JP2006156136A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enable to exhaust a fuel gas into atmosphere after reducing concentration of the fuel gas by a simple constitution without using a device such as a diluter by connecting a fuel exhaust tube passage to exhaust a purged fuel gas in the midway of oxidized gas exit in a fuel cell stack and the exhaust manifold to exhaust the exhausted oxidized gas and generated water after temporarily housing them. <P>SOLUTION: This has the fuel cell stack to generate electric power because the fuel gas and the oxidized gas are supplied, a circulation passage to circulate the fuel gas exhausted from the fuel gas exit of the fuel cell stack by returning it to the fuel gas entrance, the exhaust manifold to exhaust the oxidized gas and formed water exhausted from the oxidized gas exit of the fuel cell stack after temporarily housing, and the fuel exhaust pipe passage to exhaust impurity containing fuel gas exhausted by the purge of the circulation passage into the exhaust manifold. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。   The present invention relates to a fuel cell system.

従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、直接型メタノール等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池が一般的である。   Conventionally, since fuel cells have high power generation efficiency and do not emit harmful substances, they have been put into practical use as power generators for industrial and household use, or as power sources for artificial satellites and spacecrafts. Development is progressing as a power source for vehicles such as buses and trucks. The fuel cell may be an alkaline aqueous solution type, a phosphoric acid type, a molten carbonate type, a solid oxide type, a direct type methanol or the like, but a solid polymer type fuel cell is generally used.

この場合、固体高分子電解質膜を2枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極(アノード極)とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン(プロトン)と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極(カソード極)とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。   In this case, the solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between two gas diffusion electrodes and integrated to join. When one of the gas diffusion electrodes is used as a fuel electrode (anode electrode) and hydrogen gas as fuel is supplied to the surface thereof, hydrogen is decomposed into hydrogen ions (protons) and electrons, and the hydrogen ions are converted into a solid polymer electrolyte. Permeates the membrane. Further, when the other of the gas diffusion electrodes is an oxygen electrode (cathode electrode) and air as an oxidant is supplied to the surface, oxygen in the air is combined with the hydrogen ions and electrons to generate water. The An electromotive force is generated by such an electrochemical reaction.

そして、前記固体高分子型燃料電池においては、固体高分子電解質膜の両側を湿潤な状態に維持する必要があるので、燃料極側及び酸素極側のそれぞれに水を供給するようになっている。この場合、水分は、燃料極側から酸素極側に向けてプロトン同伴水として移動し、酸素極側から燃料極側に向けて逆拡散水として移動する。   In the polymer electrolyte fuel cell, since both sides of the polymer electrolyte membrane need to be maintained in a wet state, water is supplied to each of the fuel electrode side and the oxygen electrode side. . In this case, moisture moves as proton-entrained water from the fuel electrode side toward the oxygen electrode side, and moves as back diffusion water from the oxygen electrode side toward the fuel electrode side.

ところで、酸素極側から燃料極側において余剰となった水分を滞留させておくと水素や酸素の十分な供給が阻害されるので、余剰の水分を排出する必要がある。この場合、酸素極側における余剰の水分は空気とともに大気中に放出することができるが、燃料極側における余剰の水分は、安全上の観点から水素の大気中への放出が制限される。そこで、希釈器を使用して水素ガスの濃度を低下させてから大気中に放出する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
特開2004−55287号公報
By the way, if excessive water is retained from the oxygen electrode side to the fuel electrode side, sufficient supply of hydrogen and oxygen is hindered, so it is necessary to discharge excess water. In this case, excess water on the oxygen electrode side can be released together with air into the atmosphere, but excess water on the fuel electrode side restricts the release of hydrogen into the atmosphere from the viewpoint of safety. Thus, a technique has been proposed in which the concentration of hydrogen gas is reduced using a diluter and then released into the atmosphere (see, for example, Patent Document 1).
JP 2004-55287 A

しかしながら、前記従来の燃料電池システムにおいては、希釈器を使用する必要があるので燃料電池装置全体の構成が複雑かつ大型になってしまい、コストも高くなってしまう。また、空気や水素ガスに含まれる水分を回収せずに排出してしまうので、燃料極側及び酸素極側に供給された水の消費量が増加してしまう。   However, in the conventional fuel cell system, since it is necessary to use a diluter, the configuration of the entire fuel cell device becomes complicated and large, and the cost increases. In addition, since water contained in the air or hydrogen gas is discharged without being recovered, the amount of water supplied to the fuel electrode side and the oxygen electrode side is increased.

本発明は、前記従来の燃料電池システムの問題点を解決して、燃料電池スタックにおける酸化ガス出口と排出された酸化ガス及び生成水を一時収容した後に排出する排気マニホールドの途中に、パージされた燃料ガスを排出する燃料排出管路を接続することによって、希釈器等の装置を使用することなく、簡単な構成で燃料ガスの濃度を低下させてから大気中に放出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。   The present invention solves the problems of the conventional fuel cell system, and is purged in the middle of the exhaust gas manifold and the exhaust manifold that discharges the oxidized gas and the generated water after temporarily storing them in the fuel cell stack. By connecting a fuel discharge line for discharging fuel gas, a fuel cell system capable of reducing the concentration of the fuel gas with a simple configuration and then releasing it into the atmosphere without using a device such as a diluter The purpose is to provide.

そのために、本発明の燃料電池システムにおいては、燃料ガス及び酸化ガスが供給されて発電する燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの燃料ガス出口から排出された燃料ガスを燃料ガス入口に戻して循環させる循環路と、前記燃料電池スタックの酸化ガス出口から排出された酸化ガス及び生成水を一時収容した後に排出する排気マニホールドと、前記循環路のパージによって排出された不純物含有燃料ガスを前記排気マニホールド内に排出する燃料排出管路とを有する。   Therefore, in the fuel cell system of the present invention, a fuel cell stack that is supplied with fuel gas and an oxidizing gas to generate power, and a fuel gas discharged from the fuel gas outlet of the fuel cell stack is returned to the fuel gas inlet and circulated. A circulation path to be discharged, an exhaust manifold for temporarily discharging the oxidizing gas and generated water discharged from the oxidizing gas outlet of the fuel cell stack, and an exhaust manifold for discharging the impurity-containing fuel gas discharged by purging the circulation path And a fuel discharge pipe for discharging into the inside.

本発明の他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記燃料排出管路の出口端は前記燃料電池スタックの酸化ガス出口の近傍に配設されている。   In another fuel cell system of the present invention, the outlet end of the fuel discharge pipe is disposed in the vicinity of the oxidizing gas outlet of the fuel cell stack.

本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記燃料排出管路から不純物含有燃料ガスが排出される場合、前記排気マニホールドより排出される燃料ガスの濃度を大気中に放出可能な濃度にまで希釈することができるように前記燃料電池スタックへの酸化ガスの供給量を制御する制御手段を有する。   In still another fuel cell system of the present invention, when impurity-containing fuel gas is discharged from the fuel discharge pipe, the concentration of the fuel gas discharged from the exhaust manifold is set to a concentration that can be released into the atmosphere. Control means for controlling the supply amount of the oxidizing gas to the fuel cell stack so that the fuel cell stack can be diluted.

本発明によれば、燃料電池システムにおいては、燃料ガス及び酸化ガスが供給されて発電する燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの燃料ガス出口から排出された燃料ガスを燃料ガス入口に戻して循環させる循環路と、前記燃料電池スタックの酸化ガス出口から排出された酸化ガス及び生成水を一時収容した後に排出する排気マニホールドと、前記循環路のパージによって排出された不純物含有燃料ガスを前記排気マニホールド内に排出する燃料排出管路とを有する。   According to the present invention, in a fuel cell system, a fuel cell stack that is supplied with fuel gas and an oxidizing gas to generate power, and a fuel gas discharged from the fuel gas outlet of the fuel cell stack is returned to the fuel gas inlet and circulated. A circulation path to be discharged, an exhaust manifold that is discharged after temporarily storing the oxidizing gas and the generated water discharged from the oxidizing gas outlet of the fuel cell stack, and the exhaust manifold that contains the impurity-containing fuel gas discharged by purging the circulation path And a fuel discharge pipe for discharging into the inside.

この場合、燃料排出管路から排出された燃料ガスは、排気マニホールド内を通過する酸化ガス流中にスムーズに拡散し、速やかに酸化ガスと混合する。また、希釈器のような燃料ガスを希釈するための特別な機構を備えていないので、燃料電池システムの構成を簡素化して、小型化することができ、コストを抑制することができる。   In this case, the fuel gas discharged from the fuel discharge pipe smoothly diffuses into the oxidizing gas flow passing through the exhaust manifold and quickly mixes with the oxidizing gas. Further, since a special mechanism for diluting the fuel gas such as a diluter is not provided, the configuration of the fuel cell system can be simplified, the size can be reduced, and the cost can be suppressed.

他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記燃料排出管路の出口端は前記燃料電池スタックの酸化ガス出口の近傍に配設されている。   In another fuel cell system, the outlet end of the fuel discharge pipe is disposed in the vicinity of the oxidizing gas outlet of the fuel cell stack.

この場合、排気マニホールド内における燃料ガスと酸化ガスとの混合距離を長く取ることができるので、燃料ガスと酸化ガスとの混合が促進され、前記燃料ガスは酸化ガス中に十分に拡散して混合し、局所的に高濃度となることがない。   In this case, since the mixing distance of the fuel gas and the oxidizing gas in the exhaust manifold can be increased, the mixing of the fuel gas and the oxidizing gas is promoted, and the fuel gas is sufficiently diffused and mixed in the oxidizing gas. However, there is no local high concentration.

更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記燃料排出管路から不純物含有燃料ガスが排出される場合、前記排気マニホールドより排出される燃料ガスの濃度を大気中に放出可能な濃度にまで希釈することができるように前記燃料電池スタックへの酸化ガスの供給量を制御する制御手段を有する。   In still another fuel cell system, when impurity-containing fuel gas is discharged from the fuel discharge pipe, the concentration of the fuel gas discharged from the exhaust manifold is diluted to a concentration that can be released into the atmosphere. And a control means for controlling the supply amount of the oxidizing gas to the fuel cell stack.

この場合、燃料排出管路から排出された燃料ガスは、排気マニホールド内を通過する十分に多量の酸化ガス流中にスムーズに拡散し、速やかに酸化ガスと混合する。そして、燃料ガスが多量の酸化ガス中に混合しているので、大気中に放出される燃料ガス濃度は、十分に低下しており、安全上の問題が発生することがない。   In this case, the fuel gas discharged from the fuel discharge pipe is smoothly diffused into a sufficiently large amount of oxidizing gas flow passing through the exhaust manifold, and quickly mixed with the oxidizing gas. Since the fuel gas is mixed in a large amount of the oxidizing gas, the concentration of the fuel gas released into the atmosphere is sufficiently lowered, and no safety problem occurs.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。   FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

図において、20は燃料電池(FC)としての燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源としての燃料電池スタック20と図示されない蓄電手段としての二次電池とを併用して使用することが望ましい。   In the figure, reference numeral 20 denotes a fuel cell stack as a fuel cell (FC), which is used as a power source for vehicles such as passenger cars, buses, trucks, passenger carts, and luggage carts. Here, the vehicle is equipped with a large number of auxiliary devices that consume electricity, such as lighting devices, radios, and power windows, which are used even when the vehicle is stopped. Since the output range is extremely wide, it is desirable to use the fuel cell stack 20 as a power source and a secondary battery as a power storage means (not shown) in combination.

そして、燃料電池スタック20は、アルカリ水溶液型(AFC)、リン酸型(PAFC)、溶融炭酸塩型(MCFC)、固体酸化物型(SOFC)、直接型メタノール(DMFC)等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池(PEMFC)であることが望ましい。   The fuel cell stack 20 is of an alkaline aqueous solution type (AFC), phosphoric acid type (PAFC), molten carbonate type (MCFC), solid oxide type (SOFC), direct methanol (DMFC), or the like. However, a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) is desirable.

なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料とし、酸素又は空気を酸化剤とするPEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)型燃料電池、又は、PEM(Proton Exchange Membrane)型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該PEM型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する電解質層としての固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合した燃料電池としてのセル(Fuel Cell)を複数及び直列に結合したスタック(Stack)から成る。   More preferably, it is called a PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) type fuel cell or PEM (Proton Exchange Membrane) type fuel cell using hydrogen gas as fuel and oxygen or air as oxidant. Here, the PEM fuel cell is generally a fuel cell in which a catalyst, an electrode, and a separator are combined on both sides of a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte layer that transmits ions such as protons. Are composed of a plurality of stacks connected in series.

この場合、固体高分子電解質膜を2枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極とし、該燃料極表面に接する燃料流路を介し前記燃料極に燃料ガス、すなわち、アノードガスとしての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン(プロトン)と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極とし、該酸素極表面に接する空気流路を介し前記酸素極に酸化ガス、すなわち、カソードガスとしての空気を供給すると、空気中の酸素、前記水素イオン及び電子が結合して、水が生成され、生成水が発生する。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。   In this case, the solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between two gas diffusion electrodes and integrated to join. Then, when one of the gas diffusion electrodes is used as a fuel electrode, and fuel gas, that is, hydrogen gas as anode gas, is supplied to the fuel electrode through a fuel flow path in contact with the fuel electrode surface, hydrogen is converted into hydrogen ions (protons). And electrons, and hydrogen ions permeate the solid polymer electrolyte membrane. Further, when the other of the gas diffusion electrodes is an oxygen electrode and an oxidizing gas, that is, air as a cathode gas, is supplied to the oxygen electrode through an air flow channel in contact with the surface of the oxygen electrode, oxygen in the air, the hydrogen ions And the electrons are combined to produce water, and produced water is generated. An electromotive force is generated by such an electrochemical reaction.

また、図には、燃料電池スタック20に燃料ガスとしての水素ガス及び酸化剤としての空気を供給する装置が示されている。なお、図示されない改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池スタック20に直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素ガスを供給することができるようにするためには、燃料貯蔵手段73に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。これにより、水素ガスがほぼ一定の圧力で、常に、十分に供給されるので、前記燃料電池スタック20は車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。この場合、前記燃料電池スタック20の出力インピーダンスは極めて低く、0に近似することが可能である。   In the figure, an apparatus for supplying hydrogen gas as a fuel gas and air as an oxidant to the fuel cell stack 20 is shown. Although hydrogen gas, which is fuel taken out by reforming methanol, gasoline, or the like by a reformer (not shown), can be directly supplied to the fuel cell stack 20, it is stable and sufficient even during high-load operation of the vehicle. In order to be able to supply an amount of hydrogen gas, it is desirable to supply the hydrogen gas stored in the fuel storage means 73. Accordingly, hydrogen gas is always sufficiently supplied at a substantially constant pressure, so that the fuel cell stack 20 can follow the fluctuation of the load on the vehicle and supply a necessary current. In this case, the output impedance of the fuel cell stack 20 is extremely low and can be approximated to zero.

水素ガスは、水素吸蔵合金を収納した容器、デカリンのような水素吸蔵液体を収納した容器、水素ガスボンベ等の燃料貯蔵手段73から、燃料供給管路としての第1燃料供給管路21、及び、該第1燃料供給管路21に接続された燃料供給管路としての第2燃料供給管路33を通って、燃料電池スタック20の燃料ガス入口、すなわち、燃料ガス流路の入口に供給される。そして、前記第1燃料供給管路21には、燃料貯蔵手段元開閉弁24、圧力センサ27、第1燃料圧力調整弁25a、第2燃料圧力調整弁25b及び燃料供給電磁弁26が配設される。また、前記第2燃料供給管路33には、安全弁33a及び前記燃料ガス流路内の圧力を検出する圧力センサ78が配設される。なお、前記第1燃料供給管路21には、燃料電池スタック20の起動時に前記第2燃料圧力調整弁25bをバイパスして水素ガスを供給するための起動用バイパス管路22が接続され、該起動用バイパス管路22には起動用燃料供給電磁弁23が配設される。また、前記燃料貯蔵手段73は、十分に大きな容量を有し、常に、十分に高い圧力の水素ガスを供給することができる能力を有するものである。なお、図に示される例においては、燃料貯蔵手段73が複数、例えば、3つ配設され、また、第1燃料供給管路21は、各燃料貯蔵手段73に接続される部分で複数本に分岐され、途中で合流して1本になっている。しかし、燃料貯蔵手段73は、単数であってもよいし、また、複数であってもよいし、複数の場合にはいくつであってもよい。   Hydrogen gas is stored in a container containing a hydrogen storage alloy, a container containing a hydrogen storage liquid such as decalin, a fuel storage means 73 such as a hydrogen gas cylinder, a first fuel supply line 21 as a fuel supply line, and The fuel gas is supplied to the fuel gas inlet of the fuel cell stack 20, that is, the inlet of the fuel gas flow path, through the second fuel supply pipe 33 as the fuel supply pipe connected to the first fuel supply pipe 21. . The first fuel supply pipe 21 is provided with a fuel storage means on-off valve 24, a pressure sensor 27, a first fuel pressure adjustment valve 25a, a second fuel pressure adjustment valve 25b, and a fuel supply electromagnetic valve 26. The The second fuel supply pipe 33 is provided with a safety valve 33a and a pressure sensor 78 for detecting the pressure in the fuel gas passage. The first fuel supply line 21 is connected to a start-up bypass line 22 for supplying hydrogen gas by bypassing the second fuel pressure regulating valve 25b when the fuel cell stack 20 is started. An activation fuel supply electromagnetic valve 23 is disposed in the activation bypass line 22. The fuel storage means 73 has a sufficiently large capacity and always has a capability of supplying hydrogen gas at a sufficiently high pressure. In the example shown in the figure, there are a plurality of, for example, three fuel storage means 73, and the first fuel supply pipe 21 is connected to each fuel storage means 73 in a plurality. It is branched and merges on the way to become one. However, the number of the fuel storage means 73 may be singular, plural, or any number in the case of plural.

そして、燃料電池スタック20の燃料ガス出口、すなわち、燃料ガス流路の出口から未反応成分として排出される水素ガスは、燃料排出管路31を通って燃料電池スタック20の外部に排出される。前記燃料排出管路31には、回収容器としての水回収ドレインタンク60が配設されている。そして、該水回収ドレインタンク60には水と分離された水素ガスとを排出する燃料排出管路30が接続され、該燃料排出管路30にはポンプとしての吸引循環ポンプ36が配設されている。また、前記燃料排出管路30には水素循環電磁弁34が配設されている。また、前記燃料排出管路30における水回収ドレインタンク60と反対側の端部は、第2燃料供給管路33に接続されている。これにより、燃料電池スタック20の燃料ガス出口から排出された燃料ガスを燃料ガス入口に戻して循環させる循環路が形成され、燃料電池スタック20の外部に排出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック20の燃料ガス流路に供給して再利用することができる。   Then, hydrogen gas discharged as an unreacted component from the fuel gas outlet of the fuel cell stack 20, that is, the outlet of the fuel gas flow path, is discharged to the outside of the fuel cell stack 20 through the fuel discharge pipe 31. A water recovery drain tank 60 as a recovery container is disposed in the fuel discharge line 31. The water recovery drain tank 60 is connected with a fuel discharge line 30 for discharging water and the separated hydrogen gas. The fuel discharge line 30 is provided with a suction circulation pump 36 as a pump. Yes. A hydrogen circulation electromagnetic valve 34 is disposed in the fuel discharge line 30. The end of the fuel discharge line 30 opposite to the water recovery drain tank 60 is connected to the second fuel supply line 33. As a result, a circulation path for circulating the fuel gas discharged from the fuel gas outlet of the fuel cell stack 20 back to the fuel gas inlet is formed, the hydrogen gas discharged outside the fuel cell stack 20 is recovered, and the fuel cell is recovered. The fuel gas flow path of the stack 20 can be supplied and reused.

また、前記水回収ドレインタンク60には、アノードガス排出管としての燃料排出管路56が接続され、該燃料排出管路56には水素起動排気電磁弁62が配設され、燃料電池スタック20の起動時に燃料ガス流路から排出される水素ガスを大気中に排出することができるようになっている。なお、燃料排出管路56の出口端側は排気マニホールド71に接続されている。さらに、燃料排出管路56は途中から分岐し、分岐部分が吸引循環ポンプ36と水素循環電磁弁34との間において燃料排出管路30に接続されている。また、前記分岐部分には水素起動停止電磁弁56aが配設されている。   The water recovery drain tank 60 is connected to a fuel discharge pipe 56 as an anode gas discharge pipe. A hydrogen start exhaust electromagnetic valve 62 is provided in the fuel discharge pipe 56, so that the fuel cell stack 20 The hydrogen gas discharged from the fuel gas flow path at startup can be discharged into the atmosphere. The outlet end side of the fuel discharge pipe 56 is connected to the exhaust manifold 71. Further, the fuel discharge pipe 56 branches from the middle, and the branch portion is connected to the fuel discharge pipe 30 between the suction circulation pump 36 and the hydrogen circulation electromagnetic valve 34. Further, a hydrogen start / stop electromagnetic valve 56a is disposed at the branch portion.

さらに、前記燃料排出管路30における第2燃料供給管路33と水素循環電磁弁34との間には、外気導入管路28が接続されている。そして、該外気導入管路28には、外気導入用電磁弁28a及びエアフィルタ28bが配設され、燃料電池スタック20の運転終了時に外気を燃料ガス流路に導入することができるようになっている。   Further, an outside air introduction line 28 is connected between the second fuel supply line 33 and the hydrogen circulation solenoid valve 34 in the fuel discharge line 30. The outside air introduction conduit 28 is provided with an outside air introduction electromagnetic valve 28a and an air filter 28b, and can introduce outside air into the fuel gas passage when the operation of the fuel cell stack 20 is completed. Yes.

ここで、前記第1燃料圧力調整弁25a及び第2燃料圧力調整弁25bは、バタフライバルブ、レギュレータバルブ、ダイヤフラム式バルブ、マスフローコントローラ、シーケンスバルブ等のものであるが、前記第1燃料圧力調整弁25a及び第2燃料圧力調整弁25bの出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した圧力に調整することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、前記圧力の調整は、手動によってなされてもよいが、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによってなされることが望ましい。   Here, the first fuel pressure regulating valve 25a and the second fuel pressure regulating valve 25b are those of a butterfly valve, a regulator valve, a diaphragm type valve, a mass flow controller, a sequence valve, etc., but the first fuel pressure regulating valve Any type of hydrogen gas may be used as long as the pressure of the hydrogen gas flowing out from the outlets of 25a and the second fuel pressure regulating valve 25b can be adjusted to a preset pressure. The pressure adjustment may be performed manually, but is preferably performed by an actuator including an electric motor, a pulse motor, an electromagnet, or the like.

また、前記起動用燃料供給電磁弁23、燃料供給電磁弁26、外気導入用電磁弁28a、水素循環電磁弁34、水素起動停止電磁弁56a及び水素起動排気電磁弁62は、いわゆる、オン−オフ式のものであり、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによって作動させられる。なお、前記燃料貯蔵手段元開閉弁24は手動又は電磁弁を用いて自動的に作動させられる。さらに、前記吸引循環ポンプ36は、水素ガスとともに逆拡散水を強制的に排出し、燃料ガス流路内を負圧の状態にすることができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、前記エアフィルタ28bは、空気に含まれる塵埃(じんあい)、不純物、有害ガス等を除去する。   The start fuel supply solenoid valve 23, the fuel supply solenoid valve 26, the outside air introduction solenoid valve 28a, the hydrogen circulation solenoid valve 34, the hydrogen start / stop solenoid valve 56a, and the hydrogen start exhaust solenoid valve 62 are so-called on-off. It is of the type and is actuated by an actuator comprising an electric motor, a pulse motor, an electromagnet or the like. The fuel storage means original opening / closing valve 24 is operated manually or automatically using an electromagnetic valve. Further, the suction circulation pump 36 may be of any type as long as it can forcibly discharge the reverse diffusion water together with the hydrogen gas and can bring the inside of the fuel gas passage into a negative pressure state. Good. The air filter 28b removes dust, impurities, harmful gases and the like contained in the air.

一方、酸化剤、すなわち、酸化ガスとしての空気は、空気供給ファン、空気ボンベ、空気タンク等の酸化剤供給源75から、酸化剤供給管路77及び吸気マニホールド74を通って、燃料電池スタック20の空気流路に供給される。なお、酸化剤として、空気に代えて酸素を使用することもできる。そして、空気流路から排出される空気は、排気マニホールド71及び凝縮器72を通って大気中へ排出される。この場合、前記排気マニホールド71は、燃料電池スタック20の酸化ガス出口から排出された酸化ガスとしての空気、及び、酸素極で発生した生成水を一時収容した後に排出する機能を備える。   On the other hand, the oxidant, that is, the air as the oxidant gas is supplied from the oxidant supply source 75 such as an air supply fan, an air cylinder, and an air tank through the oxidant supply line 77 and the intake manifold 74 to the fuel cell stack 20. To the air flow path. Note that oxygen can be used as the oxidizing agent instead of air. The air discharged from the air flow path is discharged to the atmosphere through the exhaust manifold 71 and the condenser 72. In this case, the exhaust manifold 71 has a function of temporarily storing the air as the oxidizing gas discharged from the oxidizing gas outlet of the fuel cell stack 20 and the generated water generated at the oxygen electrode and then discharging it.

また、前記酸化剤供給管路77には、水をスプレーして、燃料電池スタック20の空気極(カソード極)を湿潤な状態に維持するための水供給ノズル76が配設される。また、スプレーされた水によって前記空気極及び燃料極を冷却することができる。さらに、前記排気マニホールド71の端部に配設された凝縮器72は、前記燃料電池スタック20から排出される空気に含まれる水分を凝縮して除去するためのもので、前記凝縮器72によって凝縮された水は凝縮水排出管路79を通って水タンク52に回収される。なお、前記凝縮水排出管路79には排水ポンプ51が配設され、前記水タンク52にはレベルゲージ(水位計)52aが配設されている。   The oxidant supply pipe 77 is provided with a water supply nozzle 76 for spraying water and maintaining the air electrode (cathode electrode) of the fuel cell stack 20 in a wet state. Further, the air electrode and the fuel electrode can be cooled by the sprayed water. Further, the condenser 72 disposed at the end of the exhaust manifold 71 is for condensing and removing moisture contained in the air discharged from the fuel cell stack 20, and is condensed by the condenser 72. The water thus collected is collected in the water tank 52 through the condensed water discharge pipe 79. A drainage pump 51 is disposed in the condensed water discharge conduit 79, and a level gauge (water level gauge) 52a is disposed in the water tank 52.

そして、前記水タンク52内の水は、給水管路53を通って水供給ノズル76に供給される。なお、前記給水管路53には、給水ポンプ54及び水フィルタ55が配設されている。ここで、前記排水ポンプ51及び給水ポンプ54は、水を吸引して吐出することができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。また、前記水フィルタ55は、水に含まれる塵埃、不純物等を除去するものであれば、いかなる種類のものであってもよい。   The water in the water tank 52 is supplied to the water supply nozzle 76 through the water supply pipe 53. A water supply pump 54 and a water filter 55 are disposed in the water supply line 53. Here, the drainage pump 51 and the water supply pump 54 may be of any kind as long as they can suck and discharge water. The water filter 55 may be of any type as long as it removes dust, impurities, etc. contained in the water.

また、前記蓄電手段としての二次電池は、いわゆる、バッテリ(蓄電池)であり、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が一般的である。なお、前記蓄電手段は、必ずしもバッテリでなくてもよく、電気二重層キャパシタのようなキャパシタ(コンデンサ)、フライホイール、超伝導コイル、蓄圧器等のように、エネルギを電気的に蓄積し放出する機能を有するものであれば、いかなる形態のものであってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独で使用してもよいし、複数のものを組み合わせて使用してもよい。   The secondary battery as the power storage means is a so-called battery (storage battery), and a lead storage battery, a nickel cadmium battery, a nickel hydrogen battery, a lithium ion battery, a sodium sulfur battery, and the like are common. The power storage means does not necessarily have to be a battery, and electrically stores and discharges energy, such as a capacitor (capacitor) such as an electric double layer capacitor, a flywheel, a superconducting coil, and a pressure accumulator. Any form may be used as long as it has a function. Furthermore, any of these may be used alone, or a plurality of them may be used in combination.

また、前記燃料電池スタック20は図示されない負荷に接続され、発生した電流を前記負荷に供給する。ここで、該負荷は、一般的には、駆動制御装置であるインバータ装置であり、前記燃料電池スタック20又は蓄電手段からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動モータに供給する。ここで、該駆動モータは発電機としても機能するものであり、車両の減速運転時には、いわゆる、回生電流を発生する。この場合、前記駆動モータは車輪によって回転させられて発電するので、前記車輪にブレーキをかける、すなわち、車両の制動装置(ブレーキ)として機能する。そして、前記回生電流が蓄電手段に供給されて該蓄電手段が充電される。   The fuel cell stack 20 is connected to a load (not shown) and supplies the generated current to the load. Here, the load is generally an inverter device that is a drive control device, and converts a direct current from the fuel cell stack 20 or the power storage means into an alternating current to rotate a vehicle wheel. To supply. Here, the drive motor also functions as a generator, and generates a so-called regenerative current when the vehicle is decelerated. In this case, since the drive motor is rotated by the wheel to generate electric power, the wheel is braked, that is, functions as a vehicle braking device (brake). Then, the regenerative current is supplied to the power storage means, and the power storage means is charged.

なお、本実施の形態において、燃料電池システムは図示されない制御手段を有する。該制御手段は、CPU、MPU等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、各種のセンサから燃料電池スタック20の燃料ガス流路及び空気流路に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記酸化剤供給源75、第1燃料圧力調整弁25a、第2燃料圧力調整弁25b、起動用燃料供給電磁弁23、燃料供給電磁弁26、外気導入用電磁弁28a、水素循環電磁弁34、吸引循環ポンプ36、排水ポンプ51、給水ポンプ54、水素起動停止電磁弁56a、水素起動排気電磁弁62等の動作を制御する。さらに、前記制御手段は、他のセンサ及び他の制御装置と連携して、燃料電池スタック20に燃料及び酸化剤を供給するすべての装置の動作を統括的に制御する。そして、前記制御手段は、後述されるように、燃料排出管路56から不純物含有燃料ガスが排出される場合、前記排気マニホールド71より排出される燃料ガスとしての水素ガスの濃度を大気中に放出可能な濃度にまで希釈することができるように燃料電池スタック20への酸化ガスとしての空気の供給量を制御する。   In the present embodiment, the fuel cell system has control means (not shown). The control means includes arithmetic means such as a CPU and MPU, storage means such as a magnetic disk and a semiconductor memory, an input / output interface and the like, and is supplied from various sensors to the fuel gas flow path and the air flow path of the fuel cell stack 20. The flow rate of hydrogen, oxygen, air, etc., temperature, output voltage, etc. are detected, and the oxidant supply source 75, the first fuel pressure adjustment valve 25a, the second fuel pressure adjustment valve 25b, and the starting fuel supply electromagnetic valve 23 are detected. The operation of the fuel supply solenoid valve 26, the outside air introduction solenoid valve 28a, the hydrogen circulation solenoid valve 34, the suction circulation pump 36, the drain pump 51, the feed water pump 54, the hydrogen start / stop solenoid valve 56a, the hydrogen start exhaust solenoid valve 62, etc. Control. Furthermore, the control means controls the operation of all the devices that supply fuel and oxidant to the fuel cell stack 20 in cooperation with other sensors and other control devices. Then, as will be described later, when the impurity-containing fuel gas is discharged from the fuel discharge line 56, the control means releases the concentration of hydrogen gas as the fuel gas discharged from the exhaust manifold 71 into the atmosphere. The supply amount of air as an oxidizing gas to the fuel cell stack 20 is controlled so that the fuel cell stack 20 can be diluted to a possible concentration.

次に、燃料排出管路56の出口端が排気マニホールド71に接続される部分の構成について詳細に説明する。   Next, the configuration of the portion where the outlet end of the fuel discharge pipe 56 is connected to the exhaust manifold 71 will be described in detail.

図2は本発明の実施の形態における燃料電池スタックに取り付けられた吸気マニホールド及び排気マニホールドの構成を示す図である。なお、図2(a)は平面図であり、図2(b)は側面図である。   FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the intake manifold and the exhaust manifold attached to the fuel cell stack in the embodiment of the present invention. 2A is a plan view, and FIG. 2B is a side view.

図2は、車両の床下等に配設された燃料電池スタック20に取り付けられた吸気マニホールド74及び排気マニホールド71の例を示している。この場合、酸化剤供給源75としてはシロッコファン等から成る空気供給ファンが使用され、吸気マニホールド74の先端(図1及び2における右端)に接続される。そして、前記吸気マニホールド74の後端は、燃料電池スタック20の上面を覆うようにして取り付けられ、前記吸気マニホールド74を通過して供給されたカソードガスとしての空気は、燃料電池スタック20内を上方から下方に向けて流通する。すなわち、図2に示される例において、燃料電池スタック20内の空気流路は、図2(b)における上下方向に延在するように形成されている。そして、燃料電池スタック20の空気流路から排出された空気は、燃料電池スタック20の下面を覆うようにして取り付けられた排気マニホールド71内に流入する。この場合、該排気マニホールド71は、図2(b)に示されるように、斜め上後方に向けて延在し、後端(図における左端)が図示されない凝縮器72に接続されている。   FIG. 2 shows an example of the intake manifold 74 and the exhaust manifold 71 attached to the fuel cell stack 20 disposed under the floor of the vehicle. In this case, an air supply fan composed of a sirocco fan or the like is used as the oxidant supply source 75 and is connected to the tip of the intake manifold 74 (the right end in FIGS. 1 and 2). The rear end of the intake manifold 74 is attached so as to cover the upper surface of the fuel cell stack 20, and air as cathode gas supplied through the intake manifold 74 moves upward in the fuel cell stack 20. It circulates downward from. That is, in the example shown in FIG. 2, the air flow path in the fuel cell stack 20 is formed so as to extend in the vertical direction in FIG. The air discharged from the air flow path of the fuel cell stack 20 flows into the exhaust manifold 71 attached so as to cover the lower surface of the fuel cell stack 20. In this case, as shown in FIG. 2B, the exhaust manifold 71 extends obliquely upward and rearward, and the rear end (left end in the drawing) is connected to a condenser 72 not shown.

ここで、前記排気マニホールド71には燃料排出管路56の出口端側が接続され、燃料排出管路56の出口端部材56bは、排気マニホールド71内における空気流路のほぼ中央に位置するように配設されている。また、前記出口端部材56bは、排気マニホールド71内を通過する空気流路の下流側を向いており、出口端部材56bから排出された水素ガスが排気マニホールド71内を通過する空気と同方向に流れるようになっている。そのため、前記出口端部材56bから排出された水素ガスは、排気マニホールド71内を通過する空気流中にスムーズに拡散し、空気と混合する。また、出口端部材56bは、燃料電池スタック20における空気流路の出口にできる限り近い位置に配設されることが望ましい。すなわち、燃料排出管路56の出口端は燃料電池スタック20の酸化ガス出口の近傍に配設されることが望ましい。これにより、排気マニホールド71内における水素ガスと空気との混合距離を長く取ることができる。   Here, the outlet end side of the fuel discharge pipe 56 is connected to the exhaust manifold 71, and the outlet end member 56 b of the fuel discharge pipe 56 is arranged so as to be located substantially at the center of the air flow path in the exhaust manifold 71. It is installed. The outlet end member 56b faces the downstream side of the air flow path passing through the exhaust manifold 71, and the hydrogen gas discharged from the outlet end member 56b is in the same direction as the air passing through the exhaust manifold 71. It comes to flow. Therefore, the hydrogen gas discharged from the outlet end member 56b is smoothly diffused into the air flow passing through the exhaust manifold 71 and mixed with air. Further, the outlet end member 56b is desirably disposed at a position as close as possible to the outlet of the air flow path in the fuel cell stack 20. That is, it is desirable that the outlet end of the fuel discharge pipe 56 is disposed in the vicinity of the oxidizing gas outlet of the fuel cell stack 20. Thereby, the mixing distance of hydrogen gas and air in the exhaust manifold 71 can be increased.

次に、前記構成の燃料電池システムの動作について説明する。   Next, the operation of the fuel cell system having the above configuration will be described.

図3は本発明の実施の形態における燃料電池システムの動作を説明する図である。なお、図3では、燃料電池システムにおいて動作の説明と関係する部分の構成のみが模式的に示されている。   FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention. FIG. 3 schematically shows only the configuration of the portion related to the description of the operation in the fuel cell system.

まず、定常運転における動作について説明する。本実施の形態の燃料電池システムにおける定常運転時には、第1燃料圧力調整弁25a及び第2燃料圧力調整弁25bの出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した一定の圧力に調整した後、前記第1燃料圧力調整弁25a及び第2燃料圧力調整弁25bは燃料電池システムの運転中には調整されることがなく、そのままの状態が保持される。また、酸化剤供給源75は常に一定量の空気を燃料電池スタック20の空気流路に供給するように作動する。この場合、供給される空気の量は、燃料電池スタック20の出力が最大となるために必要な空気の量よりも十分に多い量である。また、本実施の形態において、燃料電池スタック20の空気流路に供給される空気の圧力は大気圧程度の常圧であり、特段加圧される必要がない。そのため、前記酸化剤供給源75、酸化剤供給管路77、吸気マニホールド74、排気マニホールド71、凝縮器72等は、耐圧性を有する必要がないので構成を簡素化することができる。   First, the operation in steady operation will be described. During steady operation in the fuel cell system of the present embodiment, after adjusting the pressure of hydrogen gas flowing out from the outlets of the first fuel pressure adjustment valve 25a and the second fuel pressure adjustment valve 25b to a predetermined constant pressure, The first fuel pressure adjustment valve 25a and the second fuel pressure adjustment valve 25b are not adjusted during operation of the fuel cell system, and are maintained as they are. Further, the oxidant supply source 75 always operates so as to supply a constant amount of air to the air flow path of the fuel cell stack 20. In this case, the amount of air supplied is an amount sufficiently larger than the amount of air necessary for the output of the fuel cell stack 20 to be maximized. Further, in the present embodiment, the pressure of the air supplied to the air flow path of the fuel cell stack 20 is a normal pressure of about atmospheric pressure and does not need to be particularly pressurized. Therefore, the oxidant supply source 75, the oxidant supply pipe 77, the intake manifold 74, the exhaust manifold 71, the condenser 72 and the like do not need to have pressure resistance, so that the configuration can be simplified.

そして、燃料電池スタック20が運転を開始すると、該燃料電池スタック20を構成する各単位セルにおいて逆拡散水が発生し、該逆拡散水が固体高分子電解質膜を透過して燃料ガス流路にまで浸透して、前記固体高分子電解質膜の燃料極側を加湿する。これにより、該固体高分子電解質膜の燃料極側は湿潤な状態となり、電気化学反応によって水素から生成された水素イオンが固体高分子電解質膜内をスムーズに移動することができる。   When the fuel cell stack 20 starts operation, reverse diffusion water is generated in each unit cell constituting the fuel cell stack 20, and the reverse diffusion water permeates the solid polymer electrolyte membrane and enters the fuel gas flow path. And the fuel electrode side of the solid polymer electrolyte membrane is humidified. As a result, the fuel electrode side of the solid polymer electrolyte membrane becomes wet, and hydrogen ions generated from hydrogen by the electrochemical reaction can move smoothly in the solid polymer electrolyte membrane.

また、前記燃料ガス流路に供給されて余剰となった未反応成分としての水素ガスは、前記燃料ガス流路にまで浸透して余剰となった逆拡散水と混合して、気液混合物となる。該気液混合物となった水素ガスは、吸引循環ポンプ36によって吸引され、燃料電池スタック20に接続された燃料排出管路31を通って前記燃料電池スタック20の外部に導出される。そして、前記気液混合物は、燃料排出管路31を通過して水回収ドレインタンク60内に導入される。そして、比較的広い空間を備える前記水回収ドレインタンク60内に滞留することによって、重量物である水分が重力によって下方に落下し、水素ガスから逆拡散水が分離する。該逆拡散水が分離して乾燥した状態の水素ガスは、燃料排出管路30から水回収ドレインタンク60外に排出される。   Further, the hydrogen gas as an unreacted component that is supplied to the fuel gas flow path and surplus is mixed with the back-diffused water that has permeated into the fuel gas flow path and becomes surplus, and a gas-liquid mixture Become. The hydrogen gas that has become the gas-liquid mixture is sucked by the suction circulation pump 36 and led out of the fuel cell stack 20 through the fuel discharge pipe 31 connected to the fuel cell stack 20. The gas-liquid mixture passes through the fuel discharge pipe 31 and is introduced into the water recovery drain tank 60. Then, by staying in the water recovery drain tank 60 having a relatively wide space, heavy moisture falls downward due to gravity, and the reverse diffusion water is separated from the hydrogen gas. The hydrogen gas in a state where the reverse diffusion water is separated and dried is discharged out of the water recovery drain tank 60 from the fuel discharge pipe 30.

そして、定常運転においては、前記燃料排出管路30から排出された水素ガスは、開いた状態になっている水素循環電磁弁34を通過して、第2燃料供給管路33に導入され、再び、燃料電池スタック20の燃料ガス流路に供給されて再利用される。なお、水素起動停止電磁弁56aが閉じた状態となっているので、吸引循環ポンプ36から排出された水素ガスは、燃料排出管路56を通って大気中に排出されることなく、第2燃料供給管路33に導入される。また、外気導入用電磁弁28aも閉じた状態となっているので、外気が第2燃料供給管路33に導入されることもない。   In steady operation, the hydrogen gas discharged from the fuel discharge line 30 passes through the open hydrogen circulation electromagnetic valve 34, is introduced into the second fuel supply line 33, and again. Then, it is supplied to the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20 and reused. Since the hydrogen start / stop solenoid valve 56a is in a closed state, the hydrogen gas discharged from the suction circulation pump 36 is not discharged into the atmosphere through the fuel discharge pipe 56, but the second fuel. It is introduced into the supply line 33. Further, since the outside air introduction electromagnetic valve 28 a is also closed, the outside air is not introduced into the second fuel supply pipe 33.

ここで、前記燃料排出管路30は、水回収ドレインタンク60上部の側壁に接続されているので、逆拡散水が分離して軽量となった乾燥した状態の水素ガスだけが、燃料排出管路30から排出され、水分が排出されることがない。また、燃料排出管路31と燃料排出管路30とは、互いに離れた位置で水回収ドレインタンク60上部の側壁に接続されているので、燃料排出管路31から水回収ドレインタンク60内に導入された気液混合物が、そのまま燃料排出管路30から流出してしまうこともない。これにより、燃料ガス流路に浸透して余剰となった逆拡散水を適切にトラップすることができ、余剰となった水素ガスを乾燥した状態で回収して、再利用することができる。   Here, since the fuel discharge line 30 is connected to the side wall of the upper part of the water recovery drain tank 60, only the hydrogen gas in the dry state in which the reverse diffusion water is separated and becomes lightweight becomes the fuel discharge line. 30 is discharged, and moisture is not discharged. Further, since the fuel discharge pipe 31 and the fuel discharge pipe 30 are connected to the side wall of the upper part of the water recovery drain tank 60 at a position apart from each other, they are introduced from the fuel discharge pipe 31 into the water recovery drain tank 60. The gas-liquid mixture thus made does not flow out of the fuel discharge line 30 as it is. As a result, surplus reverse diffusion water that has permeated into the fuel gas flow path can be trapped appropriately, and surplus hydrogen gas can be recovered in a dry state and reused.

一方、前記気液混合物から分離して落下した逆拡散水は、水回収ドレインタンク60内の下部に貯留水として貯留する。ここで、前記水回収ドレインタンク60の容量が十分に大きい場合には、燃料電池スタック20を搭載した車両が、一度燃料である水素ガスを燃料貯蔵手段73に充填(てん)してから走行を行って、次回に水素ガスを燃料貯蔵手段73に充填するまでの間に、水回収ドレインタンク60から水分を排出する必要がない。しかし、前記水回収ドレインタンク60の容量が十分に大きくない場合には、燃料電池システムにおける定常運転時にも、水回収ドレインタンク60から水分を排出するための動作としてのパージを行う必要がある。   On the other hand, the reverse diffusion water that has been separated from the gas-liquid mixture and dropped is stored as stored water in the lower portion of the water recovery drain tank 60. Here, when the capacity of the water recovery drain tank 60 is sufficiently large, the vehicle on which the fuel cell stack 20 is mounted once travels after filling the fuel storage means 73 with hydrogen gas as fuel. It is not necessary to discharge water from the water recovery drain tank 60 until the next time hydrogen gas is filled into the fuel storage means 73. However, if the capacity of the water recovery drain tank 60 is not sufficiently large, it is necessary to perform a purge as an operation for discharging water from the water recovery drain tank 60 even during steady operation in the fuel cell system.

パージを行う場合、制御手段は、水素循環電磁弁34を閉じて水素ガスの循環を停止させる。そして、水素起動排気電磁弁62を開いて、水回収ドレインタンク60内に貯留された貯留水を燃料排出管路56から排出させる。また、水素起動停止電磁弁56aを開いて、燃料ガス流路内の水素ガスを燃料排出管路56から排出させる。これにより、水素ガスは、水回収ドレインタンク60内の貯留水、燃料電池スタック20の燃料流路内の水分、その他の不純物等を伴って、図3において矢印81で示されるように、燃料排出管路56内を流れ、出口端部材56bから排気マニホールド71内に流入する。すなわち、循環路のパージによって排出された不純物含有燃料ガスが、燃料排出管路56によって排気マニホールド71内に排出される。   When purging, the control means closes the hydrogen circulation electromagnetic valve 34 to stop the circulation of hydrogen gas. Then, the hydrogen activation exhaust electromagnetic valve 62 is opened, and the stored water stored in the water recovery drain tank 60 is discharged from the fuel discharge line 56. Further, the hydrogen start / stop electromagnetic valve 56 a is opened, and the hydrogen gas in the fuel gas passage is discharged from the fuel discharge conduit 56. As a result, the hydrogen gas is discharged into the fuel as indicated by an arrow 81 in FIG. 3 together with the stored water in the water recovery drain tank 60, moisture in the fuel flow path of the fuel cell stack 20, and other impurities. It flows through the pipe 56 and flows into the exhaust manifold 71 from the outlet end member 56b. That is, the impurity-containing fuel gas discharged by the purge of the circulation path is discharged into the exhaust manifold 71 through the fuel discharge pipe 56.

前述したように、燃料排出管路56の出口端部材56bは、排気マニホールド71内における空気流路のほぼ中央に位置するように配設され、排気マニホールド71内を通過する空気流路の下流側を向き、出口端部材56bから排出された水素ガスが排気マニホールド71内を通過する空気と同方向に流れるようになっている。そして、酸化剤供給源75から供給された多量の空気が、図3において矢印82で示されるように、吸気マニホールド74、燃料電池スタック20内の空気流路、排気マニホールド71及び凝縮器72内を流通している。   As described above, the outlet end member 56 b of the fuel discharge pipe 56 is disposed so as to be positioned substantially at the center of the air flow path in the exhaust manifold 71, and is downstream of the air flow path passing through the exhaust manifold 71. The hydrogen gas discharged from the outlet end member 56b flows in the same direction as the air passing through the exhaust manifold 71. Then, a large amount of air supplied from the oxidant supply source 75 passes through the intake manifold 74, the air flow path in the fuel cell stack 20, the exhaust manifold 71, and the condenser 72 as shown by an arrow 82 in FIG. It is in circulation.

また、前記制御手段は、酸化剤供給源75から十分に多量の空気を供給させる。この場合、前記制御手段は、水素ガス量−空気量マップに基づき、酸化剤供給源75から供給される空気量を設定する。前記水素ガス量−空気量マップは、燃料排出管路56から排出された水素ガスの量と、該排出された水素ガスを希釈して安全に大気中に放出可能な程度までに水素濃度を低下させるために必要な空気量との関係を示すマップであり、記憶手段に格納されている。これにより、設定された水素ガスの排出量に対して、酸化剤供給源75から十分に多量の空気を供給させることができる。   The control means supplies a sufficiently large amount of air from the oxidant supply source 75. In this case, the control means sets the amount of air supplied from the oxidant supply source 75 based on the hydrogen gas amount-air amount map. The hydrogen gas amount-air amount map shows the amount of hydrogen gas discharged from the fuel discharge line 56 and the hydrogen concentration to such an extent that the discharged hydrogen gas can be diluted and safely released into the atmosphere. It is a map which shows the relationship with the air quantity required in order to carry out, and is stored in the memory | storage means. Accordingly, a sufficiently large amount of air can be supplied from the oxidant supply source 75 with respect to the set discharge amount of hydrogen gas.

さらに、前記制御手段は、酸化剤供給源75が設定された量の空気の供給を開始してから、所定時間が経過した後に、燃料排出管路56からの水素ガスの排出を開始させる。前記所定の時間は、酸化剤供給源75が設定された量の空気の供給を開始してから、排気マニホールド71内を設定された量の空気が流通するようになるまでの時間であって、あらかじめ設定されている。   Further, the control means starts the discharge of hydrogen gas from the fuel discharge line 56 after a predetermined time has elapsed after the oxidant supply source 75 starts supplying the set amount of air. The predetermined time is a time from when the oxidant supply source 75 starts supplying the set amount of air until the set amount of air circulates in the exhaust manifold 71. It is set in advance.

そのため、出口端部材56bから排出された水素ガスは、排気マニホールド71内を通過する十分に多量の空気流中にスムーズに拡散し、速やかに空気と混合する。また、出口端部材56bは、燃料電池スタック20における空気流路の出口にできる限り近い位置に配設されることが望ましい。これにより、排気マニホールド71内における水素ガスと空気との混合距離を長く取ることができる。   Therefore, the hydrogen gas discharged from the outlet end member 56b is smoothly diffused into a sufficiently large amount of air flowing through the exhaust manifold 71 and quickly mixed with air. Further, the outlet end member 56b is desirably disposed at a position as close as possible to the outlet of the air flow path in the fuel cell stack 20. Thereby, the mixing distance of hydrogen gas and air in the exhaust manifold 71 can be increased.

なお、前記排気マニホールド71内の出口端部材56bよりも下流側に水素濃度検出器を配設することもできる。この場合、前記制御手段は、水素濃度検出器によって検出した水素濃度と水素濃度−空気量マップとに基づき、酸化剤供給源75から供給される空気量を設定する。前記水素濃度−空気量マップは、排気マニホールド71内の空気中の水素濃度が所定値以上である場合に、排気マニホールド71内の空気中の水素濃度と、排気マニホールド71内の空気中の水素ガスを希釈して安全に大気中に放出可能な程度までに水素濃度を低下させるために必要な空気量との関係を示すマップであり、記憶手段に格納されている。これにより、水素ガスの濃度を大気中に放出可能な程度までに低下させるために必要な量の空気を酸化剤供給源75から供給させることができる。   Note that a hydrogen concentration detector may be disposed on the downstream side of the outlet end member 56b in the exhaust manifold 71. In this case, the control means sets the amount of air supplied from the oxidant supply source 75 based on the hydrogen concentration detected by the hydrogen concentration detector and the hydrogen concentration-air amount map. The hydrogen concentration-air amount map shows the hydrogen concentration in the air in the exhaust manifold 71 and the hydrogen gas in the air in the exhaust manifold 71 when the hydrogen concentration in the air in the exhaust manifold 71 is a predetermined value or more. Is a map showing the relationship with the amount of air necessary to reduce the hydrogen concentration to the extent that it can be safely released into the atmosphere, and is stored in the storage means. As a result, it is possible to supply the oxidant supply source 75 with an amount of air necessary for reducing the concentration of hydrogen gas to such an extent that it can be released into the atmosphere.

そして、水素ガスが拡散して混合した空気は、凝縮器72を通過して、大気中に放出される。この場合、凝縮器72を通過することによって、水素ガスと空気との混合が更に促進される。そして、水素ガスが多量の空気中に混合しているので、凝縮器72を通過して放出される空気中の水素ガス濃度は、十分に低下しており、安全上の問題が発生することがない。また、前記水素ガスは、凝縮器72を通過して放出される空気中に十分に拡散して混合しているので、局所的に高濃度となることもなく、安全である。   And the air which hydrogen gas diffused and mixed passes through the condenser 72, and is discharged | emitted in air | atmosphere. In this case, mixing with hydrogen gas and air is further promoted by passing through the condenser 72. Since hydrogen gas is mixed in a large amount of air, the concentration of hydrogen gas in the air released through the condenser 72 is sufficiently reduced, which may cause a safety problem. Absent. Further, since the hydrogen gas is sufficiently diffused and mixed in the air discharged through the condenser 72, it is safe without locally increasing the concentration.

なお、水素ガスとともに燃料排出管路56の出口端部材56bから排気マニホールド71内に流入した水分も、空気中に混合するが、凝縮器72を通過する際に、凝縮されて空気中から除去される。そして、前記凝縮器72によって凝縮された水は凝縮水排出管路79を通って水タンク52に回収され、その後、給水管路53を通って水供給ノズル76からスプレーされ、燃料電池スタック20の空気極を湿潤な状態に維持し、かつ、冷却するために再利用される。   In addition, the water flowing into the exhaust manifold 71 from the outlet end member 56b of the fuel discharge pipe 56 together with the hydrogen gas is also mixed into the air, but is condensed and removed from the air when passing through the condenser 72. The Then, the water condensed by the condenser 72 is collected in the water tank 52 through the condensed water discharge line 79, and then sprayed from the water supply nozzle 76 through the water supply line 53. It is reused to keep the air electrode moist and cool.

次に、燃料電池システムの運転を停止する際の動作について説明する。この場合、制御手段は、まず、燃料供給電磁弁26及び水素循環電磁弁34を閉じて、燃料ガス流路への水素ガスの供給を遮断する。そして、水素起動停止電磁弁56aを開いて、燃料ガス流路内の水素ガスを燃料排出管路56の出口端部材56bから排気マニホールド71内に排出させる。これにより、水回収ドレインタンク60内に貯留された貯留水も排出される。   Next, the operation when stopping the operation of the fuel cell system will be described. In this case, the control means first closes the fuel supply electromagnetic valve 26 and the hydrogen circulation electromagnetic valve 34 to shut off the supply of hydrogen gas to the fuel gas flow path. Then, the hydrogen start / stop electromagnetic valve 56 a is opened, and the hydrogen gas in the fuel gas passage is discharged from the outlet end member 56 b of the fuel discharge pipe 56 into the exhaust manifold 71. Thereby, the stored water stored in the water recovery drain tank 60 is also discharged.

この場合、吸引循環ポンプ36が作動しているので、燃料電池スタック20、水回収ドレインタンク60、第2燃料供給管路33、燃料排出管路30及び燃料排出管路31に残留している水素ガスは、吸引循環ポンプ36によって吸引され、燃料排出管路56の出口端部材56bから排気マニホールド71内に排出される。そして、燃料ガス流路の内部が負圧となるので、燃料ガス流路内から水素ガスが確実に速やかに除去されて排出される。   In this case, since the suction circulation pump 36 is operating, the hydrogen remaining in the fuel cell stack 20, the water recovery drain tank 60, the second fuel supply line 33, the fuel discharge line 30 and the fuel discharge line 31. The gas is sucked by the suction circulation pump 36 and discharged from the outlet end member 56 b of the fuel discharge pipe 56 into the exhaust manifold 71. And since the inside of a fuel gas flow path becomes a negative pressure, hydrogen gas is reliably removed from the fuel gas flow path quickly and discharged.

そして、前述した定常運転においてパージを行う場合と同様に、制御手段は、酸化剤供給源75から十分に多量の空気を供給させる。そのため、出口端部材56bから排出された水素ガスは、排気マニホールド71内を通過する十分に多量の空気流中にスムーズに拡散し、速やかに空気と混合する。   Then, as in the case of purging in the above-described steady operation, the control means supplies a sufficiently large amount of air from the oxidant supply source 75. Therefore, the hydrogen gas discharged from the outlet end member 56b is smoothly diffused into a sufficiently large amount of air flowing through the exhaust manifold 71 and quickly mixed with air.

さらに、水素ガスが拡散して混合した空気は、凝縮器72を通過して、大気中に放出される。この場合、凝縮器72を通過することによって、水素ガスと空気との混合が更に促進される。そして、水素ガスが多量の空気中に混合しているので、凝縮器72を通過して放出される空気中の水素ガス濃度は、十分に低下しており、安全上の問題が発生することがない。また、前記水素ガスは、凝縮器72を通過して放出される空気中に十分に拡散して混合しているので、局所的に高濃度となることもなく、安全である。   Further, the air in which hydrogen gas is diffused and mixed passes through the condenser 72 and is released into the atmosphere. In this case, mixing with hydrogen gas and air is further promoted by passing through the condenser 72. Since hydrogen gas is mixed in a large amount of air, the concentration of hydrogen gas in the air released through the condenser 72 is sufficiently reduced, which may cause a safety problem. Absent. Further, since the hydrogen gas is sufficiently diffused and mixed in the air discharged through the condenser 72, it is safe without locally increasing the concentration.

また、水素ガスとともに燃料排出管路56の出口端部材56bから排気マニホールド71内に流入した水分も、空気中に混合するが、凝縮器72を通過する際に、凝縮されて空気中から除去される。そして、前記凝縮器72によって凝縮された水は凝縮水排出管路79を通って水タンク52に回収される。   Also, the water flowing into the exhaust manifold 71 from the outlet end member 56b of the fuel discharge pipe 56 together with the hydrogen gas is mixed into the air, but when it passes through the condenser 72, it is condensed and removed from the air. The Then, the water condensed by the condenser 72 is collected in the water tank 52 through the condensed water discharge pipe 79.

なお、前記燃料ガス流路内の水素ガスの圧力は、圧力センサ78によって検出される。この場合、水素ガスの流れる経路において燃料供給電磁弁26から吸引循環ポンプ36までの範囲では水素ガスの圧力は同一であると考えることができるので、圧力センサ78が前記範囲内に配設されていれば、該圧力センサ78の検出する圧力は、燃料電池スタック20の燃料ガス流路の圧力に等しい。   The pressure of the hydrogen gas in the fuel gas flow path is detected by a pressure sensor 78. In this case, since the pressure of the hydrogen gas can be considered to be the same in the range from the fuel supply solenoid valve 26 to the suction circulation pump 36 in the path through which the hydrogen gas flows, the pressure sensor 78 is disposed within the range. Then, the pressure detected by the pressure sensor 78 is equal to the pressure of the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20.

続いて、この状態で該燃料ガス流路内の水素ガスの圧力が所定圧力以下となるか、前記圧力が所定圧力となるまでの時間である所定時間が経過すると、前記制御手段は外気導入用電磁弁28aを開き、空気を燃料ガス流路内へ導入する。この場合、燃料供給電磁弁26は閉じた状態であるので、導入された空気が燃料貯蔵手段73の方へ流入することはない。これにより、燃料電池スタック20の燃料ガス流路内には空気が充満する。なお、前記空気はエアフィルタ28bを通過して濾(ろ)過された空気なので、大気中に存在する塵埃、不純物、有害ガス等を含んでいない。したがって、前記燃料ガス流路における触媒等の部材が前記塵埃、不純物、有害ガス等によって汚染されたり変質させられることがない。   Subsequently, when the hydrogen gas pressure in the fuel gas flow path becomes a predetermined pressure or lower in this state, or when a predetermined time, which is a time until the pressure reaches the predetermined pressure, elapses, the control means The electromagnetic valve 28a is opened and air is introduced into the fuel gas flow path. In this case, since the fuel supply electromagnetic valve 26 is in a closed state, the introduced air does not flow toward the fuel storage means 73. Thereby, the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20 is filled with air. Since the air passes through the air filter 28b and is filtered, it does not contain dust, impurities, harmful gases, etc. that exist in the atmosphere. Therefore, a member such as a catalyst in the fuel gas passage is not contaminated or altered by the dust, impurities, harmful gas, or the like.

続いて、この状態で燃料電池スタック20の出力が所定電圧以下となるか、又は、前記出力が所定電圧となるまでの所定時間が経過するまで待機する。ここで、前記所定電圧は、燃料ガス流路に水素ガスが残留しておらず、空気が充満しており、燃料極と空気極との間に実質的に電位差が生じていない状態に対応する出力電圧である。   Subsequently, the process waits until the output of the fuel cell stack 20 becomes a predetermined voltage or less in this state, or until a predetermined time elapses until the output becomes the predetermined voltage. Here, the predetermined voltage corresponds to a state in which no hydrogen gas remains in the fuel gas flow path, the air is filled, and a potential difference is not substantially generated between the fuel electrode and the air electrode. Output voltage.

そして、燃料電池スタック20の出力が前記所定電圧以下となるか、又は、前記所定時間が経過すると、前記制御手段は吸引循環ポンプ36を停止させ、外気導入用電磁弁28aを閉じ、最後に酸化剤供給源75を停止させる。これにより、燃料電池スタック20の出力が停止された状態となる。   When the output of the fuel cell stack 20 becomes equal to or lower than the predetermined voltage or the predetermined time has elapsed, the control means stops the suction circulation pump 36, closes the outside air introduction electromagnetic valve 28a, and finally oxidizes. The agent supply source 75 is stopped. As a result, the output of the fuel cell stack 20 is stopped.

なお、前記燃料電池システムの運転を開始する場合には、まず、水素起動排気電磁弁62及び水素起動停止電磁弁56aを開けて、燃料電池スタック20の燃料ガス流路内の空気が燃料排出管路56を通って排出されるようにする。続いて、燃料供給電磁弁26をオンして燃料貯蔵手段73からの水素ガスが第1燃料供給管路21及び第2燃料供給管路33を通って燃料電池スタック20の燃料ガス流路に供給されるようにする。このとき、水素起動排気電磁弁62及び水素起動停止電磁弁56aが開いているので、前記燃料ガス流路内に残留する空気や水分が供給された水素ガスによってパージされる。   When the operation of the fuel cell system is started, first, the hydrogen start exhaust solenoid valve 62 and the hydrogen start stop electromagnetic valve 56a are opened, and the air in the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20 becomes the fuel discharge pipe. It is discharged through the path 56. Subsequently, the fuel supply electromagnetic valve 26 is turned on, and hydrogen gas from the fuel storage means 73 is supplied to the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20 through the first fuel supply pipe 21 and the second fuel supply pipe 33. To be. At this time, since the hydrogen starting exhaust electromagnetic valve 62 and the hydrogen starting / stopping electromagnetic valve 56a are open, purging is performed by hydrogen gas supplied with air and moisture remaining in the fuel gas flow path.

このように、本実施の形態においては、燃料電池システムは、燃料電池スタック20の出口に接続された排気マニホールド71内に燃料排出管路56の出口端部材56bを配設し、パージされた水素ガスを排気マニホールド71内に排出するようになっている。そのため、前記出口端部材56bから排出された水素ガスは、排気マニホールド71内を通過する空気流中にスムーズに拡散し、速やかに空気と混合する。   As described above, in the present embodiment, the fuel cell system includes the outlet end member 56b of the fuel discharge pipe 56 disposed in the exhaust manifold 71 connected to the outlet of the fuel cell stack 20, and purged hydrogen. The gas is discharged into the exhaust manifold 71. Therefore, the hydrogen gas discharged from the outlet end member 56b is smoothly diffused into the air flow passing through the exhaust manifold 71 and quickly mixed with air.

また、排出された水素ガスを希釈して安全に大気中に放出可能な程度までに水素濃度を低下させるために必要な空気量が酸化剤供給源75から排気マニホールド71内に供給される。そのため、大気中に放出される空気中の水素ガス濃度は、十分に低下しており、安全上の問題が発生することがない。   In addition, an amount of air necessary for diluting the discharged hydrogen gas and reducing the hydrogen concentration to such an extent that it can be safely released into the atmosphere is supplied from the oxidant supply source 75 into the exhaust manifold 71. Therefore, the hydrogen gas concentration in the air released into the atmosphere is sufficiently reduced, and no safety problem occurs.

さらに、排気マニホールド71の後端には凝縮器72が接続され、水素ガスが拡散して混合した空気は、凝縮器72を通過して大気中に放出される。そのため、凝縮器72を通過することによって、水素ガスと空気との混合が更に促進されるので、前記水素ガスは空気中に十分に拡散して混合し、局所的に高濃度となることがない。   Further, a condenser 72 is connected to the rear end of the exhaust manifold 71, and the air in which hydrogen gas is diffused and mixed passes through the condenser 72 and is released into the atmosphere. Therefore, since the mixing of the hydrogen gas and the air is further promoted by passing through the condenser 72, the hydrogen gas is sufficiently diffused and mixed in the air, and the concentration is not locally increased. .

さらに、水素ガスとともに排気マニホールド71内に流入した水分は、空気中に混合するが、凝縮器72を通過する際に、凝縮されて空気中から除去され、水タンク52に回収して再利用される。そのため、燃料電池スタック20の空気極を加湿するためにスプレーする水の不足を補うことができ、水タンク52を小型軽量化することができる。   Further, the water flowing into the exhaust manifold 71 together with the hydrogen gas is mixed in the air, but when passing through the condenser 72, it is condensed and removed from the air, collected in the water tank 52, and reused. The Therefore, the shortage of water sprayed to humidify the air electrode of the fuel cell stack 20 can be compensated, and the water tank 52 can be reduced in size and weight.

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。   In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It can change variously based on the meaning of this invention, and does not exclude them from the scope of the present invention.

本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell system in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における燃料電池スタックに取り付けられた吸気マニホールド及び排気マニホールドの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the intake manifold and exhaust manifold attached to the fuel cell stack in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における燃料電池システムの動作を説明する図である。It is a figure explaining operation | movement of the fuel cell system in embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

20 燃料電池スタック
30、31、56 燃料排出管路
71 排気マニホールド
20 Fuel cell stack 30, 31, 56 Fuel discharge pipe 71 Exhaust manifold

Claims (3)

燃料ガス及び酸化ガスが供給されて発電する燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックの燃料ガス出口から排出された燃料ガスを燃料ガス入口に戻して循環させる循環路と、
前記燃料電池スタックの酸化ガス出口から排出された酸化ガス及び生成水を一時収容した後に排出する排気マニホールドと、
前記循環路のパージによって排出された不純物含有燃料ガスを前記排気マニホールド内に排出する燃料排出管路とを有することを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell stack that is supplied with fuel gas and oxidizing gas to generate electricity;
A circulation path for circulating the fuel gas discharged from the fuel gas outlet of the fuel cell stack back to the fuel gas inlet;
An exhaust manifold that discharges after temporarily storing the oxidizing gas and generated water discharged from the oxidizing gas outlet of the fuel cell stack;
A fuel cell system comprising: a fuel discharge pipe for discharging the impurity-containing fuel gas discharged by purging the circulation path into the exhaust manifold.
前記燃料排出管路の出口端は前記燃料電池スタックの酸化ガス出口の近傍に配設されている請求項1に記載の燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein an outlet end of the fuel discharge pipe is disposed in the vicinity of an oxidizing gas outlet of the fuel cell stack. 前記燃料排出管路から不純物含有燃料ガスが排出される場合、前記排気マニホールドより排出される燃料ガスの濃度を大気中に放出可能な濃度にまで希釈することができるように前記燃料電池スタックへの酸化ガスの供給量を制御する制御手段を有する請求項1又は2に記載の燃料電池システム。   When impurity-containing fuel gas is discharged from the fuel discharge line, the concentration of the fuel gas discharged from the exhaust manifold can be reduced to a concentration that can be released into the atmosphere. The fuel cell system according to claim 1, further comprising a control unit that controls a supply amount of the oxidizing gas.
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