JP2004234973A

JP2004234973A - Fuel cell unit and operation method of the same

Info

Publication number: JP2004234973A
Application number: JP2003020959A
Authority: JP
Inventors: Naoyuki Enjoji; 直之円城寺; 英彦 ▲高▼瀬; Hidehiko Takase
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-01-29
Filing date: 2003-01-29
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2023-01-29
Also published as: JP4173744B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell unit capable of continuing an expected power generation efficiently even if some of fuel cells fall into disorder. <P>SOLUTION: The fuel cell unit 100 is composed of a plurality of fuel cells 10a to 10n. Respective power generation parts of the fuel cells are serially connected and expected voltages are obtained respectively. Output currents are accumulated by laminating the fuel cells 10a to 10n in a direction of an arrow mark A, and output to the power generation circuit 104. The power generation circuit 104 and the fuel cells 10a to 10n can be individually connected and disconnected through intermittence devices 110a to 110n. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される複数の発電部が平面状に配設されるとともに、前記複数の発電部が電気的に直列に接続される燃料電池を備え、複数の燃料電池が積層される燃料電池ユニットおよびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜を採用している。この電解質膜の両側に、それぞれカーボンを主体とする基材に貴金属系の電極触媒層を接合したアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成される電解質膜・電極構造体（発電部）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより構成される単位セルを備えている。通常、この単位セルは、所定数だけ積層して燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、例えば、車両に搭載される燃料電池スタックでは、所望の出力電圧を得るために、数１００枚の単位セルを積層して電気的に直列に接続する必要がある。このため、１枚の単位セルに故障や不調が発生した場合、燃料電池スタック全体の発電不良が惹起してしまい、一旦、発電を停止した状態で、あるいは、負荷を低下させた状態で、燃料ガスを供給してパージ（掃気）を行うことが知られている。
【０００５】
しかしながら、上記のように、燃料電池スタックを構成する１枚の単位セルに不具合が発生した際に、前記燃料電池スタック全体の発電を停止させるため、発電効率が著しく低下してしまう。特に、車載用として数１００枚の単位セルが積層されている場合、各単位セルの信頼性を大幅に向上させることが望まれている。しかも、パージに使用された燃料ガスを処理するために、希釈装置等を付設しなければならず、設備費が高騰して経済的ではないという問題がある。
【０００６】
そこで、例えば、複数の単位セルを平面状に１列または複数列に配設し、各単位セル同士を電気的に直列に接続した平面型燃料電池が採用されている（特許文献１参照）。このため、１枚の平面型燃料電池から所望の電圧を得ることができ、複数の前記平面型燃料電池を積層することによって電流が積層され、該平面型燃料電池の積層数に応じた電流値を得ることが可能になる。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−５６８５５号公報（図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特許文献１では、複数の平面型燃料電池が電気的に接続されているため、１枚の平面型燃料電池に不具合が発生すると、各平面型燃料電池間に大きな電圧差が惹起されるおそれがある。これにより、特に低電圧の平面型燃料電池に逆電圧がかかってしまい、前記平面型燃料電池が破損するという問題がある。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、いずれかの燃料電池に不具合が生じても、所望の発電を継続することができ、簡単な構成および工程で、効率的な発電を遂行することが可能な燃料電池ユニットおよびその運転方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池ユニットでは、電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される複数の発電部が平面状に配設されるとともに、前記複数の発電部が電気的に直列に接続される燃料電池と、複数の燃料電池を負荷に対して並列に接続する発電回路と、各燃料電池を前記発電回路に対して個別に接続および切断可能な断続機構とを備えている。
【００１１】
そこで、複数の燃料電池を負荷に対し並列に接続して発電が行われるとともに、各燃料電池の発電状態が検出される。その際、異常が発生した燃料電池は、負荷から個別に切断される一方、残余の燃料電池により発電が継続して行われる（本発明の請求項１０に係る燃料電池ユニットの運転方法）。
【００１２】
このように、各燃料電池毎に所望の電圧が得られるため、１以上の燃料電池に発電不良等が発生しても、残余の燃料電池により所望の電圧を維持することができる。従って、１以上の燃料電池が故障しても、この故障した燃料電池を発電回路から切断することにより、該故障した燃料電池に逆電圧が作用することを阻止するとともに、燃料電池ユニットとして発電を継続して行うことができ、効率的な発電が遂行可能になる。
【００１３】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池ユニットでは、各燃料電池には、個別に電圧調整を行うための可変抵抗器が接続されるため、各燃料電池毎に個別に電圧調整が行われる（本発明の請求項１１に係る燃料電池ユニットの運転方法）。このため、各燃料電池に電圧差が発生することがなく、燃料電池ユニットとして良好な発電が確実に遂行される。
【００１４】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池ユニットでは、燃料電池は、一方の極に接続される第１出力端子と、他方の極に接続される第２出力端子とを備えている。そして、少なくも第２出力端子は、第１出力端子からそれぞれ異なる数の発電部を直列に接続する２以上の第２出力端子を設けるとともに、任意の第２出力端子と前記第１出力端子とを発電回路に接続可能な接続切り替え機構が設けられている。これにより、発電状況等に応じて出力電圧を変更させることができ、燃料電池間の電圧差を調圧して効率的な発電が遂行される。
【００１５】
さらにまた、本発明の請求項４に係る燃料電池ユニットおよび請求項１２に係る燃料電池ユニットの運転方法では、複数の燃料電池ユニットを負荷に対し並列に接続して発電が行われるとともに、各燃料電池ユニットの発電状態が検出される。その際、異常が発生した燃料電池ユニットは、負荷から個別に切断される一方、残余の燃料電池ユニットにより発電が継続して行われる。
【００１６】
このため、１以上の燃料電池ユニットに発電不良等が発生しても、残余の燃料電池ユニットにより所望の電圧を維持することができる。従って、１以上の燃料電池ユニットが故障しても、この故障した燃料電池ユニットを発電回路から切断することにより、該故障した燃料電池ユニットに逆電圧が作用することを阻止するとともに、発電を継続して行うことができ、効率的な発電が遂行可能になる。
【００１７】
また、本発明の請求項５に係る燃料電池ユニットでは、複数の燃料電池ユニットに燃料ガスを並列に供給する燃料ガス供給機構と、前記複数の燃料電池ユニットに酸化剤ガスを並列に供給する酸化剤ガス供給機構とを備え、前記燃料ガス供給機構および前記酸化剤ガス供給機構は、各燃料電池ユニット毎に前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの供給を停止可能な開閉部を設けている。
【００１８】
従って、各燃料電池ユニット毎に発電状態を調整することができ、例えば、通常の負荷よりも低い負荷である際、少なくとも一の前記燃料電池ユニットの発電を停止させることが可能になる。
【００１９】
さらに、本発明の請求項１３に係る燃料電池ユニットの運転方法では、一定時間毎に異なる燃料電池ユニットの発電を、順次、停止させることができる。これにより、停止または発電している燃料電池ユニットの発電部が乾燥し過ぎたり、温度低下し過ぎたりすることを有効に阻止することが可能になる。しかも、定期的に任意の燃料電池ユニットを休止させることにより、パージ（掃気）効果を持たせることができる。
【００２０】
さらにまた、本発明の請求項１４に係る燃料電池ユニットの運転方法では、発電を停止している燃料電池ユニットには、発電中の燃料電池ユニットに供給される冷却媒体よりも少量の冷却媒体が供給される（本発明の請求項７に係る燃料電池ユニット）。このため、停止している燃料電池ユニットを保温することができる。
【００２１】
また、本発明の請求項６に係る燃料電池ユニットでは、燃料ガス供給機構および前記酸化剤ガス供給機構は、それぞれ設定負荷に応じた設定流量の燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するための第１ポンプと、低負荷に応じた低流量の前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスを供給するための第２ポンプとを並列に接続している。これにより、低負荷運転時に、最も効率のよい燃料電池ユニット数を選択するとともに、低負荷用の第２ポンプを使用することによって、高効率運転が確実に遂行される。
【００２２】
その際、本発明の請求項８に係る燃料電池ユニットでは、冷却媒体供給機構は、設定負荷に応じた設定流量の冷却媒体を供給するための第１ポンプと、低負荷に応じた低流量の前記冷却媒体を供給するための第２ポンプとを並列に接続している。従って、冷却媒体の流量を負荷状況に応じて良好に調整するとともに、冷却媒体用ポンプを効率的に活用することが可能になる（本発明の請求項１５に係る燃料電池ユニットの運転方法）。
【００２３】
さらに、本発明の請求項９に係る燃料電池ユニットでは、燃料電池は、複数の発電部の両面を挟持する一対の金属拡散層を設けるとともに、前記金属拡散層は、隣接する発電部同士を電気的に直列に接続するために、所定の発電部間に配置される樹脂製絶縁部を備えている。このため、金属拡散層自体が、発電部の電気的接続部材としての機能を有することができ、部品点数を大幅に削減することが可能になる。特に、多数の発電部を配置する際に経済的であるとともに、シール構造等の信頼性が有効に向上する。しかも、燃料電池全体の構成が簡素化される他、前記燃料電池の小型化が容易に図られる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池ユニット１００の概略構成説明図である。
【００２５】
燃料電池ユニット１００は、複数の燃料電池１０ａ〜１０ｎを矢印Ａ方向に積層しており、前記燃料電池１０ａ〜１０ｎをモータ等の負荷１０２に並列に接続する発電回路１０４と、前記燃料電池１０ａ〜１０ｎを前記発電回路１０４に対して個別に接続および切断可能な断続機構１０６とを備える。
【００２６】
各燃料電池１０ａ〜１０ｎは同様に構成されており、以下、燃料電池１０ａについて詳細に説明し、燃料電池１０ｂ〜１０ｎの詳細な説明は省略する。図２および図３に示すように、燃料電池１０ａは、ＭＥＡ（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）ユニット１２と、このＭＥＡユニット１２の両面に配置される第１および第２拡散層１４、１６と、前記第１および第２拡散層１４、１６に積層される第１および第２セパレータ１８、２０とを備える。
【００２７】
燃料電池１０ａの矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔２２ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２４ｂとが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。燃料電池１０ａの矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔２４ａと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとが設けられる。
【００２８】
燃料電池１０ａの矢印Ｃ方向一端縁部には、矢印Ａ方向に連通して、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２６ａが設けられるとともに、矢印Ｃ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に連通して、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２６ｂが設けられる。
【００２９】
ＭＥＡユニット１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸されてなる固体高分子電解質膜２８を備える。この固体高分子電解質膜２８を共通の電解質として、第１電解質膜・電極構造体（発電部）３０、第２電解質膜・電極構造体（発電部）３２、第３電解質膜・電極構造体（発電部）３４および第４電解質膜・電極構造体（発電部）３６が構成される。
【００３０】
第１電解質膜・電極構造体３０は、固体高分子電解質膜２８の矢印Ｃ方向の一端縁部に位置し、矢印Ｂ方向に配列して、例えば、４つ設けられる。図４に示すように、各第１電解質膜・電極構造体３０は、固体高分子電解質膜２８の一方の面２８ａに設けられる長方形状のカソード側電極３８と、前記固体高分子電解質膜２８の他方の面２８ｂに設けられる長方形状のアノード側電極４０とを備える。カソード側電極３８およびアノード側電極４０は、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が固体高分子電解質膜２８の面２８ａ、２８ｂに塗布されて構成される。
【００３１】
固体高分子電解質膜２８の矢印Ｃ方向の他端縁部に位置し、例えば、４つの第２電解質膜・電極構造体３２が矢印Ｂ方向に配列して設けられる。各第２電解質膜・電極構造体３２は、面２８ａに設けられるアノード側電極４０と、面２８ｂに設けられるカソード側電極３８とを備えるとともに、第１電解質膜・電極構造体３０と点対称の位置に設けられる。
【００３２】
第１電解質膜・電極構造体３０の近傍には、例えば、７つの第３電解質膜・電極構造体３４が矢印Ｂ方向に配列して設けられる。第３電解質膜・電極構造体３４は、正方形状のアノード側電極４２とカソード側電極４４とを備え、前記アノード側電極４２および前記カソード側電極４４は、アノード側電極４０およびカソード側電極３８の長辺の略半分の長さに設定される。アノード側電極４２は、面２８ａに設けられる一方、カソード側電極４４は、面２８ｂに設けられる。
【００３３】
第３電解質膜・電極構造体３４は、矢印Ｂ方向に７個ずつ、かつ矢印Ｃ方向に所定の間隔ずつ離間して３列に設けられる。第３電解質膜・電極構造体３４間および該第３電解質膜・電極構造体３４と第２電解質膜・電極構造体３２間に第４電解質膜・電極構造体３６が形成される。
【００３４】
第４電解質膜・電極構造体３６は、上記の第３電解質膜・電極構造体３４と同様に構成されており、矢印Ｂ方向に７個ずつ、かつ矢印Ｃ方向に所定間隔ずつ離間して３列に設けられる。第４電解質膜・電極構造体３６は、面２８ａに設けられるカソード側電極４４と、面２８ｂに設けられるアノード側電極４２とを備えている。
【００３５】
図２に示すように、固体高分子電解質膜２８の両方の面２８ａ、２８ｂには、シリコンフィルム４６ａ、４６ｂが積層されており、前記シリコンフィルム４６ａ、４６ｂに第１〜第４電解質膜・電極構造体３０〜３６の形状に対応する切り抜き部４８ａ、４８ｂが形成されている。
【００３６】
図５に示すように、第１拡散層１４は、例えば、良導電性で水分による錆の発生がなく、強酸性下で腐食のないステンレス、チタンまたはニッケル等の金属材料性の発泡体で形成される金属拡散層５０と、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂で形成される樹脂層５２とを備える。
【００３７】
金属拡散層５０は、第１〜第４電解質膜・電極構造体３０〜３６の形状に対応して形成されている。この金属拡散層５０内には、第１および第３電解質膜・電極構造体３０、３４の間、第３および第４電解質膜・電極構造体３４、３６の間、並びに第４および第２電解質膜・電極構造体３６、３２間に配置され、矢印Ｂ方向に断続的に延在する樹脂製絶縁部５４が設けられる。
【００３８】
樹脂製絶縁部５４は、矢印Ｃ方向に配列された各発電部（第１〜第４電解質膜・電極構造体３０〜３６）を、それぞれ１つおきに電気的に絶縁するように設けられる。具体的には、矢印Ｃ方向に隣り合う第１電解質膜・電極構造体３０のカソード側電極３８と第３電解質膜・電極構造体３４のアノード側電極４２とは、矢印Ｂ方向に沿って電気的接続と電気的絶縁とを交互に繰り返す。
【００３９】
矢印Ｃ方向に互いに隣り合う第３電解質膜・電極構造体３４のアノード側電極４２と第４電解質膜・電極構造体３６のカソード側電極４４とは、矢印Ｂ方向に対して電気的接続と電気的絶縁とを交互に繰り返す。同様に、第４電解質膜・電極構造体３６のカソード側電極４４と第２電解質膜・電極構造体３２のアノード側電極４０とは、矢印Ｂ方向に沿って電気的接続と電気的絶縁とを交互に繰り返す。
【００４０】
第１電解質膜・電極構造体３０から第２電解質膜・電極構造体３２に向かって矢印Ｃ方向に延在する樹脂製絶縁部５６が設けられる。この樹脂製絶縁部５６は、第１〜第４電解質膜・電極構造体３０〜３６を矢印Ｂ方向に１つずつ電気的に絶縁するように設けられる。
【００４１】
図６に示すように、第２拡散層１６は、第１拡散層１４と同様に、金属拡散層５８と樹脂層６０とを備える。金属拡散層５８内には、矢印Ｂ方向に断続的に設けられ、かつ矢印Ｃ方向に所定間隔ずつ離間して配列される複数本の樹脂製絶縁部６２と、矢印Ｃ方向に延在し、かつ矢印Ｂ方向に所定間隔ずつ離間して配列される樹脂製絶縁部６４とが設けられる。
【００４２】
第１および第２拡散層１４、１６が積層された状態では、樹脂製絶縁部６２と樹脂製絶縁部５４とが交互に配置される。金属拡散層５８には、対角位置に対応して接続端子部６６ａ、６６ｂおよび６８ａ、６８ｂが、樹脂層６０を含浸して設けられる。接続端子部６６ａ、６６ｂおよび６８ａ、６８ｂは、金属部分が表面に露出するように形成される。
【００４３】
図３に示すように、ＭＥＡユニット１２が第１および第２拡散層１４、１６で挟持されると、矢印Ｃ方向に沿って第３電解質膜・電極構造体３４のアノード側電極４２と、第４電解質膜・電極構造体３６のカソード側電極４４とが、金属拡散層５０を介して１つおきに電気的に接続される。一方、第３電解質膜・電極構造体３４のカソード側電極４４と、第４電解質膜・電極構造体３６のアノード側電極４２とが、金属拡散層５８を介して１つおきに電気的に接続される。
【００４４】
金属拡散層５０、５８では、樹脂製絶縁部５４、６２が交互に設けられることにより、矢印Ｃ方向に配列される第３および第４電解質膜・電極構造体３４、３６は、第１および第２電解質膜・電極構造体３０、３２間で電気的に直列に接続される。図４に示すように、第１および第２電解質膜・電極構造体３０、３２は、第３および第４電解質膜・電極構造体３４、３６の矢印Ｂ方向の長さの２倍の長さに設定されている。ＭＥＡユニット１２では、第１〜第４電解質膜・電極構造体３０〜３６が、図４中、矢印方向に示すように、電気的に直列に接続される。
【００４５】
図３および図７に示すように、第１セパレータ１８のＭＥＡユニット１２に対向する面１８ａには、矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路７０と燃料ガス流路７２とが矢印Ｃ方向に交互に形成される。酸化剤ガス流路７０は、第１および第４電解質膜・電極構造体３０、３６に対応する複数本の流路溝を設けており、矢印Ｂ方向両端に矢印Ｃ方向に延在する連結流路７４ａ、７４ｂが連通する。連結流路７４ａは酸化剤ガス入口連通孔２２ａに連通する一方、連結流路７４ｂは酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに連通する。
【００４６】
燃料ガス流路７２は、同様に第２および第３電解質膜・電極構造体３２、３４に対応する複数本の流路溝を設けており、矢印Ｂ方向両端に形成されたそれぞれ複数個の貫通孔７６ａ、７６ｂに連通する。図２に示すように、第１セパレータ１８の他方の面１８ｂには、複数の貫通孔７６ａに一体的に連通して矢印Ｃ方向に延在する連結流路７８ａが設けられ、この連結流路７８ａが燃料ガス入口連通孔２４ａに連通する。同様に、面１８ｂには、複数の貫通孔７６ｂに一体的に連通して矢印Ｃ方向に長尺な連結流路７８ｂが形成され、この連結流路７８ｂが燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通する。
【００４７】
図２、図３および図８に示すように、第２セパレータ２０のＭＥＡユニット１２に対向する面２０ａには、第２および第３電解質膜・電極構造体３２、３４に対応して矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路８０と、第１および第４電解質膜・電極構造体３０、３６に対応して矢印Ｂ方向に延在する燃料ガス流路８２とが形成される。
【００４８】
酸化剤ガス流路８０は、複数本の流路溝を有しており、矢印Ｂ方向両端には、矢印Ｃ方向に延在する連結流路８４ａ、８４ｂが連通する。連結流路８４ａは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａに連通する一方、連結流路８４ｂは、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに連通する。
【００４９】
燃料ガス流路８２は、複数本の流路溝を備えており、矢印Ｂ方向両端にはそれぞれ複数の貫通孔８６ａ、８６ｂが連通する。図９に示すように、第２セパレータ２０の他方の面２０ｂには、複数の貫通孔８６ａを一体的に連通して矢印Ｃ方向に延在する連結流路８８ａが形成され、この連結流路８８ａが燃料ガス入口連通孔２４ａに連通する。同様に、面２０ｂには、複数の貫通孔８６ｂを一体的に連通して矢印Ｃ方向に延在する連結流路８８ｂが形成され、この連結流路８８ｂが燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通する。
【００５０】
面２０ｂには、冷却媒体入口連通孔２６ａと、冷却媒体出口連通孔２６ｂとを連通する冷却媒体流路９０が形成される。この冷却媒体流路９０は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の流路溝を備えており、前記冷却媒体流路９０の矢印Ｂ方向一端は、矢印Ｃ方向に延在する連結流路９２ａを介して冷却媒体入口連通孔２６ａに連通する。一方、冷却媒体流路９０の矢印Ｂ方向他端部は、矢印Ｃ方向に延在する連結流路９２ｂを介して冷却媒体出口連通孔２６ｂに連通する。
【００５１】
図８に示すように、第２セパレータ２０の面２０ａには、第２拡散層１６の接続端子部６６ａ、６６ｂに接続される端子部（第１出力端子）９４ａ、９４ｂと、接続端子部６８ａ、６８ｂに接続される端子部（第２出力端子）９６ａ、９６ｂとが組み込まれる。
【００５２】
図１に示すように、発電回路１０４は、燃料電池１０ａ〜１０ｎの各端子部９４ａと負荷１０２に接続される導線１０８ａと、前記負荷１０２と断続機構１０６を構成する断続器１１０ａ〜１１０ｎに接続される導線１０８ｂとを備える。断続器１１０ａ〜１１０ｎは、燃料電池１０ａ〜１０ｎの各端子部９６ａに接続自在である。燃料電池１０ａ〜１０ｎでは、例えば、それぞれの出力電圧（発電状態）を検出しており、設定電圧と比較して異常発生の有無を検出している。
【００５３】
このように構成される燃料電池１０ａ〜１０ｎでは、第１〜第４電解質膜・電極構造体３０〜３６が、ＭＥＡユニット１２内で、図４中、矢印方向に示すように、電気的に直列に接続されている。従って、最先端の第１電解質膜・電極構造体３０ａと最後端の第２電解質膜・電極構造体３２ａとの間には、所定の電圧が確保されている。
【００５４】
その際、金属拡散層５０、５８自体が電極用接続部材としての機能を有している。このため、部品点数を大幅に削減することが可能になり、特に、多数の発電部を配置する際に経済的であるとともに、シール構造等の信頼性が有効に向上するという効果が得られる。しかも、燃料電池１０ａ〜１０ｎ全体の構成が簡素化され、前記燃料電池１０ａ〜１０ｎの小型化が容易に図られる。
【００５５】
次に、燃料電池ユニット１００の動作について、以下に説明する。
【００５６】
まず、燃料電池１０ａにおいて、図２に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２２ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２６ａに純水やエチレングリコールオイル等の冷却媒体が供給される。
【００５７】
このため、酸化剤ガスは、図７に示すように、第１セパレータ１８の面１８ａに形成される連結流路７４ａから酸化剤ガス流路７０に供給され、矢印Ｂ方向に移動しながら第１および第４電解質膜・電極構造体３０、３６のカソード側電極３８、４４に沿って移動する。この酸化剤ガスは、連結流路７４ｂから酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに排出される。
【００５８】
また、酸化剤ガスは、図８に示すように、第２セパレータ２０の面２０ａに形成される連結流路８４ａから酸化剤ガス流路８０に導入され、矢印Ｂ方向に移動しながら第２および第３電解質膜・電極構造体３２、３４のカソード側電極３８、４４に沿って移動する。この酸化剤ガスは、連結流路８４ｂから酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに排出される。
【００５９】
一方、燃料ガスは、図２に示すように、第１セパレータ１８の面１８ｂに形成される連結流路７８ａに導入され、この連結流路７８ａに連通する複数の貫通孔７６ａを通って面１８ａに形成される燃料ガス流路７２に導入される（図７参照）。この燃料ガス流路７２では、燃料ガスが矢印Ｂ方向に移動しながら、第２および第３電解質膜・電極構造体３２、３４のアノード側電極４０、４２に沿って移動する。この燃料ガスは、複数の貫通孔７６ｂを通って面１８ｂ側の連結流路７８ｂに導入され、燃料ガス出口連通孔２４ｂから排出される。
【００６０】
また、燃料ガスは、図９に示すように、第２セパレータ２０の面２０ｂに設けられる連結流路８８ａに導入され、この連結流路８８ａに連通する複数の貫通孔８６ａを通って面２０ａ側に導入される。図８に示すように、燃料ガスは、燃料ガス流路８２を矢印Ｂ方向に移動しながら第１および第４電解質膜・電極構造体３０、３６のアノード側電極４０、４２に沿って移動する。この燃料ガスは、複数の貫通孔８６ｂから面２０ｂに設けられる連結流路８８ｂに導入され、燃料ガス出口連通孔２４ｂから排出される。
【００６１】
従って、第１〜第４電解質膜・電極構造体３０〜３６では、カソード側電極３８、４４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４０、４２に供給される燃料ガスとが電気化学反応により消費され、発電が行われる。これにより、端子部９４ａ、９６ａ間には、全ての発電部である第１〜第４電解質膜・電極構造体３０〜３６が電気的に直列に接続され、所望の電圧を発生させることができる。なお、燃料電池１０ｂ〜１０ｎでは、上記の燃料電池１０ａと同様に発電が行われており、燃料電池１０ａ〜１０ｎが並列されることによって、それぞれの出力電流値が積層（加算）される。
【００６２】
この場合、第１の実施形態では、燃料電池１０ａ〜１０ｎが発電回路１０４に並列に接続されるとともに、前記燃料電池１０ａ〜１０ｎは、断続機構１０６を構成する断続器１１０ａ〜１１０ｎを介して前記発電回路１０４に対して個別に接続および切断可能に構成されている。このため、各燃料電池１０ａ〜１０ｎ毎に所望の電圧が得られ、例えば、燃料電池１０ａに発電不良等の異常が発生しても、残余の燃料電池１０ｂ〜１０ｎにより所望の電圧を維持することができる。
【００６３】
その際、異常が発生した燃料電池１０ａを断続器１１０ａの作用下に発電回路１０４から切り離すことにより、前記燃料電池１０ａに逆電圧が作用することを阻止するとともに、燃料電池１０ｂ〜１０ｎを備えた燃料電池ユニット１００として、発電を継続して行うことができる。これにより、発電を停止した燃料電池１０ａに損傷等が発生することがなく、しかも効率的な発電を確実に遂行することが可能になるという効果が得られる。
【００６４】
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池ユニット１２０の概略構成説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池ユニット１００と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３および第４の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００６５】
燃料電池ユニット１２０では、各燃料電池１０ａ〜１０ｎを個別に電圧調整するための可変抵抗器１２２ａ〜１２２ｎが、前記燃料電池１０ａ〜１０ｎに対して断続器１１０ａ〜１１０ｎと直列に配置されている。
【００６６】
このように構成される第２の実施形態では、可変抵抗器１２２ａ〜１２２ｎを調整することにより各燃料電池１０ａ〜１０ｎ毎に個別に電圧調整が行われるため、各燃料電池１０ａ〜１０ｎ間に電圧差が発生することがない。これにより、燃料電池ユニット１２０として良好な発電が確実に遂行されるという効果が得られる。なお、例えば、燃料電池１０ａに可変抵抗器１２２ａの可変範囲を超える電圧差が発生した際には、異常が発生した燃料電池１０ａのみを発電回路１０４から切り離せばよい。
【００６７】
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池ユニット１３０の概略構成説明図である。
【００６８】
この燃料電池ユニット１３０では、燃料電池１０ａ〜１０ｎにそれぞれ端子部９６ａ、９６ｂ、９６ｃおよび９６ｄが設けられる。端子部９６ａ〜９６ｄは、端子部９４ａからそれぞれ異なる数の発電部（第１〜第４電解質膜・電極構造体３０〜３６）を直列に接続しており、前記端子部９６ａ〜９６ｄを発電回路１０４に接続する接続切り替え機構１３２ａ〜１３２ｎが設けられる。この接続切り替え機構１３２ａ〜１３２ｎは、それぞれ端子部９６ａ〜９６ｄを発電回路１０４に個別に接続および切断可能な断続器１３４ａ〜１３４ｄを備える。
【００６９】
このように構成される第３の実施形態では、接続切り替え機構１３２ａ〜１３２ｎ毎に断続器１３４ａ〜１３４ｄを選択的に接続することにより、端子部９６ａ〜９６ｄの任意の１つを発電回路１０４に接続することができる。このため、発電状況等に応じて出力電圧を変更させることができ、燃料電池１０ａ〜１０ｎ間の電圧差を有効に調圧して、効率的な発電が遂行されるという効果が得られる。
【００７０】
図１２は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池ユニット１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃおよび１４０ｄを組み込む燃料電池システム１４２の反応ガス回路の概略説明図であり、図１３は、前記燃料電池システム１４２の冷却媒体回路の概略説明図である。
【００７１】
燃料電池システム１４２は、図１２に示すように、燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄを負荷１０２に対して並列に接続する発電回路１０４と、前記燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄを前記発電回路１０４に対して個別に接続および切断可能な断続機構１０６とを備える。燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄは、それぞれ第１の実施形態に係る燃料電池１０ａ〜１０ｎを積層して構成されるとともに、断続機構１０６は、前記燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄに対応して設けられる断続器１１０ａ〜１１０ｄを備える。
【００７２】
燃料電池システム１４２は、燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄに燃料ガスを並列に供給する燃料ガス供給機構１４４と、前記燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄに酸化剤ガスを並列に供給する酸化剤ガス供給機構１４６と、前記燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄに冷却媒体を並列に供給する冷却媒体供給機構１４８とを備える（図１２および図１３参照）。
【００７３】
燃料ガス供給機構１４４は、図１２に示すように、燃料タンク１５０に第１燃料ポンプ１５２を介して接続される供給管路１５４を備え、この供給管路１５４には、第１燃料ポンプ１５２に並列して、低負荷専用の第２燃料ポンプ１５６が切り替え弁１５８を介して連通可能である。
【００７４】
供給管路１５４は、燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄに対応して４本に分岐し、それぞれ開閉弁（開閉部）１６０ａ〜１６０ｄを介して前記燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄの燃料ガス供給側に開閉自在である。燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄの燃料ガス排出側は、排出管路１６２に連通しており、この排出管路１６２が供給管路１５４に連通して循環経路を構成している。
【００７５】
酸化剤ガス供給機構１４６は、第１空気ポンプ１６４を配設した供給管路１６６を備える。この供給管路１６６は、４本に分岐してそれぞれ開閉弁（開閉部）１６８ａ〜１６８ｄを介し燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄの酸化剤ガス供給側に個別に開閉可能に接続される。供給管路１６６には、第１空気ポンプ１６４に並列して、低負荷専用の第２空気ポンプ１７０が切り替え弁１７２を介して連通可能である。燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄの酸化剤ガス排出側は、排出管路１７４を介して外部に開放される。
【００７６】
図１３に示すように、冷却媒体供給機構１４８は、熱交換器１７６が配設される循環管路１７８を備える。この循環管路１７８には、第１冷媒ポンプ１８０と低負荷専用の第２冷媒ポンプ１８２とが、切り替え弁１８４を介して選択的に連通する。
【００７７】
循環管路１７８は、４本に分岐して燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄの冷却媒体供給側にそれぞれ流量制御弁１８６ａ〜１８６ｄを介して連通する一方、前記燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄの冷却媒体排出側は、切り替え弁１８８を介してバイパス管路１９０が連通自在である。このバイパス管路１９０は、熱交換器１７６をバイパスして第１および第２冷媒ポンプ１８０、１８２に連通する。
【００７８】
このように構成される燃料電池システム１４２では、設定負荷（負荷１０２）に応じて第１燃料ポンプ１５２、第１空気ポンプ１６４および第１冷媒ポンプ１８０が駆動される。このため、燃料ガス供給機構１４４では、燃料タンク１５０に充填されている燃料が供給管路１５４に供給され、この供給管路１５４内で分岐して燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄに並列的に供給される。そして、燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄで使用された燃料ガスは、排出管路１６２を介して供給管路１５４側に戻される。
【００７９】
酸化剤ガス供給機構１４６では、第１空気ポンプ１６４の作用下に、酸化剤ガスが供給管路１６６を介して燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄに並列的に導入された後、使用後の酸化剤ガスは、排出管路１７４を介して外部に排気される。これにより、燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄでは、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて第１の実施形態と同様に発電が行われ、負荷１０２に電力が供給される。
【００８０】
一方、冷却媒体供給機構１４８では、第１冷媒ポンプ１８０を介して循環管路１７８を冷却媒体が循環する。この冷却媒体は、燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄに並列的に供給されて前記燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄを冷却した後、バイパス管路１９０に供給される。また、冷却媒体は、必要に応じて熱交換器１７６を通ることにより温度を下げられた後、燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄの冷却に使用される。
【００８１】
この場合、第４の実施形態では、燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄのそれぞれの発電状態が、例えば、出力電圧から検出され、この出力電圧が高すぎたり低すぎたりした際、すなわち、異常が発生した際に断続機構１０６が駆動される。このため、例えば、燃料電池ユニット１４０ｂに異常が発生した際には、断続器１１０ｂの作用下にこの燃料電池ユニット１４０ｂが発電回路１０４から切り離される。
【００８２】
これにより、異常が発生した燃料電池ユニット１４０ｂに逆電圧が作用することを阻止するとともに、残余の燃料電池ユニット１４０ａ、１４０ｃおよび１４０ｄを介して発電を継続して行うことができ、効率的な発電が遂行可能になるという効果が得られる。その際、燃料ガス供給機構１４４および酸化剤ガス供給機構１４６では、開閉弁１６０ｂ、１６８ｂを閉じることにより、燃料電池ユニット１４０ｂへの燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給が停止され、前記燃料電池ユニット１４０ｂの発電のみを停止させることができる。
【００８３】
さらにまた、負荷１０２が低負荷になった際には、燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄのいずれか１つ〜３つを選択的に停止させることができる。すなわち、図１４と図１５とは、燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄの全てを発電した場合（４ＵＮＩＴＯＮ）、燃料電池ユニット１４０ａ、１４０ｂのみを発電した場合（２ＵＮＩＴＯＮ）、および燃料電池ユニット１４０ｂのみを発電した場合（１ＵＮＩＴＯＮ）において、それぞれの補機電力と効率線図との説明図である。
【００８４】
その際、２ＵＮＩＴＯＮでは、燃料電池ユニット１４０ｃ、１４０ｄに対する燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を停止するとともに、流量制御弁１８６ｃ、１８６ｄを絞って前記燃料電池ユニット１４０ｃ、１４０ｄに供給される冷却媒体の流量を減少させる。また、１ＵＮＩＴＯＮでは、燃料電池ユニット１４０ｂ〜１４０ｄにおいて、上記と同様に燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を停止するとともに、冷却媒体の流量を絞っている。
【００８５】
図１５に示すように、電流（負荷）がα以下では、２ＵＮＩＴＯＮでの発電を行う一方、電流がαよりも低いβ以下では、１ＵＮＩＴＯＮでの発電を行う。さらに、電流がαよりも低いγ以下では、１ＵＮＩＴＯＮである燃料電池ユニット１４０ａのみの発電を行うとともに、低負荷専用の第２燃料ポンプ１５６および第２空気ポンプ１７５を、切り替え弁１５８、１７２を介して供給管路１５４、１６６に連通し、燃料ガスおよび酸化剤ガスの低流量供給が行われる。
【００８６】
その結果、図１４および図１５に示すように、低負荷発電では、電流がβよりもさらに低いγにおいて発電効率が向上している。従って、低負荷発電時には、電流（負荷）の値に応じて最も効率のよいユニット数を選択して運転することにより、効率運転が確実に遂行されるという効果が得られる。
【００８７】
また、燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄの少なくとも１つの発電を停止させる際には、例えば、燃料電池ユニット１４０ａを一定時間停止させた後、燃料電池ユニット１４０ｂの発電を停止させ、さらに一定時間経過後に燃料電池ユニット１４０ｃの発電を停止させる。
【００８８】
これにより、停止または発電している燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄの発電部が乾燥し過ぎたり温度低下し過ぎたりすることを有効に阻止することが可能になる。しかも、定期的に任意の燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄを休止させることにより、パージ（掃気）効果を持たせることができる。
【００８９】
さらに、休止中の燃料電池ユニット１４０ａには、流量制御弁１８６ａを絞ることにより他の発電している燃料電池ユニット１４０ｂ〜１４０ｄに供給される冷却媒体流量よりも少ない流量の冷却媒体が供給される。このため、停止している燃料電池ユニット１４０ａが必要以上に低温となることがなく、有効に保温することができるとともに、第１または第２冷却ポンプ１８０、１８２の仕事量を少なくして、効率の向上が図られる。
【００９０】
さらに、低負荷運転時には、第２燃料ポンプ１５６、第２空気ポンプ１７０および第２冷媒ポンプ１８２を使用することによって、さらに効率を向上し得る運転条件が設定されるという利点がある。
【００９１】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池ユニットおよびその運転方法では、燃料電池毎または燃料電池ユニット毎に所望の電圧が得られるため、１以上の燃料電池または燃料電池ユニットに発電不良等が発生しても、残余の燃料電池または燃料電池ユニットにより所望の電圧を維持することができる。
【００９２】
従って、１以上の燃料電池または燃料電池ユニットが故障しても、この故障した燃料電池または燃料電池ユニットを発電回路から切断することにより、該故障した燃料電池または燃料電池ユニットに逆電圧が作用することを阻止するとともに、燃料電池ユニットとして発電を継続して行うことができ、効率的な発電が遂行可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池ユニットの概略構成説明図である。
【図２】前記燃料電池ユニットを構成する燃料電池の要部分解斜視図である。
【図３】前記燃料電池の要部断面説明図である。
【図４】前記燃料電池を構成するＭＥＡユニットの接続状態を示す説明図である。
【図５】前記燃料電池を構成する第１拡散層の正面図である。
【図６】前記燃料電池を構成する第２拡散層の正面図である。
【図７】前記燃料電池を構成する第１セパレータの一方の面の正面図である。
【図８】前記燃料電池を構成する第２セパレータの一方の面の正面図である。
【図９】前記第２セパレータの他方の面の正面図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池ユニットの概略構成説明図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池ユニットの概略構成説明図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池ユニットを組み込む燃料電池システムの反応ガス回路の概略説明図である。
【図１３】前記燃料電池システムの冷却媒体回路の概略説明図である。
【図１４】発電されるユニット数と補機電力の説明図である。
【図１５】前記ユニット数による効率線図の説明図である。
【符号の説明】
１０ａ〜１０ｎ…燃料電池１２…ＭＥＡユニット
１４、１６…拡散層１８、２０…セパレータ
２８…固体高分子電解質膜
３０、３０ａ、３２、３２ａ、３４、３６…電解質膜・電極構造体
３８、４４…カソード側電極４０、４２…アノード側電極
５０、５８…金属拡散層５２、６０…樹脂層
５４、５６、６２、６４…樹脂製絶縁部７０、８０…酸化剤ガス流路
７２、８２…燃料ガス流路
７４ａ、７４ｂ、７８ａ、７８ｂ、８４ａ、８４ｂ、８８ａ、８８ｂ、９２ａ、９２ｂ…連結流路
７６ａ、７６ｂ、８６ａ、８６ｂ…貫通孔
９０…冷却媒体流路
９４ａ、９４ｂ、９６ａ〜９６ｄ…端子部
１００、１２０、１３０、１４０ａ〜１４０ｄ…燃料電池ユニット
１０２…負荷１０４…発電回路
１０６…断続機構
１１０ａ〜１１０ｎ、１３４ａ〜１３４ｄ…断続器
１２２ａ〜１２２ｎ…可変抵抗器
１３２ａ〜１３２ｎ…接続切り替え機構１４２…燃料電池システム
１４４…燃料ガス供給機構１４６…酸化剤ガス供給機構
１４８…冷却媒体供給機構１５２、１５６…燃料ポンプ
１５４、１６６…供給管路
１５８、１７２、１８４…切り替え弁
１６０ａ〜１６０ｄ、１６８ａ〜１６８ｄ…開閉弁
１６４、１７０…空気ポンプ１７６…熱交換器
１７８…循環管路１８０、１８２…冷媒ポンプ
１８６ａ〜１８６ｄ…流量制御弁[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell in which a plurality of power generation units configured by sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode are arranged in a plane, and the plurality of power generation units are electrically connected in series. And a fuel cell unit in which a plurality of fuel cells are stacked and an operation method thereof.
[0002]
[Prior art]
In general, a polymer electrolyte fuel cell employs an electrolyte membrane composed of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane). Electrolyte membrane / electrode structure (power generation unit) composed of an anode electrode and a cathode electrode each formed by bonding a noble metal-based electrode catalyst layer to a base material mainly composed of carbon on both sides of the electrolyte membrane. Are sandwiched by a separator (bipolar plate). Usually, a predetermined number of the unit cells are stacked and used as a fuel cell stack.
[0003]
In a fuel cell of this type, a fuel gas supplied to the anode side electrode, for example, a gas mainly containing hydrogen (hereinafter, also referred to as a hydrogen-containing gas) is obtained by ionizing hydrogen on an electrode catalyst and passing through an electrolyte. It moves to the cathode side electrode side. The electrons generated during that time are taken out to an external circuit and used as DC electric energy. Since an oxidant gas, for example, a gas mainly containing oxygen or air (hereinafter also referred to as an oxygen-containing gas) is supplied to the cathode side electrode, hydrogen ions, electrons, And oxygen react to produce water.
[0004]
By the way, for example, in a fuel cell stack mounted on a vehicle, it is necessary to stack several hundred unit cells and electrically connect them in series in order to obtain a desired output voltage. For this reason, when a failure or malfunction occurs in one unit cell, power generation failure of the entire fuel cell stack occurs, and the fuel is temporarily stopped in a state where the power generation is stopped or the load is reduced. It is known to perform a purge (scavenging) by supplying a gas.
[0005]
However, as described above, when a failure occurs in one unit cell of the fuel cell stack, the power generation of the entire fuel cell stack is stopped, so that the power generation efficiency is significantly reduced. In particular, when several hundred unit cells are stacked for use in a vehicle, it is desired to greatly improve the reliability of each unit cell. In addition, in order to process the fuel gas used for purging, a diluting device or the like must be provided, and there is a problem that the equipment cost rises and it is not economical.
[0006]
Therefore, for example, a planar fuel cell in which a plurality of unit cells are arranged in one or more rows in a plane and the unit cells are electrically connected in series is adopted (see Patent Document 1). Therefore, a desired voltage can be obtained from one flat fuel cell, a current is stacked by stacking a plurality of the flat fuel cells, and a current value corresponding to the number of stacked flat fuel cells is obtained. Can be obtained.
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-56855 (FIG. 1)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in Patent Document 1 described above, since a plurality of flat fuel cells are electrically connected, when a failure occurs in one flat fuel cell, a large voltage difference is caused between the flat fuel cells. May be done. As a result, there is a problem that a reverse voltage is applied particularly to the low-voltage flat fuel cell, and the flat fuel cell is damaged.
[0009]
The present invention solves this kind of problem. Even if a failure occurs in any fuel cell, desired power generation can be continued, and efficient power generation can be performed with a simple configuration and process. It is an object of the present invention to provide a fuel cell unit capable of operating and a method of operating the same.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In the fuel cell unit according to the first aspect of the present invention, a plurality of power generation units each configured by sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode are arranged in a plane, and the plurality of power generation units are electrically operated. A fuel cell connected in series, a power generation circuit connecting a plurality of fuel cells in parallel to a load, and an intermittent mechanism capable of individually connecting and disconnecting each fuel cell to the power generation circuit. ing.
[0011]
Therefore, power generation is performed by connecting a plurality of fuel cells in parallel to the load, and the power generation state of each fuel cell is detected. At that time, the fuel cell in which the abnormality has occurred is individually disconnected from the load, while power generation is continuously performed by the remaining fuel cells (the method of operating the fuel cell unit according to claim 10 of the present invention).
[0012]
As described above, a desired voltage can be obtained for each fuel cell. Therefore, even if power generation failure or the like occurs in one or more fuel cells, a desired voltage can be maintained by the remaining fuel cells. Therefore, even if one or more fuel cells fail, disconnecting the failed fuel cell from the power generation circuit prevents reverse voltage from acting on the failed fuel cell and generates power as a fuel cell unit. It can be performed continuously, and efficient power generation can be performed.
[0013]
Further, in the fuel cell unit according to claim 2 of the present invention, since a variable resistor for individually adjusting the voltage is connected to each fuel cell, the voltage is adjusted individually for each fuel cell. (Operation method of fuel cell unit according to claim 11 of the present invention). Therefore, no voltage difference occurs between the fuel cells, and good power generation is reliably performed as a fuel cell unit.
[0014]
Further, in the fuel cell unit according to claim 3 of the present invention, the fuel cell has a first output terminal connected to one pole and a second output terminal connected to the other pole. Then, at least the second output terminal is provided with two or more second output terminals that connect different numbers of power generation units in series from the first output terminal, and any second output terminal and the first output terminal are connected to each other. There is provided a connection switching mechanism capable of connecting the power supply to the power generation circuit. As a result, the output voltage can be changed according to the power generation status and the like, and the voltage difference between the fuel cells is regulated to perform efficient power generation.
[0015]
Furthermore, in the fuel cell unit according to claim 4 of the present invention and the operating method of the fuel cell unit according to claim 12, power generation is performed by connecting a plurality of fuel cell units in parallel to the load, The power generation state of the battery unit is detected. At this time, the abnormal fuel cell unit is individually disconnected from the load, while the remaining fuel cell units continue to generate power.
[0016]
Therefore, even if power generation failure occurs in one or more fuel cell units, a desired voltage can be maintained by the remaining fuel cell units. Therefore, even if one or more fuel cell units fail, disconnecting the failed fuel cell unit from the power generation circuit prevents reverse voltage from acting on the failed fuel cell unit and continues power generation. And efficient power generation can be performed.
[0017]
Further, in the fuel cell unit according to claim 5 of the present invention, a fuel gas supply mechanism that supplies a fuel gas to a plurality of fuel cell units in parallel, and an oxidizing gas that supplies an oxidant gas to the plurality of fuel cell units in parallel. A fuel gas supply mechanism, wherein the fuel gas supply mechanism and the oxidant gas supply mechanism are provided with an opening / closing part capable of stopping supply of the fuel gas and the oxidant gas for each fuel cell unit.
[0018]
Therefore, the power generation state can be adjusted for each fuel cell unit. For example, when the load is lower than the normal load, the power generation of at least one of the fuel cell units can be stopped.
[0019]
Further, in the method for operating the fuel cell unit according to the thirteenth aspect of the present invention, it is possible to sequentially stop the power generation of the different fuel cell units at regular time intervals. As a result, it is possible to effectively prevent the power generation unit of the stopped or generating the fuel cell unit from being excessively dried or the temperature from being excessively lowered. In addition, a purge (scavenging) effect can be provided by periodically suspending an arbitrary fuel cell unit.
[0020]
Furthermore, in the method for operating a fuel cell unit according to claim 14 of the present invention, the fuel cell unit that has stopped generating power has a smaller amount of cooling medium than the cooling medium supplied to the fuel cell unit that is generating power. It is supplied (the fuel cell unit according to claim 7 of the present invention). Therefore, the stopped fuel cell unit can be kept warm.
[0021]
Further, in the fuel cell unit according to claim 6 of the present invention, the fuel gas supply mechanism and the oxidant gas supply mechanism are configured to supply the fuel gas and the oxidant gas at a set flow rate according to a set load, respectively. A pump and a second pump for supplying a low flow rate of the fuel gas and the oxidizing gas according to a low load are connected in parallel. Thus, during the low-load operation, the most efficient number of fuel cell units is selected, and the high-efficiency operation is reliably performed by using the second pump for the low load.
[0022]
In this case, in the fuel cell unit according to claim 8 of the present invention, the cooling medium supply mechanism includes a first pump for supplying a cooling medium having a set flow rate corresponding to the set load, and a low pump having a low flow rate corresponding to the low load. A second pump for supplying the cooling medium is connected in parallel. Therefore, the flow rate of the cooling medium can be properly adjusted according to the load condition, and the cooling medium pump can be used efficiently (the method of operating the fuel cell unit according to claim 15 of the present invention).
[0023]
Further, in the fuel cell unit according to claim 9 of the present invention, the fuel cell includes a pair of metal diffusion layers sandwiching both surfaces of the plurality of power generation units, and the metal diffusion layer electrically connects the adjacent power generation units. In order to connect them in series, a resin insulating section is provided between predetermined power generating sections. For this reason, the metal diffusion layer itself can have a function as an electrical connection member of the power generation unit, and the number of components can be significantly reduced. In particular, it is economical when a large number of power generation units are arranged, and the reliability of the seal structure and the like is effectively improved. Moreover, the configuration of the entire fuel cell is simplified, and the size of the fuel cell can be easily reduced.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic configuration explanatory view of a fuel cell unit 100 according to the first embodiment of the present invention.
[0025]
The fuel cell unit 100 has a plurality of fuel cells 10a to 10n stacked in the direction of arrow A, a power generation circuit 104 for connecting the fuel cells 10a to 10n in parallel to a load 102 such as a motor, and the fuel cells 10a to 10n. 10n is provided with an intermittent mechanism 106 that can be connected and disconnected individually to the power generation circuit 104.
[0026]
Each of the fuel cells 10a to 10n has the same configuration. Hereinafter, the fuel cell 10a will be described in detail, and the detailed description of the fuel cells 10b to 10n will be omitted. As shown in FIGS. 2 and 3, the fuel cell 10 a includes a MEA (Membrane Electrode Assembly) unit 12, first and second diffusion layers 14 and 16 disposed on both sides of the MEA unit 12, And first and second separators 18 and 20 that are stacked on the second diffusion layers 14 and 16.
[0027]
An oxidizing gas inlet communication hole 22a for supplying an oxidizing gas, for example, an oxygen-containing gas, is connected to one edge of the fuel cell 10a in the direction of the arrow B in the direction of the arrow A, which is a stacking direction. Fuel gas outlet communication holes 24b for discharging a gas, for example, a hydrogen-containing gas, are arranged in the direction of arrow C. The other end of the fuel cell 10a in the direction of arrow B communicates in the direction of arrow A to provide a fuel gas inlet communication hole 24a for supplying fuel gas and an oxidant gas outlet for discharging oxidant gas. A communication hole 22b is provided.
[0028]
At one end of the fuel cell 10a in the direction of the arrow C, a cooling medium inlet communication hole 26a communicating with the direction of the arrow A to supply the cooling medium is provided, and at the other end of the direction of the arrow C, A cooling medium outlet communication hole 26b for discharging the cooling medium is provided in communication with the arrow A direction.
[0029]
The MEA unit 12 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 28 in which a thin film of perfluorosulfonic acid is impregnated with water. Using the solid polymer electrolyte membrane 28 as a common electrolyte, a first electrolyte membrane / electrode structure (power generation unit) 30, a second electrolyte membrane / electrode structure (power generation unit) 32, and a third electrolyte membrane / electrode structure ( A power generation unit) 34 and a fourth electrolyte membrane / electrode structure (power generation unit) 36 are configured.
[0030]
The first electrolyte membrane / electrode structure 30 is located at one edge of the solid polymer electrolyte membrane 28 in the arrow C direction, and is arranged in the arrow B direction, for example, four are provided. As shown in FIG. 4, each of the first electrolyte membrane / electrode structures 30 includes a rectangular cathode electrode 38 provided on one surface 28 a of the solid polymer electrolyte membrane 28, A rectangular anode 40 provided on the other surface 28b. The cathode-side electrode 38 and the anode-side electrode 40 are configured by applying porous carbon particles having a platinum alloy supported on the surfaces thereof to the surfaces 28 a and 28 b of the solid polymer electrolyte membrane 28.
[0031]
At the other end of the solid polymer electrolyte membrane 28 in the direction of arrow C, for example, four second electrolyte membrane / electrode structures 32 are arranged in the direction of arrow B. Each second electrolyte membrane / electrode structure 32 includes an anode-side electrode 40 provided on the surface 28a and a cathode-side electrode 38 provided on the surface 28b, and is point-symmetric with the first electrolyte membrane / electrode structure 30. Position.
[0032]
In the vicinity of the first electrolyte membrane / electrode structure 30, for example, seven third electrolyte membrane / electrode structures 34 are arranged in the direction of arrow B. The third electrolyte membrane / electrode structure 34 includes a square anode 42 and a cathode 44. The anode 42 and the cathode 44 are formed of an anode 40 and a cathode 38. It is set to approximately half the length of the long side. The anode electrode 42 is provided on the surface 28a, while the cathode electrode 44 is provided on the surface 28b.
[0033]
The third electrolyte membrane / electrode structures 34 are provided in three rows at intervals of seven in the direction of arrow B and at predetermined intervals in the direction of arrow C. A fourth electrolyte membrane / electrode structure 36 is formed between the third electrolyte membrane / electrode structure 34 and between the third electrolyte membrane / electrode structure 34 and the second electrolyte membrane / electrode structure 32.
[0034]
The fourth electrolyte membrane / electrode structure 36 is configured in the same manner as the above-mentioned third electrolyte membrane / electrode structure 34. Provided in a row. The fourth electrolyte membrane / electrode structure 36 includes a cathode electrode 44 provided on the surface 28a and an anode electrode 42 provided on the surface 28b.
[0035]
As shown in FIG. 2, silicon films 46a and 46b are laminated on both surfaces 28a and 28b of the solid polymer electrolyte membrane 28, and first to fourth electrolyte membranes / electrodes are formed on the silicon films 46a and 46b. Cutouts 48a and 48b corresponding to the shapes of the structures 30 to 36 are formed.
[0036]
As shown in FIG. 5, the first diffusion layer 14 is formed of, for example, a foam made of a metal material such as stainless steel, titanium, or nickel, which has good conductivity, does not generate rust due to moisture, and does not corrode under strong acidity. And a resin layer 52 formed of a thermoplastic resin or a thermosetting resin.
[0037]
The metal diffusion layer 50 is formed corresponding to the shape of the first to fourth electrolyte membrane / electrode structures 30 to 36. In the metal diffusion layer 50, between the first and third electrolyte membrane / electrode structures 30, 34, between the third and fourth electrolyte membrane / electrode structures 34, 36, and between the fourth and second electrolyte membranes. A resin insulating portion 54 is provided between the membrane / electrode structures 36 and 32 and extends intermittently in the direction of arrow B.
[0038]
The resin insulating portions 54 are provided so as to electrically insulate every other power generating portion (first to fourth electrolyte membrane / electrode structures 30 to 36) arranged in the arrow C direction. Specifically, the cathode electrode 38 of the first electrolyte membrane / electrode structure 30 and the anode electrode 42 of the third electrolyte membrane / electrode structure 34 adjacent in the direction of arrow C are electrically connected in the direction of arrow B. Connection and electrical insulation are alternately repeated.
[0039]
The anode-side electrode 42 of the third electrolyte membrane / electrode structure 34 and the cathode-side electrode 44 of the fourth electrolyte membrane / electrode structure 36 adjacent to each other in the direction of arrow C are electrically connected and electrically connected in the direction of arrow B. Alternately with static insulation. Similarly, the cathode-side electrode 44 of the fourth electrolyte membrane-electrode structure 36 and the anode-side electrode 40 of the second electrolyte membrane-electrode structure 32 establish electrical connection and electrical insulation along the arrow B direction. Repeat alternately.
[0040]
A resin insulating portion 56 extending in the direction of arrow C from the first electrolyte membrane / electrode structure 30 toward the second electrolyte membrane / electrode structure 32 is provided. The resin insulating portion 56 is provided so as to electrically insulate the first to fourth electrolyte membrane / electrode structures 30 to 36 one by one in the direction of arrow B.
[0041]
As shown in FIG. 6, the second diffusion layer 16 includes a metal diffusion layer 58 and a resin layer 60, like the first diffusion layer 14. In the metal diffusion layer 58, a plurality of resin insulating portions 62 provided intermittently in the direction of arrow B and arranged at predetermined intervals in the direction of arrow C, extending in the direction of arrow C, Further, resin insulating portions 64 arranged at predetermined intervals in the direction of arrow B are provided.
[0042]
In a state where the first and second diffusion layers 14 and 16 are stacked, the resin insulating portions 62 and the resin insulating portions 54 are alternately arranged. In the metal diffusion layer 58, connection terminal portions 66 a and 66 b and 68 a and 68 b are provided corresponding to diagonal positions by impregnating the resin layer 60. The connection terminal portions 66a, 66b and 68a, 68b are formed such that the metal portions are exposed on the surface.
[0043]
As shown in FIG. 3, when the MEA unit 12 is sandwiched between the first and second diffusion layers 14 and 16, the anode electrode 42 of the third electrolyte membrane / electrode structure 34 and the The cathode electrode 44 of the four electrolyte membrane / electrode structure 36 is electrically connected to every other electrode via the metal diffusion layer 50. On the other hand, the cathode electrode 44 of the third electrolyte membrane / electrode structure 34 and the anode electrode 42 of the fourth electrolyte membrane / electrode structure 36 are electrically connected to every other via the metal diffusion layer 58. Is done.
[0044]
In the metal diffusion layers 50 and 58, the resin insulating portions 54 and 62 are provided alternately, so that the third and fourth electrolyte membrane / electrode structures 34 and 36 arranged in the direction of arrow C are the first and the fourth. The two electrolyte membrane / electrode structures 30 and 32 are electrically connected in series. As shown in FIG. 4, the first and second electrolyte membrane / electrode structures 30, 32 are twice as long as the third and fourth electrolyte membrane / electrode structures 34, 36 in the direction of arrow B. Is set to In the MEA unit 12, the first to fourth electrolyte membrane / electrode structures 30 to 36 are electrically connected in series as indicated by arrows in FIG.
[0045]
As shown in FIGS. 3 and 7, an oxidizing gas passage 70 and a fuel gas passage 72 extending in the direction of arrow B are provided on the surface 18 a of the first separator 18 facing the MEA unit 12 in the direction of arrow C. Are formed alternately. The oxidizing gas flow path 70 is provided with a plurality of flow grooves corresponding to the first and fourth electrolyte membrane / electrode structures 30, 36, and has a connecting flow extending in the arrow C direction at both ends in the arrow B direction. The roads 74a and 74b communicate with each other. The connection channel 74a communicates with the oxidant gas inlet communication hole 22a, while the connection channel 74b communicates with the oxidant gas outlet communication hole 22b.
[0046]
Similarly, the fuel gas flow path 72 is provided with a plurality of flow grooves corresponding to the second and third electrolyte membrane / electrode structures 32 and 34, and a plurality of through grooves formed at both ends in the arrow B direction. It communicates with the holes 76a, 76b. As shown in FIG. 2, the other surface 18 b of the first separator 18 is provided with a connection channel 78 a extending in the direction of arrow C integrally communicating with the plurality of through holes 76 a. 78a communicates with the fuel gas inlet communication hole 24a. Similarly, the surface 18b is formed integrally with the plurality of through holes 76b to form a long connecting flow path 78b in the direction of arrow C, and this connecting flow path 78b communicates with the fuel gas outlet communication hole 24b. .
[0047]
As shown in FIGS. 2, 3 and 8, a surface 20 a of the second separator 20 facing the MEA unit 12 is provided in the direction of arrow B corresponding to the second and third electrolyte membrane / electrode structures 32 and 34. , And a fuel gas flow path 82 extending in the direction of arrow B corresponding to the first and fourth electrolyte membrane / electrode structures 30, 36 are formed.
[0048]
The oxidizing gas passage 80 has a plurality of passage grooves, and connection passages 84a and 84b extending in the arrow C direction communicate with both ends in the arrow B direction. The connection channel 84a communicates with the oxidant gas inlet communication hole 22a, while the connection channel 84b communicates with the oxidant gas outlet communication hole 22b.
[0049]
The fuel gas passage 82 has a plurality of passage grooves, and a plurality of through holes 86a and 86b communicate with both ends in the direction of arrow B, respectively. As shown in FIG. 9, on the other surface 20 b of the second separator 20, a connection channel 88 a extending in the direction of arrow C by integrally communicating the plurality of through holes 86 a is formed. Reference numeral 88a communicates with the fuel gas inlet communication hole 24a. Similarly, a connecting channel 88b extending in the direction of arrow C is formed in the surface 20b so as to integrally communicate with the plurality of through holes 86b, and the connecting channel 88b communicates with the fuel gas outlet communication hole 24b. .
[0050]
On the surface 20b, a cooling medium flow path 90 that connects the cooling medium inlet communication hole 26a and the cooling medium outlet communication hole 26b is formed. The cooling medium flow path 90 includes a plurality of flow grooves extending in the direction of arrow B. One end of the cooling medium flow path 90 in the direction of arrow B is connected to a connecting flow path 92a extending in the direction of arrow C. Through the cooling medium inlet communication hole 26a. On the other hand, the other end of the cooling medium flow path 90 in the direction of arrow B communicates with the cooling medium outlet communication hole 26b via a connection flow path 92b extending in the direction of arrow C.
[0051]
As shown in FIG. 8, on the surface 20a of the second separator 20, terminals (first output terminals) 94a and 94b connected to the connection terminals 66a and 66b of the second diffusion layer 16, and a connection terminal 68a. , 68b to be connected to each other (second output terminals) 96a, 96b.
[0052]
As shown in FIG. 1, the power generation circuit 104 is connected to each terminal 94 a of the fuel cells 10 a to 10 n and a conducting wire 108 a connected to the load 102, and to the load 102 and to the interrupters 110 a to 110 n constituting the interrupting mechanism 106. And a conducting wire 108b. The interrupters 110a to 110n are freely connectable to the respective terminals 96a of the fuel cells 10a to 10n. In the fuel cells 10a to 10n, for example, each output voltage (power generation state) is detected, and the presence or absence of occurrence of an abnormality is detected by comparing the output voltage with a set voltage.
[0053]
In the fuel cells 10a to 10n thus configured, the first to fourth electrolyte membrane / electrode structures 30 to 36 are electrically connected in series in the MEA unit 12 as indicated by arrows in FIG. It is connected to the. Accordingly, a predetermined voltage is secured between the most advanced first electrolyte membrane / electrode structure 30a and the last end second electrolyte membrane / electrode structure 32a.
[0054]
At that time, the metal diffusion layers 50 and 58 themselves have a function as electrode connection members. For this reason, the number of parts can be significantly reduced, and it is economical especially when a large number of power generation units are arranged, and the effect of effectively improving the reliability of the seal structure and the like can be obtained. Moreover, the overall configuration of the fuel cells 10a to 10n is simplified, and the size of the fuel cells 10a to 10n can be easily reduced.
[0055]
Next, the operation of the fuel cell unit 100 will be described below.
[0056]
First, in the fuel cell 10a, as shown in FIG. 2, an oxidizing gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidizing gas inlet communication hole 22a, and a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole 24a. Is supplied. Further, a cooling medium such as pure water or ethylene glycol oil is supplied to the cooling medium inlet communication hole 26a.
[0057]
For this reason, as shown in FIG. 7, the oxidizing gas is supplied to the oxidizing gas flow channel 70 from the connection flow channel 74a formed on the surface 18a of the first separator 18, and the first oxidizing gas moves in the arrow B direction while And it moves along the cathode-side electrodes 38, 44 of the fourth electrolyte membrane / electrode structures 30, 36. The oxidizing gas is discharged from the connecting passage 74b to the oxidizing gas outlet communication hole 22b.
[0058]
Further, as shown in FIG. 8, the oxidizing gas is introduced into the oxidizing gas flow channel 80 from the connecting flow channel 84a formed on the surface 20a of the second separator 20, and moves in the direction of arrow B to form the second and second oxidizing gas. It moves along the cathode electrodes 38, 44 of the third electrolyte membrane / electrode structures 32, 34. The oxidizing gas is discharged from the connecting passage 84b to the oxidizing gas outlet communication hole 22b.
[0059]
On the other hand, as shown in FIG. 2, the fuel gas is introduced into a connection channel 78a formed on the surface 18b of the first separator 18, and passes through a plurality of through holes 76a communicating with the connection channel 78a, so that the surface 18a (See FIG. 7). In the fuel gas flow path 72, the fuel gas moves along the anode-side electrodes 40 and 42 of the second and third electrolyte membrane / electrode structures 32 and 34 while moving in the direction of arrow B. The fuel gas passes through the plurality of through holes 76b, is introduced into the connection channel 78b on the surface 18b side, and is discharged from the fuel gas outlet communication hole 24b.
[0060]
Further, as shown in FIG. 9, the fuel gas is introduced into a connection channel 88a provided on the surface 20b of the second separator 20, and passes through a plurality of through holes 86a communicating with the connection channel 88a, so that the fuel gas is supplied to the surface 20a. Will be introduced. As shown in FIG. 8, the fuel gas moves along the anode electrodes 40 and 42 of the first and fourth electrolyte membrane / electrode structures 30 and 36 while moving in the fuel gas flow path 82 in the direction of arrow B. . The fuel gas is introduced from a plurality of through holes 86b into a connection flow channel 88b provided on the surface 20b, and is discharged from the fuel gas outlet communication hole 24b.
[0061]
Accordingly, in the first to fourth electrolyte membrane / electrode structures 30 to 36, the oxidizing gas supplied to the cathode electrodes 38 and 44 and the fuel gas supplied to the anode electrodes 40 and 42 undergo an electrochemical reaction. To generate electricity. Thereby, the first to fourth electrolyte membrane / electrode structures 30 to 36, which are all power generation units, are electrically connected in series between the terminal portions 94a and 96a, and a desired voltage can be generated. . The fuel cells 10b to 10n generate power in the same manner as the fuel cell 10a, and the output current values are stacked (added) by paralleling the fuel cells 10a to 10n.
[0062]
In this case, in the first embodiment, the fuel cells 10a to 10n are connected in parallel to the power generation circuit 104, and the fuel cells 10a to 10n are connected to each other through the interrupters 110a to 110n constituting the interrupting mechanism 106. The power generation circuit 104 can be connected and disconnected individually. For this reason, a desired voltage is obtained for each of the fuel cells 10a to 10n. For example, even if an abnormality such as power generation failure occurs in the fuel cell 10a, the desired voltage is maintained by the remaining fuel cells 10b to 10n. Can be.
[0063]
At this time, by disconnecting the abnormal fuel cell 10a from the power generation circuit 104 under the action of the interrupter 110a, it is possible to prevent the reverse voltage from acting on the fuel cell 10a and to provide the fuel cells 10b to 10n. The fuel cell unit 100 can continuously generate power. Thereby, there is obtained an effect that the fuel cell 10a that has stopped generating power does not suffer damage or the like, and that it is possible to reliably perform efficient power generation.
[0064]
FIG. 10 is a schematic configuration explanatory view of a fuel cell unit 120 according to the second embodiment of the present invention. The same components as those of the fuel cell unit 100 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and a detailed description thereof will be omitted. Similarly, detailed descriptions of the third and fourth embodiments described below are omitted.
[0065]
In the fuel cell unit 120, variable resistors 122a to 122n for individually adjusting the voltage of the fuel cells 10a to 10n are arranged in series with the intermittent switches 110a to 110n with respect to the fuel cells 10a to 10n.
[0066]
In the second embodiment configured as described above, the voltage is individually adjusted for each of the fuel cells 10a to 10n by adjusting the variable resistors 122a to 122n. No difference occurs. As a result, an effect that good power generation is reliably performed as the fuel cell unit 120 is obtained. For example, when a voltage difference exceeding the variable range of the variable resistor 122a occurs in the fuel cell 10a, only the fuel cell 10a in which an abnormality has occurred may be disconnected from the power generation circuit 104.
[0067]
FIG. 11 is a schematic configuration explanatory view of a fuel cell unit 130 according to the third embodiment of the present invention.
[0068]
In this fuel cell unit 130, terminals 96a, 96b, 96c and 96d are provided in the fuel cells 10a to 10n, respectively. The terminal portions 96a to 96d connect different numbers of power generation units (first to fourth electrolyte membrane / electrode structures 30 to 36) in series from the terminal portion 94a, respectively, and connect the terminal portions 96a to 96d to a power generation circuit. Connection switching mechanisms 132 a to 132 n for connecting to the connection 104 are provided. The connection switching mechanisms 132a to 132n include interrupters 134a to 134d that can individually connect and disconnect the terminal portions 96a to 96d to the power generation circuit 104, respectively.
[0069]
In the third embodiment configured as described above, by selectively connecting the interrupters 134a to 134d for each of the connection switching mechanisms 132a to 132n, any one of the terminal portions 96a to 96d can be connected to the power generation circuit 104. Can be connected. For this reason, the output voltage can be changed according to the power generation status and the like, and the voltage difference between the fuel cells 10a to 10n can be effectively regulated, so that the effect of efficient power generation can be obtained.
[0070]
FIG. 12 is a schematic explanatory view of a reaction gas circuit of a fuel cell system 142 incorporating fuel cell units 140a, 140b, 140c and 140d according to a fourth embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 3 is a schematic explanatory diagram of a cooling medium circuit of FIG.
[0071]
As shown in FIG. 12, the fuel cell system 142 includes a power generation circuit 104 that connects the fuel cell units 140a to 140d in parallel to the load 102, and separates the fuel cell units 140a to 140d from the power generation circuit 104. And an intermittent mechanism 106 that can be connected and disconnected. The fuel cell units 140a to 140d are configured by stacking the fuel cells 10a to 10n according to the first embodiment, respectively, and the interrupting mechanism 106 includes an interrupter provided corresponding to the fuel cell units 140a to 140d. 110a to 110d are provided.
[0072]
The fuel cell system 142 includes a fuel gas supply mechanism 144 that supplies fuel gas to the fuel cell units 140a to 140d in parallel, and an oxidant gas supply mechanism 146 that supplies oxidant gas to the fuel cell units 140a to 140d in parallel. And a cooling medium supply mechanism 148 for supplying a cooling medium to the fuel cell units 140a to 140d in parallel (see FIGS. 12 and 13).
[0073]
As shown in FIG. 12, the fuel gas supply mechanism 144 includes a supply pipe 154 connected to the fuel tank 150 via a first fuel pump 152, and the supply pipe 154 includes a supply pipe 154 connected to the first fuel pump 152. In parallel, a second fuel pump 156 dedicated to low load can be communicated via a switching valve 158.
[0074]
The supply conduit 154 is branched into four corresponding to the fuel cell units 140a to 140d, and can be freely opened and closed on the fuel gas supply side of the fuel cell units 140a to 140d via opening / closing valves (opening / closing portions) 160a to 160d, respectively. It is. The fuel gas discharge side of the fuel cell units 140a to 140d communicates with the exhaust pipe 162, and the exhaust pipe 162 communicates with the supply pipe 154 to form a circulation path.
[0075]
The oxidizing gas supply mechanism 146 includes a supply pipe 166 in which the first air pump 164 is provided. The supply pipe 166 is branched into four pipes and individually connected to the oxidant gas supply side of the fuel cell units 140a to 140d via open / close valves (open / close sections) 168a to 168d. A second air pump 170 dedicated to low load can be connected to the supply line 166 in parallel with the first air pump 164 via a switching valve 172. The oxidant gas discharge sides of the fuel cell units 140a to 140d are opened to the outside via a discharge pipe 174.
[0076]
As shown in FIG. 13, the cooling medium supply mechanism 148 includes a circulation line 178 in which the heat exchanger 176 is provided. A first refrigerant pump 180 and a second refrigerant pump 182 dedicated to low load are selectively connected to the circulation pipeline 178 via a switching valve 184.
[0077]
The circulation conduit 178 branches into four and communicates with the cooling medium supply side of the fuel cell units 140a to 140d via flow control valves 186a to 186d, respectively, while the cooling medium discharge side of the fuel cell units 140a to 140d. , The bypass pipe 190 can be freely communicated via the switching valve 188. This bypass pipe 190 bypasses the heat exchanger 176 and communicates with the first and second refrigerant pumps 180 and 182.
[0078]
In the fuel cell system 142 configured as above, the first fuel pump 152, the first air pump 164, and the first refrigerant pump 180 are driven according to the set load (load 102). For this reason, in the fuel gas supply mechanism 144, the fuel filled in the fuel tank 150 is supplied to the supply pipe 154, branched in the supply pipe 154, and supplied in parallel to the fuel cell units 140a to 140d. You. Then, the fuel gas used in the fuel cell units 140a to 140d is returned to the supply pipe 154 via the discharge pipe 162.
[0079]
In the oxidizing gas supply mechanism 146, after the oxidizing gas is introduced in parallel to the fuel cell units 140 a to 140 d via the supply pipe 166 under the action of the first air pump 164, the used oxidizing gas Is exhausted to the outside through the discharge line 174. As a result, in the fuel cell units 140a to 140d, the fuel gas and the oxidizing gas are supplied, power is generated in the same manner as in the first embodiment, and power is supplied to the load 102.
[0080]
On the other hand, in the cooling medium supply mechanism 148, the cooling medium circulates in the circulation line 178 via the first refrigerant pump 180. The cooling medium is supplied to the fuel cell units 140a to 140d in parallel to cool the fuel cell units 140a to 140d, and then supplied to the bypass pipe 190. The cooling medium is used for cooling the fuel cell units 140a to 140d after the temperature is lowered by passing through the heat exchanger 176 as necessary.
[0081]
In this case, in the fourth embodiment, the power generation state of each of the fuel cell units 140a to 140d is detected, for example, from the output voltage, and when this output voltage is too high or too low, that is, an abnormality has occurred. At this time, the intermittent mechanism 106 is driven. Thus, for example, when an abnormality occurs in the fuel cell unit 140b, the fuel cell unit 140b is disconnected from the power generation circuit 104 under the action of the interrupter 110b.
[0082]
This prevents reverse voltage from acting on the fuel cell unit 140b in which the abnormality has occurred, and allows the power generation to be continuously performed through the remaining fuel cell units 140a, 140c, and 140d, resulting in efficient power generation. Can be performed. At this time, in the fuel gas supply mechanism 144 and the oxidant gas supply mechanism 146, the supply of the fuel gas and the oxidant gas to the fuel cell unit 140b is stopped by closing the on-off valves 160b and 168b, and the fuel cell unit 140b Power generation can be stopped.
[0083]
Furthermore, when the load 102 becomes low, any one to three of the fuel cell units 140a to 140d can be selectively stopped. That is, FIGS. 14 and 15 show the case where all of the fuel cell units 140a to 140d generate power (4 UNIT ON), the case where only the fuel cell units 140a and 140b generate power (2 UNIT ON), and the case where only the fuel cell unit 140b is generated. FIG. 4 is an explanatory diagram of respective auxiliary powers and efficiency diagrams when power is generated (1 UNIT ON).
[0084]
At that time, in 2 UNIT ON, the supply of the fuel gas and the oxidizing gas to the fuel cell units 140c and 140d is stopped, and the flow rate control valves 186c and 186d are throttled to supply the cooling medium supplied to the fuel cell units 140c and 140d. Decrease flow rate. In 1 UNIT ON, in the fuel cell units 140b to 140d, the supply of the fuel gas and the oxidizing gas is stopped in the same manner as described above, and the flow rate of the cooling medium is reduced.
[0085]
As shown in FIG. 15, when the current (load) is equal to or less than α, power generation is performed at 2 UNIT ON, while when the current is equal to or less than β, which is lower than α, power generation is performed at 1 UNIT ON. Further, when the current is equal to or lower than γ, which is lower than α, the fuel cell unit 140a which is 1 unit ON only generates power, and the second fuel pump 156 and the second air pump 175 dedicated to low load are connected to the switching valves 158 and 172. The fuel gas and the oxidizing gas are supplied at a low flow rate through the supply pipes 154 and 166 through the supply pipes 154 and 166.
[0086]
As a result, as shown in FIGS. 14 and 15, in low-load power generation, the power generation efficiency is improved when the current is γ lower than β. Therefore, at the time of low-load power generation, by selecting and operating the most efficient number of units according to the value of the current (load), an effect is obtained that the efficient operation is reliably performed.
[0087]
When stopping the power generation of at least one of the fuel cell units 140a to 140d, for example, after stopping the fuel cell unit 140a for a certain period of time, stopping the power generation of the fuel cell unit 140b, The power generation of the battery unit 140c is stopped.
[0088]
As a result, it is possible to effectively prevent the power generation units of the stopped or generating fuel cell units 140a to 140d from being excessively dried or excessively cooled. In addition, a purge (scavenging) effect can be provided by periodically stopping any of the fuel cell units 140a to 140d.
[0089]
Further, the cooling medium having a flow rate smaller than the cooling medium flow rate supplied to the other fuel cell units 140b to 140d that are generating power by restricting the flow rate control valve 186a is supplied to the fuel cell unit 140a that is at rest. . Therefore, the temperature of the stopped fuel cell unit 140a does not become unnecessarily low, so that it is possible to keep the temperature effectively and to reduce the amount of work of the first or second cooling pumps 180 and 182 to improve the efficiency. Is improved.
[0090]
Furthermore, at the time of low-load operation, there is an advantage that operating conditions that can further improve efficiency are set by using the second fuel pump 156, the second air pump 170, and the second refrigerant pump 182.
[0091]
【The invention's effect】
In the fuel cell unit and the operation method thereof according to the present invention, a desired voltage can be obtained for each fuel cell or each fuel cell unit. A desired voltage can be maintained by the fuel cell or the fuel cell unit.
[0092]
Therefore, even if one or more fuel cells or fuel cell units fail, disconnecting the failed fuel cell or fuel cell unit from the power generation circuit causes a reverse voltage to act on the failed fuel cell or fuel cell unit. In addition, power generation can be continuously performed as the fuel cell unit, and efficient power generation can be performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration explanatory view of a fuel cell unit according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an exploded perspective view of a main part of a fuel cell constituting the fuel cell unit.
FIG. 3 is an explanatory sectional view of a main part of the fuel cell.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a connection state of MEA units constituting the fuel cell.
FIG. 5 is a front view of a first diffusion layer constituting the fuel cell.
FIG. 6 is a front view of a second diffusion layer constituting the fuel cell.
FIG. 7 is a front view of one surface of a first separator constituting the fuel cell.
FIG. 8 is a front view of one surface of a second separator constituting the fuel cell.
FIG. 9 is a front view of the other surface of the second separator.
FIG. 10 is a schematic configuration explanatory view of a fuel cell unit according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a schematic configuration explanatory view of a fuel cell unit according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a schematic explanatory diagram of a reaction gas circuit of a fuel cell system incorporating a fuel cell unit according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a schematic explanatory diagram of a cooling medium circuit of the fuel cell system.
FIG. 14 is an explanatory diagram of the number of units to be generated and auxiliary electric power.
FIG. 15 is an explanatory diagram of an efficiency diagram based on the number of units.
[Explanation of symbols]
10a to 10n: fuel cell 12: MEA unit
14, 16: diffusion layer 18, 20: separator
28 ... Solid polymer electrolyte membrane
30, 30a, 32, 32a, 34, 36 ... electrolyte membrane / electrode structure
38, 44 ... cathode side electrode 40, 42 ... anode side electrode
50, 58: metal diffusion layer 52, 60: resin layer
54, 56, 62, 64: resin insulating portion 70, 80: oxidant gas flow path
72, 82 ... fuel gas flow path
74a, 74b, 78a, 78b, 84a, 84b, 88a, 88b, 92a, 92b...
76a, 76b, 86a, 86b ... through-hole
90 ... cooling medium flow path
94a, 94b, 96a to 96d: Terminal section
100, 120, 130, 140a to 140d: fuel cell unit
102: load 104: power generation circuit
106 ... Intermittent mechanism
110a-110n, 134a-134d ... interrupter
122a to 122n: Variable resistors
132a-132n connection switching mechanism 142 fuel cell system
144: fuel gas supply mechanism 146: oxidant gas supply mechanism
148: Cooling medium supply mechanism 152, 156: Fuel pump
154, 166: Supply pipeline
158, 172, 184 ... switching valve
160a-160d, 168a-168d ... On-off valve
164, 170: air pump 176: heat exchanger
178: circulation line 180, 182: refrigerant pump
186a to 186d: Flow control valve

Claims

A plurality of power generation units configured by sandwiching the electrolyte between the anode side electrode and the cathode side electrode are arranged in a plane, and a fuel cell in which the plurality of power generation units are electrically connected in series,
A power generation circuit for connecting a plurality of fuel cells in parallel to the load,
An intermittent mechanism capable of individually connecting and disconnecting each fuel cell to the power generation circuit,
A fuel cell unit comprising:

2. The fuel cell unit according to claim 1, wherein a variable resistor for individually adjusting a voltage is connected to each fuel cell.

The fuel cell unit according to claim 1, wherein the fuel cell has a first output terminal connected to one of the poles,
A second output terminal connected to the other pole;
With
At least the second output terminal is provided with two or more second output terminals for connecting different numbers of power generation units in series from the first output terminal, respectively.
A fuel cell unit provided with a connection switching mechanism capable of connecting an arbitrary second output terminal and the first output terminal to the power generation circuit.

A plurality of power generating units configured by sandwiching the electrolyte between the anode-side electrode and the cathode-side electrode are arranged in a plane, and the fuel cell includes the plurality of power-generating units electrically connected in series, A fuel cell unit in which a plurality of fuel cells are stacked;
A power generation circuit for connecting a plurality of fuel cell units in parallel to the load,
An intermittent mechanism capable of individually connecting and disconnecting each fuel cell unit to the power generation circuit,
A fuel cell unit comprising:

The fuel cell unit according to claim 4, wherein a fuel gas supply mechanism that supplies fuel gas to the plurality of fuel cell units in parallel,
An oxidizing gas supply mechanism that supplies an oxidizing gas to the plurality of fuel cell units in parallel;
With
The fuel cell unit, wherein the fuel gas supply mechanism and the oxidant gas supply mechanism are provided with an opening / closing unit capable of stopping supply of the fuel gas and the oxidant gas for each fuel cell unit.

6. The fuel cell unit according to claim 5, wherein the fuel gas supply mechanism and the oxidant gas supply mechanism each include a first pump for supplying the fuel gas and the oxidant gas at a set flow rate according to a set load. ,
A second pump for supplying a low flow rate of the fuel gas and the oxidizing gas according to a low load;
Are connected in parallel.

The fuel cell unit according to claim 4, further comprising a cooling medium supply mechanism that supplies a cooling medium to the plurality of fuel cell units in parallel,
The fuel cell unit, wherein the cooling medium supply mechanism includes a flow rate adjusting mechanism for adjusting a flow rate of the cooling medium for each fuel cell unit.

8. The fuel cell unit according to claim 7, wherein the cooling medium supply mechanism includes a first pump for supplying the cooling medium at a set flow rate according to a set load;
A second pump for supplying the cooling medium at a low flow rate according to a low load;
Are connected in parallel.

The fuel cell unit according to any one of claims 1 to 8, wherein the fuel cell includes a pair of metal diffusion layers that sandwich both surfaces of the plurality of power generation units,
The fuel cell unit according to claim 1, wherein the metal diffusion layer includes a resin insulating portion disposed between predetermined power generating units to electrically connect adjacent power generating units in series.

A plurality of power generation units configured by sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode are disposed in a plane, and the fuel cell includes a plurality of power generation units that are electrically connected in series. A method of operating a fuel cell unit in which fuel cells are stacked,
A step of generating power by connecting the plurality of fuel cells in parallel to a load,
Detecting the power generation state of each fuel cell and individually disconnecting the abnormal fuel cell from the load, while continuing to generate power with the remaining fuel cells;
A method for operating a fuel cell unit, comprising:

The operating method according to claim 10, wherein the voltage of each fuel cell is individually adjusted.

A plurality of power generation units configured by sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode are disposed in a plane, and the fuel cell includes a plurality of power generation units that are electrically connected in series. A method of operating a fuel cell unit in which fuel cells are stacked,
A step of generating power by connecting the plurality of fuel cell units in parallel to a load,
Detecting the power generation state of each fuel cell unit, while individually disconnecting the abnormal fuel cell unit from the load, while continuing power generation by the remaining fuel cell units,
A method for operating a fuel cell unit, comprising:

13. The operating method according to claim 12, wherein when the load is lower than the normal load, the power generation of at least one of the fuel cell units is stopped, and the power generation of the different fuel cell units is sequentially stopped at regular time intervals. A method for operating a fuel cell unit, comprising:

14. The fuel cell according to claim 13, wherein a smaller amount of cooling medium is supplied to the fuel cell unit that has stopped generating power than the cooling medium supplied to the fuel cell unit that is generating power. How to operate the battery unit.

The operation method according to claim 13 or 14, wherein, under an operation of a first pump, supplying the fuel gas, the oxidizing gas, and the cooling medium at a set flow rate according to a set load to the fuel cell unit;
Supplying the fuel cell unit with a low flow rate of the fuel gas, the oxidizing gas, and the cooling medium according to a low load under the action of a second pump having a lower load than the first pump;
A method for operating a fuel cell unit, comprising: