JP2008041611A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent a water from staying in a circulation pump. <P>SOLUTION: A fuel cell system has a circulation pump 25 in a circulation route composed of a fuel gas supply passage 201B and a gas discharge passage 202, where the fuel gas supply passage 201B supplies a fuel gas to a fuel cell stuck 100, and the gas discharge passage 202 sends a discharge gas from the fuel cell stack 100 back to the fuel gas supply passage 201B. A flow sensor S5 detects a discharge quantity of the circulation pump 25. When a flow rate becomes a predetermined value or less, the fuel cell system determines that a condensation water is left in the circulation pump 25, to supply a dry high pressure fuel gas from a suction inlet of the circulation pump 25 and to remove the left condensation water. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システムにかかり、より詳細には、燃料電池スタックに供給される燃料ガスを循環させる回路を有する燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system having a circuit for circulating fuel gas supplied to a fuel cell stack.

従来、高分子電解質膜を使用した燃料電池では、電解質膜を挟んで両側に燃料室及び酸素室が存在し、燃料室における燃料ガスが燃料極を介し、或いは、酸素室における酸化ガス(主として空気中の酸素)が酸素極を介し、イオン化し、そのイオンを、電解質膜を介して取り出して電力を得ている。   Conventionally, in a fuel cell using a polymer electrolyte membrane, there are a fuel chamber and an oxygen chamber on both sides of the electrolyte membrane, and the fuel gas in the fuel chamber passes through the fuel electrode or the oxidizing gas (mainly air) in the oxygen chamber. Oxygen inside) is ionized through the oxygen electrode, and the ions are taken out through the electrolyte membrane to obtain electric power.

従来の燃料電池システムにあっては、複数の燃料電池を積層するなどして直列に接続した燃料電池スタックから排出された燃料ガス中の未反応ガスを再利用する目的と、燃料ガスと酸化ガスとの反応によって酸素極側に生成された水が燃料極側に逆拡散して燃料室に滞留するのを防ぐ目的から、燃料極からの排出ガスを燃料ガス流路に供給して循環させる構成が採られている。
特開2006-40846号公報(図1中符号30、31、33、36)
In the conventional fuel cell system, the purpose of reusing unreacted gas in the fuel gas discharged from the fuel cell stack connected in series by stacking a plurality of fuel cells, etc., and the fuel gas and the oxidizing gas For the purpose of preventing the water generated on the oxygen electrode side due to the reaction with the reverse diffusion to the fuel electrode side and staying in the fuel chamber to circulate by supplying the exhaust gas from the fuel electrode to the fuel gas flow path Has been adopted.
JP 2006-40846 A (reference numbers 30, 31, 33, 36 in FIG. 1)

特許文献1に記載のされているように、燃料ガスは、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。燃料排出管路31には、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。これにより、燃料電池スタック20の外部に導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が図られる。一方、燃料電池スタック内では、酸素と燃料ガスである水素の反応によって、生成水が発生するが、この生成水が高分子電解質膜を通って燃料室側に逆浸透し、燃料室内に水が滞留するといった現象が発生する。   As described in Patent Document 1, the fuel gas is discharged to the outside of the fuel cell stack 20 through the fuel discharge pipe 31. A fuel discharge line 30 is connected to the fuel discharge line 31, and a suction circulation pump 36 as a pump is disposed in the fuel discharge line 30. Thereby, the hydrogen gas led out of the fuel cell stack 20 is recovered and supplied to the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20 for reuse. On the other hand, in the fuel cell stack, produced water is generated by the reaction between oxygen and hydrogen, which is the fuel gas, and this produced water passes through the polymer electrolyte membrane and reversely osmosis to the fuel chamber side. The phenomenon of staying occurs.

この燃料室に溜まった水は、燃料ガスの流れによって、ガスとともに排出管路へ排出され、ドレインタンク60などによって回収される。しかし、排出された燃料ガスは、水蒸気が飽和状態となっており、ドレインタンクによる回収のみでは十分でなく、気圧の変化や温度変化によって容易に結露し得る状態となっている。特に、循環ポンプ内では、燃料ガスが攪拌されるため、圧力の変化によって結露が生じる。この結露した水が、循環ポンプ内に滞留し、ポンプの吐出能力を低下させるといった問題があった。   The water accumulated in the fuel chamber is discharged together with the gas into the discharge pipe by the flow of the fuel gas, and is collected by the drain tank 60 or the like. However, the discharged fuel gas is in a saturated state of water vapor, and it is not sufficient to recover only by the drain tank, and it can be easily condensed by changes in atmospheric pressure and temperature. In particular, in the circulation pump, the fuel gas is agitated, so that condensation occurs due to a change in pressure. There is a problem that the condensed water stays in the circulation pump and lowers the discharge capacity of the pump.

本発明の目的は、上記事実に鑑み成されたもので、循環手段内での水の滞留を抑制する燃料電池システムを提供することにある。   The object of the present invention is to provide a fuel cell system that suppresses the retention of water in the circulation means.

以上のような問題を解決する本発明は、以下のような構成を有する。
(1) 燃料ガスが流入される燃料室と、酸化ガスが流入される導入口及び反応後の酸化ガスが排出される導出口を有する酸化ガス室とを電解質層を介して隣接させ、燃料ガスと酸化ガスとの反応により発電する燃料電池と、
燃料ガス供給源から前記燃料室へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、
燃料室からの排出ガスを前記燃料ガス供給路へ戻す排気循環路と、
前記排気循環路に設けられ、排出ガスを燃料ガス供給路へ送出する循環手段と、
前記排気循環路内の燃料ガスの湿度よりも低い湿度のドライガスを供給するドライガス供給源と、
ドライガスの前記循環手段への供給を調整するドライガス供給手段と、
前記ドライガス供給手段によるドライガスの供給を制御するドライガス供給制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
The present invention for solving the above problems has the following configuration.
(1) A fuel chamber into which fuel gas is introduced and an oxidizing gas chamber having an inlet through which oxidizing gas is introduced and an outlet through which oxidized gas after reaction is discharged are disposed adjacent to each other via an electrolyte layer. A fuel cell that generates electricity by reacting with oxidant gas;
A fuel gas supply path for supplying fuel gas from a fuel gas supply source to the fuel chamber;
An exhaust circuit for returning exhaust gas from the fuel chamber to the fuel gas supply channel;
A circulation means provided in the exhaust circulation path for sending exhaust gas to the fuel gas supply path;
A dry gas supply source for supplying a dry gas having a humidity lower than the humidity of the fuel gas in the exhaust circuit;
Dry gas supply means for adjusting the supply of dry gas to the circulation means;
A fuel cell system comprising: dry gas supply control means for controlling supply of dry gas by the dry gas supply means.

(2) 前記ドライガス供給源は、前記燃料ガス供給源であり、
前記ドライガス供給手段は、前記燃料ガス供給路と、前記循環手段の上流側の排気循環路とを繋げるドライガス供給路と、
前記ドライガス供給路に設けられた開閉弁とを有する上記(1)に記載の燃料電池システム。
(2) The dry gas supply source is the fuel gas supply source,
The dry gas supply means includes a dry gas supply path that connects the fuel gas supply path and an exhaust gas circulation path upstream of the circulation means;
The fuel cell system according to (1), further including an on-off valve provided in the dry gas supply path.

(3) 前記ドライガス供給手段によって供給されるドライガスのガス圧は、前記排気循環路内のガス圧より高い上記(1)又は(2)に記載の燃料電池システム。   (3) The fuel cell system according to (1) or (2), wherein the gas pressure of the dry gas supplied by the dry gas supply means is higher than the gas pressure in the exhaust circuit.

(4) 前記燃料ガス供給源と、前記燃料室と、前記排気循環路とによって構成されたガス循環路内にガス流量検出手段を有し、
前記ドライガス供給制御手段は、前記ガス流量検出手段によって検出されたガス流量に基づき、ドライガスの供給を制御する上記(1)〜(3)のいずれか1に記載の燃料電池システム。
(4) having a gas flow rate detecting means in a gas circulation path constituted by the fuel gas supply source, the fuel chamber, and the exhaust circulation path;
The fuel cell system according to any one of (1) to (3), wherein the dry gas supply control unit controls the supply of dry gas based on the gas flow rate detected by the gas flow rate detection unit.

(5) 前記ドライガス供給制御手段は、運転停止動作を行う直前に、ドライガスを供給するよう制御する上記(1)〜(4)のいずれか1に記載の燃料電池システム。   (5) The fuel cell system according to any one of (1) to (4), wherein the dry gas supply control unit performs control to supply dry gas immediately before performing the operation stop operation.

請求項1記載の発明によれば、燃料室から排出された燃料ガスに含まれた水蒸気が循環手段内で結露し、滞留した場合に、湿度の低いドライガスをドライガス供給源から循環手段へ供給することで、循環手段内を乾燥させ、滞留している水を除去させることができ、循環手段の能力を維持させることが可能となる。   According to the first aspect of the present invention, when the water vapor contained in the fuel gas discharged from the fuel chamber is condensed in the circulation means and stays there, the dry gas having a low humidity is supplied from the dry gas supply source to the circulation means. By supplying, it is possible to dry the inside of the circulation means and remove the staying water, and it is possible to maintain the ability of the circulation means.

請求項2記載の発明によれば、ドライガスを燃料ガス供給源から供給される燃料ガスとすることで、循環手段内の水の除去とともに、燃料ガスの供給も同時に行うことができる。また、ドライガス供給源を別途設ける必要が無く構成を簡易にすることができる。   According to the second aspect of the invention, by using the dry gas as the fuel gas supplied from the fuel gas supply source, the fuel gas can be supplied simultaneously with the removal of the water in the circulation means. Further, it is not necessary to provide a separate dry gas supply source, and the configuration can be simplified.

請求項3記載の発明によれば、ドライガス供給手段によって供給されるガス圧は、排気循環路内のガス圧より高いため、循環手段内を流通するドライガスの流速は、通常の循環流の流速よりも高くなり、このドライガスの流速によって、滞留している水を吹き飛ばす作用が生じ、一層滞留水の除去効果が向上する。   According to the third aspect of the present invention, the gas pressure supplied by the dry gas supply means is higher than the gas pressure in the exhaust circulation path, so that the flow rate of the dry gas flowing in the circulation means is the normal circulation flow. The flow rate becomes higher than the flow rate, and the dry gas flow rate causes an action of blowing off the remaining water, thereby further improving the removal effect of the remaining water.

請求項4記載の発明によれば、循環手段内に滞留する水の量が増加するに従って、循環手段の吐出能力が低下するため、循環路内のガス流量に応じてドライガスを供給することにより、ドライガスを効率良く使用して循環手段内の水の除去を行うことができる。   According to the invention described in claim 4, since the discharge capacity of the circulation means decreases as the amount of water staying in the circulation means increases, the dry gas is supplied according to the gas flow rate in the circulation path. The water in the circulation means can be removed using the dry gas efficiently.

請求項5記載の発明によれば、運転停止動作を開始する直前にドライガスを供給して循環手段内の水を除くことにより、循環手段の能力を確保でき、停止時に燃料電池スタック内を十分に負圧にすることが可能となる。これにより、燃料室内の燃料ガスを置換ガスに確実に可能となる。   According to the fifth aspect of the present invention, the capacity of the circulation means can be ensured by supplying the dry gas and removing the water in the circulation means immediately before starting the operation of stopping the operation. It becomes possible to make negative pressure. Thereby, the fuel gas in the fuel chamber can be reliably used as the replacement gas.

次にこの発明の好適実施形態について説明する。この実施形態は、電気自動車に搭載される燃料電池システムである。図1は、この発明の燃料電池システム1の構成を示すブロック図である。図1に示されているように、この燃料電池システム1は燃料電池スタック100、水素貯蔵タンク11を含む燃料供給系10、空気供給系12、水供給系50、負荷系7とに大略構成される。   Next, a preferred embodiment of the present invention will be described. This embodiment is a fuel cell system mounted on an electric vehicle. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 is roughly configured by a fuel cell stack 100, a fuel supply system 10 including a hydrogen storage tank 11, an air supply system 12, a water supply system 50, and a load system 7. The

この燃料電池スタック100の構成について説明する。燃料電池スタック100は、燃料電池単位セル15と燃料電池セパレータ13とを交互に積層して構成されている。図2は、燃料電池用セパレータ13を示す全体正面図、図3は、燃料電池セパレータ13で構成された燃料電池スタック100の部分断面平面図(図2におけるA‐A断面図)、図4は、燃料電池用セパレータ13の全体背面図、図5は、集電部材3、4及び隔壁7の位置関係を示す部分拡大斜視図である。   The configuration of the fuel cell stack 100 will be described. The fuel cell stack 100 is configured by alternately stacking fuel cell unit cells 15 and fuel cell separators 13. 2 is an overall front view showing the fuel cell separator 13, FIG. 3 is a partial cross-sectional plan view of the fuel cell stack 100 composed of the fuel cell separator 13 (AA cross-sectional view in FIG. 2), and FIG. FIG. 5 is a partially enlarged perspective view showing the positional relationship between the current collecting members 3, 4 and the partition wall 7.

セパレータ13は、単位セル15の電極に接触して電流を外部に取り出すための集電部材3、4と、各集電部材3、4の周端部に外装される枠体8、9と、集電部材3、4の間に介挿された隔壁7とを備えている。隔壁7によって、燃料ガスと酸化ガスの直接の接触(混合)が阻止される。集電板である集電部材3、4と隔壁7は、金属で構成されている。集電部材3、4と隔壁7の構成金属は、それぞれ導電性と耐食性を備えた金属で、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等に耐蝕導電処理を施したもの等が挙げられる。耐食導電処理としては、例えば、金メッキなどか挙げられる。集電部材3は、単位セル15の燃料極に接触し、集電部材4は酸素極に接触する。集電部材3には、プレス加工によって、突出形成された複数の凸状部32が形成されている。   The separator 13 is in contact with the electrode of the unit cell 15 and collects current collecting members 3 and 4 for taking out current to the outside, and frame bodies 8 and 9 that are externally mounted on the peripheral ends of the current collecting members 3 and 4. And a partition wall 7 interposed between the current collecting members 3 and 4. The partition wall 7 prevents direct contact (mixing) of the fuel gas and the oxidizing gas. The current collecting members 3 and 4 and the partition 7 which are current collecting plates are made of metal. The constituent metals of the current collecting members 3 and 4 and the partition walls 7 are metals having electrical conductivity and corrosion resistance, and examples thereof include those obtained by subjecting stainless steel, nickel alloy, titanium alloy or the like to corrosion-resistant conductive treatment. Examples of the corrosion-resistant conductive treatment include gold plating. The current collecting member 3 is in contact with the fuel electrode of the unit cell 15, and the current collecting member 4 is in contact with the oxygen electrode. The current collecting member 3 is formed with a plurality of projecting convex portions 32 by pressing.

凸状部32は、板材の長辺とに沿って短辺方向へ向けて、等間隔で配列されている。長辺に沿って(図2における横方向)配置された凸状部32の間に形成された溝によって、凸状部32の間には水素流路301が形成され、図3に示されているように、凸状部32の裏側に形成された溝33によって、水素流路302が形成されている。この凸状部32の頂点部分の面は、燃料極が接触する当接部321となっている。集電部材3が網体であるため、当接部321が接触する部分においても、孔320を介して、燃料極は燃料ガスを供給することができる。また、図5に示されているように、水素流路301と水素流路302の間も、孔320を介して、水素ガスが相互に流通可能となる。集電部材3の両端部は、セパレータ13を積層した場合に形成される水素供給路(17a又は17b)に及んでいる。   The convex portions 32 are arranged at equal intervals along the long side of the plate material in the short side direction. Hydrogen channels 301 are formed between the convex portions 32 by grooves formed between the convex portions 32 arranged along the long side (lateral direction in FIG. 2), as shown in FIG. As shown, the hydrogen flow path 302 is formed by the groove 33 formed on the back side of the convex portion 32. The surface of the apex portion of the convex portion 32 is a contact portion 321 with which the fuel electrode contacts. Since the current collecting member 3 is a net, the fuel electrode can supply the fuel gas through the hole 320 even in the portion where the contact portion 321 contacts. Further, as shown in FIG. 5, hydrogen gas can also flow between the hydrogen channel 301 and the hydrogen channel 302 via the holes 320. Both ends of the current collecting member 3 extend to a hydrogen supply path (17a or 17b) formed when the separators 13 are stacked.

集電部材4は、プレス加工によって、複数の凸状部42が形成されている。凸状部42は、板材の短辺に平行(鉛直方向)に直線状に連続して形成されており、等間隔で配置されている。凸状部42の間には、溝が形成されて、空気が流通する空気流路40が形成されている。この凸状部42の頂点部分の面は、酸素極が接触する当接部421となっている。集電部材4は、網体であるため当接部421が接触する部分においても孔420を介して酸化ガス(空気中の酸素)を供給することができる。また、凸状部42の裏側は溝状の中空部41となっている。   The current collecting member 4 has a plurality of convex portions 42 formed by pressing. The convex portions 42 are continuously formed linearly in parallel (vertical direction) to the short sides of the plate material, and are arranged at equal intervals. A groove is formed between the convex portions 42 to form an air flow path 40 through which air flows. The surface of the apex portion of the convex portion 42 is an abutting portion 421 with which the oxygen electrode contacts. Since the current collecting member 4 is a net, the oxidizing gas (oxygen in the air) can be supplied through the holes 420 even at the portion where the contact portion 421 contacts. The back side of the convex portion 42 is a groove-like hollow portion 41.

以上のような集電部材3、4は、各凸状部32と凸状部42が外側となるように重ね合わされて固定される。このとき、集電部材3の裏側面34と空気流路40の裏側面403は、それぞれ隔壁7の表裏面に当接した状態となり、相互に通電可能な状態となる。また、空気流路40は、図3に示されているように、単位セル15に重ね合わされ、溝の開口部400を閉鎖することにより、管状の流路が構成され、空気流路40の内壁の一部が酸素極で構成される。この空気流路40から、単位セル15の酸素極に酸素と水が供給される。また、中空部41からは、集電部材4の網目を介して酸素極に酸素と水が供給される。酸素極に供給される酸素は、空気流路40、中空部41を通過する空気中に含有される酸素である。   The current collecting members 3 and 4 as described above are overlapped and fixed so that the convex portions 32 and the convex portions 42 are on the outside. At this time, the back side surface 34 of the current collecting member 3 and the back side surface 403 of the air flow path 40 are in contact with the front and back surfaces of the partition wall 7, respectively, and are in a state where they can be energized with each other. As shown in FIG. 3, the air flow path 40 is overlapped with the unit cell 15, and a tubular flow path is formed by closing the groove opening 400, and the inner wall of the air flow path 40 is formed. A part of is composed of oxygen electrodes. Oxygen and water are supplied from the air flow path 40 to the oxygen electrode of the unit cell 15. Further, oxygen and water are supplied from the hollow portion 41 to the oxygen electrode through the mesh of the current collecting member 4. The oxygen supplied to the oxygen electrode is oxygen contained in the air passing through the air flow path 40 and the hollow portion 41.

空気流路40の一端側開口部は、空気と水が流入する導入口43となり、他端の開口部は、空気と水が流出する導出口44となっている。また、中空部41の一端側開口部は、空気と水が流入する流入開放口45となり、他端の開口部は、空気と水が流出する流出開放口46となっている。以上のような構成において、空気流路40と中空部41は、交互に平行に配置され、相互に側壁47を挟んで隣接した構成となっている。この導入口43から導出口44までの空気流路40及び流入開放口45から流出開放口46までの中空部41、並びにこれらの集合体が、固体電解質膜に酸素を供給する酸素室(酸化ガス室)として機能する。
隔壁7の両端部には、通気孔73が形成されており、通気孔73の長辺は、集電部材3の短辺と同じ長さに形成されており、通気孔73は、水素供給路(17a又は17b)を構成する。
The opening on one end side of the air flow path 40 is an introduction port 43 through which air and water flow, and the opening at the other end is a discharge port 44 through which air and water flow out. Moreover, the opening part of the one end side of the hollow part 41 becomes the inflow opening port 45 into which air and water flow in, and the opening part of the other end becomes the outflow opening port 46 through which air and water flow out. In the above configuration, the air flow paths 40 and the hollow portions 41 are alternately arranged in parallel and are adjacent to each other with the side wall 47 interposed therebetween. The air flow path 40 from the inlet 43 to the outlet 44, the hollow portion 41 from the inflow opening 45 to the outflow opening 46, and an assembly of these, an oxygen chamber (oxidizing gas) for supplying oxygen to the solid electrolyte membrane Function as a room).
Vent holes 73 are formed at both ends of the partition wall 7, and the long sides of the vent holes 73 are formed to have the same length as the short sides of the current collecting member 3. (17a or 17b) is configured.

集電部材3、4には、枠体8、9がそれぞれ重ねられる。図2に示されているように、集電部材3に重ねられる枠体8は、隔壁7と同じ大きさに構成され、中央には、集電部材3を収納する窓81が形成されている。また、両端部近傍には、隔壁7の流通孔73に合致する位置に孔83が形成されており、この孔83a、83bと窓81との間には、集電部材3を収容する凹部が形成され、水素流通経路84が設けられている。また、集電部材3に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓81に沿って形成された凹部が形成され、単位セル15が収納される収納部82が設けられている。この収納部82に収納された単位セル15の燃料極表面と、交互に配された複数の水素流路301、302と、窓81とによって、燃料室30が画成される。このように、燃料室は、燃料極に隣接して設けられ、酸素室は酸素極に隣接して設けられている。   Frame members 8 and 9 are overlaid on the current collecting members 3 and 4, respectively. As shown in FIG. 2, the frame 8 overlaid on the current collecting member 3 is configured to have the same size as the partition wall 7, and a window 81 for accommodating the current collecting member 3 is formed at the center. . Further, in the vicinity of both end portions, a hole 83 is formed at a position that matches the flow hole 73 of the partition wall 7. Between the holes 83 a and 83 b and the window 81, there is a recess for housing the current collecting member 3. The hydrogen flow path 84 is formed. In addition, a concave portion whose contour is formed along the window 81 is formed on the plane opposite to the surface that contacts the current collecting member 3, and a storage portion 82 for storing the unit cell 15 is provided. Yes. The fuel chamber 30 is defined by the surface of the fuel electrode of the unit cell 15 accommodated in the accommodating portion 82, a plurality of alternately arranged hydrogen flow paths 301 and 302, and the window 81. Thus, the fuel chamber is provided adjacent to the fuel electrode, and the oxygen chamber is provided adjacent to the oxygen electrode.

集電部材4に重ねられる枠体9は、枠体8及び隔壁7と同じ大きさに構成され、中央には、集電部材4を収納する窓91が形成されている。また、両端部近傍には、隔壁7の流通孔73に合致する位置に孔93a、93bが形成されている。
枠体9の集電部材4が重ねられる側の面には、枠体9の対向する一対の長辺に沿って溝941、951がそれぞれ形成され、溝941、951内に集電部材4の上下端部が収容される。溝941、951と集電部材4で構成された通路は、酸素室に連通している。
The frame body 9 overlaid on the current collecting member 4 is configured to have the same size as the frame body 8 and the partition wall 7, and a window 91 for accommodating the current collecting member 4 is formed at the center. In addition, holes 93 a and 93 b are formed in the vicinity of both ends at positions corresponding to the flow holes 73 of the partition wall 7.
Grooves 941 and 951 are respectively formed along a pair of opposing long sides of the frame body 9 on the surface of the frame body 9 on which the current collection member 4 is overlapped. The grooves 941 and 951 include the current collection member 4. Upper and lower ends are accommodated. A passage formed by the grooves 941 and 951 and the current collecting member 4 communicates with the oxygen chamber.

また、枠体9の、集電部材4に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓91に沿って形成された凹部が形成され、単位セル15が収納される収納部92が設けられている。上記溝941の集電部材4の上端に有する開口部の集合体によって、燃料電池スタック100の上面には、矩形状の開口940(導入口被覆領域(断面は長方形))が形成され、この開口940に、空気マニホールド54から空気が流入する。   In addition, a concave portion having a contour formed along the window 91 is formed on the plane opposite to the surface of the frame body 9 that contacts the current collecting member 4, and the storage unit in which the unit cell 15 is stored. 92 is provided. A rectangular opening 940 (introduction port covering region (cross section is rectangular)) is formed on the upper surface of the fuel cell stack 100 by the assembly of the openings at the upper end of the current collecting member 4 of the groove 941. Air flows from air manifold 54 to 940.

図6は単位セル15の拡大断面図である。単位セル15は、固体高分子電解質膜15aと、該固体高分子電解質膜15aの両側面にそれぞれ重ねられた酸化剤極である酸素極15bと燃料極15cとを備えていて、固体高分子電解質膜15aは、酸素極15bと燃料極15cとで挟持されている。固体高分子電解質膜15aは、収納部82、92に合致した大きさに形成され、酸素極15bと燃料極15cは、窓91、81に合致した大きさに形成されている。単位セル15の厚さは、枠体8、9や集電部材3、4の厚さに比べると極めて薄いので、図面では、一体の部材として表示している。空気流路40の内壁には、親水性処理が施されている。内壁表面と水の接触角が40°以下、好ましくは30°以下となるように表面処理が施されているとよい。処理方法としては、親水処理剤を、表面に塗布する方法が取られる。塗布される処理剤としては、ポリアクリルアミド、ポリウレタン系樹脂、酸化チタン(TiO2)等が挙げられる。   FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view of the unit cell 15. The unit cell 15 includes a solid polymer electrolyte membrane 15a, and an oxygen electrode 15b and a fuel electrode 15c that are oxidant electrodes stacked on both side surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 15a, respectively. The membrane 15a is sandwiched between the oxygen electrode 15b and the fuel electrode 15c. The solid polymer electrolyte membrane 15 a is formed in a size that matches the storage portions 82 and 92, and the oxygen electrode 15 b and the fuel electrode 15 c are formed in a size that matches the windows 91 and 81. Since the thickness of the unit cell 15 is extremely thin compared to the thicknesses of the frame bodies 8 and 9 and the current collecting members 3 and 4, the unit cell 15 is shown as an integral member in the drawing. The inner wall of the air flow path 40 is subjected to hydrophilic treatment. The surface treatment may be performed so that the contact angle between the inner wall surface and water is 40 ° or less, preferably 30 ° or less. As the treatment method, a method of applying a hydrophilic treatment agent to the surface is taken. Examples of the treating agent to be applied include polyacrylamide, polyurethane resin, and titanium oxide (TiO2).

以上のように構成された枠体8、9によって集電部材3、4を保持してセパレータ13が構成され、セパレータ13と単位セル15を交互に積層して、燃料電池スタック100が構成される。図7は燃料電池スタック100の部分平面図である。燃料電池スタック100の上面には、多数の導入口43が開口し、この導入口43に、後述するように、空気マニホールド54から空気が流入するとともに、空気マニホールド54内で、ノズル55から噴射された水が同時に流入する。このノズル55は、水を液滴の状態(霧状)で、燃料電池スタック100に供給する。導入口43から流入した空気と液滴状の水は、潜熱冷却により集電部材3、4を冷却する。また、燃料電池スタック100の底面には、図7に示されている導入口43に対向する位置に、多数の導出口44が開口し、この導出口44から空気と、噴射供給された水が流出する。即ち、導入口43は、燃料電池スタック100の上面に、縦横に多数開口し、同様に、導出口44は、燃料電池スタック100の底面に、縦横に多数開口することとなる。   The separators 13 are configured by holding the current collecting members 3 and 4 by the frames 8 and 9 configured as described above, and the fuel cell stack 100 is configured by alternately stacking the separators 13 and the unit cells 15. . FIG. 7 is a partial plan view of the fuel cell stack 100. A large number of inlets 43 are opened on the upper surface of the fuel cell stack 100, and air flows into the inlets 43 from the air manifold 54 and is injected from the nozzles 55 in the air manifold 54 as will be described later. Water flows in at the same time. The nozzle 55 supplies water to the fuel cell stack 100 in the form of droplets (mist). The air and liquid water flowing from the inlet 43 cool the current collecting members 3 and 4 by latent heat cooling. Further, on the bottom surface of the fuel cell stack 100, a large number of outlets 44 are opened at positions opposed to the inlets 43 shown in FIG. 7, from which air and water supplied by injection are supplied. leak. That is, many inlets 43 are opened vertically and horizontally on the upper surface of the fuel cell stack 100, and similarly, many outlets 44 are opened vertically and horizontally on the bottom surface of the fuel cell stack 100.

次に、図1に示されている燃料電池システムの構成について説明する。燃料供給系10の構成について説明する。燃料ガスボンベである水素貯蔵タンク11には、燃料ガス供給流路201A、201Bを介して燃料電池スタック100のガス取入口に接続されている。燃料ガス供給流路201Aの一端には水素貯蔵タンク11が接続され、水素元バルブ18、一次圧センサS0、レギュレータ19、圧力センサS1、元電磁弁20及び水素調圧弁21、供給電磁弁22が水素の流通方向に向けて順に設けられ、この燃料ガス供給流路201Aの他端には、燃料ガス供給流路201Bの一端が接続されている。燃料ガス供給流路201Bの他端は、燃料電池スタック100の上記ガス取入口201BのINに接続されている。燃料ガス供給路201Bの一端には、前記燃料ガス供給路201Aの他端の他、後述するガス排出流路202の一端が接続されている。燃料ガス供給路201Bには、供給電磁弁22、圧力センサS2、安全弁Vsf、流量センサS5がガスの燃料ガスの流通方向に向けて順に配置されており、供給電磁弁22の上流側には、外気流路205の一端が接続されている。外気流路205の他端にはフィルタが接続され、このフィルタによって流入する外気から不純物がろ過される。また、外気流路205には、外気電磁弁23が設けられている。   Next, the configuration of the fuel cell system shown in FIG. 1 will be described. The configuration of the fuel supply system 10 will be described. A hydrogen storage tank 11 that is a fuel gas cylinder is connected to a gas intake port of the fuel cell stack 100 via fuel gas supply channels 201A and 201B. A hydrogen storage tank 11 is connected to one end of the fuel gas supply channel 201A, and a hydrogen source valve 18, a primary pressure sensor S0, a regulator 19, a pressure sensor S1, a source electromagnetic valve 20, a hydrogen pressure regulating valve 21, and a supply electromagnetic valve 22 are provided. One end of the fuel gas supply channel 201B is connected to the other end of the fuel gas supply channel 201A. The other end of the fuel gas supply channel 201B is connected to the IN of the gas inlet 201B of the fuel cell stack 100. In addition to the other end of the fuel gas supply path 201A, one end of a gas discharge path 202 described later is connected to one end of the fuel gas supply path 201B. In the fuel gas supply path 201B, a supply electromagnetic valve 22, a pressure sensor S2, a safety valve Vsf, and a flow rate sensor S5 are sequentially arranged in the flow direction of the gas fuel gas, and on the upstream side of the supply electromagnetic valve 22, One end of the outside air flow path 205 is connected. A filter is connected to the other end of the outside air flow path 205, and impurities are filtered from the outside air flowing in by this filter. The outside air flow path 205 is provided with an outside air electromagnetic valve 23.

燃料電池スタック100のガス排出口OUTには、排気循環路であるガス排出流路202の他端が接続されている。燃料ガス供給流路201Bと、ガス排出流路202によって、燃料電池スタック100のガス取入口INとガス排出口OUTを接続する循環路が構成される。ガス排出流路202には、燃料電池スタック100のガス排出口側から順に、トラップ24、循環電磁弁26、循環手段である循環ポンプ25が配置されている。トラップ24には、水レベルセンサS10が取り付けられ、さらに、ガス導出路203の一端が接続されている。ガス導出路203の他端は、空気ダクト124に接続されている。ガス導出路203には、排気電磁弁27が設けられている。   The gas discharge port OUT of the fuel cell stack 100 is connected to the other end of a gas discharge channel 202 that is an exhaust circuit. The fuel gas supply channel 201B and the gas discharge channel 202 constitute a circulation path that connects the gas inlet IN and the gas outlet OUT of the fuel cell stack 100. In the gas discharge channel 202, a trap 24, a circulation electromagnetic valve 26, and a circulation pump 25 as a circulation means are arranged in this order from the gas discharge port side of the fuel cell stack 100. A water level sensor S10 is attached to the trap 24, and one end of the gas outlet path 203 is connected to the trap 24. The other end of the gas outlet path 203 is connected to the air duct 124. An exhaust solenoid valve 27 is provided in the gas outlet passage 203.

水素調圧弁21の上流側と、循環ポンプ25の吸入口側には、起動時流路204の両端が接続され、起動時流路204には起動電磁弁29が設けられている。起動時流路204が、ドライガス供給路として作用し、起動電磁弁29が、ドライガスの流通を制御する開閉弁として作用する。   Both ends of the startup flow path 204 are connected to the upstream side of the hydrogen pressure regulating valve 21 and the suction port side of the circulation pump 25, and the startup solenoid valve 29 is provided in the startup flow path 204. The startup flow path 204 functions as a dry gas supply path, and the startup electromagnetic valve 29 functions as an on-off valve that controls the flow of the dry gas.

次に空気供給系12について説明する。空気供給系12は、空気導入路123と、空気マニホールド54と、空気排出路である空気ダクト124とを備えている。空気導入路123には、フィルタ121、空気ファン122、空気マニホールド54の順で流入方向に沿って設けられている。   Next, the air supply system 12 will be described. The air supply system 12 includes an air introduction path 123, an air manifold 54, and an air duct 124 that is an air discharge path. In the air introduction path 123, a filter 121, an air fan 122, and an air manifold 54 are provided in this order along the inflow direction.

空気導入路123の下流側では、空気マニホールド54内の直前位置に、各々上記開口940へ冷却水を霧状に噴射するノズル55が設けられている。このノズル55は、空気マニホールド54内に設けられていてもよい。空気マニホールド54は、燃料電池スタック100の導入口43に空気を分割して流入させる。
燃料電池スタック100の導出口44には、排気マニホールド53A1が接続され、導出口44から排出された空気は、排気マニホールド53A1によって合流され、空気ダクト124へ送られる。
On the downstream side of the air introduction path 123, nozzles 55 for injecting cooling water into the openings 940 in the form of mist are provided at positions immediately before the air manifold 54. The nozzle 55 may be provided in the air manifold 54. The air manifold 54 divides and flows the air into the inlet 43 of the fuel cell stack 100.
An exhaust manifold 53A1 is connected to the outlet 44 of the fuel cell stack 100, and the air discharged from the outlet 44 is merged by the exhaust manifold 53A1 and sent to the air duct 124.

空気ダクト124は、導出口44から流出した空気を、凝縮器51を介して外部へ導流する。空気ダクト124の終端部には、ファンが取り付けられた凝縮器51が設けられ、続いてフィルタ125が接続されている。凝縮器51は、空気から水分取り出す。また、ノズル55から供給された水の内、燃料電池スタック100内で蒸発した水分も、ここで回収される。空気ダクト124には、排気温度センサS9が設けられ、燃料電池スタック100内の温度が間接的に検出される。   The air duct 124 guides the air flowing out from the outlet 44 to the outside via the condenser 51. A condenser 51 to which a fan is attached is provided at the end of the air duct 124, and a filter 125 is subsequently connected. The condenser 51 extracts moisture from the air. Further, the water evaporated in the fuel cell stack 100 in the water supplied from the nozzle 55 is also collected here. The air duct 124 is provided with an exhaust temperature sensor S9, and the temperature in the fuel cell stack 100 is indirectly detected.

次に、水供給系について説明する。水供給系50は、貯水手段としての水タンク531と、凝縮器51で回収した水を水タンク531へ導く導水路57と、水タンク531の水をノズル55へ導く給水路56とを有する。導水路57には、回収ポンプ62が設けられている。回収ポンプ62は、凝縮器51で排気ガスから取り出された水を、水タンク531へ送り込む。給水路56には、フィルタ64が設けられると共に、水供給手段である、ノズル55に水を供給するポンプ61が順に設けられている。水タンク531には、貯水量検出手段であるタンク水位センサS7が設けられている。   Next, the water supply system will be described. The water supply system 50 includes a water tank 531 as water storage means, a water conduit 57 that guides the water collected by the condenser 51 to the water tank 531, and a water supply passage 56 that guides the water in the water tank 531 to the nozzle 55. A collection pump 62 is provided in the water conduit 57. The recovery pump 62 sends the water extracted from the exhaust gas by the condenser 51 to the water tank 531. The water supply path 56 is provided with a filter 64 and a pump 61 for supplying water to the nozzle 55 as water supply means. The water tank 531 is provided with a tank water level sensor S7 which is a storage amount detection means.

燃料電池スタック100には、負荷系7が接続されており、燃料電池スタック100で出力される電力は、この負荷系7に供給される。燃料電池スタック100の電極は、配線71を介してインバータ73に接続され、インバータ73からモータなどの負荷に電力が供給される。インバータ73には、スイッチ手段であるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor/絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)75を介して補助電源76が接続されている。補助電源76は、例えば、バッテリ、キャパシタなどで構成することができる。この負荷系7には、燃料電池スタック100の出力電圧を検出する電圧センサS4と、同じく出力電流を検出する電流センサS3が設けられている。   A load system 7 is connected to the fuel cell stack 100, and electric power output from the fuel cell stack 100 is supplied to the load system 7. The electrode of the fuel cell stack 100 is connected to an inverter 73 via a wiring 71, and electric power is supplied from the inverter 73 to a load such as a motor. An auxiliary power supply 76 is connected to the inverter 73 via an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 75 which is a switch means. The auxiliary power source 76 can be constituted by, for example, a battery or a capacitor. The load system 7 is provided with a voltage sensor S4 for detecting the output voltage of the fuel cell stack 100 and a current sensor S3 for detecting the output current.

燃料電池システム1の制御系は、開閉弁である起動電磁弁29を制御するドライガス供給制御手段としての制御装置を備えている。なお、この制御装置には、他のセンサS0〜S5、S7、S9、S10や、各電磁弁20、22、23、26、27、29の他、循環ポンプ25、ポンプ61、62、空気ファン122、凝縮器51のファン、インバータ73、IGBT75が接続されている。なお、この制御装置には、図示しないイグニッションスイッチが接続され、車両を駆動させる駆動モータの駆動や停止の指示信号が入力される。   The control system of the fuel cell system 1 includes a control device as dry gas supply control means for controlling the start electromagnetic valve 29 that is an on-off valve. The control device includes other sensors S0 to S5, S7, S9, and S10, the electromagnetic valves 20, 22, 23, 26, 27, and 29, the circulation pump 25, the pumps 61 and 62, and the air fan. 122, the fan of the condenser 51, the inverter 73, and IGBT75 are connected. Note that an ignition switch (not shown) is connected to this control device, and an instruction signal for driving or stopping a drive motor for driving the vehicle is input.

以上のように構成された燃料電池システムにおいて、図8〜図10に示されているフローチャートに基づき、循環ポンプ25内の水を除去するドライ制御の内容について説明する。
定常発電時における動作について、図8に基づいて説明する。定常発電時では、循環ポンプ25が駆動し、電磁弁20、供給電磁弁22及び循環電磁弁26が開放され、電磁弁29、排気電磁弁27及び外気電磁弁23は閉じられている。燃料ガス供給流路201Bの燃料ガスである水素ガスの流量を流量センサS5で測定する(ステップS101)。循環ポンプ25を定常発電時の状態に制御している場合において、測定された流量が、循環ポンプ25の正常な吐出量を示す値(例えば、10L/min)に満たない時には、循環ポンプ25内にある程度の水が滞留していると判断する(ステップS103)。燃料電池スタック100から排出された燃料ガスは、生成水からの水蒸気が飽和状態となっており、循環ポンプ25内で圧縮されると、容易に結露する。このため、循環ポンプ25内の結露水が蓄積される。結露水がある程度蓄積されると、ポンプの能力が低下するので、吐出量の低下で、水の滞留を判断することができる。
In the fuel cell system configured as described above, the content of the dry control for removing the water in the circulation pump 25 will be described based on the flowcharts shown in FIGS.
The operation during steady power generation will be described with reference to FIG. During steady power generation, the circulation pump 25 is driven, the solenoid valve 20, the supply solenoid valve 22, and the circulation solenoid valve 26 are opened, and the solenoid valve 29, the exhaust solenoid valve 27, and the outside air solenoid valve 23 are closed. The flow rate of hydrogen gas, which is the fuel gas in the fuel gas supply channel 201B, is measured by the flow rate sensor S5 (step S101). When the circulating pump 25 is controlled to be in a state of steady power generation, when the measured flow rate is less than a value (for example, 10 L / min) indicating a normal discharge amount of the circulating pump 25, the inside of the circulating pump 25 It is determined that a certain amount of water has accumulated in step S103. The fuel gas discharged from the fuel cell stack 100 is saturated with water vapor from the generated water, and when the fuel gas is compressed in the circulation pump 25, condensation easily occurs. For this reason, the dew condensation water in the circulation pump 25 is accumulated. When the condensed water is accumulated to some extent, the capacity of the pump is reduced, so that the retention of water can be determined by the reduction in the discharge amount.

従って、10L/minより大きい場合には、水の滞留はないものと判断し、ステップS101にリターンされ、10L/min以下の場合には、循環ポンプ25から水を除去する制御を開始する。即ち、循環電磁弁26を閉じ、排気電磁弁27と起動電磁弁29を開く(ステップS105)。   Accordingly, if it is greater than 10 L / min, it is determined that there is no stagnation of water, and the process returns to step S101. If it is 10 L / min or less, control for removing water from the circulation pump 25 is started. That is, the circulation solenoid valve 26 is closed, and the exhaust solenoid valve 27 and the start solenoid valve 29 are opened (step S105).

この動作によって、水素調圧弁21の上流側の水素ガス、つまり循環ポンプ25の配置されているガス排出流路202のガス圧よりも高いガス圧の水素ガスが、循環ポンプ25の吸入口側に供給される。この水素ガスは、水素貯蔵タンク11に蓄積されていたガスであるため、乾燥しており、少なくとも燃料電池スタック100内から排出されたガス排出流路202内のガスよりも湿度が低いガスとなっている。このような乾いたガスが、ガス排出流路202内の流速よりも早い流速で循環ポンプ25に供給されることにより、循環ポンプ25内の水は、速いガス流によって吹き飛ばされ、かつ、湿度が低いためにガス中に気化し、循環ポンプ25内から除去される。   By this operation, the hydrogen gas upstream of the hydrogen pressure regulating valve 21, that is, the hydrogen gas having a gas pressure higher than the gas pressure of the gas discharge flow path 202 where the circulation pump 25 is disposed, enters the suction port side of the circulation pump 25. Supplied. Since this hydrogen gas is a gas accumulated in the hydrogen storage tank 11, it is dry and has a lower humidity than at least the gas in the gas discharge passage 202 discharged from the fuel cell stack 100. ing. By supplying such dry gas to the circulation pump 25 at a flow rate faster than the flow rate in the gas discharge passage 202, the water in the circulation pump 25 is blown off by the fast gas flow, and the humidity is high. Since it is low, it vaporizes into the gas and is removed from the circulation pump 25.

供給された水素ガスは、燃料ガス供給流路201Bから燃料電池スタック100内の燃料室30へ流入し、燃料室30内のガスは、排気電磁弁27を通って、ガス導出路203から排出される。循環ポンプ25内の水を吹き飛ばし、かつ乾かす作用を有するドライガスとして、水素貯蔵タンク11内のガスを用いるため、水の除去と、燃料の供給が同時に行うことができる。これにより、トラップ24内の水の排出が同時に完了できる。さらにまた、発電時において、酸素室から燃料室側に浸透してきた窒素ガスも、ガス導出路203から同時に排出できるといった作用も有する。   The supplied hydrogen gas flows into the fuel chamber 30 in the fuel cell stack 100 from the fuel gas supply channel 201B, and the gas in the fuel chamber 30 passes through the exhaust electromagnetic valve 27 and is discharged from the gas outlet passage 203. The Since the gas in the hydrogen storage tank 11 is used as the dry gas having the action of blowing off and drying the water in the circulation pump 25, water removal and fuel supply can be performed simultaneously. Thereby, the discharge of water in the trap 24 can be completed simultaneously. Furthermore, the nitrogen gas that has permeated from the oxygen chamber to the fuel chamber side during power generation can be simultaneously discharged from the gas outlet passage 203.

その後、循環電磁弁26を開き、起動電磁弁29と排気電磁弁27を閉じる(ステップS107)。これにより、燃料ガス供給系の回路は、定常発電時の状態に復帰する。そして、再度、流量センサS5によって、水素ガスの流量を測定し(ステップS109)、流量が、循環ポンプ25の正常な吐出量を示す値に戻ったか否か判断する(ステップS111)。戻っていない場合には、ステップS105、S107、S109を再度実行し、流量が戻るまでこれを繰り返す。
流量が正常値に復帰した場合(ステップS111においてYes)には、ドライ制御は終了し、定常発電時のフローへリターンされる。
Thereafter, the circulation solenoid valve 26 is opened, and the start solenoid valve 29 and the exhaust solenoid valve 27 are closed (step S107). Thereby, the circuit of the fuel gas supply system returns to the state at the time of steady power generation. Then, again, the flow rate of the hydrogen gas is measured by the flow rate sensor S5 (step S109), and it is determined whether or not the flow rate has returned to a value indicating the normal discharge amount of the circulation pump 25 (step S111). If not, steps S105, S107, and S109 are executed again, and this is repeated until the flow rate returns.
When the flow rate returns to the normal value (Yes in step S111), the dry control ends, and the process returns to the flow during steady power generation.

ステップS103及びS111では、水素ガスの流量を測定することによって、循環ポンプ25に水が溜まっていることを判定しているが、他の判定方法を用いて、水の滞留が所定値に達したことを判断してもよい。例えば、燃料電池スタック100の単位セル毎の出力電圧を電圧センサによって検出し、その検出値に基づいて循環ポンプ25の流量が低下したことを判断してもよい。水素ガスの流量が低下すると、出力電圧が低下するため、出力電圧が所定値以下となった場合に、ドライ制御(ステップS105〜S107)を開始するように構成すればよい。   In steps S103 and S111, it is determined that water has accumulated in the circulation pump 25 by measuring the flow rate of hydrogen gas, but the water retention has reached a predetermined value using another determination method. You may judge that. For example, the output voltage for each unit cell of the fuel cell stack 100 may be detected by a voltage sensor, and it may be determined that the flow rate of the circulation pump 25 has decreased based on the detected value. When the flow rate of the hydrogen gas is reduced, the output voltage is lowered. Therefore, when the output voltage becomes a predetermined value or less, the dry control (steps S105 to S107) may be started.

或いは、循環ポンプ25の消費電流を電流センサで検出し、消費電流が所定値以上に達した場合には、循環ポンプ25の吐出量が低下したものと判断し、ドライ制御を開始してもよい。
この他、直接又は間接的に循環ポンプ25の吐出量を検出するのではなく、定期的に、ドライ制御を行う構成としてもよい。また、トラップ24の水レベルセンサS10が所定値に達し、水の排出が必要となった場合に、ドライ制御を行ってもよい。
Alternatively, the current consumption of the circulation pump 25 is detected by a current sensor, and when the current consumption reaches a predetermined value or more, it is determined that the discharge amount of the circulation pump 25 has decreased, and the dry control may be started. .
In addition, instead of directly or indirectly detecting the discharge amount of the circulation pump 25, it is possible to perform dry control periodically. Further, when the water level sensor S10 of the trap 24 reaches a predetermined value and water needs to be discharged, dry control may be performed.

なお、簡単に起動時における燃料供給系10を作用を説明する。元電磁弁20、起動電磁弁29、供給電磁弁22、排気電磁弁27を閉じ、循環電磁弁26、外気電磁弁23を開放する。そして、循環ポンプ25を駆動させ、燃料電池スタック100の各燃料室30内の置換ガス(停止状態時に、燃料ガスの代わりに置換されているガス、例えば、空気)を排出しつつ、燃料室30内を負圧にする。圧力が所定値に達した時点で、循環電磁弁26、外気電磁弁23を閉じ、次に、元電磁弁20、起動電磁弁29、供給電磁弁22を開放する。これにより、水素ガスが瞬時に各燃料室30に充填され、反応が可能な状態となる。このとき、供給された水素ガスは、起動時流路204から循環ポンプ25を通って、供給されるので循環ポンプ25は、起動時には水の滞留のないクリアーな状態にリセットされる。   The operation of the fuel supply system 10 at start-up will be briefly described. The original solenoid valve 20, the start solenoid valve 29, the supply solenoid valve 22, and the exhaust solenoid valve 27 are closed, and the circulation solenoid valve 26 and the outside air solenoid valve 23 are opened. Then, the circulation pump 25 is driven to discharge the replacement gas in each fuel chamber 30 of the fuel cell stack 100 (the gas replaced in place of the fuel gas, for example, air in the stopped state), while discharging the fuel chamber 30. Make the inside negative pressure. When the pressure reaches a predetermined value, the circulation solenoid valve 26 and the outside air solenoid valve 23 are closed, and then the original solenoid valve 20, the start solenoid valve 29, and the supply solenoid valve 22 are opened. As a result, hydrogen gas is instantaneously filled into each fuel chamber 30 and a reaction is possible. At this time, since the supplied hydrogen gas is supplied from the starting flow path 204 through the circulation pump 25, the circulation pump 25 is reset to a clear state without water retention at the time of activation.

次に、図9及び図10に示されているフローチャートに基づき、停止時の動作について説明する。定常運転状態では、元電磁弁20、供給電磁弁22、循環電磁弁26は開いており、循環ポンプ25は駆動している。イグニッションスイッチをオフする動作が検出されると(ステップS201)、循環電磁弁26を閉じ、排気電磁弁27と、起動電磁弁29を開く(ステップS203)。これにより、既述のステップS105で説明したように、循環ポンプ25内の水が除去される。   Next, the operation at the time of stop will be described based on the flowcharts shown in FIGS. In the steady operation state, the original solenoid valve 20, the supply solenoid valve 22, and the circulation solenoid valve 26 are open, and the circulation pump 25 is driven. When an operation for turning off the ignition switch is detected (step S201), the circulation solenoid valve 26 is closed, and the exhaust solenoid valve 27 and the start solenoid valve 29 are opened (step S203). Thereby, the water in the circulation pump 25 is removed as described in step S105 described above.

次に元電磁弁20を閉じ、排気電磁弁27を閉じ、起動電磁弁29を閉じる(ステップS205)。これにより、燃料電池スタック100への水素ガスの供給が止められる。 Next, the original solenoid valve 20 is closed, the exhaust solenoid valve 27 is closed, and the start solenoid valve 29 is closed (step S205). Thereby, the supply of hydrogen gas to the fuel cell stack 100 is stopped.

供給電磁弁22を閉じ、循環電磁弁26と外気電磁弁23を開く(ステップS207)。これにより、燃料電池スタック100の燃料室30内の燃料ガスは、燃料ガス供給流路201Bと外気流路205を通って、外部へ排出され、燃料室30及び循環ポンプ25の上流側は圧力が低下していく。   The supply solenoid valve 22 is closed, and the circulation solenoid valve 26 and the outside air solenoid valve 23 are opened (step S207). As a result, the fuel gas in the fuel chamber 30 of the fuel cell stack 100 is discharged to the outside through the fuel gas supply channel 201B and the outside air channel 205, and the upstream side of the fuel chamber 30 and the circulation pump 25 is pressurized. It goes down.

圧力センサS2によって、燃料室30内の圧力をチェックし(ステップS209)、圧力が置換ガスに十分に置換することができる程度の負圧値(例えば、-70kPa)になっているか否か判断する(ステップS211)。
所定の負圧値に達している場合には、循環ポンプ25を停止し、循環電磁弁26を閉じる(ステップS213)。これにより、供給電磁弁22から下流側に位置する、燃料電池スタック100内の各燃料室30、トラップ24は、負圧状態に維持される。
The pressure sensor S2 checks the pressure in the fuel chamber 30 (step S209), and determines whether or not the negative pressure value (for example, −70 kPa) is sufficient to replace the pressure with the replacement gas. (Step S211).
If the predetermined negative pressure value has been reached, the circulation pump 25 is stopped and the circulation electromagnetic valve 26 is closed (step S213). Thereby, each fuel chamber 30 and the trap 24 in the fuel cell stack 100 located downstream from the supply electromagnetic valve 22 are maintained in a negative pressure state.

次に、供給電磁弁22を開く(ステップS215)。これにより、負圧となっているトラップ24、各燃料室30に一気に外気が流入し、燃料室30内は、置換ガス(空気)に置換される。
燃料電池スタック100の電圧を電圧センサS4で検出し(ステップS217)、所定値(例えば、5.0V)以下に低下したか判断する(ステップS219)。燃料電池スタック100の出力電圧の低下は、発電反応が生じなくなったことを意味し、燃料室30内のガスが空気に置換されたことを示唆するので、所定値以下になった場合には(ステップS219でYes)、外気電磁弁23と、供給電磁弁22と、排気電磁弁27を閉じ(ステップS221)、制御動作を終了する。
Next, the supply electromagnetic valve 22 is opened (step S215). As a result, outside air flows into the trap 24 and each fuel chamber 30 which are in negative pressure at once, and the inside of the fuel chamber 30 is replaced with replacement gas (air).
The voltage of the fuel cell stack 100 is detected by the voltage sensor S4 (step S217), and it is determined whether or not the voltage drops to a predetermined value (for example, 5.0 V) or less (step S219). The decrease in the output voltage of the fuel cell stack 100 means that no power generation reaction has occurred, and suggests that the gas in the fuel chamber 30 has been replaced with air. In step S219, Yes), the outside air solenoid valve 23, the supply solenoid valve 22, and the exhaust solenoid valve 27 are closed (step S221), and the control operation is terminated.

この発明の燃料電池システム1を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a fuel cell system 1 of the present invention. 燃料電池用セパレータを示す全体正面図である。It is a whole front view which shows the separator for fuel cells. 燃料電池セパレータで構成された燃料電池スタックの部分断面平面図(A‐A断面図)である。It is a fragmentary sectional top view (AA sectional view) of the fuel cell stack comprised with the fuel cell separator. 燃料電池セパレータの全体背面図である。It is the whole fuel cell separator rear view. 集電部材及び隔壁の位置関係を示す部分拡大斜視図である。It is a partial expansion perspective view which shows the positional relationship of a current collection member and a partition. 単位セルの構成を示す拡大側面断面図である。It is an expanded side sectional view which shows the structure of a unit cell. 燃料電池スタックの上面の構成を示す部分平面図である。It is a fragmentary top view which shows the structure of the upper surface of a fuel cell stack. 定常発電時における制御フローチャートである。It is a control flowchart at the time of steady power generation. 停止操作時の制御フローチャートである。It is a control flowchart at the time of stop operation. 停止操作時の制御フローチャートである。It is a control flowchart at the time of stop operation.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池システム
100 燃料電池スタック
3 集電部材
4 集電部材
48 突出部
7 隔壁
11 水素貯蔵タンク
13 セパレータ
123 空気導入路
22 供給電磁弁
23 外気電磁弁
25 循環ポンプ
26 循環電磁弁
29 起動電磁弁
531 水タンク
53A1 排気マニホールド
54 空気マニホールド
55 ノズル
61 供給ポンプ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system 100 Fuel cell stack 3 Current collection member 4 Current collection member 48 Projection part 7 Bulkhead 11 Hydrogen storage tank 13 Separator 123 Air introduction path 22 Supply solenoid valve 23 Outside air solenoid valve 25 Circulation pump 26 Circulation solenoid valve 29 Start solenoid valve 531 Water tank 53A1 Exhaust manifold 54 Air manifold 55 Nozzle 61 Supply pump

Claims (5)

燃料ガスが流入される燃料室と、酸化ガスが流入される導入口及び反応後の酸化ガスが排出される導出口を有する酸化ガス室とを電解質層を介して隣接させ、燃料ガスと酸化ガスとの反応により発電する燃料電池と、
燃料ガス供給源から前記燃料室へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、
燃料室からの排出ガスを前記燃料ガス供給路へ戻す排気循環路と、
前記排気循環路に設けられ、排出ガスを燃料ガス供給路へ送出する循環手段と、
前記排気循環路内の燃料ガスの湿度よりも低い湿度のドライガスを供給するドライガス供給源と、
ドライガスの前記循環手段への供給を調整するドライガス供給手段と、
前記ドライガス供給手段によるドライガスの供給を制御するドライガス供給制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
A fuel chamber into which the fuel gas is introduced and an oxidizing gas chamber having an inlet through which the oxidizing gas is introduced and an outlet through which the oxidized gas after the reaction is discharged are adjacent to each other via the electrolyte layer, and the fuel gas and the oxidizing gas A fuel cell that generates electricity by reacting with
A fuel gas supply path for supplying fuel gas from a fuel gas supply source to the fuel chamber;
An exhaust circuit for returning exhaust gas from the fuel chamber to the fuel gas supply channel;
A circulation means provided in the exhaust circulation path for sending exhaust gas to the fuel gas supply path;
A dry gas supply source for supplying a dry gas having a humidity lower than the humidity of the fuel gas in the exhaust circuit;
Dry gas supply means for adjusting the supply of dry gas to the circulation means;
A fuel cell system comprising: dry gas supply control means for controlling supply of dry gas by the dry gas supply means.
前記ドライガス供給源は、前記燃料ガス供給源であり、
前記ドライガス供給手段は、前記燃料ガス供給路と、前記循環手段の上流側の排気循環路とを繋げるドライガス供給路と、
前記ドライガス供給路に設けられた開閉弁とを有する請求項1に記載の燃料電池システム。
The dry gas supply source is the fuel gas supply source;
The dry gas supply means includes a dry gas supply path that connects the fuel gas supply path and an exhaust gas circulation path upstream of the circulation means;
The fuel cell system according to claim 1, further comprising an on-off valve provided in the dry gas supply path.
前記ドライガス供給手段によって供給されるドライガスのガス圧は、前記排気循環路内のガス圧より高い請求項1又は2に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein a gas pressure of the dry gas supplied by the dry gas supply means is higher than a gas pressure in the exhaust circuit. 前記燃料ガス供給源と、前記燃料室と、前記排気循環路とによって構成されたガス循環路内にガス流量検出手段を有し、
前記ドライガス供給制御手段は、前記ガス流量検出手段によって検出されたガス流量に基づき、ドライガスの供給を制御する請求項1〜3のいずれか1に記載の燃料電池システム。
A gas flow rate detecting means in a gas circulation path constituted by the fuel gas supply source, the fuel chamber, and the exhaust circulation path;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the dry gas supply control means controls the supply of dry gas based on the gas flow rate detected by the gas flow rate detection means.
前記ドライガス供給制御手段は、運転停止動作を行う直前に、ドライガスを供給するよう制御する請求項1〜4のいずれか1に記載の燃料電池システム。

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the dry gas supply control means controls to supply a dry gas immediately before the operation stop operation is performed.

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