JP2008311160A - Fuel cell system - Google Patents

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Hideyuki Kumei
秀之 久米井
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell structure and a fuel cell system capable of quickly and surely discharging water inside a manifold, regarding a fuel cell. <P>SOLUTION: A plurality of discharge ports are arranged on the manifold formed along a laminating direction of a cell laminate. When water is to be discharged from the manifold, it is inferred as to which of the plurality of discharge ports is at the vertically lowest portion, circulation of the other discharge ports are limited, while making the discharge port at the vertically lowest portion circulatable; and the water in the manifold is discharged from the discharge port at the vertically lowest portion. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

この発明は、反応ガスの供給を受けて化学的に発電を行う燃料電池システムに関し、特にマニホールド内に存在する液体の排水性を向上させた燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system that receives a reaction gas and generates power chemically, and more particularly to a fuel cell system that improves the drainage of liquid present in a manifold.

燃料電池による発電に伴って、燃料電池の膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)の周囲に配された面内ガス流路やマニホールドには、発電に伴って生じる生成水等の液体が溜まる。このため、面内流路やマニホールドの液体を燃料電池の外に排出する必要がある。   Along with power generation by the fuel cell, in-plane gas flow paths and manifolds arranged around the membrane electrode assembly (MEA) of the fuel cell collect liquid such as generated water generated by power generation. . For this reason, it is necessary to discharge the liquid in the in-plane flow path and the manifold out of the fuel cell.

そこで、燃料電池を停止させる際に、燃料電池に乾燥したガスを供給して燃料電池内を乾燥させる技術が開示されている(特許文献1を参照)。   Therefore, a technique is disclosed in which when the fuel cell is stopped, a dry gas is supplied to the fuel cell to dry the inside of the fuel cell (see Patent Document 1).

また、燃料電池が傾斜した場合に燃料電池の下方から排水を行うことができるように、排出口を燃料電池のケーシング下部の両端に設ける技術が開示されている(特許文献2を参照)。   Further, a technique is disclosed in which discharge ports are provided at both ends of the lower part of the casing of the fuel cell so that drainage can be performed from below the fuel cell when the fuel cell is inclined (see Patent Document 2).

特開2004−111196号公報JP 2004-111196 A 特開2003−92130号公報JP 2003-92130 A

マニホールドの排水は燃料電池発電中または燃料電池の運転を終了する際に行われる。発電中に行うのは、マニホールド内に水が溜まることにより反応ガスの流れが阻害され、発電性能の低下を招くおそれがあるからである。また、運転を終了する際に行うのは、マニホールド内に水が残ったままで長期間放置すると、当該水の凍結により問題が生じる場合があるからである。例えば、マニホールド内に氷が存在する状態で次回燃料電池を起動して内部の温度が上昇すると、氷の存在する部分では燃料電池を構成する部材の熱膨張が阻害され周辺部分との大きさの差により隙間が生じ、反応ガスが漏れることが考えられる。そのため、燃料電池の運転中には反応ガスの流れを阻害しない程度に、運転を終了させる際には凍結した場合にも周辺部材の熱膨張を阻害しない程度に、排水を行うことが求められる。   The manifold is drained during fuel cell power generation or when the operation of the fuel cell is terminated. The reason for performing power generation is that water accumulates in the manifold, which hinders the flow of the reaction gas and may cause a decrease in power generation performance. The reason why the operation is terminated is that if water is left in the manifold for a long period of time, a problem may occur due to freezing of the water. For example, if the fuel cell is started next time with the ice in the manifold and the internal temperature rises, the thermal expansion of the members constituting the fuel cell is hindered in the portion where the ice is present, and the size of the surrounding portion is reduced. It is considered that a gap is generated due to the difference, and the reaction gas leaks. Therefore, it is required to drain the water so that the flow of the reaction gas is not hindered during the operation of the fuel cell and to the extent that the thermal expansion of the peripheral members is not hindered even when the operation is frozen.

この点、マニホールド内には水が液体として存在するため、これをガスにより乾燥または排出させると多くの時間がかかるという問題があった。特許文献2に記載のように排出マニホールドの両端に排出口を設けると言う構成は、マニホールドの下部に滞留する液体を排出する意味では効果的である。しかしながら、図7に示すように、この技術では排出口104、105のうち一方(排出口104)には開閉弁106が設けられておらず、排出口105から排水を行う場合にガスが排出口104から燃料電池の外部に漏れてしまう。そのため、排水を促すためのガス供給を行うことができず、排水に時間がかかるという問題があった。   In this regard, since water exists as a liquid in the manifold, there is a problem that it takes a lot of time to dry or discharge the water with gas. The configuration of providing the discharge ports at both ends of the discharge manifold as described in Patent Document 2 is effective in terms of discharging the liquid staying at the lower portion of the manifold. However, as shown in FIG. 7, in this technique, one of the discharge ports 104 and 105 (the discharge port 104) is not provided with the on-off valve 106, and gas is discharged when draining from the discharge port 105. The fuel leaks from the fuel cell 104 to the outside of the fuel cell. For this reason, there is a problem that it is impossible to supply gas for promoting drainage, and draining takes time.

この発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、マニホールド内の水分を迅速に排出することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of quickly discharging water in the manifold.

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、セパレータと、発電部を有する膜電極接合体とが積層されて構成され、反応ガスとして燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池積層体と、前記積層体を積層方向に貫通して、発電部に反応ガスを供給する供給マニホールドと、前記積層体を積層方向に貫通して、発電部から排出されるオフガスを受け取る排出マニホールドと、前記積層体の外部に設けられ、前記排出マニホールドに互いに異なる位置で接続して、それぞれ前記排出マニホールドから排出されるオフガスを受け取る、複数の排出流路と、前記複数の排出流路それぞれにおける流体の流通を制限可能な流通制限手段と、前記排出マニホールド内の排水が必要であると判断された場合に、前記複数の排出流路のうち前記排出マニホールドとの接続部分が鉛直方向で最も下にある排出流路を流通可能とし、その他の排出流路の流通を制限するように、前記流通制限手段を制御する、制御手段と、を備えること特徴とする。   In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention is configured by stacking a separator and a membrane electrode assembly having a power generation unit, and generates power by receiving supply of fuel gas and oxidizing gas as reaction gases. A fuel cell stack, a supply manifold that passes through the stack in the stacking direction and supplies a reaction gas to the power generation unit, and a discharge that passes through the stack in the stacking direction and receives off-gas discharged from the power generation unit A plurality of discharge passages provided outside the laminate and connected to the discharge manifold at different positions to receive off-gas discharged from the discharge manifold, and the plurality of discharge passages, respectively. A flow restricting means capable of restricting the flow of fluid in the exhaust manifold, and the plurality of discharge flow paths when it is determined that drainage in the discharge manifold is necessary. A control means for controlling the flow restricting means so that the discharge manifold having a connection portion with the discharge manifold can flow through the lowest discharge channel in the vertical direction and restrict the flow of the other discharge flow paths. It is characterized by having.

本発明の燃料電池システムにおいて、前記排出流路が排出マニホールドに接続する部分のうちいずれが鉛直最下部であるかを推定する推定手段を備える、こととしてもよい。この場合、複数の排出流路は、積層体の積層方向の一端で排出マニホールドに接続する排出流路と、他端で接続する排出流路とを含むこととしてもよい。この場合、推定手段は積層体の水平面に対する傾きを検知する傾き検知手段とすることができる。   In the fuel cell system according to the present invention, the discharge channel may include an estimation unit that estimates which of the portions connected to the discharge manifold is the lowest vertical portion. In this case, the plurality of discharge flow paths may include a discharge flow path connected to the discharge manifold at one end in the stacking direction of the stacked body and a discharge flow path connected at the other end. In this case, the estimating means can be an inclination detecting means for detecting the inclination of the laminated body with respect to the horizontal plane.

また、本発明の燃料電池システムにおいて、複数の排出流路は、燃料電池が設置された初期姿勢において鉛直方向に互いに異なった位置でマニホールドに接続することとしてもよい。   Further, in the fuel cell system of the present invention, the plurality of discharge passages may be connected to the manifold at positions different from each other in the vertical direction in the initial posture where the fuel cell is installed.

上述の燃料電池システムにおいて、制御手段は、燃料電池が発電中であって、かつ、排水マニホールド内の排水が必要と判断されていない場合には、全ての流通制限手段を流通可能となるように制御する、こととしてもよい。   In the fuel cell system described above, the control means is capable of distributing all the distribution restriction means when the fuel cell is generating power and it is not determined that the drainage in the drainage manifold is necessary. It may be controlled.

本発明によれば、排水が必要と判断される場合には、複数の排出流路のうち排出マニホールドに鉛直方向最下部で接続している排出流路は流通可能とされ、他の流路の流通が制限される。マニホールド内に存在する液体は、マニホールド内の鉛直下部に溜まっているので、最下部の流路から排出することで効率的に排水される。また、最下部以外の流路の流通が制限されることで、燃料電池内部のガスが排出されてしまうことを抑制できる。   According to the present invention, when it is determined that drainage is necessary, among the plurality of discharge channels, the discharge channel connected to the discharge manifold at the bottom in the vertical direction can be circulated, and other channels Distribution is restricted. Since the liquid existing in the manifold is accumulated in the vertical lower part in the manifold, the liquid is efficiently drained by being discharged from the lowermost flow path. Moreover, it is possible to suppress the gas inside the fuel cell from being discharged by restricting the flow of the flow path other than the lowest part.

実施の形態1.
[実施の形態1の構成]
図1は本実施形態に係る燃料電池積層体10の概略構成を示す図であり、図2は本実施形態に係る膜電極接合体の平面図である。燃料電池積層体は図2に示す膜電極接合体と、セパレータとからなるセルを積層して構成される。なお、図1は、積層体を図2の矢印の側から見た図であり、後述するアノードガス供給マニホールド14aとアノードガス排出マニホールド15aの位置関係を明示するように投影したものである。
Embodiment 1 FIG.
[Configuration of Embodiment 1]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a fuel cell stack 10 according to the present embodiment, and FIG. 2 is a plan view of the membrane electrode assembly according to the present embodiment. The fuel cell laminate is formed by laminating cells comprising a membrane electrode assembly shown in FIG. 2 and a separator. FIG. 1 is a view of the stacked body as viewed from the arrow side in FIG. 2, and is a projection so as to clearly show the positional relationship between an anode gas supply manifold 14a and an anode gas discharge manifold 15a described later.

燃料電池積層体10は、セパレータと、発電部を有する膜電極接合体とを含む単セル12が複数積層され、その外側をエンドプレート13a、13bによって挟まれて形成される。燃料電池は、空気中の酸素と水素との電気化学反応により発電を行うものであり、発電中は燃料電池積層体10の外部から空気と水素とが供給される。具体的には、水素は外部に備えられた高圧タンクなどの水素タンクから水素供給流路14bを通じて積層体内部に供給される。その後、積層体内部に設けられたアノードガス供給マニホールド14aを通ってそれぞれのセル12に分配される。また、図示しない酸化ガス供給流路および酸化ガス側のカソードガス供給マニホールドを通じて空気がセル12に供給される。なお、本実施形態における空気が請求の範囲に記載の酸化ガスの一例に対応し、水素が燃料ガスの一例に対応する。   The fuel cell stack 10 is formed by stacking a plurality of unit cells 12 including a separator and a membrane electrode assembly having a power generation unit, and sandwiching the outside between end plates 13a and 13b. The fuel cell generates power by an electrochemical reaction between oxygen and hydrogen in the air, and air and hydrogen are supplied from the outside of the fuel cell stack 10 during power generation. Specifically, hydrogen is supplied from the hydrogen tank such as a high-pressure tank provided outside to the inside of the stacked body through the hydrogen supply channel 14b. After that, it is distributed to each cell 12 through the anode gas supply manifold 14a provided in the laminated body. Air is supplied to the cell 12 through an oxidizing gas supply channel (not shown) and a cathode gas supply manifold on the oxidizing gas side. Note that air in the present embodiment corresponds to an example of the oxidizing gas recited in the claims, and hydrogen corresponds to an example of the fuel gas.

燃料電池のセル12に水素と酸素とが供給されると、発電部のアノード付近では次式(1)、およびカソード付近では次式(2)に示す発電反応が生じる。式(1)(2)の発電反応に伴って発電が行われ、カソード付近で水が生成される。生成された水の一部は電解質膜を通してアノード側へ拡散し、さらにその一部はマニホールド内で液体となる。   When hydrogen and oxygen are supplied to the cell 12 of the fuel cell, a power generation reaction represented by the following formula (1) occurs near the anode of the power generation unit and the following formula (2) occurs near the cathode. Power generation is performed in accordance with the power generation reaction of Formulas (1) and (2), and water is generated near the cathode. A part of the generated water diffuses to the anode side through the electrolyte membrane, and a part thereof becomes a liquid in the manifold.

2H2→4H++4e− ・・・(1)
O2+4H++4e−→2H2O ・・・(2)
2H2 → 4H ++ 4e− (1)
O2 + 4H ++ 4e− → 2H2O (2)

反応後の水素ガス(以下、アノードオフガスという)は、アノード排出マニホールド15aからアノードオフガス排出流路16、17を通って、図示しない循環流路や燃焼装置・希釈器などに流される。本実施態様ではアノードオフガス排出流路16、17はアノードガス排出マニホールド15aの両端で排出マニホールド15aに接続しており、下流部分で合流して一の排出配管15bを通じて前述の循環流路などに連通する。   The hydrogen gas after the reaction (hereinafter referred to as anode off gas) flows from the anode discharge manifold 15a through the anode off gas discharge passages 16 and 17 to a circulation passage, a combustion apparatus / diluter, etc. (not shown). In this embodiment, the anode off-gas discharge passages 16 and 17 are connected to the discharge manifold 15a at both ends of the anode gas discharge manifold 15a. The anode off-gas discharge passages 16 and 17 join at the downstream portion and communicate with the circulation passage and the like through one discharge pipe 15b. To do.

アノードオフガス排出流路16、17の少なくとも一部には流路を構成する配管の電気伝導性を抑制する手段が備えられる。例えば、アノードオフガス排出流路16、17を構成する配管の少なくとも一部区間を樹脂製にするなどである。燃料電池では積層方向に電位差が生じているため、積層方向に異なった位置でアノードオフガス排出流路が排出マニホールドに接続する場合にはこういった構成により短絡を防止するのが好ましい。   At least a part of the anode off-gas discharge channels 16 and 17 is provided with means for suppressing the electrical conductivity of the pipes constituting the channels. For example, at least a part of the pipes constituting the anode off gas discharge channels 16 and 17 is made of resin. In the fuel cell, a potential difference is generated in the stacking direction. Therefore, when the anode offgas discharge channel is connected to the discharge manifold at a position different in the stacking direction, it is preferable to prevent a short circuit by such a configuration.

アノードオフガス排出流路16、17にはそれぞれ、開閉の操作が可能なバルブ21、22が備えられている。バルブ21、22はECU30によって開閉を制御される。なお、排出マニホールド15aが排出マニホールドに、アノードオフガス排出流路16、17が排出流路に、バルブ21,22が流通制限手段に、ECU30が制御手段にそれぞれ一例として対応する。以下、アノードオフガス排出流路を排出流路、アノード排出マニホールドを排出マニホールドと呼ぶことがある。   The anode off gas discharge channels 16 and 17 are provided with valves 21 and 22 that can be opened and closed, respectively. The valves 21 and 22 are controlled to be opened and closed by the ECU 30. The exhaust manifold 15a corresponds to the exhaust manifold, the anode off-gas exhaust passages 16, 17 correspond to the exhaust passage, the valves 21, 22 correspond to the flow restricting means, and the ECU 30 corresponds to the control means as an example. Hereinafter, the anode off-gas discharge channel may be referred to as a discharge channel, and the anode discharge manifold may be referred to as a discharge manifold.

図2は、発電部14を有する膜電極接合体の平面図である。面内にはアノードガス供給マニホールド14aに対応する開口24a、アノード排出マニホールドに対応する開口24b、およびカソード側の供給マニホールドないし排出マニホールドに対応する開口29a、29bがある。この膜電極接合体と同様の開口が設けられたセパレータとを交互に積層することで、積層方向に貫通するマニホールドを有する燃料電池積層体が形成される。   FIG. 2 is a plan view of the membrane electrode assembly having the power generation unit 14. In the plane, there are an opening 24a corresponding to the anode gas supply manifold 14a, an opening 24b corresponding to the anode discharge manifold, and openings 29a and 29b corresponding to the supply manifold or discharge manifold on the cathode side. By alternately laminating separators having openings similar to the membrane electrode assemblies, a fuel cell stack having a manifold penetrating in the stacking direction is formed.

また、図1に記載のように本実施形態の燃料電池システムは、傾き検知手段11を備える。傾き検知手段としては、機械式ジャイロ、光学式ジャイロなどを用いることができる。傾き検知手段は、積層体の水平面に対する傾きを検知し、それによって、排出流路16、17のいずれが、鉛直下部となっているかを推定する。なお、本実施形態では積層体に隣接して傾き検知手段11を設けているが、傾き検知手段11の設置場所は積層体の近傍には限られない。例えば車両に搭載する場合、積層体の傾きは車両全体の傾きと対応しているので、車両のいずれかの場所に搭載すれば足りる。傾き検知手段11が、推定手段および傾き検知手段に対応する。   In addition, as shown in FIG. 1, the fuel cell system of the present embodiment includes an inclination detection unit 11. As the tilt detection means, a mechanical gyro, an optical gyro, or the like can be used. The inclination detection means detects the inclination of the stacked body with respect to the horizontal plane, and thereby estimates which of the discharge flow paths 16 and 17 is in the vertical lower part. In the present embodiment, the inclination detection unit 11 is provided adjacent to the laminate, but the installation location of the inclination detection unit 11 is not limited to the vicinity of the laminate. For example, when it is mounted on a vehicle, the inclination of the laminated body corresponds to the inclination of the entire vehicle. The inclination detection unit 11 corresponds to an estimation unit and an inclination detection unit.

なお、本実施の形態ではエンドプレート13aが前方、エンドプレート13bが後方となるように、燃料電池積層体10を車両に搭載する。そのため、車両が下り坂にて走行または停止している場合には車両は前下がりであり、積層体10はエンドプレート13a側が下がるように傾き、上り坂の場合には車両は前上がりであり、積層体10はエンドプレート13b側が下がるように傾く。エンドプレート13a側が下がっている場合には、排出流路17が、鉛直最下部で排出マニホールドに接続する排出流路である。   In the present embodiment, the fuel cell stack 10 is mounted on the vehicle so that the end plate 13a is the front and the end plate 13b is the rear. Therefore, when the vehicle is traveling or stopped on a downhill, the vehicle is front-falling, the laminate 10 is tilted so that the end plate 13a side is lowered, and when the vehicle is uphill, the vehicle is front-up. The laminated body 10 is inclined so that the end plate 13b side is lowered. When the end plate 13a side is lowered, the discharge flow path 17 is a discharge flow path connected to the discharge manifold at the lowest vertical part.

[実施の形態1の処理]
図3は本実施形態において、排水処理を燃料電池の運転を停止させる際に行う場合のフローチャートである。本実施形態では、燃料電池の発電が停止された場合に、排水処理が必要であるとECU30が判断する。本実施形態では、燃料電池が発電中であってかつ排水処理が必要であると判断されていない場合(以下、通常発電時という)はバルブ21が開状態となっており、バルブ22が閉状態に制御される。従って、アノードオフガスは排出マニホールド15aから排出流路16を通って排出される。
[Process of Embodiment 1]
FIG. 3 is a flowchart in the case where the wastewater treatment is performed when the operation of the fuel cell is stopped in the present embodiment. In the present embodiment, the ECU 30 determines that the wastewater treatment is necessary when the power generation of the fuel cell is stopped. In this embodiment, when the fuel cell is generating power and it is not determined that wastewater treatment is necessary (hereinafter referred to as normal power generation), the valve 21 is open and the valve 22 is closed. Controlled. Therefore, the anode off gas is discharged from the discharge manifold 15a through the discharge flow path 16.

発電が停止すると(S1)、ECU30は排水が必要であるとし、傾き検知手段11から積層体の傾き情報を取得して傾きを判定する(S2)。傾き情報により、エンドプレート13a側が下がっている場合には、ECU30は、バルブ21を閉状態、バルブ22を開状態にそれぞれ制御する(S3)。逆に、エンドプレート13b側が下がっている場合には、ECU30は、バルブ21を開状態、バルブ22を閉状態に維持するように制御する(S4)。   When the power generation is stopped (S1), the ECU 30 determines that the drainage is necessary, and obtains the inclination information of the laminated body from the inclination detecting means 11 to determine the inclination (S2). When the end plate 13a side is lowered according to the tilt information, the ECU 30 controls the valve 21 to be closed and the valve 22 to be opened (S3). Conversely, when the end plate 13b side is lowered, the ECU 30 controls the valve 21 to be in an open state and the valve 22 to be in a closed state (S4).

その後、アノード供給流路側から排水を促すためのガス(以下パージガスという)を供給する(S5)。パージガスは、アノード供給流路・アノード供給マニホールドを通じて供給される。パージガスの供給は、予め定めた時間行う。例えば、マニホールド内に残留が許容される水の量と排水量との関係から予め定めておき、図示しないメモリなどの記憶手段に記憶しておけばよい。当該時間が経過したら、パージガスの供給を停止して開いているバルブを閉じ(S6)、燃料電池10はこの状態で放置されることになる。燃料電池の発電を再開する場合、ECU30は、再度バルブ21を開く。   Thereafter, gas for promoting drainage (hereinafter referred to as purge gas) is supplied from the anode supply flow path side (S5). The purge gas is supplied through the anode supply channel / anode supply manifold. The purge gas is supplied for a predetermined time. For example, it may be determined in advance from the relationship between the amount of water allowed to remain in the manifold and the amount of drainage, and stored in storage means such as a memory (not shown). When the time has elapsed, the supply of purge gas is stopped and the opened valve is closed (S6), and the fuel cell 10 is left in this state. When restarting the power generation of the fuel cell, the ECU 30 opens the valve 21 again.

[実施の形態1の効果]
図4は本実施形態において積層体のエンドプレート13aの側が下がっている場合の略図である。この場合、液体50は低い位置に移動するので、マニホールドうちエンドプレート13a側に存在する。この状態でエンドプレート13b側の排出流路16から液体50を排出することは困難である。この点、本実施形態では、傾き検知手段11によりエンドプレート13b側が下がっていることを検出すると、バルブ17を開くことでエンドプレート13b側の排出流路17から液体50を排出する。そのため、液体50が溜まっている場所から排水を行うので、水が迅速に排出される。
[Effect of Embodiment 1]
FIG. 4 is a schematic view when the end plate 13a side of the laminated body is lowered in the present embodiment. In this case, since the liquid 50 moves to a low position, it exists on the end plate 13a side of the manifold. In this state, it is difficult to discharge the liquid 50 from the discharge channel 16 on the end plate 13b side. In this regard, in the present embodiment, when the inclination detecting means 11 detects that the end plate 13b side is lowered, the liquid 50 is discharged from the discharge channel 17 on the end plate 13b side by opening the valve 17. Therefore, since the water is discharged from the place where the liquid 50 is accumulated, the water is quickly discharged.

さらに、パージガスを供給する際にバルブ16は閉じているので、供給されたパージガスは液体50を押し出すように働くので、迅速に排水をすることができ、パージガスが積層体から排出されることを抑制できる。   Furthermore, since the valve 16 is closed when supplying the purge gas, the supplied purge gas works to push out the liquid 50, so that the drainage can be performed quickly and the purge gas is prevented from being discharged from the laminate. it can.

なお、パージガスとしては、燃料ガス(本実施形態では水素)や空気、不活性ガス(窒素など)を用いることができる。本実施形態では上述のとおりパージガスが排出されることを抑制できるので、燃料ガスをパージガスとして用いた場合の燃費の悪化を抑制できる。そのため、燃料ガスをパージガスとして用いるのが、配管の簡単さの観点から好ましい。   In addition, as purge gas, fuel gas (hydrogen in this embodiment), air, and inert gas (nitrogen etc.) can be used. In the present embodiment, since the purge gas can be prevented from being discharged as described above, it is possible to suppress the deterioration of fuel consumption when the fuel gas is used as the purge gas. Therefore, it is preferable to use the fuel gas as the purge gas from the viewpoint of simplicity of piping.

[変形例1]
実施の形態1においては、接続部が鉛直最下部となっている排出流路を推定する推定手段として、傾き検知手段を用いたが、これに限らない。例えば、マニホールドの両端に残留水の重量を検知する手段を設けても良い。車両が傾くとマニホールド内の液体は下方に流れるため、下側になっている重量センサにより大きい荷重がかかることとなる。従って、重量センサの出力を元にして、より大きい重量を検出した側が下になっていると推定することすることができる。このように、推定手段は複数ある排出流路のうちいずれが鉛直最下部でマニホールドに接続しているのかを推定できれば足りるものである。
[Modification 1]
In the first embodiment, the inclination detecting means is used as the estimating means for estimating the discharge flow path whose connecting portion is the lowermost vertical part, but the present invention is not limited to this. For example, means for detecting the weight of residual water may be provided at both ends of the manifold. When the vehicle tilts, the liquid in the manifold flows downward, so that a larger load is applied to the weight sensor on the lower side. Therefore, based on the output of the weight sensor, it can be estimated that the side where the larger weight is detected is on the bottom. Thus, it is sufficient for the estimation means to be able to estimate which of the plurality of discharge channels is connected to the manifold at the vertical bottom.

[変形例2]
図5(A)は変形例2の構成を示す略図である。本実施形態ではマニホールドの積層方向の一端に二つのアノード排出流路26、27が接続している。積層体10が搭載された車両が略水平な場所にあるとき、アノード排出流路27はアノード排出流路26よりも鉛直下方でアノード排出マニホールド15aに接続する。本変形例では、車両が横転するなどの特殊な事情のない限りにおいて、積層体の傾きなどに関わらず、アノード排出流路26よりもアノード排出流路27が鉛直下側に存在する。そのため傾き検知手段は備えられていない。本変形例では、アノード排出流路27が、排出流路のうち鉛直最下部で排出マニホールドに接続する排出流路である。
[Modification 2]
FIG. 5A is a schematic diagram showing the configuration of the second modification. In the present embodiment, two anode discharge channels 26 and 27 are connected to one end of the manifold in the stacking direction. When the vehicle on which the laminated body 10 is mounted is at a substantially horizontal place, the anode discharge flow path 27 is connected to the anode discharge manifold 15a vertically below the anode discharge flow path 26. In the present modification, the anode discharge flow path 27 is present vertically below the anode discharge flow path 26 regardless of the inclination of the laminated body, unless there is a special situation such as the vehicle rolling over. Therefore, no tilt detection means is provided. In this modification, the anode discharge flow path 27 is a discharge flow path connected to the discharge manifold at the lowest vertical portion of the discharge flow paths.

本変形例の処理では、排水が必要であると判断されると、ECU30はアノード排出流路27に設けられたバルブ32を開状態、アノード排出流路26に設けられたバルブ31を閉状態に制御する。その後、パージガスを供給し、所定の時間経過後バルブ32を閉じる。これにより、液体が溜まっている部分に近い場所で排出マニホールドに接続する排出流路を用いて排水することができる。また、パージガスが積層体外に排出されることを抑制しつつ排水をすることができる。   In the process of this modification, when it is determined that drainage is necessary, the ECU 30 opens the valve 32 provided in the anode discharge flow path 27 and closes the valve 31 provided in the anode discharge flow path 26. Control. Thereafter, purge gas is supplied, and the valve 32 is closed after a predetermined time has elapsed. Thereby, it can drain using the discharge flow path connected to a discharge manifold in the place near the part where the liquid has accumulated. Further, it is possible to drain the water while suppressing the purge gas from being discharged out of the stacked body.

なお、本変形例において、図5(B)に記載のように、排出流路27は排出マニホールド15aの下面に接続しても良い。この場合、通常の使用態様においては、排出流路27が最下部で接続する排出流路であると推定することとしても良い。   In this modified example, as shown in FIG. 5B, the discharge flow path 27 may be connected to the lower surface of the discharge manifold 15a. In this case, in a normal use mode, it is good also as estimating that the discharge flow path 27 is the discharge flow path connected in the lowest part.

[変形例3]
図6は変形例3の構成を示す略図である。実施の形態1や変形例2では、複数ある排出流路のそれぞれにバルブ(流通制限手段)を設けたが、本変形例の燃料電池システムは複数のアノード排出流路が三方弁41を介して合流する構成である。排水が必要であると判断される場合に、ECU30は、三方弁41を制御して、最下部でマニホールドに接続する排出流路からのオフガスを下流の配管15bに流通させ、他の排出流路からのオフガスが配管15bに流通するのを制限する。これにより、排水を行う場合にそれぞれの流路に流通制限手段を設けた場合と同様の処理を一つの弁によって行うことができる。すなわち流通制限手段は、排出流路のそれぞれについて流通量を可変とできるものであれば足りるものであり、設置場所や設置個数によらず、例えば上述の他に、排出マニホールド内部に設ける構成としても良い。
[Modification 3]
FIG. 6 is a schematic diagram showing the configuration of the third modification. In the first embodiment and the second modification, a valve (distribution restricting means) is provided for each of the plurality of discharge channels. However, in the fuel cell system of this modification, the plurality of anode discharge channels are provided via the three-way valve 41. It is the structure which merges. When it is determined that drainage is necessary, the ECU 30 controls the three-way valve 41 to distribute the off-gas from the discharge passage connected to the manifold at the lowermost portion to the downstream pipe 15b, so that other discharge passages are provided. Is restricted from flowing to the pipe 15b. Thereby, when draining, the same process as the case where the flow restriction means is provided in each flow path can be performed by one valve. In other words, the flow restricting means is sufficient as long as the flow rate can be made variable for each of the discharge flow paths. good.

[変形例4]
実施の形態1においては、ECUは、通常運転時は複数の排出流路のうち一つの流通を可能とし他の流通を制限したが、通常運転時には全ての排出流路を流通可能に制御してよい。すなわち、排水を行う際に、最下部でマニホールドに接続する排出流路を除く流路について、流通を制限すれば足り、通常発電時の態様は問わない。ただし、通常発電時に全ての排出流路を流通可能とすれば、マニホールドと排出流路との接続面積が実質的に増加するため、接続部分における圧力損失を低減することができるので好ましい。
[Modification 4]
In the first embodiment, the ECU allows one of the plurality of discharge channels to be distributed during normal operation and restricts the other distribution. However, during normal operation, the ECU controls all the discharge channels to be distributed. Good. That is, when draining, it is sufficient to restrict the flow of the flow path except the discharge flow path connected to the manifold at the bottom, and the mode during normal power generation is not limited. However, if it is possible to circulate through all the discharge passages during normal power generation, the connection area between the manifold and the discharge passages is substantially increased. This is preferable because pressure loss at the connection portion can be reduced.

[変形例5]
実施の形態1においては、ECU30は燃料電池の運転が停止された場合に排水が必要であると判断したが、これに限らない。マニホールド内に多量に水が溜まると、発電に用いられる反応ガスの流れを阻害して発電に支障をきたす場合があるので、排水は発電中に行っても良い。排水の必要性の判断は、燃料電池の発電継続時間、前回の排水からの経過時間、燃料電池のセル電圧、などに基づいてしてもよいし、これらの組み合わせに基づいても良い。いずれの場合であっても、燃料電池の発電性能に影響をおよぼす量の液体がマニホールド内に残存しないように、事前に判断基準を設定しておけばよい。
[Modification 5]
In the first embodiment, the ECU 30 determines that drainage is necessary when the operation of the fuel cell is stopped. However, the present invention is not limited to this. If a large amount of water accumulates in the manifold, the flow of reaction gas used for power generation may be hindered, which may hinder power generation. Therefore, drainage may be performed during power generation. The determination of the necessity of drainage may be based on the power generation duration of the fuel cell, the elapsed time from the previous drainage, the cell voltage of the fuel cell, or the like, or a combination thereof. In any case, a determination criterion may be set in advance so that an amount of liquid that affects the power generation performance of the fuel cell does not remain in the manifold.

[変形例6]
実施の形態1においては、アノード側の排出系に適用した。アノード側でパージガスとして水素を用いる場合には分子量や流量が少ないため従来技術では短時間に排水をするのは困難であり、また、水素を排出すると燃費の低下などを招くため、アノード側に本発明を適用するのが好ましい。しかしながら、カソード側の排出マニホールドにおいても迅速かつ確実な排水が求められるものであり、本発明を適用することでより迅速かつ確実な排水が可能となる。従って、本発明を適用するのはカソード側でもよく、両側に適用してもよい。なお、カソード側に適用する場合であっても、構成や処理はアノード側に適用する場合と同様でよい。
[Modification 6]
In Embodiment 1, it applied to the discharge system by the side of an anode. When hydrogen is used as the purge gas on the anode side, it is difficult to drain water in a short time with the prior art because of the low molecular weight and flow rate. It is preferable to apply the invention. However, rapid and reliable drainage is also required in the discharge manifold on the cathode side, and more rapid and reliable drainage is possible by applying the present invention. Therefore, the present invention may be applied to the cathode side or to both sides. Even when applied to the cathode side, the configuration and processing may be the same as those applied to the anode side.

図1は実施の形態1の構成を示す略図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of the first embodiment. 図2は実施の形態1の膜電極接合体を示す平面図である。FIG. 2 is a plan view showing the membrane electrode assembly of the first embodiment. 図3は実施の形態1の処理を示すフロー図である。FIG. 3 is a flowchart showing the processing of the first embodiment. 図4は実施の形態1の作用を説明するための略図である。FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the operation of the first embodiment. 図5は変形例2の構成を示す略図である。FIG. 5 is a schematic diagram showing the configuration of the second modification. 図6は変形例3の構成を示す略図である。FIG. 6 is a schematic diagram showing the configuration of the third modification. 図7は従来技術の構成を示す略図である。FIG. 7 is a schematic diagram showing the configuration of the prior art.

符号の説明Explanation of symbols

10 燃料電池積層体
11 傾き検知手段
12 燃料電池セル
13 エンドプレート
14 発電部
15a アノードオフガス排出マニホールド
16、17、26、27 アノードオフガス排出流路
21、22、31、32 バルブ
24a、24b、29a、29b 開口
30 ECU
41 三方弁
50 液体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell laminated body 11 Tilt detection means 12 Fuel cell 13 End plate 14 Power generation part 15a Anode offgas discharge manifold 16, 17, 26, 27 Anode offgas discharge flow path 21, 22, 31, 32 Valves 24a, 24b, 29a, 29b Opening 30 ECU
41 Three-way valve 50 Liquid

Claims (6)

セパレータと、発電部を有する膜電極接合体とが積層されて構成され、反応ガスとして燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池積層体と、
前記積層体を積層方向に貫通して、発電部に反応ガスを供給する供給マニホールドと、
前記積層体を積層方向に貫通して、発電部から排出されるオフガスを受け取る排出マニホールドと、
前記積層体の外部に設けられ、前記排出マニホールドに互いに異なる位置で接続して、それぞれ前記排出マニホールドから排出されるオフガスを受け取る、複数の排出流路と、
前記複数の排出流路それぞれにおける流体の流通を制限可能な流通制限手段と、
前記排出マニホールド内の排水が必要であると判断された場合に、前記複数の排出流路のうち前記排出マニホールドとの接続部分が鉛直方向で最も下にある排出流路を流通可能とし、その他の排出流路の流通を制限するように、前記流通制限手段を制御する、制御手段と、
を備える燃料電池システム
A separator and a membrane electrode assembly having a power generation unit are configured to be stacked, and a fuel cell stack that generates power by receiving supply of fuel gas and oxidizing gas as a reaction gas;
A supply manifold that passes through the stack in the stacking direction and supplies a reaction gas to the power generation unit;
A discharge manifold that passes through the stack in the stacking direction and receives off-gas discharged from the power generation unit;
A plurality of discharge passages provided outside the laminate, connected to the discharge manifold at different positions, and receiving off-gas discharged from the discharge manifold, respectively;
A flow restriction means capable of restricting the flow of fluid in each of the plurality of discharge channels;
When it is determined that drainage in the discharge manifold is necessary, among the plurality of discharge passages, the connection portion with the discharge manifold is allowed to flow through the discharge passage that is the lowest in the vertical direction. Control means for controlling the flow restriction means so as to restrict the flow of the discharge channel;
Fuel cell system comprising
請求項1に記載の燃料電池システムであって、
前記排出流路と排出マニホールドとの接続部分のうちいずれが鉛直最下部であるかを推定する推定手段をさらに備える
燃料電池システム
The fuel cell system according to claim 1,
A fuel cell system further comprising estimation means for estimating which of the connecting portions between the discharge flow path and the discharge manifold is the lowest vertical portion
請求項2に記載の燃料電池システムであって、
複数の排出流路は、積層体の積層方向の一端で排出マニホールドに接続する排出流路と、他端で接続する排出流路とを含む、
燃料電池システム
The fuel cell system according to claim 2, wherein
The plurality of discharge flow paths include a discharge flow path connected to the discharge manifold at one end in the stacking direction of the laminate, and a discharge flow path connected at the other end.
Fuel cell system
請求項2または3に記載の燃料電池システムであって、
推定手段は積層体の水平面に対する傾きを検知する傾き検知手段である
燃料電池システム
The fuel cell system according to claim 2 or 3,
The estimation means is an inclination detection means for detecting the inclination of the laminate with respect to the horizontal plane.
請求項1に記載の燃料電池システムであって、
複数の排出流路は、燃料電池が設置された初期姿勢において鉛直方向に互いに異なった位置でマニホールドに接続している
燃料電池システム
The fuel cell system according to claim 1,
The plurality of discharge passages are connected to the manifold at different positions in the vertical direction in the initial posture where the fuel cell is installed.
請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
燃料電池が発電中であって、かつ、排水マニホールド内の排水が必要と判断されていない場合には、制御手段は全ての流通制限手段を流通可能となるように制御する、
燃料電池システム
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein
When the fuel cell is generating power and the drainage in the drainage manifold is not determined to be necessary, the control means controls all the flow restriction means to be circulated.
Fuel cell system
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011054423A (en) * 2009-09-02 2011-03-17 Honda Motor Co Ltd Fuel cell stack
KR101148764B1 (en) 2009-12-23 2012-05-24 주식회사 효성 Diagnosis Method to examine state of fuel cell and Diagnosis Apparatus thereof
JP2012521070A (en) * 2009-03-18 2012-09-10 ユーティーシー パワー コーポレイション Fuel cell with purge manifold
WO2013176668A1 (en) * 2012-05-24 2013-11-28 United Technologies Corporation Fuel cell gas inlet manifold drain
CN113764716A (en) * 2020-06-02 2021-12-07 丰田自动车株式会社 Fuel cell system
EP4297135A1 (en) * 2022-06-17 2023-12-27 Hydrogenics Corporation A fuel cell purge system based on tilt location
JP7414443B2 (en) 2019-09-24 2024-01-16 株式会社Subaru Fuel cell system and control device

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10511032B2 (en) 2009-03-18 2019-12-17 Audi Ag Fuel cell with purge manifold
JP2012521070A (en) * 2009-03-18 2012-09-10 ユーティーシー パワー コーポレイション Fuel cell with purge manifold
US9780388B2 (en) 2009-03-18 2017-10-03 Audi Ag Fuel cell with purge manifold
JP2011054423A (en) * 2009-09-02 2011-03-17 Honda Motor Co Ltd Fuel cell stack
KR101148764B1 (en) 2009-12-23 2012-05-24 주식회사 효성 Diagnosis Method to examine state of fuel cell and Diagnosis Apparatus thereof
WO2013176668A1 (en) * 2012-05-24 2013-11-28 United Technologies Corporation Fuel cell gas inlet manifold drain
US10446859B2 (en) 2012-05-24 2019-10-15 Audi Ag Fuel cell gas inlet manifold drain
JP7414443B2 (en) 2019-09-24 2024-01-16 株式会社Subaru Fuel cell system and control device
CN113764716A (en) * 2020-06-02 2021-12-07 丰田自动车株式会社 Fuel cell system
JP2021190357A (en) * 2020-06-02 2021-12-13 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system
JP7380431B2 (en) 2020-06-02 2023-11-15 トヨタ自動車株式会社 fuel cell system
CN113764716B (en) * 2020-06-02 2024-02-27 丰田自动车株式会社 Fuel cell system
EP4297135A1 (en) * 2022-06-17 2023-12-27 Hydrogenics Corporation A fuel cell purge system based on tilt location

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