JP2009048790A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To facilitate a purge caused by a reactant while improving drainage performance by controlling a reactant circulation amount corresponding to an operating state of a fuel cell. <P>SOLUTION: In a fuel cell system, a fuel cell has a plurality of membrane-electrode assemblies and a plurality of separators. A reactant channel for circulating a reactant is formed in a face facing one electrode of each separator. An inlet and an outlet of the reactant channel are respectively connected with a supply manifold and an exhaust manifold. The supply manifold is arranged with an inlet opening/closing means for changing an opening/closing state of the inlet of the reactant channel. The exhaust manifold is arranged with an outlet opening/closing means for changing an opening/closing state of the outlet of the reactant channel. According to an operation mode of the fuel cell, the fuel cell system is controlled by switching between a first state, in which the outlet is opened when the inlet is closed while the outlet is closed when the inlet is opened, and a second state in which the inlet and the outlet are opened or closed together. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

この発明は燃料電池システムに関する。更に具体的には、電解質とその両側に配置された一対の電極と、一対の電極にそれぞれ相対して配置されるセパレータとを備える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. More specifically, the present invention relates to a fuel cell system including an electrolyte, a pair of electrodes disposed on both sides of the electrolyte, and a separator disposed to face the pair of electrodes.

例えば、特開2003−59514号公報には、複数のセルが積層されたスタック型の燃料電池が開示されている。この従来技術の燃料電池において、各セルのアノード極には燃料である水素が供給され、カソード極には酸化ガスである空気が供給される。各極に水素又は酸素が供給されると触媒作用により電気化学反応が起こり、電気エネルギーが取り出される。また、この電気化学反応においてカソード極では水が生成される。   For example, JP 2003-59514 A discloses a stack type fuel cell in which a plurality of cells are stacked. In this conventional fuel cell, hydrogen, which is a fuel, is supplied to the anode electrode of each cell, and air, which is an oxidizing gas, is supplied to the cathode electrode. When hydrogen or oxygen is supplied to each electrode, an electrochemical reaction occurs by catalytic action, and electric energy is extracted. In this electrochemical reaction, water is generated at the cathode electrode.

ここで、燃料電池の電気化学反応で発生した生成水は、カソード極の空気流路を塞ぎ、カソード極での空気の円滑な流れを阻害する原因となる場合がある。カソード極に空気が円滑に供給されなくなると、燃料電池内で安定した発電が行なわれず、十分なエネルギーを取り出すことができない事態が起こりうる。従って燃料電池の安定した発電を確保するためには、カソード極の空気流路内の生成水を除去することが重要となる。   Here, the generated water generated by the electrochemical reaction of the fuel cell may block the air flow path of the cathode electrode, and may cause a smooth flow of air at the cathode electrode. If air is not smoothly supplied to the cathode electrode, stable power generation is not performed in the fuel cell, and there is a possibility that sufficient energy cannot be extracted. Therefore, in order to ensure stable power generation of the fuel cell, it is important to remove the generated water in the air flow path of the cathode electrode.

このため上記従来技術の燃料電池は、空気流路内の水を除去するために空気流路内の空気圧を上昇させる空気給排気機構を有している。この空気給排気機構は、スパイラル状の溝を設けた円柱を空気供給用のマニホールド(空気供給管)内に配置した構造となっている。また、円柱表面と空気供給管の内壁との間には、空気が流通できるギャップが開けられている。   For this reason, the above-described conventional fuel cell has an air supply / exhaust mechanism for increasing the air pressure in the air flow path in order to remove water in the air flow path. This air supply / exhaust mechanism has a structure in which a cylinder provided with a spiral groove is disposed in an air supply manifold (air supply pipe). A gap through which air can flow is opened between the cylindrical surface and the inner wall of the air supply pipe.

燃料電池の運転中は、ギャップ部分から各セルの空気流路に一定量の空気が供給される。このとき円柱の回転と共に円柱表面の溝部が回転する。その結果、円柱の溝部がセルの各空気流路入口に順次向かい合うこととなる。このように溝部と空気流路入口とが向かい合っている間はギャップから供給される一定量の空気よりも多い量の空気が空気流路内に供給される。つまり空気流路内には高い空気圧で空気が供給されることとなる。上記従来技術によれば、このように一時的に空気流路に供給する空気圧を上昇させることで、空気流路に滞留する水を排出することができるとしている。   During operation of the fuel cell, a certain amount of air is supplied from the gap portion to the air flow path of each cell. At this time, the groove on the surface of the cylinder rotates with the rotation of the cylinder. As a result, the cylindrical groove portion sequentially faces each air channel inlet of the cell. As described above, while the groove and the air flow path inlet face each other, a larger amount of air than the constant amount of air supplied from the gap is supplied into the air flow path. That is, air is supplied into the air flow path at a high air pressure. According to the above-described prior art, the water staying in the air channel can be discharged by temporarily increasing the air pressure supplied to the air channel in this way.

特開2003−59514号公報JP 2003-59514 A 特開平09−312168号公報JP 09-31168 A 特開2004−342372号公報JP 2004-342372 A

上記従来技術では、空気流路の上流側にのみ溝部を有する円柱を設置し、円柱の回転によって定期的に空気流路に供給する空気量を増量させることで、空気流路内の除去を行なっている。しかし燃料電池の運転状態によって、電気化学反応により発生する水量や空気流路内に滞留する水量は常に一定なものではなく異なるものである。また、燃料電池の運転状態によって、必要な燃料や空気(酸化剤)の量も異なっている。従って生成水を必要に応じて効果的に除去しつつ、燃料や空気(酸化剤)の不足を防止するためには、その燃料電池の運転状況に応じた制御を行なうことができるようにすることが望まれる。   In the above prior art, a cylinder having a groove is installed only on the upstream side of the air flow path, and the air flow is periodically increased by increasing the amount of air supplied to the air flow path by rotating the cylinder. ing. However, depending on the operating state of the fuel cell, the amount of water generated by the electrochemical reaction and the amount of water remaining in the air flow path are not always constant but are different. The amount of fuel and air (oxidant) required varies depending on the operating state of the fuel cell. Therefore, in order to prevent the shortage of fuel and air (oxidant) while effectively removing the generated water as needed, it is possible to perform control according to the operating condition of the fuel cell. Is desired.

また、上記従来技術では、供給用のマニホールドから流入する空気量を、スパイラル状の溝を流れる分だけ増量するのみである。従って空気流路内での圧力の上昇は小さく、生成水が多い場合などには、流路を塞ぐ生成水を十分に除去できない場合が考えられる。   In the above prior art, the amount of air flowing in from the supply manifold is only increased by the amount flowing through the spiral groove. Therefore, the rise in pressure in the air flow path is small, and when the amount of generated water is large, the generated water that blocks the flow path may not be sufficiently removed.

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料や酸化剤の不足を抑えつつ、流路内の水をより効果的に除去できるように改良した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 to solve the above-described problems, and provides an improved fuel cell system that can effectively remove water in a flow path while suppressing shortage of fuel and oxidant. The purpose is to do.

第1の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
電解質と、前記電解質の両側にそれぞれ配置された一対の電極と、を備える複数の膜−電極接合体と、
前記膜−電極接合体を挟むように配置され、前記一対の電極のうち、一方の電極と対向する対向面において、該一方の電極それぞれに反応剤を流通させる反応剤流路を備えた複数のセパレータと、
前記複数のセパレータを積層方向に貫通し、かつ、前記反応剤流路の入口に接続し、前記一方の電極に供給する反応剤を、前記反応剤流路に流通させる供給マニホールドと、
前記複数のセパレータを積層方向に貫通し、かつ、前記反応剤流路の出口に接続し、前記一方の電極から前記反応剤流路を介して排出される排剤を流通させる排出マニホールドと、
前記供給マニホールドに配置され、前記反応剤流路の入口の、開閉状態を変化させる入口開閉手段と、
前記排出マニホールドに配置され、前記反応剤流路の出口の、開閉状態を変化させる出口開閉手段と、
燃料電池の運転モードに応じて、前記入口開閉手段と前記出口開閉手段とを制御して、
前記反応剤流路の入口が閉鎖状態のときに、該反応剤流路の出口が開放状態となり、前記反応剤流路の入口が開放状態のときに、該反応剤流路の出口が閉鎖状態となる第1状態と、
前記反応剤流路の入口と該反応剤流路の出口とが共に、開放状態、又は閉鎖状態となる第2状態と、
を切り替えて制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a first invention is a fuel cell system,
A plurality of membrane-electrode assemblies comprising an electrolyte and a pair of electrodes respectively disposed on both sides of the electrolyte;
A plurality of reaction agent channels arranged so as to sandwich the membrane-electrode assembly and provided with a reactant flow channel for allowing the reactant to flow through each of the one electrode on the opposing surface facing the one electrode of the pair of electrodes. A separator;
A supply manifold that penetrates the plurality of separators in the stacking direction and is connected to an inlet of the reactant channel, and that feeds the reactant supplied to the one electrode into the reactant channel;
A discharge manifold that penetrates the plurality of separators in the stacking direction and is connected to an outlet of the reactant flow path, and distributes a waste discharged from the one electrode via the reactant flow path;
An inlet opening / closing means arranged in the supply manifold, for changing an opening / closing state of an inlet of the reactant channel;
An outlet opening / closing means that is disposed in the discharge manifold and changes an opening / closing state of an outlet of the reactant channel;
According to the operation mode of the fuel cell, controlling the inlet opening and closing means and the outlet opening and closing means,
When the inlet of the reactant channel is closed, the outlet of the reactant channel is opened, and when the inlet of the reactant channel is opened, the outlet of the reactant channel is closed. A first state,
A second state in which both the inlet of the reactant channel and the outlet of the reactant channel are open or closed;
Control means for switching and controlling;
It is characterized by providing.

第2の発明は、第1の発明において、燃料電池の運転モードが、停止状態の燃料電池を起動させる際の起動モードであるか否かを判定する起動モード判定手段を更に備え、
前記制御手段は、前記起動モードであると判定された場合に、前記第2状態となるように制御することを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the fuel cell further includes an activation mode determination unit that determines whether or not the operation mode of the fuel cell is an activation mode for activating the stopped fuel cell.
The control means controls to be in the second state when it is determined that the activation mode is set.

第3の発明は、第1又は第2の発明において、燃料電池の運転モードが、運転状態の燃料電池を停止させる際の停止モードであるか否かを判定する停止モード判定手段を更に備え、
前記制御手段は、前記停止モードであると判定された場合に、前記第1状態となるように制御することを特徴とする。
A third invention further comprises stop mode determination means for determining whether or not the operation mode of the fuel cell is a stop mode when stopping the fuel cell in the operation state in the first or second invention,
The control means controls to be in the first state when it is determined that the stop mode is set.

第4の発明は、第1から第3のいずれか1の発明において、燃料電池の運転中に、フラッディングの発生を検出するフラッディング検出手段を更に備え、
前記制御手段は、前記フラッディングが検出された場合に、前記反応剤流路の入口が開放状態になるタイミングと該反応剤流路の出口が閉鎖状態又は開放状態になるタイミング、及び、前記反応剤流路の入口が閉鎖状態になるタイミングと該反応剤流路の出口が閉鎖状態又は開放状態になるタイミングとが、共にずれている第3状態となるように、前記入口開閉手段及び前記出口開閉手段を制御することを特徴とする。
According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the apparatus further comprises flooding detection means for detecting occurrence of flooding during operation of the fuel cell,
When the flooding is detected, the control means includes a timing at which an inlet of the reactant channel is opened, a timing at which an outlet of the reactant channel is closed or opened, and the reactant. The inlet opening / closing means and the outlet opening / closing are set such that the timing at which the inlet of the flow path is closed and the timing at which the outlet of the reactant flow path is closed or opened are shifted from each other. The means is controlled.

第5の発明は、第1から第4のいずれか1の発明において、燃料電池の通常運転中に、
燃料電池の発電量を検出する発電量検出手段と、
前記発電量に応じて、前記反応剤流路の入口の開閉状態を変化させる速度と、前記反応剤流路の出口の開閉状態を変化させる速度とを設定する開閉速度設定手段と、
を更に、備え、
前記制御手段は、設定された速度に応じて、前記反応剤流路の入口及び前記反応剤流路の出口の開閉状態が変化するように制御することを特徴とする。
According to a fifth invention, in any one of the first to fourth inventions, during normal operation of the fuel cell,
A power generation amount detecting means for detecting a power generation amount of the fuel cell;
An opening / closing speed setting means for setting a speed for changing the opening / closing state of the inlet of the reactant channel and a speed for changing the opening / closing state of the outlet of the reactant channel according to the power generation amount;
In addition,
The control means controls the opening and closing states of the inlet of the reactant channel and the outlet of the reactant channel to change according to a set speed.

第6の発明は、第1から第5のいずれか1の発明において、
前記入口開閉手段は、前記供給マニホールド内に回転可能に設置された回転体であって、
前記制御手段は、前記回転体の回転を制御して、前記反応剤流路の入口の開口面積を変化させることで、前記反応剤流路の入口の開閉状態を制御することを特徴とする。
A sixth invention is any one of the first to fifth inventions,
The inlet opening and closing means is a rotating body rotatably installed in the supply manifold,
The control means controls the opening / closing state of the inlet of the reactant flow path by changing the opening area of the inlet of the reactant flow path by controlling the rotation of the rotating body.

第7の発明は、第6の発明において、前記入口開閉手段は、
前記供給マニホールド内に回転可能に設置された回転軸と、
前記回転軸の周囲に螺旋状に配置され、前記回転軸の回転と共に回転して前記反応剤流流路の入口との接触面積を変化させることで、該反応剤流路の入口の開口面積を変化させる螺旋部材と、
を備えることを特徴とする。
In a seventh aspect based on the sixth aspect, the inlet opening / closing means is
A rotating shaft rotatably installed in the supply manifold;
The opening area of the inlet of the reactant flow path is changed by changing the contact area with the inlet of the reactant flow path by being spirally arranged around the rotation axis and rotating with the rotation of the rotary shaft. A spiral member to be changed;
It is characterized by providing.

第8の発明は、第6の発明において、前記入口開閉手段は、
前記供給マニホールド内に回転可能に設置された回転軸と、
前記回転軸の周囲に配置され、前記回転軸の回転と共に回転して前記反応剤流路の入口との接触面積を変化させることで、該反応剤流路の入口の開口面積を変化させる回転部材と、
を備えることを特徴とする。
In an eighth aspect based on the sixth aspect, the inlet opening / closing means comprises:
A rotating shaft rotatably installed in the supply manifold;
A rotating member that is arranged around the rotating shaft and changes the opening area of the inlet of the reactant flow path by rotating with the rotation of the rotating shaft to change the contact area with the inlet of the reactant flow path. When,
It is characterized by providing.

第9の発明は、第1から第8のいずれか1の発明において、
前記出口開閉手段は、前記排出マニホールド内に回転可能に設置された回転体であって、
前記制御手段は、前記回転体の回転を制御して、前記反応剤流路の出口の開口面積を変化させることで、前記反応剤流路の出口の開閉状態を制御することを特徴とする。
According to a ninth invention, in any one of the first to eighth inventions,
The outlet opening / closing means is a rotating body rotatably installed in the discharge manifold,
The control means controls the opening / closing state of the outlet of the reactant flow path by changing the opening area of the outlet of the reactant flow path by controlling the rotation of the rotating body.

第10の発明は、第9の発明において、前記出口開閉手段は、
前記排出マニホールドに回転可能に設置された回転軸と、
前記回転軸の周囲に螺旋状に配置され、前記回転軸の回転と共に回転して前記反応剤流路の出口との接触面積を変化させることで、該反応剤流路の出口の開口面積を変化させる螺旋部材と、
を備えることを特徴とする。
In a tenth aspect based on the ninth aspect, the outlet opening / closing means is
A rotating shaft rotatably mounted on the discharge manifold;
The opening area of the outlet of the reactant channel is changed by changing the contact area with the outlet of the reactant channel by rotating with the rotation of the rotating shaft and changing the contact area with the outlet of the reactant channel. A spiral member,
It is characterized by providing.

第11の発明は、第9の発明において、前記出口開閉手段は、
前記排出マニホールドに回転可能に設置された回転軸と、
前記回転軸の周囲に配置され、前記回転軸の回転と共に回転して前記反応剤流路の出口との接触面積を変化させることで、該反応剤流路の出口の開口面積を変化させる回転部材と、
を備えることを特徴とする。
In an eleventh aspect based on the ninth aspect, the outlet opening / closing means is
A rotating shaft rotatably mounted on the discharge manifold;
A rotating member that is arranged around the rotating shaft and changes the opening area of the outlet of the reactant flow path by rotating with the rotation of the rotating shaft to change the contact area with the outlet of the reactant flow path. When,
It is characterized by providing.

第12の発明は、第1から第11のいずれか1の発明において、
前記入口開閉手段は、前記供給マニホールド内に回転可能に設置された回転体であり、
前記出口開閉手段は、前記入口開閉手段と同形状に構成され、かつ、前記排出マニホールド内に回転可能に設置された回転体であり、
前記制御手段は、前記入口開閉手段と前記出口開閉手段との回転を同位相とすることで、前記第1状態に制御し、前記入口開閉手段と前記出口開閉手段との回転を180度ずらした逆位相とすることで、前記第2状態に制御することを特徴とする。
In a twelfth aspect of the invention based on any one of the first to eleventh aspects of the invention,
The inlet opening / closing means is a rotating body rotatably installed in the supply manifold,
The outlet opening / closing means is a rotating body configured in the same shape as the inlet opening / closing means, and is rotatably installed in the discharge manifold,
The control means controls the first state by setting the rotation of the inlet opening / closing means and the outlet opening / closing means to the same phase, and the rotation of the inlet opening / closing means and the outlet opening / closing means is shifted by 180 degrees. It is characterized by controlling to the said 2nd state by setting it as a reverse phase.

第13の発明は、第1から第12のいずれか1の発明において、前記一方の電極は、カソード極であることを特徴とする。   In a thirteenth aspect based on any one of the first to twelfth aspects, the one electrode is a cathode electrode.

第1の発明によれば、燃料電池システムは、一方の電極それぞれへの反応剤流路の入口の開閉状態を変化させる入口開閉手段と、反応剤流路の出口の開閉状態を変化させる出口開閉手段とを有している。また、反応剤流路の入口の開閉状態と出口の開閉状態とは、燃料電池の運転モードに応じて、入口が開放状態のときに出口が閉鎖状態となる第1状態と、入口と出口が共に開放又は閉鎖状態となる第2状態に切り替えて制御される。従って、燃料電池の運転状態に応じて、一方の電極への反応剤の流通量や流路内の圧力を変化させることができる。   According to the first invention, the fuel cell system includes an inlet opening / closing means for changing an opening / closing state of the inlet of the reactant channel to each of the electrodes, and an outlet opening / closing for changing the opening / closing state of the outlet of the reactant channel. Means. Further, the open / closed state of the inlet of the reactant channel and the open / closed state of the outlet are, depending on the operation mode of the fuel cell, the first state where the outlet is closed when the inlet is open, Control is performed by switching to a second state in which both are opened or closed. Accordingly, the flow rate of the reactant to one electrode and the pressure in the flow path can be changed according to the operating state of the fuel cell.

第2の発明によれば、燃料電池の運転モードが起動モードである場合に、入口が開放状態のとき出口も開放状態となり、入口が閉鎖状態のときに出口も閉鎖状態となるように制御される。この状態では、入口、出口が共に開放状態となるときに、反応剤が流通することとなるため、反応剤をスムーズに流通させることができ、起動時に反応剤流路をより早く置換することができる。特にここでは、ある反応剤流路の入口、出口共に閉鎖している状態において、他の反応剤流路の入口、出口が共に開放している状態とすることができる。このため同じ反応剤の流量でも、入口出口が開放されている反応剤流路に反応剤を集中させて供給することができ、反応剤流路を流通する反応剤の流速をあげることができる。これにより反応剤流路間でのバラツキを小さくし、確実に反応剤流路に残留する気体を置換することができる。   According to the second invention, when the operation mode of the fuel cell is the startup mode, the outlet is controlled to be open when the inlet is open, and the outlet is also closed when the inlet is closed. The In this state, since the reactant flows when both the inlet and the outlet are open, the reactant can be smoothly circulated, and the reactant flow path can be replaced earlier at startup. it can. In particular, here, in a state where both the inlet and outlet of a certain reactant channel are closed, it is possible to make both the inlet and outlet of another reactant channel open. For this reason, even when the flow rate of the reactant is the same, the reactant can be concentrated and supplied to the reactant flow path having an open inlet and outlet, and the flow rate of the reactant flowing through the reactant flow path can be increased. As a result, the variation between the reactant channels can be reduced, and the gas remaining in the reactant channel can be surely replaced.

第3の発明によれば、燃料電池の運転モードが停止モードである場合に、入口の開放状態のとき出口が閉鎖状態となり、入口が閉鎖状態のとき出口が開放状態となるように制御される。ここでは、入口が開放状態、出口が閉鎖状態のときに、入口側から反応剤が吸気され、入口が閉鎖状態、出口が開放状態のときに、出口側から排剤が排出される。従って、反応剤流路内の圧力変化を大きくすることができ、同じ反応剤の流量でも、燃料電池の運転停止時に迅速に滞留する生成水を効率的に除去することができる。   According to the third aspect of the invention, when the operation mode of the fuel cell is the stop mode, the outlet is closed when the inlet is open, and the outlet is opened when the inlet is closed. . Here, when the inlet is open and the outlet is closed, the reactant is sucked from the inlet side, and when the inlet is closed and the outlet is open, the exhaust is discharged from the outlet side. Accordingly, it is possible to increase the pressure change in the reactant flow path, and it is possible to efficiently remove the generated water that stays rapidly when the fuel cell is stopped even at the same flow rate of the reactant.

第4の発明によれば、燃料電池の運転中にフラッディングが検出された場合に、反応剤流路の入口が開放状態又は閉鎖状態となるタイミングと、出口が開放状態又は閉鎖状態となるタイミングが、共に一致しないように制御される。従って、フラッディングが発生した場合には、反応剤の供給を確保しつつ、反応剤流路の圧力変動を大きくすることができ、フラッディング時に迅速に滞留内の水を除去することができる。   According to the fourth invention, when flooding is detected during operation of the fuel cell, the timing at which the inlet of the reactant channel is opened or closed and the timing at which the outlet is opened or closed are , Both are controlled so as not to match. Therefore, when flooding occurs, it is possible to increase the pressure fluctuation of the reactant flow path while ensuring the supply of the reactant, and it is possible to quickly remove the water in the stay during flooding.

第5の発明によれば、燃料電池の通常運転中は、その発電量に応じて反応剤流路の入口の開閉状態を変化させる速度と出口の開閉状態を変化させる速度とが決定される。これにより、発電量に応じて、不足なく十分な反応剤を供給できるように設定することができる。   According to the fifth invention, during the normal operation of the fuel cell, the speed for changing the opening / closing state of the inlet of the reactant flow path and the speed for changing the opening / closing state of the outlet are determined according to the amount of power generation. Thereby, according to the electric power generation amount, it can set so that sufficient reactant can be supplied without shortage.

第6〜第12の何れかの1の発明によれば、入口開閉手段又は出口開閉手段は、マニホールド内に回転可能に設置された回転体であり、制御手段はこの回転体の回転を制御することで、入口又は出口の開口面積を変化させる。これにより、1つの部品だけで同時に各電極の流路の開閉状態を変更することができ、より簡易なシステムで、生成水の除去や、反応剤による置換を確実なものとすることができる。   According to any one of the sixth to twelfth inventions, the inlet opening / closing means or the outlet opening / closing means is a rotating body rotatably installed in the manifold, and the control means controls the rotation of the rotating body. Thus, the opening area of the inlet or the outlet is changed. Thereby, the open / closed state of the flow path of each electrode can be changed at the same time with only one component, and removal of generated water and replacement with a reactant can be ensured with a simpler system.

第13の発明によれば、入口開閉手段は及び出口開閉手段は、カソード極側に設置される。これにより、カソード極で水が生成される燃料電池において、フラッディングの発生をより効果的に防止することができる。   According to the thirteenth aspect, the inlet opening / closing means and the outlet opening / closing means are installed on the cathode electrode side. Thereby, in the fuel cell in which water is generated at the cathode electrode, the occurrence of flooding can be more effectively prevented.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is simplified or omitted.

実施の形態1.
[実施の形態のシステムの構成について]
図1はこの発明の実施の形態1における燃料電池システムの全体構成について説明するための模式図である。図1に示すシステムは燃料電池10を有している。燃料電池10の両側にはエンドプレート12が配置されている。エンドプレート12に挟まれた燃料電池10の内部には、複数のセル14が積層されている。セル14それぞれは、電解質膜(電解質)と、その両側に配置された一対の電極であるカソード極とアノード極とからなる膜−電極接合体(MEA)を有している。またMEAの両側にはセパレータが配置されている。後述するように、セパレータのカソード極に接する面には空気を流通させるための空気流路(反応剤流路)が形成されている。セパレータのアノード極に接する面には燃料としての水素が供給されるための燃料流路が形成されている。
Embodiment 1 FIG.
[System configuration of the embodiment]
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the overall configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. The system shown in FIG. 1 has a fuel cell 10. End plates 12 are disposed on both sides of the fuel cell 10. A plurality of cells 14 are stacked inside the fuel cell 10 sandwiched between the end plates 12. Each of the cells 14 has an electrolyte membrane (electrolyte) and a membrane-electrode assembly (MEA) composed of a cathode electrode and an anode electrode, which are a pair of electrodes disposed on both sides thereof. In addition, separators are disposed on both sides of the MEA. As will be described later, an air flow path (reactant flow path) for circulating air is formed on the surface of the separator that is in contact with the cathode electrode. A fuel flow path for supplying hydrogen as fuel is formed on the surface of the separator in contact with the anode electrode.

燃料電池10には、各セル14のセパレータを貫通して、空気流路の空気を給・排気するための空気供給マニホールド18及び空気排出マニホールド20が形成されている。空気供給マニホールド18内には、後述の供給スクリューロータ30(入口開閉手段)が配置されている。空気排出マニホールド20内には、後述の排出スクリューロータ32(出口開閉手段)が配置されている。供給スクリューロータ30及び排出スクリューロータ32には、それぞれその回転を制御するモータ34、36が取り付けられている。図示を省略するが、モータ34、36には各スクリューロータ30、32の回転数及び位相に応じた出力を発する計器類が取り付けられている。   The fuel cell 10 is formed with an air supply manifold 18 and an air discharge manifold 20 for supplying and exhausting air in the air flow path through the separator of each cell 14. A supply screw rotor 30 (inlet opening / closing means), which will be described later, is disposed in the air supply manifold 18. A discharge screw rotor 32 (exit opening / closing means), which will be described later, is disposed in the air discharge manifold 20. Motors 34 and 36 for controlling the rotation of the supply screw rotor 30 and the discharge screw rotor 32 are attached to the supply screw rotor 30 and the discharge screw rotor 32, respectively. Although not shown in the drawing, the motors 34 and 36 are attached with instruments that generate outputs corresponding to the rotational speed and phase of the screw rotors 30 and 32.

燃料電池10の空気供給マニホールド18は空気導入口(図示せず)において、燃料電池10外部の空気供給管40に接続している。一方、空気排出マニホールド20は、空気排出口(図示せず)において、燃料電池10外部の空気排出管42に接続している。空気供給管40には、その内部の圧力に応じた出力を発する入口圧力センサ44が取り付けられ、空気排出管42には、その内部の圧力に応じた出力を発する出口圧力センサ46が取り付けられている。入口圧力センサ44及び出口圧力センサ46の出力を検出することで、燃料電池10の入口圧及び出口圧を検出することができる。また、燃料電池10には、発電する電流に応じた出力を発する電流計48が取り付けられている。   The air supply manifold 18 of the fuel cell 10 is connected to an air supply pipe 40 outside the fuel cell 10 at an air inlet (not shown). On the other hand, the air discharge manifold 20 is connected to an air discharge pipe 42 outside the fuel cell 10 at an air discharge port (not shown). The air supply pipe 40 is provided with an inlet pressure sensor 44 for generating an output corresponding to the internal pressure thereof, and the air discharge pipe 42 is provided with an outlet pressure sensor 46 for generating an output corresponding to the internal pressure thereof. Yes. By detecting the outputs of the inlet pressure sensor 44 and the outlet pressure sensor 46, the inlet pressure and the outlet pressure of the fuel cell 10 can be detected. Further, the fuel cell 10 is provided with an ammeter 48 that generates an output corresponding to a current to be generated.

なお図示を省略するが、燃料電池10には、各セル14のセパレータを貫通して、各セル14の燃料流路の水素を給・排気するための燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールドが形成されている。燃料供給マニホールドは燃料電池10外部の燃料供給管を介して燃料供給源に接続している。即ち、燃料供給源から供給される燃料としての水素は、燃料供給管及び燃料供給マニホールドを介して各セル14の燃料流路に供給される。   Although not shown, the fuel cell 10 is formed with a fuel supply manifold and a fuel discharge manifold for supplying and exhausting hydrogen in the fuel flow path of each cell 14 through the separator of each cell 14. Yes. The fuel supply manifold is connected to a fuel supply source via a fuel supply pipe outside the fuel cell 10. That is, hydrogen as fuel supplied from the fuel supply source is supplied to the fuel flow path of each cell 14 via the fuel supply pipe and the fuel supply manifold.

図1に示す燃料電池システムは制御装置50を有している。制御装置50には、モータ34、36に取り付けられた計器類、入口圧力センサ44、出口圧力センサ46及び電流計48が接続されて、これらの計器等の出力信号を受けて燃料電池10の運転状態に関する情報を検出する。また、制御装置50は燃料電池10の運転に必要な各部材に接続されて燃料電池10の運転を制御する。例えば、制御装置50は、スクリューロータ30、32のモータ34、36に接続され、これらに制御信号を発することでスクリューロータ30、32の回転等を制御する。   The fuel cell system shown in FIG. The control device 50 is connected to instruments attached to the motors 34 and 36, an inlet pressure sensor 44, an outlet pressure sensor 46, and an ammeter 48, and receives the output signals from these instruments and the like to operate the fuel cell 10. Detect information about the state. The control device 50 is connected to each member necessary for the operation of the fuel cell 10 and controls the operation of the fuel cell 10. For example, the control device 50 is connected to the motors 34 and 36 of the screw rotors 30 and 32, and controls the rotation and the like of the screw rotors 30 and 32 by issuing control signals thereto.

図2は、この発明の実施の形態1の燃料電池システムのスクリューロータについて説明するための模式図である。なお、図2においては説明の簡略化のため、各セル14のうち空気流路16のみを模式的に拡大して示している。空気流路16はその両端においてそれぞれ、燃料電池10の空気供給マニホールド18及び空気排出マニホールド20に接続している。これにより空気供給マニホールド18から空気流路16内に空気が流入し、空気オフガス(排剤)が空気排出マニホールド20に排出される。   FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the screw rotor of the fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 2, only the air flow path 16 of each cell 14 is schematically enlarged for simplification of explanation. The air flow path 16 is connected to the air supply manifold 18 and the air discharge manifold 20 of the fuel cell 10 at both ends thereof. As a result, air flows from the air supply manifold 18 into the air flow path 16, and the air off-gas (exhaust agent) is discharged to the air discharge manifold 20.

空気供給マニホールド18内に設置されたスクリューロータ30は、モータ34に接続する回転軸60を有している。回転軸60の周囲にはスクリュー状に形成されたスクリュー部62(螺旋部材)が取り付けられている。回転軸60は、制御装置50からの制御信号によって、その回転数、回転開始位置等が制御されて、モータ34の回転に連動して回転する。この回転軸60の回転に連動しスクリュー部62が回転する。   The screw rotor 30 installed in the air supply manifold 18 has a rotating shaft 60 connected to the motor 34. A screw portion 62 (spiral member) formed in a screw shape is attached around the rotary shaft 60. The rotation shaft 60 is rotated in conjunction with the rotation of the motor 34 by controlling the number of rotations, the rotation start position, and the like by a control signal from the control device 50. The screw part 62 rotates in conjunction with the rotation of the rotating shaft 60.

スクリュー部62は、少なくとも空気供給マニホールド18内の、空気流路16との接続部(入口)を含む部分の内壁(以下「流入口面」とする)、即ち、図2の断面においては空気供給マニホールド18の下線が示す面に相対する位置にあるときに、その流路入口に接するように配置されている。また、スクリュー部62の回転軸60方向の幅Wと、この回転軸60方向の断面における隣接するスクリュー部62の間隔Dは同一となっている。   The screw portion 62 is at least an inner wall (hereinafter referred to as “inlet surface”) including a connection portion (inlet) with the air flow path 16 in the air supply manifold 18, that is, in the cross section of FIG. When the underline of the manifold 18 is at a position opposite to the surface indicated, the manifold 18 is disposed so as to be in contact with the flow path inlet. Further, the width W of the screw part 62 in the direction of the rotation axis 60 is the same as the interval D between adjacent screw parts 62 in the cross section in the direction of the rotation axis 60.

ここでスクリュー部62は、流入口面に相対する位置にあり、その位置においてセル14の空気流路16の入口に相対している場合には、その部分の入口を塞ぐ。また回転軸60の回転に伴ってスクリュー部62が回転すると、入口とスクリュー部62との接面が次第にずれて、入口の開口面積は次第に変化する。具体的に、図2に示す回転方向に回転軸60が回転すると、スクリュー部62と入口との接面は見かけ上、紙面右方向にずれる。このように回転軸60の回転によってスクリュー部62との接面が移動することで、空気流路16の入口は、閉鎖状態から次第にその開口面積が増加し、スクリュー部62が接しない位置に移動して完全に開放状態となり、開放状態から次第に開口面積が減少し、スクリュー部62が完全に接して再び閉鎖状態となる。   Here, the screw portion 62 is located at a position facing the inlet surface, and when the screw portion 62 faces the inlet of the air flow path 16 of the cell 14 at that position, the inlet of the portion is closed. Further, when the screw part 62 rotates with the rotation of the rotating shaft 60, the contact surface between the inlet and the screw part 62 gradually shifts, and the opening area of the inlet gradually changes. Specifically, when the rotation shaft 60 rotates in the rotation direction shown in FIG. 2, the contact surface between the screw portion 62 and the entrance apparently shifts to the right in the drawing. As described above, the contact surface with the screw portion 62 is moved by the rotation of the rotating shaft 60, so that the opening area of the inlet of the air flow passage 16 gradually increases from the closed state and moves to a position where the screw portion 62 does not contact. Then, the opening state is completely opened, the opening area gradually decreases from the opening state, and the screw portion 62 is completely in contact with each other to be closed again.

一方、空気排出マニホールド20内に設置された排出スクリューロータ32は、供給スクリューロータ30と同一のものである。具体的に、排出スクリューロータ32は、モータ36に接続する回転軸64を有している。回転軸64の周囲には、スクリュー状に形成されたスクリュー部66(螺旋部材)が取り付けられている。回転軸64は制御装置50からの制御信号によって、その回転数、回転開始位置等が制御されて、モータ36の回転に連動して回転する。この回転軸64の回転に連動しスクリュー部66が回転する。   On the other hand, the discharge screw rotor 32 installed in the air discharge manifold 20 is the same as the supply screw rotor 30. Specifically, the discharge screw rotor 32 has a rotating shaft 64 connected to the motor 36. A screw portion 66 (spiral member) formed in the shape of a screw is attached around the rotation shaft 64. The rotation shaft 64 is rotated in conjunction with the rotation of the motor 36 by controlling the rotation speed, the rotation start position, and the like by a control signal from the control device 50. The screw portion 66 rotates in conjunction with the rotation of the rotating shaft 64.

スクリュー部66は、少なくとも空気排出マニホールド20の空気流路16との接続部(出口)を含む部分の内壁(以下「排出口面」とする)、即ち、図2の断面においては空気排出マニホールド20の上線が示す面に相対する位置にあるときに、この排出口面に接するように配置されている。またスクリュー部66の回転軸64方向の幅Wと、この回転軸64方向の断面における隣接するスクリュー部66間隔Dとは、同一である。   The screw portion 66 is an inner wall (hereinafter referred to as “discharge port surface”) of a portion including at least a connection portion (exit) with the air flow path 16 of the air discharge manifold 20, that is, in the cross section of FIG. When it is at a position opposite to the surface indicated by the upper line, it is arranged so as to contact this discharge port surface. Further, the width W of the screw portion 66 in the direction of the rotation axis 64 and the distance D between adjacent screw portions 66 in the cross section in the direction of the rotation shaft 64 are the same.

スクリュー部66は、排出口面に相対する位置にあり、その位置においてセル14の空気流路16の出口に相対している場合には、その部分の出口を塞ぐ。また回転軸64の回転に伴ってスクリュー部66が回転すると、出口とスクリュー部66との接面が次第にずれて、出口の開口面積が次第に変化する。具体的に、図2に示す回転方向に回転軸64が回転すると、スクリュー部66と出口との接面は見かけ上紙面右方向にずれる。このように回転軸64の回転によって、スクリュー部66との接面が移動することで、空気流路16の出口は、閉鎖状態から次第にその開口面積を増やし、スクリュー部66が接しない位置まで移動すると完全に開放状態となり、開放状態から次第に開口面積が減少し、スクリュー部66が完全に接する位置まで移動すると再び閉鎖状態となる。   The screw part 66 is located at a position facing the discharge port surface, and closes the outlet of the part when facing the outlet of the air flow path 16 of the cell 14 at that position. Moreover, when the screw part 66 rotates with rotation of the rotating shaft 64, the contact surface of an exit and the screw part 66 will shift | deviate gradually, and the opening area of an exit will change gradually. Specifically, when the rotation shaft 64 rotates in the rotation direction shown in FIG. 2, the contact surface between the screw portion 66 and the outlet apparently shifts to the right in the drawing. Thus, the rotation surface of the rotating shaft 64 moves the contact surface with the screw portion 66, so that the outlet of the air flow path 16 gradually increases its opening area from the closed state and moves to a position where the screw portion 66 does not contact. Then, it will be in a completely open state, the opening area will gradually decrease from the open state, and it will be in a closed state again when it moves to a position where the screw part 66 is completely in contact.

図3及び図4は、この発明の実施の形態1において、供給スクリューロータ30及び排出スクリューロータ32の回転による空気流路16の開閉のタイミング及びその際の圧力変化を説明するための模式図である。なお、図3(a)及び図4(a)では、模式的に1のセル14に接するスクリュー部62、66の位置の変化を円形のグラフ状に図示し、それに接する空気流路16のみを表し、図3(b)及び図4(b)ではその状態における圧力変化を表している。   3 and 4 are schematic diagrams for explaining the opening / closing timing of the air flow path 16 due to the rotation of the supply screw rotor 30 and the discharge screw rotor 32 and the pressure change at that time in Embodiment 1 of the present invention. is there. 3A and 4A schematically show changes in the positions of the screw portions 62 and 66 that are in contact with one cell 14 in a circular graph, and only the air channel 16 that is in contact therewith is shown. FIG. 3B and FIG. 4B show pressure changes in that state.

図3の例では、供給スクリューロータ30と排出スクリューロータ32との回転を同時角度(同位置)から開始し、同じ回転数で回転させた場合、即ち、スクリュー部62、66の位置が同じになる同位相となるように回転軸60、64を回転させた場合を表している。この例では、空気流路16は入口が完全に閉鎖されている間、出口が完全に開放され、入口が完全に開放されている間、出口が完全に閉鎖された状態になる(第1状態)。   In the example of FIG. 3, the rotation of the supply screw rotor 30 and the discharge screw rotor 32 starts from the same angle (same position) and is rotated at the same rotation number, that is, the positions of the screw parts 62 and 66 are the same. The case where the rotating shafts 60 and 64 are rotated so as to have the same phase is shown. In this example, the air channel 16 is fully open while the inlet is fully closed, and fully closed while the inlet is fully open (first state). ).

一方、図4の例では、供給スクリューロータ30と排出スクリューロータ32との回転を180度ずらした開始位置から開始し、同じ回転数で回転させた場合、即ち、スクリュー部62、66の位置が180度ずれた逆位相となるように、回転軸60、64を回転させた場合を表している。この例では、空気流路16は、入口が完全に閉鎖するタイミングで出口も完全に閉鎖し、入口が完全に開放されるタイミングで出口も完全に開放されるようになる(第2状態)。   On the other hand, in the example of FIG. 4, when the rotation of the supply screw rotor 30 and the discharge screw rotor 32 starts from the start position shifted by 180 degrees and is rotated at the same rotation number, that is, the positions of the screw parts 62 and 66 are The case where the rotating shafts 60 and 64 are rotated so as to have an opposite phase shifted by 180 degrees is shown. In this example, the air flow path 16 is completely closed at the timing when the inlet is completely closed, and the outlet is also fully opened at the timing when the inlet is fully opened (second state).

具体的に、図3(a)に示すセル14の[1]の状態では、空気流路16の入口・出口の半分程度がスクリュー部62、66に接面し、半分程度開口している状態となっている。この状態では、入口圧力差ΔPにより空気流路16内に大気が流入し、図3(b)に示すようにセル14内の圧力が比較的高い状態となる。   Specifically, in the state [1] of the cell 14 shown in FIG. 3A, about half of the inlet / outlet of the air flow path 16 is in contact with the screw portions 62 and 66 and is about half open. It has become. In this state, the atmosphere flows into the air flow path 16 due to the inlet pressure difference ΔP, and the pressure in the cell 14 becomes relatively high as shown in FIG.

[1]の状態から、回転軸60、64の回転により、各スクリュー部62、66が移動して[2]〜[4]の状態となると、入口が閉鎖し出口が開放された状態となる。通常、燃料電池10の運転中は、空気排出マニホールド20側の圧力(出口圧)が小さい状態とされているため、入口側が閉鎖されて出口が開口すると、空気流路16からの空気オフガスの排出が進み、空気流路16内は次第に出口圧程度の低い状態となる。   When the screw portions 62 and 66 are moved by the rotation of the rotary shafts 60 and 64 from the state [1] and become the states [2] to [4], the inlet is closed and the outlet is opened. . Normally, during operation of the fuel cell 10, the pressure (outlet pressure) on the air discharge manifold 20 side is low, and therefore, when the inlet side is closed and the outlet is opened, air off gas is discharged from the air flow path 16. As the air flow advances, the air passage 16 is gradually in a state of a low outlet pressure.

その後、[5]の状態となって、入口、出口が共に開放されると空気流路16内の圧力は一気に上昇し、空気流路16内には強い勢いで空気が導入されることとなる。この圧力変動による空気流入の勢いによって、空気流路16内に滞留する水を排水することができる。   After that, when the state of [5] is reached and both the inlet and the outlet are opened, the pressure in the air flow path 16 rises at once, and air is introduced into the air flow path 16 with a strong force. . The water staying in the air flow path 16 can be drained by the momentum of air inflow due to this pressure fluctuation.

更に、スクリュー部62、66が回転して[6]〜[8]の状態のように、空気流路16の入口は完全に開放状態となり、出口は閉鎖状態となると、空気流路16から空気が排出されなくなるため、図3(b)に示すように、空気流路16内の圧力は上昇し高い状態となる。その後再び、[1]の状態となる。   Further, when the screw portions 62 and 66 are rotated and the inlets of the air flow path 16 are completely opened and the outlets are closed as in the states [6] to [8], the air flows from the air flow path 16 to the air. Is no longer discharged, and as shown in FIG. 3B, the pressure in the air flow path 16 rises to a high state. Thereafter, the state [1] is entered again.

燃料電池10の運転を停止する停止モードにおいては、次回の起動等に備えるため空気流路16内の排水を十分に行なっておくことが望ましい。従って、入口圧を上昇させて、出入口圧力差ΔPを大きくする。この状態でスクリュー部62、66の位置関係を図3に示す同位相の関係とする。これにより、ある空気流路16において、入口が開放状態、出口が閉鎖状態のときに、入口側から空気が吸気され、入口が閉鎖状態、出口が開放状態のときに、出口側から空気及び滞留する水が排出される。従って、空気流路16内の圧力変化を大きくすることができ、同じ空気流量でも、燃料電池の停止モードにおいて迅速に滞留する生成水を効率的に排水することができる。つまり、ここでは出入口圧力差ΔPを大きくした状態で、空気流路16への空気の流入状態と閉鎖状態とを短期間に繰り返すことで、空気流路16内の圧力変動を大きくして排水性を向上させることができる。   In the stop mode in which the operation of the fuel cell 10 is stopped, it is desirable to sufficiently drain the air flow path 16 in preparation for the next start-up or the like. Therefore, the inlet pressure is increased to increase the inlet / outlet pressure difference ΔP. In this state, the positional relationship between the screw portions 62 and 66 is the same phase relationship shown in FIG. Thus, in a certain air flow path 16, when the inlet is open and the outlet is closed, air is sucked from the inlet side, and when the inlet is closed and the outlet is open, air and stagnation from the outlet side. Water is discharged. Therefore, the pressure change in the air flow path 16 can be increased, and the generated water staying quickly in the fuel cell stop mode can be efficiently drained even with the same air flow rate. That is, here, in a state where the inlet / outlet pressure difference ΔP is increased, the air inflow state and the closed state of the air passage 16 are repeated in a short period of time, thereby increasing the pressure fluctuation in the air passage 16 and draining. Can be improved.

また停止モードでは、回転数Reを、流路長Lに応じて変化させた回転数とする。これに圧力の共振状態が発生し、圧力変動をより大きくすることができ、排水性を向上させることができると考えられる。従って、ここでの回転数Reは、回転数Re=ke×音速C/流路長Lとされる。なお「ke」は係数であり、実験等により予め定めることができる。   In the stop mode, the rotation speed Re is set to a rotation speed changed according to the flow path length L. It is considered that a resonance state of pressure occurs in this, pressure fluctuation can be further increased, and drainage can be improved. Accordingly, the rotation speed Re here is rotation speed Re = ke × sonic velocity C / flow path length L. Note that “ke” is a coefficient and can be determined in advance by experiments or the like.

一方、図4に示すように、スクリュー部62、66が逆位相とされると、入口と出口との開閉タイミングが同じとなる。つまり、ある空気流路16において、入口が開放するタイミングで出口も開放し、入口が閉鎖するタイミングで出口も閉鎖する。具体的に、図4の[1]の状態のように、入口、出口ともに開放された状態から、[2]〜[3]の状態のように入口、出口ともに閉鎖した状態となり、再び[4]状態のように入口、出口が共に開いた状態となり、[1]の状態に戻る。このように、入口、出口の開き、閉じを同じタイミングにすることで、空気流路16内に空気流入の状態と、空気が流入しない状態とが繰り返される。   On the other hand, as shown in FIG. 4, when the screw portions 62 and 66 are in the opposite phase, the opening and closing timings of the inlet and the outlet are the same. That is, in a certain air flow path 16, the outlet is also opened when the inlet is opened, and the outlet is also closed when the inlet is closed. Specifically, the state where both the inlet and the outlet are opened as in the state [1] in FIG. 4 is changed to the state where both the inlet and the outlet are closed as in the states [2] to [3]. ], The inlet and outlet are both opened as in the state, and the state returns to the state [1]. In this way, by opening and closing the inlet and outlet at the same timing, the air inflow state and the state where no air flows into the air flow path 16 are repeated.

燃料電池10を停止状態から起動させる際の起動モードの場合には、図4の逆位相に制御する。これにより、ある空気流路16の入口、出口が共に開放状態となるときに空気が流通することとなるため、空気流路16内に空気をスムーズに流通させることができる。更に、ある空気流路16の入口、出口共に開放しているときに、入口、出口が共に閉鎖している状態となっている他の空気流路が存在する。このため同じ空気の流量でも、入口、出口が開放されている空気流路16に空気を集中的に供給することができ、空気流路16を流通する空気の流速をあげることができる。従って、セル間でのバラツキを小さくし、起動モードの場合に、確実に空気流路に残留する気体を置換することができる。このように、起動モードにおいては逆位相とすることで、空気流路16内のガス置換を十分に行なってより早い状態で安定した発電を行なうことができるようにする。   In the start mode when starting the fuel cell 10 from the stop state, the control is performed in the reverse phase of FIG. As a result, air flows when both the inlet and outlet of an air flow path 16 are in an open state, so that air can flow smoothly in the air flow path 16. Furthermore, when both the inlet and outlet of an air channel 16 are open, there is another air channel in which both the inlet and outlet are closed. For this reason, even if the flow rate of air is the same, air can be intensively supplied to the air channel 16 where the inlet and outlet are open, and the flow rate of the air flowing through the air channel 16 can be increased. Therefore, the variation between cells can be reduced, and the gas remaining in the air flow path can be surely replaced in the startup mode. As described above, the phase is reversed in the start-up mode, so that gas replacement in the air flow path 16 is sufficiently performed and stable power generation can be performed in an earlier state.

なお、起動モードでは、個々のセルのガス置換を確実に行なうため、スクリューロータ30、32を比較的ゆっくりと回転させる。具体的に回転軸60、64の回転数Rsは、流路体積分の気体が置換されるように、Rs=ks×気体掃気流量/流路体積Vとされる。なお、ここで「ks」は係数であり、実験等により予め定めることができる。   In the start-up mode, the screw rotors 30 and 32 are rotated relatively slowly in order to reliably perform gas replacement of individual cells. Specifically, the rotational speed Rs of the rotary shafts 60 and 64 is set to Rs = ks × gas scavenging flow rate / flow path volume V so that the gas corresponding to the flow path volume is replaced. Here, “ks” is a coefficient and can be determined in advance by experiments or the like.

また、燃料電池10の通常運転中には、例えば、生成水が増加してその排出をしたい場合には同位相側に変化させ、生成水を保持したい場合には逆位相側に変化させるように制御する。   Further, during normal operation of the fuel cell 10, for example, when the generated water increases and it is desired to discharge it, it is changed to the same phase side, and when it is desired to keep the generated water, it is changed to the opposite phase side. Control.

この状態で、燃料不足、酸素不足を起こさないように、放電電流に比例した高速回転数で回転軸60、62を回転させる。このように回転軸60、64を回転して空気流路16の入口及び出口の開閉速度を速めることで、発電量が大きくなる場合に多くの空気が導入されるようにする。このため実施の形態1では燃料電池10の通常運転中の回転数Rは、回転数R=k×放電電流Iにより求めるものとする。ここで「k」は係数であり、実験等によって予め定めることができる。   In this state, the rotating shafts 60 and 62 are rotated at a high speed that is proportional to the discharge current so as not to cause fuel shortage and oxygen shortage. By rotating the rotary shafts 60 and 64 in this way to increase the opening and closing speeds of the inlet and outlet of the air flow path 16, a large amount of air is introduced when the power generation amount increases. For this reason, in the first embodiment, the rotational speed R during normal operation of the fuel cell 10 is obtained by the rotational speed R = k × discharge current I. Here, “k” is a coefficient and can be determined in advance by experiments or the like.

また、高負荷時には係数「k」を大きくするように変化させることで、更に回転数Rを上昇するように設定する。これにより高出力時にはより早い速度で圧力変動を起こすことでより多くの空気を導入することができ、生成水の除去と空気の導入を効率良く行なうことが得できるようにする。また、スクリューロータ30、32の回転方向を考慮すれば、回転数Rを上昇させることで、空気をより奥側のセルにまで運ぶことができる。つまり、スクリューロータ30、32を助勢ポンプとして機能させて、酸欠となりやすい状態において流量を上昇させることができる。   Further, when the load is high, the rotational speed R is further increased by changing the coefficient “k” to be larger. As a result, when the output is high, more air can be introduced by causing pressure fluctuations at a higher speed, and it is possible to efficiently remove the generated water and introduce the air. Further, if the rotation direction of the screw rotors 30 and 32 is taken into consideration, the air can be transported to the deeper cell by increasing the rotation speed R. In other words, the screw rotors 30 and 32 can function as assist pumps, and the flow rate can be increased in a state where oxygen deficiency tends to occur.

以上のように、実施の形態1では、燃料電池10の起動モードにおいて、スクリューロータ30、32を逆位相で制御し、停止モードになると同位相に切り替える。これにより、その運転状態に応じた空気流量及び圧力変動を起こすことができ、排水性を向上させて、燃料電池の発電性能を向上させることができる。   As described above, in the first embodiment, the screw rotors 30 and 32 are controlled in the opposite phase in the startup mode of the fuel cell 10 and switched to the same phase when the stop mode is entered. Thereby, the air flow rate and pressure fluctuation according to the operation state can be caused, drainage can be improved, and the power generation performance of the fuel cell can be improved.

図5は、この発明の実施の形態1において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図5のルーチンは燃料電池10の運転中一定時間ごとに繰り返し実行されるルーチンである。   FIG. 5 is a flowchart for illustrating a control routine executed by the control device in the first embodiment of the present invention. The routine of FIG. 5 is a routine that is repeatedly executed at regular intervals during the operation of the fuel cell 10.

図5のルーチンでは、まず燃料電池10の運転が行なわれているか否かが判定される(S100)。ステップS100において、燃料電池10の運転が認められない場合には、スクリューロータ30、32の制御も不要であるから、一旦このルーチンを終了する。   In the routine of FIG. 5, it is first determined whether or not the fuel cell 10 is being operated (S100). If the operation of the fuel cell 10 is not recognized in step S100, the control of the screw rotors 30 and 32 is also unnecessary, so this routine is temporarily terminated.

一方、ステップS100において、燃料電池10の運転が行なわれていることが認められた場合、燃料電池10の入口圧と出口圧との圧力差ΔPが求められる(S102)。ここでは制御装置50により入口圧力センサ44及び出口圧力センサ46の出力が読み取られ、この出力から入口圧及び出口圧が求められ、両者の差が演算されることで圧力差ΔPが求められる。   On the other hand, if it is determined in step S100 that the fuel cell 10 is operating, a pressure difference ΔP between the inlet pressure and the outlet pressure of the fuel cell 10 is obtained (S102). Here, the outputs of the inlet pressure sensor 44 and the outlet pressure sensor 46 are read by the control device 50, the inlet pressure and the outlet pressure are obtained from these outputs, and the pressure difference ΔP is obtained by calculating the difference between the two.

次に、現在の燃料電池10の運転モードが、燃料電池10の停止状態から起動する際の起動モード中であるか否かが判定される(S104)。ステップS104において、起動モードであることが認められると、供給スクリューロータ30及び排出スクリューロータ32は起動モードに制御される。   Next, it is determined whether or not the current operation mode of the fuel cell 10 is the start mode when starting from the stop state of the fuel cell 10 (S104). If it is determined in step S104 that the start mode is set, the supply screw rotor 30 and the discharge screw rotor 32 are controlled to the start mode.

具体的に、まず、供給スクリューロータ30と排出スクリューロータ32は逆位相で回転するように設定される(S106)。つまり、図3に示すように、回転軸60、64の回転開始角度が、180度ずれるように制御される。   Specifically, first, the supply screw rotor 30 and the discharge screw rotor 32 are set to rotate in opposite phases (S106). That is, as shown in FIG. 3, the rotation start angles of the rotary shafts 60 and 64 are controlled to be shifted by 180 degrees.

次に、両スクリューロータ30、32の回転軸60、64の回転数Rsが演算される(S108)。起動モードの回転数Rsは、予め制御装置50に記憶されている回転数Rsの演算式に従って求められる。具体的に、起動モードの回転数Rsは、回転数Rs=ks×気体掃気量/空気流路体積Vに従って求められる。   Next, the rotational speed Rs of the rotating shafts 60 and 64 of both screw rotors 30 and 32 is calculated (S108). The rotation speed Rs in the start mode is obtained according to an arithmetic expression for the rotation speed Rs stored in the control device 50 in advance. Specifically, the rotational speed Rs of the start-up mode is obtained according to the rotational speed Rs = ks × gas scavenging amount / air channel volume V.

次に、起動回転数Rsに応じて、回転軸60、64の回転が制御される(S110)。ここでは、制御装置50から回転数及び逆位相となるように制御信号が送られ、モータ34、36による回転が制御される。これにより空気流路16の体積Vに応じた必要な空気を空気流路16に導入し、起動時のパージを迅速に行なうことができる。   Next, the rotation of the rotation shafts 60 and 64 is controlled according to the starting rotation speed Rs (S110). Here, a control signal is sent from the control device 50 so as to have a rotational speed and an opposite phase, and the rotation by the motors 34 and 36 is controlled. As a result, necessary air corresponding to the volume V of the air flow path 16 can be introduced into the air flow path 16 and the purge at the time of activation can be performed quickly.

一方、ステップS104で燃料電池10の運転モードが起動モードであることが認められない場合、次に、燃料電池10の運転状態が、停止モードであるか否かが判定される(S112)。ステップS112において停止モードであることが認められた場合、供給スクリューロータ30及び排出スクリューロータ32は、停止モードに制御される。即ち、まず、図4のように、供給スクリューロータ30と排出スクリューロータ32とが同位相となるように設定される(S114)。つまり、回転軸60、64の回転開始角度が同じになるように設定される。これにより両スクリューロータ30、32の回転が開始すると、空気流路16の入口が開いて出口が閉じた状態、あるいは入口が閉じて出口が開いた状態が繰り返されることとなる。   On the other hand, when it is not recognized in step S104 that the operation mode of the fuel cell 10 is the start mode, it is next determined whether or not the operation state of the fuel cell 10 is the stop mode (S112). If the stop mode is recognized in step S112, the supply screw rotor 30 and the discharge screw rotor 32 are controlled to the stop mode. That is, first, as shown in FIG. 4, the supply screw rotor 30 and the discharge screw rotor 32 are set to have the same phase (S114). That is, the rotation start angles of the rotary shafts 60 and 64 are set to be the same. Thus, when the rotation of both screw rotors 30 and 32 is started, the state where the inlet of the air flow path 16 is opened and the outlet is closed, or the state where the inlet is closed and the outlet is opened is repeated.

次に、出入口圧力差ΔPが大きくなるように制御される(S116)。具体的には入口圧力が大きくなるように制御される。ここでの入口圧力は、排水を十分に行なうことができる圧力として、予め実験等によって定められ制御装置50に記憶されている。   Next, control is performed so that the inlet / outlet pressure difference ΔP is increased (S116). Specifically, the inlet pressure is controlled to increase. The inlet pressure here is determined in advance by experiments or the like and stored in the control device 50 as a pressure that allows sufficient drainage.

次に、停止モードにおける回転数Reが演算される(S118)。停止モードにおける回転数Reは、流路長Lに応じたものとなるように設定される。具体的には、予め制御装置に記憶された演算式に従って演算される。ここでは、回転数Re=ke×音速C/流路長Lの演算式で演算される。   Next, the rotational speed Re in the stop mode is calculated (S118). The rotation speed Re in the stop mode is set so as to correspond to the flow path length L. Specifically, the calculation is performed according to an arithmetic expression stored in advance in the control device. Here, the calculation is performed using an arithmetic expression of the rotational speed Re = ke × the speed of sound C / the channel length L.

その後、設定された位相及び回転数Reに制御されて両スクリューロータ30、32の回転が制御される(S110)。具体的には、制御装置50から制御信号が発せられ、これにより回転軸60、64に取り付けられたモータ34、36が制御されることで、スクリュー部62、66が同位相及び回転数Reで回転することとなる。   Thereafter, the rotation of both screw rotors 30 and 32 is controlled by controlling the set phase and rotation speed Re (S110). Specifically, a control signal is issued from the control device 50, and the motors 34 and 36 attached to the rotary shafts 60 and 64 are thereby controlled, so that the screw parts 62 and 66 have the same phase and the rotational speed Re. It will rotate.

一方、ステップS112において、燃料電池10の停止モード中であることが認められない場合、燃料電池10の運転モードは、通常運転モードであると判断される。この場合、まず、燃料電池10の電流が検出される(S120)。電流は燃料電池10に取り付けられた電流計48の出力が制御装置50に取り込まれ、この出力に従って検出される。   On the other hand, when it is not recognized in step S112 that the fuel cell 10 is in the stop mode, it is determined that the operation mode of the fuel cell 10 is the normal operation mode. In this case, first, the current of the fuel cell 10 is detected (S120). The current is detected according to the output of the ammeter 48 attached to the fuel cell 10 by the control device 50.

次に、スクリューロータ30、32は通常運転モードに制御される。即ち、まず両スクリューロータ30、32の回転数Rが演算される(S122)。通常運転モードでの回転数Rは、予め制御装置50に記憶された演算式に従って演算される。具体的にここでは、空気通路16に供給される空気不足やフラッディングを防止するため、ステップS118で検出された現在の電流Iに比例するよう、回転数R=k×放電電流Iに従って求められる。   Next, the screw rotors 30 and 32 are controlled to the normal operation mode. That is, first, the rotational speed R of both the screw rotors 30 and 32 is calculated (S122). The rotational speed R in the normal operation mode is calculated according to an arithmetic expression stored in the control device 50 in advance. Specifically, here, in order to prevent shortage of air supplied to the air passage 16 and flooding, the rotation speed R = k × discharge current I is obtained in proportion to the current current I detected in step S118.

次に、スクリューロータ30、32の位相が演算される(S124)。ここでは燃料電池10の運転状態に応じて、生成水の除去を行ないたい場合には同位相側へ、生成水を保持したい場合には逆位相側へ変化するように、現在のスクリューロータ30、32の位相に対する補正量が求められ、位相が決定される。   Next, the phases of the screw rotors 30 and 32 are calculated (S124). Here, depending on the operating state of the fuel cell 10, the current screw rotor 30 is changed so as to change to the same phase side when removing the generated water and to the opposite phase side when holding the generated water. A correction amount for 32 phases is obtained and the phase is determined.

その後、モータ34、36による回転軸60、64の回転数及び位相がステップS122、S124において求められた回転数R及び位相に設定されて、スクリューロータ30、32が制御される(S110)。   Thereafter, the rotational speeds and phases of the rotary shafts 60 and 64 by the motors 34 and 36 are set to the rotational speed R and phase obtained in steps S122 and S124, and the screw rotors 30 and 32 are controlled (S110).

以上説明したように、実施の形態1では、空気流路16の空気の流通をスクリューロータ30、32の回転によって制御することができる。これにより、空気流路16内に圧力変動を起こし、また空気の流通量を増加・減少させることができる。従って、必要に応じて空気流路16に溜まった生成水を排出すると共に、迅速に空気流路16のパージを行なうことができる。   As described above, in the first embodiment, the air flow in the air flow path 16 can be controlled by the rotation of the screw rotors 30 and 32. As a result, pressure fluctuation can be caused in the air flow path 16 and the amount of air flow can be increased or decreased. Therefore, the generated water accumulated in the air passage 16 can be discharged as needed, and the air passage 16 can be quickly purged.

なお、実施の形態1では、起動モードでスクリューロータ30、32を逆位相とし、停止モードにおいて同位相とする場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではない。例えば、同位相、逆位相のみに固定せず、停止モードにおいて、ある程度位相がずれるようにしてもよい。このように位相をずらすことによっても、空気流路16内にある程度の圧力変動量を変化させることができるため、空気流路に滞留する生成水を必要に応じて効果的に排出することができる。これについては、実施の形態2においても同様である。   In the first embodiment, the case where the screw rotors 30 and 32 are in the opposite phase in the start mode and the same phase in the stop mode has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, the phase may be shifted to some extent in the stop mode without being fixed only to the same phase and the opposite phase. Even by shifting the phase in this way, the amount of pressure fluctuation in the air channel 16 can be changed to some extent, so that the generated water staying in the air channel can be effectively discharged as necessary. . The same applies to the second embodiment.

また、この発明における通常の運転モードにおけるスクリューロータ30、32の制御は、実施の形態1に説明したものに限るものではない。例えば、スクリューロータ30、32の位相差を大きくすることで、入口及び出口の開閉タイミングをずらし、圧力変動を大きくすることができると考えられる。従って、スクリューロータ30、32は、例えばフラッディングが起きたことが検出された場合などに、位相差が大きくなるように制御することも有効である。なお、このような場合の位相差は、空気流路の幅やスクリュー部62、66の間隔等によって異なるものであるから、これらを考慮して圧力変動が大きくなる位相差に設定すればよい。なお、フラッディングは各セル14のセル電圧をモニターすることで、検出することができる。これについては、実施の形態2においても同様である。   Further, the control of the screw rotors 30 and 32 in the normal operation mode according to the present invention is not limited to that described in the first embodiment. For example, it is considered that by increasing the phase difference between the screw rotors 30 and 32, the opening and closing timings of the inlet and outlet can be shifted and the pressure fluctuation can be increased. Therefore, it is also effective to control the screw rotors 30 and 32 so that the phase difference becomes large, for example, when it is detected that flooding has occurred. In addition, since the phase difference in such a case differs depending on the width of the air flow path, the interval between the screw portions 62 and 66, etc., the phase difference may be set to increase the pressure fluctuation in consideration of these. The flooding can be detected by monitoring the cell voltage of each cell 14. The same applies to the second embodiment.

また、実施の形態1では、各回転数R、Rs、Reの演算の式について説明したが、この発明において回転数はこれに限るものではない。各モードにおける回転数は、効果的にそのモードにおいて必要な、パージや生成水の除去等を行なうことができるものであればよい。また回転数をそれぞれの運転モードに応じて変化させるものに限るものでもなく、常に一定の回転数としてもよい。これについては、実施の形態2においても同様である。   In the first embodiment, the calculation formulas for the respective rotational speeds R, Rs, and Re have been described. However, the rotational speed is not limited to this in the present invention. The number of rotations in each mode may be any as long as it can effectively perform purging, removal of generated water, and the like necessary in that mode. Further, the rotational speed is not limited to the one that changes according to each operation mode, and it may be always a constant rotational speed. The same applies to the second embodiment.

また、実施の形態1では、1のセル14の空気流路16のそれぞれの開口面積がスクリュー部62、66により制御される場合について説明した。しかし、この発明においてはこれに限るものではなく、例えば複数のセル群ごとに、空気流路16を開閉する幅でスクリュー部62、66を設けて、複数のセル群ごとに空気流路16の開閉を制御することとすることもできる。この場合には、そのセル群ごとに、空気流路16の入口と出口の開放及び閉鎖のタイミングが同位相、逆位相となるようにすることで、上記の実施の形態1の制御を適用することができる。これについては、実施の形態2においても同様である。   In the first embodiment, the case where the opening areas of the air flow paths 16 of one cell 14 are controlled by the screw portions 62 and 66 has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, for each of a plurality of cell groups, screw portions 62 and 66 are provided with a width that opens and closes the air flow path 16, and the air flow paths 16 of each of the plurality of cell groups are provided. It is also possible to control opening and closing. In this case, the control of the first embodiment is applied so that the opening and closing timings of the inlet and outlet of the air flow path 16 are the same phase and opposite phases for each cell group. be able to. The same applies to the second embodiment.

また、入口側と出口側で同じ形状のスクリューロータ30、32を用い、各スクリューロータのスクリュー部62、66の幅Wとスクリュー部間の間隔Dとが同一である場合について説明した。スクリューロータ30、32をこのような同一形状とすることで、開始角度を制御するだけで容易に同位相及び逆位相の制御を実現することができる。しかし、この発明において開閉手段はこれに限るものではなく、入口側と出口側とで異なる形状のスクリューロータを用いたものとすることもできる。この場合には、図3、図4の同位相、逆位相の状態が実現されるように、各スクリューロータを別個に制御すればよい。   Moreover, the screw rotors 30 and 32 having the same shape are used on the inlet side and the outlet side, and the case where the width W of the screw parts 62 and 66 of each screw rotor and the distance D between the screw parts are the same has been described. By making the screw rotors 30 and 32 have the same shape as described above, it is possible to easily realize the control of the same phase and the opposite phase only by controlling the start angle. However, in the present invention, the opening / closing means is not limited to this, and screw rotors having different shapes on the inlet side and the outlet side may be used. In this case, each screw rotor may be controlled separately so that the in-phase and anti-phase states of FIGS. 3 and 4 are realized.

また、実施の形態1では、空気流路16側にのみスクリューロータ30、32を設ける場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、燃料流路側に同様のスクリューロータを設けることもできる。例えば、燃料流路側にスクリューロータを設置した上で、上記の起動モードと同様の制御を行なうことにより、起動時に燃料流路内をより早く燃料でパージすることができる。これについては、実施の形態2においても同様である。   Moreover, in Embodiment 1, the case where the screw rotors 30 and 32 were provided only in the air flow path 16 side was demonstrated. However, the present invention is not limited to this, and a similar screw rotor can be provided on the fuel flow path side. For example, by installing a screw rotor on the fuel flow path side and performing control similar to the above-described start mode, the inside of the fuel flow path can be purged with fuel earlier at start-up. The same applies to the second embodiment.

また、実施の形態1では、固体高分子型の燃料電池を想定して説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、膜−電極接合体をセパレータで隔離して複数積層したスタック構造を有するものであれば、他の燃料電池にも適用することができる。   Further, the first embodiment has been described assuming a solid polymer fuel cell. However, the present invention is not limited to this, and can be applied to other fuel cells as long as it has a stack structure in which a plurality of membrane-electrode assemblies are separated by separators.

なお、図5の制御のルーチンにおいて、例えば、ステップS106、S110、又はS114が実行されることで、この発明の「制御手段」が実現し、ステップS104が実行されることで「起動モード判定手段」が実現し、ステップS112が実行されることで「停止モード判定手段」が実現し、ステップS120が実行されることで「発電量検出手段」が実現し、ステップS122が実行されることで「開閉速度設定手段」が実現する。   In the control routine of FIG. 5, for example, step S106, S110, or S114 is executed to implement the “control unit” of the present invention, and step S104 is executed to execute “activation mode determination unit”. ”Is realized, and“ stop mode determining means ”is realized by executing step S112,“ power generation amount detecting means ”is realized by executing step S120, and“ "Opening and closing speed setting means" is realized.

実施の形態2.
実施の形態2の燃料電池のシステム構成は、入口開閉手段及び出口開閉手段であるロータの形状が異なる点を除いて、実施の形態1と同じものである。図6及び図7は、実施の形態2の入口開閉手段及び出口開閉手段の構成を説明するための模式図である。
Embodiment 2. FIG.
The system configuration of the fuel cell of the second embodiment is the same as that of the first embodiment except that the shapes of the rotors that are the inlet opening / closing means and the outlet opening / closing means are different. 6 and 7 are schematic views for explaining the configuration of the inlet opening / closing means and the outlet opening / closing means of the second embodiment.

図6に示すように、実施の形態2の供給ロータ70及び排出ロータ80は、回転軸72、82のそれぞれに、スクリュー部62、66に替えて、複数の半円板74、84が取り付けられて構成されている。半円板74、84は、複数のセル群の積層方向の全長と同じの厚みを有している。また、半円板74は、流入口面に相対する位置にあるときに、その入口に接し、入口を塞ぐように構成されている。同様に、半円板84は、複数のセル群の排出口面に相対する位置にあるときに、その出口に接し、出口を塞ぐように構成されている。   As shown in FIG. 6, in the supply rotor 70 and the discharge rotor 80 of the second embodiment, a plurality of semi-discs 74 and 84 are attached to the rotating shafts 72 and 82 in place of the screw portions 62 and 66, respectively. Configured. The semicircular plates 74 and 84 have the same thickness as the total length in the stacking direction of the plurality of cell groups. Further, when the semicircular plate 74 is located at a position facing the inflow port surface, the semicircular plate 74 is configured to contact and close the inlet. Similarly, the semicircular plate 84 is configured to contact the outlet and close the outlet when the semicircular plate 84 is at a position facing the discharge port surfaces of the plurality of cell groups.

隣接する半円板74、84は、互いに回転軸72、82を中心に一定角度ずつずらすようにして回転軸72、82に取り付けられている。従って、回転軸72、82が回転すると、図7に示すように隣接するセル群ごとに、入口及び出口の開度が少しずつ異なるものとなる。   The adjacent semi-discs 74 and 84 are attached to the rotary shafts 72 and 82 so as to be shifted from each other by a predetermined angle around the rotary shafts 72 and 82. Therefore, when the rotating shafts 72 and 82 are rotated, the opening degree of the inlet and the outlet is slightly different for each adjacent cell group as shown in FIG.

ここで、供給ロータ70と排出ロータ80とは同一の形状に構成されている。つまり、半円板74、84の配置は、供給ロータ70と排出ロータ80とで同じ間隔、同じ角度のずれをもって配置されている。従って、回転軸72、82が同じ回転角度から回転を開始すると同位相に動くように設定される。つまり、あるセル群では入口が開放状態となり出口が閉鎖状態となる。一方、他のセル群では、入口が閉鎖状態となり、出口が開放状態となる。従って、図3に説明したような同位相の状態が実現される。   Here, the supply rotor 70 and the discharge rotor 80 are configured in the same shape. In other words, the semicircular plates 74 and 84 are arranged with the same interval and the same angular deviation between the supply rotor 70 and the discharge rotor 80. Accordingly, the rotary shafts 72 and 82 are set to move in the same phase when the rotation starts from the same rotation angle. That is, in a certain cell group, the inlet is in an open state and the outlet is in a closed state. On the other hand, in other cell groups, the inlet is closed and the outlet is opened. Therefore, the in-phase state as described in FIG. 3 is realized.

一方、回転開始角度が180度ずらされて回転を開始すると、あるセル群では入口及び出口が共に開放し、あるセル群では入口及び出口が共に閉鎖した状態となる。これにより、実施の形態1と同様に図4の逆位相の状態が実現される。なお、実施の形態2の各ロータ70、80の制御は、図5のルーチンと同じルーチンにより実行される。   On the other hand, when the rotation start angle is shifted by 180 degrees and rotation is started, both the inlet and the outlet are opened in a certain cell group, and both the inlet and the outlet are closed in a certain cell group. Thereby, the reverse phase state of FIG. 4 is realized as in the first embodiment. Note that the control of the rotors 70 and 80 of the second embodiment is executed by the same routine as that of FIG.

なお、入口開閉手段及び出口開閉手段は、実施の形態1及び2に説明した構成に限るものではない。この発明において入口開閉手段及び出口開閉手段は空気流路16を開閉し、かつ他のセル又はセル群との間で、入口及び出口の開閉状態を異なるように制御できるものであれば、他の形状としてもよい。例えば、入口又は出口に接し、これらを完全に閉鎖できる蓋状の部材をセル間隔ごとに配置してこれを横方向(つまりセルの積層方向)に徐々にシフトすることで、同様の制御を行なうことができる。   The inlet opening / closing means and the outlet opening / closing means are not limited to the configurations described in the first and second embodiments. In the present invention, the inlet opening / closing means and the outlet opening / closing means are not limited as long as they can open and close the air flow path 16 and can control the opening and closing states of the inlet and outlet differently from other cells or groups of cells. It is good also as a shape. For example, the same control is performed by arranging lid-like members that contact the inlet or outlet and can completely close them at every cell interval and gradually shift them in the lateral direction (that is, the cell stacking direction). be able to.

また、入口側と出口側で同じ形状の開閉手段を用いる場合について説明した。このように同じ形状のものを用いることで、開始角度を調整するだけで容易に同位相及び逆位相の制御を実現することができる。しかし、この発明において開閉手段はこれに限るものではなく、入口側と出口側とで異なる形状の開閉手段を用いたものとすることもできる。   Moreover, the case where the same shape opening / closing means is used on the inlet side and the outlet side has been described. By using the same shape as described above, it is possible to easily realize the control of the same phase and the opposite phase only by adjusting the start angle. However, the opening / closing means is not limited to this in the present invention, and opening / closing means having different shapes on the inlet side and the outlet side may be used.

また、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に限定されるものではない。また、実施の形態において説明する構造や、方法におけるステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。   Further, in the above embodiment, when the number of each element, number, quantity, range, etc. is mentioned, it is mentioned unless otherwise specified or clearly specified in principle. The number is not limited. Further, the structures described in the embodiments, steps in the method, and the like are not necessarily essential to the present invention unless otherwise specified or clearly specified in principle.

なお、以上の実施の形態において、例えば、セル14の電解質膜は、この発明の「電解質」に該当し、アノード極及びカソード極は「一対の電極」に、空気供給マニホールド18は「供給マニホールド」に、空気排出マニホールド20は「排出マニホールド」に、供給スクリューロータ30及び供給ロータ70は「入口開閉手段」に、排出スクリューロータ32及び排出ロータ80は「出口開閉手段」に、制御装置50は「制御手段」にそれぞれ該当する。また、例えば、回転軸60、72は、この発明における入口開閉手段の「回転軸」に、回転軸64、82は出口開閉手段の「回転軸」に、スクリュー部62は入口開閉手段の「螺旋部材」に、スクリュー部66は出口開閉手段の「螺旋部材」に、半円板74は入口開閉手段の「回転部材」に、半円板84は出口開閉手段の「回転部材」にそれぞれ該当する。   In the above embodiment, for example, the electrolyte membrane of the cell 14 corresponds to the “electrolyte” of the present invention, the anode electrode and the cathode electrode are “a pair of electrodes”, and the air supply manifold 18 is a “supply manifold”. In addition, the air discharge manifold 20 is a “discharge manifold”, the supply screw rotor 30 and the supply rotor 70 are “inlet opening / closing means”, the discharge screw rotor 32 and the discharge rotor 80 are “exit opening / closing means”, and the control device 50 is “ "Control means" respectively. Further, for example, the rotation shafts 60 and 72 are the “rotation shaft” of the inlet opening / closing means in the present invention, the rotation shafts 64 and 82 are the “rotation shaft” of the outlet opening / closing means, and the screw portion 62 is the “spiral” of the inlet opening / closing means. The screw part 66 corresponds to the “spiral member” of the outlet opening / closing means, the semi-disc 74 corresponds to the “rotating member” of the inlet opening / closing means, and the semi-disc 84 corresponds to the “rotating member” of the outlet opening / closing means. .

この発明の実施の形態1における燃料電池システムの構成について説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the structure of the fuel cell system in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における燃料電池システムの構成について説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the structure of the fuel cell system in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における燃料電池の起動モードにおけるバルブの開閉状態について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the opening-and-closing state of the valve | bulb in the starting mode of the fuel cell in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における燃料電池の停止モードにおけるバルブの開閉状態について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the opening-and-closing state of the valve | bulb in the stop mode of the fuel cell in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1において、燃料電池システムの制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。In Embodiment 1 of this invention, it is a flowchart for demonstrating the routine of control which the control apparatus of a fuel cell system performs. この発明の実施の形態2における燃料電池のバルブについて説明するための図である。It is a figure for demonstrating the valve | bulb of the fuel cell in Embodiment 2 of this invention. この発明の実施の形態2における燃料電池システムについて説明するための図である。It is a figure for demonstrating the fuel cell system in Embodiment 2 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 燃料電池
12 エンドプレート
14 セル
16 空気流路
18 空気供給マニホールド
20 空気排出マニホールド
30 供給スクリューロータ
32 排出スクリューロータ
34、36 モータ
40 空気供給管
42 空気排出管
44、46 圧力センサ
48 電流計
50 制御装置
60、64 回転軸
62、66 スクリュー部
70 供給ロータ
80 排出ロータ
72、82 回転軸
74、84 半円板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell 12 End plate 14 Cell 16 Air flow path 18 Air supply manifold 20 Air discharge manifold 30 Supply screw rotor 32 Discharge screw rotor 34, 36 Motor 40 Air supply pipe 42 Air discharge pipe 44, 46 Pressure sensor 48 Ammeter 50 Control Apparatus 60, 64 Rotating shaft 62, 66 Screw part 70 Supply rotor 80 Discharge rotor 72, 82 Rotating shaft 74, 84 Semi-disc

Claims (13)

電解質と、前記電解質の両側にそれぞれ配置された一対の電極と、を備える複数の膜−電極接合体と、
前記膜−電極接合体を挟むように配置され、前記一対の電極のうち、一方の電極と対向する対向面において、該一方の電極それぞれに反応剤を流通させる反応剤流路を備えた複数のセパレータと、
前記複数のセパレータを積層方向に貫通し、かつ、前記反応剤流路の入口に接続し、前記一方の電極に供給する反応剤を、前記反応剤流路に流通させる供給マニホールドと、
前記複数のセパレータを積層方向に貫通し、かつ、前記反応剤流路の出口に接続し、前記一方の電極から前記反応剤流路を介して排出される排剤を流通させる排出マニホールドと、
前記供給マニホールドに配置され、前記反応剤流路の入口の、開閉状態を変化させる入口開閉手段と、
前記排出マニホールドに配置され、前記反応剤流路の出口の、開閉状態を変化させる出口開閉手段と、
燃料電池の運転モードに応じて、前記入口開閉手段と前記出口開閉手段とを制御して、
前記反応剤流路の入口が閉鎖状態のときに、該反応剤流路の出口が開放状態となり、前記反応剤流路の入口が開放状態のときに、該反応剤流路の出口が閉鎖状態となる第1状態と、
前記反応剤流路の入口と該反応剤流路の出口とが共に、開放状態、又は閉鎖状態となる第2状態と、
を切り替えて制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
A plurality of membrane-electrode assemblies comprising an electrolyte and a pair of electrodes respectively disposed on both sides of the electrolyte;
A plurality of reaction agent channels arranged so as to sandwich the membrane-electrode assembly and provided with a reactant flow channel for allowing the reactant to flow through each of the one electrode on the opposing surface facing the one electrode of the pair of electrodes. A separator;
A supply manifold that penetrates the plurality of separators in the stacking direction and is connected to an inlet of the reactant channel, and that feeds the reactant supplied to the one electrode into the reactant channel;
A discharge manifold that penetrates the plurality of separators in the stacking direction and is connected to an outlet of the reactant flow path, and distributes a waste discharged from the one electrode via the reactant flow path;
An inlet opening / closing means disposed in the supply manifold and changing an opening / closing state of an inlet of the reactant flow path;
An outlet opening / closing means disposed in the discharge manifold and changing an opening / closing state of an outlet of the reactant flow path;
According to the operation mode of the fuel cell, controlling the inlet opening and closing means and the outlet opening and closing means,
When the inlet of the reactant channel is closed, the outlet of the reactant channel is opened, and when the inlet of the reactant channel is opened, the outlet of the reactant channel is closed. A first state,
A second state in which the inlet of the reactant channel and the outlet of the reactant channel are both open or closed;
Control means for switching and controlling;
A fuel cell system comprising:
燃料電池の運転モードが、停止状態の燃料電池を起動させる際の起動モードであるか否かを判定する起動モード判定手段を更に備え、
前記制御手段は、前記起動モードであると判定された場合に、前記第2状態となるように制御することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
The fuel cell operation mode further includes an activation mode determination means for determining whether or not the operation mode of the fuel cell is an activation mode when starting the stopped fuel cell.
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit performs control so as to be in the second state when it is determined that the start mode is set. 3.
燃料電池の運転モードが、運転状態の燃料電池を停止させる際の停止モードであるか否かを判定する停止モード判定手段を更に備え、
前記制御手段は、前記停止モードであると判定された場合に、前記第1状態となるように制御することを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池システム。
The fuel cell operation mode further comprises stop mode determination means for determining whether or not the operation mode of the fuel cell is a stop mode when stopping the fuel cell in the operation state,
3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit performs control so as to be in the first state when it is determined that the stop mode is set. 4.
燃料電池の運転中に、フラッディングの発生を検出するフラッディング検出手段を更に備え、
前記制御手段は、前記フラッディングが検出された場合に、前記反応剤流路の入口が開放状態になるタイミングと該反応剤流路の出口が閉鎖状態又は開放状態になるタイミング、及び、前記反応剤流路の入口が閉鎖状態になるタイミングと該反応剤流路の出口が閉鎖状態又は開放状態になるタイミングとが、共にずれている第3状態となるように、前記入口開閉手段及び前記出口開閉手段を制御することを特徴とする請求項1から3の何れか1項記載の燃料電池システム。
A flood detection means for detecting the occurrence of flooding during operation of the fuel cell;
When the flooding is detected, the control means includes a timing at which an inlet of the reactant channel is opened, a timing at which an outlet of the reactant channel is closed or opened, and the reactant. The inlet opening / closing means and the outlet opening / closing are set such that the timing at which the inlet of the flow path is closed and the timing at which the outlet of the reactant flow path is closed or opened are shifted from each other. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the means is controlled.
燃料電池の通常運転中に、
燃料電池の発電量を検出する発電量検出手段と、
前記発電量に応じて、前記反応剤流路の入口の開閉状態を変化させる速度と、前記反応剤流路の出口の開閉状態を変化させる速度とを設定する開閉速度設定手段と、
を更に備え、
前記制御手段は、設定された速度に応じて、前記反応剤流路の入口及び前記反応剤流路の出口の開閉状態が変化するように制御することを特徴とする請求項1から4の何れか1項記載の燃料電池システム。
During normal operation of the fuel cell,
A power generation amount detecting means for detecting a power generation amount of the fuel cell;
An opening / closing speed setting means for setting a speed for changing the opening / closing state of the inlet of the reactant channel and a speed for changing the opening / closing state of the outlet of the reactant channel according to the power generation amount;
Further comprising
5. The control unit according to claim 1, wherein the control unit controls the opening / closing states of the inlet of the reactant channel and the outlet of the reactant channel to change according to a set speed. The fuel cell system according to claim 1.
前記入口開閉手段は、前記供給マニホールド内に回転可能に設置された回転体であって、
前記制御手段は、前記回転体の回転を制御して、前記反応剤流路の入口の開口面積を変化させることで、前記反応剤流路の入口の開閉状態を制御することを特徴とする請求項1から5の何れか1項記載の燃料電池システム。
The inlet opening and closing means is a rotating body rotatably installed in the supply manifold,
The control means controls the opening / closing state of the inlet of the reactant flow path by changing the opening area of the inlet of the reactant flow path by controlling the rotation of the rotating body. Item 6. The fuel cell system according to any one of Items 1 to 5.
前記入口開閉手段は、
前記供給マニホールド内に回転可能に設置された回転軸と、
前記回転軸の周囲に螺旋状に配置され、前記回転軸の回転と共に回転して前記反応剤流流路の入口との接触面積を変化させることで、該反応剤流路の入口の開口面積を変化させる螺旋部材と、
を備えることを特徴とする請求項6に記載の燃料電池システム。
The inlet opening / closing means includes
A rotating shaft rotatably installed in the supply manifold;
The opening area of the inlet of the reactant flow path is changed by changing the contact area with the inlet of the reactant flow path by being spirally arranged around the rotation axis and rotating with the rotation of the rotary shaft. A spiral member to be changed;
The fuel cell system according to claim 6, further comprising:
前記入口開閉手段は、
前記供給マニホールド内に回転可能に設置された回転軸と、
前記回転軸の周囲に配置され、前記回転軸の回転と共に回転して前記反応剤流路の入口との接触面積を変化させることで、該反応剤流路の入口の開口面積を変化させる回転部材と、
を備えることを特徴とする請求項6に記載の燃料電池システム。
The inlet opening / closing means includes
A rotating shaft rotatably installed in the supply manifold;
A rotating member that is arranged around the rotating shaft and changes the opening area of the inlet of the reactant flow path by rotating with the rotation of the rotating shaft to change the contact area with the inlet of the reactant flow path. When,
The fuel cell system according to claim 6, further comprising:
前記出口開閉手段は、前記排出マニホールド内に回転可能に設置された回転体であって、
前記制御手段は、前記回転体の回転を制御して、前記反応剤流路の出口の開口面積を変化させることで、前記反応剤流路の出口の開閉状態を制御することを特徴とする請求項1から8の何れか1項記載の燃料電池システム。
The outlet opening / closing means is a rotating body rotatably installed in the discharge manifold,
The control means controls the opening / closing state of the outlet of the reactant flow path by changing the opening area of the outlet of the reactant flow path by controlling the rotation of the rotating body. Item 9. The fuel cell system according to any one of Items 1 to 8.
前記出口開閉手段は、
前記排出マニホールドに回転可能に設置された回転軸と、
前記回転軸の周囲に螺旋状に配置され、前記回転軸の回転と共に回転して前記反応剤流路の出口との接触面積を変化させることで、該反応剤流路の出口の開口面積を変化させる螺旋部材と、
を備えることを特徴とする請求項9に記載の燃料電池システム。
The outlet opening / closing means includes
A rotating shaft rotatably mounted on the discharge manifold;
The opening area of the outlet of the reactant channel is changed by changing the contact area with the outlet of the reactant channel by rotating with the rotation of the rotating shaft and changing the contact area with the outlet of the reactant channel. A spiral member,
The fuel cell system according to claim 9, comprising:
前記出口開閉手段は、
前記排出マニホールドに回転可能に設置された回転軸と、
前記回転軸の周囲に配置され、前記回転軸の回転と共に回転して前記反応剤流路の出口との接触面積を変化させることで、該反応剤流路の出口の開口面積を変化させる回転部材と、
を備えることを特徴とする請求項9に記載の燃料電池システム。
The outlet opening / closing means includes
A rotating shaft rotatably mounted on the discharge manifold;
A rotating member that is arranged around the rotating shaft and changes the opening area of the outlet of the reactant flow path by rotating with the rotation of the rotating shaft to change the contact area with the outlet of the reactant flow path. When,
The fuel cell system according to claim 9, comprising:
前記入口開閉手段は、前記供給マニホールド内に回転可能に設置された回転体であり、
前記出口開閉手段は、前記入口開閉手段と同形状に構成され、かつ、前記排出マニホールド内に回転可能に設置された回転体であり、
前記制御手段は、前記入口開閉手段と前記出口開閉手段との回転を同位相とすることで、前記第1状態に制御し、前記入口開閉手段と前記出口開閉手段との回転を180度ずらした逆位相とすることで、前記第2状態に制御することを特徴とする請求項1から11の何れか1項記載の燃料電池システム。
The inlet opening / closing means is a rotating body rotatably installed in the supply manifold,
The outlet opening / closing means is a rotating body configured in the same shape as the inlet opening / closing means, and is rotatably installed in the discharge manifold,
The control means controls the first state by setting the rotation of the inlet opening / closing means and the outlet opening / closing means to the same phase, and the rotation of the inlet opening / closing means and the outlet opening / closing means is shifted by 180 degrees. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 11, wherein the second state is controlled by setting an opposite phase.
前記一方の電極は、カソード極であることを特徴とする請求項1から12の何れか1項記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 1 to 12, wherein the one electrode is a cathode electrode.
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