JP2008059754A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To uniformalize wettability condition on the fuel electrode side of each part of the fuel cell, prevent condensation of moisture in a fuel flow channel, restrain retention of moisture in the fuel flow channel, quickly exhaust remaining moisture, and surely prevent performance degradation of the fuel cell and deterioration of the fuel electrode, by partitioning the fuel flow channel of one fuel cell into a plurality of small flow channels arranged in parallel, and control an amount of fuel gas flowing in each small flow channel by a flow volume control valve corresponding to each flow channel. <P>SOLUTION: The fuel cell system includes a fuel cell assembly with a plurality of fuel cells each with an electrolyte layer pinched by a fuel electrode and an oxygen electrode, electrically connected through a separator with a fuel flow channel formed along the fuel electrode and an oxidant flow channel formed along the oxygen electrode, and a tube channel system for fuel connected to the fuel flow channel. The fuel flow channel is partitioned into a plurality of parallel small flow channels, and the tube channel system for fuel is equipped with a flow volume control valve controlling the amount of fuel gas flowing in each of the small flow channels in correspondence with each of the small flow channels. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

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、乗用カート、荷物用カート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(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、純水素を燃料ガスとした固体高分子型燃料電池(PEMFC)は、出力当たりのシステム体積及び重量を小さくすることができることから、積極的に用いられている。   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, trucks, passenger carts, and luggage carts. The fuel cell may be 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) using pure hydrogen as a fuel gas is actively used because it can reduce the system volume and weight per output.

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、固体高分子型燃料電池においては、電気化学反応によって生成された水分が、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するとともに、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。これにより、固体高分子電解質膜の両側は、湿潤な状態に維持される。しかし、水分の量が多くなると、燃料極側において局所的に水素ガス流路が水分によって塞(ふさ)がれてしまい、燃料電池の性能が低下したり、燃料極が劣化したりしてしまうことが知られている。   In the polymer electrolyte fuel cell, moisture generated by the electrochemical reaction moves as proton-entrained water from the fuel electrode side to the oxygen electrode side, and reverses from the oxygen electrode side to the fuel electrode side. Move as diffusion water. Thereby, both sides of the solid polymer electrolyte membrane are maintained in a wet state. However, when the amount of moisture increases, the hydrogen gas flow path is locally blocked by moisture on the fuel electrode side, and the performance of the fuel cell deteriorates or the fuel electrode deteriorates. It is known.

そこで、水素ガス流路を複数のブロックに分割し、隣接するブロックにおける水素ガスの流れの方向を互いに逆方向とすることによって、水分の滞留を防止して電流密度を均一化する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
特開2003−323905号公報
Therefore, a technique has been proposed in which the hydrogen gas flow path is divided into a plurality of blocks, and the directions of hydrogen gas flow in adjacent blocks are opposite to each other, thereby preventing moisture retention and making the current density uniform. (For example, refer to Patent Document 1).
JP 2003-323905 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、水素ガスの流れをセル内の温度分布に応じて制御していないので、セル内の温度の高い部位で水蒸気が凝縮して水分が滞留しやすくなってしまう。そして、水素ガス流路内に溜(た)まった水分の量が増加すると、燃料極の一部が水分によって覆われてしまい、燃料電池の性能が低下したり、燃料極が劣化したりしてしまうことがあった。また、滞留した水分は、排出されにくく残留してしまうので、特に、燃料電池の起動及び停止時に速やかなガス置換の妨げとなる。   However, in the conventional fuel cell system, since the flow of hydrogen gas is not controlled according to the temperature distribution in the cell, the water vapor is likely to condense due to the condensation of the water vapor at a high temperature in the cell. End up. If the amount of water accumulated in the hydrogen gas flow path increases, a part of the fuel electrode is covered with water, and the performance of the fuel cell deteriorates or the fuel electrode deteriorates. There was a case. In addition, the retained water is difficult to be discharged and remains, which hinders quick gas replacement particularly when the fuel cell is started and stopped.

通常、生成された水分は、水素ガス流路においては、水素ガス中へ水蒸気として放出される。そして、飽和水蒸気圧は温度が高いほど高くなるので、セル内の温度の高い部位では、水素ガス中の水蒸気の絶対量が多くなる。しかし、発電のための電気化学反応によって水素ガスが消費されると、水素ガスの分圧が低下するので、水素ガス中の水蒸気が過飽和の状態となって凝縮する。特に、セル内の温度の高い部位では、水素ガス中の水蒸気の絶対量が多いので、凝縮する水分の量も多くなる。そのため、セル内の温度の高い部位では、水蒸気が凝縮した水分の量が多いので、水分の滞留が発生しやすくなる。   Usually, the produced | generated water | moisture content is discharge | released as water vapor | steam in hydrogen gas in a hydrogen gas flow path. And since saturated water vapor pressure becomes so high that temperature is high, the absolute amount of the water vapor | steam in hydrogen gas increases in the site | part with a high temperature in a cell. However, when hydrogen gas is consumed by an electrochemical reaction for power generation, the partial pressure of the hydrogen gas decreases, so that the water vapor in the hydrogen gas becomes supersaturated and condenses. In particular, since the absolute amount of water vapor in the hydrogen gas is large in a portion having a high temperature in the cell, the amount of moisture condensed is also large. For this reason, in the portion where the temperature is high in the cell, the amount of water condensed from the water vapor is large, so that the retention of water tends to occur.

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、1つの燃料電池における燃料流路を並列な複数の小流路に分割し、各小流路に対応する流量制御弁によって各小流路を流れる燃料ガスの流量を制御するようにして、燃料電池の各部における燃料極側の湿潤状態を均一にし、燃料流路内における水分の凝縮を防止し、燃料流路内の水分の滞留を抑制し、滞留した水分を速やかに排出することができ、燃料電池の性能低下及び燃料極の劣化を確実に防止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, divides the fuel flow path in one fuel cell into a plurality of parallel small flow paths, and each flow control valve corresponding to each small flow path By controlling the flow rate of the fuel gas flowing through the small flow path, the wet state on the fuel electrode side in each part of the fuel cell is made uniform, moisture condensation in the fuel flow path is prevented, and moisture in the fuel flow path is An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of suppressing stagnation and quickly discharging the stagnation water, and reliably preventing deterioration of the performance of the fuel cell and deterioration of the fuel electrode.

そのために、本発明の燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料流路が形成され、酸素極に沿って酸化剤流路が形成されたセパレータを介して複数電気的に接続された燃料電池集合体と、前記燃料流路に接続された燃料用管路系とを有する燃料電池システムであって、前記燃料流路は、並列な複数の小流路に分割され、前記燃料用管路系は、各小流路に対応し、各小流路を流れる燃料ガスの流量を制御する流量制御弁を備える。   Therefore, in the fuel cell system of the present invention, a fuel cell in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode has a fuel flow path formed along the fuel electrode, and an oxidant flow path along the oxygen electrode. A fuel cell system comprising a plurality of fuel cell assemblies electrically connected via a separator formed with a fuel conduit system connected to the fuel flow path, wherein the fuel flow path includes: The fuel pipe system is divided into a plurality of parallel small flow paths, and includes a flow rate control valve for controlling the flow rate of the fuel gas flowing through each small flow path, corresponding to each small flow path.

本発明の他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記燃料流路は、燃料電池における温度勾(こう)配の方向に分割され、前記燃料ガスは、温度の高い部位に対応する小流路ほど分配比が高くなるように制御される。   In another fuel cell system of the present invention, the fuel flow path is further divided in the direction of a temperature gradient in the fuel cell, and the fuel gas has a smaller flow path corresponding to a part having a higher temperature. The distribution ratio is controlled to be high.

本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記流量制御弁は、燃料電池の各部位の温度に応じて制御される。   In still another fuel cell system of the present invention, the flow rate control valve is controlled according to the temperature of each part of the fuel cell.

本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記流量制御弁は、燃料電池の負荷に応じて制御される。   In still another fuel cell system of the present invention, the flow rate control valve is controlled according to the load of the fuel cell.

本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記燃料ガスは、滞留した水分が多い小流路ほど多く流れるように制御される。   In still another fuel cell system of the present invention, the fuel gas is further controlled to flow in a small flow path with a large amount of accumulated water.

本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記燃料電池集合体は冷却媒体流路を備え、前記燃料流路は、冷却媒体流路における冷却媒体の流れの方向に分割される。   In still another fuel cell system of the present invention, the fuel cell assembly further includes a coolant flow path, and the fuel flow path is divided in the direction of the coolant flow in the coolant flow path.

本発明によれば、燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料流路が形成され、酸素極に沿って酸化剤流路が形成されたセパレータを介して複数電気的に接続された燃料電池集合体と、前記燃料流路に接続された燃料用管路系とを有する燃料電池システムであって、前記燃料流路は、並列な複数の小流路に分割され、前記燃料用管路系は、各小流路に対応し、各小流路を流れる燃料ガスの流量を制御する流量制御弁を備える。   According to the present invention, in a fuel cell system, a fuel cell in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode has a fuel flow path formed along the fuel electrode, and an oxidant flow path along the oxygen electrode. A fuel cell system comprising a plurality of fuel cell assemblies electrically connected via a separator formed with a fuel conduit system connected to the fuel flow path, wherein the fuel flow path includes: The fuel pipe system is divided into a plurality of parallel small flow paths, and includes a flow rate control valve for controlling the flow rate of the fuel gas flowing through each small flow path, corresponding to each small flow path.

この場合、各小流路を流れる燃料ガスの流量を制御することができ、燃料流路内の各部において凝縮する水分の量を平準化することができ、燃料電池の各部における燃料極側の湿潤状態を均一にすることができる。そのため、燃料流路内における水分の凝縮を防止し、燃料流路内の水分の滞留を抑制することができ、燃料電池の性能低下及び燃料極の劣化を確実に防止することができる。   In this case, the flow rate of the fuel gas flowing through each small flow path can be controlled, the amount of water condensed in each part in the fuel flow path can be leveled, and the fuel electrode side wet in each part of the fuel cell The state can be made uniform. Therefore, it is possible to prevent condensation of moisture in the fuel flow path, to suppress the retention of moisture in the fuel flow path, and to reliably prevent the performance degradation of the fuel cell and the deterioration of the fuel electrode.

他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記燃料流路は、燃料電池における温度勾配の方向に分割され、前記燃料ガスは、温度の高い部位に対応する小流路ほど分配比が高くなるように制御される。   In another fuel cell system, the fuel flow path is further divided in the direction of a temperature gradient in the fuel cell so that the fuel gas has a higher distribution ratio in a smaller flow path corresponding to a part having a higher temperature. Be controlled.

この場合、温度の高い部位ほど燃料ガスの分配比が高くなるように制御することができるので、凝縮する水分の量を確実に平準化することができる。   In this case, since the fuel gas distribution ratio can be controlled to be higher as the temperature is higher, the amount of moisture to be condensed can be reliably leveled.

更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記流量制御弁は、燃料電池の各部位の温度に応じて制御される。   In still another fuel cell system, the flow control valve is controlled in accordance with the temperature of each part of the fuel cell.

この場合、燃料ガスの分配比を正確に制御することができる。   In this case, the fuel gas distribution ratio can be accurately controlled.

更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記流量制御弁は、燃料電池の負荷に応じて制御される。   In still another fuel cell system, the flow control valve is controlled in accordance with the load of the fuel cell.

この場合、燃料電池の各部位の温度を検出する必要がないので、構成を簡素化することができる。   In this case, since it is not necessary to detect the temperature of each part of the fuel cell, the configuration can be simplified.

更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記燃料ガスは、滞留した水分が多い小流路ほど多く流れるように制御される。   In still another fuel cell system, the fuel gas is further controlled to flow in a small flow path with a large amount of accumulated water.

この場合、当該小流路に滞留した水分を速やかに、かつ、確実に排出することができるので、燃料極が水分によって覆われることがなく、燃料電池の性能低下及び燃料極の劣化を確実に防止することができる。   In this case, the water staying in the small flow path can be quickly and reliably discharged, so that the fuel electrode is not covered with water, and the performance of the fuel cell and the deterioration of the fuel electrode are ensured. Can be prevented.

更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記燃料電池集合体は冷却媒体流路を備え、前記燃料流路は、冷却媒体流路における冷却媒体の流れの方向に分割される。   In still another fuel cell system, the fuel cell assembly further includes a cooling medium flow path, and the fuel flow path is divided in the direction of the cooling medium flow in the cooling medium flow path.

この場合、温度の高い部位ほど燃料ガスの分配比が高くなるように制御することができ、燃料流路内の各部において凝縮する水分の量を平準化することができ、燃料電池の各部における燃料極側の湿潤状態を均一にすることができる。   In this case, the fuel gas distribution ratio can be controlled to be higher as the temperature is higher, the amount of water condensed in each part in the fuel flow path can be leveled, and the fuel in each part of the fuel cell can be leveled. The wet state on the pole side can be made uniform.

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2は本発明の第1の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す平面図、図3は本発明の第1の実施の形態における燃料電池スタックの空気入口側に取り付けられた空気供給流路を示す図である。   FIG. 2 is a plan view showing the configuration of the fuel cell stack according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3 is an air supply flow attached to the air inlet side of the fuel cell stack according to the first embodiment of the present invention. It is a figure which shows a path | route.

図において、20は複数の燃料電池セル(FC)から構成される燃料電池集合体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、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、動力源として燃料電池スタック20と、バッテリ、リチウムイオン電池などの2次電池、キャパシタ等から成る蓄電手段とを併用して使用することが望ましい。   In the figure, 20 is a fuel cell stack as a fuel cell assembly composed of a plurality of fuel cells (FC), and is used as a power source for vehicles such as passenger cars, buses, trucks, passenger carts, luggage carts, etc. Is done. Here, the vehicle is equipped with a large number of auxiliary equipment that consumes electricity, such as lighting devices, radios, and power windows. Since the output range is extremely wide, it is desirable to use the fuel cell stack 20 as a power source in combination with a battery, a secondary battery such as a lithium ion battery, and a power storage means including a capacitor.

そして、燃料電池セルは、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であることが望ましい。   The fuel cell may be of 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 is preferably a solid polymer type fuel cell.

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 type fuel cell is generally a stack in which a plurality of cells (Fuel Cell) in which a catalyst, an electrode and a separator are combined on both sides of a solid polymer electrolyte membrane that transmits ions such as protons are connected in series. (Stack).

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後述される燃料流路14を介し前記燃料極に燃料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酸化剤流路としての後述される空気流路16を介し前記酸素極に酸化剤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。なお、本実施の形態において、前記燃料電池スタック20はいわゆる常圧型の燃料電池であり、前記空気流路16には常圧の空気が流通する。ここで、常圧とは、大気圧から大気圧より100〔mmAq〕程度高い圧力までの範囲である。   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 hydrogen gas as a fuel gas is supplied to the fuel electrode via a fuel flow path 14 to be described later in contact with the surface of the fuel electrode, hydrogen is converted into hydrogen ions (protons). It is decomposed into electrons and hydrogen ions permeate the solid polymer electrolyte membrane. Further, when the other of the gas diffusion electrodes is an oxygen electrode, and air as an oxidant is supplied to the oxygen electrode through an air channel 16 described later as an oxidant channel in contact with the surface of the oxygen electrode, Oxygen, the hydrogen ions and electrons combine to produce water. An electromotive force is generated by such an electrochemical reaction. In the present embodiment, the fuel cell stack 20 is a so-called normal pressure type fuel cell, and normal pressure air flows through the air flow path 16. Here, the normal pressure is a range from atmospheric pressure to a pressure higher by about 100 mmAq than the atmospheric pressure.

例えば、本実施の形態においては、一例として、PEM型燃料電池であり、例えば、100枚のセルを直列に接続したスタックを使用する。なお、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セル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、燃料貯蔵手段に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。   For example, in the present embodiment, as an example, a PEM type fuel cell is used, for example, a stack in which 100 cells are connected in series is used. Although hydrogen gas, which is fuel taken out by reforming methanol, gasoline, etc. with a reformer, can be directly supplied to the fuel cell, a sufficient amount of hydrogen can be stably supplied even during high-load operation of the vehicle. It is desirable to supply the hydrogen gas stored in the fuel storage means so that the fuel can be supplied.

ここで、前記燃料貯蔵手段は、水素吸蔵合金を格納した容器であることが望ましいが、デカリンのような水素吸蔵液体を格納した容器、水素ガスボンベのように水素ガスを格納した容器等であってもよい。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、前記燃料電池セル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、前記燃料電池セルの出力インピーダンスは極めて低く、0に近似させることが可能である。   Here, the fuel storage means is preferably a container storing a hydrogen storage alloy, but a container storing a hydrogen storage liquid such as decalin, a container storing hydrogen gas such as a hydrogen gas cylinder, and the like. Also good. Thereby, hydrogen gas is always sufficiently supplied at a substantially constant pressure, so that the fuel cell can follow the fluctuation of the load of the vehicle and supply a necessary current. In this case, the output impedance of the fuel cell is extremely low and can be approximated to zero.

本実施の形態において、燃料電池スタック20は、図2に示されるように、複数のセルモジュール21を有する。なお、図2における矢印は、燃料ガスとしての水素ガスの流れを示している。セルモジュール21は、燃料電池としての単位セル(MEA:Membrane Electrode Assembly)と、該単位セル同士を電気的に接続するとともに、単位セルに導入される水素ガスが流通する燃料流路14と酸化剤としての空気が流通する空気流路16とを分離する後述されるセパレータ15と、単位セル及びセパレータ15を1セットとして、板厚方向に複数のセットを重ねて構成されている。セルモジュール21は、単位セル同士が所定の間隙(げき)を隔てて配置されるように、単位セルとセパレータ15とが、多段に重ねられて積層されている。   In the present embodiment, the fuel cell stack 20 includes a plurality of cell modules 21 as shown in FIG. In addition, the arrow in FIG. 2 has shown the flow of the hydrogen gas as fuel gas. The cell module 21 includes a unit cell (MEA) as a fuel cell, an electrical connection between the unit cells, and a fuel flow path 14 through which hydrogen gas introduced into the unit cell flows and an oxidant. The separator 15 described later for separating the air flow path 16 through which the air flows, and the unit cell and the separator 15 as one set are configured by overlapping a plurality of sets in the thickness direction. In the cell module 21, the unit cells and the separators 15 are stacked and stacked in multiple stages so that the unit cells are arranged with a predetermined gap.

単位セルは、電解質層としての固体高分子電解質膜側に設けられた酸素極としての空気極及び他側に設けられた燃料極から構成されている。前記空気極は、反応ガスを拡散しながら透過する導電性材料から成る電極拡散層と、該電極拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜と接触させて支持される触媒層とから成る。また、単位セルの空気極側の電極拡散層に接触して集電する集電体としての空気極側コレクタと、単位セルの燃料極側の電極拡散層に接触して集電する集電体としての燃料極側コレクタとを有する。   The unit cell is composed of an air electrode as an oxygen electrode provided on the solid polymer electrolyte membrane side as an electrolyte layer and a fuel electrode provided on the other side. The air electrode includes an electrode diffusion layer made of a conductive material that permeates while diffusing the reaction gas, and a catalyst layer that is formed on the electrode diffusion layer and is supported in contact with the solid polymer electrolyte membrane. Also, an air electrode side collector as a current collector for collecting current by contacting the electrode diffusion layer on the air electrode side of the unit cell, and a current collector for collecting current by contacting the electrode diffusion layer on the fuel electrode side of the unit cell And a fuel electrode side collector.

図2に示される燃料電池スタック20においては、複数のセルモジュール21が図における横方向に重ねられて積層され、左右両端から保持部材としてのエンドプレートによって挟まれている。また、図2に示される例においては、単位セル及びセパレータ15のセットを10個積層して1つのセルモジュール21を形成し、該セルモジュール21を10個積層して1つの燃料電池スタック20を形成している。なお、単位セルの両側には必ずセパレータ15が配設されるようになっているので、1つのセルモジュール21におけるセパレータ15の数は11枚である。   In the fuel cell stack 20 shown in FIG. 2, a plurality of cell modules 21 are stacked in the horizontal direction in the figure and are sandwiched by end plates as holding members from both the left and right ends. In the example shown in FIG. 2, 10 unit cells and separators 15 are stacked to form one cell module 21, and 10 cell modules 21 are stacked to form one fuel cell stack 20. Forming. Since the separators 15 are always provided on both sides of the unit cell, the number of separators 15 in one cell module 21 is eleven.

この場合、燃料電池スタック20は、全体として扁(へん)平な直方体状の形状を有し、内部における空気の流れは、図2における図面に垂直な方向としての重力方向であり、上から下に直線状になっている。また、水素ガスの流れは、図2において矢印で示されるように、重力方向とほぼ直交する水平面内において、セルモジュール21毎に折り返すサーペンタイン状に、すなわち、蛇行状になっている。そして、一方のエンドプレートに水素ガスを供給する燃料用管路系としての燃料入口管路33が接続され、他方のエンドプレートに水素ガスを排出する燃料用管路系としての燃料出口管路31が接続されている。   In this case, the fuel cell stack 20 has a flattened rectangular parallelepiped shape as a whole, and the air flow inside is the direction of gravity as a direction perpendicular to the drawing in FIG. It is straight. Further, as indicated by arrows in FIG. 2, the flow of hydrogen gas is in a serpentine shape that is folded for each cell module 21 in a horizontal plane that is substantially orthogonal to the direction of gravity, that is, in a meandering shape. A fuel inlet line 33 as a fuel line system for supplying hydrogen gas to one end plate is connected, and a fuel outlet line 31 as a fuel line system for discharging hydrogen gas to the other end plate. Is connected.

本実施の形態において、燃料電池システムは、図3に示されるように、燃料電池スタック20に酸化剤としての常圧の空気を供給するために、酸化剤供給源としての空気供給ファンユニット45を有する。該空気供給ファンユニット45は、一般的に、シロッコファンと称されるものであり、ファン駆動用モータ46によって駆動される羽根車としての図示されない遠心式の多翼ファンを備える。該多翼ファンの回転軸は、鉛直方向(図3における上下方向)に延伸するように、すなわち、水平面内において回転するように配設される。この場合、前記空気供給ファンユニット45は、回転する多翼ファンの中心に上方から空気を吸引し、前記多翼ファンの外周側に空気を排出し、該空気を前記多翼ファンの周囲に配設された概略渦巻状の昇圧ダクトを通過させて、空気供給ファンユニット45の外部に常圧の空気を吐出する。   In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the fuel cell system includes an air supply fan unit 45 as an oxidant supply source in order to supply normal pressure air as an oxidant to the fuel cell stack 20. Have. The air supply fan unit 45 is generally called a sirocco fan, and includes a centrifugal multi-blade fan (not shown) as an impeller driven by a fan drive motor 46. The rotation axis of the multiblade fan is arranged so as to extend in the vertical direction (the vertical direction in FIG. 3), that is, to rotate in a horizontal plane. In this case, the air supply fan unit 45 sucks air from above into the center of the rotating multi-blade fan, discharges air to the outer periphery of the multi-blade fan, and distributes the air around the multi-blade fan. Normal pressure air is discharged to the outside of the air supply fan unit 45 through an approximately spiral pressure boosting duct provided.

また、前記空気供給ファンユニット45の上面には、エアフィルタ47が配設され、前記空気供給ファンユニット45に吸引される空気中の塵埃(じんあい)、汚染物質、有害成分等を除去するようになっている。そして、前記空気供給ファンユニット45から吐出された空気は、前記空気供給ファンユニット45の空気吹出口に接続された空気導入ダクト42を通って、燃料電池スタック20の上側、すなわち、酸化剤入口側としての空気入口側に取り付けられた空気供給室44内に供給される。なお、前記空気導入ダクト42は、前記空気供給ファンユニット45の昇圧ダクトと一体的に形成されたものであってもよいし、別個に形成されて接続されたものであってもよい。また、燃料電池スタック20の下側、すなわち、酸化剤出口側としての空気出口側には、酸化剤排出流路としての空気排出室43が接続されている。   An air filter 47 is disposed on the upper surface of the air supply fan unit 45 so as to remove dust, contaminants, harmful components, etc. in the air sucked into the air supply fan unit 45. It has become. Then, the air discharged from the air supply fan unit 45 passes through the air introduction duct 42 connected to the air outlet of the air supply fan unit 45, and is above the fuel cell stack 20, that is, at the oxidant inlet side. Is supplied into an air supply chamber 44 attached to the air inlet side. The air introduction duct 42 may be formed integrally with the pressure increasing duct of the air supply fan unit 45, or may be formed separately and connected. An air discharge chamber 43 as an oxidant discharge channel is connected to the lower side of the fuel cell stack 20, that is, the air outlet side as the oxidant outlet side.

そして、前記空気導入ダクト42と空気供給室44との境界部、すなわち、空気供給室44の入口には、水をスプレーするための水供給ノズル51が複数個配設されている。該水供給ノズル51には図示されない水供給管路が接続されており、図示されない水タンクに貯留された水が、水ポンプによって圧送され、前記水供給管路を介して水供給ノズル51に供給される。これにより、空気流路16を介して酸素極の表面に水を供給して、固体高分子電解質膜を湿潤な状態に維持することができる。また、空気流路16を流れる空気は、水を含むことによって熱容量が大きくなるので、単位セルを冷却する冷却媒体としての機能が増大する。   A plurality of water supply nozzles 51 for spraying water are disposed at the boundary between the air introduction duct 42 and the air supply chamber 44, that is, at the inlet of the air supply chamber 44. A water supply pipe (not shown) is connected to the water supply nozzle 51, and water stored in a water tank (not shown) is pumped by a water pump and supplied to the water supply nozzle 51 via the water supply pipe. Is done. Thereby, water can be supplied to the surface of the oxygen electrode via the air flow path 16 to maintain the solid polymer electrolyte membrane in a wet state. In addition, since the air flowing through the air flow path 16 includes water, the heat capacity increases, so that the function as a cooling medium for cooling the unit cell is increased.

なお、前記空気排出室43内又はその下流側には、図示されない凝縮器ユニットが配設されている。該凝縮器ユニットは、燃料電池スタック20から排出された空気に含まれる水分を凝縮して分離するためのものであり、前記燃料電池スタック20から排出された空気を冷却して、水分を凝縮するようになっている。これにより、燃料電池スタック20から空気排出室43内に排出された空気は、凝縮器ユニット内に導入される。そして、前記空気は、凝縮器ユニット内を通過する間に冷却され、凝縮した水分を分離して、凝縮器ユニットの排気口から大気中に放出される。なお、分離された水は、図示されない配水管を通って、水タンクに回収されるようになっていることが望ましい。   A condenser unit (not shown) is disposed in the air discharge chamber 43 or downstream thereof. The condenser unit condenses and separates moisture contained in the air discharged from the fuel cell stack 20, and cools the air discharged from the fuel cell stack 20 to condense the moisture. It is like that. Thereby, the air discharged from the fuel cell stack 20 into the air discharge chamber 43 is introduced into the condenser unit. The air is cooled while passing through the condenser unit, separates the condensed moisture, and is released into the atmosphere from the exhaust port of the condenser unit. The separated water is preferably collected in a water tank through a water distribution pipe (not shown).

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装置を有する。該制御装置は、CPU、MPU等の演算手段、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、圧力センサ、その他のセンサから燃料電池セルに供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記空気供給ファンユニット45、後述される水素排気電磁弁37、第1流量制御弁35a、第2流量制御弁35b及び第3流量制御弁35c等の動作を制御する。さらに、前記制御装置は、他の制御装置と連携して、燃料電池システムの動作を統括的に制御する。なお、前記制御装置は、他の制御装置と一体的に構成されてもよい。   In the present embodiment, the fuel cell system has a control device (not shown). The control device includes a calculation means such as a CPU and MPU, a storage means such as a semiconductor memory, an input / output interface, etc., and a flow rate of hydrogen, oxygen, air, etc. supplied from the pressure sensor and other sensors to the fuel cell, The temperature, output voltage, etc. are detected, and the operation of the air supply fan unit 45, a hydrogen exhaust solenoid valve 37, a first flow control valve 35a, a second flow control valve 35b, a third flow control valve 35c, etc., which will be described later, is performed. Control. Further, the control device comprehensively controls the operation of the fuel cell system in cooperation with other control devices. In addition, the said control apparatus may be comprised integrally with another control apparatus.

次に、燃料電池システムにおける水素ガスの流路について説明する。   Next, the flow path of hydrogen gas in the fuel cell system will be described.

図1は本発明の第1の実施の形態における燃料電池システムの水素ガスの流路を示す模式図、図4は本発明の第1の実施の形態におけるセパレータの燃料極側の構成を示す図、図5は本発明の第1の実施の形態におけるセパレータの空気極側の構成を示す図である。なお、図4において、(a)は(b)のD−D矢視断面図、(b)は平面図である。また、図5において、(a)は平面図、(b)は(a)のF−F矢視断面図である。   FIG. 1 is a schematic diagram showing a hydrogen gas flow path of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a diagram showing a configuration on the fuel electrode side of a separator according to the first embodiment of the present invention. FIG. 5 is a diagram showing a configuration of the separator on the air electrode side in the first embodiment of the present invention. In FIG. 4, (a) is a sectional view taken along the line DD of (b), and (b) is a plan view. Moreover, in FIG. 5, (a) is a top view, (b) is FF arrow sectional drawing of (a).

図1に示されるように、水素ガスは、図示されない燃料貯蔵手段から、燃料供給管路22及び該燃料供給管路22に接続された燃料入口管路33を通って、燃料電池スタック20の燃料流路14に供給される。そして、燃料電池スタック20の燃料流路14から未反応成分として排出される水素ガスは、燃料出口管路31を通って燃料電池スタック20外に排出される。前記燃料出口管路31には、回収容器としての水回収ドレインタンク34が接続されている。   As shown in FIG. 1, the hydrogen gas passes through a fuel supply line 22 and a fuel inlet line 33 connected to the fuel supply line 22 from a fuel storage means (not shown), and the fuel in the fuel cell stack 20. It is supplied to the flow path 14. Then, hydrogen gas discharged as an unreacted component from the fuel flow path 14 of the fuel cell stack 20 is discharged out of the fuel cell stack 20 through the fuel outlet pipe 31. A water recovery drain tank 34 as a recovery container is connected to the fuel outlet pipe 31.

そして、該水回収ドレインタンク34には水と分離された水素ガスを排出する燃料循環管路30が接続され、該燃料循環管路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、前記燃料循環管路30における水回収ドレインタンク34と反対側の端部は、燃料入口管路33に接続されている。これにより、燃料電池スタック20外に排出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック20の燃料流路14に供給して再利用することができる。   The water recovery drain tank 34 is connected to a fuel circulation line 30 for discharging hydrogen gas separated from water, and the fuel circulation line 30 is provided with a suction circulation pump 36 as a pump. . The end of the fuel circulation line 30 opposite to the water recovery drain tank 34 is connected to the fuel inlet line 33. Thereby, the hydrogen gas discharged out of the fuel cell stack 20 can be recovered, supplied to the fuel flow path 14 of the fuel cell stack 20, and reused.

また、前記水回収ドレインタンク34には、燃料排出管路38が接続され、該燃料排出管路38には水素排気電磁弁37が配設され、燃料電池スタック20の起動時に該燃料電池スタック20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38の出口端は空気排出室43に接続され、排出された水素を空気で希釈させるようになっていることが望ましい。   Further, a fuel discharge pipe 38 is connected to the water recovery drain tank 34, and a hydrogen exhaust electromagnetic valve 37 is disposed in the fuel discharge pipe 38, and the fuel cell stack 20 is activated when the fuel cell stack 20 is started. The hydrogen gas discharged from the can be discharged into the atmosphere. The outlet end of the fuel discharge line 38 is preferably connected to the air discharge chamber 43 so that the discharged hydrogen is diluted with air.

本実施の形態において、各単位セルにおける燃料流路14は、並列な複数の小流路、例えば、第1小流路14a〜第3小流路14cに分割されている。なお、燃料流路14の分割数は、任意に決定することができ、例えば、2つに分割してもよいし、4つ以上に分割してもよいが、構成の複雑化等を考慮すると、2〜5程度が適切な分割数である。また、燃料流路14の分割形態は、単位セルにおける温度勾配の方向である。すなわち、燃料流路14は、温度の変化する方向に沿って複数に分割される。   In the present embodiment, the fuel flow path 14 in each unit cell is divided into a plurality of parallel small flow paths, for example, a first small flow path 14a to a third small flow path 14c. The number of divisions of the fuel flow path 14 can be arbitrarily determined. For example, the number of divisions may be divided into two or four or more. 2 to 5 is an appropriate number of divisions. Moreover, the division | segmentation form of the fuel flow path 14 is the direction of the temperature gradient in a unit cell. That is, the fuel flow path 14 is divided into a plurality along the direction in which the temperature changes.

図5において矢印Eで示されるように、本実施の形態において、冷却媒体として機能する水を含んだ空気は、重力方向、すなわち、図における上下方向に空気流路16内を流れる。そのため、単位セルは、空気流路16における空気の入口側の部位が最も冷却されて温度が低くなり、空気流路16における空気の出口側の部位が最も温度が高くなる。したがって、単位セルにおいては、下側ほど温度が高くなるような温度勾配が発生する。そこで、前記燃料流路14は、温度勾配の方向に、上から順に、第1小流路14a、第2小流路14b及び第3小流路14cとなるように分割されている。なお、温度勾配は冷却媒体の流れの方向に生じるのであるから、前記燃料流路14は、冷却媒体の流れの方向に分割されているとも言える。   As indicated by an arrow E in FIG. 5, in the present embodiment, air containing water that functions as a cooling medium flows in the air flow path 16 in the direction of gravity, that is, the vertical direction in the drawing. For this reason, the unit cell is cooled most at the portion of the air flow path 16 on the air inlet side and has the lowest temperature, and the portion of the air flow path 16 on the air outlet side has the highest temperature. Therefore, in the unit cell, a temperature gradient is generated such that the temperature becomes higher at the lower side. Therefore, the fuel flow path 14 is divided into a first small flow path 14a, a second small flow path 14b, and a third small flow path 14c in order from the top in the direction of the temperature gradient. Since the temperature gradient occurs in the direction of the coolant flow, it can be said that the fuel flow path 14 is divided in the direction of the coolant flow.

この場合、セパレータ15の側部に形成される燃料用貫通孔(こう)13も第1燃料用貫通孔13a〜第3燃料用貫通孔13cに分割される。そして、水素ガスは、図4において矢印Cで示されるように、セパレータ15の一方(図4に示される例においては左方)の側部の第1燃料用貫通孔13a、第2燃料用貫通孔13b及び第3燃料用貫通孔13cから、第1小流路14a、第2小流路14b及び第3小流路14cを通って、セパレータ15の他方(図4に示される例においては右方)の側部の第1燃料用貫通孔13a、第2燃料用貫通孔13b及び第3燃料用貫通孔13cに流れる。   In this case, the fuel through hole 13 formed on the side of the separator 15 is also divided into a first fuel through hole 13a to a third fuel through hole 13c. Then, as indicated by an arrow C in FIG. 4, the hydrogen gas passes through the first fuel through hole 13 a and the second fuel through hole on one side of the separator 15 (left side in the example shown in FIG. 4). From the hole 13b and the third fuel through hole 13c, through the first small flow path 14a, the second small flow path 14b, and the third small flow path 14c, the other of the separators 15 (right in the example shown in FIG. 4). The first fuel through-hole 13a, the second fuel through-hole 13b, and the third fuel through-hole 13c on the other side.

また、燃料入口管路33も、下流側の部位は第1燃料入口管路33a、第2燃料入口管路33b及び第3燃料入口管路33cに分岐し、第1燃料用貫通孔13a、第2燃料用貫通孔13b及び第3燃料用貫通孔13cに、各々接続される。さらに、燃料出口管路31も、上流側の部位は第1燃料出口管路31a、第2燃料出口管路31b及び第3燃料出口管路31cに分岐し、第1燃料用貫通孔13a、第2燃料用貫通孔13b及び第3燃料用貫通孔13cに、各々接続される。   Further, the downstream portion of the fuel inlet pipe 33 also branches into a first fuel inlet pipe 33a, a second fuel inlet pipe 33b, and a third fuel inlet pipe 33c. The second fuel through hole 13b and the third fuel through hole 13c are connected to each other. Further, the upstream portion of the fuel outlet pipe 31 also branches into a first fuel outlet pipe 31a, a second fuel outlet pipe 31b, and a third fuel outlet pipe 31c. The second fuel through hole 13b and the third fuel through hole 13c are connected to each other.

なお、第1燃料出口管路31a、第2燃料出口管路31b及び第3燃料出口管路31cには、流量制御弁として、第1流量制御弁35a、第2流量制御弁35b及び第3流量制御弁35cが、各々配設される。前記第1流量制御弁35a、第2流量制御弁35b及び第3流量制御弁35cは、各々独立に動作可能であり、前記制御装置に制御され、第1小流路14a、第2小流路14b及び第3小流路14cを流れる水素ガスの流量を独立に制御する。なお、第1流量制御弁35a、第2流量制御弁35b及び第3流量制御弁35cは、第1燃料入口管路33a、第2燃料入口管路33b及び第3燃料入口管路33cに配設することもできるが、第1小流路14a、第2小流路14b及び第3小流路14c内に水素ガスを充満させるために、第1燃料出口管路31a、第2燃料出口管路31b及び第3燃料出口管路31cに配設することが望ましい。また、第1流量制御弁35a、第2流量制御弁35b及び第3流量制御弁35cを統合的に説明する場合には、流量制御弁35として説明する。   The first fuel outlet pipe 31a, the second fuel outlet pipe 31b, and the third fuel outlet pipe 31c have a first flow rate control valve 35a, a second flow rate control valve 35b, and a third flow rate as flow rate control valves. Each control valve 35c is provided. The first flow rate control valve 35a, the second flow rate control valve 35b, and the third flow rate control valve 35c are operable independently of each other, and are controlled by the control device, so that the first small flow channel 14a and the second small flow channel are controlled. The flow rate of hydrogen gas flowing through 14b and the third small flow path 14c is independently controlled. The first flow control valve 35a, the second flow control valve 35b, and the third flow control valve 35c are disposed in the first fuel inlet pipe 33a, the second fuel inlet pipe 33b, and the third fuel inlet pipe 33c. In order to fill the first small flow path 14a, the second small flow path 14b, and the third small flow path 14c with hydrogen gas, the first fuel outlet line 31a and the second fuel outlet line may be used. It is desirable to dispose 31b and the third fuel outlet pipe 31c. When the first flow control valve 35a, the second flow control valve 35b, and the third flow control valve 35c are described in an integrated manner, they will be described as the flow control valve 35.

次に、前記構成の燃料電池システムにおける第1小流路14a〜第3小流路14cへの水素ガスの分配比を制御する動作について説明する。   Next, an operation for controlling the distribution ratio of hydrogen gas to the first small flow path 14a to the third small flow path 14c in the fuel cell system having the above configuration will be described.

図6は本発明の第1の実施の形態における燃料電池システムの水素ガスの分配比を制御する動作を示す図、図7は本発明の第1の実施の形態における単位セル内の温度差と流量制御弁の開度との関係を示すグラフ、図8は本発明の第1の実施の形態における単位セル内の温度差と水素ガスの分配比との関係を示すグラフである。   FIG. 6 is a diagram showing an operation for controlling the hydrogen gas distribution ratio of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 7 shows the temperature difference in the unit cell according to the first embodiment of the present invention. FIG. 8 is a graph showing the relationship between the temperature difference in the unit cell and the hydrogen gas distribution ratio in the first embodiment of the present invention.

図6に示されるように、燃料電池スタック20には、第1小流路14a、第2小流路14b及び第3小流路14cに対応する部位の温度を検出する第1温度検出器56a、第2温度検出器56b及び第3温度検出器56cをそれぞれ配設する。なお、必ずしも燃料電池スタック20におけるすべての燃料流路14に対応する部位の温度を検出する必要はなく、例えば、空気流路16における空気の入口側及び出口側に対応する部位の温度のみを検出するようにしてもよい。すなわち、燃料電池スタック20において最も低温になる部位と最も高温になる部位の温度のみを検出するようにしてもよい。なお、図6において、太い矢印Aは冷却媒体としての水を含む空気の流れを示し、細い矢印Bは水素ガスの流れを示している。   As shown in FIG. 6, the fuel cell stack 20 includes a first temperature detector 56a that detects temperatures of portions corresponding to the first small flow path 14a, the second small flow path 14b, and the third small flow path 14c. A second temperature detector 56b and a third temperature detector 56c are provided. Note that it is not always necessary to detect the temperatures of the portions corresponding to all the fuel flow paths 14 in the fuel cell stack 20. For example, only the temperatures of the positions corresponding to the air inlet side and the outlet side of the air flow path 16 are detected. You may make it do. That is, only the temperature at the lowest temperature part and the highest temperature part in the fuel cell stack 20 may be detected. In FIG. 6, a thick arrow A indicates a flow of air containing water as a cooling medium, and a thin arrow B indicates a flow of hydrogen gas.

そして、制御装置は、前記第1温度検出器56a、第2温度検出器56b及び第3温度検出器56cが検出した燃料電池スタック20における各部の温度に基づいて、第1流量制御弁35a、第2流量制御弁35b及び第3流量制御弁35cの開度を制御し、これにより、第1小流路14a、第2小流路14b及び第3小流路14cを流れる水素ガスの流量を制御する。すなわち、第1小流路14a、第2小流路14b及び第3小流路14cの各々への水素ガスの分配比を制御する。   Then, the control device determines the first flow rate control valve 35a, the first flow rate control valve 35a, the second temperature detector 56b, and the third temperature detector 56c based on the temperature of each part in the fuel cell stack 20 detected by the first temperature detector 56a, the second temperature detector 56b, and the third temperature detector 56c. The opening degree of the 2 flow rate control valve 35b and the third flow rate control valve 35c is controlled, thereby controlling the flow rate of hydrogen gas flowing through the first small flow path 14a, the second small flow path 14b, and the third small flow path 14c. To do. That is, the distribution ratio of hydrogen gas to each of the first small flow path 14a, the second small flow path 14b, and the third small flow path 14c is controlled.

この場合、温度の高い部位ほど水素ガスの分配比が高くなるように制御する。「発明が解決しようとする課題」で説明したように、燃料流路14内の温度の高い部位では、水素ガスが消費されて水素ガスの分圧が低下すると、凝縮する水分の量が多くなる。そこで、温度の高い部位ほど水素ガスの分配比が高くなるように制御することによって、温度の高い部位に多くの水素ガスを供給して水素ガスの分圧の低下を防止して、凝縮する水分の量を低減することができる。これにより、燃料流路14内の各部において凝縮する水分の量を平準化することができ、単位セルの各部における燃料極側の湿潤状態を均一にすることができる。そのため、燃料極が水分によって覆われることがなく、単位セルの性能の低下や、燃料極の劣化を防止することができる。   In this case, control is performed so that the higher the temperature of the part, the higher the hydrogen gas distribution ratio. As described in “Problems to be Solved by the Invention”, in a portion having a high temperature in the fuel flow path 14, when the hydrogen gas is consumed and the partial pressure of the hydrogen gas is reduced, the amount of moisture to be condensed is increased. . Therefore, by controlling the hydrogen gas distribution ratio to be higher at the higher temperature part, a large amount of hydrogen gas is supplied to the higher temperature part to prevent a decrease in the partial pressure of the hydrogen gas and condense moisture. The amount of can be reduced. Thereby, the amount of water condensed in each part in the fuel flow path 14 can be leveled, and the wet state on the fuel electrode side in each part of the unit cell can be made uniform. Therefore, the fuel electrode is not covered with moisture, and the performance of the unit cell can be prevented from being deteriorated and the fuel electrode can be prevented from deteriorating.

そこで、制御装置は、例えば、図7に示されるように、第1流量制御弁35a、第2流量制御弁35b及び第3流量制御弁35cの開度を制御する。ここでは、説明の都合上、制御装置は、第1温度検出器56aが検出した第1小流路14aに対応する部位、すなわち、最も低温になる部位の温度T1と、第3温度検出器56cが検出した第3小流路14cに対応する部位、すなわち、最も高温になる部位の温度T3との差分ΔTに基づいて、流量制御弁35の各々の開度を制御するものとする。   Therefore, for example, as shown in FIG. 7, the control device controls the opening degree of the first flow rate control valve 35a, the second flow rate control valve 35b, and the third flow rate control valve 35c. Here, for convenience of explanation, the control device detects the temperature T1 of the portion corresponding to the first small flow path 14a detected by the first temperature detector 56a, that is, the lowest temperature portion, and the third temperature detector 56c. It is assumed that the opening degree of each flow control valve 35 is controlled based on the difference ΔT from the portion corresponding to the third small flow path 14c detected by the above, that is, the temperature T3 of the highest temperature portion.

ここで、ΔT=T3−T1である。また、図7における線35a、35b及び35cは、各々、第1流量制御弁35a、第2流量制御弁35b及び第3流量制御弁35cの開度を示している。なお、図7の縦軸は流量制御弁35の開度〔%〕を示し、横軸はΔTを示している。   Here, ΔT = T3−T1. In addition, lines 35a, 35b, and 35c in FIG. 7 indicate the opening degrees of the first flow control valve 35a, the second flow control valve 35b, and the third flow control valve 35c, respectively. In addition, the vertical axis | shaft of FIG. 7 shows the opening degree [%] of the flow control valve 35, and the horizontal axis has shown (DELTA) T.

この場合、最も高温になる部位に対応する第3流量制御弁35cの開度は、ΔTにかかわらず一定、すなわち、100〔%〕に維持され、ΔTが増加するに従って、第1流量制御弁35a及び第2流量制御弁35bの開度が順次減少するように制御されていることが分かる。   In this case, the opening degree of the third flow rate control valve 35c corresponding to the highest temperature part is kept constant regardless of ΔT, that is, maintained at 100 [%], and the first flow rate control valve 35a increases as ΔT increases. And it turns out that the opening degree of the 2nd flow control valve 35b is controlled so that it may decrease sequentially.

そして、図8には、図7に対応する水素ガスの分配比の変化が示されている。図8における線14a、14b及び14cは、各々、第1小流路14a、第2小流路14b及び第3小流路14cを流れる水素ガスの分配比を示している。なお、分配比の合計は100〔%〕である。また、図8の縦軸は水素ガスの分配比を示し、横軸はΔTを示している。   FIG. 8 shows the change in the hydrogen gas distribution ratio corresponding to FIG. Lines 14a, 14b, and 14c in FIG. 8 indicate distribution ratios of hydrogen gas flowing through the first small flow path 14a, the second small flow path 14b, and the third small flow path 14c, respectively. The total distribution ratio is 100 [%]. In addition, the vertical axis in FIG. 8 indicates the hydrogen gas distribution ratio, and the horizontal axis indicates ΔT.

これにより、図7に示されるように、第1流量制御弁35a、第2流量制御弁35b及び第3流量制御弁35cの開度を制御することによって、温度の高い部位ほど水素ガスの分配比が高くなることが分かる。   Thereby, as shown in FIG. 7, by controlling the opening degree of the first flow rate control valve 35a, the second flow rate control valve 35b, and the third flow rate control valve 35c, the hydrogen gas distribution ratio becomes higher at the higher temperature part. It turns out that becomes high.

なお、前記制御装置は、第1小流路14a、第2小流路14b及び第3小流路14cに対応する部位の温度に代えて、燃料電池スタック20の負荷、すなわち、発生する電流に基づいて第1流量制御弁35a、第2流量制御弁35b及び第3流量制御弁35cの開度を制御することもできる。これは、燃料電池スタック20の発生する電流が増加すると水素ガスの消費量が増加するので、燃料流路14内の温度の高い部位では凝縮する水分の量が増加するためである。この場合、第1流量制御弁35a、第2流量制御弁35b及び第3流量制御弁35cの開度、並びに、第1小流路14a、第2小流路14b及び第3小流路14cを流れる水素ガスの分配比は、図7及び8の横軸を電流に代えることによって表すことができる。   Note that the control device replaces the temperature of the portion corresponding to the first small flow path 14a, the second small flow path 14b, and the third small flow path 14c with the load of the fuel cell stack 20, that is, the generated current. Based on this, the opening degree of the first flow control valve 35a, the second flow control valve 35b, and the third flow control valve 35c can be controlled. This is because the consumption of hydrogen gas increases as the current generated by the fuel cell stack 20 increases, so that the amount of condensed water increases at a high temperature in the fuel flow path 14. In this case, the opening of the first flow control valve 35a, the second flow control valve 35b, and the third flow control valve 35c, and the first small flow path 14a, the second small flow path 14b, and the third small flow path 14c are set. The distribution ratio of the flowing hydrogen gas can be expressed by replacing the horizontal axis in FIGS. 7 and 8 with current.

さらに、前記制御装置は、第1流量制御弁35a、第2流量制御弁35b及び第3流量制御弁35cの開度に代えて、第1流量制御弁35a、第2流量制御弁35b及び第3流量制御弁35cの開時間の長さを制御することもできる。すなわち、各流量制御弁35の開時間の比を変化させることによって、水素ガスの分配比を制御してもよい。   Further, the control device replaces the opening of the first flow control valve 35a, the second flow control valve 35b and the third flow control valve 35c with the first flow control valve 35a, the second flow control valve 35b and the third flow control valve 35c. The length of the open time of the flow control valve 35c can also be controlled. That is, the distribution ratio of hydrogen gas may be controlled by changing the ratio of the open times of the respective flow control valves 35.

次に、前記構成の燃料電池システムにおける第1小流路14a〜第3小流路14cに滞留した水分を排出する動作について説明する。   Next, an operation for discharging the water remaining in the first small flow path 14a to the third small flow path 14c in the fuel cell system having the above-described configuration will be described.

図9は本発明の第1の実施の形態における燃料電池システムの流路に滞留した水分を排出する動作を示す図である。なお、図9において、(a)は通常運転の状態を示し、(b)〜(c)は第1小流路〜第3小流路から水分を排出する状態を示している。また、白抜きの弁は開放されていることを示し、黒塗りの弁は閉止されていることを示している。   FIG. 9 is a diagram showing an operation of discharging the moisture remaining in the flow path of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 9, (a) shows a state of normal operation, and (b) to (c) show states of discharging water from the first small channel to the third small channel. The white valve indicates that the valve is open, and the black valve indicates that the valve is closed.

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、燃料貯蔵手段から燃料電池スタック20に供給される水素ガスの圧力は、あらかじめ設定した一定の圧力に調整されて保持される。また、空気供給ファンユニット45は、燃料電池スタック20の出力電流に応じてあらかじめ設定された空気が供給されるように作動する。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。なお、図9においては、図6と同様に、太い矢印Aは冷却媒体としての水を含む空気の流れを示し、細い矢印Bは水素ガスの流れを示している。   During steady operation in the fuel cell system of the present embodiment, the pressure of the hydrogen gas supplied from the fuel storage means to the fuel cell stack 20 is adjusted to a predetermined constant pressure and held. Further, the air supply fan unit 45 operates so that air set in advance according to the output current of the fuel cell stack 20 is supplied. 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. In FIG. 9, as in FIG. 6, the thick arrow A indicates the flow of air containing water as a cooling medium, and the thin arrow B indicates the flow of hydrogen gas.

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流路14にまで達し、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 flow path 14. Until 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、前記燃料流路14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、前記燃料流路14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、図9(a)に示されるように、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に接続された燃料出口管路31を通って前記燃料電池スタック20の外部に排出される。この場合、第1流量制御弁35a、第2流量制御弁35b及び第3流量制御弁35cのいずれもが開放されているので、気液混合物となった水素ガスは、第1小流路14a、第2小流路14b及び第3小流路14cから第1燃料出口管路31a、第2燃料出口管路31b及び第3燃料出口管路31cを通って前記燃料電池スタック20の外部に排出される。   Further, the hydrogen gas as an unreacted component supplied to the fuel flow path 14 and surplus is mixed with the back-diffused water that has permeated into the fuel flow path 14 and surplus, and a gas-liquid mixture Become. As shown in FIG. 9A, the hydrogen gas that has become the gas-liquid mixture is sucked by the suction circulation pump 36 and passes through the fuel outlet line 31 connected to the fuel cell stack 20. 20 is discharged to the outside. In this case, since all of the first flow rate control valve 35a, the second flow rate control valve 35b, and the third flow rate control valve 35c are opened, the hydrogen gas that has become the gas-liquid mixture flows into the first small flow path 14a, The second small flow path 14b and the third small flow path 14c are discharged to the outside of the fuel cell stack 20 through the first fuel outlet pipe 31a, the second fuel outlet pipe 31b, and the third fuel outlet pipe 31c. The

そして、前記気液混合物は、燃料出口管路31を通過して水回収ドレインタンク34内に導入される。ここで、前記気液混合物が比較的広い空間を備える前記水回収ドレインタンク34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、水回収ドレインタンク34外に排出され、燃料循環管路30に流入する。そして、定常運転時においては、前記燃料循環管路30に流入した水素ガスは、吸引循環ポンプ36によって循環され、燃料入口管路33に導入され、再び、燃料電池スタック20の燃料流路14に供給されて再利用される。また、水素排気電磁弁37を閉止しているので、水素ガスは燃料排出管路38からは排出されないようになっている。   The gas-liquid mixture passes through the fuel outlet pipe 31 and is introduced into the water recovery drain tank 34. Here, when the gas-liquid mixture stays in the water recovery drain tank 34 having a relatively wide space, moisture which is a heavy material falls downward due to gravity, and reverse diffusion water is separated from 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 34 and flows into the fuel circulation line 30. During steady operation, the hydrogen gas that has flowed into the fuel circulation line 30 is circulated by the suction circulation pump 36, introduced into the fuel inlet line 33, and again into the fuel flow path 14 of the fuel cell stack 20. Supplied and reused. Further, since the hydrogen exhaust electromagnetic valve 37 is closed, the hydrogen gas is not discharged from the fuel discharge line 38.

また、燃料電池システムは、随時、第1小流路14a、第2小流路14b及び第3小流路14cに滞留した水分を排出する。   In addition, the fuel cell system discharges the moisture remaining in the first small flow path 14a, the second small flow path 14b, and the third small flow path 14c as needed.

まず、第1小流路14aに滞留した水分を排出する場合、図9(b)に示されるように、第1流量制御弁35aを開放し、第2流量制御弁35b及び第3流量制御弁35cを閉止する。そして、この状態で、水素排気電磁弁37を所定時間(例えば、0.3〔秒〕)だけ開放する。これにより、燃料入口管路33を通って燃料電池スタック20に供給された水素ガスは、第1小流路14aだけを流れるので、通常運転の状態よりも流路断面積が小さく、流速が高くなる。そのため、第1小流路14aに滞留した水分を確実に排出することができる。そして、第1小流路14aから排出された水分は、水回収ドレインタンク34内で水素ガスから分離された後に、燃料排出管路38を通って外部に排出される。   First, when the water staying in the first small flow path 14a is discharged, as shown in FIG. 9B, the first flow control valve 35a is opened, and the second flow control valve 35b and the third flow control valve are opened. 35c is closed. In this state, the hydrogen exhaust solenoid valve 37 is opened for a predetermined time (for example, 0.3 [second]). As a result, the hydrogen gas supplied to the fuel cell stack 20 through the fuel inlet pipe 33 flows only through the first small flow path 14a, so that the flow path cross-sectional area is smaller and the flow velocity is higher than in the normal operation state. Become. For this reason, it is possible to reliably discharge the water remaining in the first small flow path 14a. The water discharged from the first small flow path 14 a is separated from the hydrogen gas in the water recovery drain tank 34 and then discharged to the outside through the fuel discharge pipe 38.

また、第2小流路14bに滞留した水分を排出する場合、図9(c)に示されるように、第2流量制御弁35bを開放し、第1流量制御弁35a及び第3流量制御弁35cを閉止する。そして、この状態で、水素排気電磁弁37を所定時間だけ開放する。これにより、燃料入口管路33を通って燃料電池スタック20に供給された水素ガスは、第2小流路14bだけを流れるので、通常運転の状態よりも流路断面積が小さく、流速が高くなる。そのため、第2小流路14bに滞留した水分を確実に排出することができる。そして、第2小流路14bから排出された水分は、水回収ドレインタンク34内で水素ガスから分離された後に、燃料排出管路38を通って外部に排出される。   Further, when the water staying in the second small flow path 14b is discharged, as shown in FIG. 9C, the second flow rate control valve 35b is opened, and the first flow rate control valve 35a and the third flow rate control valve are opened. 35c is closed. In this state, the hydrogen exhaust electromagnetic valve 37 is opened for a predetermined time. As a result, the hydrogen gas supplied to the fuel cell stack 20 through the fuel inlet pipe 33 flows only through the second small flow path 14b, so that the flow path cross-sectional area is smaller and the flow velocity is higher than in the normal operation state. Become. For this reason, it is possible to reliably discharge the water remaining in the second small flow path 14b. The water discharged from the second small flow path 14b is separated from the hydrogen gas in the water recovery drain tank 34 and then discharged to the outside through the fuel discharge pipe 38.

さらに、第3小流路14cに滞留した水分を排出する場合、図9(d)に示されるように、第3流量制御弁35cを開放し、第1流量制御弁35a及び第2流量制御弁35bを閉止する。そして、この状態で、水素排気電磁弁37を所定時間だけ開放する。これにより、燃料入口管路33を通って燃料電池スタック20に供給された水素ガスは、第3小流路14cだけを流れるので、通常運転の状態よりも流路断面積が小さく、流速が高くなる。そのため、第3小流路14cに滞留した水分を確実に排出することができる。そして、第3小流路14cから排出された水分は、水回収ドレインタンク34内で水素ガスから分離された後に、燃料排出管路38を通って外部に排出される。   Furthermore, when the water staying in the third small flow path 14c is discharged, as shown in FIG. 9D, the third flow rate control valve 35c is opened, and the first flow rate control valve 35a and the second flow rate control valve are opened. 35b is closed. In this state, the hydrogen exhaust electromagnetic valve 37 is opened for a predetermined time. Thereby, the hydrogen gas supplied to the fuel cell stack 20 through the fuel inlet pipe 33 flows only through the third small flow path 14c, so that the flow path cross-sectional area is smaller than that in the normal operation state, and the flow velocity is high. Become. For this reason, it is possible to reliably discharge the moisture remaining in the third small flow path 14c. The water discharged from the third small flow path 14 c is separated from the hydrogen gas in the water recovery drain tank 34 and then discharged to the outside through the fuel discharge pipe 38.

このように、第1流量制御弁35a、第2流量制御弁35b及び第3流量制御弁35c並びに水素排気電磁弁37の動作を制御し、第1小流路14a、第2小流路14b及び第3小流路14cの1つだけに水素ガスを流すことによって当該小流路に滞留する水分を排出する。そのため、水素ガスの流路断面積が小さくなり、局所的に水素ガスの流量を高めることができるので、滞留した水分を吹き飛ばすことができる。通常運転の状態では、流路断面積が大きいので、水素ガスが水分のない部分を通過してしまうので、滞留している水分を吹き飛ばすことは困難である。   In this way, the operations of the first flow control valve 35a, the second flow control valve 35b, the third flow control valve 35c, and the hydrogen exhaust electromagnetic valve 37 are controlled, and the first small flow path 14a, the second small flow path 14b, By flowing hydrogen gas through only one of the third small flow paths 14c, the water remaining in the small flow paths is discharged. Therefore, the flow passage cross-sectional area of the hydrogen gas is reduced, and the flow rate of the hydrogen gas can be locally increased, so that the remaining water can be blown away. In a normal operation state, since the flow path cross-sectional area is large, hydrogen gas passes through a portion without moisture, so that it is difficult to blow off the remaining moisture.

ここでは、1つの小流路だけに水素ガスを流す場合について説明したが、燃料流路14の分割数が多い場合には、複数、例えば、2つの小流路だけに水素ガスを流すようにすることもできる。すなわち、複数の小流路の内の選択されたいくつかの小流路だけに水素ガスを流すようにして、通常運転の状態よりも流路断面積を小さくして、水素ガスの流速を高めるようにすれば、滞留した水分を確実に排出することができる。   Here, the case where hydrogen gas is caused to flow through only one small flow path has been described, but when the number of divisions of the fuel flow path 14 is large, the hydrogen gas is caused to flow through only a plurality of, for example, two small flow paths. You can also That is, hydrogen gas is allowed to flow through only a few selected small channels among a plurality of small channels, and the flow rate of hydrogen gas is increased by making the channel cross-sectional area smaller than in the normal operation state. By doing so, the staying water can be surely discharged.

なお、図9(b)〜(d)に示されるような水分を排出する動作は、所定の周期で行うようにしてもよいし、燃料流路14に滞留した水分の量が所定値に達したときに行うようにしてもよい。水分を排出する動作を所定の周期で行う場合には、温度が高い部位ほど前記動作の頻度が高くなるようにすることが望ましい。また、燃料流路14に滞留した水分の量は、直接測定しなくても、燃料電池スタック20の発生する電流の値と温度とから求めることができる。   Note that the operation of discharging water as shown in FIGS. 9B to 9D may be performed at a predetermined cycle, or the amount of water remaining in the fuel flow path 14 reaches a predetermined value. You may be made to do it. When the operation of discharging moisture is performed at a predetermined cycle, it is desirable that the frequency of the operation is higher as the temperature is higher. Further, the amount of water remaining in the fuel flow path 14 can be obtained from the value of the current generated by the fuel cell stack 20 and the temperature without directly measuring.

このように、本実施の形態においては、燃料流路14を並列な複数の小流路、すなわち、第1小流路14a、第2小流路14b及び第3小流路14cに分割し、第1流量制御弁35a、第2流量制御弁35b及び第3流量制御弁35cによって各小流路を流れる水素ガスの流量を制御するようになっている。これにより、温度の高い部位ほど水素ガスの分配比が高くなるように制御することができるので、燃料流路14内の各部において凝縮する水分の量を平準化することができ、単位セルの各部における燃料極側の湿潤状態を均一にすることができる。   Thus, in the present embodiment, the fuel flow path 14 is divided into a plurality of parallel small flow paths, that is, the first small flow path 14a, the second small flow path 14b, and the third small flow path 14c, The flow rate of hydrogen gas flowing through each small flow path is controlled by the first flow rate control valve 35a, the second flow rate control valve 35b, and the third flow rate control valve 35c. Thereby, since the distribution ratio of hydrogen gas can be controlled to be higher as the temperature is higher, the amount of moisture condensed in each part in the fuel flow path 14 can be leveled, and each part of the unit cell The wet state on the fuel electrode side can be made uniform.

また、選択された小流路だけに水素ガスを流すようにして、滞留した水分が多い小流路ほど多くの水素ガスが流れるようになっているので、当該小流路に滞留した水分を速やかに、かつ、確実に排出することができる。そのため、燃料極が水分によって覆われることがなく、単位セルの性能の低下や、燃料極の劣化を防止することができる。   In addition, hydrogen gas is allowed to flow only in the selected small flow path, and more hydrogen gas flows in the small flow path with a large amount of retained water. In addition, it can be surely discharged. Therefore, the fuel electrode is not covered with moisture, and the performance of the unit cell can be prevented from being deteriorated and the fuel electrode can be prevented from deteriorating.

次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。なお、第1の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第1の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。   Next, a second embodiment of the present invention will be described. In addition, about the thing which has the same structure as 1st Embodiment, the description is abbreviate | omitted by providing the same code | symbol. The description of the same operation and the same effect as those of the first embodiment is also omitted.

図10は本発明の第2の実施の形態におけるセパレータの燃料極側の構成を示す図、図11は本発明の第2の実施の形態におけるセパレータの冷却媒体側の構成を示す図、図12は本発明の第2の実施の形態におけるセパレータの空気極側の構成を示す図である。   FIG. 10 is a diagram showing the configuration of the separator on the fuel electrode side in the second embodiment of the present invention, FIG. 11 is a diagram showing the configuration of the separator on the cooling medium side in the second embodiment of the present invention, and FIG. These are figures which show the structure by the side of the air electrode of the separator in the 2nd Embodiment of this invention.

前記第1の実施の形態においては、空気流路16を流れる空気を燃料電池スタック20を冷却するための冷却媒体とする燃料電池システムについて説明したが、本実施の形態においては、独立した冷却系を有し、空気流路16を流れる空気以外の媒体、例えば、冷却水等の媒体を冷却媒体として使用する燃料電池システムについて説明する。   In the first embodiment, the fuel cell system using the air flowing through the air flow path 16 as a cooling medium for cooling the fuel cell stack 20 has been described. In the present embodiment, an independent cooling system is used. A fuel cell system using a medium other than air, for example, a medium such as cooling water, as a cooling medium will be described.

図10に示されるように、本実施の形態において、各単位セルにおける燃料流路14は、並列な第1小流路14a〜第3小流路14cに分割されている。この場合、セパレータ15の側部には、第1燃料用貫通孔13a〜第3燃料用貫通孔13cに加えて、冷却媒体用貫通孔18及び空気用貫通孔19が形成される。そして、水素ガスは、前記第1の実施の形態と同様に、図10において矢印Cで示されるように、重力方向に対して直交する方向、すなわち、水平方向に流れる。具体的には、セパレータ15の一方(図10に示される例においては左方)の側部の第1燃料用貫通孔13a、第2燃料用貫通孔13b及び第3燃料用貫通孔13cから、第1小流路14a、第2小流路14b及び第3小流路14cを通って、セパレータ15の他方(図10に示される例においては右方)の側部の第1燃料用貫通孔13a、第2燃料用貫通孔13b及び第3燃料用貫通孔13cに流れる。   As shown in FIG. 10, in the present embodiment, the fuel flow path 14 in each unit cell is divided into a first small flow path 14a to a third small flow path 14c in parallel. In this case, in addition to the first fuel through hole 13a to the third fuel through hole 13c, a cooling medium through hole 18 and an air through hole 19 are formed in the side portion of the separator 15. As in the first embodiment, the hydrogen gas flows in a direction perpendicular to the direction of gravity, that is, in the horizontal direction, as indicated by an arrow C in FIG. Specifically, from the first fuel through hole 13a, the second fuel through hole 13b, and the third fuel through hole 13c on one side of the separator 15 (left side in the example shown in FIG. 10), A first fuel through hole on the other side (right side in the example shown in FIG. 10) of the separator 15 through the first small flow path 14a, the second small flow path 14b, and the third small flow path 14c. 13a, the second fuel through hole 13b and the third fuel through hole 13c.

また、冷却媒体は、図11において矢印Gで示されるように、重力方向、すなわち、図における上下方向に蛇行して冷却媒体流路17内を流れる。具体的には、該冷却媒体流路17は、各々が水平方向に延在する第1冷却媒体流路17a〜第3冷却媒体流路17cを直列に接続することによって形成されている。そのため、単位セルは、冷却媒体流路17における冷却媒体の入口側の部位が最も冷却されて温度が低くなり、冷却媒体流路17における冷却媒体の出口側の部位が最も温度が高くなる。したがって、単位セルにおいては、上側ほど温度が高くなるような温度勾配が発生する。そこで、前記燃料流路14は、温度勾配の方向に、すなわち、冷却媒体の流れの方向に分割されている。なお、本実施の形態においては、前記第1の実施の形態とは異なり、第1小流路14a、第2小流路14b及び第3小流路14cの順で温度が低くなる部位に対応する。   Further, as indicated by an arrow G in FIG. 11, the cooling medium meanders in the gravity direction, that is, the vertical direction in the figure, and flows in the cooling medium flow path 17. Specifically, the cooling medium flow path 17 is formed by connecting in series a first cooling medium flow path 17a to a third cooling medium flow path 17c, each extending in the horizontal direction. Therefore, in the unit cell, the portion of the cooling medium flow path 17 on the inlet side of the cooling medium is cooled to the lowest temperature, and the temperature of the cooling medium flow path 17 on the outlet side of the cooling medium is highest. Therefore, in the unit cell, a temperature gradient is generated such that the temperature increases toward the upper side. Therefore, the fuel flow path 14 is divided in the direction of the temperature gradient, that is, in the direction of the flow of the cooling medium. In the present embodiment, unlike the first embodiment, the first small flow path 14a, the second small flow path 14b, and the third small flow path 14c correspond to portions where the temperature decreases in this order. To do.

さらに、空気は、図12において矢印Eで示されるように、重力方向、すなわち、図における上下方向に蛇行して空気流路16内を流れる。具体的には、該空気流路16は、各々が水平方向に延在する第1空気流路16a〜第3空気流路16cを直列に接続することによって形成されている。なお、セパレータ15の面は、図11と12とにおいて、左右が逆になるように互いに反転したように示されている。   Further, as shown by an arrow E in FIG. 12, the air meanders in the direction of gravity, that is, the vertical direction in the figure, and flows in the air flow path 16. Specifically, the air flow path 16 is formed by connecting in series a first air flow path 16a to a third air flow path 16c each extending in the horizontal direction. In addition, the surface of the separator 15 is shown in FIG. 11 and 12 as mutually reversed so that the right and left may be reversed.

なお、その他の点の構成及び動作については、前記第1の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。   Since the configuration and operation of other points are the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted.

次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。なお、第1及び第2の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第1及び第2の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。   Next, a third embodiment of the present invention will be described. In addition, about the thing which has the same structure as 1st and 2nd embodiment, the description is abbreviate | omitted by providing the same code | symbol. Also, the description of the same operations and effects as those of the first and second embodiments is omitted.

図13は本発明の第3の実施の形態におけるセパレータの冷却媒体側の構成を示す図、図14は本発明の第3の実施の形態におけるセパレータの燃料極側の構成を示す図である。   FIG. 13 is a diagram showing the configuration of the separator on the cooling medium side in the third embodiment of the present invention, and FIG. 14 is a diagram showing the configuration of the separator on the fuel electrode side in the third embodiment of the present invention.

本実施の形態においても、前記第2の実施の形態と同様に、独立した冷却系を有し、空気流路16を流れる空気以外の媒体、例えば、冷却水等の媒体を冷却媒体として使用する燃料電池システムについて説明する。   Also in the present embodiment, as in the second embodiment, an independent cooling system is used, and a medium other than air, for example, a medium such as cooling water, is used as the cooling medium. A fuel cell system will be described.

図13に示されるように、本実施の形態において、冷却媒体は、矢印Gで示されるように、重力方向に対して直交する方向、すなわち、水平方向に冷却媒体流路17内を流れる。また、空気も、点線の矢印Eで示されるように、水平方向に、図13には示されていない空気流路16内を流れる。この場合、セパレータ15の側部には、冷却媒体用貫通孔18及び空気用貫通孔19が形成される。   As shown in FIG. 13, in the present embodiment, the cooling medium flows in the cooling medium flow path 17 in a direction orthogonal to the direction of gravity, that is, in the horizontal direction, as indicated by an arrow G. Air also flows in the air flow path 16 not shown in FIG. 13 in the horizontal direction as indicated by the dotted arrow E. In this case, a cooling medium through hole 18 and an air through hole 19 are formed on the side of the separator 15.

また、水素ガスは、図14において矢印Cで示されるように、重力方向、すなわち、図における上下方向に流れる。各単位セルにおける燃料流路14は、並列な上下方向に延在する第1小流路14a〜第3小流路14cに分割されている。この場合、セパレータ15の上端部及び下端部には、第1燃料用貫通孔13a〜第3燃料用貫通孔13cが形成されている。具体的には、セパレータ15の上端部の第1燃料用貫通孔13a、第2燃料用貫通孔13b及び第3燃料用貫通孔13cから、第1小流路14a、第2小流路14b及び第3小流路14cを通って、セパレータ15の下端部の第1燃料用貫通孔13a、第2燃料用貫通孔13b及び第3燃料用貫通孔13cに流れる。   Further, the hydrogen gas flows in the direction of gravity, that is, in the vertical direction in the figure, as indicated by an arrow C in FIG. The fuel flow path 14 in each unit cell is divided into a first small flow path 14a to a third small flow path 14c extending in parallel in the vertical direction. In this case, a first fuel through hole 13 a to a third fuel through hole 13 c are formed at the upper end and the lower end of the separator 15. Specifically, from the first fuel through hole 13a, the second fuel through hole 13b, and the third fuel through hole 13c at the upper end of the separator 15, the first small flow path 14a, the second small flow path 14b, It flows through the third small flow path 14c to the first fuel through hole 13a, the second fuel through hole 13b, and the third fuel through hole 13c at the lower end of the separator 15.

図14において点線の矢印Gで示されるように、冷却媒体が水平方向に流れるので、単位セルは、冷却媒体流路17における冷却媒体の入口側の部位が最も冷却されて温度が低くなり、冷却媒体流路17における冷却媒体の出口側の部位が最も温度が高くなる。そのため、単位セルにおいては、図における右側ほど温度が高くなるような温度勾配が発生する。そこで、前記燃料流路14は、温度勾配の方向に、すなわち、冷却媒体の流れの方向に、図における左から右へ、順に、第1小流路14a、第2小流路14b及び第3小流路14cとなるように分割されている。   As indicated by the dotted arrow G in FIG. 14, the cooling medium flows in the horizontal direction, so that the unit cell is cooled most at the inlet side of the cooling medium in the cooling medium flow path 17 and the temperature is lowered. The portion of the medium flow path 17 on the outlet side of the cooling medium has the highest temperature. Therefore, in the unit cell, a temperature gradient is generated such that the temperature increases toward the right side in the figure. Therefore, the fuel flow path 14 is arranged in the direction of the temperature gradient, that is, in the direction of the flow of the cooling medium, from left to right in the drawing, in order, the first small flow path 14a, the second small flow path 14b, and the third. The small flow path 14c is divided.

なお、その他の点の構成及び動作については、前記第1の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。   Since the configuration and operation of other points are the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted.

また、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。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made based on the spirit of the present invention, and they are not excluded from the scope of the present invention.

さらに、本実施の形態では、燃料電池集合体として、燃料電池がセパレータを挟んで複数積層された燃料電池スタックを用いた場合について説明したが、チューブ状の燃料電池を複数束ねた燃料電池モジュールを用いてもよい。   Furthermore, in this embodiment, the case where a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked with a separator interposed therebetween is used as the fuel cell assembly. However, a fuel cell module in which a plurality of tubular fuel cells are bundled is described. It may be used.

本発明の第1の実施の形態における燃料電池システムの水素ガスの流路を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the flow path of the hydrogen gas of the fuel cell system in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the fuel cell stack in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態における燃料電池スタックの空気入口側に取り付けられた空気供給流路を示す図である。It is a figure which shows the air supply flow path attached to the air inlet side of the fuel cell stack in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態におけるセパレータの燃料極側の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure by the side of the fuel electrode of the separator in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態におけるセパレータの空気極側の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure by the side of the air electrode of the separator in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態における燃料電池システムの水素ガスの分配比を制御する動作を示す図である。It is a figure which shows the operation | movement which controls the distribution ratio of the hydrogen gas of the fuel cell system in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態における単位セル内の温度差と流量制御弁の開度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the temperature difference in the unit cell in the 1st Embodiment of this invention, and the opening degree of a flow control valve. 本発明の第1の実施の形態における単位セル内の温度差と水素ガスの分配比との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the temperature difference in the unit cell in 1st Embodiment of this invention, and the distribution ratio of hydrogen gas. 本発明の第1の実施の形態における燃料電池システムの流路に滞留した水分を排出する動作を示す図である。It is a figure which shows the operation | movement which discharges | emits the water | moisture content stagnated in the flow path of the fuel cell system in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態におけるセパレータの燃料極側の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure by the side of the fuel electrode of the separator in the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態におけるセパレータの冷却媒体側の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure by the side of the cooling medium of the separator in the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態におけるセパレータの空気極側の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure by the side of the air electrode of the separator in the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施の形態におけるセパレータの冷却媒体側の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure by the side of the cooling medium of the separator in the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施の形態におけるセパレータの燃料極側の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure by the side of the fuel electrode of the separator in the 3rd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

14 燃料流路
14a 第1小流路
14b 第2小流路
14c 第3小流路
15 セパレータ
16 空気流路
16a 第1空気流路
16b 第2空気流路
16c 第3空気流路
17 冷却媒体流路
17a 第1冷却媒体流路
17b 第2冷却媒体流路
17c 第3冷却媒体流路
20 燃料電池スタック
31 燃料出口管路
31a 第1燃料出口管路
31b 第2燃料出口管路
31c 第3燃料出口管路
33 燃料入口管路
33a 第1燃料入口管路
33b 第2燃料入口管路
33c 第3燃料入口管路
35a 第1流量制御弁
35b 第2流量制御弁
35c 第3流量制御弁
14 Fuel channel 14a First small channel 14b Second small channel 14c Third small channel 15 Separator 16 Air channel 16a First air channel 16b Second air channel 16c Third air channel 17 Cooling medium flow Path 17a first cooling medium flow path 17b second cooling medium flow path 17c third cooling medium flow path 20 fuel cell stack 31 fuel outlet line 31a first fuel outlet line 31b second fuel outlet line 31c third fuel outlet Line 33 Fuel inlet line 33a First fuel inlet line 33b Second fuel inlet line 33c Third fuel inlet line 35a First flow rate control valve 35b Second flow rate control valve 35c Third flow rate control valve

Claims (6)

電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料流路が形成され、酸素極に沿って酸化剤流路が形成されたセパレータを介して複数電気的に接続された燃料電池集合体と、
前記燃料流路に接続された燃料用管路系とを有する燃料電池システムであって、
前記燃料流路は、並列な複数の小流路に分割され、
前記燃料用管路系は、各小流路に対応し、各小流路を流れる燃料ガスの流量を制御する流量制御弁を備えることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode is electrically connected via a separator in which a fuel channel is formed along the fuel electrode and an oxidant channel is formed along the oxygen electrode. A connected fuel cell assembly;
A fuel cell system having a fuel pipeline connected to the fuel flow path,
The fuel flow path is divided into a plurality of parallel small flow paths,
The fuel pipeline system includes a flow rate control valve that controls the flow rate of the fuel gas flowing through each small flow path, corresponding to each small flow path.
前記燃料流路は、燃料電池における温度勾配の方向に分割され、
前記燃料ガスは、温度の高い部位に対応する小流路ほど分配比が高くなるように制御される請求項1に記載の燃料電池システム。
The fuel flow path is divided in the direction of the temperature gradient in the fuel cell,
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel gas is controlled so that a distribution ratio becomes higher in a small flow path corresponding to a part having a higher temperature.
前記流量制御弁は、燃料電池の各部位の温度に応じて制御される請求項2に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 2, wherein the flow rate control valve is controlled according to the temperature of each part of the fuel cell. 前記流量制御弁は、燃料電池の負荷に応じて制御される請求項1に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1, wherein the flow control valve is controlled according to a load of the fuel cell. 前記燃料ガスは、滞留した水分が多い小流路ほど多く流れるように制御される請求項1に記載の燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel gas is controlled to flow more in a small flow path with a large amount of accumulated water. 前記燃料電池集合体は冷却媒体流路を備え、
前記燃料流路は、冷却媒体流路における冷却媒体の流れの方向に分割される請求項1に記載の燃料電池システム。
The fuel cell assembly includes a cooling medium flow path,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel flow path is divided in a flow direction of the cooling medium in the cooling medium flow path.
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