the fuel cell FC includes an opening 50a and an opening 51b. A further opening 56 is formed therebetween. Further, an opening 57 is formed between the opening 50b and the opening 51a so as to face the opening 56.

【0063】このように形成された各セパレータSPの
開口部56,57は、セパレータSPと単セルUCとを
多数積層させてスタック40を構成した際に、それぞ
れ、1本の流路を形成する。そして、各開口部56が形
成する流路と、各開口部57が形成する流路とは、アノ
ード集電板41a側に配置されているフランジ44aの
内部に形成されている図示しない流路を介して互いに連
通しており、冷却流路58(図1参照)を形成する。ま
た、図2に示すように、燃料電池FCのフランジ44b
側には、冷却媒体入口49aが設けられており、この冷
却媒体入口49aは、上記各開口部56が形成する流路
に連通されている。更に、燃料電池FCのフランジ44
b側には、冷却媒体出口49bが設けられており、この
冷却媒体出口49bは、上記各開口部57が形成する流
路に連通されている。
The openings 56 and 57 of each separator SP thus formed form one flow path when the stack 40 is formed by stacking a large number of the separators SP and the single cells UC. . The flow path formed by the openings 56 and the flow path formed by the openings 57 are flow paths (not shown) formed inside the flange 44a disposed on the anode current collector 41a side. And a cooling channel 58 (see FIG. 1). Also, as shown in FIG. 2, the flange 44b of the fuel cell FC
A cooling medium inlet 49a is provided on the side, and the cooling medium inlet 49a communicates with a flow path formed by each of the openings 56. Further, the flange 44 of the fuel cell FC
A cooling medium outlet 49b is provided on the b side, and the cooling medium outlet 49b communicates with a flow path formed by each of the openings 57.

【0064】一方、冷却系統60は、冷却媒体循環ポン
プP3、冷却媒体ラインL9、冷却媒体戻りラインL1
0、熱交換器62とファン63等からなるラジエータ6
1等から構成されている。すなわち、燃料電池FCの冷
却媒体入口49aには、図1に示すように、冷却媒体ラ
インL9を介して、冷却媒体循環ポンプP3が接続され
ている。また、燃料電池FCの冷却媒体出口49bに
は、冷却媒体戻りラインL10が接続されており、この
冷却媒体戻りラインL10は、ラジエータ61を構成す
る熱交換器62の冷媒入口RIに接続されている。
On the other hand, the cooling system 60 includes a cooling medium circulation pump P3, a cooling medium line L9, and a cooling medium return line L1.
0, a radiator 6 including a heat exchanger 62 and a fan 63
1 and so on. That is, as shown in FIG. 1, the cooling medium circulation pump P3 is connected to the cooling medium inlet 49a of the fuel cell FC via the cooling medium line L9. A cooling medium return line L10 is connected to a cooling medium outlet 49b of the fuel cell FC, and the cooling medium return line L10 is connected to a refrigerant inlet RI of a heat exchanger 62 constituting the radiator 61. .

【0065】従って、冷却媒体循環ポンプP3を作動さ
せれば、冷却水等が冷却媒体ラインL9、冷却媒体入口
49aを介して、燃料電池FCの冷却流路58に導入さ
れ、燃料電池FCのスタック40等から熱を奪って昇温
した冷却水等は、冷却媒体出口49b、冷却媒体戻りラ
インL10を介して、ラジエータ61に戻される。冷却
水等は、ラジエータ61で冷却され、冷却媒体循環ポン
プP3によって再度、燃料電池FCに対して供給され
る。これにより、燃料電池FCの作動温度は、常に好適
範囲(例えば、60℃〜80℃程度)に保たれる。
Therefore, when the cooling medium circulating pump P3 is operated, cooling water and the like are introduced into the cooling flow path 58 of the fuel cell FC through the cooling medium line L9 and the cooling medium inlet 49a, and the fuel cell FC is stacked. The cooling water or the like that has been heated by depriving the heat from 40 and the like is returned to the radiator 61 via the cooling medium outlet 49b and the cooling medium return line L10. The cooling water and the like are cooled by the radiator 61 and supplied to the fuel cell FC again by the cooling medium circulation pump P3. Thereby, the operating temperature of the fuel cell FC is always kept in a suitable range (for example, about 60 ° C. to 80 ° C.).

【0066】また、この冷却系統60を流通する冷却水
等は、凝縮器35で燃料ガスを冷却させる冷熱源として
も用いられる。すなわち、冷却媒体ラインL9からは、
冷却媒体ラインL11が分岐されており、この冷却媒体
ラインL11は、凝縮器35を構成する伝熱管T35に
接続されている。これにより、冷却媒体循環ポンプP3
を作動させれば、凝縮器35の伝熱管T35にも冷却水
等が供給されることになる。伝熱管T35を流通した冷
却水等は、図示しない配管を介して、ラジエータ61を
構成する熱交換器62の冷媒入口RIに戻され、冷却・
再循環させられる。
The cooling water or the like flowing through the cooling system 60 is also used as a cold heat source for cooling the fuel gas in the condenser 35. That is, from the cooling medium line L9,
The cooling medium line L11 is branched, and the cooling medium line L11 is connected to a heat transfer tube T35 constituting the condenser 35. Thereby, the cooling medium circulation pump P3
Is operated, the cooling water or the like is also supplied to the heat transfer tube T35 of the condenser 35. The cooling water or the like flowing through the heat transfer tube T35 is returned to the refrigerant inlet RI of the heat exchanger 62 constituting the radiator 61 via a pipe (not shown), and is used for cooling and cooling.
Recirculated.

【0067】更に、冷却媒体ラインL9からは、冷却媒
体ラインL12が分岐されており、この冷却媒体ライン
L12は、改質装置30の改質部32内に配置された伝
熱管T32の流体入口に接続されている。そして、伝熱
管T32の流体出口は、選択酸化部33内に配置された
伝熱管T33の流体入口の入口に接続されている。従っ
て、冷却媒体循環ポンプP3を作動させれば、改質部3
2の伝熱管T32と、選択酸化部33の伝熱管T33に
も冷却水等が供給されることになる。これにより、冷却
系統60を流通する冷却水等を利用して、改質部32及
び選択酸化部33の内部で発生する余分な反応熱を取り
除くことができる。なお、選択酸化部33の伝熱管T3
3を流通した冷却水等は、図示しない配管を介して、ラ
ジエータ61を構成する熱交換器62の冷媒入口RIに
戻され、冷却・再循環させる。
Further, a cooling medium line L12 branches off from the cooling medium line L9. The cooling medium line L12 is connected to a fluid inlet of a heat transfer tube T32 arranged in the reforming section 32 of the reformer 30. It is connected. The fluid outlet of the heat transfer tube T32 is connected to the fluid inlet of the heat transfer tube T33 disposed in the selective oxidation section 33. Therefore, if the cooling medium circulation pump P3 is operated, the reforming unit 3
The cooling water or the like is also supplied to the second heat transfer tube T32 and the heat transfer tube T33 of the selective oxidation section 33. This makes it possible to remove excess heat of reaction generated inside the reforming section 32 and the selective oxidizing section 33 using the cooling water or the like flowing through the cooling system 60. The heat transfer tube T3 of the selective oxidation section 33
The cooling water or the like flowing through 3 is returned to the refrigerant inlet RI of the heat exchanger 62 constituting the radiator 61 via a pipe (not shown), and is cooled and recirculated.

【0068】加えて、冷却媒体ラインL12からは、更
なる冷却媒体ラインL13が分岐されており、この冷却
媒体ラインL13を介して抽出される冷却水等は、改質
装置30の蒸発部31から排出される排ガスを冷却する
ために用いられる。すなわち、蒸発部31には、内部で
燃焼したアノード排ガス、カソード排ガス等を排出させ
る排ガスラインL14が接続されており、この排ガスラ
インL14上には、熱交換器65が設けられている。そ
して、冷却媒体ラインL12から分岐された冷却媒体ラ
インL13は、熱交換器65を構成する伝熱管T65の
流体入口に接続されている。これにより、改質装置30
の排ガスは、冷却系統60を流通する冷却水等によって
冷却された後、系外に排出されることになる。熱交換器
65の伝熱管T65を流通した冷却水等も、図示しない
配管を介して、ラジエータ61を構成する熱交換器62
の冷媒入口RIに戻され、冷却・再循環させられる。
In addition, a further cooling medium line L13 is branched from the cooling medium line L12, and cooling water and the like extracted through the cooling medium line L13 are discharged from the evaporating section 31 of the reformer 30. It is used to cool the exhaust gas discharged. That is, an exhaust gas line L14 for discharging the anode exhaust gas, the cathode exhaust gas and the like burned inside is connected to the evaporating section 31, and a heat exchanger 65 is provided on the exhaust gas line L14. The cooling medium line L13 branched from the cooling medium line L12 is connected to a fluid inlet of a heat transfer tube T65 constituting the heat exchanger 65. Thereby, the reformer 30
Is cooled by cooling water or the like flowing through the cooling system 60 and then discharged out of the system. The cooling water or the like flowing through the heat transfer tube T65 of the heat exchanger 65 is also supplied to the heat exchanger 62 forming the radiator 61 via a pipe (not shown).
Is returned to the refrigerant inlet RI, and is cooled and recirculated.

【0069】ここで、このように構成された燃料電池装
置1では、燃料電池FCの性能を安定化させる上で、各
単セルUCの電解質膜EM(固体高分子電解質膜)を十
分に加湿することが必要となる。この点に鑑みて、この
燃料電池装置1は、カソード反応ガス供給手段としての
ブロアBから圧送されるカソード反応ガスとしての空気
を加湿した上で、燃料電池FCの各カソードCに供給で
きるように構成されている。
Here, in the fuel cell device 1 configured as described above, the electrolyte membrane EM (solid polymer electrolyte membrane) of each single cell UC is sufficiently humidified in order to stabilize the performance of the fuel cell FC. It is necessary. In view of this point, the fuel cell device 1 is configured to humidify air as a cathode reactant gas fed from a blower B as a cathode reactant gas supply unit and supply the humidified air to each cathode C of the fuel cell FC. It is configured.

【0070】このため、図1に示すように、カソード反
応ガス供給手段としてのブロアBと、燃料電池FCの各
カソードCと接続されている空気入口47bとを結ぶ空
気供給ラインL6上には、加湿シェル70が設けられて
いる。これにより、ブロアBから圧送される空気は、加
湿シェル70の内部を経由した後、燃料電池FCの空気
入口47bに流入することになる。加湿シェル70は、
密閉容器として構成されており、その側部には、ノズル
Nが接続されている。このノズルNは、流量調整手段と
して機能する電磁弁SV5を介して加湿用水ラインL1
5の一端と接続されている。加湿用水ラインL15の他
端は、図1に示すように、水供給部20の水ポンプP2
と圧力調整弁PRV2との間において圧力調整ラインL
P2に接続されている。
For this reason, as shown in FIG. 1, an air supply line L6 connecting a blower B as a cathode reactant gas supply means and an air inlet 47b connected to each cathode C of the fuel cell FC is provided with: A humidifying shell 70 is provided. Thereby, the air pumped from the blower B passes through the inside of the humidifying shell 70 and then flows into the air inlet 47b of the fuel cell FC. Humidification shell 70,
It is configured as a closed container, and a nozzle N is connected to a side portion thereof. This nozzle N is connected to a humidifying water line L1 via an electromagnetic valve SV5 functioning as a flow rate adjusting means.
5 is connected to one end. As shown in FIG. 1, the other end of the humidification water line L15 is connected to a water pump P2 of the water supply unit 20.
Pressure adjustment line L between the pressure adjustment valve PRV2
Connected to P2.

【0071】上述したように、水ポンプP2と圧力調整
弁PRV2との間における圧力調整ラインLP2内の流
体圧力は、圧力調整弁PRV2によって一定に保たれて
いる。従って、加湿用水ラインL15内が常時、水タン
ク21内の水で満たされると共に、電磁弁SV5の上流
側(水供給部20側)における加湿用水ラインL15内
の流体圧力が常に一定となる。この結果、電磁弁SV5
を断続的に開閉させれば、水タンク21から加湿用水ラ
インL15内に流れ込んだ水(加湿用水)がノズルNに
供給され、水噴射手段としてのノズルNから加湿用の水
が加湿シェル70内に断続的に噴射されることになる。
また、このように、改質装置30に改質用水を供給する
手段である水供給部20を加湿用の水を供給するための
手段としても利用することにより、燃料電池装置1の全
体をより一層コンパクト化することができる。
As described above, the fluid pressure in the pressure adjustment line LP2 between the water pump P2 and the pressure adjustment valve PRV2 is kept constant by the pressure adjustment valve PRV2. Therefore, the inside of the humidification water line L15 is always filled with the water in the water tank 21, and the fluid pressure in the humidification water line L15 on the upstream side (the water supply unit 20 side) of the solenoid valve SV5 is always constant. As a result, the solenoid valve SV5
Is opened and closed intermittently, the water (humidifying water) flowing into the humidifying water line L15 from the water tank 21 is supplied to the nozzle N, and the humidifying water is supplied from the nozzle N serving as a water injection unit into the humidifying shell 70. Will be injected intermittently.
In addition, by using the water supply unit 20, which is a unit for supplying the reforming water to the reforming device 30, as a unit for supplying the water for humidification, the entire fuel cell device 1 can be further improved. It can be more compact.

【0072】更に、加湿シェル70内には、伝熱管T7
0が配置されている。そして、冷却系統60の冷却媒体
戻りラインL10からは、熱交換器62の冷媒入口RI
の上流側において、冷却媒体ラインL16が分岐されて
おり、この冷却媒体ラインL16は、伝熱管T70の流
体入口に接続されている。これにより、スタック40等
を冷却させて所定温度(例えば、90℃〜95℃程度)
に昇温し、燃料電池FCの冷却媒体出口49bから流出
する冷却水等の一部は、ラジエータ61に戻されず、加
湿シェル70内に配置されている伝熱管T70に流れ込
むことになる。加湿シェル70内に配置された伝熱管T
70の流体出口には、冷却媒体戻りラインL17が接続
されており、冷却媒体戻りラインL17は、冷却媒体循
環ポンプP3の吸込口に接続されている。
Further, the heat transfer tube T7
0 is arranged. Then, from the cooling medium return line L10 of the cooling system 60, the refrigerant inlet RI of the heat exchanger 62 is provided.
A cooling medium line L16 is branched on the upstream side of the cooling medium line L16, and the cooling medium line L16 is connected to a fluid inlet of the heat transfer tube T70. Thereby, the stack 40 and the like are cooled to a predetermined temperature (for example, about 90 ° C. to 95 ° C.).
A part of the cooling water or the like flowing out of the cooling medium outlet 49b of the fuel cell FC does not return to the radiator 61 but flows into the heat transfer tube T70 arranged in the humidifying shell 70. Heat transfer tube T arranged in humidifying shell 70
A cooling medium return line L17 is connected to the fluid outlet 70, and the cooling medium return line L17 is connected to a suction port of the cooling medium circulation pump P3.

【0073】一方、空気供給ラインL6には、加湿シェ
ル70の下流側に圧力調整弁PRV6が配置されてい
る。この圧力調整弁PRV6は、加湿シェル70の出口
における空気供給ラインL6内の空気圧力を常に所定値
に維持するものである。これにより、加湿シェル70の
内部における流体の圧力は、常に一定に保たれる。更
に、空気供給ラインL6には、圧力調整弁PRV6の下
流側にデミスタDが配置されている。このデミスタD
は、気体に同伴されている水滴(液滴)を除去可能なも
のである。なお、デミスタDで回収された水は、水供給
部20の水タンク21内に戻されて各種用途に再利用さ
れる。
On the other hand, in the air supply line L6, a pressure regulating valve PRV6 is disposed downstream of the humidifying shell 70. The pressure regulating valve PRV6 always maintains the air pressure in the air supply line L6 at the outlet of the humidifying shell 70 at a predetermined value. Thus, the pressure of the fluid inside the humidifying shell 70 is always kept constant. Further, in the air supply line L6, a demister D is disposed downstream of the pressure regulating valve PRV6. This demister D
Is capable of removing water droplets (droplets) entrained by gas. The water collected by the demister D is returned to the water tank 21 of the water supply unit 20 and is reused for various uses.

【0074】ところで、この燃料電池装置1では、上述
したように、燃料ラインL1、改質用水ラインL2、空
気ラインL3,L4、及び、ノズルN(加湿用水ライン
L15)に対して、各ラインを断続的に開閉可能な電磁
弁SV1〜SV5が備えられている。そして、このよう
な構成を採用することにより、燃料電池装置1は、大幅
な低コスト化、コンパクト化が図られている。
As described above, in the fuel cell device 1, each line is connected to the fuel line L1, the reforming water line L2, the air lines L3, L4, and the nozzle N (humidifying water line L15). Electromagnetic valves SV1 to SV5 that can be opened and closed intermittently are provided. By adopting such a configuration, the fuel cell device 1 is significantly reduced in cost and size.

【0075】すなわち、メタノールを改質装置30に供
給する燃料供給部10には、圧力調整弁PRV1が設け
られており、この圧力調整弁PRV1によって燃料ポン
プP1から吐出されて圧力調整ラインLP1内を流通す
る流体圧力が一定に保たれている。従って、燃料供給部
10から電磁弁SV1の入口には、燃料としてのメタノ
ールが常に一定の圧力で供給される。同様に、改質用水
及び加湿用水の供給源となる水供給部20には、圧力調
整弁PRV2が設けられており、この圧力調整弁PRV
2によって水ポンプP2から吐出されて圧力調整ライン
LP2内を流通する流体圧力が常に一定に保たれてい
る。従って、水供給部20から電磁弁SV2及び電磁弁
SV5の入口には、改質用の水が常に一定の圧力で供給
される。また、改質用空気の供給源となるブロアBから
は、電磁弁SV3,SV4の入口に改質用の空気が一定
の圧力で供給される。従って、各電磁弁SV1〜SV5
の入口における流体圧力は常に一定となる。
That is, the fuel supply unit 10 for supplying methanol to the reformer 30 is provided with a pressure regulating valve PRV1. The pressure regulating valve PRV1 discharges the fuel from the fuel pump P1 to pass through the pressure regulating line LP1. The pressure of the flowing fluid is kept constant. Therefore, methanol as fuel is always supplied from the fuel supply unit 10 to the inlet of the solenoid valve SV1 at a constant pressure. Similarly, the water supply unit 20 serving as a supply source of the reforming water and the humidifying water is provided with a pressure regulating valve PRV2.
2, the fluid pressure discharged from the water pump P2 and flowing through the pressure adjustment line LP2 is always kept constant. Therefore, reforming water is always supplied from the water supply unit 20 to the inlets of the solenoid valves SV2 and SV5 at a constant pressure. Further, from the blower B serving as a supply source of the reforming air, the reforming air is supplied to the inlets of the solenoid valves SV3 and SV4 at a constant pressure. Therefore, each of the solenoid valves SV1 to SV5
The fluid pressure at the inlet of is always constant.

【0076】一方、燃料電池装置1では、改質装置30
の内部における水メタノール混合ガス、改質ガスといっ
た流体の圧力は、圧力調整弁PRV3によって常に一定
に保たれている。同様に、加湿シェル70の内部におけ
る流体の圧力は、圧力調整弁PRV6によって常に一定
に保たれている。従って、電磁弁SV1〜SV5の出口
における流体圧力も常に一定となる。
On the other hand, in the fuel cell device 1, the reformer 30
The pressure of the fluid such as the mixed gas of water / methanol and the reformed gas inside is always kept constant by the pressure regulating valve PRV3. Similarly, the pressure of the fluid inside the humidifying shell 70 is always kept constant by the pressure regulating valve PRV6. Therefore, the fluid pressure at the outlets of the solenoid valves SV1 to SV5 is always constant.

【0077】この結果、この燃料電池装置1では、各電
磁弁SV1〜SV5の入口と出口との間の差圧は、常に
一定に保たれることになる。そして、各電磁弁SV1〜
SV5の入口と出口との間の差圧を一定に保つことによ
り、各ラインL1、L2,L3,L4、及び、L15に
おける流量特性が極めて単純化され、当該各差圧と各電
磁弁SV1〜SV5の開通時間とから改質装置30と加
湿シェル70とに対する流体の供給量を極めて容易に定
めることが可能となる。
As a result, in the fuel cell device 1, the differential pressure between the inlet and the outlet of each of the solenoid valves SV1 to SV5 is always kept constant. And each solenoid valve SV1
By keeping the differential pressure between the inlet and outlet of the SV5 constant, the flow characteristics in each of the lines L1, L2, L3, L4, and L15 are greatly simplified, and the differential pressure and the solenoid valves SV1 to SV1 are used. The supply amount of the fluid to the reformer 30 and the humidifying shell 70 can be extremely easily determined from the opening time of the SV5.

【0078】このように、燃料電池装置1では、各電磁
弁SV1〜SV5の入口と出口との間の差圧を一定に保
ちながら、各電磁弁SV1〜SV5を開閉制御し、改質
装置30と加湿シェル70とに対して断続的に各流体を
供給している。これにより、改質装置30と加湿シェル
70とに対する流体の供給量、すなわち、燃料(メタノ
ール)、改質用水、改質用空気、及び、加湿用水の供給
量を常に最適かつ精度よく調節することが可能となる。
この結果、流路開閉手段として、サイズが大きく高価な
サーマルマスフローコントローラ等を使用する必要がな
くなり、小型で安価な電磁弁SV1〜SV5を採用可能
となる。従って、燃料電池装置1の全体を大幅にコスト
ダウン化、コンパクト化することができる。
As described above, in the fuel cell device 1, while controlling the opening and closing of each of the solenoid valves SV1 to SV5 while keeping the differential pressure between the inlet and the outlet of each of the solenoid valves SV1 to SV5 constant, the reformer 30 And the humidifying shell 70 are intermittently supplied with the respective fluids. Thereby, the supply amount of the fluid to the reforming device 30 and the humidifying shell 70, that is, the supply amounts of the fuel (methanol), the reforming water, the reforming air, and the humidifying water are always optimally and accurately adjusted. Becomes possible.
As a result, it is not necessary to use a large and expensive thermal mass flow controller or the like as the flow path opening / closing means, and it is possible to employ small and inexpensive solenoid valves SV1 to SV5. Therefore, the entire fuel cell device 1 can be significantly reduced in cost and size.

【0079】次に、これら電磁弁SV1〜SV5の具体
的構成について、図5を参照しながら説明する。電磁弁
SV1〜SV5は、何れも同一の構成を有し、きわめて
低コストかつコンパクト(例えば、全長5〜10cm程
度)に製造可能である。電磁弁SV1〜SV5は、図5
に示すように、略円筒状に形成された弁本体80を有す
る。この弁本体80には、一端側に弁入口81が、他端
側に弁出口82がそれぞれ形成されており、弁入口81
と弁出口82とは、真っ直ぐに伸びる流路83により連
通されている。
Next, the specific structure of the solenoid valves SV1 to SV5 will be described with reference to FIG. Each of the solenoid valves SV1 to SV5 has the same configuration, and can be manufactured at extremely low cost and compact (for example, about 5 to 10 cm in total length). The solenoid valves SV1 to SV5 are shown in FIG.
As shown in FIG. 1, the valve body 80 has a substantially cylindrical shape. The valve body 80 has a valve inlet 81 at one end and a valve outlet 82 at the other end.
The valve outlet 82 is communicated with the valve outlet 82 by a flow path 83 extending straight.

【0080】また、弁本体80に形成された流路83内
の弁出口82の近傍には、弁座84が形成されており、
流路83内には、シャフトを介して可動鉄心86に取り
付けられた弁体85が摺動自在に配置されている。弁体
85及び可動鉄心86とは、図示しないバネ等の付勢手
段によって、弁座84に対して付勢されており、通常、
流路83は、弁座84と弁体85とによって閉鎖されて
いる。そして、弁本体80には、流路83及び可動鉄心
86の周囲を覆うように電磁コイル87が配置されてい
る。なお、加湿シェル70に加湿用の水を供給する加湿
用水ラインL15に設けられる電磁弁SV5について
は、図5の引き出し部に示すように、弁出口82内にノ
ズルNを配置して両者を一体化させると好ましい。これ
により、加湿シェル70周辺の構成をコンパクト化する
ことが可能となる。
A valve seat 84 is formed near a valve outlet 82 in a flow path 83 formed in the valve body 80.
In the flow path 83, a valve body 85 attached to a movable core 86 via a shaft is slidably disposed. The valve body 85 and the movable iron core 86 are urged against the valve seat 84 by urging means such as a spring (not shown).
The flow path 83 is closed by a valve seat 84 and a valve body 85. An electromagnetic coil 87 is arranged in the valve body 80 so as to cover the periphery of the flow path 83 and the movable core 86. As for the solenoid valve SV5 provided in the humidification water line L15 for supplying humidification water to the humidification shell 70, a nozzle N is disposed in a valve outlet 82 as shown in the drawing part of FIG. It is preferable to make This makes it possible to make the configuration around the humidifying shell 70 compact.

【0081】これら電磁弁SV1〜SV5には、定電圧
電源装置88から駆動電圧が供給される。この定電圧電
源装置88は、図示しない直流電源と定電圧回路とを有
し、当該直流電源の発生する非安定直流電圧を定電圧回
路で安定化させて、安定直流電圧を発生するものであ
る。図5及び図6に示すように、定電圧電源装置88の
プラス出力端子には、各電磁弁SV1〜SV5の電磁コ
イル87の一端が並列に接続されている。一方、定電圧
電源装置88のマイナス出力端子は、トランジスタTr
1,Tr2,Tr3,Tr4,Tr5を介して、各電磁
弁SV1〜SV5に含まれる電磁コイル87の他端が並
列に接続されている。
A drive voltage is supplied from a constant voltage power supply 88 to these solenoid valves SV1 to SV5. The constant voltage power supply 88 has a DC power supply and a constant voltage circuit (not shown), and stabilizes an unstable DC voltage generated by the DC power supply with the constant voltage circuit to generate a stable DC voltage. . As shown in FIGS. 5 and 6, one end of the electromagnetic coil 87 of each of the solenoid valves SV1 to SV5 is connected in parallel to the positive output terminal of the constant voltage power supply 88. On the other hand, the negative output terminal of the constant voltage power supply 88 is connected to the transistor Tr.
The other ends of the electromagnetic coils 87 included in the respective solenoid valves SV1 to SV5 are connected in parallel via 1, Tr2, Tr3, Tr4 and Tr5.

【0082】また、各電磁弁SV1〜SV5と各トラン
ジスタTr1〜Tr5とを結ぶ電気ラインには、バイパ
ス用の抵抗R及びコンデンサCoが設けられている。そ
して、各トランジスタTr1〜Tr5のゲートには、そ
れぞれ、パルス発生装置PG1,PG2,PG3,PG
4,PG5が接続されている。各パルス発生装置PG1
〜PG5は、各トランジスタTr1〜Tr5をON/O
FFさせるためのパルス(パルス電圧)を発生するもの
である。これにより、各トランジスタTr1〜Tr5
は、スイッチング素子として機能することになる。
A bypass resistor R and a capacitor Co are provided on an electric line connecting each of the solenoid valves SV1 to SV5 and each of the transistors Tr1 to Tr5. The gates of the transistors Tr1 to Tr5 are connected to the pulse generators PG1, PG2, PG3, PG, respectively.
4, PG5 are connected. Each pulse generator PG1
To PG5 turn ON / O each transistor Tr1 to Tr5.
A pulse (pulse voltage) for FF is generated. Thereby, each transistor Tr1 to Tr5
Function as a switching element.

【0083】すなわち、各パルス発生装置PG1〜PG
5からのパルスによって各トランジスタTr1〜Tr5
がONすると、各電磁弁SV1〜SV5の電磁コイル8
7に対して駆動電圧が印加される。これにより、電磁コ
イル87が励磁され、可動鉄心86と共に弁体85が上
昇するので、電磁弁SV1〜SV5が開放されることに
なる。一方、各パルス発生装置PG1〜PG5からのパ
ルスによって各トランジスタTr1〜Tr5がOFFす
ると、各電磁弁SV1〜SV5の電磁コイル87に対す
る駆動電圧の印加が解除され、可動鉄心86と弁体85
と付勢手段によって弁座84に対して付勢されるので、
電磁弁SV1〜SV5が閉鎖されることになる。
That is, each of the pulse generators PG1 to PG
5, the transistors Tr1 to Tr5
Is turned on, the electromagnetic coils 8 of the solenoid valves SV1 to SV5 are turned on.
7 is applied with a drive voltage. Thereby, the electromagnetic coil 87 is excited, and the valve body 85 moves up together with the movable iron core 86, so that the electromagnetic valves SV1 to SV5 are opened. On the other hand, when each of the transistors Tr1 to Tr5 is turned off by a pulse from each of the pulse generators PG1 to PG5, application of the drive voltage to the electromagnetic coil 87 of each of the solenoid valves SV1 to SV5 is released, and the movable iron core 86 and the valve body 85
And urging means against the valve seat 84,
The solenoid valves SV1 to SV5 are closed.

【0084】このように、各パルス発生装置PG1〜P
G5は、電磁コイルに駆動電圧を断続的に印加するため
のパルスを発生するものであるが、当該パルスの幅と周
期、すなわち、各電磁弁SV1〜SV5の開通時間と閉
止時間とは、図5及び図6に示す制御装置90によって
制御される。制御装置90は、図6に示すように、CP
U91、ROM92、及び、RAM93を有する。CP
U91は、マイクロプロセッサ等からなり、各種演算処
理を行う。また、ROM92には、制御・演算処理のた
めのプログラムが予め記憶されており、RAM93は、
制御・演算処理の際に各種データを読み書きするために
用いられる。
As described above, the pulse generators PG1 to PG
G5 generates a pulse for intermittently applying a drive voltage to the electromagnetic coil. The width and cycle of the pulse, that is, the opening time and closing time of each of the electromagnetic valves SV1 to SV5 are shown in FIG. 5 and the control device 90 shown in FIG. The control device 90, as shown in FIG.
It has U91, ROM92, and RAM93. CP
U91 is composed of a microprocessor or the like and performs various arithmetic processing. A program for control / arithmetic processing is stored in the ROM 92 in advance.
It is used to read and write various data during control / arithmetic processing.

【0085】また、制御装置90は、CPU91と接続
された入出力ポート94を有する。この入出力ポート9
4には、上記各パルス発生装置PG1〜PG5と、ブロ
アBの下流側に設けられた空気流量調整弁FRVとが接
続されている。従って、各パルス発生装置PG1〜PG
5や空気流量調整弁FRVには、入出力ポート94を介
して、CPU91の演算処理によって生成された各種信
号等が与えられる。更に、制御装置90の入出力ポート
94には、燃料電池FCに対する負荷を設定する負荷設
定手段(図示せず)が接続されており、当該負荷要求手
段によって発せられる負荷要求信号がCPU91に与え
られる。
The control device 90 has an input / output port 94 connected to the CPU 91. This input / output port 9
4 is connected to each of the pulse generators PG1 to PG5 and an air flow regulating valve FRV provided downstream of the blower B. Therefore, each of the pulse generators PG1 to PG
Various signals and the like generated by the arithmetic processing of the CPU 91 are supplied to the control valve 5 and the air flow regulating valve FRV via the input / output port 94. Further, a load setting means (not shown) for setting a load on the fuel cell FC is connected to the input / output port 94 of the control device 90, and a load request signal issued by the load request means is given to the CPU 91. .

【0086】加えて、制御装置90は、記憶装置95を
有し、この記憶装置95は、入出力ポート94を介して
CPU91と接続されている。記憶装置95には、燃料
電池FCに対する負荷要求に応じた電磁弁SV1の開通
時間と閉止時間とを示すテーブルと、各電磁弁SV2〜
SV5、及び、空気流量調整弁FRVについて定められ
た所定の比例定数を示すデータとが記憶されている。こ
れら各種データは、負荷要求信号を受け取ったCPU9
1に読み出される。そして、CPU91は、負荷要求信
号に基づいて、各パルス発生装置PG1〜PG5、並び
に、空気流量調整弁FRVに送出する制御信号を生成す
る。
In addition, the control device 90 has a storage device 95, which is connected to the CPU 91 via an input / output port 94. The storage device 95 stores a table indicating the opening time and the closing time of the solenoid valve SV1 according to the load request for the fuel cell FC, and a table indicating each of the solenoid valves SV2 to SV2.
SV5 and data indicating a predetermined proportionality constant determined for the air flow regulating valve FRV are stored. These various data are stored in the CPU 9 receiving the load request signal.
Read to 1. Then, the CPU 91 generates a control signal to be sent to each of the pulse generators PG1 to PG5 and the air flow regulating valve FRV based on the load request signal.

【0087】なお、燃料電池FCに対する負荷要求に応
じた電磁弁SV1の開通時間と閉止時間、すなわち、負
荷要求に応じたメタノールの供給量を示すテーブルは、
理論計算値、実験値等に基づいて定めることができる。
また、電磁弁SV2〜SV5、及び、空気流量調整弁F
RVに関する比例定数は、電磁弁SV1の開通時間と閉
止時間とで定まるメタノールの供給量と、改質用水、改
質空気、加湿用水の供給量との比から電磁弁SV2〜S
V5、空気流量調整弁FRV毎に求められる。なお、こ
のような比例定数のデータを記憶装置95に記憶させる
代わりに、各電磁弁SV1〜SV5について、燃料電池
FCに対する負荷要求に応じた開通時間と閉止時間とを
示すデータを作成すると共に、空気流量調整弁FRVに
ついて、燃料電池FCに対する負荷要求に応じた開度を
示すデータを作成し、これらのデータを記憶装置95に
記憶させてもよい。
The table showing the opening time and closing time of the solenoid valve SV1 according to the load request to the fuel cell FC, that is, the supply amount of methanol according to the load request, is as follows.
It can be determined based on theoretical calculated values, experimental values, and the like.
Also, the solenoid valves SV2 to SV5 and the air flow regulating valve F
The proportionality constant relating to RV is determined by the ratio between the supply amount of methanol determined by the opening time and the closing time of the solenoid valve SV1 and the supply amounts of reforming water, reforming air, and humidifying water.
V5 is obtained for each air flow control valve FRV. In addition, instead of storing such proportional constant data in the storage device 95, for each of the solenoid valves SV1 to SV5, data indicating an opening time and a closing time according to a load request for the fuel cell FC is created. For the air flow regulating valve FRV, data indicating an opening degree according to a load request for the fuel cell FC may be created, and these data may be stored in the storage device 95.

【0088】このように構成された制御装置90等によ
り、各電磁弁SV1〜SV5、及び、空気流量調整弁F
RVは、確実かつ精度よく制御される。従って、燃料ラ
インL1、改質用水ラインL2、空気ラインL3,L
4、空気供給ラインL6、及び、加湿用水ラインL15
から、燃料であるメタノール、カソード反応ガスとして
の空気、改質用水、改質空気、及び、加湿用水が各対象
機器に安定かつ精度よく供給されることになる。なお、
制御装置90は、シーケンサとして構成することも可能
である。
With the control device 90 constructed as described above, the solenoid valves SV1 to SV5 and the air flow regulating valve F
RV is reliably and accurately controlled. Therefore, the fuel line L1, the reforming water line L2, the air lines L3, L
4. Air supply line L6 and humidification water line L15
Thus, the fuel methanol, the air as the cathode reaction gas, the reforming water, the reforming air, and the humidifying water are supplied to each target device stably and accurately. In addition,
The control device 90 can also be configured as a sequencer.

【0089】引き続き、上述した燃料電池装置1の動作
について、図7に示すフローチャート等を参照しながら
説明する。
Next, the operation of the above-described fuel cell device 1 will be described with reference to the flowchart shown in FIG.

【0090】この燃料電池装置1の運転が開始される
と、制御装置90のCPU91に対しては、所定の負荷
設定手段から負荷要求信号が与えられる。CPU91
は、負荷要求信号を受け取ると(S10)、負荷要求信
号に基づいて、記憶装置95に記憶されている電磁弁S
V1の開通時間と閉止時間とを示すテーブルにアクセス
する。そして、CPU91は、当該テーブルの中から、
負荷要求信号に示されている燃料電池FCに対する負荷
要求に対応するデータを読み出し、当該負荷要求に応じ
た電磁弁SV1の開通時間と閉止時間とを示すデータに
基づいて、電磁弁SV1に接続されたパルス発生装置P
G1に送出する制御信号を生成する。このように、電磁
弁SV1の開通時間と閉止時間とを定めることにより、
燃料電池FCに対する負荷要求に応じたメタノールの供
給量が決定されることになる(S12)。
When the operation of the fuel cell device 1 is started, a load request signal is given from a predetermined load setting means to the CPU 91 of the control device 90. CPU91
When receiving the load request signal (S10), based on the load request signal, the solenoid valve S stored in the storage device 95
An access is made to a table indicating the opening time and closing time of V1. Then, the CPU 91 selects, from the table,
Data corresponding to the load request for the fuel cell FC indicated by the load request signal is read, and connected to the solenoid valve SV1 based on data indicating the opening time and the closing time of the solenoid valve SV1 corresponding to the load request. Pulse generator P
A control signal to be sent to G1 is generated. Thus, by determining the opening time and the closing time of the solenoid valve SV1,
The supply amount of methanol according to the load request for the fuel cell FC is determined (S12).

【0091】また、S12において、燃料電池FCに対
する負荷要求に応じたメタノールの供給量を決定したC
PU91は、次に、記憶装置95から、各電磁弁SV2
〜SV5、及び、空気流量調整弁FRVについて定めら
れた所定の比例定数を示すデータを読み出す。そして、
CPU91は、当該データと、S12で読み出した負荷
要求に応じた電磁弁SV1の開通時間と閉止時間とを示
すデータと乗じて各パルス発生装置PG1〜PG5、及
び、空気流量調整弁FRVに送出する制御信号を生成す
る。これにより、空気流量調整弁FRVを介して供給さ
れる空気、電磁弁SV2を介して供給される改質用水、
電磁弁SV3,及び、SV4を介して供給される改質用
空気、及び、電磁弁SV5を介して供給される加湿用水
の供給量が、燃料電池FCに対する負荷要求に応じるよ
うに決定されることになる(S14)。
In step S12, the amount of methanol supplied according to the load request for the fuel cell FC is determined.
The PU 91 then reads from the storage device 95 each solenoid valve SV2
To SV5 and data indicating a predetermined proportionality constant determined for the air flow regulating valve FRV. And
The CPU 91 multiplies the data by the data indicating the opening time and closing time of the solenoid valve SV1 corresponding to the load request read in S12, and sends the data to each of the pulse generators PG1 to PG5 and the air flow regulating valve FRV. Generate control signals. As a result, the air supplied through the air flow regulating valve FRV, the reforming water supplied through the solenoid valve SV2,
The supply amount of the reforming air supplied through the solenoid valves SV3 and SV4 and the supply amount of the humidification water supplied through the solenoid valve SV5 are determined so as to meet a load request for the fuel cell FC. (S14).

【0092】S12とS14における処理を行ったCP
U91は、各パルス発生装置PG1〜PG5に対して、
負荷要求に応じた各電磁弁SV1〜SV5の開通時間と
閉止時間とを示す制御信号を、空気流量調整弁FRVに
対して、負荷要求に応じた開度を示す制御信号をそれぞ
れ送出する(S16)。以上説明したS10〜S16に
おける処理は、制御装置90のCPU91が負荷要求信
号を受け取る度に繰り返される。
The CP that has performed the processing in S12 and S14
U91 is provided for each of the pulse generators PG1 to PG5.
A control signal indicating the opening time and closing time of each of the solenoid valves SV1 to SV5 according to the load request is sent to the air flow regulating valve FRV, and a control signal indicating the opening degree according to the load request is sent to the air flow regulating valve FRV (S16). ). The processing in S10 to S16 described above is repeated every time the CPU 91 of the control device 90 receives the load request signal.

【0093】S16でCPU91によって生成された制
御信号を制御装置90から受け取ったパルス発生装置P
G1〜PG4は、各電磁弁SV1〜SV4に対してパル
スを送出する。これにより、各電磁コイル87に駆動電
圧が断続的に印加され、電磁弁SV1〜SV4によっ
て、各ラインL1〜L4が断続的に開閉される。また、
空気流量調整弁FRVのアクチュエータ部は、CPU9
1からの制御信号を受け取ると、その開度を負荷要求に
応じるように変化させる。
The pulse generator P which has received the control signal generated by the CPU 91 from the controller 90 in S16.
G1 to PG4 send out pulses to the respective solenoid valves SV1 to SV4. As a result, a drive voltage is intermittently applied to each of the electromagnetic coils 87, and the lines L1 to L4 are intermittently opened and closed by the electromagnetic valves SV1 to SV4. Also,
The actuator of the air flow regulating valve FRV is a CPU 9
When the control signal is received from No. 1, the opening degree is changed so as to respond to the load request.

【0094】この結果、改質装置30の蒸発部31に
は、負荷要求に応じた量のメタノールと改質用水とが最
適かつ精度よく供給され、改質部32と選択酸化部33
には、負荷要求に応じた量の改質用空気が最適かつ精度
よく供給される。従って、燃料電池FCに対する負荷要
求が変化し、燃料電池FCに供給すべき燃料ガスの量が
変化したとしても、常に、一酸化炭素濃度が極めて低い
アノード反応ガスを改質装置30で生成可能となる。ま
た、燃料電池FCに、極めて一酸化炭素濃度が低い燃料
ガスを精度よく供給することにより、燃料電池FCを安
定的に作動させると共に、アノードAの寿命を長期化さ
せることができる。また、空気入口47bには、負荷要
求に応じた量の空気が加湿シェル70を介して精度よく
供給されることになる。
As a result, the amount of methanol and the amount of the reforming water according to the load demand are optimally and accurately supplied to the evaporator 31 of the reformer 30, and the reformer 32 and the selective oxidizer 33 are supplied.
The reforming air is supplied optimally and accurately with an amount corresponding to the load demand. Therefore, even if the load demand on the fuel cell FC changes and the amount of fuel gas to be supplied to the fuel cell FC changes, the reformer 30 can always generate the anode reaction gas having a very low carbon monoxide concentration. Become. Further, by supplying a fuel gas having a very low carbon monoxide concentration to the fuel cell FC with high accuracy, the fuel cell FC can be operated stably and the life of the anode A can be prolonged. Further, an amount of air corresponding to the load request is supplied to the air inlet 47b via the humidifying shell 70 with high accuracy.

【0095】一方、CPU91から制御信号を受け取っ
たパルス発生装置PG5は、電磁弁SV5に対してパル
スを送出する。これにより、電磁弁SV5の電磁コイル
87に駆動電圧が断続的に印加され、電磁弁SV5によ
って加湿用水ラインL15が断続的に開閉される。従っ
て、加湿シェル70に設けられたノズルNには、水タン
ク21内で伝熱管T20を介して燃料電池FCから排出
されるカソード排ガスによって所定温度(例えば、80
℃程度)まで予熱された加湿用水が断続的に供給され
る。この結果、加湿シェル70の内部に水噴射手段とし
てのノズルNから、加湿用水が断続的に噴射される。
On the other hand, the pulse generator PG5 which has received the control signal from the CPU 91 sends a pulse to the solenoid valve SV5. As a result, the drive voltage is intermittently applied to the electromagnetic coil 87 of the solenoid valve SV5, and the humidification water line L15 is opened and closed intermittently by the solenoid valve SV5. Accordingly, the nozzle N provided in the humidifying shell 70 is heated at a predetermined temperature (for example, 80 ° C.) by the cathode exhaust gas discharged from the fuel cell FC via the heat transfer tube T20 in the water tank 21.
Humidification water preheated to about (° C) is intermittently supplied. As a result, the humidifying water is intermittently injected into the humidifying shell 70 from the nozzle N serving as a water injection unit.

【0096】上述したように、加湿シェル70の内部に
は、所定温度(120℃程度)まで昇温させられたカソ
ード反応ガスとしての空気がブロアBから供給されてい
る。従って、加湿シェル70の内部では、昇温した空気
と、ノズルNから噴射された微細な加湿用水のミストと
が接触し合って熱交換することになる。また、加湿シェ
ル70内には、燃料電池FCを冷却させた冷却水等が流
通する伝熱管T70が配置されているので、ノズルNか
ら噴射された加湿用水のミストは、伝熱管T70を介し
て、燃料電池FCを冷却させて所定温度(例えば、90
℃〜95℃程度)まで昇温した冷却媒体とも熱交換する
ことになる。
As described above, the inside of the humidifying shell 70 is supplied from the blower B as the cathode reaction gas heated to a predetermined temperature (about 120 ° C.). Therefore, inside the humidification shell 70, the heated air and the mist of the fine humidification water sprayed from the nozzle N come into contact with each other and exchange heat. Further, since the heat transfer tube T70 through which the cooling water or the like for cooling the fuel cell FC flows is disposed in the humidification shell 70, the mist of the humidification water sprayed from the nozzle N flows through the heat transfer tube T70. The fuel cell FC is cooled to a predetermined temperature (for example, 90
(To about 95 ° C. to 95 ° C.).

【0097】これにより、加湿用水のミストは、ブロア
Bからの空気と、燃料電池FCからの冷却水等とから熱
を奪って昇温・蒸発する一方、カソード反応ガスとして
の空気は、加湿用水のミストに熱を与え、燃料電池FC
の作動温度近傍(例えば、60℃〜80℃程度)まで降
温する。この結果、加湿用水のミストは、蒸発して水蒸
気となり、降温した空気に同伴して加湿シェル70から
流出し、燃料電池FCの各カソードCに空気と共に供給
されることになる。
As a result, the mist of the humidifying water removes heat from the air from the blower B and the cooling water from the fuel cell FC to elevate the temperature and evaporate. Heat to the mist of the fuel cell FC
(For example, about 60 ° C. to 80 ° C.). As a result, the mist of the humidifying water evaporates to become steam, flows out of the humidifying shell 70 with the cooled air, and is supplied to each cathode C of the fuel cell FC together with the air.

【0098】ここで、この燃料電池装置1では、記憶装
置95に記憶されているデータのうち、電磁弁SV5に
ついての比例定数は、上述したように、燃料電池FCに
対する負荷要求、すなわち、負荷要求に応じたメタノー
ル量に比例する空気の量に対する比例定数として定めら
れると共に、更に、次の条件を満たすように定められて
いる。すなわち、この燃料電池装置1では、電磁弁SV
5についての比例定数は、水タンク21における水の予
熱条件(予熱ラインL20内の流体温度)、熱交換手段
としての伝熱管T70を流通する冷却媒体の温度等の運
転中における変動を踏まえた上で、加湿シェル70から
流出する空気に混入されている水蒸気の分圧が燃料電池
FCの作動温度における飽和水蒸気圧以下になるように
定められている。
Here, in the fuel cell device 1, the proportionality constant for the solenoid valve SV5 among the data stored in the storage device 95 is, as described above, the load request for the fuel cell FC, that is, the load request. Is determined as a proportional constant with respect to the amount of air proportional to the amount of methanol according to the following formula, and is further determined so as to satisfy the following condition. That is, in the fuel cell device 1, the solenoid valve SV
The proportionality constant for 5 is based on fluctuations during operation such as the preheating condition of the water in the water tank 21 (the fluid temperature in the preheating line L20) and the temperature of the cooling medium flowing through the heat transfer tube T70 as the heat exchange means. Therefore, the partial pressure of the water vapor mixed in the air flowing out of the humidifying shell 70 is determined to be equal to or lower than the saturated water vapor pressure at the operating temperature of the fuel cell FC.

【0099】これにより、燃料電池FCに対する負荷要
求が変化して燃料電池FCの作動温度等が変化したとし
ても、常に適切な湿度をもったカソード反応ガスとして
の空気を燃料電池FCの各カソードCに供給可能とな
り、カソードCに水分が滞留して空気の流入を妨げてし
まうような事態を防止することができる。なお、この燃
料電池装置1の空気供給ラインL6には、加湿シェル7
0と燃料電池FC(カソードC)との間に位置するよう
に、デミスタDが設けられている。従って、加湿シェル
70内で加湿用水のミストが完全に蒸発せず、加湿シェ
ル70から流出する空気に加湿用水のミスト(液滴)が
混入したとしても、燃料電池FCの各カソードCまで加
湿用水のミストが達してしまうを防止することができ
る。これにより、カソードCに水分が滞留して空気の流
入を妨げてしまうような事態は、極めて確実に防止され
る。
As a result, even if the load demand on the fuel cell FC changes and the operating temperature of the fuel cell FC changes, air as the cathode reaction gas having an appropriate humidity is always supplied to each cathode C of the fuel cell FC. Can be prevented, and it is possible to prevent a situation in which water stays in the cathode C and prevents the inflow of air. The humidifying shell 7 is connected to the air supply line L6 of the fuel cell device 1.
A demister D is provided between the fuel cell FC and the fuel cell FC (cathode C). Therefore, even if the mist of the humidifying water does not completely evaporate in the humidifying shell 70 and the mist (droplets) of the humidifying water mixes with the air flowing out of the humidifying shell 70, the humidifying water reaches the respective cathodes C of the fuel cell FC. Mist can be prevented from reaching. Thus, a situation in which water stays in the cathode C and hinders the inflow of air is very reliably prevented.

【0100】このように、この燃料電池装置1では、昇
温した状態で燃料電池FCの各カソードCに供給される
空気の顕熱を利用して燃料電池FCの電解質膜EMを加
湿するための加湿用水を蒸発させ、生成した水蒸気を空
気に同伴させながら、燃料電池FCの各カソードCに供
給している。これにより、電解質膜EMを効率よく加湿
することが可能となり、かつ、カソードCに水分が滞留
して空気の流入を妨げてしまうような事態を防止するこ
とができる。この結果、この燃料電池装置1では、燃料
電池FCの出力を容易かつ確実に安定化させることがで
きる。また、加湿シェル70は、比較的小サイズのもの
を用意すればよく、電解質膜EMを加湿するための機器
に必要とされるスペースを従来に比して縮小化すること
ができるので、燃料電池装置1の全体をコンパクト化す
ることも可能となる。
As described above, in the fuel cell device 1, the humidified electrolyte membrane EM of the fuel cell FC is utilized by utilizing the sensible heat of the air supplied to the respective cathodes C of the fuel cell FC in a heated state. The humidifying water is evaporated, and the generated water vapor is supplied to each cathode C of the fuel cell FC while being accompanied by air. This makes it possible to efficiently humidify the electrolyte membrane EM, and to prevent a situation in which water stays in the cathode C and prevents the inflow of air. As a result, in the fuel cell device 1, the output of the fuel cell FC can be easily and reliably stabilized. Further, the humidifying shell 70 may be prepared in a relatively small size, and the space required for a device for humidifying the electrolyte membrane EM can be reduced as compared with the conventional case. It is also possible to make the entire device 1 compact.

【0101】更に、この燃料電池装置1では、加湿用水
として供給される水タンク21内の水は、カソード排ガ
スの熱を利用して予熱されている。そして、加湿シェル
70内に噴射された加湿用水のミストには、空気の顕熱
に加えて、燃料電池FCを冷却させた冷却水等の熱が熱
交換手段としての伝熱管T70からも与えられている。
従って、加湿シェル70で空気から加湿用水(ミスト)
に与えるべき気化熱量を減少させることが可能となり、
空気を昇温させるブロアBの負担を軽減化することがで
きる。これにより、ブロアBをコンパクト化できるの
で、燃料電池装置1の全体をもコンパクト化することが
可能となる。
Further, in this fuel cell device 1, the water in the water tank 21 supplied as humidifying water is preheated by utilizing the heat of the cathode exhaust gas. The mist of the humidifying water injected into the humidifying shell 70 receives, in addition to the sensible heat of the air, heat such as cooling water for cooling the fuel cell FC from the heat transfer tube T70 as a heat exchange unit. ing.
Therefore, humidifying water (mist) is removed from the air in the humidifying shell 70.
It is possible to reduce the amount of heat of vaporization to be given to
The burden on the blower B for raising the temperature of the air can be reduced. Thereby, the blower B can be made compact, so that the whole fuel cell device 1 can be made compact.

【0102】また、加湿シェル70に配置された熱交換
手段である伝熱管T70に、燃料電池FCを冷却させて
昇温した冷却水等を流通させることは、次のような点
で、きわめて有効である。すなわち、このような構成を
採用すれば、従来、ラジエータ61で放熱させるのみで
あった燃料電池FCの冷却水等を、加湿用水(ミスト)
を蒸発させるための補助熱源として有効利用することが
可能となり、かつ、加湿シェル70内で加湿用水を確実
に蒸発させて空気の湿度が不足することを防止すること
ができる。
It is extremely effective to flow cooling water or the like, which has been cooled by heating the fuel cell FC, through the heat transfer tube T70, which is a heat exchange means disposed in the humidifying shell 70, in the following points. It is. That is, if such a configuration is adopted, the cooling water or the like of the fuel cell FC, which has conventionally only been radiated by the radiator 61, is replaced with humidifying water (mist).
Can be effectively used as an auxiliary heat source for evaporating water, and the humidifying water can be reliably evaporated in the humidifying shell 70 to prevent the humidity of the air from becoming insufficient.

【0103】更に、燃料電池FCを冷却させた冷却水等
の温度は、負荷変動等に応じて変化する燃料電池FCの
作動温度(例えば、80〜100℃程度)と同程度にな
る。従って、当該冷却水等を伝熱管T70に流通させれ
ば、加湿シェル70内の温度が燃料電池FCの作動温度
変化に追従して変化することになり、カソード反応ガス
としての空気の湿度、つまり、加湿シェル70内で蒸発
して空気に混入する加湿用水の量を燃料電池FCの負荷
変動に追従させることができる。
Further, the temperature of the cooling water or the like that has cooled the fuel cell FC is substantially equal to the operating temperature (for example, about 80 to 100 ° C.) of the fuel cell FC that changes according to a load change or the like. Therefore, if the cooling water or the like flows through the heat transfer tube T70, the temperature inside the humidifying shell 70 changes following the change in the operating temperature of the fuel cell FC, and the humidity of the air as the cathode reaction gas, that is, In addition, the amount of humidifying water evaporated in the humidifying shell 70 and mixed into the air can be made to follow the load fluctuation of the fuel cell FC.

【0104】加えて、かかる構成のもとでは、燃料電池
FCを冷却させた後、加湿シェルとを熱源として通過し
た冷却水等は、加湿用水(ミスト)に対して熱を与えて
十分に降温することになる。従って、燃料電池FCを流
通した後、加湿シェル70を通過した冷却水等は、ラジ
エータ61で放熱させる必要が無くなる。これにより、
冷却水等を放熱させるためのラジエータ61を大幅にコ
ンパクト化することが可能となる。この点で、かかる構
成は、燃料電池装置1の全体をコンパクト化する上で極
めて有効である。
In addition, in such a configuration, after cooling the fuel cell FC, the cooling water or the like that has passed through the humidifying shell as a heat source gives heat to the humidifying water (mist) to sufficiently lower the temperature. Will do. Therefore, cooling water or the like that has passed through the humidifying shell 70 after flowing through the fuel cell FC does not need to be radiated by the radiator 61. This allows
The radiator 61 for radiating the cooling water or the like can be significantly reduced in size. In this regard, such a configuration is extremely effective in making the entire fuel cell device 1 compact.

【0105】[0105]

【発明の効果】以上説明したように、本発明による燃料
電池装置は、改質装置に対して略一定の圧力で各種流体
を供給可能な流体供給手段と、改質装置内部の流体圧力
を略一定に保つ圧力調整手段と、記改質装置と流体供給
手段とを結ぶ流体ラインに設けられており、当該流体ラ
インを断続的に開閉可能な流路開閉手段とを備える。そ
して、本発明による燃料電池装置の運転方法では、流路
開閉手段の入口における流体圧力と改質装置内部の流体
圧力との差を略一定に保ちながら、流路開閉手段を断続
的に開閉させ、改質装置に所定の流体を供給する。これ
により、改質装置に燃料等を精度よく供給することが可
能となり、かつ、燃料電池装置を容易にコストダウン化
及びコンパクト化できる。
As described above, the fuel cell device according to the present invention has a fluid supply means capable of supplying various fluids to the reformer at a substantially constant pressure, and a fluid pressure inside the reformer that is substantially equal to the fluid pressure. It is provided with a pressure regulating means for keeping the pressure constant, and a flow passage opening / closing means which is provided in a fluid line connecting the reformer and the fluid supply means and which can open / close the fluid line intermittently. In the method for operating the fuel cell device according to the present invention, the flow path opening / closing means is intermittently opened / closed while the difference between the fluid pressure at the inlet of the flow path opening / closing means and the fluid pressure inside the reformer is kept substantially constant. And a predetermined fluid is supplied to the reformer. This makes it possible to accurately supply fuel and the like to the reformer, and to easily reduce the cost and size of the fuel cell device.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明による燃料電池装置を示す系統図であ
る。
FIG. 1 is a system diagram showing a fuel cell device according to the present invention.

【図2】図1の燃料電池装置に備えられた燃料電池を示
す斜視図である。
FIG. 2 is a perspective view showing a fuel cell provided in the fuel cell device of FIG.

【図3】図2の燃料電池に設けられた単セル及びセパレ
ータを示す断面図である。
FIG. 3 is a sectional view showing a single cell and a separator provided in the fuel cell of FIG. 2;

【図4】図4(a)は、図3に示すセパレータをアノー
ド側からみた平面図であり、図4(b)は、図3に示す
セパレータをカソード側からみた平面図である。
4 (a) is a plan view of the separator shown in FIG. 3 as viewed from the anode side, and FIG. 4 (b) is a plan view of the separator shown in FIG. 3 as viewed from the cathode side.

【図5】図5は、図1の燃料電池装置に採用されている
電磁弁を説明するための模式図である。
FIG. 5 is a schematic diagram for explaining a solenoid valve employed in the fuel cell device of FIG. 1;

【図6】図1に示す燃料電池装置の制御ブロック図であ
る。
FIG. 6 is a control block diagram of the fuel cell device shown in FIG.

【図7】図1に示す燃料電池装置の制御手順を説明する
ためのフローチャートである。
FIG. 7 is a flowchart for explaining a control procedure of the fuel cell device shown in FIG. 1;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…燃料電池装置、10…燃料供給部、11…燃料タン
ク、20…水供給部、21…水タンク、30…改質装
置、31…蒸発部、32…改質部、33…選択酸化部、
35…凝縮器、40…スタック、41a…アノード集電
板、41b…カソード集電板、42…絶縁板、43…ス
タック締付板、44a,44b…フランジ、45…膜
板、47a…燃料ガス入口、47b…空気入口、48a
…アノード排ガス出口、48b…カソード排ガス出口、
49a…冷却媒体入口、49b…冷却媒体出口、50
a,50b,51a,51b,56,57…開口部、5
2,53…溝、54…燃料ガス流路、55…空気流路、
58…冷却流路、60…冷却系統、61…ラジエータ、
65…熱交換器、70…加湿シェル、80…弁本体、8
1…弁入口、82…弁出口、83…流路、84…弁座、
85…弁体、86…可動鉄心、87…電磁コイル、88
…定電圧電源装置、90…制御装置、92…ROM、9
3…RAM、94…入出力ポート、95…記憶装置、A
…アノード、B…ブロア、C…カソード、Co…コンデ
ンサ、D…デミスタ、EM…電解質膜、FC…燃料電
池、FRV…空気流量調整弁、L1…燃料ライン、L2
…改質用水ライン、L3,L4…空気ライン、L5…燃
料ガス供給ライン、L6…空気供給ライン、L7…アノ
ード排ガスライン、L8…カソード排ガスライン、L
9,L11,L12,L13,L16…冷却媒体ライ
ン、L10,L17…冷却媒体戻りライン、L14…排
ガスライン、L15…加湿用水ライン、L20予熱ライ
ン、LP1,LP2…圧力調整ライン、LS…燃料供給
ライン、N…ノズル、P1…燃料ポンプ、P2…水ポン
プ、P3…冷却媒体循環ポンプ、PG1,PG2,PG
3,PG4,PG5…パルス発生装置、PRV1,PR
V2,PRV3,PRV4,PRV5,PRV6…圧力
調整弁、R…抵抗、RI…冷媒入口、UC…単セル、S
P…セパレータ、SV1,SV2,SV3,SV4,S
V5…電磁弁、T32,T33,T35,T70…伝熱
管、Tr1,Tr2、Tr3,Tr4,Tr5…トラン
ジスタ。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell device, 10 ... Fuel supply part, 11 ... Fuel tank, 20 ... Water supply part, 21 ... Water tank, 30 ... Reforming device, 31 ... Evaporation part, 32 ... Reforming part, 33 ... Selective oxidation part ,
35: condenser, 40: stack, 41a: anode current collector, 41b: cathode current collector, 42: insulating plate, 43: stack tightening plate, 44a, 44b: flange, 45: membrane plate, 47a: fuel gas Inlet, 47b ... air inlet, 48a
... Anode exhaust gas outlet, 48b ... Cathode exhaust gas outlet,
49a: cooling medium inlet, 49b: cooling medium outlet, 50
a, 50b, 51a, 51b, 56, 57...
2, 53 groove, 54 fuel gas channel, 55 air channel,
58: cooling channel, 60: cooling system, 61: radiator,
65: heat exchanger, 70: humidified shell, 80: valve body, 8
1 ... valve inlet, 82 ... valve outlet, 83 ... flow path, 84 ... valve seat,
85 ... valve element, 86 ... movable iron core, 87 ... electromagnetic coil, 88
... constant voltage power supply device, 90 ... control device, 92 ... ROM, 9
3 RAM, 94 input / output port, 95 storage device, A
... Anode, B ... Blower, C ... Cathode, Co ... Condenser, D ... Demister, EM ... Electrolyte membrane, FC ... Fuel cell, FRV ... Air flow control valve, L1 ... Fuel line, L2
... reforming water line, L3, L4 ... air line, L5 ... fuel gas supply line, L6 ... air supply line, L7 ... anode exhaust gas line, L8 ... cathode exhaust gas line, L
9, L11, L12, L13, L16 ... cooling medium line, L10, L17 ... cooling medium return line, L14 ... exhaust gas line, L15 ... humidification water line, L20 preheating line, LP1, LP2 ... pressure adjustment line, LS ... fuel supply Line, N: nozzle, P1: fuel pump, P2: water pump, P3: cooling medium circulation pump, PG1, PG2, PG
3, PG4, PG5 ... pulse generator, PRV1, PR
V2, PRV3, PRV4, PRV5, PRV6: pressure regulating valve, R: resistance, RI: refrigerant inlet, UC: single cell, S
P: Separator, SV1, SV2, SV3, SV4, S
V5: solenoid valve, T32, T33, T35, T70: heat transfer tube, Tr1, Tr2, Tr3, Tr4, Tr5: transistor.

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Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 アノードとカソードとによって挟持され
た高分子電解質を有する燃料電池を備え、改質装置で生
成されたアノード反応ガスを前記アノードに供給すると
共にカソード反応ガス供給手段からカソード反応ガスを
前記カソードに供給し、電気化学反応によって電力を発
生する燃料電池装置において、 前記改質装置に対して略一定の圧力で前記流体を供給可
能な流体供給手段と、 前記改質装置内部の流体圧力を略一定に保つ圧力調整手
段と、 前記改質装置と前記流体供給手段とを結ぶ流体ラインに
設けられており、当該流体ラインを断続的に開閉可能な
流路開閉手段とを備えることを特徴とする燃料電池装
置。
A fuel cell having a polymer electrolyte sandwiched between an anode and a cathode, wherein the anode reaction gas generated by the reformer is supplied to the anode, and the cathode reaction gas is supplied from a cathode reaction gas supply means. A fuel cell device that supplies power to the cathode and generates power by an electrochemical reaction, a fluid supply unit capable of supplying the fluid to the reformer at a substantially constant pressure, and a fluid pressure inside the reformer. Pressure regulating means for keeping the pressure substantially constant, and a flow passage opening / closing means provided in a fluid line connecting the reformer and the fluid supply means, and capable of intermittently opening and closing the fluid line. Fuel cell device.
【請求項2】 前記圧力調整手段は、前記改質装置から
前記アノードにアノード反応ガスを供給するためのガス
ラインに設けられており、前記改質装置の出口における
アノード反応ガスの圧力を略一定に保つことを特徴とす
る請求項1に記載の燃料電池装置。
2. The pressure adjusting means is provided in a gas line for supplying an anode reaction gas from the reformer to the anode, and keeps a pressure of the anode reaction gas at an outlet of the reformer substantially constant. The fuel cell device according to claim 1, wherein
【請求項3】 前記燃料電池に対する負荷要求に基づい
て、前記流路開閉手段の開通時間と閉止時間との割合を
設定する制御手段を更に備えることを特徴とする請求項
1又は2に記載の燃料電池装置。
3. The control device according to claim 1, further comprising control means for setting a ratio between an opening time and a closing time of the flow path opening / closing means based on a load request for the fuel cell. Fuel cell device.
【請求項4】 前記流路開閉手段は、弁本体に形成され
た流路を開閉する弁体に取り付けられた可動鉄心と、前
記可動鉄心を覆うように配置された電磁コイルとを備え
る電磁弁であることを特徴とする請求項1〜3の何れか
記載の燃料電池装置。
4. An electromagnetic valve, comprising: a movable iron core attached to a valve body that opens and closes a flow passage formed in a valve body; and an electromagnetic coil arranged to cover the movable iron core. The fuel cell device according to any one of claims 1 to 3, wherein
【請求項5】 前記流路開閉手段に駆動電圧を断続的に
印加するためのパルス信号を発生するパルス発生手段を
更に備え、前記制御手段は、前記燃料電池に対する負荷
要求に応じて前記流路開閉手段の開通時間と閉止時間と
を定め、当該開通時間と閉止時間とに応じたパルス信号
を前記パルス発生手段に発生させることを特徴とする請
求項4に記載の燃料電池装置。
5. A fuel cell system comprising: a pulse generator for generating a pulse signal for intermittently applying a drive voltage to the flow channel opening / closing device; wherein the control device controls the flow channel in response to a load request for the fuel cell. 5. The fuel cell device according to claim 4, wherein an opening time and a closing time of the opening / closing means are determined, and a pulse signal corresponding to the opening time and the closing time is generated by the pulse generating means.
【請求項6】 アノードとカソードとによって挟持され
た高分子電解質を有する燃料電池を用い、改質装置で生
成したアノード反応ガスを前記アノードに供給すると共
にカソード反応ガス供給手段からカソード反応ガスを前
記カソードに供給し、電気化学反応によって電力を発生
させる燃料電池装置の運転方法において、 前記改質装置に所定の流体を供給するための流体ライン
に流路開閉手段を設け、当該流路開閉手段の入口におけ
る流体圧力と前記改質装置内部の流体圧力との差を略一
定に保ちながら、前記流路開閉手段を断続的に開閉さ
せ、前記改質装置に前記所定の流体を供給することを特
徴とする燃料電池装置の運転方法。
6. A fuel cell having a polymer electrolyte sandwiched between an anode and a cathode, wherein an anode reaction gas generated by a reformer is supplied to the anode and the cathode reaction gas is supplied from a cathode reaction gas supply means. In a method of operating a fuel cell device that supplies power to a cathode and generates power by an electrochemical reaction, a fluid line for supplying a predetermined fluid to the reformer is provided with a flow path opening / closing means, While maintaining the difference between the fluid pressure at the inlet and the fluid pressure inside the reformer substantially constant, the flow path opening / closing means is intermittently opened and closed to supply the predetermined fluid to the reformer. Operating method of the fuel cell device.
【請求項7】 前記改質装置の出口におけるアノード反
応ガスの圧力を略一定に保つことにより、前記改質装置
内部の流体圧力を略一定に保つことを特徴とする請求項
6に記載の燃料電池装置の運転方法。
7. The fuel according to claim 6, wherein the fluid pressure inside the reformer is kept substantially constant by keeping the pressure of the anode reaction gas at the outlet of the reformer substantially constant. How to operate the battery device.
【請求項8】 前記燃料電池に対する負荷要求に応じて
前記改質装置に対する流体の供給継続時間と供給停止時
間とを定めることを特徴とする請求項6又は7に記載の
燃料電池装置の運転方法。
8. The operating method of a fuel cell device according to claim 6, wherein a supply duration time and a supply stop time of the fluid to the reformer are determined according to a load request for the fuel cell. .
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1995813A1 (en) 2007-05-17 2008-11-26 HONDA MOTOR CO., Ltd. Fuel cell system
CN102996887A (en) * 2011-09-14 2013-03-27 中国海洋石油总公司 High-reliability valve control loop

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP1995813A1 (en) 2007-05-17 2008-11-26 HONDA MOTOR CO., Ltd. Fuel cell system
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