JP2007115463A

JP2007115463A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2007115463A
Application number: JP2005304084A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Asai; 明寛浅井; Takeshi Shiomi; 岳史塩見
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-10-19
Filing date: 2005-10-19
Publication date: 2007-05-10

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of heating cooling water by installing a heating device in a manifold distributing fluid to be supplied to a fuel cell stack. <P>SOLUTION: The fuel cell system 1 has a manifold 3 distributing fluid to be supplied to a fuel cell stack 2. The manifold 3 has a structure of laminating a fuel gas layer 3a distributing fuel gas, a cooling water layer 3b distributing cooling water, and an oxidant gas layer 3c distributing oxidant gas. The heating device 10 is arranged on the cooling water layer 3b. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池スタックへ流体を分配するマニホールドを備えた燃料電池システムに係り、特にマニホールドで冷却水を加熱する燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system including a manifold that distributes fluid to a fuel cell stack, and more particularly to a fuel cell system that heats cooling water using the manifold.

燃料電池システムは、イオン導電性の材料に燃料ガスとなる水素ガスと酸化剤ガスとなる空気を供給することによって生じる電気化学反応を利用した発電手段である。この電気化学反応は発熱反応であるため、燃料電池システムには通常冷却水を循環させる必要がある。 The fuel cell system is a power generation means that utilizes an electrochemical reaction generated by supplying hydrogen gas that is a fuel gas and air that is an oxidant gas to an ion conductive material. Since this electrochemical reaction is an exothermic reaction, it is usually necessary to circulate cooling water in the fuel cell system.

一方で、燃料電池システムが低温の状態では発電効率が著しく低下するため、速やかに燃料電池システムを昇温する必要がある。 On the other hand, since the power generation efficiency is significantly reduced when the fuel cell system is at a low temperature, it is necessary to quickly raise the temperature of the fuel cell system.

そこで、従来では特開平８−３０６３８０号公報（特許文献１）に開示されているように、燃料電池システムの停止時に燃料電池システム全体を加熱して保温する方法が行なわれていた。また、別の方法としては特公平７−７６７４号公報（特許文献２）に開示されているように、発電手段の内部に昇温手段を設置する方法も行なわれていた。 Therefore, conventionally, as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 8-306380 (Patent Document 1), a method of heating and keeping the whole fuel cell system when the fuel cell system is stopped has been performed. As another method, as disclosed in Japanese Patent Publication No. 7-7684 (Patent Document 2), a method of installing a temperature raising means inside the power generation means has also been performed.

そして、一般的には冷却水循環流路中に別に昇温手段を設置し、この昇温手段によって暖められた冷却水を循環させて加熱する方法が行なわれていた。
特開平８−３０６３８０号公報特公平７−７６７４号公報 In general, a temperature raising means is separately provided in the cooling water circulation passage, and the cooling water heated by the temperature raising means is circulated and heated.
JP-A-8-306380 Japanese Patent Publication No. 7-7664

上述した特許文献１に開示された従来例では、燃料電池システムの停止時に燃料電池システム全体を加熱保温する必要があるので、例えば自動車のような移動体に燃料電池システムを搭載する場合には、加熱保温のために大きな二次電池を搭載するか、あるいは外部電源を用意するなどの必要があり、実用には適していない。 In the conventional example disclosed in Patent Document 1 described above, since the entire fuel cell system needs to be heated and insulated when the fuel cell system is stopped, for example, when the fuel cell system is mounted on a moving body such as an automobile, It is necessary to install a large secondary battery for heating and heat insulation or to prepare an external power source, which is not suitable for practical use.

また、特許文献２に開示された従来例のように、内部マニホールドに昇温手段を設置すると、内部マニホールド部を大型化しなければならない。このため、限られた空間にシステムを配設しなければならない移動体に搭載する場合には、燃料電池本体を小さくしなければならず、燃料電池システムの出力低下などの課題が考えられる。 Further, as in the conventional example disclosed in Patent Document 2, when the temperature raising means is installed in the internal manifold, the internal manifold portion must be enlarged. For this reason, in the case of mounting on a moving body where the system must be disposed in a limited space, the fuel cell main body must be made small, and problems such as a decrease in the output of the fuel cell system can be considered.

さらに、循環流路中に別の昇温手段を設置した場合には、暖められた水が任意の長さの流路を流通していく必要があり、その間に温度が低下して効率的に燃料電池スタックを昇温することができないという課題が考えられる。 Furthermore, when another temperature raising means is installed in the circulation flow path, it is necessary for the warmed water to flow through the flow path of an arbitrary length, and during that time the temperature drops and the There is a problem that the temperature of the fuel cell stack cannot be raised.

上述した課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応により反応させて発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックへ流体を分配するマニホールドとを備えた燃料電池システムであって、前記マニホールドは、燃料ガスを分配する燃料ガス層と、酸化剤ガスを分配する酸化剤ガス層と、冷却水を分配する冷却水層とを積層させた構造をしており、前記冷却水層に昇温手段を設置したことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell stack that generates electricity by reacting a fuel gas and an oxidant gas by an electrochemical reaction, and a manifold that distributes fluid to the fuel cell stack. The manifold has a structure in which a fuel gas layer for distributing fuel gas, an oxidant gas layer for distributing oxidant gas, and a cooling water layer for distributing cooling water are stacked. And a heating means is installed in the cooling water layer.

本発明に係る燃料電池システムでは、マニホールドが燃料ガス層と酸化剤ガス層と冷却水層とを積層させた構造をしており、このうち冷却水層に昇温手段を設置したので、燃料電池スタックに最も近い箇所で冷却水を昇温することができる。このため、流通途中での温度低下を生じることなく、また加熱のための大きな二次電池や外部電源を用意することなしに、始動直後から高効率で燃料電池システムを運転することができる。また、昇温手段のための空間を特別に設けることなく冷却水を昇温できるので、限られた空間に搭載する必要がある自動車などの移動体ではスペース効率を有利にすることができる。 In the fuel cell system according to the present invention, the manifold has a structure in which the fuel gas layer, the oxidant gas layer, and the cooling water layer are stacked, and among them, the temperature raising means is installed in the cooling water layer. The temperature of the cooling water can be raised at the location closest to the stack. For this reason, it is possible to operate the fuel cell system with high efficiency immediately after starting without causing a temperature drop during distribution and without preparing a large secondary battery or external power source for heating. Further, since the temperature of the cooling water can be raised without providing a space for the temperature raising means, space efficiency can be made advantageous in a moving body such as an automobile that needs to be mounted in a limited space.

以下、本発明に係わる燃料電池システムを実施するための最良の形態となる実施例について説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the fuel cell system according to the present invention will be described.

以下、本発明の実施例１を図面に基づいて説明する。図１は実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す斜視図である。 Embodiment 1 of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view illustrating the configuration of the fuel cell system according to the first embodiment.

図１に示すように、本実施例の燃料電池システム１は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２に燃料ガスや酸化剤ガス、冷却水などの流体を供給及び排出するマニホールド３とを備えている。 As shown in FIG. 1, a fuel cell system 1 according to this embodiment includes a fuel cell stack 2 that is supplied with fuel gas and an oxidant gas and generates electric power through an electrochemical reaction, and a fuel gas and an oxidant that are supplied to the fuel cell stack 2. And a manifold 3 for supplying and discharging a fluid such as gas and cooling water.

ここで、燃料電池スタック２は、複数の燃料電池スタック２Ａ、２Ｂから構成され、各燃料電池スタック２Ａ、２Ｂは燃料電池単セルとセパレータとを垂直方向に積層して形成されている。そして、各燃料電池単セルは電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成されている。尚、本実施例では燃料電池スタックが２列ある場合を一例として説明するが、燃料電池スタックが３列以上ある場合でも同様の効果を得ることができる。 Here, the fuel cell stack 2 includes a plurality of fuel cell stacks 2A and 2B, and each fuel cell stack 2A and 2B is formed by vertically stacking a single fuel cell cell and a separator. Each fuel cell single cell is configured by sandwiching an electrolyte membrane between an anode electrode and a cathode electrode. In the present embodiment, a case where there are two rows of fuel cell stacks will be described as an example, but the same effect can be obtained even when there are three or more rows of fuel cell stacks.

このような構成の燃料電池スタック２では、アノードに燃料ガスである水素ガスが供給され、カソードに酸化剤ガスである空気が供給されて以下に示す電気化学反応によって発電が行われている。 In the fuel cell stack 2 having such a configuration, hydrogen gas, which is a fuel gas, is supplied to the anode, and air, which is an oxidant gas, is supplied to the cathode, and power generation is performed by the following electrochemical reaction.

アノード（燃料極）：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- （１）
カソード（酸化剤極）：２Ｈ+＋２ｅ-＋(1/2)Ｏ2→Ｈ2Ｏ（２）
ここで、本実施例の燃料電池システム１では、燃料電池として固体高分子タイプの燃料電池を用いている。固体高分子タイプの燃料電池は、電解質膜として固体高分子膜を用いたものであり、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化等の点で優れている。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等のイオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。各燃料電池単セルでは、１Ｖ程度の電圧を発電するため、一般に使用する場合には燃料電池単セルをカーボンや金属でできたセパレータで挟んで複数積層することによって燃料電池スタックを形成し、所望の電圧を得るようにしている。コージェネレーション用などの定置式燃料電池システムの場合には、比較的設置空間に余裕があるため、セルの積層枚数を増やすことが容易である。一方、設置空間が狭く定置式に比べ配設自由度の低い車両に燃料電池システムを搭載する場合には、燃料電池スタックを複数個電気的に直列に接続し、セルの積層枚数を増加させた場合と同じ効果を得るようにすることが一般的に行なわれている。 Anode (fuel electrode): H2 → 2H ++ 2e- (1)
Cathode (oxidizer electrode): 2H ++ 2e-+ (1/2) O2 → H2O (2)
Here, in the fuel cell system 1 of the present embodiment, a solid polymer type fuel cell is used as the fuel cell. A solid polymer type fuel cell uses a solid polymer membrane as an electrolyte membrane, and is excellent in terms of high energy density, low cost, light weight, and the like. The solid polymer electrolyte membrane is made of an ion (proton) conductive polymer membrane such as a fluororesin ion exchange membrane, and functions as an ion conductive electrolyte when saturated with water. Each fuel cell single cell generates a voltage of about 1 V. Therefore, in general use, a fuel cell stack is formed by laminating a plurality of fuel cell single cells with carbon or metal separators, and is desired. Trying to get a voltage of. In the case of a stationary fuel cell system for cogeneration or the like, there is a relatively large installation space, so it is easy to increase the number of stacked cells. On the other hand, when installing a fuel cell system in a vehicle with a small installation space and a low degree of freedom of placement compared to a stationary type, a plurality of fuel cell stacks are electrically connected in series to increase the number of stacked cells. In general, the same effect as in the case is obtained.

マニホールド３は、燃料供給装置や酸化剤供給装置、冷却水供給装置から供給される各流体を燃料電池スタック２Ａ及び２Ｂへ等分配する機能を有し、燃料電池スタック２の下面にＯリングやガスケットなどのシール材料を介してボルトなどによって固定されている。 The manifold 3 has a function of equally distributing each fluid supplied from the fuel supply device, the oxidant supply device, and the cooling water supply device to the fuel cell stacks 2A and 2B. It is fixed by bolts etc. through a sealing material.

このように構成された本実施例の燃料電池システム１では、発電手段としての燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２に燃料としての水素を供給する水素供給系と、燃料電池スタック２に酸化剤としての空気を供給する空気供給系とを主要な構成要素として備え、燃料電池スタック２に水素供給系からの水素と空気供給系からの空気をそれぞれ供給することによって、燃料電池スタック２でこれら水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得ている。 In the fuel cell system 1 of the present embodiment configured as described above, the fuel cell stack 2 as power generation means, a hydrogen supply system that supplies hydrogen as fuel to the fuel cell stack 2, and an oxidant to the fuel cell stack 2 As a main component, the fuel cell stack 2 is supplied with hydrogen from the hydrogen supply system and air from the air supply system, respectively. And oxygen in the air are reacted electrochemically to generate generated power.

ここで、水素供給系としては、例えば水素を貯蔵する高圧水素タンク、水素供給通路、可変バルブ、水素排気通路、水素希釈装置、水素燃焼装置等がある。該水素供給系には炭化水素を改質することによって発生する水素リッチな気体を用いることもできるが、本実施例では高圧水素タンクから供給する場合を取り上げる。この水素供給において、水素供給源である高圧水素タンクから取り出された水素は、可変バルブなどで流量や圧力が調整された上で、水素供給通路を通じて燃料電池の燃料極へと供給される。また、燃料電池の燃料極から排出されたアノード排出ガスは、水素排気通路を通って水素希釈装置で水素濃度が十分に希釈されるか、あるいは水素燃焼装置で酸化された上で、システム外部に排出されている。なお、水素供給系の構成は上述の例に限定されるものではなく、従来公知の構成であれば何れも採用可能である。例えば、燃料電池での発電で消費されなかった余剰の水素をポンプやエゼクタを用いて循環させて、燃料電池の燃料極に再度供給する水素循環型の構成を採用してもよく、この場合には水素の利用効率を高めながら燃料電池での発電を効率的に行なうことが可能となる。 Here, examples of the hydrogen supply system include a high-pressure hydrogen tank that stores hydrogen, a hydrogen supply passage, a variable valve, a hydrogen exhaust passage, a hydrogen dilution device, and a hydrogen combustion device. A hydrogen-rich gas generated by reforming hydrocarbons can be used for the hydrogen supply system, but in this embodiment, the case of supplying from a high-pressure hydrogen tank is taken up. In this hydrogen supply, the hydrogen taken out from the high-pressure hydrogen tank that is a hydrogen supply source is supplied to the fuel electrode of the fuel cell through the hydrogen supply passage after the flow rate and pressure are adjusted by a variable valve or the like. The anode exhaust gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell passes through the hydrogen exhaust passage and is sufficiently diluted in hydrogen concentration by the hydrogen dilution device or oxidized by the hydrogen combustion device, and then is discharged to the outside of the system. It has been discharged. The configuration of the hydrogen supply system is not limited to the above example, and any conventionally known configuration can be adopted. For example, a hydrogen circulation type configuration may be employed in which surplus hydrogen that has not been consumed by power generation in the fuel cell is circulated using a pump or ejector and supplied to the fuel electrode of the fuel cell again. Makes it possible to efficiently generate power in the fuel cell while increasing the utilization efficiency of hydrogen.

一方、燃料電池スタック２で発電を行なうには、燃料としての水素ガスの他に酸化剤としての空気を供給する必要があり、燃料電池システム１にはそのための機構として空気供給系が備えられている。この空気供給系としては、例えば空気を圧縮して燃料電池へ供給する圧縮機や、空気冷却装置、空気供給通路、加湿器、空気排気通路、可変バルブ等がある。この空気供給系において、大気を圧縮機で圧縮することによって供給された空気は、可変バルブなどで流量や圧力が調整され、空気冷却装置や加湿器によって適切な温度・湿度に調整されて燃料電池の酸化剤極へ供給される。また、燃料電池の酸化剤極から排出された排出ガスは空気排気通路を介して、システム外部へ排出される。 On the other hand, in order to generate power in the fuel cell stack 2, it is necessary to supply air as an oxidant in addition to hydrogen gas as a fuel, and the fuel cell system 1 is provided with an air supply system as a mechanism therefor. Yes. Examples of the air supply system include a compressor that compresses air and supplies the fuel cell, an air cooling device, an air supply passage, a humidifier, an air exhaust passage, and a variable valve. In this air supply system, the air supplied by compressing the atmosphere with a compressor is adjusted in flow rate and pressure by a variable valve or the like, adjusted to an appropriate temperature and humidity by an air cooling device or a humidifier, and the fuel cell. To the oxidizer electrode. Further, the exhaust gas discharged from the oxidant electrode of the fuel cell is discharged outside the system through the air exhaust passage.

また、燃料電池スタック２の発電は発熱反応であるため、燃料電池スタック２の冷却を行なう必要があり、燃料電池システム１にはそのための機構として冷却系が備えられている。この冷却系では、例えばエチレングリコールと水を混ぜた冷却水をポンプや放熱装置、フィルタ等を介して循環させている。また、冷却系は燃料電池以外の例えば水素供給系のポンプや空気供給系の圧縮機などの熱を発する装置の冷却手段として使用することもできる。 Further, since the power generation of the fuel cell stack 2 is an exothermic reaction, it is necessary to cool the fuel cell stack 2, and the fuel cell system 1 is provided with a cooling system as a mechanism therefor. In this cooling system, for example, cooling water obtained by mixing ethylene glycol and water is circulated through a pump, a heat dissipation device, a filter, and the like. The cooling system can also be used as a cooling means for a device that generates heat, such as a hydrogen supply system pump or an air supply system compressor other than the fuel cell.

次に、マニホールド３の構造を図２に基づいて説明する。図２はマニホールド３を各層に分解して示した分解斜視図である。図２に示すように、マニホールド３は、燃料ガスを分配する燃料ガス層３ａと、冷却水を分配する冷却水層３ｂと、酸化剤ガスを分配する酸化剤ガス層３ｃとを積層させた構造をしており、冷却水層３ｂには昇温装置（昇温手段）１０が設置されている。ただし、各層の積層順については図２の例に限定されるものではない。また、マニホールド３の各層３ａ〜３ｃは、例えば通しボルトで締結したり、バネ構造によって圧縮力をかけることにより図１に示すような一体構造物とすることができる。 Next, the structure of the manifold 3 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is an exploded perspective view showing the manifold 3 in an exploded manner. As shown in FIG. 2, the manifold 3 has a structure in which a fuel gas layer 3a for distributing fuel gas, a cooling water layer 3b for distributing cooling water, and an oxidant gas layer 3c for distributing oxidant gas are stacked. A temperature raising device (temperature raising means) 10 is installed in the cooling water layer 3b. However, the stacking order of each layer is not limited to the example of FIG. Moreover, each layer 3a-3c of the manifold 3 can be made into an integral structure as shown in FIG. 1 by fastening with a through bolt, for example, or applying a compressive force with a spring structure.

次に、昇温装置１０の構造を図３に基づいて説明する。図３はマニホールド３の冷却水層３ｂのみを拡大して示した拡大斜視図である。図３に示すように、本実施例の昇温装置１０は略棒形状に作られている。そして、冷却水層３ｂの側面に孔を開け、この孔に昇温装置１０を差し込むことによって冷却水層３ｂの昇温を行なうように構成されている。昇温装置１０としては例えば電気ヒータが最も一般的であるが、同等の機能を備えた他の加熱装置を用いることもできる。 Next, the structure of the temperature raising device 10 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is an enlarged perspective view showing only the cooling water layer 3b of the manifold 3 in an enlarged manner. As shown in FIG. 3, the temperature raising device 10 of the present embodiment is made in a substantially bar shape. And it is comprised so that the temperature of the cooling water layer 3b may be raised by making a hole in the side surface of the cooling water layer 3b and inserting the temperature raising device 10 into this hole. For example, an electric heater is most commonly used as the temperature raising device 10, but other heating devices having an equivalent function can also be used.

この昇温装置１０への通電は、マイクロコンピュータにより構成された図示しないコントローラにより制御されている。 Energization of the temperature raising device 10 is controlled by a controller (not shown) configured by a microcomputer.

また、昇温装置１０の設置方法としては、金属シーズに封入された昇温装置１０を使用して孔との隙間が可能な限り小さくなるようにし、例えば中間ばめで孔を開け昇温装置１０を冷却水層３ｂへ挿入すればよい。 As a method for installing the temperature raising device 10, the temperature raising device 10 enclosed in a metal sheath is used so that the gap with the hole is as small as possible. May be inserted into the cooling water layer 3b.

また、昇温装置１０を孔より細くし、熱伝達のよいシール材を充填して昇温装置１０を冷却水層３ｂに固定するようにしてもよい。 Alternatively, the temperature raising device 10 may be made thinner than the hole and filled with a sealing material with good heat transfer so that the temperature raising device 10 is fixed to the cooling water layer 3b.

さらに、最も簡便な方法としては、例えばインコネルなどの電気抵抗の大きい部材を、冷却水層３ｂに開けた孔に埋めることによって昇温装置とすることも考えられる。この場合にマニホールド製作時にマニホールドの冷却水層内部に電気抵抗の大きい部材を鋳込んでモールドすることによって、容易に冷却水層３ｂの内部に昇温装置１０を設置することができる。 Furthermore, as the simplest method, for example, it is conceivable to use a temperature increasing device by filling a member having a large electrical resistance such as Inconel in a hole opened in the cooling water layer 3b. In this case, the temperature raising device 10 can be easily installed inside the cooling water layer 3b by casting and molding a member having a large electric resistance inside the cooling water layer of the manifold when manufacturing the manifold.

このように、本実施例の燃料電池システム１では、マニホールド３が燃料ガスを分配する燃料ガス層３ａと、酸化剤ガスを分配する酸化剤ガス層３ｃと、冷却水を分配する冷却水層３ｂとを積層させた構造において、冷却水層３ｂに昇温装置１０を設置したので、燃料電池スタック２に最も近い箇所で冷却水を昇温することができる。このため、流通途中での温度低下を生じることなく、また加熱のための大きな二次電池や外部電源を用意することなしに、始動直後から高効率で燃料電池システム１を運転することができる。さらに、昇温装置１０のための空間を特別に設けることなく冷却水を昇温できるので、限られた空間に搭載する必要がある自動車などの移動体ではスペース効率を有利にすることができる。 Thus, in the fuel cell system 1 of this embodiment, the manifold 3 distributes the fuel gas, the fuel gas layer 3a that distributes the fuel gas, the oxidant gas layer 3c that distributes the oxidant gas, and the cooling water layer 3b that distributes the cooling water. Since the temperature raising device 10 is installed in the cooling water layer 3b, the temperature of the cooling water can be raised at a location closest to the fuel cell stack 2. For this reason, the fuel cell system 1 can be operated with high efficiency immediately after starting without causing a temperature drop during distribution and without preparing a large secondary battery or external power source for heating. Furthermore, since the temperature of the cooling water can be raised without specially providing a space for the temperature raising device 10, space efficiency can be made advantageous in a moving body such as an automobile that needs to be mounted in a limited space.

また、本実施例の燃料電池システム１では、出力密度が大きい略棒形状の昇温装置１０を使用しているため、必要とする昇温装置の数を減らすことができ、配設スペースを節約することができる。 In addition, in the fuel cell system 1 of the present embodiment, the substantially rod-shaped temperature increasing device 10 having a large output density is used, so that the number of required temperature increasing devices can be reduced and the installation space can be saved. can do.

さらに、昇温装置１０をマニホールド３の製造時にモールドすることにより、マニホールドの製造時以外に昇温装置を加工したり、設置したりする必要がなく、簡単な方法で手間をかけることなく冷却水を昇温することができる。 Further, by molding the temperature raising device 10 at the time of manufacturing the manifold 3, there is no need to process or install the temperature raising device other than at the time of manufacturing the manifold. The temperature can be raised.

次に、本発明の実施例２を図４に基づいて説明する。図４は、実施例２に係る燃料電池システムのマニホールドの構成を示す分解斜視図である。図４に示すように、本実施例の燃料電池システム４１は、板状の昇温装置１１を冷却水層３ｂの上下に配置し、さらにその上下に板状の断熱材１２を配置したことが実施例１と異なっている。ただし、その他の構成は実施例１と同一なので、詳しい説明を省略する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is an exploded perspective view illustrating the configuration of the manifold of the fuel cell system according to the second embodiment. As shown in FIG. 4, in the fuel cell system 41 of the present embodiment, the plate-like temperature raising devices 11 are arranged above and below the cooling water layer 3 b, and the plate-like heat insulating materials 12 are arranged above and below the plate-shaped temperature rising devices 11. This is different from the first embodiment. However, since other configurations are the same as those in the first embodiment, detailed description thereof is omitted.

図４において、板状の昇温装置１１は、マニホールド３の積層構造中に間挿されているので、マニホールド３の冷却水層３ｂに加工などを施す必要がなく、積層構造を有するマニホールド３の一部として扱うことができる。したがって、特別に昇温装置１１を設置するための空間を別に設ける必要をなくすことができる。 In FIG. 4, since the plate-shaped temperature raising device 11 is inserted in the laminated structure of the manifold 3, it is not necessary to process the cooling water layer 3b of the manifold 3, and the manifold 3 having the laminated structure is not required. Can be treated as part. Therefore, it is possible to eliminate the need for providing a special space for installing the temperature raising device 11.

この板状の昇温装置１１は、表裏の両面が加熱されるので、隣接する燃料ガス層３ａや酸化剤ガス層３ｃも昇温してしまう。しかし、燃料電池スタック２へ流入する燃料ガス及び酸化剤ガスは所定の相対湿度を有している必要があり、所定の相対湿度を下回るガスが燃料電池スタック２へ流入すると、燃料電池スタック２内の電解質膜の水分がガス内へ拡散し、電解質膜の乾燥による発電不良の原因となる。 Since both the front and back surfaces of the plate-like temperature raising device 11 are heated, the temperature of the adjacent fuel gas layer 3a and oxidant gas layer 3c is also raised. However, the fuel gas and the oxidant gas that flow into the fuel cell stack 2 need to have a predetermined relative humidity, and if a gas that falls below the predetermined relative humidity flows into the fuel cell stack 2, The moisture in the electrolyte membrane diffuses into the gas, causing power generation failure due to drying of the electrolyte membrane.

そこで、図４に示すように、昇温装置１１と燃料ガス層３ａ及び酸化剤ガス層３ｃとの間に断熱材１２を設け、昇温装置１１による熱が燃料ガス層３ａ及び酸化剤ガス層３ｃへ伝達されないようにしている。 Therefore, as shown in FIG. 4, a heat insulating material 12 is provided between the temperature raising device 11 and the fuel gas layer 3 a and the oxidant gas layer 3 c, and heat from the temperature raising device 11 is generated by the fuel gas layer 3 a and the oxidant gas layer. The signal is not transmitted to 3c.

また、より簡便な方法としては、マニホールド３の冷却水層３ｂを熱伝達及び熱伝導に優れた金属製とし、燃料ガス層３ａ及び酸化剤ガス層３ｃを樹脂製としてもよい。これによって、より簡便な方法で昇温装置１１の熱を効率良く冷却水へ伝えることができるとともに、所定の相対湿度を必要とする燃料ガス及び酸化剤ガスの昇温を防止することができる。 As a simpler method, the cooling water layer 3b of the manifold 3 may be made of metal excellent in heat transfer and heat conduction, and the fuel gas layer 3a and the oxidant gas layer 3c may be made of resin. Thus, the heat of the temperature raising device 11 can be efficiently transmitted to the cooling water by a simpler method, and the temperature rise of the fuel gas and the oxidant gas that require a predetermined relative humidity can be prevented.

次に、図４のＡ−Ａ部断面の模式図を図５に示す。図５に示すように、昇温装置１１と冷却水層３ｂの接触面には、それぞれ複数の凹部と突部とが設けられており、これら凹部と突部とを嵌合させて接触するようになっている。これにより、接触面積が増加して効率良く昇温装置１１の熱を冷却水層３ｂへ伝達することが可能となる。 Next, FIG. 5 shows a schematic diagram of a cross section taken along line AA of FIG. As shown in FIG. 5, a plurality of recesses and protrusions are provided on the contact surfaces of the temperature raising device 11 and the cooling water layer 3b, respectively, so that the recesses and the protrusions are fitted and come into contact with each other. It has become. Thereby, a contact area increases and it becomes possible to transmit the heat | fever of the temperature rising apparatus 11 to the cooling water layer 3b efficiently.

このように、本実施例の燃料電池システム４１では、昇温装置１１を冷却水層の少なくとも片面に接触して配置されるように板形状としたので、昇温装置１１のための特別な空間を必要とせず、マニホールド３を小型化することができる。 As described above, in the fuel cell system 41 of the present embodiment, the temperature raising device 11 has a plate shape so as to be disposed in contact with at least one surface of the cooling water layer. Therefore, the manifold 3 can be reduced in size.

また、本実施例の燃料電池システム４１では、板形状の昇温装置１１と冷却水層３ｂとの間の接触面に互いに嵌合するように凹凸部を設けたので、冷却水層３ｂと昇温装置１１との接触面積が増加し、より効率良く冷却水の昇温を実現することができる。 Further, in the fuel cell system 41 of the present embodiment, the concave and convex portions are provided so as to be fitted to each other on the contact surface between the plate-shaped temperature raising device 11 and the cooling water layer 3b. The contact area with the temperature device 11 is increased, and the temperature of the cooling water can be increased more efficiently.

さらに、本実施例の燃料電池システム４１では、冷却水層３ｂと燃料ガス層３ａあるいは酸化剤ガス層３ｃとの間に断熱材１２を挿入したので、昇温装置１１の熱を効率良く冷却水へ伝えることができ、冷却水の昇温効率を向上させることができる。また、所定の相対湿度を必要とする燃料ガス及び酸化剤ガスの昇温を防止するので、所定の相対湿度を保つことができ、燃料電池スタック２においてドライアウトなどを防止することができる。 Further, in the fuel cell system 41 of the present embodiment, since the heat insulating material 12 is inserted between the cooling water layer 3b and the fuel gas layer 3a or the oxidant gas layer 3c, the heat of the temperature raising device 11 is efficiently cooled by the cooling water. The cooling water heating efficiency can be improved. Further, since the temperature rise of the fuel gas and the oxidant gas that require a predetermined relative humidity is prevented, the predetermined relative humidity can be maintained, and dry-out in the fuel cell stack 2 can be prevented.

また、本実施例の燃料電池システム４１では、冷却水層３ｂを金属製とし、燃料ガス層３ａと酸化剤ガス層３ｃとを樹脂製にすることで、簡便な方法で昇温装置１１の熱を効率良く冷却水へ伝達して冷却水の昇温効率を向上させることができる。また、所定の相対湿度を必要とする燃料ガス及び酸化剤ガスの昇温を簡便な方法で防止できるので、所定の相対湿度を保つことができ、燃料電池スタック２において電解質膜の乾燥などによる発電不良を防止することができる。 In the fuel cell system 41 of the present embodiment, the cooling water layer 3b is made of metal, and the fuel gas layer 3a and the oxidant gas layer 3c are made of resin, so that the heat of the temperature raising device 11 can be obtained by a simple method. Can be efficiently transmitted to the cooling water, and the temperature rise efficiency of the cooling water can be improved. Further, since the temperature rise of the fuel gas and the oxidant gas that require a predetermined relative humidity can be prevented by a simple method, the predetermined relative humidity can be maintained, and power generation by drying the electrolyte membrane or the like in the fuel cell stack 2 is possible. Defects can be prevented.

次に、本発明の実施例３を図６に基づいて説明する。図６は、実施例３に係る燃料電池システムの構成を示す斜視図である。図６に示すように、本実施例の燃料電池システム６１は、燃料電池スタック２の冷却水入口における冷却水温度を検出する温度センサ（温度検出手段）６２と、燃料電池スタック２の冷却水出口における冷却水温度を検出する温度センサ（温度検出手段）６３とを備え、これらセンサで検出した冷却水温度を図示しないコントローラに送信することが第１及び実施例２と異なっている。ただし、その他の構成は第１及び実施例２と同一なので、詳しい説明は省略する。 Next, Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a perspective view illustrating the configuration of the fuel cell system according to the third embodiment. As shown in FIG. 6, the fuel cell system 61 of this embodiment includes a temperature sensor (temperature detection means) 62 that detects the coolant temperature at the coolant inlet of the fuel cell stack 2, and the coolant outlet of the fuel cell stack 2. The first and second embodiments are different from the first and second embodiments in that a temperature sensor (temperature detection means) 63 for detecting the cooling water temperature is transmitted to the controller (not shown). However, since other configurations are the same as those of the first and second embodiments, detailed description thereof is omitted.

上述した第１及び実施例２で説明したように、昇温装置１０、１１は燃料電池システム１の始動時に冷却水を加熱して燃料電池スタック２の昇温を促すために設置されている。そのため、昇温装置１０、１１は、燃料電池スタック２が冷えているときに冷却水を加熱し、十分に加熱された状態では加熱を中止する必要がある。 As described in the first and second embodiments described above, the temperature raising devices 10 and 11 are installed to heat the cooling water at the start of the fuel cell system 1 and promote the temperature rise of the fuel cell stack 2. Therefore, it is necessary for the temperature raising devices 10 and 11 to heat the cooling water when the fuel cell stack 2 is cold, and to stop the heating when the fuel cell stack 2 is sufficiently heated.

そこで本実施例では、燃料電池スタック２の入口及び出口に冷却水の温度を検出するための温度センサ６２、６３を設け、図示しないコントローラにおいて、これらの温度センサ６２、６３による検出値が予め決められた所定値以下のときに昇温装置１０、１１によって冷却水を加熱し、所定値以上となったときに加熱を停止するように制御している。これにより、確実に冷却水の温度が低いときにのみ冷却水を加熱することができる。 Therefore, in this embodiment, temperature sensors 62 and 63 for detecting the temperature of the cooling water are provided at the inlet and the outlet of the fuel cell stack 2, and a detection value by these temperature sensors 62 and 63 is determined in advance by a controller (not shown). Control is performed so that the cooling water is heated by the temperature raising devices 10 and 11 when the temperature is below the predetermined value, and the heating is stopped when the temperature is equal to or higher than the predetermined value. Thereby, the cooling water can be heated only when the temperature of the cooling water is low.

このように、本実施例の燃料電池システム６１では、燃料電池スタック２の冷却水入口あるいは出口に、冷却水の温度を検出する温度センサ６２、６３を備え、温度センサ６２、６３で検出された冷却水温度が所定値以下のときに昇温装置１０、１１に通電するように制御するようにしたので、加熱が必要ないときに昇温装置１０、１１の使用を避けることができ、燃料電池システム６１全体の効率を向上させることができる。さらに、燃料電池スタック２へ異常な高温冷却水が流入することも防止できる。 As described above, in the fuel cell system 61 of the present embodiment, the temperature sensors 62 and 63 for detecting the temperature of the cooling water are provided at the cooling water inlet or the outlet of the fuel cell stack 2 and detected by the temperature sensors 62 and 63. Since the temperature raising devices 10 and 11 are controlled to be energized when the cooling water temperature is equal to or lower than a predetermined value, the use of the temperature raising devices 10 and 11 can be avoided when heating is not required. The efficiency of the entire system 61 can be improved. Further, abnormal high temperature cooling water can be prevented from flowing into the fuel cell stack 2.

次に、本発明の実施例４を図７に基づいて説明する。図７は、実施例４に係る燃料電池システムの構成を示す斜視図である。図７に示すように、本実施例の燃料電池システム７１は、外気の温度を検出する外気温センサ（外気温度検出手段）７２を備え、ここで検出した外気の温度を図示しないコントローラに送信することが第１及び実施例２と異なっている。ただし、その他の構成は第１及び実施例２と同一なので、詳しい説明は省略する。 Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a perspective view illustrating the configuration of the fuel cell system according to the fourth embodiment. As shown in FIG. 7, the fuel cell system 71 of this embodiment includes an outside air temperature sensor (outside air temperature detecting means) 72 that detects the outside air temperature, and transmits the outside air temperature detected here to a controller (not shown). This is different from the first and second embodiments. However, since other configurations are the same as those of the first and second embodiments, detailed description thereof is omitted.

上述した第１及び実施例２で説明したように、昇温装置１０、１１は燃料電池システム７１の始動時に冷却水を加熱して燃料電池スタック２の昇温を促すために設置されている。そのため、昇温装置１０、１１は、燃料電池スタック２が冷えているときに冷却水を加熱し、十分に加熱された状態では加熱を中止する必要がある。 As described in the first and second embodiments described above, the temperature raising devices 10 and 11 are installed to heat the cooling water at the start of the fuel cell system 71 and promote the temperature rise of the fuel cell stack 2. Therefore, it is necessary for the temperature raising devices 10 and 11 to heat the cooling water when the fuel cell stack 2 is cold, and to stop the heating when the fuel cell stack 2 is sufficiently heated.

そこで本実施例では、図示しないコントローラにより外気温センサ７２で検出される外気温に応じて昇温装置１０、１１を制御している。ここで、外気温による昇温装置１０、１１の制御方法を図８に基づいて説明する。図８に示すように、自動車などの移動体に一般的に設置されている外気温センサ７２の検出値が所定温度以下の場合、図示しないコントローラは昇温装置１０、１１をＯＮして加熱を行い、その後に燃料電池スタック２による累積発電量が予め決められた所定値以上となったときに、燃料電池スタック２が十分に加熱されたと判断して昇温装置１０、１１による加熱を停止するように制御している。 Therefore, in this embodiment, the temperature raising devices 10 and 11 are controlled according to the outside air temperature detected by the outside air temperature sensor 72 by a controller (not shown). Here, the control method of the temperature raising devices 10 and 11 by the outside air temperature will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 8, when the detected value of the outside air temperature sensor 72 generally installed in a moving body such as an automobile is equal to or lower than a predetermined temperature, a controller (not shown) turns on the temperature raising devices 10 and 11 to perform heating. After that, when the accumulated power generation amount by the fuel cell stack 2 becomes equal to or greater than a predetermined value, it is determined that the fuel cell stack 2 is sufficiently heated and heating by the temperature raising devices 10 and 11 is stopped. So that it is controlled.

また、外気温センサ７２の検出値が所定温度以上の場合、例えば夏期などでは燃料電池スタック２の温度は低くても外気温が高く比較的短時間で燃料電池スタック２を昇温できるので、昇温装置１０、１１を使用せずにＯＦＦの状態のままにして燃料電池システム７１全体の効率を向上させるようにする。 Further, when the detected value of the outside air temperature sensor 72 is equal to or higher than a predetermined temperature, for example, in summer, the outside temperature is high and the temperature of the fuel cell stack 2 can be raised in a relatively short time even if the temperature of the fuel cell stack 2 is low. The efficiency of the entire fuel cell system 71 is improved by keeping the temperature devices 10 and 11 in the OFF state without using them.

このように、本実施例の燃料電池システム７１では、外気の温度を検出する外気温センサ７２を備え、外気温センサ７２で検出された外気温が所定値以下のときに昇温装置１０、１１に通電を開始し、通電開始後の燃料電池スタック２の累積発電量が所定値以上になったときに通電を終了するようにしたので、外気温が高く比較的短時間で燃料電池スタック２の昇温が完了するような場合に昇温装置１０、１１の使用を避けることができ、燃料電池システム７１全体の効率を向上させることができる。さらに、累積発電量によって昇温装置１０、１１を停止させるので、特別に温度センサを設けなくても昇温装置１０、１１を制御することができる。 As described above, the fuel cell system 71 of the present embodiment includes the outside air temperature sensor 72 that detects the temperature of the outside air, and when the outside air temperature detected by the outside air temperature sensor 72 is equal to or lower than a predetermined value, the temperature raising devices 10 and 11. Energization is started, and energization is terminated when the accumulated power generation amount of the fuel cell stack 2 after energization exceeds a predetermined value, so that the outside temperature is high and the fuel cell stack 2 When the temperature rise is completed, the use of the temperature raising devices 10 and 11 can be avoided, and the efficiency of the entire fuel cell system 71 can be improved. Furthermore, since the temperature raising devices 10 and 11 are stopped by the accumulated power generation amount, the temperature raising devices 10 and 11 can be controlled without specially providing a temperature sensor.

以上、本発明の燃料電池システムについて、図示した実施例に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。 Although the fuel cell system of the present invention has been described based on the illustrated embodiment, the present invention is not limited to this, and the configuration of each part is replaced with an arbitrary configuration having the same function. Can do.

本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す斜視図である。1 is a perspective view showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. 本発明の実施例１に係る燃料電池システムのマニホールドの構造を説明するための分解斜視図である。It is a disassembled perspective view for demonstrating the structure of the manifold of the fuel cell system which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例１に係る燃料電池システムの冷却水層に設置される昇温装置の構造を説明するための斜視図である。It is a perspective view for demonstrating the structure of the temperature rising apparatus installed in the cooling water layer of the fuel cell system which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例２に係る燃料電池システムのマニホールドの構造を説明するための分解斜視図である。It is a disassembled perspective view for demonstrating the structure of the manifold of the fuel cell system which concerns on Example 2 of this invention. 図４のＡ−Ａ線における断面図である。It is sectional drawing in the AA of FIG. 本発明の実施例３に係る燃料電池システムの構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the fuel cell system which concerns on Example 3 of this invention. 本発明の実施例４に係る燃料電池システムの構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the fuel cell system which concerns on Example 4 of this invention. 本発明の実施例４に係る燃料電池システムにおける昇温装置の制御方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the control method of the temperature rising apparatus in the fuel cell system which concerns on Example 4 of this invention.

Explanation of symbols

１、４１、６１、７１燃料電池システム
２、２Ａ、２Ｂ燃料電池スタック
３マニホールド
３ａ燃料ガス層
３ｂ冷却水層
３ｃ酸化剤ガス層
１０、１１昇温装置（昇温手段）
１２断熱材
６２、６３温度センサ（温度検出手段）
７２外気温センサ（外気温度検出手段）
1, 41, 61, 71 Fuel cell system 2, 2A, 2B Fuel cell stack 3 Manifold 3a Fuel gas layer 3b Cooling water layer 3c Oxidant gas layers 10, 11 Temperature raising device (temperature raising means)
12 Thermal insulation materials 62, 63 Temperature sensor (temperature detection means)
72 Outside air temperature sensor (outside air temperature detecting means)

Claims

A fuel cell system comprising: a fuel cell stack that generates electricity by reacting a fuel gas and an oxidant gas by an electrochemical reaction; and a manifold that distributes fluid to the fuel cell stack,
The manifold has a structure in which a fuel gas layer that distributes fuel gas, an oxidant gas layer that distributes oxidant gas, and a cooling water layer that distributes cooling water are stacked. A fuel cell system comprising a temperature raising means.

The fuel cell system according to claim 1, wherein the temperature raising means is inserted into the cooling water layer in a substantially rod shape.

The fuel cell system according to claim 1, wherein the temperature raising unit is molded in the manifold.

The fuel cell system according to claim 1, wherein the temperature raising unit has a plate shape arranged in contact with at least one surface of the cooling water layer.

5. The fuel cell system according to claim 4, wherein the contact surface between the plate-shaped temperature raising means and the cooling water layer is provided with concave and convex portions that fit each other.

The fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein a heat insulating material is inserted between the cooling water layer and the fuel gas layer or the oxidant gas layer. system.

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, wherein the cooling water layer is made of metal, and the fuel gas layer and the oxidant gas layer are made of resin.

Temperature detection means for detecting the temperature of the cooling water is provided at the cooling water inlet or outlet of the fuel cell stack, and the temperature raising means is energized when the cooling water temperature detected by the temperature detection means is a predetermined value or less. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7, wherein

An outside air temperature detecting means for detecting the temperature of the outside air; and when the outside air temperature detected by the outside air temperature detecting means is a predetermined value or less, energization of the temperature raising means is started, and the fuel cell stack after energization is started The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7, wherein energization is terminated when the accumulated power generation amount exceeds a predetermined value.