JP2005209573A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To make high speed and uniform warming up of a fuel cell compatible with power generation efficiency in a fuel cell system. <P>SOLUTION: An anode passage 113 through which supply gas to an anode 112 flows and a cathode passage 115 through which supply gas to a cathode flows are installed in parallel or almost in parallel. During power generation of the fuel cell 110, flow of gas in the anode passage 113 and flow of gas in the cathode passage 115 are made opposite, and in the warming up of the fuel cell 110, flow of gas in the anode passage 113 and flow of gas in the cathode passage 115 are made parallel. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、アノードへの燃料ガスの供給とカソードへの酸化ガスの供給とにより発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに関し、特に、アノードに高温ガスを供給することで燃料電池を暖機する暖機機能を有する燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates electricity by supplying a fuel gas to an anode and supplying an oxidizing gas to a cathode, and in particular, warms up the fuel cell by supplying a high-temperature gas to the anode. The present invention relates to a fuel cell system having a warm-up function.

一般的な燃料電池は、水素イオンを透過する電解質を挟んで一対の電極が配置された構造を有し、アノードに水素を含む燃料ガスが供給され、カソードに酸素を含む酸化ガスが供給されることで、両電極で電気化学反応が起こり、起電力が発生する仕組みになっている。   A general fuel cell has a structure in which a pair of electrodes are arranged with an electrolyte that permeates hydrogen ions, a fuel gas containing hydrogen is supplied to the anode, and an oxidizing gas containing oxygen is supplied to the cathode. Thus, an electrochemical reaction occurs in both electrodes, and an electromotive force is generated.

燃料電池には、十分な電池性能が得られるための作動温度があり、この作動温度は電解質膜の種類によって決まる。例えば、固体高分子型(PEM)では約80℃、リン酸型(PAFC)では約200℃、溶融炭酸塩型(MCFC)では600〜800℃、固体酸化物型(SOFC)では800〜1000℃が作動温度となる。また、本出願人が先願(特願2003−064478、特願2003−072994、特願2003−204734)で提案している水素分離膜型(HMFC)では400〜600℃が作動温度となる。なお、この水素分離膜型燃料電池は、具体的には、水素分離膜(例えばバナジウム上にパラジウムが積層された膜)がプロトン伝導性材料(例えばジルコニアセラミックス)に積層された構造の電解質膜を用いるものである。   A fuel cell has an operating temperature for obtaining sufficient battery performance, and this operating temperature is determined by the type of electrolyte membrane. For example, solid polymer type (PEM) is about 80 ° C., phosphoric acid type (PAFC) is about 200 ° C., molten carbonate type (MCFC) is 600 to 800 ° C., and solid oxide type (SOFC) is 800 to 1000 ° C. Becomes the operating temperature. In the hydrogen separation membrane type (HMFC) proposed by the present applicant in the prior application (Japanese Patent Application No. 2003-064478, Japanese Patent Application No. 2003-072994, Japanese Patent Application No. 2003-204734), the operating temperature is 400 to 600 ° C. This hydrogen separation membrane fuel cell specifically includes an electrolyte membrane having a structure in which a hydrogen separation membrane (for example, a membrane in which palladium is laminated on vanadium) is laminated on a proton conductive material (eg, zirconia ceramics). It is what is used.

上記のように、現在提案されている燃料電池のほとんどは、その作動温度は常温よりも高い。燃料電池は内部での反応熱によって自ら暖機されていくが、起動後、速やかに所望の電池性能を得られるようにするには、作動温度に達するように外部から強制的に暖機する必要がある。燃料電池を暖機する技術としては、例えば特許文献1に提案されたものが知られている。   As described above, most of the currently proposed fuel cells have an operating temperature higher than room temperature. The fuel cell is warmed up by the internal reaction heat, but it is necessary to forcibly warm up from the outside to reach the operating temperature in order to obtain the desired battery performance immediately after startup. There is. As a technique for warming up the fuel cell, for example, a technique proposed in Patent Document 1 is known.

特許文献1に記載されたシステムには、改質器が備えられている。燃料電池の発電時には、改質器による炭化水素原料の改質によってアノードに供給する燃料ガスが生成されるとともに、カソードから排出されるカソードオフガスが改質用エアとして改質器に供給される。このシステムでは、起動時には、カソードを介して改質器に供給される空気量が理論空燃比の数倍に調整されることで、炭化水素系原料はリーン燃焼によって完全酸化し、これによって水蒸気を含む高温のガスが生成されるようになっている。そして、この高温ガスがアノードに供給されることで、燃料電池が強制的に暖機されるようになっている。
特開2003−151599号公報
The system described in Patent Document 1 includes a reformer. During power generation of the fuel cell, fuel gas to be supplied to the anode is generated by reforming the hydrocarbon raw material by the reformer, and cathode offgas discharged from the cathode is supplied to the reformer as reforming air. In this system, at the time of start-up, the amount of air supplied to the reformer via the cathode is adjusted to be several times the stoichiometric air-fuel ratio, so that the hydrocarbon-based raw material is completely oxidized by lean combustion, thereby generating steam. High temperature gas containing is generated. The fuel cell is forcibly warmed up by supplying the high temperature gas to the anode.
JP 2003-151599 A

ところで、燃料電池内でのガスの流れ方向に関しては、様々な形式が提案されている。例えば、カソード内での酸化ガスの流れ方向をアノード内での燃料ガスの流れ方向に対して直交させたものもあれば、平行にしたものもある。特許文献1に記載された技術では、カソード内での酸化ガスの流れ方向とアノード内での燃料ガスの流れ方向は、平行で且つ逆方向になっている。   By the way, various formats have been proposed for the direction of gas flow in the fuel cell. For example, there are some in which the flow direction of the oxidizing gas in the cathode is orthogonal to the flow direction of the fuel gas in the anode, and others in parallel. In the technique described in Patent Document 1, the flow direction of the oxidizing gas in the cathode and the flow direction of the fuel gas in the anode are parallel and opposite to each other.

燃料電池内でのガスの流れ方向は、発電時における燃料電池の発電効率に大きく影響する。つまり、上記のように起電力は両電極での電気化学反応によって生じるが、電気化学反応に伴い両極を流れるガス中の反応成分の濃度は次第に変化していく。このため、両極を流れるガスの流れ方向の関係によっては、ガス中の反応成分の濃度の変化によって電気化学反応の反応度に面内で差が生じ、電流密度分布に偏りが生じてしまう可能性がある。発電効率の観点からは電流密度分布は均一なほうが良く、ガスの流れ方向は電流密度分布が均一になるように設定されることが望まれる。   The direction of gas flow in the fuel cell greatly affects the power generation efficiency of the fuel cell during power generation. That is, as described above, the electromotive force is generated by the electrochemical reaction at both electrodes, but the concentration of the reaction component in the gas flowing through both electrodes gradually changes with the electrochemical reaction. For this reason, depending on the relationship of the flow direction of the gas flowing through the two electrodes, there may be a difference in the reactivity of the electrochemical reaction due to a change in the concentration of the reaction component in the gas, and the current density distribution may be biased There is. From the viewpoint of power generation efficiency, it is better that the current density distribution is uniform, and it is desirable that the gas flow direction be set so that the current density distribution is uniform.

また、燃料電池内でのガスの流れ方向は、暖機時における燃料電池の暖機効率にも大きく影響する。暖機時にはアノードには高温のガスが供給されるのに対し、カソードには常温のガスが供給される。このように両極を流れるガスに温度差がある場合、その流れ方向の関係によっては電解質膜に供給される熱量に面内での偏りが生じてしまう可能性がある。供給される熱量に面内での偏りが生じると、作動温度に達するのに時間を要してしまうだけでなく、面内に温度差が生じてしまい、十分な電池性能を出すことができなくなってしまう。このため、暖機効率(高速且つ均一な暖機)の観点からは、ガスの流れ方向は供給熱量が面内で均等になるように設定されることが望まれる。   Further, the gas flow direction in the fuel cell greatly affects the warm-up efficiency of the fuel cell during warm-up. During warm-up, high temperature gas is supplied to the anode, while normal temperature gas is supplied to the cathode. Thus, when there is a temperature difference in the gas flowing through both electrodes, there is a possibility that the amount of heat supplied to the electrolyte membrane may be biased in-plane depending on the relationship in the flow direction. If the amount of heat supplied is uneven in the surface, it will not only take time to reach the operating temperature, but also a temperature difference will occur in the surface, making it impossible to achieve sufficient battery performance. End up. For this reason, from the viewpoint of warm-up efficiency (high-speed and uniform warm-up), it is desirable that the gas flow direction be set so that the amount of supplied heat is uniform in the plane.

以上のことから、燃料電池内でのガスの流れ方向を決定する上では、発電時における発電効率と、暖機時における暖機効率の双方を考慮する必要がある。しかしながら、特許文献1に記載された技術を含め、従来の技術では、燃料電池内でのガスの流れ方向に関し、発電効率と暖機効率という異なる要求に基づいた検討はされていなかった。このため、仮に、発電時には均等な電流密度分布が得られ、高い発電効率が得られたとしても、暖機時には供給熱量に面内で偏りが生じてしまい、高速且つ均一に燃料電池を暖機することができない可能性があった。   From the above, in determining the gas flow direction in the fuel cell, it is necessary to consider both the power generation efficiency during power generation and the warm-up efficiency during warm-up. However, in the conventional techniques including the technique described in Patent Document 1, the examination based on the different requirements of the power generation efficiency and the warm-up efficiency has not been made regarding the gas flow direction in the fuel cell. For this reason, even if a uniform current density distribution is obtained at the time of power generation and high power generation efficiency is obtained, the supply heat quantity is uneven in the surface at the time of warm-up, and the fuel cell is warmed up at high speed and uniformly. There was a possibility that could not.

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、高速且つ均一な燃料電池の暖機と高い発電効率とを両立できるようにした、燃料電池システムを提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of achieving both high-speed and uniform fuel cell warm-up and high power generation efficiency. To do.

第1の発明は、上記の目的を達成するため、アノードとカソードを有する燃料電池を含み、前記燃料電池の発電時には、前記アノードに水素を含む燃料ガスが供給されるともに前記カソードに酸素を含む酸化ガスが供給され、前記燃料電池の暖機時には、前記アノードに高温のガスが供給される燃料電池システムにおいて、
前記アノードに設けられ、前記アノードへの供給ガスが流れるアノード流路と、
前記カソードに前記アノード流路と平行或いは略平行に設けられ、前記カソードへの供給ガスが流れるカソード流路と、
前記アノード流路中のガスの流れと前記カソード流路中のガスの流れとの関係を並行流から対向流に、対向流から並行流に切り換えうるガス流れ切換手段とを備え、
前記燃料電池の発電時には、前記アノード流路中のガスの流れと前記カソード流路中のガスの流れとの関係は対向流とされ、
前記燃料電池の暖機時には、前記アノード流路中のガスの流れと前記カソード流路中のガスの流れとの関係は並行流とされることを特徴としている。
In order to achieve the above object, a first invention includes a fuel cell having an anode and a cathode. During power generation of the fuel cell, a fuel gas containing hydrogen is supplied to the anode and oxygen is contained in the cathode. In the fuel cell system in which an oxidizing gas is supplied and when the fuel cell is warmed up, a high-temperature gas is supplied to the anode.
An anode flow path provided in the anode and through which a supply gas to the anode flows;
A cathode channel provided in the cathode in parallel or substantially in parallel with the anode channel, and through which a supply gas to the cathode flows;
Gas flow switching means capable of switching the relationship between the gas flow in the anode flow path and the gas flow in the cathode flow path from parallel flow to counter flow, and from counter flow to parallel flow,
During power generation of the fuel cell, the relationship between the gas flow in the anode flow channel and the gas flow in the cathode flow channel is an opposing flow,
When the fuel cell is warmed up, the relationship between the gas flow in the anode flow channel and the gas flow in the cathode flow channel is a parallel flow.

また、第2の発明は、第1の発明において、炭化水素原料を改質して燃料ガスを生成する改質器を備え、
前記燃料電池の発電時には、前記改質器から前記アノードに燃料ガスが供給され、
前記燃料電池の暖機時には、前記改質器での炭化水素原料のリーン燃焼により生成された高温ガスが前記アノードに供給されることを特徴としている。
The second invention is the first invention, comprising a reformer for reforming the hydrocarbon raw material to produce fuel gas,
During power generation of the fuel cell, fuel gas is supplied from the reformer to the anode,
When the fuel cell is warmed up, high temperature gas generated by lean combustion of the hydrocarbon raw material in the reformer is supplied to the anode.

また、第3の発明は、第2の発明において、前記燃料電池の発電時には、前記カソードから排出されるカソードオフガスが炭化水素原料の改質用エアとして前記改質器に供給され、
前記燃料電池の暖機時には、前記カソードから排出されるカソードオフガスが炭化水素原料のリーン燃焼用エアとして前記改質器に供給されることを特徴としている。
Further, in a third invention according to the second invention, during power generation of the fuel cell, a cathode off gas discharged from the cathode is supplied to the reformer as reforming air for a hydrocarbon raw material,
When the fuel cell is warmed up, the cathode off-gas discharged from the cathode is supplied to the reformer as lean combustion air for hydrocarbon raw material.

また、第4の発明は、第1乃至第3の何れか1つの発明において、前記ガス流れ切換手段は、前記カソードへのガス供給源の前記カソード流路への接続先を前記カソード流路の一端と他端との間で切り換える、或いは、前記アノードへのガス供給源の前記アノード流路への接続先を前記アノード流路の一端と他端との間で切り換える切換弁を含むことを特徴としている。   According to a fourth invention, in any one of the first to third inventions, the gas flow switching means connects a connection destination of the gas supply source to the cathode to the cathode channel. It includes a switching valve for switching between one end and the other end, or for switching a connection destination of the gas supply source to the anode to the anode flow path between the one end and the other end of the anode flow path. It is said.

第1乃至第3の発明によれば、燃料電池の発電時にアノード流路中のガスの流れとカソード流路中のガスの流れとの関係が対向流とされることで高い発電効率が得られるとともに、燃料電池の暖機時にアノード流路中のガスの流れとカソード流路中のガスの流れとの関係が並行流とされることで高速且つ均一に燃料電池を暖機することができる。すなわち、本発明によれば、高速且つ均一な燃料電池の暖機と高い発電効率とを両立させることができる。   According to the first to third inventions, high power generation efficiency can be obtained by making the relationship between the gas flow in the anode flow path and the gas flow in the cathode flow path opposite to each other during power generation of the fuel cell. At the same time, when the fuel cell is warmed up, the relationship between the gas flow in the anode flow channel and the gas flow in the cathode flow channel is made parallel, whereby the fuel cell can be warmed up uniformly at high speed. That is, according to the present invention, both high-speed and uniform warm-up of the fuel cell and high power generation efficiency can be achieved.

さらに、第4の発明によれば、簡単な構成でアノード流路中のガスの流れとカソード流路中のガスの流れとの関係を並行流から対向流に、対向流から並行流に切り換えることができる。   Further, according to the fourth invention, the relationship between the gas flow in the anode flow path and the gas flow in the cathode flow path is switched from the parallel flow to the counter flow and from the counter flow to the parallel flow with a simple configuration. Can do.

実施の形態1.
以下、図1乃至図6を参照して、本発明の実施の形態1について説明する。
図1は本発明の実施の形態1としての燃料電池システムの概略構成図である。図1に示すように、本燃料電池システムは、炭化水素原料(以下、燃料という)を改質して水素を含む燃料ガス(以下、改質ガスという)を生成する改質器100と、改質器100で生成された改質ガスを利用して発電する燃料電池110を備えている。以下、燃料電池110、改質器100のそれぞれの構造と機能について説明する。
Embodiment 1 FIG.
Hereinafter, Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system as Embodiment 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, this fuel cell system includes a reformer 100 that reforms a hydrocarbon raw material (hereinafter referred to as fuel) to generate a fuel gas containing hydrogen (hereinafter referred to as reformed gas), a reformer 100, A fuel cell 110 that generates power using the reformed gas generated by the mass device 100 is provided. Hereinafter, the structures and functions of the fuel cell 110 and the reformer 100 will be described.

燃料電池110は、2つの電極、すなわちアノード112とカソード114によって電解質膜116を挟んだ構造を有している。アノード112では、水素を含む改質ガスが供給されると、以下の(1)式の化学反応が生じて水素イオンが生成される。
2 → 2H++2e- ・・・(1)
生成された水素イオンは電解質膜116を通ってカソード114に供給される。カソード114では、酸素を含む酸化ガスが供給されると、以下の(2)式の化学反応が生じ、アノード102で生成された水素イオンと酸素から水(水蒸気)が生成される。
(1/2)O2+2H++2e- → H2O ・・・(2)
上記の反応がアノード112とカソード114の双方で連続して起きることで、アノード112とカソード114との間に起電力が生じ、これが燃料電池110の発生電力となる。なお、本燃料電池システムにかかる燃料電池110としては、固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、そして水素分離膜型の何れの型の燃料電池も採用することができ、燃料電池110にはその型に応じた電解質膜116が設けられている。
The fuel cell 110 has a structure in which an electrolyte membrane 116 is sandwiched between two electrodes, that is, an anode 112 and a cathode 114. When the reformed gas containing hydrogen is supplied to the anode 112, a chemical reaction of the following formula (1) occurs to generate hydrogen ions.
H 2 → 2H + + 2e (1)
The generated hydrogen ions are supplied to the cathode 114 through the electrolyte membrane 116. When an oxidizing gas containing oxygen is supplied to the cathode 114, a chemical reaction of the following formula (2) occurs, and water (water vapor) is generated from the hydrogen ions and oxygen generated at the anode 102.
(1/2) O 2 + 2H + + 2e → H 2 O (2)
When the above reaction occurs continuously at both the anode 112 and the cathode 114, an electromotive force is generated between the anode 112 and the cathode 114, and this becomes the generated power of the fuel cell 110. As the fuel cell 110 according to the present fuel cell system, any of solid polymer type, phosphoric acid type, molten carbonate type, solid oxide type, and hydrogen separation membrane type fuel cell may be adopted. The fuel cell 110 is provided with an electrolyte membrane 116 corresponding to its type.

改質器100は、触媒を備えた改質部と改質部を加熱する加熱部を備えている。例えば、燃料としてガソリン(主成分はC818)が供給される場合、改質部では以下の(3)式及び(4)の化学反応によって燃料の改質が行われる。
818+8H2O → 17H2+8CO ・・・(3)
818+4O2 → 9H2+8CO ・・・(4)
上記の(3)式で表わされる反応は水蒸気改質反応と言い、吸熱反応である。(4)式で表わされる反応は部分酸化反応と言い、発熱反応である。触媒はこれら反応を促進するために設けられている。改質部では双方の反応が同時に起こっていると考えられるが、主となるのは水蒸気改質反応であり、改質部での改質反応全体としては吸熱反応となる。このため、改質反応を促進させるためには熱の供給が必要になるが、そのための熱として加熱部から加熱用燃料の燃焼熱が供給される。なお、図1では、加熱部への加熱燃料や燃焼用エアの供給系統は図示を省略している。また、改質器100には、改質反応により生成されたCOを水と反応させてCO2に変成させるシフト部や、COを酸化してCO2に変成させるCO選択酸化部も備えられているが、これらは本発明の主要部ではないので詳しい説明は省略する。
The reformer 100 includes a reforming unit that includes a catalyst and a heating unit that heats the reforming unit. For example, when gasoline (the main component is C 8 H 18 ) is supplied as the fuel, the reforming of the fuel is performed by the chemical reaction of the following formulas (3) and (4) in the reforming unit.
C 8 H 18 + 8H 2 O → 17H 2 + 8CO (3)
C 8 H 18 + 4O 2 → 9H 2 + 8CO (4)
The reaction represented by the above formula (3) is called a steam reforming reaction and is an endothermic reaction. The reaction represented by the formula (4) is called a partial oxidation reaction and is an exothermic reaction. A catalyst is provided to promote these reactions. Although it is considered that both reactions occur simultaneously in the reforming section, the main is the steam reforming reaction, and the entire reforming reaction in the reforming section is an endothermic reaction. For this reason, in order to promote the reforming reaction, it is necessary to supply heat, and as heat for that purpose, combustion heat of the heating fuel is supplied from the heating unit. In FIG. 1, the supply system of heating fuel and combustion air to the heating unit is not shown. In addition, the reformer 100, the CO produced by the reforming reaction shift unit and to shift the CO 2 is reacted with water and CO selective oxidation unit to be transformed into CO 2 also provided to oxidize CO However, since these are not the main part of the present invention, detailed description thereof is omitted.

本燃料電池システムでは、改質器100での改質用のエアとして、燃料電池110のカソード114から排出されるカソードオフガスが供給される。改質器100での改質反応には、上記の(3)式及び(4)式に示すように水(水蒸気)と酸素が必要であるが、カソードオフガスには、上記の(2)式に示すようにカソード114での酸化反応により生じた多くの水分が含まれている。また、カソードオフガス中には未反応の酸素も多く含まれている。したがって、カソードオフガスを改質用エアとして改質器100に供給することで、水蒸気を生成するための専用の蒸発器が不要になりシステムの小型化が可能になる。   In this fuel cell system, cathode off gas discharged from the cathode 114 of the fuel cell 110 is supplied as air for reforming in the reformer 100. The reforming reaction in the reformer 100 requires water (steam) and oxygen as shown in the above formulas (3) and (4), but the cathode offgas includes the above formula (2). As shown in FIG. 4, a large amount of moisture generated by the oxidation reaction at the cathode 114 is contained. Further, the cathode off gas contains a large amount of unreacted oxygen. Therefore, by supplying the cathode off-gas as reforming air to the reformer 100, a dedicated evaporator for generating water vapor becomes unnecessary, and the system can be miniaturized.

改質器100は、燃料電池110を暖機するための高温ガスの供給源としても用いられる。燃料電池110の発電時には、上記の(3)式及び(4)式の化学反応が起きるように、カソードオフガスの供給量が調整されるが、燃料電池110の暖機時には、以下の(5)式の化学反応が起きるようにカソードオフガスの供給量が調整される。
818+(25/2)O2 → 8CO2+9H2O ・・・(5)
すなわち、燃料供給量との関係において理論空燃比よりもリーンになるようにカソードオフガスの供給量が調整される。これにより、改質部での燃料の燃焼はリーン燃焼となり、上記の(5)式で示す完全酸化反応が起きる。この完全酸化反応は発熱反応であるので、生成された燃焼ガスは高温であり、この高温の燃焼ガスを燃料電池110のアノード112に供給することで燃料電池110の暖機が行われる。
The reformer 100 is also used as a hot gas supply source for warming up the fuel cell 110. During power generation of the fuel cell 110, the supply amount of the cathode off gas is adjusted so that the chemical reaction of the above formulas (3) and (4) occurs, but when the fuel cell 110 is warmed up, the following (5) The supply amount of the cathode off gas is adjusted so that the chemical reaction of the formula occurs.
C 8 H 18 + (25/2) O 2 → 8CO 2 + 9H 2 O (5)
That is, the supply amount of the cathode off gas is adjusted so as to be leaner than the stoichiometric air-fuel ratio in relation to the fuel supply amount. Thereby, the combustion of the fuel in the reforming section becomes lean combustion, and the complete oxidation reaction represented by the above formula (5) occurs. Since this complete oxidation reaction is an exothermic reaction, the generated combustion gas is at a high temperature, and the fuel cell 110 is warmed up by supplying this high-temperature combustion gas to the anode 112 of the fuel cell 110.

次に、本燃料電池システムにおける、供給ガスの流れについて説明する。
燃料電池110のアノード112内には、アノード112への供給ガスが流れるガス流路(以下、アノード流路という)113が設けられている。一方、燃料電池110のカソード114内には、カソード114への供給ガスが流れるガス流路(以下、カソード流路という)115が設けられている。本燃料電池システムでは、アノード流路113とカソード流路115は平行に設けられている。
Next, the flow of the supply gas in the fuel cell system will be described.
In the anode 112 of the fuel cell 110, a gas flow path (hereinafter referred to as an anode flow path) 113 through which a supply gas to the anode 112 flows is provided. On the other hand, a gas flow path (hereinafter referred to as a cathode flow path) 115 through which a supply gas to the cathode 114 flows is provided in the cathode 114 of the fuel cell 110. In this fuel cell system, the anode channel 113 and the cathode channel 115 are provided in parallel.

改質器100から燃料電池110のアノード112への供給ガス、すなわち、発電時の改質ガス及び暖機時の高温ガスは、アノード流路113の一端(以下、図に従って左端という)113aへ供給される。供給ガスはアノード通路113内を通り、他端(以下、図に従って右端という)113bからアノードオフガスとして外部に排出さる。すなわち、アノード流路113におけるガスの流れ方向は一定であり、発電時も暖機時も常に左端113aから右端113bへ流れるようになっている。   Supply gas from the reformer 100 to the anode 112 of the fuel cell 110, that is, reformed gas during power generation and high-temperature gas during warm-up, is supplied to one end (hereinafter referred to as the left end according to the figure) 113a of the anode flow path 113. Is done. The supply gas passes through the anode passage 113 and is discharged to the outside as an anode off gas from the other end (hereinafter, referred to as a right end according to the drawing) 113b. That is, the gas flow direction in the anode channel 113 is constant, and always flows from the left end 113a to the right end 113b during power generation and warm-up.

カソード114へのエアの供給系には2つの三方弁(切換弁)140,150が配置されている。三方弁140は、三つのポート141,142,143を有しており、第1ポート141の連通先を第2ポート142と第3ポート143との間で切り換えることができるようになっている。他方の三方弁150も同様であり、第1ポート151の連通先を第2ポート152と第3ポート153との間で切り換えることができるようになっている。一方の三方弁140の第1ポート141は、カソード流路115の一端(以下、図に従って右端という)115aに接続され、他方の三方弁150の第1ポート151は、カソード流路115の他端(以下、図に従って左端という)115bに接続されている。また、各三方弁140,150の第2ポート142,152は、それぞれカソード114へのエア供給源であるエアポンプ120に接続されており、各三方弁140,150の第3ポート143,153は、それぞれ改質器100のエア導入口に接続されている。   Two three-way valves (switching valves) 140 and 150 are arranged in the air supply system to the cathode 114. The three-way valve 140 has three ports 141, 142, and 143, and the communication destination of the first port 141 can be switched between the second port 142 and the third port 143. The same is true for the other three-way valve 150, and the communication destination of the first port 151 can be switched between the second port 152 and the third port 153. The first port 141 of one three-way valve 140 is connected to one end (hereinafter referred to as the right end in accordance with the drawing) 115a of the cathode flow path 115, and the first port 151 of the other three-way valve 150 is connected to the other end of the cathode flow path 115. It is connected to 115b (hereinafter referred to as the left end according to the figure). The second ports 142 and 152 of the three-way valves 140 and 150 are connected to an air pump 120 that is an air supply source to the cathode 114, and the third ports 143 and 153 of the three-way valves 140 and 150 are Each is connected to the air inlet of the reformer 100.

カソード114、エアポンプ120及び改質器100が三方弁140,150を介して接続されることにより、三方弁140,150の連通状態を切り換えることで、カソード流路115を流れるガスの流れ方向を制御することができる。本燃料電池システムでは、図2及び図3に示すように、燃料電池110の発電時と暖機時とで、カソード流路115を流れるガスの流れ方向を切り換えるようにしている。   By connecting the cathode 114, the air pump 120, and the reformer 100 via the three-way valves 140, 150, the flow direction of the gas flowing through the cathode channel 115 is controlled by switching the communication state of the three-way valves 140, 150. can do. In this fuel cell system, as shown in FIGS. 2 and 3, the flow direction of the gas flowing through the cathode flow path 115 is switched between when the fuel cell 110 generates power and when it is warmed up.

図2は本燃料電池システムの発電時におけるガスの流れを示す図である。燃料電池の発電時には、カソード流路115の右端115aに接続される三方弁140では、第1ポート141と第2ポート142が連通し、カソード流路115の左端115bに接続される三方弁150では、第1ポート151と第3ポート153が連通する。これにより、エアポンプ120から供給されるガスは、三方弁140を介してカソード流路115の右端115aに流入し、カソード流路115内を右端115aから左端115bに流れ、左端115bからカソードオフガスとして排出される。排出されたカソードオフガスは、改質用エアとして三方弁150を介して改質器100に供給される。   FIG. 2 is a diagram showing a gas flow during power generation in the fuel cell system. During power generation of the fuel cell, in the three-way valve 140 connected to the right end 115a of the cathode channel 115, the first port 141 and the second port 142 communicate with each other, and in the three-way valve 150 connected to the left end 115b of the cathode channel 115, The first port 151 and the third port 153 communicate with each other. As a result, the gas supplied from the air pump 120 flows into the right end 115a of the cathode channel 115 via the three-way valve 140, flows in the cathode channel 115 from the right end 115a to the left end 115b, and is discharged as cathode off-gas from the left end 115b. Is done. The discharged cathode off gas is supplied to the reformer 100 via the three-way valve 150 as reforming air.

一方、図3は本燃料電池システムの暖機時におけるガスの流れを示す図である。燃料電池の暖機時には、カソード流路115の右端115aに接続される三方弁140は、第1ポート141と第3ポート143とが連通し、カソード流路115の左端115bに接続される三方弁150では、第1ポート151と第2ポート152が連通する。これにより、エアポンプ120から供給されるガスは、三方弁150を介してカソード流路115の左端115bに流入し、カソード流路115内を左端115bから右端115aに流れ、右端115aからカソードオフガスとして排出される。排出されたカソードオフガスは、リーン燃焼用エアとして三方弁140を介して改質器100に供給される。   On the other hand, FIG. 3 is a diagram showing a gas flow when the fuel cell system is warmed up. When the fuel cell is warmed up, the three-way valve 140 connected to the right end 115a of the cathode channel 115 communicates with the first port 141 and the third port 143 and is connected to the left end 115b of the cathode channel 115. In 150, the first port 151 and the second port 152 communicate with each other. As a result, the gas supplied from the air pump 120 flows into the left end 115b of the cathode flow path 115 via the three-way valve 150, flows in the cathode flow path 115 from the left end 115b to the right end 115a, and is discharged as cathode off-gas from the right end 115a. Is done. The discharged cathode off gas is supplied to the reformer 100 through the three-way valve 140 as lean combustion air.

カソード流路115を流れるガスの流れ方向が制御される結果、燃料電池110の発電時には、アノード流路113中のガスの流れとカソード流路115中のガスの流れとの関係は対向流となり、燃料電池110の暖機時には、アノード流路113中のガスの流れとカソード流路115中のガスの流れとの関係は並行流となる。このように発電時と暖機時とで流れの関係を切り換えることで、次のような効果が得られる。   As a result of controlling the flow direction of the gas flowing through the cathode flow path 115, when the fuel cell 110 generates power, the relationship between the gas flow in the anode flow path 113 and the gas flow in the cathode flow path 115 becomes an opposite flow, When the fuel cell 110 is warmed up, the relationship between the gas flow in the anode flow path 113 and the gas flow in the cathode flow path 115 is a parallel flow. By switching the flow relationship between power generation and warm-up in this way, the following effects can be obtained.

まず、図4は、発電時における燃料電池110内での温度分布を並行流と対向流とで比較した図である。図4の左に示すグラフが対向流の場合の温度分布であり、図4の右に示すグラフが並行流の場合の温度分布である。何れも定常状態におけるものである。グラフ中にはアノード流路113内でのガス(アノードガス)の流れ方向とカソード流路115内でのガス(カソードガス)の流れ方向をそれぞれ矢印で示している。発電時における燃料電池110の温度分布という観点では、並行流か対向流かということで大差はない。   First, FIG. 4 is a diagram comparing the temperature distribution in the fuel cell 110 during power generation between the parallel flow and the counter flow. The graph shown on the left of FIG. 4 is the temperature distribution in the case of counter flow, and the graph shown on the right of FIG. 4 is the temperature distribution in the case of parallel flow. Both are in steady state. In the graph, the flow direction of the gas (anode gas) in the anode flow path 113 and the flow direction of the gas (cathode gas) in the cathode flow path 115 are indicated by arrows, respectively. From the viewpoint of the temperature distribution of the fuel cell 110 at the time of power generation, there is no significant difference between parallel flow and counter flow.

しかしながら、発電時の燃料電池110の電流密度分布という観点では、並行流と対向流とでは次に述べるように大きな差が生じる。図5は、発電時における燃料電池110内での電流密度分布を並行流と対向流とで比較した図である。図5の左に示すグラフが対向流の場合の電流密度分布であり、図5の右に示すグラフが並行流の場合の電流密度分布である。何れも定常状態におけるものである。グラフ中にはアノード流路113内でのガス(アノードガス)の流れ方向とカソード流路115内でのガス(カソードガス)の流れ方向をそれぞれ矢印で示している。2つのグラフを比較して分かるように、対向流の場合にはガスの流れ方向に略均一な電流密度分布が得られるのに対し、並行流の場合には電流密度分布に偏りがあり、上流側では電流密度が非常に高くなる一方で下流側では電流密度は大きく低下する。   However, from the viewpoint of the current density distribution of the fuel cell 110 during power generation, a large difference occurs between the parallel flow and the counter flow as described below. FIG. 5 is a diagram comparing the current density distribution in the fuel cell 110 during power generation between the parallel flow and the counter flow. The graph shown on the left of FIG. 5 is the current density distribution in the case of counterflow, and the graph shown on the right of FIG. 5 is the current density distribution in the case of parallel flow. Both are in steady state. In the graph, the flow direction of the gas (anode gas) in the anode flow path 113 and the flow direction of the gas (cathode gas) in the cathode flow path 115 are indicated by arrows, respectively. As can be seen by comparing the two graphs, in the case of counter flow, a substantially uniform current density distribution is obtained in the gas flow direction, whereas in the case of parallel flow, the current density distribution is biased and the upstream On the side, the current density is very high, while on the downstream side, the current density is greatly reduced.

並行流において電流密度分布に偏りが生じる原因としては、次のことが考えられる。並行流の場合、アノード流路113の上流側(グラフ中の上流側)ではアノード流路113内の水素濃度もカソード流路115内の酸素濃度もともに高い。このため、上記の(1)式及び(2)式で示す電気化学反応が激しく起きて多くの電子が生成される。ところが、反応に伴い水素濃度も酸素濃度もともに低下していくため、上記の電気化学反応の反応度は下流に行くに従い大きく低下してしまう。これに対し、対向流の場合には、水素濃度の高いアノード流路113の上流側では逆にカソード流路115内の酸素濃度は低く、酸素濃度の高いカソード流路115の上流側では逆にアノード流路113内の水素濃度は低いため、流れの方向に沿って略一定の反応度で上記の電気化学反応が起きるようになる。   The following can be considered as the cause of the bias in the current density distribution in the parallel flow. In the case of parallel flow, both the hydrogen concentration in the anode channel 113 and the oxygen concentration in the cathode channel 115 are high on the upstream side of the anode channel 113 (upstream side in the graph). For this reason, the electrochemical reaction shown by the above formulas (1) and (2) occurs violently and many electrons are generated. However, since the hydrogen concentration and the oxygen concentration both decrease with the reaction, the reactivity of the electrochemical reaction described above greatly decreases as it goes downstream. On the other hand, in the case of the counter flow, the oxygen concentration in the cathode channel 115 is low on the upstream side of the anode channel 113 having a high hydrogen concentration, and conversely on the upstream side of the cathode channel 115 having a high oxygen concentration. Since the hydrogen concentration in the anode channel 113 is low, the electrochemical reaction described above occurs at a substantially constant reactivity along the flow direction.

燃料電池110は、電流密度分布に偏りがあるよりも、偏りがなく均一なほうが高い発電効率を得ることができる。図5の2つのグラフを比較して分かるように、電流密度分布は対向流の方が圧倒的にバランスが良い。したがって、本燃料電池システムのように、燃料電池110の発電時には、アノード流路113中のガスの流れとカソード流路115中のガスの流れとの関係が対向流となるように三方弁140,150を切り換えることで、高い発電効率を実現することが可能になる。   The fuel cell 110 can obtain higher power generation efficiency when there is no bias in the current density distribution than when there is a bias in the current density distribution. As can be seen by comparing the two graphs in FIG. 5, the countercurrent flow is overwhelmingly balanced in the current density distribution. Therefore, as in the present fuel cell system, the three-way valve 140, so that the relationship between the gas flow in the anode flow channel 113 and the gas flow in the cathode flow channel 115 is a counter flow during power generation of the fuel cell 110. By switching 150, high power generation efficiency can be realized.

次に、図6は、暖機開始から一定時間経過後の燃料電池110内での温度分布を並行流と対向流とで比較した図である。図6の左に示すグラフが対向流の場合の温度分布であり、図6の右に示すグラフが並行流の場合の温度分布である。何れも定常状態におけるものである。グラフ中にはアノード流路113内でのガス(アノードガス)の流れ方向とカソード流路115内でのガス(カソードガス)の流れ方向をそれぞれ矢印で示している。2つのグラフを比較して分かるように、対向流の場合には温度分布に偏りがあり、上流側では温度が非常に高くなる一方で下流側では温度は大きく低下するのに対し、並行流の場合にはガスの流れ方向に略均一な温度分布が得られる。   Next, FIG. 6 is a diagram comparing the temperature distribution in the fuel cell 110 after a certain time has elapsed from the start of warm-up between parallel flow and counterflow. The graph shown on the left of FIG. 6 is the temperature distribution in the case of counter flow, and the graph shown on the right of FIG. 6 is the temperature distribution in the case of parallel flow. Both are in steady state. In the graph, the flow direction of the gas (anode gas) in the anode flow path 113 and the flow direction of the gas (cathode gas) in the cathode flow path 115 are indicated by arrows, respectively. As can be seen from the comparison of the two graphs, the temperature distribution is uneven in the case of counter flow, while the temperature on the upstream side is very high while the temperature is greatly reduced on the downstream side, In this case, a substantially uniform temperature distribution can be obtained in the gas flow direction.

暖機時、アノード流路113には高温ガスが供給される。供給されたガスはアノード流路113の左端113aから右端113bへ流れるが、当然、ガスから受ける熱量はアノード流路113の上流側ほど高い。したがって、通常であればアノード流路113の上流側(左端113a側)のほうが下流側(右端113b側)よりも高温になりやすく、上流側から下流側へかけて大きな温度勾配ができやすい。ところが、カソード流路115を流れるガスは低温(常温)のため、並行流の場合には、高温の上流側ではカソード流路115を流れるガスによって電解質膜116から熱が奪われ、奪われた熱はカソード流路115内でのガスの流れによって低温の下流側へ運ばれていく。これにより、上流側から下流側への熱伝導が促進されることになり、ガスの流れ方向における温度分布の偏りは解消され、グラフに示すような略均一な温度分布が実現される。一方、対向流の場合には、カソード流路115内のガスは低温側から高温側に流れるため、ガスの流れによって熱伝導を促進させる効果は得られない。このため、グラフに示すようにアノード流路113の上流側から下流側にかけて大きな温度勾配が生じてしまうのである。   During the warm-up, high temperature gas is supplied to the anode channel 113. The supplied gas flows from the left end 113 a to the right end 113 b of the anode channel 113, but naturally the amount of heat received from the gas is higher on the upstream side of the anode channel 113. Therefore, normally, the upstream side (left end 113a side) of the anode channel 113 is likely to be hotter than the downstream side (right end 113b side), and a large temperature gradient is likely to be formed from the upstream side to the downstream side. However, since the gas flowing through the cathode channel 115 is low temperature (normal temperature), in the case of parallel flow, heat is taken away from the electrolyte membrane 116 by the gas flowing through the cathode channel 115 on the upstream side of the high temperature, and the heat taken away. Is carried to the low temperature downstream side by the gas flow in the cathode channel 115. As a result, heat conduction from the upstream side to the downstream side is promoted, the deviation of the temperature distribution in the gas flow direction is eliminated, and a substantially uniform temperature distribution as shown in the graph is realized. On the other hand, in the case of the counter flow, the gas in the cathode channel 115 flows from the low temperature side to the high temperature side, so that the effect of promoting heat conduction by the gas flow cannot be obtained. For this reason, as shown in the graph, a large temperature gradient is generated from the upstream side to the downstream side of the anode channel 113.

燃料電池110が十分な電池性能を発揮するためには、燃料電池110の全体が等しく作動温度まで暖機される必要がある。このためには、燃料電池110の全体を均一に温度上昇させる必要がある。この点において、図6の2つのグラフを比較して分かるように、並行流の方が対向流よりも明らかに優れており、燃料電池110の全体を略均一に温度上昇させることができる。また、燃料電池110の暖機を促進する方法として、アノード流路113への供給ガスの温度をより高温にすることが考えられるが、対向流の場合、アノード流路113の入口温度が材料の許容温度を超えてしまう可能性がある。このため、対向流の場合は、アノード流路113への供給ガスの温度を並行流の場合よりも低くせざるを得ない。言い換えれば、並行流にすることで、アノード流路113への供給ガスをより高温にすることができ、暖気速度を高めることができる。したがって、本燃料電池システムのように、燃料電池110の暖機時には、アノード流路113中のガスの流れとカソード流路115中のガスの流れとの関係が並行流となるように三方弁140,150を切り換えることで、高速且つ均一な燃料電池110の暖機を実現することが可能になる。   In order for the fuel cell 110 to exhibit sufficient battery performance, the entire fuel cell 110 needs to be warmed up to the operating temperature equally. For this purpose, it is necessary to raise the temperature of the entire fuel cell 110 uniformly. In this respect, as can be seen by comparing the two graphs of FIG. 6, the parallel flow is clearly superior to the counter flow, and the temperature of the entire fuel cell 110 can be increased substantially uniformly. Further, as a method for promoting the warm-up of the fuel cell 110, it is conceivable to raise the temperature of the supply gas to the anode flow path 113, but in the case of the counter flow, the inlet temperature of the anode flow path 113 is the material temperature. The allowable temperature may be exceeded. For this reason, in the case of counterflow, the temperature of the supply gas to the anode flow path 113 must be made lower than in the case of parallel flow. In other words, by using parallel flow, the gas supplied to the anode flow path 113 can be heated to a higher temperature, and the warm-up speed can be increased. Therefore, as in the present fuel cell system, when the fuel cell 110 is warmed up, the three-way valve 140 is such that the relationship between the gas flow in the anode flow path 113 and the gas flow in the cathode flow path 115 is parallel. , 150 can be switched to achieve high-speed and uniform warm-up of the fuel cell 110.

以上説明したように、本燃料電池システムによれば、アノード流路113中のガスの流れとカソード流路115中のガスの流れとの関係を、発電時は対向流に暖機時は並行流に切り換えることで、高速且つ均一な燃料電池110の暖機と発電時の高い発電効率とを両立させることが可能になる。   As described above, according to the present fuel cell system, the relationship between the gas flow in the anode flow path 113 and the gas flow in the cathode flow path 115 is changed from a counter flow during power generation to a parallel flow during warm-up. By switching to, it is possible to achieve both high-speed and uniform warm-up of the fuel cell 110 and high power generation efficiency during power generation.

実施の形態2.
以下、図7を参照して、本発明の実施の形態2について説明する。なお、上述した実施の形態1と同一の部位については、図中、同一の符号を付して示し、その説明は省略するものとする。
Embodiment 2.
The second embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. In addition, about the site | part same as Embodiment 1 mentioned above, the same code | symbol is attached | subjected and shown in the figure, and the description shall be abbreviate | omitted.

本実施形態の燃料電池システムは、カソード114へのエア供給源として2つのエアポンプ160,170を設けたことを特徴としている。一つは、燃料電池110の発電時に作動させるエアポンプ160であり、カソード流路115の右端115aに接続される三方弁140の第2ポート142に接続されている。もう一つは、燃料電池110の暖機時に作動させるエアポンプ170であり、カソード流路115の左端115bに接続される三方弁150の第2ポート152に接続されている。   The fuel cell system of this embodiment is characterized in that two air pumps 160 and 170 are provided as air supply sources to the cathode 114. One is an air pump 160 that is activated during power generation of the fuel cell 110, and is connected to the second port 142 of the three-way valve 140 connected to the right end 115a of the cathode channel 115. The other is an air pump 170 that is operated when the fuel cell 110 is warmed up, and is connected to the second port 152 of the three-way valve 150 connected to the left end 115b of the cathode flow path 115.

燃料電池の発電時には、カソード流路115の右端115aに接続される三方弁140では、第1ポート141と第2ポート142が連通し、カソード流路115の左端115bに接続される三方弁150では、第1ポート151と第3ポート153が連通する。これにより、エアポンプ160から供給されるガスが三方弁140を介してカソード流路115の右端115aに流入し、カソード流路115内を右端115aから左端115bに流れ、左端115bからカソードオフガスとして排出される。排出されたカソードオフガスは、改質用エアとして三方弁150を介して改質器100に供給される。   During power generation of the fuel cell, the three-way valve 140 connected to the right end 115a of the cathode channel 115 communicates with the first port 141 and the second port 142, and the three-way valve 150 connected to the left end 115b of the cathode channel 115 The first port 151 and the third port 153 communicate with each other. As a result, the gas supplied from the air pump 160 flows into the right end 115a of the cathode channel 115 via the three-way valve 140, flows in the cathode channel 115 from the right end 115a to the left end 115b, and is discharged from the left end 115b as cathode off gas. The The discharged cathode off gas is supplied to the reformer 100 via the three-way valve 150 as reforming air.

一方、燃料電池の暖機時には、カソード流路115の右端115aに接続される三方弁140は、第1ポート141と第3ポート143とが連通し、カソード流路115の左端115bに接続される三方弁150では、第1ポート151と第2ポート152が連通する。これにより、エアポンプ170から供給されるガスが三方弁150を介してカソード流路115の左端115bに流入し、カソード流路115内を左端115bから右端115aに流れ、右端115aからカソードオフガスとして排出される。排出されたカソードオフガスは、リーン燃焼用エアとして三方弁140を介して改質器100に供給される。   On the other hand, when the fuel cell is warmed up, the three-way valve 140 connected to the right end 115a of the cathode channel 115 communicates with the first port 141 and the third port 143 and is connected to the left end 115b of the cathode channel 115. In the three-way valve 150, the first port 151 and the second port 152 communicate with each other. As a result, the gas supplied from the air pump 170 flows into the left end 115b of the cathode flow path 115 through the three-way valve 150, flows in the cathode flow path 115 from the left end 115b to the right end 115a, and is discharged from the right end 115a as the cathode off gas. The The discharged cathode off gas is supplied to the reformer 100 through the three-way valve 140 as lean combustion air.

したがって、本燃料電池システムによっても、上述の実施の形態1と同様、アノード流路113中のガスの流れとカソード流路115中のガスの流れとの関係を発電時には対向流にすることができ、暖機時には並行流にすることができる。   Therefore, also with the present fuel cell system, the relationship between the gas flow in the anode flow channel 113 and the gas flow in the cathode flow channel 115 can be made to be an opposite flow during power generation, as in the first embodiment. When warming up, it can be parallel flow.

その他.
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、上述の実施の形態では、アノード流路112とカソード流路114とを平行に設けているが、本発明においては2つの流路は完全に平行でなくてもよく、流れの方向を切り換えることで上記のような効果が得られる限りは、ある程度の角度のずれがあってもよい。つまり、略平行であってもよい。
Others.
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, in the above-described embodiment, the anode channel 112 and the cathode channel 114 are provided in parallel. However, in the present invention, the two channels do not have to be completely parallel, and the flow direction is switched. As long as the above effects can be obtained, there may be a certain degree of angular deviation. That is, it may be substantially parallel.

また、上述の実施の形態では、カソード流路114内におけるガスの流れを発電時と暖機時とで切り換えるようにしているが、アノード流路112内におけるガスの流れを切り換えるようにしてもよい。   In the above-described embodiment, the gas flow in the cathode flow path 114 is switched between power generation and warm-up, but the gas flow in the anode flow path 112 may be switched. .

また、上述の実施の形態では、カソードオフガスを改質器100に供給しているが、本発明は、改質器に水蒸気を供給するための専用の蒸発器を備えた燃料電池システムにも適用可能である。さらに、本発明が適用可能な燃料電池システムは、発電時にはアノードに水素を含む燃料ガスが供給され、暖機時にはアノードに高温のガスが供給される燃料電池システムであればよく、改質器を備えた燃料電池システムには限定されない。   In the above-described embodiment, the cathode off gas is supplied to the reformer 100. However, the present invention is also applied to a fuel cell system including a dedicated evaporator for supplying water vapor to the reformer. Is possible. Furthermore, the fuel cell system to which the present invention is applicable may be any fuel cell system in which a fuel gas containing hydrogen is supplied to the anode during power generation and a high-temperature gas is supplied to the anode during warm-up. It is not limited to the provided fuel cell system.

本発明の実施の形態1としての燃料電池システムの概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the fuel cell system as Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1としての燃料電池システムの発電時におけるガスの流れを示す図である。It is a figure which shows the flow of the gas at the time of the electric power generation of the fuel cell system as Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1としての燃料電池システムの暖機時におけるガスの流れを示す図である。It is a figure which shows the gas flow at the time of warming-up of the fuel cell system as Embodiment 1 of this invention. 発電時における燃料電池内での温度分布を並行流と対向流とで比較した図である。It is the figure which compared the temperature distribution in the fuel cell at the time of electric power generation with a parallel flow and a counterflow. 発電時における燃料電池内での電流密度分布を並行流と対向流とで比較した図である。It is the figure which compared the current density distribution in the fuel cell at the time of electric power generation by the parallel flow and the counterflow. 暖機開始から一定時間経過後の燃料電池内での温度分布を並行流と対向流とで比較した図である。It is the figure which compared the temperature distribution in the fuel cell after a fixed time progress from a warming-up start by a parallel flow and a counterflow. 本発明の実施の形態2としての燃料電池システムの概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the fuel cell system as Embodiment 2 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

100 改質器
110 燃料電池
112 アノード
113 アノード流路
114 カソード
115 カソード流路
116 電解質膜
120,160,170 エアポンプ
140,150 三方弁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Reformer 110 Fuel cell 112 Anode 113 Anode channel 114 Cathode 115 Cathode channel 116 Electrolyte membrane 120,160,170 Air pump 140,150 Three-way valve

Claims (4)

アノードとカソードを有する燃料電池を含み、前記燃料電池の発電時には、前記アノードに水素を含む燃料ガスが供給されるとともに前記カソードに酸素を含む酸化ガスが供給され、前記燃料電池の暖機時には、前記アノードに高温のガスが供給される燃料電池システムにおいて、
前記アノードに設けられ、前記アノードへの供給ガスが流れるアノード流路と、
前記カソードに前記アノード流路と平行或いは略平行に設けられ、前記カソードへの供給ガスが流れるカソード流路と、
前記アノード流路中のガスの流れと前記カソード流路中のガスの流れとの関係を並行流から対向流に、対向流から並行流に切り換えうるガス流れ切換手段とを備え、
前記燃料電池の発電時には、前記アノード流路中のガスの流れと前記カソード流路中のガスの流れとの関係は対向流とされ、
前記燃料電池の暖機時には、前記アノード流路中のガスの流れと前記カソード流路中のガスの流れとの関係は並行流とされることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell having an anode and a cathode, and at the time of power generation of the fuel cell, a fuel gas containing hydrogen is supplied to the anode and an oxidizing gas containing oxygen is supplied to the cathode, and when the fuel cell is warmed up, In the fuel cell system in which high temperature gas is supplied to the anode,
An anode flow path provided in the anode and through which a supply gas to the anode flows;
A cathode channel provided in the cathode in parallel or substantially in parallel with the anode channel, and through which a supply gas to the cathode flows;
Gas flow switching means capable of switching the relationship between the gas flow in the anode flow path and the gas flow in the cathode flow path from parallel flow to counter flow, and from counter flow to parallel flow,
During power generation of the fuel cell, the relationship between the gas flow in the anode flow channel and the gas flow in the cathode flow channel is an opposing flow,
When the fuel cell is warmed up, the relationship between the gas flow in the anode flow path and the gas flow in the cathode flow path is a parallel flow.
炭化水素原料を改質して燃料ガスを生成する改質器を備え、
前記燃料電池の発電時には、前記改質器から前記アノードに燃料ガスが供給され、
前記燃料電池の暖機時には、前記改質器での炭化水素原料のリーン燃焼により生成された高温ガスが前記アノードに供給されることを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。
Equipped with a reformer that reforms hydrocarbon feedstock to produce fuel gas,
During power generation of the fuel cell, fuel gas is supplied from the reformer to the anode,
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein when the fuel cell is warmed up, a high-temperature gas generated by lean combustion of a hydrocarbon raw material in the reformer is supplied to the anode.
前記燃料電池の発電時には、前記カソードから排出されるカソードオフガスが炭化水素原料の改質用エアとして前記改質器に供給され、
前記燃料電池の暖機時には、前記カソードから排出されるカソードオフガスが炭化水素原料のリーン燃焼用エアとして前記改質器に供給されることを特徴とする請求項2記載の燃料電池システム。
During power generation of the fuel cell, cathode off-gas discharged from the cathode is supplied to the reformer as air for reforming hydrocarbon raw material,
3. The fuel cell system according to claim 2, wherein when the fuel cell is warmed up, cathode off-gas discharged from the cathode is supplied to the reformer as lean combustion air for a hydrocarbon raw material.
前記ガス流れ切換手段は、前記カソードへのガス供給源の前記カソード流路への接続先を前記カソード流路の一端と他端との間で切り換える、或いは、前記アノードへのガス供給源の前記アノード流路への接続先を前記アノード流路の一端と他端との間で切り換える切換弁を含むことを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の燃料電池システム。   The gas flow switching means switches the connection destination of the gas supply source to the cathode to the cathode flow path between one end and the other end of the cathode flow path, or the gas supply source to the anode The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, further comprising a switching valve that switches a connection destination to the anode flow path between one end and the other end of the anode flow path.
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