JP2005044748A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system operable under a broad range of operating conditions while having high fuel utilization efficiency. <P>SOLUTION: A newly supplied hydrogen line 6 supplies a newly supplied hydrogen gas from a high pressure gas tank 2 the pressure of which is adjusted by a pressure adjusting valve 3 to an ejector 4. The ejector 4 mixes a surplus hydrogen gas exhausted from a fuel cell stack 1 with the newly supplied hydrogen gas to supply the mixed hydrogen gas to the fuel cell stack 1. A hydrogen gas line 8 for ejector circulation leads the surplus hydrogen gas exhausted from a fuel electrode outlet to the suction opening of the ejector 4. A hydrogen line 9 for pump circulation leads the surplus hydrogen gas exhausted from the fuel electrode outlet to the downstream of an ejector exhaust port, and a gas circulation pump 5 capable of forcibly circulating a gas is disposed in the middle of the line. A controller 15 determines a water blocking state based on the detected value of a cell voltage sensor 14, and the gas circulation pump 5 is intermittently operated until the blocking state is canceled. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、燃料電池スタックから排出された燃料ガスまたは酸化剤ガスを再度燃料電池スタックに循環させるガス循環装置を備えた燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a fuel cell system including a gas circulation device that circulates fuel gas or oxidant gas discharged from a fuel cell stack to the fuel cell stack again.

燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。   In a fuel cell, a fuel gas such as hydrogen gas and an oxidizing gas containing oxygen are electrochemically reacted through an electrolyte, and electric energy is directly taken out between electrodes provided on both surfaces of the electrolyte. In particular, a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte has attracted attention as a power source for electric vehicles because of its low operating temperature and easy handling. That is, a fuel cell vehicle is equipped with a hydrogen storage device such as a high-pressure hydrogen tank, a liquid hydrogen tank, or a hydrogen storage alloy tank in the vehicle, and reacts by supplying hydrogen supplied therefrom and air containing oxygen to the fuel cell. This is the ultimate clean vehicle that drives the motor connected to the drive wheels with the electric energy extracted from the fuel cell, and the only exhaust material is water.

燃料電池は、単セルの起電力が約1[V]程度と低いために、通常多数のセルを積層した燃料電池スタックとして構成される。この燃料電池スタックの全てのセルで高い発電効率を維持するためには、実際に電気化学反応に必要な反応ガス量より多い反応ガス量を燃料電池スタックに供給して燃料電池スタック端部のセルまで反応ガスを行き渡らせることが一般的に行われている。このとき余剰のガスが燃料電池スタック出口側から排出されることになるが、これを未利用のまま無駄に捨てるのではなく、ガス循環経路を設けて再び燃料電池スタック入口側に戻すことで、燃料消費率を悪化させずに燃料電池スタックへの流入反応ガス量を確保する方法がとられる。   Since the electromotive force of a single cell is as low as about 1 [V], the fuel cell is usually configured as a fuel cell stack in which a large number of cells are stacked. In order to maintain high power generation efficiency in all the cells of this fuel cell stack, the amount of reaction gas larger than the amount of reaction gas actually required for the electrochemical reaction is supplied to the fuel cell stack, and the cells at the end of the fuel cell stack It is common practice to distribute the reaction gas up to At this time, surplus gas will be discharged from the fuel cell stack outlet side, but this is not thrown away wastefully, but by providing a gas circulation path and returning it to the fuel cell stack inlet side again, A method of ensuring the amount of reaction gas flowing into the fuel cell stack without deteriorating the fuel consumption rate is employed.

燃料電池システムのガス循環装置としてイジェクタとポンプとを併用したものは、例えば、特許文献1に示された燃料循環式燃料電池システムがある。このシステムによれば、高速流体の負圧を利用したジェットポンプの一種であるイジェクタと外部から動力が供給される燃料ポンプとを並列または直列に配置して、これらイジェクタおよび燃料ポンプにより、燃料電池スタックから排出される未反応燃料ガスを再度燃料電池スタックへ送り込む構成としている。
特開2003−151588号公報(第4頁、図1)
As a gas circulation device of the fuel cell system, there is a fuel circulation type fuel cell system disclosed in Patent Document 1, for example, in which an ejector and a pump are used in combination. According to this system, an ejector that is a type of jet pump that uses the negative pressure of a high-speed fluid and a fuel pump to which power is supplied from the outside are arranged in parallel or in series. The unreacted fuel gas discharged from the stack is sent again to the fuel cell stack.
JP 2003-151588 A (page 4, FIG. 1)

しかしながら、上記従来の燃料電池システムでは、燃料電池を通して燃料循環流路に侵入してきた窒素や燃料電池から排出される過剰な水分を系外に分離・除去するために、燃料循環流路から分岐したパージ配管にパージ弁を設け、このパージ弁を定期的に開放して水素パージを行っていたため、燃料ガスが無駄に系外へ放出されることから燃料電池の燃費性能の低下を招くという問題点があった。   However, in the above conventional fuel cell system, in order to separate and remove nitrogen that has entered the fuel circulation channel through the fuel cell and excess water discharged from the fuel cell, it branched from the fuel circulation channel. A purge valve is provided in the purge piping, and the purge valve is periodically opened to perform hydrogen purge, so that fuel gas is wasted out of the system, leading to a decrease in fuel cell performance of the fuel cell. was there.

本発明は、上記問題点を解決するため、電解質膜が燃料極と酸化剤極との間に配置された単電池を少なくとも一つ有する燃料電池スタックと、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給管と、余った燃料ガスを前記燃料電池スタック外に排出する燃料排出管と、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給管と、余った酸化剤ガスを前記燃料電池スタック外に排出する酸化剤排出管と、前記燃料排出管または前記酸化剤排出管から燃料電池スタック外に一度排出した燃料ガスまたは酸化剤ガスを循環ガスとして再び前記燃料供給管または前記酸化剤供給管に送り込む第1の循環経路と、新規に供給する燃料ガスまたは酸化剤ガスと前記循環ガスとを混合するイジェクタと、前記第1の循環経路と並列に配置され、前記燃料排出管または前記酸化剤排出管から燃料電池スタック外に一度排出した燃料ガスまたは酸化剤ガスを循環ガスとして再び前記燃料供給管または前記酸化剤供給管に送り込む第2の循環経路と、第2の循環経路内のガスを強制循環可能なガス循環ポンプと、前記燃料電池スタック内ガス通路の水閉塞状態を直接的、あるいは間接的に検出する水閉塞状態検出手段と、該水閉塞状態検出手段が水閉塞状態を検出した場合に、前記水閉塞状態が改善されるまでの間、前記ガス循環ポンプを断続運転するように制御する制御手段と、を備えたことを要旨とする燃料電池システムである。   In order to solve the above problems, the present invention provides a fuel cell stack having at least one unit cell in which an electrolyte membrane is disposed between a fuel electrode and an oxidant electrode, and a fuel that supplies fuel gas to the fuel electrode. A supply pipe, a fuel discharge pipe for discharging surplus fuel gas to the outside of the fuel cell stack, an oxidant supply pipe for supplying oxidant gas to the oxidant electrode, and a surplus oxidant gas outside the fuel cell stack. An oxidant discharge pipe to be discharged into the fuel cell, and the fuel gas or oxidant gas once discharged out of the fuel cell stack from the fuel discharge pipe or the oxidant discharge pipe to the fuel supply pipe or the oxidant supply pipe again as a circulation gas A first circulation path to be fed, an ejector that mixes the newly supplied fuel gas or oxidant gas and the circulation gas, and a parallel arrangement with the first circulation path; A second circulation path for sending fuel gas or oxidant gas once discharged out of the fuel cell stack from the oxidant discharge pipe to the fuel supply pipe or the oxidant supply pipe as a circulation gas, and a second circulation path in the second circulation path A gas circulation pump capable of forcibly circulating gas; a water blockage state detecting means for directly or indirectly detecting a water blockage state of the gas passage in the fuel cell stack; and And a control means for controlling the gas circulation pump to intermittently operate until the water blockage state is improved when it is detected.

本発明によれば、燃料電池スタック内ガス通路の水閉塞状態は、パージ弁を開いて燃料ガスを外部へ放出することなく、ガス循環ポンプの断続運転により解消させることができるので、パージの頻度を減少させ燃料電池システムの運転性および燃費性能を向上させることができるという効果がある。   According to the present invention, the water blockage of the gas passage in the fuel cell stack can be eliminated by intermittent operation of the gas circulation pump without opening the purge valve and releasing the fuel gas to the outside. As a result, the drivability and fuel efficiency of the fuel cell system can be improved.

次に、図面を参照して、本発明の最良の実施形態を説明する。以下の各実施例では、イジェクタを経由する第1の循環ガスラインに並列に第2の循環ガスラインを備え、第2の循環ガスラインの途中に強制循環可能なガス循環ポンプを備えて、燃料電池スタックの水閉塞状態が検出されたときに、反応ガスを無駄に系外に捨てることなく、ガス循環ポンプを断続運転させて水閉塞状態を解消する燃料電池システムを説明する。これらの実施例は、燃料電池システムの運転性及び経済性を高め、燃料電池車両に好適な燃料電池システムである。   Next, the best embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, a second circulation gas line is provided in parallel with the first circulation gas line passing through the ejector, and a gas circulation pump capable of forced circulation is provided in the middle of the second circulation gas line. A fuel cell system will be described in which when a water blockage state of a battery stack is detected, a gas circulation pump is intermittently operated to eliminate the water blockage state without wasting a reactive gas out of the system. These embodiments improve the drivability and economy of the fuel cell system and are suitable for fuel cell vehicles.

図1は、本発明に係る燃料電池システムの実施例1を説明する概略構成図である。本実施例では、燃料ガスとして水素、酸化剤ガスとして空気を使用する例を説明する。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating Example 1 of a fuel cell system according to the present invention. In this embodiment, an example will be described in which hydrogen is used as the fuel gas and air is used as the oxidant gas.

図1において、燃料電池システムは、電解質膜が燃料極と酸化剤極との間に配置された燃料電池セルを少なくとも1つ備える燃料電池スタック1と、高圧水素ガスを貯蔵する高圧水素ガスタンク2と、高圧水素ガスタンク2から供給される水素ガスの圧力を調整する圧力調整弁3と、圧力調整弁3で圧力調整された新規供給水素ガスをイジェクタ4に供給する新規供給水素ライン6と、この新規供給水素ガスを駆動源として燃料電池スタック1から排出された余剰の水素ガスを吸引するとともに余剰水素ガスと新規供給水素ガスとを混合した水素ガスを燃料電池スタックへ供給するイジェクタ4と、イジェクタ4の排気口と燃料電池スタックの燃料極入口とを接続するスタック供給水素ライン7と、燃料極出口から排出された余剰水素ガスを強制的に循環可能なガス循環ポンプ5と、燃料極出口から排出された余剰水素ガスをイジェクタ4の吸込口へ導くイジェクタ循環水素ライン8と、途中にガス循環ポンプ5が配置され燃料極出口から排出された余剰の水素ガスをイジェクタ排気口の下流へ導くポンプ循環水素ライン9と、燃料電池スタックの酸化剤極入口へ酸化剤ガスを供給する酸化剤供給ライン10と、酸化剤極出口から排酸化剤ガスを導出する酸化剤排出ライン11と、燃料電池セルスタックのセル電圧を検出するセル電圧センサ14(水閉塞状態検出手段)と、セル電圧センサ14による水閉塞状態検出結果に基づいて、ガス循環ポンプ5を駆動して水閉塞状態を解消させるコントローラ15(制御手段)とを備えている。   1, the fuel cell system includes a fuel cell stack 1 having at least one fuel cell in which an electrolyte membrane is disposed between a fuel electrode and an oxidant electrode, a high-pressure hydrogen gas tank 2 that stores high-pressure hydrogen gas, A pressure adjusting valve 3 for adjusting the pressure of the hydrogen gas supplied from the high-pressure hydrogen gas tank 2, a new supply hydrogen line 6 for supplying a new supply hydrogen gas pressure-adjusted by the pressure adjustment valve 3 to the ejector 4, and the new An ejector 4 that sucks surplus hydrogen gas discharged from the fuel cell stack 1 using the supplied hydrogen gas as a driving source and supplies the hydrogen gas, which is a mixture of the surplus hydrogen gas and the newly supplied hydrogen gas, to the fuel cell stack, and the ejector 4 The stack supply hydrogen line 7 connecting the exhaust port of the fuel cell stack and the fuel electrode inlet of the fuel cell stack, and excess hydrogen gas discharged from the fuel electrode outlet A gas circulation pump 5 that can circulate in a controlled manner, an ejector circulation hydrogen line 8 that guides surplus hydrogen gas discharged from the fuel electrode outlet to the suction port of the ejector 4, and a gas circulation pump 5 that is disposed on the way from the fuel electrode outlet A pump circulation hydrogen line 9 that leads the discharged excess hydrogen gas downstream of the ejector exhaust port, an oxidant supply line 10 that supplies oxidant gas to the oxidant electrode inlet of the fuel cell stack, and an oxidant electrode outlet Based on the oxidant discharge line 11 for deriving the oxidant gas, the cell voltage sensor 14 (water blockage state detecting means) for detecting the cell voltage of the fuel cell stack, and the water blockage state detection result by the cell voltage sensor 14, A controller 15 (control means) that drives the gas circulation pump 5 to eliminate the water blockage state is provided.

また、図示しないが、燃料電池システムは、スタック供給水素ライン7の圧力を検出する圧力ピックアップと、ポンプ循環水素ライン9の圧力を検出する圧力ピックアップとを備え、コントローラ15は、これら圧力ピックアップの検出値に従って、ガス循環ポンプ5の運転を制御する機能も備えている。   Although not shown, the fuel cell system includes a pressure pickup that detects the pressure of the stack supply hydrogen line 7 and a pressure pickup that detects the pressure of the pump circulation hydrogen line 9, and the controller 15 detects these pressure pickups. A function of controlling the operation of the gas circulation pump 5 according to the value is also provided.

次に、上記構成による燃料電池システムの動作を説明する。
高圧水素ガスタンク2から取り出された高圧水素ガスは、圧力調整弁3で適正な圧力まで減圧され、新規供給水素ライン6を通じてイジェクタ4の供給口に供給される。
Next, the operation of the fuel cell system having the above configuration will be described.
The high pressure hydrogen gas taken out from the high pressure hydrogen gas tank 2 is depressurized to an appropriate pressure by the pressure regulating valve 3 and supplied to the supply port of the ejector 4 through the new supply hydrogen line 6.

イジェクタ4では内部のノズルで高速のガス流を作りだすことにより負圧を発生させ、その負圧を利用して吸込口からイジェクタ循環水素ライン8を介して燃料極出口から排出される余剰の水素ガスを吸い込む。イジェクタ4は、新規供給水素ガス流と余剰水素ガスとを混合しながら排気口から吐出し、この混合水素ガスをスタック水素供給ライン7を経由して燃料電池スタック1へと供給する。   In the ejector 4, a negative pressure is generated by creating a high-speed gas flow with an internal nozzle, and surplus hydrogen gas discharged from the suction port through the ejector circulation hydrogen line 8 from the suction port using the negative pressure. Inhale. The ejector 4 discharges the newly supplied hydrogen gas flow and surplus hydrogen gas from the exhaust port while mixing them, and supplies the mixed hydrogen gas to the fuel cell stack 1 via the stack hydrogen supply line 7.

一方、空気は、図示しないコンプレッサから酸化剤供給ライン10を通じて燃料電池スタック1に送り込まれ、燃料電池スタックで使用されなかった余剰の空気は、酸化剤排出ライン11及び図示しない圧力調整弁を介して燃料電池スタック1の外部へ排出される。   On the other hand, air is sent from the compressor (not shown) to the fuel cell stack 1 through the oxidant supply line 10, and excess air that has not been used in the fuel cell stack passes through the oxidant discharge line 11 and a pressure control valve (not shown). It is discharged outside the fuel cell stack 1.

燃料電池スタック1の内部では、水素ガスと空気中の酸素との電気化学的反応により水素と酸素の持つ化学エネルギが電気エネルギに変換される。電気化学的反応に携わらなかった余剰の水素ガスは、燃料電池スタック1から排出されるが、本実施例では余剰の水素ガスを、イジェクタ循環水素ライン8とポンプ循環水素ライン9との2系統のガス配管を通して再循環できる構成となっている。   Inside the fuel cell stack 1, the chemical energy of hydrogen and oxygen is converted into electrical energy by an electrochemical reaction between hydrogen gas and oxygen in the air. Excess hydrogen gas that has not been involved in the electrochemical reaction is discharged from the fuel cell stack 1. In this embodiment, the surplus hydrogen gas is removed from the two systems of the ejector circulation hydrogen line 8 and the pump circulation hydrogen line 9. It can be recirculated through gas piping.

そのうちのイジェクタ循環水素ライン8によってイジェクタ4の吸込み口へ余剰水素ガスを戻し、イジェクタ4による吸引、昇圧作用によって再びスタック供給水素ライン中に送り出すことができる。   Of these, surplus hydrogen gas is returned to the suction port of the ejector 4 by the ejector circulation hydrogen line 8 and can be sent out again into the stack supply hydrogen line by suction and pressure-increasing action by the ejector 4.

もう一方がポンプ循環水素ライン9であり、これによってガス循環ポンプ5の吸入口へ余剰水素ガスを戻し、ガス循環ポンプ5による吸引、昇圧によって再びスタック供給水素ライン7中に送り出すことができる。   The other is a pump circulation hydrogen line 9, whereby surplus hydrogen gas can be returned to the suction port of the gas circulation pump 5 and sent out again into the stack supply hydrogen line 7 by suction and pressure increase by the gas circulation pump 5.

なお、図にあるように、ガス循環ポンプ5から吐出された余剰水素ガスは、イジェクタ4の排気口より下流側にて、スタックへ向かう流れとして合流するような配管レイアウトになっている。   As shown in the figure, the surplus hydrogen gas discharged from the gas circulation pump 5 has a piping layout such that it flows as a flow toward the stack downstream from the exhaust port of the ejector 4.

この燃料電池スタック1として用いられる固体高分子電解質型燃料電池(PEFC)における単位セル電池の構成を、図11を用いて説明する。   A configuration of a unit cell battery in a solid polymer electrolyte fuel cell (PEFC) used as the fuel cell stack 1 will be described with reference to FIG.

水素イオン導電性を有する固体高分子膜128を挟んで、アノード電極129、カソード電極130が配置され、アノード電極129に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給溝131、カソード電極130に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給溝132、それぞれの供給溝の外側には導電性を有するガス不透過性のアノードセパレータ133、カソードセパレータ134、アノードセパレータ133のさらに外側には、導電性を有するガスおよび水不透過性の水セパレータ135、発電に伴って発生する余分の熱を取り除くことにより、燃料電池スタック温度を適正に保つためのスタック冷却水を流す冷却水供給溝136が配設されており、128〜136によって単位セル電池137が構成されている。   An anode electrode 129 and a cathode electrode 130 are disposed across a solid polymer film 128 having hydrogen ion conductivity, and an oxidant gas is supplied to a fuel gas supply groove 131 for supplying fuel gas to the anode electrode 129 and a cathode electrode 130. Oxidant gas supply grooves 132 for supplying gas, conductive gas-impermeable anode separator 133 on the outside of each supply groove, cathode separator 134, and on the outer side of anode separator 133, there is conductivity. A gas and water impervious water separator 135 and a cooling water supply groove 136 through which stack cooling water flows to maintain the fuel cell stack temperature appropriately by removing excess heat generated during power generation are provided. The unit cell battery 137 is composed of 128 to 136.

以上のような固体高分子電解質型燃料電池においては、アノード電極129に燃料ガスを、カソード電極130に酸化剤ガスをそれぞれ供給すると、単位セル電池の一対の電極間で電気化学反応により、以下のように起電力が生じる。   In the solid polymer electrolyte fuel cell as described above, when a fuel gas is supplied to the anode electrode 129 and an oxidant gas is supplied to the cathode electrode 130, an electrochemical reaction occurs between the pair of electrodes of the unit cell battery as follows. Thus, an electromotive force is generated.

(化1)
アノード反応: H2 → 2H+ + 2e-
カソード反応: 2H+ +(1/2)O2 + 2e- → 2H2
通常、アノードに供給する燃料ガスとしては水素が使用され、カソードに供給する酸化剤ガスとしては空気が使用される。まず、アノード電極129に水素、カソード電極130に空気をそれぞれ供給すると、アノード電極129では、供給された水素は水素イオンと電子に解離する。そして水素イオンは固体高分子膜128を通り、電子は外部回路を通って、それぞれカソード電極130に移動する。
(Chemical formula 1)
Anode reaction: H 2 → 2H + + 2e
Cathode reaction: 2H + + (1/2) O 2 + 2e → 2H 2 O
Usually, hydrogen is used as the fuel gas supplied to the anode, and air is used as the oxidant gas supplied to the cathode. First, when hydrogen is supplied to the anode electrode 129 and air is supplied to the cathode electrode 130, the supplied hydrogen is dissociated into hydrogen ions and electrons at the anode electrode 129. Then, hydrogen ions pass through the solid polymer film 128, and electrons move to the cathode electrode 130 through the external circuit.

一方、カソード電極130においては、供給された空気中の酸素と上記水素イオンと電子が反応して水を生成する。このとき外部回路を通った電子は電流となり電力を供給することができる。つまり、アノード電極129にカソード電極130においては、それぞれ上述した化学反応式に示す反応が進行する。なお、生成された水は未反応ガスと共に電池外に排出される。   On the other hand, in the cathode electrode 130, oxygen in the supplied air, the hydrogen ions, and electrons react to generate water. At this time, electrons passing through the external circuit become current and can supply power. That is, the reaction shown in the above chemical reaction formula proceeds at the anode electrode 129 and the cathode electrode 130, respectively. The generated water is discharged out of the battery together with the unreacted gas.

ところで、単位セル電池137の起電力は1[V]以下と低いため、燃料電池スタック1は、数十〜数百枚の単位セル137を積層している。   Incidentally, since the electromotive force of the unit cell battery 137 is as low as 1 [V] or less, the fuel cell stack 1 has several tens to several hundreds of unit cells 137 stacked thereon.

ここで使用される水素イオン導電性を有する固体高分子膜128としては、例えば、プロトン交換膜であるパーフルオロカーボンスルホン酸(NafionR 、米国デュポン社製)が知られている。この膜は、分子中に水素イオンの交換基をもち、飽和含水することにより水素イオン導電性電解質として機能すると共に、燃料と酸化剤を分離する機能も有する。逆に、膜の含水量が少なくなるとイオン抵抗が高くなり、膜を透過した燃料と酸化剤が混合するクロスオーバが発生し、電池での発電が不可能となる。このため、固体高分子膜は飽和含水としておくことが望ましい。 The polymer film 128 having hydrogen ion conductivity as used herein, for example, perfluorocarbon sulfonic acid (Nafion R, manufactured by DuPont) is known as a proton exchange membrane. This membrane has a hydrogen ion exchange group in the molecule and functions as a hydrogen ion conductive electrolyte by saturated water content, and also has a function of separating fuel and oxidant. Conversely, when the water content of the membrane decreases, the ionic resistance increases and a crossover occurs in which the fuel and oxidant that permeate the membrane are mixed, making it impossible to generate electricity in the battery. For this reason, it is desirable that the solid polymer film be saturated with water.

発電によりアノード電極で分離した水素イオンが固体高分子膜を通りカソード電極に移動する時に、水も一緒に移動するために、アノード電極側では固体高分子膜は乾燥する傾向にある。また、供給する燃料又は空気の含まれる水蒸気が少ないと、それぞれの反応ガス入り口付近で固体高分子膜は乾燥する傾向にある。   When hydrogen ions separated at the anode electrode by power generation move to the cathode electrode through the solid polymer film, water also moves together, so that the solid polymer film tends to dry on the anode electrode side. Further, when the supplied fuel or air contains less water vapor, the solid polymer membrane tends to dry near the respective reaction gas inlets.

上記の理由から、燃料電池スタック1には、予め加湿した燃料と酸化剤を供給すること、もしくは燃料電池内で反応生成された水を使っての湿潤をする。   For the above reasons, the fuel cell stack 1 is supplied with fuel and oxidizer that have been humidified in advance, or is wetted with water generated by reaction in the fuel cell.

図2は、本発明に係る燃料電池システムの実施例1におけるガス循環ポンプの役割を説明するための図である。   FIG. 2 is a diagram for explaining the role of the gas circulation pump in the first embodiment of the fuel cell system according to the present invention.

本実施例のような燃料電池システムでは、定常的に電力を発生させるために、イジェクタ4に上流から供給される水素量分が、燃料電池スタック1での水素消費量(運転負荷に対応)に等しくならなければいけないが、イジェクタ4での吸引力発生はノズル噴流の流量(流速)に応じて内部負圧が高まり、吸込み流量(循環流量)が増加してゆくというメカニズムになっているため、ガス循環装置としてイジェクタのみを使用する場合には、図2の破線で示すように、供給水素量と循環水素量は基本的に一対一の関係となっている。   In the fuel cell system as in the present embodiment, the amount of hydrogen supplied from upstream to the ejector 4 is the amount of hydrogen consumed by the fuel cell stack 1 (corresponding to the operating load) in order to generate electric power constantly. Although the suction force generation at the ejector 4 has a mechanism in which the internal negative pressure increases according to the flow rate (velocity) of the nozzle jet, and the suction flow rate (circulation flow rate) increases. When only the ejector is used as the gas circulation device, the supply hydrogen amount and the circulation hydrogen amount basically have a one-to-one relationship as shown by the broken line in FIG.

これに対し、本実施例ではガス循環ポンプによるガス循環ラインを並列に配置しているため、イジェクタのみ使用で実現される循環水素流量に対して、ガス循環ポンプの循環流量を最大としたときには、図2の実線で示すような循環水素流量を得ることができる。さらに、ガス循環ポンプの出力を可変としているので、図2の斜線で示した領域全てを実現可能な循環水素流量をすることができる。   In contrast, in this embodiment, the gas circulation line by the gas circulation pump is arranged in parallel, so when the circulation flow rate of the gas circulation pump is maximized with respect to the circulation hydrogen flow rate realized by using only the ejector, A circulating hydrogen flow rate as shown by the solid line in FIG. 2 can be obtained. Furthermore, since the output of the gas circulation pump is variable, it is possible to achieve a circulating hydrogen flow rate that can realize the entire region indicated by the oblique lines in FIG.

上述の構成であれば、イジェクタでのガス循環も確保しつつ、燃料電池システムの運転負荷が一定の条件下、つまりイジェクタへの供給水素量が一定の条件下においても、ガス循環流量のみ独立に制御できるようになるため、燃料電池システムの運転性を向上させることが可能となるうえ、従来の燃料電池システムで用いているような、燃料ガスを系外に捨てるガスパージ操作を不必要とすることができるため、燃料電池システムの経済性をも高めることが可能となる。   With the above-described configuration, while ensuring gas circulation in the ejector, even when the operating load of the fuel cell system is constant, that is, even when the amount of hydrogen supplied to the ejector is constant, only the gas circulation flow rate is independent. Because it becomes possible to control the fuel cell system, the operability of the fuel cell system can be improved, and the gas purge operation for throwing the fuel gas out of the system as in the conventional fuel cell system is unnecessary. Therefore, the economic efficiency of the fuel cell system can be improved.

図6は、実施例1の燃料電池システムにおける燃料電池スタックの水詰まり状態信号に応じたガス循環ポンプの運転方法を説明する図である。   FIG. 6 is a diagram for explaining a method of operating the gas circulation pump according to the water clogging state signal of the fuel cell stack in the fuel cell system of the first embodiment.

燃料電池スタック1を構成する何れかのセルで、セル内ガス流路に水閉塞状態が発生すると、当該セルへの燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給流量が減少し、当該セルの発電電圧が低下する。このため、燃料電池スタックの各セル電圧を計測し、そのバラツキを判定することにより、水閉塞状態にあるか否かを判定することができる。   If any of the cells constituting the fuel cell stack 1 is blocked by water in the in-cell gas flow path, the supply flow rate of fuel gas or oxidant gas to the cell decreases and the generated voltage of the cell decreases. To do. For this reason, it can be determined whether it is in a water blockage state by measuring each cell voltage of a fuel cell stack, and judging the variation.

本実施例においては、燃料電池スタック1の各セル電圧を検出するセル電圧センサ14を備え、セル電圧センサ14が検出した各セル電圧をコントローラ15へ入力している。コントローラ15は、セル電圧の分布から燃料電池スタック2のいずれかのセルが水閉塞状態にあるか否かを判定するための水詰まり状態信号を生成している。   In this embodiment, a cell voltage sensor 14 for detecting each cell voltage of the fuel cell stack 1 is provided, and each cell voltage detected by the cell voltage sensor 14 is input to the controller 15. The controller 15 generates a water clogging state signal for determining whether any cell of the fuel cell stack 2 is in a water blocking state from the cell voltage distribution.

水詰まり状態信号は、例えば、セル電圧の平均値Vavと最も電圧の低いセル電圧Vmin との差ΔV(=Vav−Vmin )が所定値を超えたときに水詰まり発生、そうでない場合を良と判定した信号である。またはセル電圧の分散値Vσ を算出し、分散値Vσ が所定値を超えたときに水詰まり発生、そうでない場合を良と判定してもよい。さらに、燃料電池スタックを構成するセル数が多い場合には、判定精度は低下するが、セル電圧センサ14がセル毎の電圧を検出するのではなく、一定数の直列接続されたセル群毎の電圧を測定して、コントローラ15が同様の判定を行ってもよい。   The water clogging state signal is generated when the difference ΔV (= Vav−Vmin) between the average value Vav of the cell voltages and the cell voltage Vmin having the lowest voltage exceeds a predetermined value. It is the determined signal. Alternatively, the dispersion value Vσ of the cell voltage may be calculated, and water clogging may occur when the dispersion value Vσ exceeds a predetermined value. Furthermore, when the number of cells constituting the fuel cell stack is large, the determination accuracy is lowered, but the cell voltage sensor 14 does not detect the voltage for each cell, but for each of a certain number of cells connected in series. The voltage may be measured and the controller 15 may make the same determination.

尚、水詰まり状態の程度を水詰まりレベル信号として出力する場合には、上記ΔVまたは、Vσ をそのまま水詰まりの程度を示す水詰まりレベル信号としてもよい。   When the degree of water clogging is output as a water clogging level signal, ΔV or Vσ may be used as the water clogging level signal indicating the degree of clogging.

本実施例では、上述の水詰まり状態信号が不良(水詰まり発生)になったとき、ガス循環ポンプの回転速度を図6のようにある周期で変動させる。これにより燃料電池スタックへ流入してゆくガス量(ガス流速)に脈動を与えることができる。   In the present embodiment, when the water clogging state signal becomes defective (water clogging occurs), the rotation speed of the gas circulation pump is varied at a certain period as shown in FIG. Thereby, pulsation can be given to the amount of gas (gas flow velocity) flowing into the fuel cell stack.

図7は、本実施例の燃料電池システムにおけるガス循環ポンプの動きを制御するためのフローチャートであり、以下にそのアルゴリズムを説明する。   FIG. 7 is a flowchart for controlling the movement of the gas circulation pump in the fuel cell system of this embodiment, and the algorithm will be described below.

まずステップS21で燃料電池スタック内ガス通路の水詰まり状態を、セル電圧センサの検出値などから求める。ステップS22では、現状の水詰まり状態のレベルが、不良であるのか、良であるのかについて判定し、良と判定された場合には、ステップS21に戻されて、再び水詰まり状態の取り込みを行う。不良と判定された場合には、ステップS23へ移ってポンプの運転回転速度に変動を与えはじめ、スタック内ガス通路内部の付着水の除去を開始する。   First, in step S21, the clogged state of the gas passage in the fuel cell stack is obtained from the detection value of the cell voltage sensor. In step S22, it is determined whether the current level of water clogging is bad or good, and if it is determined to be good, the process returns to step S21, and the water clogging state is captured again. . If it is determined to be defective, the process proceeds to step S23, where the operation rotational speed of the pump starts to change, and the removal of the adhering water inside the gas passage in the stack is started.

次にステップS24にて、水詰まり状態のレベルが、ポンプの断続運転によって改善されて良に戻ったどうかの判定が行われ、まだ不良のままであるときはステップS23に戻って、ポンプの断続運転を継続する。良に戻った場合には、もはや断続運転の必要がないとして、ステップS25にてポンプを通常の運転に戻す。   Next, in step S24, it is determined whether or not the level of the clogged state has been improved by the intermittent operation of the pump and returned to good. If the level is still defective, the process returns to step S23 and the pump is intermittently connected. Continue driving. When it returns to good, it is no longer necessary to perform intermittent operation, and the pump is returned to normal operation in step S25.

上述のような構成と制御方法であれば、燃料電池スタックを通過するガスの流れに脈動を与えることで、水詰まりを引き起こしているガス通路内の付着水を素早く除去する作用が得られ、結果として燃料電池システムの運転性、信頼性のさらなる向上をもたらすことを可能とする。   With the configuration and control method as described above, the effect of quickly removing the adhering water in the gas passage causing water clogging is obtained by pulsating the flow of gas passing through the fuel cell stack. As a result, the operability and reliability of the fuel cell system can be further improved.

図3は、実施例2の燃料電池システムの概略構成図である。
本実施例では、イジェクタ4の排気側にイジェクタ内部への逆流を防止する向きに逆流防止弁B−13を、ガス循環ポンプ5の吐出側にポンプ内部への逆流を防止する向きに逆流防止弁A−12を設置してあり、上記以外は前述の実施例1と同様であるので、同じ構成要素には、同一符号を付与して重複する説明を省略する。
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of the fuel cell system according to the second embodiment.
In this embodiment, the backflow prevention valve B-13 is arranged on the exhaust side of the ejector 4 so as to prevent the backflow to the inside of the ejector, and the backflow prevention valve is arranged on the discharge side of the gas circulation pump 5 so as to prevent the backflow inside the pump. Since A-12 is installed and the configuration other than the above is the same as that of the above-described first embodiment, the same components are assigned the same reference numerals and redundant description is omitted.

図4は、本実施例の燃料電池システムにおけるガス循環ポンプの回転速度、昇圧量、吐出量の関係を説明する図である。   FIG. 4 is a diagram for explaining the relationship among the rotational speed, the pressure increase amount, and the discharge amount of the gas circulation pump in the fuel cell system of the present embodiment.

ガスを作動流体とするガス循環ポンプ(コンプレッサ)に、水素ガスのような漏洩性の高い気体を用いた場合の一般的な特性として、同一のポンプ回転速度であっても昇圧量が高くなるにつれて、反対に吐出量は減少してゆくという傾向を有する。ポンプを高回転化すれば昇圧量、吐出量ともに大きくすることが可能であるが、昇圧量に関しては最大値が存在することが多い。ポンプ内部での微小隙間における内部漏れが、水素のような粘性の低い、分子の小さな気体の場合は顕著に現れることが主要因である。   As a general characteristic when a gas having high leakage such as hydrogen gas is used for a gas circulation pump (compressor) that uses gas as a working fluid, the pressure increase amount increases even at the same pump rotation speed. On the contrary, the discharge amount tends to decrease. If the pump is rotated at a higher speed, it is possible to increase both the pressure increase amount and the discharge amount, but there is often a maximum value for the pressure increase amount. The main factor is that the internal leakage in the minute gap inside the pump appears prominently in the case of a gas with low viscosity such as hydrogen and a small molecule.

よって、燃料電池システムで要求されるガス循環ポンプの運転条件が、ポンプ吐出量と昇圧量(スタック運転圧に相当)の関係で、上記のポンプ最大昇圧値を超えるような場合には、ポンプを運転していてもポンプ内では吸入した全量が内部漏れしていることになるため、ポンプを作動させる意味がなくなるので、ガス循環ポンプを停止させる制御を行う。   Therefore, when the operating condition of the gas circulation pump required in the fuel cell system exceeds the above maximum pump boost value due to the relationship between the pump discharge amount and the boost amount (corresponding to the stack operation pressure), the pump is Even if the pump is in operation, the entire amount sucked in the pump is leaking internally, so there is no point in operating the pump. Therefore, control is performed to stop the gas circulation pump.

図5は、本実施例の燃料電池システムにおけるガス循環ポンプの制御するコントローラによるフローチャートであり、以下にそのアルゴリズムを説明する。   FIG. 5 is a flowchart of a controller controlled by the gas circulation pump in the fuel cell system of this embodiment, and the algorithm will be described below.

まずステップS11で、燃料電池スタック1への水素ガスの供給圧Pin、排気圧Pout を、それぞれスタック供給水素ライン7、ポンプ循環水素ライン9(またはイジェクタ循環水素ライン8、または8と9との合流点の上流部)に配設した圧力ピックアップなどで測定して取り込む。次いで、ステップS12において、PinとPout より、現状のポンプ昇圧量ΔP(=Pin−Pout )の算出をする。ステップS13に移って、現状の昇圧量ΔPが上述したポンプ最大昇圧値ΔPmax に到達しているかどうかを判定し、まだ最大値に達していない場合はステップS15にて、ポンプでの内部漏れの影響はまだ小さいとしてポンプ運転を継続する、もしくはポンプが停止していた場合は運転を開始する。   First, in step S11, the supply pressure Pin and the exhaust pressure Pout of the hydrogen gas to the fuel cell stack 1 are combined with the stack supply hydrogen line 7, the pump circulation hydrogen line 9 (or the ejector circulation hydrogen line 8, or 8 and 9 respectively). Measured and taken in with a pressure pickup or the like arranged upstream of the point. Next, in step S12, the current pump boost amount ΔP (= Pin−Pout) is calculated from Pin and Pout. Moving to step S13, it is determined whether or not the current pressure increase amount ΔP has reached the pump maximum pressure increase value ΔPmax described above. If it has not yet reached the maximum value, the effect of internal leakage in the pump is determined in step S15. Continue pumping as if is still small, or start if pump is stopped.

一方、ステップS13の判定で、最大値に達してしまった場合には、ステップS14に飛んで、ポンプの内部漏れの影響が十分大きく、ポンプを作動させる意味がなくなったとしてガス循環ポンプ5の運転を停止する。   On the other hand, if the maximum value is reached in the determination in step S13, the operation jumps to step S14, and the influence of the internal leakage of the pump is sufficiently large and the meaning of operating the pump is lost. To stop.

また、本実施例において、セル電圧センサ14の検出結果に基づいて、コントローラ15は、セル電圧の分布から燃料電池スタック2のいずれかのセルが水閉塞状態にあるか否かを判定するための水詰まり状態信号を生成している。そして、コントローラ15は、水詰まり状態信号により水詰まり状態が発生したと判定したときに、水詰まり状態信号が水詰まり状態を示さなくなるまで、ガス循環ポンプ5を断続運転するように制御する。このとき、逆流防止弁12を開き、逆流防止弁13を閉じるように制御する。コントローラ15のよるその他の制御は、実施例1で図6、図7を参照して説明したのと同様の制御を行う。   Further, in the present embodiment, based on the detection result of the cell voltage sensor 14, the controller 15 determines whether any cell of the fuel cell stack 2 is in a water-blocked state from the cell voltage distribution. A clogged state signal is generated. When the controller 15 determines that a water clogging state has occurred according to the water clogging state signal, the controller 15 controls the gas circulation pump 5 to intermittently operate until the water clogging state signal does not indicate the water clogging state. At this time, control is performed so that the backflow prevention valve 12 is opened and the backflow prevention valve 13 is closed. Other controls by the controller 15 are the same as those described with reference to FIGS. 6 and 7 in the first embodiment.

上述のような構成であれば、運転負荷変化の過渡期などで、イジェクタでの昇圧量とガス循環ポンプでの昇圧量のバランスが一時的に崩れてしまった場合であっても、イジェクタから昇圧、吐出されたガス流の一部が、ガス循環ポンプ内を逆流してしまうこと、もしくはガス循環ポンプから昇圧、吐出されたガス流の一部が、イジェクタ内を逆流してしまうことを防止することができ、これにより、一層無駄なく効率的に燃料電池スタックへガスを循環することが可能となるため、結果的に燃料電池システムの運転安定性が増し、ガス循環ポンプ駆動のための電力を低減する効果が期待できる。   With the configuration as described above, even if the balance between the pressure increase amount at the ejector and the pressure increase amount at the gas circulation pump is temporarily lost due to a transition period of operation load change, the pressure increase from the ejector. This prevents a part of the discharged gas flow from flowing back in the gas circulation pump, or a part of the gas flow boosted and discharged from the gas circulation pump to flow back in the ejector. As a result, it becomes possible to circulate gas to the fuel cell stack more efficiently and without waste. As a result, the operation stability of the fuel cell system is increased, and the power for driving the gas circulation pump is increased. A reduction effect can be expected.

また、上述のような制御方法であれば、実施例1よりさらにガス循環ポンプでの無駄な電力消費をカットすることが可能となり、燃料電池システム全体の電力需給バランスをより改善することにつながる。   Further, if the control method is as described above, it is possible to cut wasteful power consumption in the gas circulation pump further than in the first embodiment, which leads to further improvement in the power supply / demand balance of the entire fuel cell system.

図8は、本発明の実施例3の燃料電池システムにおける、燃料電池スタックの水詰まり状態信号に応じたガス循環ポンプの運転方法を説明する図である。   FIG. 8 is a diagram illustrating a method for operating the gas circulation pump in accordance with the water clogging state signal of the fuel cell stack in the fuel cell system according to the third embodiment of the present invention.

本実施例においては、燃料電池スタック内部のガス通路内の水詰まり状態の程度を連続的あるいは段階的に知りえる信号を、燃料電池スタックの各セルの発生電圧の挙動などから推測して出力できる機能を有しており、それを除いては前述までの実施例と同じである。   In this embodiment, a signal that can know the degree of water clogging in the gas passage inside the fuel cell stack continuously or stepwise can be estimated and output from the behavior of the generated voltage of each cell of the fuel cell stack. Except for this, it is the same as the previous embodiments.

本実施例では、上述の水詰まり状態信号レベルが、あらかじめ定められたある閾値を超えたとき、燃料電池スタック内ガス通路の水詰まりを解消する必要があるとして、ガス循環ポンプ断続運転を開始するが、そのポンプ回転速度の変動の周波数は、水詰まり状態のレベルに応じて変化させるものとなっている。これにより燃料電池スタックへ流入してゆくガス量(ガス流速)に与える脈動の周波数を、水詰まり状態のレベルに応じて変化させることができる。   In this embodiment, when the water clogging state signal level exceeds a predetermined threshold value, it is determined that it is necessary to eliminate clogging of the gas passage in the fuel cell stack, and the gas circulation pump intermittent operation is started. However, the frequency of fluctuation of the pump rotation speed is changed according to the level of the clogged state. Thereby, the frequency of the pulsation given to the gas amount (gas flow velocity) flowing into the fuel cell stack can be changed according to the level of the clogged state.

図9は、本実施例の燃料電池システムにおける、燃料電池スタックの水詰まり状態レベル信号とガス循環ポンプ回転変動の周波数の関係を説明する図である。   FIG. 9 is a diagram for explaining the relationship between the water clogging state level signal of the fuel cell stack and the frequency of rotation fluctuation of the gas circulation pump in the fuel cell system of the present embodiment.

水詰まり状態レベルが閾値より下にあるときは、ガス循環ポンプの回転速度に変動を与える必要がないため、一定の回転速度での通常運転となる。しかし、水詰まりレベルが閾値を超過した時点からガス循環ポンプの断続運転が開始され、水詰まり状態レベルが悪化するにつれて、ポンプ回転速度を変動させる周波数を高くなるような関係を持たせておく。   When the water clogging state level is below the threshold value, it is not necessary to vary the rotational speed of the gas circulation pump, so normal operation is performed at a constant rotational speed. However, the intermittent operation of the gas circulation pump is started from the time when the water clogging level exceeds the threshold value, and a relationship is set such that the frequency at which the pump rotation speed is changed increases as the water clogging state level deteriorates.

即ち、水詰まり状態の程度が高くなればなるほど、ガス循環ポンプの回転速度を変動させる周波数を高く(変動周期を短く)することにより、燃料電池スタック内に水詰まりを生じさせた液滴を排出し易くする特性とし、逆に水詰まりの程度が低ければ、ガス循環ポンプの回転速度を変動させる周波数を低く(変動周期を長く)することにより、イジェクタとガス循環ポンプとの双方からスタックに供給するガスの総量が低下して発電出力が低下することを防止するような特性とする。   In other words, the higher the level of clogged water, the higher the frequency at which the rotational speed of the gas circulation pump is changed (the fluctuation period is shortened), thereby discharging droplets that have clogged the fuel cell stack. On the contrary, if the degree of water clogging is low, the frequency that fluctuates the rotation speed of the gas circulation pump is lowered (the fluctuation period is increased), so that both the ejector and the gas circulation pump supply the stack. It is set as the characteristic which prevents that the total amount of gas to perform falls and an electric power generation output falls.

図10は、本実施例の燃料電池システムにおけるガス循環ポンプの動きを制御するためのフローチャートであり、以下にそのアルゴリズムを説明する。   FIG. 10 is a flowchart for controlling the movement of the gas circulation pump in the fuel cell system of this embodiment, and the algorithm will be described below.

まずステップS31で燃料電池スタック内ガス通路の水詰まり状態の程度を示す水詰まり状態レベル信号を、セル電圧のモニタ値などから求める。ステップS32では、水詰まり状態レベル信号が予め定められた閾値以下かどうかを判定することにより、現状の水詰まり状態の程度について判定する。ステップS32で、閾値以下と判定された場合には、ステップS31に戻されて、再び水詰まり状態レベル信号の取り込みを行う。閾値以上と判定された場合には、ステップS33へ移り、コントローラ内に予め記憶した図9に相当するポンプ回転速度変動周波数テーブルより、水詰まり状態レベル信号に対応する周波数の読み取りを行い、ステップS34にて読み取った繰り返し周波数でのポンプの回転速度変動運転を開始する。   First, in step S31, a clogged state level signal indicating the degree of clogged state of the gas passage in the fuel cell stack is obtained from the monitored value of the cell voltage. In step S32, the degree of the current water clogging state is determined by determining whether or not the water clogging state level signal is equal to or less than a predetermined threshold value. If it is determined in step S32 that the threshold value is equal to or less than the threshold value, the process returns to step S31, and the water clogging state level signal is captured again. If it is determined that the threshold value is exceeded, the process proceeds to step S33, and the frequency corresponding to the water clogging state level signal is read from the pump rotation speed fluctuation frequency table corresponding to FIG. The rotation speed fluctuation operation of the pump at the repetition frequency read in is started.

次にステップS35にて、水詰まり状態レベル信号が、ポンプの断続運転によって改善されて閾値を下回ったかどうかの判定が行われ、まだ閾値以上のままであるときはステップS33に戻って、現状の水詰まり状態レベル信号を更新して、再び対応するポンプ回転速度変動運転の周波数を読み取る。閾値以下に回復したと判定された場合には、ステップS36に移り、もはや断続運転の必要がないとして、ポンプを通常の運転に戻す。   Next, in step S35, it is determined whether or not the water clogging state level signal has been improved by the intermittent operation of the pump and has fallen below the threshold value. The water clogging state level signal is updated and the frequency of the corresponding pump rotation speed fluctuation operation is read again. If it is determined that the value has recovered below the threshold value, the process proceeds to step S36, and the pump is returned to normal operation because it is no longer necessary to perform intermittent operation.

上述のような構成と制御方法であれば、水詰まりの程度に応じてガス循環ポンプの断続運転の繰り返し周波数を変化させることができ、つまりその条件で最適なガス流の脈動を燃料電池スタックを通過するガスの流れに付与することができ、ガス通路内の付着水分を効率的に除去する作用が得られ、結果として燃料電池システムの運転性、信頼性をより一層高める効果が期待できる。   With the configuration and the control method as described above, the repetition frequency of the intermittent operation of the gas circulation pump can be changed according to the degree of water clogging, that is, the optimum pulsation of the gas flow under the conditions can be set in the fuel cell stack. It can be given to the flow of gas passing therethrough, and the action of efficiently removing the adhering moisture in the gas passage can be obtained. As a result, the effect of further improving the operability and reliability of the fuel cell system can be expected.

以上、好ましい実施例について説明したが、これらの実施例による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、これらの実施例に基づいて当業者等によりなされる他の実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論である。   The preferred embodiments have been described above, but the present invention is not limited by the descriptions and drawings that form part of the disclosure of the present invention. That is, it is a matter of course that all other embodiments and operation techniques made by those skilled in the art based on these embodiments are included in the scope of the present invention.

例えば、実施例では、セル電圧により間接的に水閉塞状態を検出する例を説明したが、各セルにガス流量センサを設けて、直接セル毎のガス流量を測定し、測定したガス流量が減少したセルを水閉塞状態と判定する直接的な水閉塞状態検出手段を利用することも可能である。   For example, in the embodiment, the example in which the water blockage state is indirectly detected by the cell voltage has been described. However, the gas flow rate sensor for each cell is directly provided to measure the gas flow rate for each cell, and the measured gas flow rate decreases. It is also possible to use a direct water blockage state detecting means for determining a cell that has been closed as a water blockage state.

このようなガス流量センサとしては、マイクロメカニカル・ホットフィルム式ガス流量センサがあり、質量流量を検出することができる(例えば、ボッシュ自動車ハンドブック第1版、p118、山海堂、1999.3.31)。   As such a gas flow rate sensor, there is a micromechanical hot film type gas flow rate sensor, which can detect a mass flow rate (for example, Bosch Automobile Handbook 1st Edition, p118, Sankaido, 1999.3.31). .

また実施例では、燃料ガス系統にガス循環ポンプを設けた例を説明したが、宇宙空間や海中で使用される燃料電池システムでは、地上で使用される燃料電池とは異なり、大気から取り込んだ空気を酸化剤ガスとして利用することができない。このため貯蔵手段に貯蔵した酸化剤ガスを利用することになり、燃料ガス系統と同様に酸化剤ガス系統にガス循環ポンプを設けて、燃料ガス系統と同様な制御を行うことができる。   In the embodiment, the example in which the gas circulation pump is provided in the fuel gas system has been described. However, in the fuel cell system used in outer space or in the sea, the air taken in from the atmosphere is different from the fuel cell used on the ground. Cannot be used as an oxidant gas. For this reason, the oxidant gas stored in the storage means is used, and a gas circulation pump is provided in the oxidant gas system as in the fuel gas system, and the same control as in the fuel gas system can be performed.

本発明に係る燃料電池システムの実施例1の構成を説明する概略構成図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a schematic block diagram explaining the structure of Example 1 of the fuel cell system based on this invention. 実施例1におけるガス循環ポンプの作用を説明する供給水素流量対循環水素流量の図である。It is a figure of the supply hydrogen flow rate with respect to the circulation hydrogen flow rate explaining the effect | action of the gas circulation pump in Example 1. FIG. 本発明に係る燃料電池システムの実施例2の構成を説明する概略構成図である。It is a schematic block diagram explaining the structure of Example 2 of the fuel cell system which concerns on this invention. 本発明におけるガス循環ポンプの回転速度、昇圧量、吐出量の関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship between the rotational speed of the gas circulation pump in this invention, pressure | voltage rise amount, and discharge amount. 実施例2の燃料電池システムにおけるガス循環ポンプを制御するフローチャートである。6 is a flowchart for controlling a gas circulation pump in the fuel cell system of Example 2. 実施例1の燃料電池システムにおける(a)水詰まり状態フラグ、(b)ガス循環ポンプ回転速度、(c)スタック供給ガス量をそれぞれ説明する図である。It is a figure explaining (a) water clogging state flag, (b) gas circulation pump rotational speed, and (c) stack supply gas amount in the fuel cell system of Example 1. 実施例1の燃料電池システムにおけるガス循環ポンプを制御するフローチャートである。2 is a flowchart for controlling a gas circulation pump in the fuel cell system according to the first embodiment. 実施例3の燃料電池システムにおける(a)水詰まり状態レベル、(b)ガス循環ポンプ回転速度、(c)スタック供給ガス量をそれぞれ説明する図である。It is a figure explaining (a) water clogging state level, (b) gas circulation pump rotational speed, and (c) stack supply gas amount in the fuel cell system of Example 3. 実施例3における水詰まり状態レベルからガス循環ポンプ回転変動周波数を求めるテーブル例を説明する図である。It is a figure explaining the example of a table which calculates | requires a gas circulation pump rotation fluctuation frequency from the water clogging state level in Example 3. FIG. 実施例3の燃料電池システムにおけるガス循環ポンプを制御するフローチャートである。6 is a flowchart for controlling a gas circulation pump in a fuel cell system according to a third embodiment. 固体高分子電解質型燃料電池(PEFC)における単位セルの構成を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the structure of the unit cell in a polymer electrolyte fuel cell (PEFC).

符号の説明Explanation of symbols

1:燃料電池セルスタック
2:高圧水素ガスタンク
3:圧力調整弁
4:イジェクタ
5:ガス循環ポンプ
6:新規供給水素ライン
7:スタック供給水素ライン
8:イジェクタ循環水素ライン
9:ポンプ循環水素ライン
10:酸化剤供給ライン
11:酸化剤排出ライン
12:逆流防止弁A
13:逆流防止弁B
14:セル電圧センサ(水閉塞状態検出手段)
15:コントローラ
1: Fuel cell stack 2: High-pressure hydrogen gas tank 3: Pressure regulating valve 4: Ejector 5: Gas circulation pump 6: New supply hydrogen line 7: Stack supply hydrogen line 8: Ejector circulation hydrogen line 9: Pump circulation hydrogen line 10: Oxidant supply line 11: Oxidant discharge line 12: Backflow prevention valve A
13: Backflow prevention valve B
14: Cell voltage sensor (water blocking state detecting means)
15: Controller

Claims (4)

電解質膜が燃料極と酸化剤極との間に配置された単電池を少なくとも一つ有する燃料電池スタックと、
前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給管と、
余った燃料ガスを前記燃料電池スタック外に排出する燃料排出管と、
前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給管と、
余った酸化剤ガスを前記燃料電池スタック外に排出する酸化剤排出管と、
前記燃料排出管または前記酸化剤排出管から燃料電池スタック外に一度排出した燃料ガスまたは酸化剤ガスを循環ガスとして再び前記燃料供給管または前記酸化剤供給管に送り込む第1の循環経路と、
新規に供給する燃料ガスまたは酸化剤ガスと前記循環ガスとを混合するイジェクタと、
前記第1の循環経路と並列に配置され、前記燃料排出管または前記酸化剤排出管から燃料電池スタック外に一度排出した燃料ガスまたは酸化剤ガスを循環ガスとして再び前記燃料供給管または前記酸化剤供給管に送り込む第2の循環経路と、
第2の循環経路内のガスを強制循環可能なガス循環ポンプと、
前記燃料電池スタック内ガス通路の水閉塞状態を直接的、あるいは間接的に検出する水閉塞状態検出手段と、
該水閉塞状態検出手段が水閉塞状態を検出した場合に、前記水閉塞状態が改善されるまでの間、前記ガス循環ポンプを断続運転するように制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell stack having at least one unit cell in which an electrolyte membrane is disposed between the fuel electrode and the oxidant electrode;
A fuel supply pipe for supplying fuel gas to the fuel electrode;
A fuel discharge pipe for discharging excess fuel gas to the outside of the fuel cell stack;
An oxidant supply pipe for supplying an oxidant gas to the oxidant electrode;
An oxidant discharge pipe for discharging excess oxidant gas out of the fuel cell stack;
A first circulation path for sending fuel gas or oxidant gas once discharged out of the fuel cell stack from the fuel discharge pipe or the oxidant discharge pipe to the fuel supply pipe or the oxidant supply pipe again as a circulation gas;
An ejector for mixing the newly supplied fuel gas or oxidant gas and the circulating gas;
The fuel supply pipe or the oxidant is arranged again in parallel with the first circulation path and once discharged from the fuel discharge pipe or the oxidant discharge pipe to the outside of the fuel cell stack as a circulation gas. A second circulation path that feeds into the supply pipe;
A gas circulation pump capable of forcibly circulating the gas in the second circulation path;
A water blocking state detecting means for directly or indirectly detecting a water blocking state of the gas passage in the fuel cell stack;
Control means for controlling the gas circulation pump to intermittently operate until the water blockage state is improved when the water blockage state detection unit detects the water blockage state;
A fuel cell system comprising:
前記ガス循環ポンプの出口側に、前記ガス循環ポンプへの逆流を防ぐ向きに第1逆流防止弁を設け、
前記イジェクタの出口から、前記ガス循環ポンプの出口との合流点までの間に、イジェクタ出口への逆流を防ぐ向きに第2逆流防止弁を設けたことを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。
A first backflow prevention valve is provided on the outlet side of the gas circulation pump in a direction to prevent backflow to the gas circulation pump,
2. The fuel cell according to claim 1, wherein a second backflow prevention valve is provided between the outlet of the ejector and a junction with the outlet of the gas circulation pump so as to prevent backflow to the outlet of the ejector. system.
前記制御手段は、前記ガス循環ポンプで可能な最大昇圧量に対して、実際の要求昇圧量の方が大きくなるような運転領域にある場合に、前記ガス循環ポンプの運転を停止することを特徴とする請求項1または請求項2記載の燃料電池システム。   The control means stops the operation of the gas circulation pump when the actual required pressure increase is larger than the maximum pressure increase possible with the gas circulation pump. The fuel cell system according to claim 1 or 2. 前記水閉塞状態検出手段は、前記燃料電池スタック内ガス通路の水閉塞の程度を検出し、
前記制御手段は、前記水閉塞状態検出手段が検出した水閉塞の程度が悪化するにつれて、前記ガス循環ポンプの断続運転の断続の頻度を高める制御を行うことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The water blockage state detection means detects the degree of water blockage of the gas passage in the fuel cell stack,
The control unit performs control to increase the frequency of intermittent operation of the gas circulation pump as the degree of water blockage detected by the water blockage state detection unit deteriorates. 4. The fuel cell system according to any one of 3.
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