JP2006032147A - Fuel cell system - Google Patents

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一教 福間
Takaharu Sato
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To carry out a low temperature start-up speedily by a simple and economical constitution. <P>SOLUTION: A fluid circulation device 46 for temperature control has a combustor 68 to burn a reactant gas and heat the fluid for temperature control, a fluid supply tube passage 70 for temperature control to warm up a fuel cell stack 12 by the fluid for temperature control heated by the combustor 68, a first waste heat gas supply passage 86 to warm up at least auxiliary equipment by the waste heat gas discharged from the combustor 68, and a second waste heat gas supply passage 94 to warm up an electricity storing device 96 by the waste heat gas. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体が、セパレータにより挟持された発電セルを設け、前記発電セルが複数積層される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを運転するために使用される補器類と、電気エネルギを貯蔵及び供給可能な蓄電装置とを備える燃料電池システムに関する。   The present invention provides a fuel cell stack in which an electrolyte / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte is provided with a power generation cell sandwiched between separators, and a plurality of the power generation cells are stacked, and the fuel cell stack is operated. The present invention relates to a fuel cell system that includes auxiliary devices used to perform storage and a power storage device capable of storing and supplying electric energy.

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜(電解質)の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)を、セパレータによって挟持した発電セルを備える。この種の発電セルは、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ交互に積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。   Generally, a polymer electrolyte fuel cell includes an electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) in which an anode side electrode and a cathode side electrode are provided on both sides of an electrolyte membrane (electrolyte) made of a polymer ion exchange membrane, respectively. A power generation cell sandwiched by a separator. This type of power generation cell is normally used as a fuel cell stack by alternately laminating a predetermined number of electrolyte membrane / electrode structures and separators.

燃料電池において、アノード側電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス(以下、水素含有ガスともいう)が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気(以下、酸素含有ガスともいう)が供給されている。アノード側電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。   In a fuel cell, a fuel gas, for example, a gas mainly containing hydrogen (hereinafter also referred to as a hydrogen-containing gas) is supplied to the anode side electrode, while an oxidant gas, for example, a main gas is supplied to the cathode side electrode. Is supplied with oxygen-containing gas or air (hereinafter also referred to as oxygen-containing gas). In the fuel gas supplied to the anode side electrode, hydrogen is ionized on the electrode catalyst and moves to the cathode side electrode side through the electrolyte membrane. Electrons generated during that time are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy.

ところで、この種の燃料電池では、イオン導電性を維持するために、高分子イオン交換膜からなる電解質膜を適度に加湿しておく必要がある。さらに、カソード側電極では、上記のように反応による生成水が存在する一方、アノード側電極では、前記生成水が逆拡散し易い。このため、燃料電池を氷点下等の低温で始動させようとすると、前記燃料電池内の水分に凍結が発生し易く、該燃料電池内で電気化学反応が行われ難いという不具合が指摘されている。   By the way, in this type of fuel cell, in order to maintain ionic conductivity, it is necessary to appropriately humidify the electrolyte membrane made of the polymer ion exchange membrane. Furthermore, while water generated by the reaction exists as described above in the cathode side electrode, the generated water tends to be reversely diffused in the anode side electrode. For this reason, it has been pointed out that when the fuel cell is started at a low temperature such as below freezing point, the moisture in the fuel cell is likely to be frozen and the electrochemical reaction is difficult to occur in the fuel cell.

そこで、この種の問題を解決するために、例えば、特許文献1の固体高分子型燃料電池発電システムが知られている。この固体高分子型燃料電池発電システムは、図6に示すように、燃料電池スタック1を備え、この燃料電池スタック1には、酸化剤ガス供給手段2から酸化剤ガスである、例えば、空気が供給されるとともに、燃料ガス供給手段3から燃料ガスである、例えば、水素ガスが供給される。   In order to solve this type of problem, for example, a polymer electrolyte fuel cell power generation system disclosed in Patent Document 1 is known. As shown in FIG. 6, this polymer electrolyte fuel cell power generation system includes a fuel cell stack 1, and this fuel cell stack 1 contains oxidant gas from oxidant gas supply means 2, for example, air. While being supplied, fuel gas, for example, hydrogen gas is supplied from the fuel gas supply means 3.

燃料電池スタック1を構成する図示しない冷却板には、不凍液供給手段4を介して不凍液が循環供給される。不凍液供給手段4は、不凍液ポンプ5を備え、この不凍液ポンプ5から不凍液加熱手段6に不凍液が供給されるとともに、この不凍液は、前記不凍液加熱手段6によって加熱された後、燃料電池スタック1に供給されて前記燃料電池スタック1の暖機を行う。   An antifreeze liquid is circulated and supplied to a cooling plate (not shown) constituting the fuel cell stack 1 through an antifreeze supply means 4. The antifreeze liquid supply means 4 includes an antifreeze liquid pump 5. The antifreeze liquid is supplied from the antifreeze liquid pump 5 to the antifreeze liquid heating means 6. The antifreeze liquid is heated by the antifreeze liquid heating means 6 and then supplied to the fuel cell stack 1. Then, the fuel cell stack 1 is warmed up.

不凍液加熱手段6は、燃焼器6aと、この燃焼器6aからの燃焼廃ガスと不凍液との熱交換を行う熱交換器6bとを備えている。不凍液加熱手段6には、燃焼廃ガスを供給するための燃焼廃ガス供給経路7が設けられるとともに、この燃焼廃ガス供給経路7は、燃料電池スタック1の周囲を囲むように設けられている燃焼廃ガス流通経路8に連通している。   The antifreeze liquid heating means 6 includes a combustor 6a and a heat exchanger 6b for exchanging heat between the combustion waste gas from the combustor 6a and the antifreeze liquid. The antifreeze heating means 6 is provided with a combustion waste gas supply path 7 for supplying combustion waste gas, and the combustion waste gas supply path 7 is a combustion provided so as to surround the fuel cell stack 1. It communicates with the waste gas distribution channel 8.

このため、不凍液加熱手段6から排出された燃焼廃ガスは、燃焼廃ガス供給経路7を通って燃焼廃ガス流通経路8に導かれ、この燃焼廃ガス流通経路8内で燃料電池スタック1を加熱した後、外部へと排出される。   For this reason, the combustion waste gas discharged from the antifreeze liquid heating means 6 is guided to the combustion waste gas distribution path 8 through the combustion waste gas supply path 7, and the fuel cell stack 1 is heated in the combustion waste gas distribution path 8. After that, it is discharged to the outside.

特開2000−164233号公報(図2)JP 2000-164233 A (FIG. 2)

一般的に、上記の固体高分子型燃料電池発電システムでは、特に燃料電池スタック1の起動時に補器類に電力を供給するとともに、必要に応じて前記燃料電池スタックにより発電された電気エネルギを貯めるために、キャパシタやバッテリ等の蓄電装置が使用されている。   Generally, in the polymer electrolyte fuel cell power generation system described above, power is supplied to auxiliary devices particularly when the fuel cell stack 1 is started up, and electric energy generated by the fuel cell stack is stored as necessary. Therefore, power storage devices such as capacitors and batteries are used.

ところが、蓄電装置は、温度によって出力が変動することが知られており、低温になるに従って、出力が低下してしまう。このため、特許文献1のように、燃料電池スタック1の周囲のみを加熱する構造では、低温時に蓄電装置の出力低下に起因して、固体高分子型燃料電池発電システムを短時間で良好に始動させることができないという問題がある。   However, it is known that the output of the power storage device varies depending on the temperature, and the output decreases as the temperature decreases. For this reason, in the structure in which only the periphery of the fuel cell stack 1 is heated as in Patent Document 1, the polymer electrolyte fuel cell power generation system is successfully started in a short time due to a decrease in the output of the power storage device at low temperatures. There is a problem that cannot be made.

しかも、燃料電池スタック1の補器類は、低温始動時に凍結するおそれがある。これにより、特許文献1では、補器類の暖機に相当な時間が必要であり、低温始動を迅速に行うことができないという問題がある。   In addition, the auxiliary devices of the fuel cell stack 1 may freeze at the time of cold start. Thereby, in patent document 1, considerable time is required for warming up auxiliary devices, and there exists a problem that a low-temperature start cannot be performed rapidly.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、低温始動を迅速に行うことが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to solve this type of problem, and an object thereof is to provide a fuel cell system capable of promptly performing a cold start with a simple and economical configuration.

本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体が、セパレータにより挟持された発電セルを設け、前記発電セルが複数積層される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを運転するために使用される補器類と、電気エネルギを貯蔵及び供給可能な蓄電装置とを備える燃料電池システムであって、前記燃料電池システムは、前記燃料電池スタック内に温調用流体を循環させる温調用流体循環装置を備えている。   The present invention provides a fuel cell stack in which an electrolyte / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte is provided with a power generation cell sandwiched between separators, and a plurality of the power generation cells are stacked, and the fuel cell stack is operated. And a power storage device capable of storing and supplying electrical energy, wherein the fuel cell system is configured to circulate a temperature adjusting fluid in the fuel cell stack. A conditioning fluid circulation device is provided.

温調用流体循環装置は、発電セルの発電反応に使用される反応ガスを燃焼させて温調用流体を加熱する燃焼器と、前記温調用流体を加熱する際に前記燃焼器から排出される廃熱ガスを、少なくとも前記補器類に供給して該補器類を暖機する第1廃熱ガス供給路と、前記廃熱ガスを前記蓄電装置に供給して該蓄電装置を暖機する第2廃熱ガス供給路とを設けている。   The temperature adjustment fluid circulation device includes a combustor that heats the temperature adjustment fluid by burning a reaction gas used for a power generation reaction of a power generation cell, and waste heat that is discharged from the combustor when the temperature adjustment fluid is heated. A first waste heat gas supply passage for supplying gas to at least the auxiliary devices to warm up the auxiliary devices; and a second waste heat gas for supplying the waste heat gas to the power storage device to warm up the power storage device. A waste heat gas supply path is provided.

また、第2廃熱ガス供給路は、蓄電装置を冷却するために使用される冷却ダクトにより構成されることが好ましい。さらに、廃熱ガスを利用して車室内の昇温を行うための熱交換手段を備えることが好ましい。   Moreover, it is preferable that a 2nd waste heat gas supply path is comprised by the cooling duct used in order to cool an electrical storage apparatus. Furthermore, it is preferable to provide a heat exchanging means for raising the temperature of the passenger compartment using waste heat gas.

本発明によれば、燃焼器から排出される廃熱ガスを利用して補器類及び蓄電装置を迅速に暖機することができ、前記補器類の解凍や前記蓄電装置の出力特性の向上が容易に図られる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、燃料電池システムの低温始動特性を良好に向上させることが可能になる。   According to the present invention, it is possible to quickly warm up the auxiliary devices and the power storage device using the waste heat gas discharged from the combustor, and to defrost the auxiliary devices and improve the output characteristics of the power storage device. Is easily achieved. This makes it possible to improve the low temperature starting characteristics of the fuel cell system with a simple and economical configuration.

図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池システム10の概略構成説明図であり、前記燃料電池システム10を構成する燃料電池スタック12は、複数の発電セル14を矢印A方向に積層して構成される。   FIG. 1 is an explanatory diagram of a schematic configuration of a fuel cell system 10 according to a first embodiment of the present invention. A fuel cell stack 12 constituting the fuel cell system 10 includes a plurality of power generation cells 14 in the direction of arrow A. It is constructed by stacking.

発電セル14は、電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)16と、この電解質膜・電極構造体16を挟持する第1及び第2金属セパレータ18、20とを備える。電解質膜・電極構造体16は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜22と、該固体高分子電解質膜22を挟持して保持するアノード側電極24及びカソード側電極26とを備える。なお、第1及び第2金属セパレータ18、20に代替して、例えば、カーボンセパレータ(図示せず)を用いてもよい。   The power generation cell 14 includes an electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) 16, and first and second metal separators 18 and 20 that sandwich the electrolyte membrane / electrode structure 16. The electrolyte membrane / electrode structure 16 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 22 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and an anode-side electrode 24 and a cathode that sandwich and hold the solid polymer electrolyte membrane 22 Side electrode 26. Instead of the first and second metal separators 18 and 20, for example, a carbon separator (not shown) may be used.

アノード側電極24及びカソード側電極26は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層(図示せず)と、白金合金が表面に支持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層(図示せず)とをそれぞれ有する。   The anode side electrode 24 and the cathode side electrode 26 are uniformly coated on the surface of the gas diffusion layer with a gas diffusion layer (not shown) made of carbon paper or the like, and porous carbon particles with a platinum alloy supported on the surface. And an electrode catalyst layer (not shown).

第1金属セパレータ18とアノード側電極24との間には、このアノード側電極24に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス流路28が形成される。第2金属セパレータ20とカソード側電極26との間には、このカソード側電極26に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路30が形成される。第1及び第2金属セパレータ18、20間には、発電セル14の温調、主に、冷却を行うための温調用流体を供給するための温調用流体流路32が形成される。   Between the first metal separator 18 and the anode side electrode 24, a fuel gas flow path 28 for supplying fuel gas along the anode side electrode 24 is formed. Between the second metal separator 20 and the cathode side electrode 26, an oxidant gas flow path 30 for supplying an oxidant gas along the cathode side electrode 26 is formed. Between the first and second metal separators 18 and 20, a temperature adjustment fluid channel 32 for supplying a temperature adjustment fluid for adjusting the temperature of the power generation cell 14, mainly for cooling, is formed.

燃料電池スタック12の両端には、エンドプレート34a、34bが配置されて、前記エンドプレート34a、34b間に締め付け荷重が付与される。エンドプレート34a側には、各発電セル14の燃料ガス流路28に燃料ガスを供給するための燃料ガス入口マニホールド36aと、前記燃料ガス流路28を通過した未使用の燃料ガスを含むオフガスを排出するための燃料ガス出口マニホールド36bと、酸化剤ガス流路30に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口マニホールド38aと、前記酸化剤ガス流路30を通過した未使用の酸化剤ガスを含むオフガスを排出するための酸化剤ガス出口マニホールド38bと、温調用流体流路32に温調用流体を供給するための温調用流体入口マニホールド40aと、前記温調用流体流路32を通過して温調を行った後の該温調用流体を排出するための温調用流体出口マニホールド40bとが形成される。   End plates 34a and 34b are disposed at both ends of the fuel cell stack 12, and a clamping load is applied between the end plates 34a and 34b. On the end plate 34 a side, a fuel gas inlet manifold 36 a for supplying fuel gas to the fuel gas passage 28 of each power generation cell 14, and an off-gas containing unused fuel gas that has passed through the fuel gas passage 28 are provided. A fuel gas outlet manifold 36 b for discharging, an oxidant gas inlet manifold 38 a for supplying an oxidant gas to the oxidant gas flow path 30, and an unused oxidant gas that has passed through the oxidant gas flow path 30. An oxidant gas outlet manifold 38b for discharging off-gas containing the gas, a temperature adjusting fluid inlet manifold 40a for supplying a temperature adjusting fluid to the temperature adjusting fluid channel 32, and the temperature adjusting fluid channel 32. A temperature adjustment fluid outlet manifold 40b for discharging the temperature adjustment fluid after the temperature adjustment is formed.

なお、第1の実施形態では、エンドプレート34aにそれぞれの流体の入口マニホールド及び出口マニホールドを設けているが、例えば、前記エンドプレート34aに入口マニホールドを設ける一方、エンドプレート34bに出口マニホールドを設けてもよい。   In the first embodiment, the end plate 34a is provided with an inlet manifold and an outlet manifold for each fluid. For example, the end plate 34a is provided with an inlet manifold, while the end plate 34b is provided with an outlet manifold. Also good.

燃料電池スタック12には、燃料ガス入口マニホールド36a及び燃料ガス出口マニホールド36bに連通する燃料ガス供給装置42と、酸化剤ガス入口マニホールド38a及び酸化剤ガス出口マニホールド38bに連通する酸化剤ガス供給装置44と、温調用流体入口マニホールド40a及び温調用流体出口マニホールド40bに連通する温調用流体循環装置46とが接続される。   The fuel cell stack 12 includes a fuel gas supply device 42 that communicates with the fuel gas inlet manifold 36a and the fuel gas outlet manifold 36b, and an oxidant gas supply device 44 that communicates with the oxidant gas inlet manifold 38a and the oxidant gas outlet manifold 38b. Are connected to the temperature adjusting fluid inlet manifold 40a and the temperature adjusting fluid outlet manifold 40b.

燃料ガス供給装置42は、高圧水素を貯留する燃料タンク(水素タンク)48を備え、この燃料タンク48に一端が接続される燃料ガス管路50には、レギュレータ52、バルブ54及びエゼクタ56が接続される。燃料ガス管路50は、燃料電池スタック12の燃料ガス入口マニホールド36aに連通する一方、燃料ガス出口マニホールド36bに一端を接続する燃料ガス循環路58は、エゼクタ56に接続される。   The fuel gas supply device 42 includes a fuel tank (hydrogen tank) 48 that stores high-pressure hydrogen, and a regulator 52, a valve 54, and an ejector 56 are connected to a fuel gas pipe 50 having one end connected to the fuel tank 48. Is done. The fuel gas conduit 50 communicates with the fuel gas inlet manifold 36 a of the fuel cell stack 12, while the fuel gas circulation path 58 that connects one end to the fuel gas outlet manifold 36 b is connected to the ejector 56.

酸化剤ガス供給装置44は、空気を圧縮して供給するためのコンプレッサ(又はスーパーチャージャ)60を備え、このコンプレッサ60と燃料電池スタック12の酸化剤ガス入口マニホールド38aとは、酸化剤ガス管路62により連通する。酸化剤ガス管路62には、加湿器64がバルブ66を介して接続自在である。   The oxidant gas supply device 44 includes a compressor (or supercharger) 60 for compressing and supplying air. The compressor 60 and the oxidant gas inlet manifold 38a of the fuel cell stack 12 are connected to an oxidant gas pipe line. 62 communicates. A humidifier 64 can be connected to the oxidant gas pipe 62 via a valve 66.

温調用流体循環装置46は、燃料ガスと空気との燃焼により温調用流体を加熱(熱交換)するための燃焼器68を備える。この燃焼器68と燃料電池スタック12の温調用流体入口マニホールド40aとは、温調用流体供給管路70により連通するとともに、この温調用流体供給管路70にポンプ72が配設される。燃料電池スタック12の温調用流体出口マニホールド40bと燃焼器68とは、温調用流体排出管路74により連通し、温調用流体供給管路70と前記温調用流体排出管路74とにより温調用流体循環路が構成される。   The temperature adjustment fluid circulation device 46 includes a combustor 68 for heating (heat exchange) the temperature adjustment fluid by combustion of fuel gas and air. The combustor 68 and the temperature adjustment fluid inlet manifold 40 a of the fuel cell stack 12 communicate with each other via a temperature adjustment fluid supply line 70, and a pump 72 is disposed in the temperature adjustment fluid supply line 70. The temperature adjustment fluid outlet manifold 40b and the combustor 68 of the fuel cell stack 12 communicate with each other through a temperature adjustment fluid discharge line 74, and the temperature adjustment fluid supply line 70 and the temperature adjustment fluid discharge line 74 communicate with each other. A circuit is constructed.

燃焼器68には、バルブ54を介して燃料供給管路76が接続されるとともに、燃料電池スタック12の酸化剤ガス出口マニホールド38bに接続された排出エア供給管路78が接続される。燃焼器68には、温調用流体を加熱する際に発生する廃熱ガスを排出するための廃熱ガス管路80が設けられ、この廃熱ガス管路80は、バルブ82を介して排出路84と第1廃熱ガス供給路86とに接続される。   A fuel supply line 76 is connected to the combustor 68 through a valve 54, and an exhaust air supply line 78 connected to the oxidant gas outlet manifold 38 b of the fuel cell stack 12 is connected. The combustor 68 is provided with a waste heat gas pipe 80 for discharging waste heat gas generated when the temperature control fluid is heated. The waste heat gas pipe 80 is connected to a discharge path via a valve 82. 84 and the first waste heat gas supply path 86.

第1廃熱ガス供給路86は、燃料電池スタック12及び補器類を囲繞するカバー部材88に接続されてこのカバー部材88内に開放される。カバー部材88は断熱材を備え、その内部には、補器類、例えば、レギュレータ52、バルブ54、66、エゼクタ56、加湿器64及びポンプ72等が収容される。カバー部材88には、排気用管路90が接続される。   The first waste heat gas supply path 86 is connected to a cover member 88 that surrounds the fuel cell stack 12 and auxiliary devices, and is opened in the cover member 88. The cover member 88 is provided with a heat insulating material and accommodates auxiliary devices such as a regulator 52, valves 54 and 66, an ejector 56, a humidifier 64, a pump 72, and the like. An exhaust pipe line 90 is connected to the cover member 88.

第1廃熱ガス供給路86には、バルブ92(必要に応じて配設される)を介して第2廃熱ガス供給路94が接続される。この第2廃熱ガス供給路94は、キャパシタやバッテリ等の蓄電装置(E/S)96に接続される。   A second waste heat gas supply path 94 is connected to the first waste heat gas supply path 86 via a valve 92 (arranged as necessary). The second waste heat gas supply path 94 is connected to a power storage device (E / S) 96 such as a capacitor or a battery.

燃料電池スタック12の近傍には、燃料電池システム10を構成する部品の表面温度を検出するために温度センサ98が配設される。   In the vicinity of the fuel cell stack 12, a temperature sensor 98 is disposed in order to detect the surface temperature of components constituting the fuel cell system 10.

このように構成される燃料電池システム10の動作について、以下に説明する。   The operation of the fuel cell system 10 configured as described above will be described below.

先ず、燃料電池システム10が通常運転される際には、燃料ガス供給装置42を構成する燃料タンク48から燃料ガス管路50に水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。この燃料ガスは、レギュレータ52を介して所定の圧力に調整された後、エゼクタ56を通って燃料電池スタック12の燃料ガス入口マニホールド36aに供給される。   First, when the fuel cell system 10 is normally operated, a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied from the fuel tank 48 constituting the fuel gas supply device 42 to the fuel gas conduit 50. The fuel gas is adjusted to a predetermined pressure via the regulator 52 and then supplied to the fuel gas inlet manifold 36 a of the fuel cell stack 12 through the ejector 56.

燃料ガスは、各発電セル14を構成する燃料ガス流路28に供給され、アノード側電極24に沿って移動した後、燃料ガス出口マニホールド36bから燃料ガス循環路58に排出される。この排出されたオフガスは、エゼクタ56を介して、再度、燃料ガス入口マニホールド36aに供給される。   The fuel gas is supplied to the fuel gas flow path 28 constituting each power generation cell 14, moves along the anode side electrode 24, and is then discharged from the fuel gas outlet manifold 36 b to the fuel gas circulation path 58. The discharged off gas is supplied again to the fuel gas inlet manifold 36 a via the ejector 56.

一方、酸化剤ガス供給装置44を構成するコンプレッサ60の作用下に、酸化剤ガス管路62に酸化剤ガスとして空気が供給される。この空気は、必要に応じて加湿器64に送れられた後、燃料電池スタック12の酸化剤ガス入口マニホールド38aから各発電セル14の酸化剤ガス流路30に供給される。空気は、カソード側電極26に沿って移動した後、酸化剤ガス出口マニホールド38bから排出エア供給管路78を介して燃焼器68に送られ、廃熱ガス管路80を通って排出路84から外部に排出される。   On the other hand, air is supplied as an oxidant gas to the oxidant gas pipe 62 under the action of the compressor 60 constituting the oxidant gas supply device 44. This air is sent to the humidifier 64 as necessary, and then supplied from the oxidant gas inlet manifold 38a of the fuel cell stack 12 to the oxidant gas flow path 30 of each power generation cell 14. After moving along the cathode side electrode 26, the air is sent from the oxidant gas outlet manifold 38 b to the combustor 68 through the exhaust air supply line 78, and from the exhaust path 84 through the waste heat gas line 80. It is discharged outside.

このため、各発電セル14を構成する電解質膜・電極構造体16では、アノード側電極24に供給される燃料ガスと、カソード側電極26に供給される空気とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。   Therefore, in the electrolyte membrane / electrode structure 16 constituting each power generation cell 14, the fuel gas supplied to the anode side electrode 24 and the air supplied to the cathode side electrode 26 are electrochemically generated in the electrode catalyst layer. It is consumed by the reaction and power is generated.

また、温調用流体循環装置46では、ポンプ72の作用下に温調用流体が燃料電池スタック12の温調用流体入口マニホールド40aから温調用流体流路32に供給される。この温調用流体は、発電セル14を冷却(温調)した後、温調用流体出口マニホールド40bから排出されて循環される。   In the temperature adjusting fluid circulation device 46, the temperature adjusting fluid is supplied from the temperature adjusting fluid inlet manifold 40 a of the fuel cell stack 12 to the temperature adjusting fluid flow path 32 under the action of the pump 72. The temperature adjustment fluid is cooled (temperature adjustment) of the power generation cell 14, and then discharged from the temperature adjustment fluid outlet manifold 40b and circulated.

次いで、燃料電池システム10を低温始動する際について、図2に示すフローチャートに沿って説明する。   Next, the low temperature start of the fuel cell system 10 will be described with reference to the flowchart shown in FIG.

先ず、燃料電池スタック12が暖機中であるか否かが判断される(ステップS1)。この燃料電池スタック12が暖機中でないと判断されると(ステップS1中、NO)、ステップS2に進んで、システム暖機用のバルブ82がオフされる。この状態では、上記の通常運転が行われる。   First, it is determined whether or not the fuel cell stack 12 is warming up (step S1). If it is determined that the fuel cell stack 12 is not warming up (NO in step S1), the process proceeds to step S2, and the system warming-up valve 82 is turned off. In this state, the normal operation is performed.

一方、燃料電池スタック12が暖機中であると判断されると(ステップS1中、YES)、ステップS3に進んで、温度センサ98により検出される温度が暖機閾値よりも高いか否かが判断される。そして、検出温度が暖機閾値以下であると判断されると(ステップS3中、NO)、ステップS4に進んで、システム暖機用のバルブ82がオンされる。   On the other hand, if it is determined that the fuel cell stack 12 is warming up (YES in step S1), the process proceeds to step S3, and whether or not the temperature detected by the temperature sensor 98 is higher than the warming-up threshold value. To be judged. When it is determined that the detected temperature is equal to or lower than the warm-up threshold value (NO in step S3), the process proceeds to step S4, and the system warm-up valve 82 is turned on.

ここで、燃料電池スタック12は暖機中である。このため、図1に示すように、燃焼器68には、燃料ガス供給装置42から燃料ガスが供給されるとともに、排出エア供給管路78からオフガスエアが供給されて燃焼が行われ、温調用流体の加熱が行われている。   Here, the fuel cell stack 12 is warming up. For this reason, as shown in FIG. 1, the combustion gas is supplied to the combustor 68 from the fuel gas supply device 42 and off-gas air is supplied from the exhaust air supply pipe 78 to perform combustion. The heating is done.

従って、燃焼器68から廃熱ガス管路80には、比較的高温の廃熱ガスが排出されており、この廃熱ガスは、第1廃熱ガス供給路86からカバー部材88内に供給される。これにより、補器類及び燃料ガス管路50を含む配管類を、直接、暖機することができ、前記補器類及び前記配管類の暖機速度が一挙に向上するという利点が得られる。   Accordingly, a relatively high temperature waste heat gas is discharged from the combustor 68 to the waste heat gas pipe line 80, and this waste heat gas is supplied into the cover member 88 from the first waste heat gas supply path 86. The As a result, the piping including the auxiliary devices and the fuel gas pipe 50 can be directly warmed up, and the warming-up speed of the auxiliary devices and the piping can be improved at once.

しかも、比較的高温の廃熱ガスは、第2廃熱ガス供給路94を介して蓄電装置96に送られ、この蓄電装置96を直接暖機している。その際、図3に示すように、蓄電装置96は、温度に対して出力が変動しており、低温時の出力が相当に低下している。このため、廃熱ガスにより蓄電装置96を直接暖機することにより、この蓄電装置96の出力特性が一挙に向上し、前記蓄電装置96は、短時間で所望の性能を発揮することが可能になる。   Moreover, the relatively high-temperature waste heat gas is sent to the power storage device 96 via the second waste heat gas supply path 94, and the power storage device 96 is directly warmed up. At that time, as shown in FIG. 3, the output of the power storage device 96 fluctuates with respect to the temperature, and the output at a low temperature is considerably reduced. Therefore, by directly warming up the power storage device 96 with waste heat gas, the output characteristics of the power storage device 96 are improved at once, and the power storage device 96 can exhibit desired performance in a short time. Become.

これにより、第1の実施形態では、簡単且つ経済的な構成で、燃料電池システム10の低温始動特性を良好に向上させることができるという効果が得られる。   Thereby, in 1st Embodiment, the effect that the low temperature starting characteristic of the fuel cell system 10 can be improved favorably with a simple and economical structure is acquired.

次いで、燃料電池スタック12の温度が暖機閾値を超えると(ステップS3中、YES)、ステップS5に進んで、バルブ82がオフされる。従って、廃熱ガスが排出路84に排出されるとともに、燃料電池システム10の暖機運転が終了し、上記の通常運転に移行することが可能になる。   Next, when the temperature of the fuel cell stack 12 exceeds the warm-up threshold value (YES in step S3), the process proceeds to step S5 and the valve 82 is turned off. Accordingly, the waste heat gas is discharged to the discharge path 84, the warm-up operation of the fuel cell system 10 is finished, and it is possible to shift to the normal operation.

なお、第1の実施形態では、燃料電池スタック12の酸化剤ガス出口マニホールド38bに排出された排出エアを燃焼器68に供給しているが、これに限定されるものではない。例えば、酸化剤ガス管路62から酸化剤ガス供給管(図示せず)を分岐し、燃焼器68に直接空気を供給してもよい。   In the first embodiment, the exhaust air discharged to the oxidant gas outlet manifold 38b of the fuel cell stack 12 is supplied to the combustor 68. However, the present invention is not limited to this. For example, an oxidant gas supply pipe (not shown) may be branched from the oxidant gas pipe 62 and air may be directly supplied to the combustor 68.

図4は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池システム100の概略構成説明図である。   FIG. 4 is a schematic configuration explanatory diagram of a fuel cell system 100 according to the second embodiment of the present invention.

なお、第1の実施形態に係る燃料電池システム10と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第3の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。   The same components as those of the fuel cell system 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. Similarly, in the third embodiment described below, detailed description thereof is omitted.

燃料電池システム100では、燃料電池スタック12に燃料ガス供給装置102、酸化剤ガス供給装置104及び温調用流体循環装置46が接続される。燃料ガス供給装置102は、前述した燃料ガス供給装置42と同一に構成してもよく、あるいは、通常使用されている種々の構成を採用してもよい。酸化剤ガス供給装置104は、同様に前述した酸化剤ガス供給装置44と同様に構成してもよく、あるいは、通常使用されている種々の構成を採用してもよい。   In the fuel cell system 100, a fuel gas supply device 102, an oxidant gas supply device 104, and a temperature control fluid circulation device 46 are connected to the fuel cell stack 12. The fuel gas supply device 102 may be configured in the same manner as the fuel gas supply device 42 described above, or may employ various configurations that are normally used. The oxidant gas supply device 104 may be similarly configured in the same manner as the oxidant gas supply device 44 described above, or may employ various configurations that are normally used.

蓄電装置96には、この蓄電装置96を冷却するための冷却ダクト106が設けられており、第2廃熱ガス供給路94が前記冷却ダクト106に連通する。すなわち、冷却ダクト106は、第2廃熱ガス供給路94の少なくとも一部を構成する。   The power storage device 96 is provided with a cooling duct 106 for cooling the power storage device 96, and the second waste heat gas supply path 94 communicates with the cooling duct 106. That is, the cooling duct 106 constitutes at least a part of the second waste heat gas supply path 94.

従って、第2の実施形態では、第1の実施形態と同様の効果が得られる他、蓄電装置96に設けられている冷却ダクト106に廃熱ガスが供給されるため、前記蓄電装置96の暖機構成が有効に簡素化されるという利点がある。   Therefore, in the second embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained, and the waste heat gas is supplied to the cooling duct 106 provided in the power storage device 96. There is an advantage that the machine configuration is effectively simplified.

図5は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池システム120の概略構成説明図である。   FIG. 5 is a schematic configuration explanatory diagram of a fuel cell system 120 according to the third embodiment of the present invention.

燃料電池システム120では、燃焼器68に接続されている廃熱ガス管路80にバルブ122を介して排出路84、第1廃熱ガス供給路86及び第3廃熱ガス供給路124が接続可能である。この第3廃熱ガス供給路124は、熱交換器126に接続されており、前記熱交換器126に供給される廃熱ガスとの間で熱交換を行った加熱エアは、管路128を介して図示しない車室に供給される。   In the fuel cell system 120, a discharge path 84, a first waste heat gas supply path 86, and a third waste heat gas supply path 124 can be connected to a waste heat gas pipe 80 connected to the combustor 68 via a valve 122. It is. The third waste heat gas supply path 124 is connected to the heat exchanger 126, and the heated air that exchanges heat with the waste heat gas supplied to the heat exchanger 126 passes through the pipe 128. To the vehicle compartment (not shown).

これにより、第3の実施形態では、燃焼器68から排出される廃熱ガスを利用して車室内を温めることができ、廃熱ガスの有効利用が一層良好に図られるという効果が得られる。   Thereby, in 3rd Embodiment, the inside of a vehicle interior can be warmed using the waste heat gas discharged | emitted from the combustor 68, and the effect that the effective utilization of waste heat gas is achieved further is acquired.

本発明の第1の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。1 is an explanatory diagram of a schematic configuration of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. 前記燃料電池システムの低温始動を説明するフローチャートである。4 is a flowchart for explaining a low-temperature start of the fuel cell system. 蓄電装置の温度に対する出力特性の説明図である。It is explanatory drawing of the output characteristic with respect to the temperature of an electrical storage apparatus. 本発明の第2の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。It is a schematic structure explanatory drawing of the fuel cell system concerning the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。It is schematic structure explanatory drawing of the fuel cell system which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 特許文献1の固体高分子型燃料電池発電システムの構成説明図である。1 is a configuration explanatory diagram of a polymer electrolyte fuel cell power generation system of Patent Document 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10、100、120…燃料電池システム 12…燃料電池スタック
14…発電セル 16…電解質膜・電極構造体
18、20…金属セパレータ 22…固体高分子電解質膜
24…アノード側電極 26…カソード側電極
28…燃料ガス流路 30…酸化剤ガス流路
32…温調用流体流路 34a、34b…エンドプレート
36a…燃料ガス入口マニホールド 36b…燃料ガス出口マニホールド
40a…温調用流体入口マニホールド 40b…温調用流体出口マニホールド
42、102…燃料ガス供給装置 44、104…酸化剤ガス供給装置
46…温調用流体循環装置 48…燃料タンク
50…燃料ガス管路 52…レギュレータ
54、66、82、122…バルブ 56…エゼクタ
58…燃料ガス循環路 60…コンプレッサ
62…酸化剤ガス管路 64…加湿器
68…燃焼器 70…温調用流体供給管路
74…温調用流体排出管路 76…燃料供給管路
78…排出エア供給管路 80…廃熱ガス管路
84…排出路 86、94、124…廃熱ガス供給路
88…カバー部材 90…排気用管路
96…蓄電装置 98…温度センサ
126…熱交換器 128…管路

DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 100, 120 ... Fuel cell system 12 ... Fuel cell stack 14 ... Power generation cell 16 ... Electrolyte membrane electrode assembly 18, 20 ... Metal separator 22 ... Solid polymer electrolyte membrane 24 ... Anode side electrode 26 ... Cathode side electrode 28 ... Fuel gas flow path 30 ... Oxidant gas flow path 32 ... Temperature adjustment fluid flow path 34a, 34b ... End plate 36a ... Fuel gas inlet manifold 36b ... Fuel gas outlet manifold 40a ... Temperature adjustment fluid inlet manifold 40b ... Temperature adjustment fluid outlet Manifold 42, 102 ... Fuel gas supply device 44, 104 ... Oxidant gas supply device 46 ... Temperature control fluid circulation device 48 ... Fuel tank 50 ... Fuel gas conduit 52 ... Regulator 54, 66, 82, 122 ... Valve 56 ... Ejector 58 ... Fuel gas circulation path 60 ... Compressor 62 ... Oxidant gas pipe line 64 Humidifier 68 ... Combustor 70 ... Temperature adjustment fluid supply line 74 ... Temperature adjustment fluid discharge line 76 ... Fuel supply line 78 ... Exhaust air supply line 80 ... Waste heat gas line 84 ... Discharge path 86, 94, 124 ... Waste heat gas supply path 88 ... Cover member 90 ... Exhaust pipe line 96 ... Power storage device 98 ... Temperature sensor 126 ... Heat exchanger 128 ... Pipe line

Claims (3)

電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体が、セパレータにより挟持された発電セルを設け、前記発電セルが複数積層される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを運転するために使用される補器類と、電気エネルギを貯蔵及び供給可能な蓄電装置とを備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタック内に温調用流体を循環させる温調用流体循環装置を備え、
前記温調用流体循環装置は、前記発電セルの発電反応に使用される反応ガスを燃焼させて前記温調用流体を加熱する燃焼器と、
前記温調用流体を加熱する際に前記燃焼器から排出される廃熱ガスを、少なくとも前記補器類に供給して該補器類を暖機する第1廃熱ガス供給路と、
前記廃熱ガスを前記蓄電装置に供給して該蓄電装置を暖機する第2廃熱ガス供給路と、
を設けることを特徴とする燃料電池システム。
An electrolyte / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte is provided with a power generation cell sandwiched between separators, and is used to operate a fuel cell stack in which a plurality of the power generation cells are stacked, and the fuel cell stack A fuel cell system comprising auxiliary devices and a power storage device capable of storing and supplying electric energy,
A temperature adjusting fluid circulating device for circulating a temperature adjusting fluid in the fuel cell stack;
The temperature control fluid circulation device is configured to burn a reaction gas used for a power generation reaction of the power generation cell to heat the temperature control fluid;
A first waste heat gas supply passage for supplying waste heat gas discharged from the combustor when heating the temperature adjusting fluid to at least the auxiliary devices to warm up the auxiliary devices;
A second waste heat gas supply path for supplying the waste heat gas to the power storage device to warm up the power storage device;
A fuel cell system comprising:
請求項1記載の燃料電池システムにおいて、前記第2廃熱ガス供給路は、前記蓄電装置を冷却するために使用される冷却ダクトにより構成されることを特徴とする燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the second waste heat gas supply path is constituted by a cooling duct used for cooling the power storage device. 請求項1又は2記載の燃料電池システムにおいて、前記廃熱ガスを利用して車室内の昇温を行うための熱交換手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。

3. The fuel cell system according to claim 1, further comprising a heat exchanging unit configured to raise a temperature in a vehicle interior using the waste heat gas.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102520368A (en) * 2011-12-28 2012-06-27 新源动力股份有限公司 Experimental method for quick start of fuel cell pile in subzero temperature

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