JP2005158662A - Fuel cell system - Google Patents

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Keiji Okada
圭司 岡田
Susumu Maejima
晋 前嶋
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent a reactant gas from passing through a separator and being mixed into deionized water. <P>SOLUTION: When a controller 2 detects a reactant gas mixing into deionized water for humidification in a fuel cell stack 1 during it generates electricity, the controller 2 reduces the temperature of the fuel cell stack 1. At this time, the controller 2 controls a pump 3 for supplying air and a pump 5 for supplying hydrogen so that the flow rate of the reactant gas supplied to the fuel cell stack 1 is reduced, narrows an opening of a valve 11 for controlling the flow rate of the deionized water, and regulates a pump 8 for circulating the cooling water so that the amount of cooling water is increased. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池を発電させる時に、反応ガスを供給して燃料電池を発電させると共に、加湿用純水を燃料電池内に循環させて燃料電池を加湿させる燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system in which when a fuel cell is generated, a reaction gas is supplied to generate the fuel cell, and humidified pure water is circulated in the fuel cell to humidify the fuel cell.

従来より、複数の燃料電池セルからなる燃料電池スタックに、燃料ガス及び酸化剤ガスのみならず加湿用純水を供給することにより、燃料電池スタック内部の電解質膜を加湿しながら発電させる燃料電池システムが知られている。このような燃料電池システムは、純水チャンネルを有した多孔質タイプのセパレータ(WPT)により、各燃料電池セルを区分した燃料電池スタックを使用している(例えば下記の特許文献1参照)。
US6248462
Conventionally, a fuel cell system that generates electricity while humidifying an electrolyte membrane inside a fuel cell stack by supplying not only fuel gas and oxidant gas but also pure water for humidification to a fuel cell stack composed of a plurality of fuel cells. It has been known. Such a fuel cell system uses a fuel cell stack in which each fuel cell is divided by a porous separator (WPT) having a pure water channel (see, for example, Patent Document 1 below).
US6248462

しかしながら、上述した従来の燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスの反応ガスと加湿用純水とをWRTの微小孔内の純水によってシールしていたので、燃料電池スタックの運転条件によっては反応ガスがWRT内の純水を通過して、純水中に混入するという問題点があった。   However, since the conventional fuel cell system described above seals the reaction gas of the fuel gas and the oxidant gas and the pure water for humidification with the pure water in the minute holes of the WRT, depending on the operating conditions of the fuel cell stack. There is a problem that the reaction gas passes through the pure water in the WRT and is mixed into the pure water.

そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、反応ガスがセパレータを通過して純水中に混入することを抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been proposed in view of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of suppressing reaction gas from passing through a separator and mixing into pure water. To do.

本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスからなる反応ガスが反応ガス流路に供給されることにより発電する複数の燃料電池セルと、各燃料電池セル間に設けられ各燃料電池セルを加湿させる加湿用純水流路を備える複数の多孔質セパレータとを備えた燃料電池と、燃料電池の反応ガス流路に反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、多孔質セパレータの加湿用純水流路に加湿用純水を循環させる純水循環手段と、燃料電池内に冷却媒体を循環させる冷却媒体循環手段とを備える。   A fuel cell system according to the present invention includes a plurality of fuel cells that generate power when a reaction gas comprising a fuel gas and an oxidant gas is supplied to a reaction gas flow path, and each fuel cell provided between the fuel cells. A fuel cell comprising a plurality of porous separators having a humidified pure water flow path for humidifying the cells, a reaction gas supply means for supplying a reaction gas to a reaction gas flow path of the fuel cell, and a pure water for humidifying the porous separator Pure water circulation means for circulating the humidified pure water in the water flow path and cooling medium circulation means for circulating the cooling medium in the fuel cell are provided.

このような燃料電池システムにおいて燃料電池を発電させている時に、制御手段は、反応ガスが多孔質セパレータを通過して加湿用純水に混入したと判断した場合に、燃料電池の温度を低下させることにより、上述の課題を解決する。   When the fuel cell is generating power in such a fuel cell system, the control means reduces the temperature of the fuel cell when it is determined that the reaction gas has passed through the porous separator and has been mixed into the pure water for humidification. This solves the above-mentioned problem.

また、本発明に係る他の燃料電池システムは、制御手段により、反応ガスが多孔質セパレータを通過して加湿用純水に混入したと判断した場合に、反応ガス流路内の反応ガス圧力と、前記加湿用純水流路内の加湿用純水圧力との差圧を減少させることにより、上述の課題を解決する。   Further, in another fuel cell system according to the present invention, when the control means determines that the reaction gas has passed through the porous separator and has been mixed into the pure water for humidification, the reaction gas pressure in the reaction gas flow path and The above-mentioned problems are solved by reducing the differential pressure from the humidifying pure water pressure in the humidifying pure water flow path.

本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池を発電させている時に、反応ガスが多孔質セパレータを通過して加湿用純水中に混入したと判断した場合に、燃料電池の温度を低下させるので、多孔質セパレータ内の純水の蒸発量を減らすことができる。したがって、この燃料電池システムによれば、純水が蒸発することによる反応ガス流路内の圧力上昇を抑制して、多孔質セパレータの純水流路に反応ガスが侵入することを抑制することができる。   According to the fuel cell system of the present invention, the temperature of the fuel cell is decreased when it is determined that the reaction gas has passed through the porous separator and mixed into the humidified pure water when the fuel cell is generating power. Therefore, the evaporation amount of pure water in the porous separator can be reduced. Therefore, according to this fuel cell system, it is possible to suppress an increase in pressure in the reaction gas channel due to evaporation of pure water, and to prevent the reaction gas from entering the pure water channel of the porous separator. .

また、本発明に係る他の燃料電池システムによれば、燃料電池を発電させている時に、反応ガスが多孔質セパレータを通過して加湿用純水中に混入したと判断した場合に、反応ガス流路内の反応ガス圧力と、加湿用純水流路内の加湿用純水圧力との差圧を減少させるので、反応ガスが加湿用純水流路を通過することを抑制して、多孔質セパレータの純水流路に反応ガスが侵入することを抑制することができる。   Further, according to another fuel cell system according to the present invention, when it is determined that the reaction gas passes through the porous separator and is mixed into the humidified pure water when the fuel cell is generating electric power, Since the pressure difference between the reaction gas pressure in the flow path and the humidification pure water pressure in the humidification pure water flow path is reduced, it is possible to prevent the reaction gas from passing through the humidification pure water flow path, The reaction gas can be prevented from entering the pure water flow path.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

本発明は、例えば図1に示すように構成された燃料電池システムに適用される。   The present invention is applied to a fuel cell system configured as shown in FIG. 1, for example.

[燃料電池システムの構成]
この燃料電池システムは、図1に示すように、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることにより発電する燃料電池スタック1を備える。この燃料電池スタック1は、固体高分子電解質膜を挟んで空気極と水素極とを対設した燃料電池セル構造体をセパレータで挟持し、セル構造体を複数積層して構成されている。このような燃料電池スタック1は、水素極に水素ガス流路を備えると共に、空気極に空気流路を備える。なお、以下の説明では、水素ガス流路及び空気流路を総称して反応ガス流路と呼ぶ。本例においては、燃料電池スタック1が発電反応を発生させるための燃料ガスとして水素ガスを水素極に供給すると共に、酸化剤ガスとして酸素を含む空気を空気極に供給する燃料電池システムについて説明する。
[Configuration of fuel cell system]
As shown in FIG. 1, the fuel cell system includes a fuel cell stack 1 that generates electric power when supplied with a fuel gas and an oxidant gas. This fuel cell stack 1 is configured by sandwiching a fuel cell structure having an air electrode and a hydrogen electrode facing each other with a solid polymer electrolyte membrane interposed between separators, and laminating a plurality of cell structures. Such a fuel cell stack 1 includes a hydrogen gas flow path at the hydrogen electrode and an air flow path at the air electrode. In the following description, the hydrogen gas channel and the air channel are collectively referred to as a reaction gas channel. In this example, a fuel cell system that supplies hydrogen gas to the hydrogen electrode as a fuel gas for causing the fuel cell stack 1 to generate a power generation reaction and supplies air containing oxygen as an oxidant gas to the air electrode will be described. .

この燃料電池スタック1は、特に図示しないが、固体高分子電解質膜を加湿させる加湿用純水が循環される多孔質セパレータ(ポーラスセパレータ:WTP)によって、各燃料電池セルを区分している。この多孔質セパレータは、一方面が隣接する燃料電池セルと接触し、他方面に加湿用純水循環流路が設けられており、当該加湿用純水循環流路の多孔質面と燃料電池スタック1内の反応ガス流路と接触させている。これにより、燃料電池スタック1は、加湿用純水が供給されることにより、多孔質セパレータの多孔質面を加湿用純水で満たして、当該加湿用純水によって燃料電池スタック1に供給される反応ガス(空気、水素)を加湿させて、固体高分子電解質膜を加湿させる。   In the fuel cell stack 1, although not shown in the drawing, each fuel cell is divided by a porous separator (porous separator: WTP) in which humidifying pure water for humidifying the solid polymer electrolyte membrane is circulated. This porous separator has one surface in contact with the adjacent fuel cell, and the other surface is provided with a humidified pure water circulation channel. The porous surface of the humidified pure water circulation channel and the fuel cell stack It is made to contact with the reaction gas flow path in 1. As a result, the fuel cell stack 1 is supplied with humidified pure water, so that the porous surface of the porous separator is filled with the humidified pure water, and is supplied to the fuel cell stack 1 with the humidified pure water. The reaction gas (air, hydrogen) is humidified to humidify the solid polymer electrolyte membrane.

この燃料電池システムは、燃料電池スタック1を発電させるに際して、水素極に加湿した水素ガスを供給すると共に、空気極に加湿した空気を供給し、更には、燃料電池スタック1を冷却して所定温度範囲に保持する冷却水を循環させると共に、燃料電池スタック1内の固体高分子電解質膜を加湿させるための加湿用純水を循環させる。このとき、燃料電池システムは、コントローラ2によって後述する各部を制御する。   When the fuel cell stack 1 generates power, the fuel cell system supplies humidified hydrogen gas to the hydrogen electrode, supplies humidified air to the air electrode, and further cools the fuel cell stack 1 to a predetermined temperature. While circulating the cooling water held in the range, pure water for humidification for humidifying the solid polymer electrolyte membrane in the fuel cell stack 1 is circulated. At this time, the fuel cell system controls each part to be described later by the controller 2.

空気は、大気を空気供給用ポンプ3により加圧され、例えば空気加湿器にて加湿された後、空気供給配管L1を介して燃料電池スタック1の空気極へ供給される。このとき、コントローラ2は、空気供給用ポンプ3と接続されたモータの回転数を制御すると共に、空気極の空気排出側に設けられた空気調圧弁(図示せず)の開度を制御することにより空気極に供給する空気流量及び空気圧力を調整する。   The air is pressurized by the air supply pump 3 and is humidified by, for example, an air humidifier, and then supplied to the air electrode of the fuel cell stack 1 via the air supply pipe L1. At this time, the controller 2 controls the rotation speed of a motor connected to the air supply pump 3 and also controls the opening degree of an air pressure regulating valve (not shown) provided on the air discharge side of the air electrode. To adjust the air flow rate and air pressure supplied to the air electrode.

水素は、水素タンク4に貯蔵された状態から水素供給用ポンプ5に取り込まれ、水素供給配管L2を介して燃料電池スタック1の水素極に供給される。また、水素極から排出された未使用の水素は、通常、再度水素極に循環される。このとき、コントローラ2は、例えば水素調圧弁の開度を制御して、水素極に供給する水素圧力を調整する。   Hydrogen is taken into the hydrogen supply pump 5 from the state stored in the hydrogen tank 4 and supplied to the hydrogen electrode of the fuel cell stack 1 via the hydrogen supply pipe L2. Further, unused hydrogen discharged from the hydrogen electrode is normally circulated again to the hydrogen electrode. At this time, the controller 2 adjusts the hydrogen pressure supplied to the hydrogen electrode, for example, by controlling the opening of the hydrogen pressure regulating valve.

冷却水は、ラジエータ6及び送風ファン7によって冷却され、冷却水循環用ポンプ8によって取り込まれ、冷却水循環流路L3を介して燃料電池スタック1に供給される。そして、この冷却水は、燃料電池スタック1が発電することにより発生する熱を吸収して、ラジエータ6に向かって燃料電池スタック1から排出される。このとき、コントローラ2は、送風ファン7の回転数を制御することによりラジエータ6の冷却能力を調整し、冷却水循環用ポンプ8の吐出量を制御することにより冷却水の循環量を制御する。これにより、燃料電池システムは、燃料電池スタック1の温度を調整する。   The cooling water is cooled by the radiator 6 and the blower fan 7, is taken in by the cooling water circulation pump 8, and is supplied to the fuel cell stack 1 through the cooling water circulation passage L3. The cooling water absorbs heat generated by the power generation by the fuel cell stack 1 and is discharged from the fuel cell stack 1 toward the radiator 6. At this time, the controller 2 adjusts the cooling capacity of the radiator 6 by controlling the rotational speed of the blower fan 7 and controls the circulation amount of the cooling water by controlling the discharge amount of the cooling water circulation pump 8. Thereby, the fuel cell system adjusts the temperature of the fuel cell stack 1.

加湿用純水は、純水タンク9に貯蔵された状態から、純水循環用ポンプ10に取り込まれ、純水循環流路L4を介して燃料電池スタック1に供給される。そして、燃料電池スタック1に供給された加湿用純水は、多孔質セパレータの多孔質面を水分で満たし、反応ガスを加湿させて、燃料電池スタック1から純水循環流路L4及び純水流量制御弁11を介して純水タンク9に戻される。このとき、コントローラ2は、純水循環用ポンプ10の純水吐出量を制御することにより、燃料電池スタック1に供給する加湿用純水量を制御し、純水流量制御弁11と接続されたアクチュエータ12を制御することにより、純水流量制御弁11の開度を調整して、燃料電池スタック1内の加湿用純水圧力を調整する。   The humidified pure water is taken into the pure water circulation pump 10 from the state stored in the pure water tank 9 and supplied to the fuel cell stack 1 through the pure water circulation flow path L4. The pure water for humidification supplied to the fuel cell stack 1 fills the porous surface of the porous separator with moisture and humidifies the reaction gas, so that the pure water circulation channel L4 and the pure water flow rate from the fuel cell stack 1 are supplied. The water is returned to the pure water tank 9 through the control valve 11. At this time, the controller 2 controls the amount of pure water for humidification supplied to the fuel cell stack 1 by controlling the amount of pure water discharged from the pure water circulation pump 10, and an actuator connected to the pure water flow rate control valve 11. 12 is adjusted to adjust the opening degree of the pure water flow rate control valve 11 to adjust the pure water pressure for humidification in the fuel cell stack 1.

このような燃料電池システムにおいて、コントローラ2は、燃料電池スタック1を発電させているときに、反応ガスが多孔質セパレータを通過して加湿用純水に混入することを抑制する制御処理を行う。   In such a fuel cell system, the controller 2 performs a control process for suppressing the reaction gas from passing through the porous separator and mixing into the humidifying pure water when the fuel cell stack 1 is generating power.

また、この燃料電池システムは、コントローラ2により各部の状態を認識するために、各種センサを備える。具体的には、燃料電池システムは、燃料電池スタック1内の空気圧力及び水素ガス圧力を検出する反応ガス圧力センサ、燃料電池スタック1内の純水圧力を検出する純水圧力センサ、燃料電池スタック1内の冷却水圧力を検出する冷却水圧力センサ、加湿用純水中の水素濃度を検出する水素濃度センサ、燃料電池セルの出力電圧を検出するセル電圧センサ等を備えている。このような各種センサは、その検出値がコントローラ2により読み込まれる。   In addition, this fuel cell system includes various sensors so that the controller 2 recognizes the state of each part. Specifically, the fuel cell system includes a reaction gas pressure sensor that detects air pressure and hydrogen gas pressure in the fuel cell stack 1, a pure water pressure sensor that detects pure water pressure in the fuel cell stack 1, and a fuel cell stack. 1 is provided with a cooling water pressure sensor for detecting the cooling water pressure in 1, a hydrogen concentration sensor for detecting the hydrogen concentration in the pure water for humidification, a cell voltage sensor for detecting the output voltage of the fuel cell, and the like. The detection values of these various sensors are read by the controller 2.

[燃料電池システムの動作]
つぎに、上述したように構成された燃料電池システムの動作について図2のフローチャートを参照して説明する。なお、この図2に示す動作は、燃料電池スタック1を発電させるために反応ガス、加湿用純水及び冷却水を燃料電池スタック1内に供給している時に、コントローラ2により、所定期間毎に行われる。
[Operation of fuel cell system]
Next, the operation of the fuel cell system configured as described above will be described with reference to the flowchart of FIG. The operation shown in FIG. 2 is performed at predetermined intervals by the controller 2 when the reaction gas, the pure water for humidification, and the cooling water are supplied into the fuel cell stack 1 to generate power. Done.

先ずステップS1においては、コントローラ2により、燃料電池スタック1内で反応ガスが多孔質セパレータを通過して加湿用純水に混入しているか否かを判定する。このとき、コントローラ2は、例えば、燃料電池スタック1の純水出口の純水循環流路L4に設けられた水素濃度センサ或いは純水タンク9内の水素濃度センサからのセンサ信号を読み込んで、水素濃度が所定濃度以上であると判定した場合に反応ガスが加湿用純水に混入していると判定しても良い。また、コントローラ2は、セル電圧センサからのセンサ信号を読み込んで、セル電圧が所定電圧以下であると判定した場合に反応ガスが加湿用純水中に混入していると判定しても良い。   First, in step S1, the controller 2 determines whether or not the reaction gas passes through the porous separator in the fuel cell stack 1 and is mixed with the pure water for humidification. At this time, the controller 2 reads, for example, a sensor signal from a hydrogen concentration sensor provided in the pure water circulation passage L4 at the pure water outlet of the fuel cell stack 1 or a hydrogen concentration sensor in the pure water tank 9, When it is determined that the concentration is equal to or higher than the predetermined concentration, it may be determined that the reaction gas is mixed in the humidifying pure water. Further, the controller 2 may read the sensor signal from the cell voltage sensor and determine that the reaction gas is mixed in the humidified pure water when it is determined that the cell voltage is equal to or lower than the predetermined voltage.

そして、コントローラ2は、反応ガスが加湿用純水中に混入していると判定した場合にはステップS2に処理を進め、反応ガスが加湿用純水中に混入していないと判定した場合には、ステップS7に処理を進めて反応ガスが加湿用純水中に混入することを抑制する動作をしない通常運転を継続するとして処理を終了する。   When the controller 2 determines that the reaction gas is mixed in the humidified pure water, the controller 2 proceeds to step S2, and when it is determined that the reaction gas is not mixed in the humidified pure water. Advances the process to step S7 and terminates the process on the assumption that the normal operation that does not suppress the reaction gas from being mixed into the humidified pure water is continued.

ステップS2においては、コントローラ2により、燃料電池スタック1内の加湿用純水の圧力と予め設定しておいた所定値とを比較して、加湿用純水圧力が所定値よりも高いか否かを判定する。これにより、燃料電池スタック1内において反応ガス圧力が加湿用純水圧力よりも高い状況であって、反応ガス流路から、多孔質セパレータの加湿用純水流路に反応ガスが侵入しやすい状況であるか否かを判定する。   In step S2, the controller 2 compares the pressure of the humidified pure water in the fuel cell stack 1 with a predetermined value set in advance, and determines whether or not the humidified pure water pressure is higher than the predetermined value. Determine. As a result, the reaction gas pressure is higher than the humidifying pure water pressure in the fuel cell stack 1, and the reaction gas easily enters the humidifying pure water passage of the porous separator from the reaction gas passage. It is determined whether or not there is.

ここで、ステップS2の所定値は、加湿用純水圧力と、反応ガス圧力及び冷却水圧力との間での差圧が大きくなることによる燃料電池スタック1の劣化等が発生しない加湿用純水の上限圧力から、当該上限圧力に加湿用純水圧力が達しないことを保証するために別途設定される余裕代の圧力値を差し引いた値に設定される。   Here, the predetermined value in step S2 is the pure water for humidification that does not cause deterioration of the fuel cell stack 1 due to an increase in the differential pressure between the pure water pressure for humidification, the reaction gas pressure, and the cooling water pressure. Is set to a value obtained by subtracting a marginal pressure value set separately to ensure that the humidifying pure water pressure does not reach the upper limit pressure.

そして、コントローラ2は、加湿用純水圧力が所定値よりも高いと判定した場合にはステップS3に処理を進め、加湿用純水圧力が所定値よりも高くないと判定した場合にはステップS4に処理を進める。   When the controller 2 determines that the humidifying pure water pressure is higher than the predetermined value, the controller 2 proceeds to step S3. When the controller 2 determines that the humidifying pure water pressure is not higher than the predetermined value, step S4 is performed. Proceed with the process.

ステップS3においては、コントローラ2により、ステップS2で加湿用純水圧力が所定値よりも高いと判定されたために、加湿用純水圧力を増加させることができないために、燃料電池スタック1に供給する反応ガスの流量を低下させる。このとき、コントローラ2は、空気供給用ポンプ3及び水素供給用ポンプ5の駆動量を低下させる制御を行う。   In step S3, the controller 2 determines that the humidifying pure water pressure is higher than the predetermined value in step S2, and therefore the humidifying pure water pressure cannot be increased, and is supplied to the fuel cell stack 1. Reduce the flow rate of the reaction gas. At this time, the controller 2 performs control to reduce the drive amounts of the air supply pump 3 and the hydrogen supply pump 5.

このように燃料電池スタック1に供給する反応ガス流量を低下させると、燃料電池スタック1の発電量が低下することにより発熱量が低下し、燃料電池スタック1の温度が低下する。これにより、燃料電池スタック1内の反応ガス流路における加湿用純水の蒸発量を低下させ、反応ガスに含まれる水蒸気分圧を低下させて反応ガス圧力を低下させる。このように反応ガス圧力が低下すると、ステップS1にて反応ガスが加湿用純水中に混入するような、反応ガス圧力が加湿用純水圧力よりも高い状況から、加湿用純水圧力と反応ガス圧力の差圧を低下させる状況となる。   When the flow rate of the reaction gas supplied to the fuel cell stack 1 is reduced in this way, the amount of power generated by the fuel cell stack 1 is reduced, so that the heat generation amount is reduced and the temperature of the fuel cell stack 1 is reduced. Thereby, the evaporation amount of the pure water for humidification in the reaction gas flow path in the fuel cell stack 1 is decreased, the partial pressure of water vapor contained in the reaction gas is decreased, and the reaction gas pressure is decreased. When the reaction gas pressure is reduced in this way, the reaction with the humidified pure water pressure and the reaction from the situation where the reaction gas pressure is higher than the humidifying pure water pressure such that the reaction gas is mixed into the humidifying pure water in step S1. It becomes the situation where the differential pressure of the gas pressure is lowered.

したがって、このステップS3では、反応ガス流量を低下させることにより、反応ガスが加湿用純水流路に与える圧力を低下させ、多孔質セパレータの多孔質面に純水が満たされる状況となり、多孔質セパレータの水シール能力を高くする。なお、このステップS3において、コントローラ2は、反応ガス流量を低下させることによる燃料電池スタック1の出力低下分に相当する電力を2次バッテリ(図示せず)等から各部に供給して補うようにする。   Therefore, in this step S3, by reducing the reaction gas flow rate, the pressure applied to the humidification pure water flow path by the reaction gas is reduced, and the porous surface of the porous separator is filled with pure water. Increase the water sealing ability. In step S3, the controller 2 compensates by supplying electric power corresponding to the output reduction of the fuel cell stack 1 by reducing the reaction gas flow rate from a secondary battery (not shown) to each part. To do.

一方、ステップS2で加湿用純水圧力が所定値よりも高くないと判定された後のステップS4においては、冷却水循環流路L3を循環させている冷却水圧力と予め設定しておいた所定値とを比較して、冷却水圧力が所定値よりも高いか否かを判定する。ここで、ステップS4の所定値は、冷却水圧力と、反応ガス圧力及び加湿用純水圧力との間での差圧が大きくなることによる燃料電池スタック1の劣化等が発生しない冷却水の上限圧力から、当該上限圧力に冷却水圧力が達しないことを保証するために別途設定される余裕代の圧力値を差し引いた値に設定される。   On the other hand, in step S4 after it is determined in step S2 that the pure water pressure for humidification is not higher than a predetermined value, the cooling water pressure circulating through the cooling water circulation passage L3 and a predetermined value set in advance. To determine whether or not the cooling water pressure is higher than a predetermined value. Here, the predetermined value in step S4 is the upper limit of the cooling water that does not cause deterioration of the fuel cell stack 1 due to an increase in the differential pressure between the cooling water pressure, the reaction gas pressure, and the humidifying pure water pressure. The pressure is set to a value obtained by subtracting a pressure value of a margin that is separately set to ensure that the cooling water pressure does not reach the upper limit pressure.

そして、コントローラ2は、冷却水圧力が所定値よりも高いと判定した場合には、冷却水流量をこれ以上高くすることができないため、ステップS5に処理を進め、ステップS5において、純水流量制御弁11の開度を小さくする。このとき、コントローラ2は、加湿用純水圧力と反応ガス圧力との差圧が多孔質セパレータの多孔質面に純水を満たすことのできる値となるように純水流量制御弁11の開度を設定する。これにより、多孔質セパレータの純水流路内の加湿用純水圧力が上昇し、多孔質セパレータの多孔質面に純水を満たし、多孔質セパレータの水シール能力を再生する。   When the controller 2 determines that the cooling water pressure is higher than the predetermined value, the controller 2 cannot proceed to step S5 because the cooling water flow rate cannot be increased any more. In step S5, the pure water flow rate control is performed. The opening degree of the valve 11 is reduced. At this time, the controller 2 opens the opening of the pure water flow control valve 11 so that the differential pressure between the humidifying pure water pressure and the reaction gas pressure becomes a value that can fill the porous surface of the porous separator with pure water. Set. This increases the pure water pressure for humidification in the pure water flow path of the porous separator, fills the porous surface of the porous separator with pure water, and regenerates the water sealing ability of the porous separator.

一方、ステップS4で冷却水圧力が所定値よりも高くないと判定した後のステップS6においては、コントローラ2により、純水流量制御弁11の開度を小さくすると共に、冷却水循環用ポンプ8の回転数を上昇させることで冷却水流量を増加させて冷却水圧力を上昇させる。これにより、多孔質セパレータの多孔質面に純水を満たすと共に、燃料電池スタックの温度を低下させて加湿用純水の蒸発量を減らして多孔質セパレータの水シール能力を再生する。   On the other hand, in step S6 after determining that the cooling water pressure is not higher than the predetermined value in step S4, the controller 2 reduces the opening of the pure water flow rate control valve 11 and rotates the cooling water circulation pump 8. The cooling water pressure is increased by increasing the cooling water flow rate by increasing the number. As a result, the porous surface of the porous separator is filled with pure water, and the temperature of the fuel cell stack is lowered to reduce the evaporation amount of the pure water for humidification, thereby regenerating the water sealing ability of the porous separator.

[実施形態の効果]
以上詳細に説明したように、本発明を適用した第1実施形態に係る燃料電池システムによれば、燃料電池スタック1の運転中に反応ガスが多孔質セパレータの多孔質面を通過して加湿用純水中に混入したと判断した場合に、燃料電池スタック1の温度を低下させるので、多孔質セパレータ内の純水の蒸発量を減らすことができる。したがって、この燃料電池システムによれば、純水が蒸発することによる反応ガス流路内の圧力上昇を抑制して、多孔質セパレータの純水流路に反応ガスが侵入することを抑制することができ、多孔質セパレータの水シール性能を上昇させることができる。
[Effect of the embodiment]
As described above in detail, according to the fuel cell system according to the first embodiment to which the present invention is applied, during the operation of the fuel cell stack 1, the reaction gas passes through the porous surface of the porous separator for humidification. When it is determined that it has been mixed in pure water, the temperature of the fuel cell stack 1 is lowered, so that the amount of pure water evaporated in the porous separator can be reduced. Therefore, according to this fuel cell system, it is possible to suppress an increase in pressure in the reaction gas flow path due to evaporation of pure water, and to prevent the reaction gas from entering the pure water flow path of the porous separator. The water sealing performance of the porous separator can be increased.

また、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック1の運転中に反応ガスが多孔質セパレータの多孔質面を通過して加湿用純水中に混入したと判断した場合に、燃料電池スタック1の出力を低下させることにより燃料電池スタック1の温度を低下させることができるので、冷却水流量や冷却水温度に拘わらず燃料電池スタック1の温度を低下させることができ、確実に反応ガスが加湿用純水中に侵入することを抑制することができる。   Further, according to this fuel cell system, when it is determined that the reaction gas has passed through the porous surface of the porous separator during operation of the fuel cell stack 1 and mixed into the pure water for humidification, the fuel cell stack 1 Therefore, the temperature of the fuel cell stack 1 can be lowered regardless of the coolant flow rate or the coolant temperature, and the reaction gas is reliably humidified. It is possible to suppress entry into the pure water.

更に、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック1の運転中に反応ガスが多孔質セパレータの多孔質面を通過して加湿用純水中に混入したと判断した場合に、冷却水流量を増加させるので、短時間で燃料電池スタック1の温度を低下させて、迅速に反応ガスが加湿用純水中に侵入することを抑制することができる。   Further, according to this fuel cell system, when it is determined that the reaction gas has passed through the porous surface of the porous separator during operation of the fuel cell stack 1 and mixed into the humidified pure water, the cooling water flow rate is reduced. Since it is increased, the temperature of the fuel cell stack 1 can be lowered in a short time, and the rapid entry of the reaction gas into the humidified pure water can be suppressed.

更にまた、この燃料電池システムによれば、反応ガスが多孔質セパレータの多孔質面を通過して加湿用純水中に混入したと判断した場合に、加湿用純水圧力と反応ガス圧力との差圧を小さくすることができ、多孔質セパレータの多孔質面を純水で満たして、多孔質セパレータの水シール性能を上昇させることができる。   Furthermore, according to this fuel cell system, when it is determined that the reactive gas has passed through the porous surface of the porous separator and has been mixed into the humidified pure water, the humidified pure water pressure and the reactive gas pressure are reduced. The differential pressure can be reduced, and the porous surface of the porous separator can be filled with pure water to improve the water sealing performance of the porous separator.

更にまた、この燃料電池システムによれば、反応ガスが多孔質セパレータの多孔質面を通過して加湿用純水中に混入したと判断した場合に、反応ガス流量を低下させて燃料電池スタック1内の反応ガス圧力を低下させることができるので、加湿用純水圧力と反応ガス圧力との差圧を小さくすることができ、多孔質セパレータの多孔質面を純水で満たして、確実に多孔質セパレータの水シール性能を上昇させることができる。   Furthermore, according to this fuel cell system, when it is determined that the reaction gas has passed through the porous surface of the porous separator and has been mixed into the pure water for humidification, the flow rate of the reaction gas is decreased and the fuel cell stack 1 The pressure of the reaction gas inside can be reduced, so that the differential pressure between the pure water pressure for humidification and the reaction gas pressure can be reduced, and the porous surface of the porous separator is filled with pure water to ensure that it is porous. The water seal performance of the quality separator can be increased.

更にまた、この燃料電池システムによれば、反応ガスが多孔質セパレータの多孔質面を通過して加湿用純水中に混入したと判断した場合に、純水流量制御弁11の開度を低下させて加湿用純水圧力を高くするので、加湿用純水圧力と反応ガス圧力との差圧を小さくすることができ、多孔質セパレータの多孔質面を純水で満たして、多孔質セパレータの水シール性能を上昇させることができる。   Furthermore, according to this fuel cell system, when it is determined that the reaction gas has passed through the porous surface of the porous separator and mixed into the humidified pure water, the opening degree of the pure water flow control valve 11 is reduced. The pressure of the pure water for humidification is increased to reduce the differential pressure between the pure water pressure for humidification and the reaction gas pressure, and the porous surface of the porous separator is filled with pure water. Water seal performance can be increased.

なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。   The above-described embodiment is an example of the present invention. For this reason, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made depending on the design and the like as long as the technical idea according to the present invention is not deviated from this embodiment. Of course, it is possible to change.

本発明を適用した燃料電池システムの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the fuel cell system to which this invention is applied. 本発明を適用した燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining operation | movement of the fuel cell system to which this invention is applied.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池スタック
2 コントローラ
3 空気供給用ポンプ
4 水素タンク
5 水素供給用ポンプ
6 ラジエータ
7 送風ファン
8 冷却水循環用ポンプ
9 純水タンク
10 純水循環用ポンプ
11 純水流量制御弁
L1 空気供給配管
L2 水素供給配管
L3 冷却水循環流路
L4 純水循環流路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell stack 2 Controller 3 Air supply pump 4 Hydrogen tank 5 Hydrogen supply pump 6 Radiator 7 Blower fan 8 Cooling water circulation pump 9 Pure water tank 10 Pure water circulation pump 11 Pure water flow control valve L1 Air supply piping L2 Hydrogen supply piping L3 Cooling water circulation channel L4 Pure water circulation channel

Claims (6)

燃料ガス及び酸化剤ガスからなる反応ガスが反応ガス流路に供給されることにより発電する複数の燃料電池セルと、各燃料電池セル間に設けられ各燃料電池セルを加湿させる加湿用純水流路を備える複数の多孔質セパレータとを備えた燃料電池と、
前記燃料電池の反応ガス流路に反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、
前記多孔質セパレータの加湿用純水流路に加湿用純水を循環させる純水循環手段と、
前記燃料電池内に冷却媒体を循環させる冷却媒体循環手段と、
前記反応ガスが前記多孔質セパレータを通過して前記加湿用純水に混入したと判断した場合に、前記燃料電池の温度を低下させる制御手段と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
A plurality of fuel cells that generate power by supplying a reaction gas comprising a fuel gas and an oxidant gas to the reaction gas channel, and a pure water channel for humidification provided between the fuel cells to humidify each fuel cell A fuel cell comprising a plurality of porous separators comprising:
Reactive gas supply means for supplying a reactive gas to the reactive gas flow path of the fuel cell;
Pure water circulation means for circulating the pure water for humidification through the pure water flow path for humidification of the porous separator;
A cooling medium circulating means for circulating a cooling medium in the fuel cell;
And a control means for lowering the temperature of the fuel cell when it is determined that the reaction gas has passed through the porous separator and mixed into the humidified pure water.
前記制御手段は、前記反応ガスが前記多孔質セパレータを通過して前記加湿用純水に混入したと判断した場合に、前記燃料電池の出力を低下させることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。   The said control means reduces the output of the said fuel cell, when it is judged that the said reaction gas passed through the said porous separator and mixed in the said pure water for humidification. Fuel cell system. 前記制御手段は、前記反応ガスが前記多孔質セパレータを通過して前記加湿用純水に混入したと判断した場合に、前記燃料電池内に循環させる冷却媒体の流量を増加させるように前記冷却媒体循環手段を制御することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。   When the control means determines that the reaction gas has passed through the porous separator and has been mixed into the humidified pure water, the control unit increases the flow rate of the cooling medium circulated in the fuel cell. The fuel cell system according to claim 1, wherein the circulation means is controlled. 燃料ガス及び酸化剤ガスからなる反応ガスが反応ガス流路に供給されることにより発電する複数の燃料電池セルと、各燃料電池セル間に設けられ各燃料電池セルを加湿させる加湿用純水流路を備える複数の多孔質セパレータとを備えた燃料電池と、
前記燃料電池の反応ガス流路に反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、
前記多孔質セパレータの加湿用純水流路に加湿用純水を循環させる純水循環手段と、
前記燃料電池内に冷却媒体を循環させる冷却媒体循環手段と、
前記反応ガスが前記多孔質セパレータを通過して前記加湿用純水に混入したと判断した場合に、前記反応ガス流路内の反応ガス圧力と、前記加湿用純水流路内の加湿用純水圧力との差圧を減少させる制御手段と
を備えることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
A plurality of fuel cells that generate power by supplying a reaction gas comprising a fuel gas and an oxidant gas to the reaction gas channel, and a pure water channel for humidification provided between the fuel cells to humidify each fuel cell A fuel cell comprising a plurality of porous separators comprising:
Reactive gas supply means for supplying a reactive gas to the reactive gas flow path of the fuel cell;
Pure water circulation means for circulating the pure water for humidification through the pure water flow path for humidification of the porous separator;
A cooling medium circulating means for circulating a cooling medium in the fuel cell;
When it is determined that the reaction gas has passed through the porous separator and mixed into the humidified pure water, the reaction gas pressure in the reaction gas channel and the humidified pure water in the humidification pure water channel The fuel cell system according to claim 1, further comprising: a control unit that reduces a differential pressure from the pressure.
前記制御手段は、前記反応ガス圧力を低下させるように前記反応ガス供給手段を制御することを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 4, wherein the control unit controls the reaction gas supply unit so as to reduce the reaction gas pressure. 前記加湿用純水循環手段は、前記多孔質セパレータの加湿用純水流路の純水出口側の純水配管に設けられた弁を備え、
前記制御手段は、前記弁の開度を小さくして、前記加湿用純水流路内の加湿用純水圧力を高くすることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システム。
The humidifying pure water circulation means includes a valve provided in a pure water pipe on the pure water outlet side of the humidifying pure water flow path of the porous separator,
5. The fuel cell system according to claim 4, wherein the control unit decreases the opening degree of the valve to increase the humidifying pure water pressure in the humidifying pure water flow path.
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