JP5135883B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は、湿潤状態でイオン伝導性を発揮する電解質膜を有する燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell having an electrolyte membrane that exhibits ionic conductivity in a wet state.

湿潤状態でイオン伝導性を発揮する電解質膜を有する燃料電池、例えば固体高分子型の燃料電池では、電解質膜の湿潤状態を維持するために種々の提案がなされている(特許文献1参照)。   In a fuel cell having an electrolyte membrane that exhibits ionic conductivity in a wet state, for example, a solid polymer fuel cell, various proposals have been made to maintain the wet state of the electrolyte membrane (see Patent Document 1).

特許3203150号公報Japanese Patent No. 3203150 特許3111697号公報Japanese Patent No. 3111697

特許文献1では、燃料ガス(例えば、水素リッチな水素ガス)でバブリングを起こして液状の水に燃料ガスを混合した気液混合物をアノードに供給して加湿する手法が提案されている。特許文献2では、水蒸気透過膜を介してアノードから排出されるアノードオフガス中の水蒸気を、アノードに供給される燃料ガスに混合させることで加湿する手法が提案されている。   Patent Document 1 proposes a method in which a gas-liquid mixture obtained by bubbling with a fuel gas (for example, hydrogen-rich hydrogen gas) and mixed with liquid water is supplied to the anode and humidified. Patent Document 2 proposes a method of humidifying water vapor in an anode off-gas discharged from an anode through a water vapor permeable membrane by mixing it with fuel gas supplied to the anode.

燃料電池が発電に際して利用する反応は、発熱を伴う水素と酸素の電気化学反応であることから、高負荷運転ほど燃料電池の温度は昇温する。よって、高負荷運転の状態では、湿潤が不足状態となりがちである。低負荷運転では燃料電池温度の昇温は少ないことから、高負荷運転時に比べて湿潤が不足となるような事態は置きにくくなるものの、湿潤維持のための方策が不要となるわけではない。つまり、湿潤維持のための加湿は、高負荷運転時と低負荷運転時とてその程度を変えつつ必要となり、高負荷運転状況での加湿不足を招かないように加湿量を確保する必要がある。その一方、アノードに供給する燃料ガスに含ませる加湿のための水が過剰であると、アノードにおける燃料ガスの拡散を阻害することから、加湿用に加える水を不用意に多くできない。加湿にはこうした制約があることから、上記した特許文献で提案された手法では次のような問題点が指摘されるに至った。   Since the reaction used by the fuel cell during power generation is an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen accompanied by heat generation, the temperature of the fuel cell increases as the load is increased. Therefore, in the state of high load operation, the moisture tends to be insufficient. Since the temperature rise of the fuel cell is low in the low load operation, it is difficult to put a situation where the wetness is insufficient as compared with the high load operation, but a measure for maintaining the wetness is not unnecessary. In other words, humidification for maintaining wetness is required while changing the degree between high load operation and low load operation, and it is necessary to secure a humidification amount so as not to cause insufficient humidification in high load operation conditions. . On the other hand, if the water for humidification contained in the fuel gas supplied to the anode is excessive, diffusion of the fuel gas in the anode is inhibited, so that the amount of water added for humidification cannot be increased carelessly. Since humidification has such restrictions, the following problems have been pointed out in the method proposed in the above-mentioned patent document.

特許文献1で提案されたバブリングによる加湿手法では、そのバブリング箇所がアノードのマニホールドであることから、当該バブリング箇所でバブリングを受けた水がアノード側のガス流路に流れ込んで電解質膜に至る。よって、加湿用の水を不用意に多くできないという既述した制約から、湿潤が不足状態となりがちな高負荷運転状態での湿潤確保(加湿量確保)の信頼性の低下が危惧される。また、加湿のために水とアノードオフガスの両者をマニホールドまで圧送する2系統の管路とバブリング機構が必要なため、構成の簡略化と構成簡略に伴う装置の小型化が困難であった。なお、アノードオフガスから分離した水だけで高負荷運転状態での加湿不足を招かないような水供給量を賄うことは困難なため、上記分離した水以外の水の貯留(例えば、補給用の水貯留タンク)も必要となり、この点からも装置の小型化が進まないでいた。   In the humidification technique by bubbling proposed in Patent Document 1, since the bubbling location is the anode manifold, the water bubbled at the bubbling location flows into the gas flow path on the anode side and reaches the electrolyte membrane. Therefore, due to the restriction described above that the amount of water for humidification cannot be carelessly increased, there is a concern that the reliability of securing wetness (securing humidification amount) in a high-load operation state that tends to be insufficiently wetted may be lowered. In addition, since it is necessary to provide two lines of pipes and a bubbling mechanism for pumping both water and anode off-gas to the manifold for humidification, it is difficult to simplify the configuration and to reduce the size of the apparatus accompanying the configuration simplification. In addition, since it is difficult to cover the water supply amount that does not cause insufficient dampening in a high-load operation state only with water separated from the anode off-gas, storage of water other than the separated water (for example, water for replenishment) A storage tank) is also required, and the miniaturization of the device has not progressed from this point.

特許文献2で提案されているようにアノードオフガスに含まれる水蒸気を燃料ガスに混合する手法にあっても、次のような問題点が指摘されるに至った。   Even in the method of mixing the water vapor contained in the anode off-gas with the fuel gas as proposed in Patent Document 2, the following problems have been pointed out.

一般に、燃料電池は冷却系により冷却を受けているが、燃料電池温度は、高負荷運転時で高く低負荷運転時では低くなる。そして、アノードオフガスに含まれて排出される水蒸気量(排出水蒸気量)はアノードオフガス温度(即ち燃料電池温度)に依存し、燃料電池温度が高くなる高負荷運転時では多くなり、低負荷運転時では少なくなる。その一方、既述したように高負荷運転時では、低負荷運転時より加湿の必要性が高いことから、排出水蒸気量が少ない低負荷運転から高負荷運転に運転状態が推移するような状況下では、推移後の高負荷運転の際の加湿を推移前の低負荷運転時の排出水蒸気で行うことになる。こうなると、高負荷運転への推移の際に、加湿が不足するような事態が起き得る。高負荷運転と低負荷運転が繰り返されるような場合も同様である。   In general, the fuel cell is cooled by a cooling system, but the fuel cell temperature is high during high load operation and low during low load operation. The amount of water vapor discharged (amount of water vapor discharged) contained in the anode off-gas depends on the anode off-gas temperature (that is, the fuel cell temperature) and increases at high load operation when the fuel cell temperature is high, and at low load operation. Then less. On the other hand, as described above, during high load operation, the need for humidification is higher than during low load operation, so the operating state changes from low load operation with low exhaust water volume to high load operation. Then, the humidification at the time of the high load operation after the transition is performed by the discharged steam at the time of the low load operation before the transition. If this happens, a situation may occur where humidification is insufficient during the transition to high-load operation. The same applies when high load operation and low load operation are repeated.

本発明は、上記した従来技術の問題点を解決するためになされ、燃料電池の運転状態が高負荷運転に推移した際の加湿不足の抑制を図りつつ、構成の簡略化や小型化を図ることをその目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, and is intended to simplify and reduce the size of the fuel cell while suppressing insufficient humidification when the operating state of the fuel cell shifts to a high load operation. Is the purpose.

上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明では、以下の構成を採用した。   In order to achieve at least a part of the above object, the present invention adopts the following configuration.

[適用:燃料電池システム]
湿潤状態でイオン伝導性を発揮する電解質膜を有する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、
前記アノードから排出されるアノードオフガスを前記燃料ガス供給経路に循環させるアノードオフガス経路と、
該アノードオフガス経路のアノードオフガスを前記燃料ガス経路に対して循環させる循環ポンプと、
前記循環ポンプより上流側の前記アノードオフガス経路に配設されてアノードオフガスに晒され、保水済みの水をアノードオフガスの熱により水蒸気に気化した上で該水蒸気をアノードオフガスに混合させてアノードオフガスと水蒸気の混合気を下流に流す水蒸気混合手段と、
前記水蒸気混合手段の保水状態を維持するよう前記水蒸気混合手段に水を供給する水供給手段とを備える
ことを要旨とする。
[Application: Fuel cell system]
A fuel cell system comprising a fuel cell having an electrolyte membrane that exhibits ionic conductivity in a wet state,
A fuel gas supply path for supplying fuel gas to the anode of the fuel cell;
An anode offgas path for circulating the anode offgas discharged from the anode to the fuel gas supply path;
A circulation pump for circulating the anode off gas of the anode off gas path to the fuel gas path;
Arranged in the anode off-gas path upstream of the circulation pump and exposed to the anode off-gas, the water that has been retained is vaporized into water vapor by the heat of the anode off-gas, and then mixed with the anode off-gas to form the anode off-gas. Steam mixing means for flowing a steam mixture downstream;
A gist is provided with a water supply means for supplying water to the steam mixing means so as to maintain the water retention state of the steam mixing means.

上記した燃料電池システムでは、湿潤状態でイオン伝導性を発揮する電解質膜を有する燃料電池のアノードに燃料ガスを供給するに当たり、燃料ガス供給経路から燃料ガスを供給しつつ、アノードオフガス経路を経てアノードオフガスを燃料ガス供給経路に循環ポンプにて循環させ、このアノードオフガスもアノードに供給する。こうしてアノードオフガスをアノードに供給するようにした上で、循環ポンプの上流側では、水蒸気混合手段によりアノードオフガスに水蒸気を混合させるので、アノードにはこの混合した水蒸気が導入され、この水蒸気は電解質膜の湿潤確保に関与する。   In the fuel cell system described above, when supplying fuel gas to the anode of a fuel cell having an electrolyte membrane that exhibits ionic conductivity in a wet state, the fuel gas is supplied from the fuel gas supply route and the anode is passed through the anode off-gas route. The off gas is circulated through the fuel gas supply path by a circulation pump, and this anode off gas is also supplied to the anode. In this way, the anode off gas is supplied to the anode, and on the upstream side of the circulation pump, the water vapor is mixed with the anode off gas by the water vapor mixing means. Therefore, the mixed water vapor is introduced into the anode, and the water vapor is the electrolyte membrane. Involved in ensuring moisture.

水蒸気混合手段によるアノードオフガスへの水蒸気混合は、水供給手段から供給された水を水蒸気混合手段が保水し、この保水済みの水をアノードオフガスが当該ガスの熱により水蒸気に気化させることでなされる。よって、アノードオフガスが高温であれば、換言すれば、燃料電池が高負荷運転となって燃料電池温度、延いてはアノードオフガス温度が高温となれば、水蒸気混合手段が保水済みの水の気化量は多くなる。このため、アノードにアノードオフガスと共に運ばれる水蒸気量は、燃料電池の高負荷運転への推移に伴うアノードオフガス温度上昇と共に多くなる。この場合、水蒸気混合手段より下流側では、水蒸気混合手段での気化によりアノードオフガスの温度は下がるものの、アノードオフガスと共にアノードに運ばれる水蒸気量は、その下がった温度におけるアノードオフガスの飽和水蒸気量にほぼ等しい量となり、アノードには、こうした水蒸気量を有するアノードオフガスが燃料電池の高負荷運転推移に伴って循環供給される。この結果、上記の燃料電池システムによれば、高負荷運転への推移に際しての加湿不足の抑制の実効性が高まる。   Water vapor mixing into the anode off gas by the water vapor mixing means is performed by the water supplied from the water supply means being retained by the water vapor mixing means and the anode off gas evaporating the retained water into water vapor by the heat of the gas. . Therefore, if the anode offgas is high temperature, in other words, if the fuel cell is operated at a high load and the fuel cell temperature is high, and if the anode offgas temperature is high, the amount of water vaporized by the water vapor mixing means is maintained. Will be more. For this reason, the amount of water vapor carried along with the anode off gas to the anode increases as the anode off gas temperature rises as the fuel cell shifts to high load operation. In this case, although the temperature of the anode off-gas is lowered by vaporization in the water-vapor mixing means on the downstream side of the water-vapor mixing means, the amount of water vapor carried to the anode together with the anode off-gas is almost equal to the saturated water vapor amount of the anode off-gas at the lowered temperature. The anode off gas having such an amount of water vapor is circulated and supplied to the anode as the fuel cell operates at a high load. As a result, according to the fuel cell system described above, the effectiveness of suppressing insufficient humidification during the transition to high-load operation increases.

また、水供給手段から水蒸気混合手段への水供給は、水蒸気混合手段での保水状態の維持を図るだけで足りるので、加湿のために水そのものをアノード近傍まで供給する構成と比べると少量で済む。このため、水供給手段による供給水量も少なくて済むので、水供給手段での貯留水量も少なくなる。加えて、アノードに至るまでの管路もアノードオフガス循環のためのアノードオフガス経路で足りる。これらのことから、上記の燃料電池システムによれば、上記した加湿不足の抑制に加え、構成の簡略化やこれに伴う装置の小型化が可能となる。   Further, since the water supply from the water supply means to the water vapor mixing means only needs to maintain the water retention state in the water vapor mixing means, the amount of water is less than that in the configuration where the water itself is supplied to the vicinity of the anode for humidification. . For this reason, since the amount of water supplied by the water supply means can be reduced, the amount of stored water in the water supply means is also reduced. In addition, an anode off-gas route for circulating the anode off-gas is sufficient for the pipe leading to the anode. From these things, according to said fuel cell system, in addition to suppression of the above-mentioned humidification shortage, simplification of a structure and size reduction of the apparatus accompanying this are attained.

上記した燃料電池システムは種々の態様を採ることができ、例えば、前記水蒸気混合手段を、前記水供給手段から供給された水を貯留する水貯留部と、該水貯留部からアノードオフガスに晒される箇所まで延出し、前記水貯留部の水を含浸して保水状態となり、前記アノードオフガス経路を通過するアノードオフガスに晒される多孔質体とを備えるものとできる。この態様では、多孔質体を用いていることから保水が容易となる。しかも、多孔質体が含浸する水貯留部にあっても不用意に多量の水を貯留する必要がないので、機器構成の小型化が可能となる。   The fuel cell system described above can take various forms. For example, the water vapor mixing unit is exposed to a water storage unit that stores the water supplied from the water supply unit, and the anode off gas from the water storage unit. And a porous body that is impregnated with water in the water storage portion to be in a water retaining state and exposed to the anode off gas passing through the anode off gas path. In this embodiment, water retention becomes easy because the porous body is used. Moreover, since it is not necessary to inadvertently store a large amount of water even in the water storage part impregnated with the porous body, the device configuration can be reduced in size.

また、前記水供給手段から水蒸気混合手段への水供給を、前記燃料電池の運転状態が低負荷運転にある間において、前記水蒸気混合手段への水供給を実行するようにできる。こうすれば、低負荷運転から高負荷運転に推移する以前に水供給、並びに水蒸気混合手段での保水状態の発現・維持が可能となるので、高負荷運転推移当初からの加湿不足の抑制に有益となる。   Further, the water supply from the water supply means to the water vapor mixing means can be performed while the fuel cell is in a low load operation. In this way, water supply and the water retention state in the steam mixing means can be expressed and maintained before the transition from low load operation to high load operation, which is beneficial for suppressing dampening from the beginning of the transition to high load operation. It becomes.

この場合、前記水供給手段から水蒸気混合手段への水供給を前記水蒸気混合手段の前記水貯留部が所定の貯留水位の状態となるまで行うようにできる。こうすれば、高負荷運転への推移以前における水蒸気混合手段での保水状態の発現・維持がより確実となるので、高負荷運転推移当初からの加湿不足の抑制により有益である。   In this case, water supply from the water supply means to the water vapor mixing means can be performed until the water storage portion of the water vapor mixing means reaches a predetermined stored water level. By doing so, the water retention state in the steam mixing means before the transition to the high load operation is more surely expressed and maintained, which is beneficial in suppressing the lack of humidification from the beginning of the transition to the high load operation.

また、前記水供給手段を、前記アノードオフガス経路を通過するアノードオフガスから水分を分離し、該分離した水分を貯留しつつ、水分分離後のガスを下流に流す気液分離器を備えるものとできる。この態様では、アノードオフガスに混ざっている水分を有効利用できると共に、水蒸気混合手段への水供給だけを行う機器を設ける必要がないことから、機器構成を簡略化できる。   Further, the water supply means can be provided with a gas-liquid separator that separates moisture from the anode off-gas passing through the anode off-gas path and flows the gas after moisture separation downstream while storing the separated moisture. . In this aspect, the water mixed in the anode off gas can be used effectively, and it is not necessary to provide a device that only supplies water to the water vapor mixing means, so that the device configuration can be simplified.

このように気液分離器を備えるようにするに当たり、前記気液分離器における水分の貯留部の満水水位面が前記水蒸気混合手段の前記水貯留部の所定の貯留水位の水位面と同じ高さとなるように前記気液分離器を配置した上で、前記水分の貯留部と前記水蒸気混合手段の前記水貯留部とを連通する連通管路に、管路を開閉する開閉弁を備えるようにできる。こうすれば、開閉弁の開弁により容易に水蒸気混合手段の水貯留部を所定の貯留水位の状態にできる。なお、開閉弁の閉弁により、水蒸気混合手段の水貯留部を気液分離器から切り離すことができるので、水蒸気混合手段の水貯留部を所定の貯留水位とした後の水位維持も容易である。   Thus, when the gas-liquid separator is provided, the full water level surface of the water storage portion in the gas-liquid separator has the same height as the water level surface of the predetermined storage water level of the water storage portion of the steam mixing means. In addition, the gas-liquid separator can be arranged so that an open / close valve that opens and closes the pipe line is provided in a communication pipe line that communicates the water storage part and the water storage part of the water vapor mixing means. . If it carries out like this, the water storage part of a water vapor | steam mixing means can be easily made into the state of a predetermined storage water level by valve opening of an on-off valve. Since the water storage part of the steam mixing means can be separated from the gas-liquid separator by closing the on-off valve, it is easy to maintain the water level after setting the water storage part of the steam mixing means to a predetermined storage water level. .

また、前記水蒸気混合手段を、前記水貯留部を前記燃料電池の発する熱により加熱する加熱部を備えるものとできる。こうすれば、水貯留部の水を予め昇温させておいてから多孔質体にて気化させることができるので、アノードオフガスによる水の気化を速やかに行うことができる。よって、高負荷運転への推移当初から速やかにアノードオフガス中の水蒸気による加湿を行うようにできる。しかも、気化対象の水が予め昇温されていることから、気化に要する熱量が少なくなりアノードオフガスの温度低下を抑制できるので、アノードオフガスへの水蒸気混合量が高負荷運転推移の当初から増えることになる。これらのことから、加熱部により水貯留部を予め加熱することにより、高負荷運転への推移の際の加湿不足をより高い実効性で抑制できる。   The water vapor mixing means may include a heating unit that heats the water storage unit with heat generated by the fuel cell. If it carries out like this, since it can vaporize with a porous body after raising the temperature of the water of a water storage part beforehand, vaporization of the water by anode off gas can be performed rapidly. Therefore, humidification with water vapor in the anode off-gas can be performed quickly from the beginning of the transition to high-load operation. In addition, since the water to be vaporized is preheated, the amount of heat required for vaporization is reduced and the temperature decrease of the anode offgas can be suppressed, so that the amount of steam mixed into the anode offgas increases from the beginning of the high load operation transition. become. From these facts, by preheating the water storage part with the heating part, it is possible to suppress the lack of humidification during the transition to the high load operation with higher effectiveness.

また、ポンプ制御手段により前記循環ポンプを駆動制御して、前記アノードオフガス経路からのアノードオフガスの循環比を増減調整するようにし、前記燃料電池の運転状態が前記電解質膜の湿潤不足をもたらし得る状況となると、アノードオフガスの循環比が増えるようにすることもできる。こうすれば、アノードオフガスに混合してアノードに運ばれる水蒸気量も増えることから、電解質膜の湿潤低下の解消もしくは抑制に有益となる。   In addition, the circulation control of the circulation pump of the anode offgas from the anode offgas path may be adjusted by adjusting the circulation pump by the pump control means, and the operating state of the fuel cell may cause insufficient wetting of the electrolyte membrane Then, the circulation ratio of the anode off gas can be increased. This increases the amount of water vapor that is mixed with the anode off-gas and carried to the anode, which is beneficial for eliminating or suppressing the decrease in the wetness of the electrolyte membrane.

この場合、ポンプ制御手段による前記循環ポンプの駆動制御に際して、アノードオフガスの湿度に基づいて前記電解質膜の湿潤状況を把握し、前記湿度が低いほどアノードオフガスの循環比が増えるようにすれば、より簡便に電解質膜の湿潤低下の解消もしくは抑制を図ることができる。   In this case, when driving the circulation pump by the pump control means, the wet state of the electrolyte membrane is grasped based on the humidity of the anode off gas, and the circulation ratio of the anode off gas increases as the humidity decreases. It is possible to easily eliminate or suppress the decrease in the wetness of the electrolyte membrane.

以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図1は実施例の燃料電池システム100の概略構成を説明する説明図である。本実施例における燃料電池システム100は、燃料電池10とその制御装置70を備える。この燃料電池10は、固体高分子型燃料電池であり、一つの発電単位(セル)を複数積層したスタック構造を備えるが個々のスタックについてはその説明を省略する。燃料電池10は、電解質膜12とアノード14とカソード16とを備える。なお、アノード14とカソード16は、発電を安定して行うための拡散層、流路構造や発電に必要な触媒層を有するが、これらについては図示を省略した。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating a schematic configuration of a fuel cell system 100 according to an embodiment. The fuel cell system 100 in this embodiment includes the fuel cell 10 and its control device 70. The fuel cell 10 is a polymer electrolyte fuel cell and has a stack structure in which a plurality of power generation units (cells) are stacked, but the description of each stack is omitted. The fuel cell 10 includes an electrolyte membrane 12, an anode 14, and a cathode 16. The anode 14 and the cathode 16 have a diffusion layer for stably generating power, a flow path structure and a catalyst layer necessary for power generation, but these are not shown.

電解質膜12は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。本実施例では、ナフィオン膜(デュポン社製:ナフィオンは登録商標)を使用した。アノード14は、後述のガス供給系から電解質膜12に水素リッチガスを供給し、カソード16は、電解質膜12に酸素含有ガス、例えば空気を電解質膜12に供給する。   The electrolyte membrane 12 is a proton conductive ion exchange membrane formed of a solid polymer material, for example, a fluorine-based resin, and exhibits good electrical conductivity in a wet state. In this example, a Nafion membrane (manufactured by DuPont: Nafion is a registered trademark) was used. The anode 14 supplies a hydrogen-rich gas to the electrolyte membrane 12 from a gas supply system, which will be described later, and the cathode 16 supplies an oxygen-containing gas, such as air, to the electrolyte membrane 12.

燃料電池システム100は、空気供給経路20を経てポンプ22により空気をカソード16に供給し、カソード16から排出されるカソードオフガスをオフガス経路24から排出する。燃料電池システム100は、空気供給経路20とオフガス経路24にかけて加湿器21を備え、この加湿器により加湿した状態で空気をカソード16に供給する。オフガス経路24には圧力調整弁26が配設され、カソード16へは、燃料電池10の反応に必要な空気量に加え、安定な発電を行うための余剰の空気を含め、ポンプ22により空気が供給される。   The fuel cell system 100 supplies air to the cathode 16 by the pump 22 through the air supply path 20, and discharges the cathode offgas discharged from the cathode 16 from the offgas path 24. The fuel cell system 100 includes a humidifier 21 over the air supply path 20 and the off-gas path 24, and supplies air to the cathode 16 while being humidified by the humidifier. A pressure regulating valve 26 is disposed in the off-gas path 24, and air is supplied to the cathode 16 by the pump 22, including surplus air for stable power generation in addition to the amount of air necessary for the reaction of the fuel cell 10. Supplied.

燃料電池システム100は、水素ガス供給経路30とアノードオフガス経路34とを備える。水素ガス供給経路30は、図示しない水素タンク、改質装置等の水素リッチガス供給源からの水素リッチガスを、圧力調整弁32での所定の圧力調整を経た上でアノード14に供給する。アノードオフガス経路34は、アノード14から排出されるアノードオフガスを、循環ポンプ36により圧送して水素ガス供給経路30に循環させる。このため、アノードオフガス中の未使用の水素に加え、常に反応に必要な水素ガスが燃料電池10のアノード14に供給されることになる。   The fuel cell system 100 includes a hydrogen gas supply path 30 and an anode offgas path 34. The hydrogen gas supply path 30 supplies a hydrogen rich gas from a hydrogen rich gas supply source such as a hydrogen tank and a reformer (not shown) to the anode 14 after a predetermined pressure adjustment by the pressure adjustment valve 32. The anode off gas passage 34 circulates the anode off gas discharged from the anode 14 to the hydrogen gas supply passage 30 by being pumped by a circulation pump 36. For this reason, in addition to unused hydrogen in the anode off-gas, hydrogen gas necessary for the reaction is always supplied to the anode 14 of the fuel cell 10.

このアノードオフガス経路34は、循環ポンプ36より上流側に、アノード14の側から、水蒸気混合器40と、気液分離器50とを備える。気液分離器50は、アノードオフガス経路34を通過するアノードオフガスから水分を分離し、該分離した水分を貯留容器52に貯留しつつ、水分分離後のガス(アノードオフガス)を下流に流す。この気液分離器50は、ガス中の水分を分離するものの、ガスに混合した水蒸気を通過させる。そして、この気液分離器50は、貯留容器52の満水水位が水蒸気混合器40の満水水位と一致するよう、図示しない固定具にて固定され、貯留容器52からの排水経路54と当該経路から分岐して水蒸気混合器40の底部側に至る連通経路60とを経て、水蒸気混合器40に貯留容器52の水を供給する。この場合、水蒸気混合器40への水供給は、連通経路60に設けた開閉バルブ62の管路開放の間に行われ、貯留容器52からの水排出は、排水経路54に設けた開閉バルブ56の管路開放を経て行われる。これらバルブの制御については後述する。   The anode off-gas passage 34 includes a water vapor mixer 40 and a gas-liquid separator 50 on the upstream side of the circulation pump 36 from the anode 14 side. The gas-liquid separator 50 separates moisture from the anode off-gas that passes through the anode off-gas passage 34, and stores the separated moisture in the storage container 52 while flowing the gas after moisture separation (anode off-gas) downstream. This gas-liquid separator 50 separates moisture in the gas, but allows water vapor mixed with the gas to pass therethrough. The gas-liquid separator 50 is fixed by a fixture (not shown) so that the full water level of the storage container 52 matches the full water level of the steam mixer 40, and the drainage path 54 from the storage container 52 and the path are connected to the gas-liquid separator 50. The water in the storage container 52 is supplied to the steam mixer 40 through the communication path 60 that branches and reaches the bottom side of the steam mixer 40. In this case, the water supply to the steam mixer 40 is performed while the opening / closing valve 62 provided in the communication path 60 is opened, and the water discharge from the storage container 52 is performed using the opening / closing valve 56 provided in the drainage path 54. This is done after the pipeline is opened. Control of these valves will be described later.

水蒸気混合器40は、アノード14からのアノードオフガスに晒され、保水済みの水をアノードオフガスの熱により水蒸気に気化した上でその水蒸気をアノードオフガスに混合させてアノードオフガスと水蒸気の混合気を下流に流すべく、次の構成を備える。図2は水蒸気混合器40の構成を概略的に示す説明図である。図示するように、水蒸気混合器40は、上下に分割可能な密閉容器として構成され、その下方側を、気液分離器50から供給された水を貯留する水貯留ケース44とし、上方側を、当該ケースに気密に装着されるキャップ46とする。そして、この水蒸気混合器40は、水貯留ケース44にキャップ46を気密に装着した状態で、内部に柱状の多孔質体42を備える。   The water vapor mixer 40 is exposed to the anode off gas from the anode 14 and vaporizes the retained water into water vapor by the heat of the anode off gas, and then mixes the water vapor with the anode off gas, thereby downstream the gas mixture of the anode off gas and water vapor. In order to make it flow, the following configuration is provided. FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing the configuration of the steam mixer 40. As shown in the drawing, the water vapor mixer 40 is configured as a hermetically sealed container that can be divided into upper and lower parts, and the lower side is a water storage case 44 that stores water supplied from the gas-liquid separator 50, and the upper side is The cap 46 is airtightly attached to the case. The water vapor mixer 40 includes a columnar porous body 42 in a state where the cap 46 is airtightly attached to the water storage case 44.

多孔質体42は、図示しない固定具にて水貯留ケース44とキャップ46に支えられ、水貯留ケース44の水に下端側を常時含浸させた状態で、当該貯留ケースからキャップ46の上端まで延出している。よって、この多孔質体42は、水貯留ケース44の水に含浸している領域から水を吸い上げて多孔質体全域を常に保水状態としつつ、アノード14側のアノードオフガス経路34からキャップ46に入り込んだアノードオフガスに晒されることになる。このため、多孔質体42は、アノードオフガスに晒される範囲において、保水済みの水をアノードオフガスの熱により水蒸気に気化させ、その水蒸気をアノードオフガスに混合させてアノードオフガスと水蒸気の混合気(水蒸気・アノードオフガス混合気)を下流のアノードオフガス経路34に流す。この水蒸気・アノードオフガス混合気は、気液分離器50にて水としてガス中に混じった水分が除去された後に、循環ポンプ36にて圧送され、水素ガス供給経路30を流れる水素リッチガスと共にアノード14に供給されることになる。水蒸気混合器40を介した水蒸気の混合に伴い水貯留ケース44の水量は減少するが、気液分離器50は、後述するバルブ制御を経て水蒸気混合器40の水貯留ケース44に水を供給する。よって、水蒸気混合器40における水貯留ケース44の貯留水量は確保されると共に、多孔質体42の保水状態も維持される。   The porous body 42 is supported by the water storage case 44 and the cap 46 by a fixture (not shown), and extends from the storage case to the upper end of the cap 46 in a state where the lower end side is always impregnated in the water of the water storage case 44. I'm out. Therefore, the porous body 42 sucks water from the water-impregnated region of the water storage case 44 to keep the entire porous body in a water-retaining state, and enters the cap 46 from the anode off-gas passage 34 on the anode 14 side. It will be exposed to anode off gas. For this reason, the porous body 42 vaporizes the retained water into water vapor by the heat of the anode off gas within a range exposed to the anode off gas, and mixes the water vapor with the anode off gas to mix the anode off gas and water vapor (water vapor). The anode off-gas mixture) is passed through the downstream anode off-gas path 34; The water vapor / anode off-gas mixture is removed by the gas-liquid separator 50 as water and mixed in the gas, and then pumped by the circulation pump 36 and together with the hydrogen-rich gas flowing through the hydrogen gas supply path 30 together with the anode 14. Will be supplied. Although the amount of water in the water storage case 44 decreases as the water vapor is mixed through the water vapor mixer 40, the gas-liquid separator 50 supplies water to the water storage case 44 of the water vapor mixer 40 through valve control described later. . Therefore, the water storage amount of the water storage case 44 in the water vapor mixer 40 is ensured, and the water retention state of the porous body 42 is also maintained.

この図2に示すように、水貯留ケース44における満水水位は当該ケースのほぼ上端に設定されている。この満水水位は、水貯留ケース44の水を多孔質体42を介してアノードオフガスに水蒸気に気化した上で混合させてアノードに供給する最大量(最大水蒸気量)を規定する。一方、燃料電池システム100を搭載した車両は、急加速や登坂等の燃料電池10の高負荷運転を必要とする運転状態を取るものの、こうした高負荷運転状態は燃料電池10の運転期間の全期間に亘ることはまれであり、通常、高負荷運転と低負荷運転を繰り返す。よって、本実施例では、通常の運転状況下で燃料電池10が高負荷運転となった際において電解質膜湿潤のためのアノードへの水蒸気供給を賄えるよう、水貯留ケース44の満水水位(最大貯留量)を設定した。また、図2に示すような水位が満水水位であれば、多孔質体42を確実にアノードオフガスに晒すようにできる。   As shown in FIG. 2, the full water level in the water storage case 44 is set almost at the upper end of the case. This full water level defines the maximum amount (maximum water vapor amount) supplied to the anode after vaporizing the water in the water storage case 44 into the anode off-gas via the porous body 42 into the water vapor. On the other hand, a vehicle equipped with the fuel cell system 100 takes an operation state that requires high load operation of the fuel cell 10 such as sudden acceleration or climbing, but such a high load operation state is the entire operation period of the fuel cell 10. It is rare to go over and usually repeat high load operation and low load operation. Therefore, in the present embodiment, the full water level (maximum storage) of the water storage case 44 is provided so that the fuel cell 10 can be supplied with water vapor to the anode for wetting the electrolyte membrane when the fuel cell 10 is in a high load operation under normal operating conditions. Amount). Moreover, if the water level as shown in FIG. 2 is a full water level, the porous body 42 can be reliably exposed to the anode off gas.

多孔質体42を採択するに当たり、本実施例では、燃料電池10の運転温度とほぼ同じ温度となり得るアノードオフガスに晒される場合の耐食性を考慮して、多孔質体42を金属多孔体から形成した。また、多孔質体42の全域を水貯留ケース44の水を吸い上げて常に保水状態とできるよう、孔の連続性を確保しつつ微細な孔を確保することとした。こうした孔形成を経た金属多孔質体の一例としては、発泡手法を用いたいわゆる発泡金属多孔質体などが挙げられる。   In adopting the porous body 42, in this embodiment, the porous body 42 is formed from a metal porous body in consideration of corrosion resistance when exposed to an anode off-gas that can be substantially the same temperature as the operating temperature of the fuel cell 10. . Further, the fine holes are secured while ensuring the continuity of the holes so that the entire area of the porous body 42 can be sucked up by the water in the water storage case 44 and always kept in the water retaining state. As an example of the metal porous body that has undergone such pore formation, a so-called foamed metal porous body using a foaming technique can be cited.

燃料電池システム100が有する制御装置70は、コンピュータとして構成され、論理演算を実行するCPU、後述するプログラムを記憶したROM、データの一時的書き換えを行うRAM、データの入出力ポート等を備える。そして、この制御装置70は、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ72のセンサ信号に基づいて燃料電池10の運転負荷の状態を把握するほか、上記した圧力調整弁32や圧力調整弁26のほか、開閉バルブ56や開閉バルブ62を統括制御する。なお、アクセル開度センサ72は、燃料電池システム100が車両に搭載されていることを想定した場合のものであり、燃料電池システム100が発電システム等に用いられていれば発電量設定スイッチ等からの信号により燃料電池10の運転負荷が把握される。   The control device 70 included in the fuel cell system 100 is configured as a computer, and includes a CPU that executes logical operations, a ROM that stores a program to be described later, a RAM that temporarily rewrites data, a data input / output port, and the like. The control device 70 grasps the state of the operating load of the fuel cell 10 based on the sensor signal of the accelerator opening sensor 72 that detects the accelerator opening, and also controls the pressure adjusting valve 32 and the pressure adjusting valve 26 described above. In addition, the open / close valve 56 and the open / close valve 62 are collectively controlled. The accelerator opening sensor 72 is assumed when the fuel cell system 100 is mounted on a vehicle. If the fuel cell system 100 is used in a power generation system or the like, a power generation amount setting switch or the like is used. The operating load of the fuel cell 10 is grasped by the signal.

次に、上記した構成を有する燃料電池システム100で実現されるアノードオフガスへの水蒸気混合の様子について説明する。図3は燃料電池システム100の運転期間におけるバルブ駆動の様子に対応付けてアノードオフガスへの水蒸気混合の様子を説明する説明図である。   Next, a description will be given of how water vapor is mixed with the anode off-gas realized in the fuel cell system 100 having the above-described configuration. FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining the state of water vapor mixing into the anode off-gas in association with the state of valve driving during the operation period of the fuel cell system 100.

図示するように、イグニッションスイッチ(IGN)がONされる以前においては、気液分離器50からの排水経路54の開閉バルブ56と連通経路60における開閉バルブ62は、共に管路閉鎖の状態(バルブ状態A)とされている。こうしたバルブ状態Aへのバルブ駆動は、後述するようにIGNスイッチOFFの際に実行され、気液分離器50の貯留容器52と水蒸気混合器40の水貯留ケース44は、共に水の貯留がない状態とされている。IGNスイッチがONとされると、制御装置70は、これを受けて水素ガス供給経路30の圧力調整弁32や空気供給経路20のポンプ22、オフガス経路24の圧力調整弁26、アノードオフガス経路34の循環ポンプ36を駆動制御すると共に、開閉バルブ62を開放駆動する(バルブ状態B)。そうすると、燃料電池10への水素リッチガス供給・空気供給が開始されるので、燃料電池10は発電を開始し、気液分離器50はアノード14からのアノードオフガスに含まれる水分を分離する。こうして分離された水は、開閉バルブ56が閉鎖で開閉バルブ62が開放であることから水蒸気混合器40の水貯留ケース44に貯留される。つまり、水貯留ケース44への注水が開始されることになる。このように水貯留ケース44に注水されると、水貯留ケース44に貯留された水は、多孔質体42を浸すので、多孔質体42は、水を吸い上げてその全域に亘って保水状態となる。   As shown in the figure, before the ignition switch (IGN) is turned ON, the opening / closing valve 56 of the drainage path 54 from the gas-liquid separator 50 and the opening / closing valve 62 of the communication path 60 are both closed (valves). State A). The valve drive to the valve state A is executed when the IGN switch is turned off as will be described later, and the storage container 52 of the gas-liquid separator 50 and the water storage case 44 of the steam mixer 40 do not store water. It is in a state. When the IGN switch is turned ON, the control device 70 receives this, the pressure adjustment valve 32 of the hydrogen gas supply path 30, the pump 22 of the air supply path 20, the pressure adjustment valve 26 of the offgas path 24, and the anode offgas path 34. And the open / close valve 62 is driven to open (valve state B). Then, since the hydrogen rich gas supply / air supply to the fuel cell 10 is started, the fuel cell 10 starts power generation, and the gas-liquid separator 50 separates the moisture contained in the anode off-gas from the anode 14. The water thus separated is stored in the water storage case 44 of the water vapor mixer 40 because the open / close valve 56 is closed and the open / close valve 62 is open. That is, water injection into the water storage case 44 is started. When water is poured into the water storage case 44 in this way, the water stored in the water storage case 44 immerses the porous body 42, so that the porous body 42 sucks up water and is in a water retaining state over the entire area. Become.

気液分離器50での水分離、水貯留ケース44への注水が進むと、水蒸気混合器40の水貯留ケース44の水位は上昇し、水貯留ケース44は満水状態となる。この状態では、貯留容器52の水位と水貯留ケース44の水位は同じとなる。制御装置70は、水貯留ケース44の満水水位が発現するまでの期間に亘って、開閉バルブ56の閉弁制御、開閉バルブ62の開弁制御を継続し、満水となると、水貯留ケース44を貯留容器52から切り離すべく開閉バルブ62を閉弁駆動する(バルブ状態C)。これにより、水蒸気混合器40は、多孔質体42での水の気化を介したアノードオフガスへの水蒸気混合を、水貯留ケース44の満水水位の状態から行えるようにする。なお、制御装置70は、IGNONからの経過時間の計測結果、或いは水蒸気混合器40に設けた図示しない水位センサからの満水信号入力等により満水水位の発現の有無を判定し、開閉バルブ62を閉弁する。   When water separation in the gas-liquid separator 50 and water injection into the water storage case 44 proceed, the water level of the water storage case 44 of the water vapor mixer 40 rises and the water storage case 44 becomes full. In this state, the water level of the storage container 52 and the water level of the water storage case 44 are the same. The control device 70 continues the valve closing control of the opening / closing valve 56 and the valve opening control of the opening / closing valve 62 over a period until the full water level of the water storage case 44 is expressed. The on-off valve 62 is driven to close from the storage container 52 (valve state C). As a result, the water vapor mixer 40 allows the water vapor mixing into the anode off-gas through the vaporization of water in the porous body 42 from the water level of the water storage case 44. The control device 70 determines whether or not the full water level has been generated based on the measurement result of the elapsed time from IGNON or the full water signal input from a water level sensor (not shown) provided in the steam mixer 40, and closes the open / close valve 62. I speak.

水貯留ケース44が満水となる場合には、気液分離器50の貯留容器52も満水となる。貯留容器52が満水のままでは、それ以降の気液分離器50による気液分離に支障が出るので、制御装置70は、連通経路60の開閉バルブ62を閉弁したまま排水経路54の開閉バルブ56を開弁駆動する(バルブ状態D)。これにより、貯留容器52内の水は排水経路54を経て外部に排出され、貯留容器52は空となる。制御装置70は、開閉バルブ56の開弁を貯留容器52が空になるまでの所定期間に亘って行った後、開閉バルブ62を閉弁したまま開閉バルブ56を閉弁駆動する(バルブ状態E)。これにより、気液分離器50は、気液分離を継続して行いつつ、次回以降の水貯留ケース44への注水に備えて貯留容器52に水を貯留する。   When the water storage case 44 is full, the storage container 52 of the gas-liquid separator 50 is also full. If the storage container 52 remains full, the gas-liquid separation by the gas-liquid separator 50 thereafter will be hindered. Therefore, the control device 70 opens and closes the open / close valve of the drainage path 54 with the open / close valve 62 of the communication path 60 closed. 56 is opened (valve state D). Thereby, the water in the storage container 52 is discharged | emitted outside through the drainage path 54, and the storage container 52 becomes empty. The control device 70 opens the opening / closing valve 56 for a predetermined period until the storage container 52 becomes empty, and then drives the opening / closing valve 56 to close with the opening / closing valve 62 closed (valve state E). ). Thereby, the gas-liquid separator 50 stores water in the storage container 52 in preparation for water injection to the water storage case 44 from the next time onward, while continuously performing gas-liquid separation.

このバルブ状態Eに移った後において気液分離器50での水分分離・水貯留は継続されることから、貯留容器52の水位は上がり、やがて満水となる。よって、制御装置70は、上記のバルブ状態Eに推移した後からの経過時間の計測結果、或いは貯留容器52の水位センサからの満水信号等により、開閉バルブ56と開閉バルブ62の状態をバルブ状態Dに推移させて貯留容器52の水を排出した後に、再度、バルブ状態Eに推移させ、このバルブ状態Dとバルブ状態Eを繰り返し発現させる。図4はバルブ状態の推移を説明するための説明図である。   After shifting to the valve state E, the water separation and water storage in the gas-liquid separator 50 are continued, so that the water level of the storage container 52 rises and eventually becomes full. Therefore, the control device 70 determines the state of the on-off valve 56 and the on-off valve 62 based on the measurement result of the elapsed time after transitioning to the valve state E or the full signal from the water level sensor of the storage container 52. After the transition to D and the water in the storage container 52 is discharged, the transition to the valve state E is performed again, and the valve state D and the valve state E are repeatedly expressed. FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining the transition of the valve state.

既述したように、水貯留ケース44の満水水位、即ち貯水量は、通常の運転状況下で燃料電池10が高負荷運転となった際において電解質膜湿潤のためのアノードへの水蒸気供給を賄える量とされている。よって、図4に示すように、開閉バルブ56と開閉バルブ62とをバルブ状態Dからバルブ状態Eに推移させた後に水貯留ケース44の水位が低下しても(バルブ状態E1)、バルブ状態Dへのバルブ推移3、バルブ状態Dからバルブ状態Eへのバルブ推移1、バルブ状態Eからバルブ状態E1へのバルブ推移2、上記バルブ推移3を繰り返せばよい。   As described above, the full water level of the water storage case 44, that is, the amount of stored water, can supply water vapor to the anode for wetting the electrolyte membrane when the fuel cell 10 is under high load operation under normal operating conditions. It is said to be a quantity. Therefore, as shown in FIG. 4, even if the water level of the water storage case 44 decreases after the opening / closing valve 56 and the opening / closing valve 62 are changed from the valve state D to the valve state E (valve state E1), the valve state D The valve transition 3, the valve transition 1 from the valve state D to the valve state E, the valve transition 2 from the valve state E to the valve state E1, and the above valve transition 3 may be repeated.

その一方、燃料電池10の運転が長時間に及ぶような場合や、高負荷運転が頻繁に起きるような場合には、満水状態にあった水貯留ケース44の水が多孔質体42でのガスによる気化により減少して水位が通常より低下し、貯水不足となるようなこともある。こうした事態に対処するため、制御装置70は、開閉バルブ56と開閉バルブ62とをバルブ状態Eに推移させた後に水貯留ケース44の水量不足の状態となると(バルブ状態E1)、開閉バルブ62を一旦開弁制御してバルブ状態Bとする(バルブ推移4)。こうなると、それまでに貯留容器52の水位は44の満水もしくはこれに近い水位にあることから、水貯留ケース44への注水が行われる。この場合、制御装置70は、バルブ状態E推移後からの経過時間の計測結果、水貯留ケース44の水位センサからの水位不足信号等により上記したバルブ推移4を行い、水貯留ケース44が満水となるまでバルブ状態Bを維持し、その後、バルブ状態C、バルブ状態Dへとバルブ状態を推移させる。こうすることで、水貯留ケース44に水量不足を来すことが無いようにできる。   On the other hand, when the operation of the fuel cell 10 takes a long time or when the high load operation frequently occurs, the water in the water storage case 44 that has been filled with water is gas in the porous body 42. It may decrease due to vaporization by the water, the water level will be lower than usual, and water storage will be insufficient. In order to cope with such a situation, the control device 70 moves the opening / closing valve 56 and the opening / closing valve 62 to the valve state E and then enters the opening / closing valve 62 when the water storage case 44 becomes in a state where the water amount is insufficient (valve state E1). Once the valve opening is controlled, the valve state B is set (valve transition 4). In this case, since the water level of the storage container 52 is at or near the water level 44, water is poured into the water storage case 44. In this case, the control device 70 performs the valve transition 4 described above based on the measurement result of the elapsed time after the transition of the valve state E, the water level shortage signal from the water level sensor of the water storage case 44, etc. The valve state B is maintained until the valve state B is reached, and then the valve state is shifted to the valve state C and the valve state D. By doing so, it is possible to prevent the water storage case 44 from being short of water.

IGNがOFFとされ燃料電池10の運転が停止されると、制御装置70は、一旦、開閉バルブ62を開弁駆動し(バルブ状態F)、その後、開閉バルブ56についてもこれを開弁駆動する(バルブ状態G)。これにより、水貯留ケース44および貯留容器52の水は排出され、両容器は空となる。制御装置70は、容器が空となった後に、開閉バルブ56と開閉バルブ62を共に閉弁駆動して両バルブを既述したバルブ状態Aとする。再びIGNがONとなると、制御装置70は、既述したバルブ状態Bから順に各バルブ状態が発現するよう、開閉バルブ56と開閉バルブ62を駆動制御する。   When the IGN is turned OFF and the operation of the fuel cell 10 is stopped, the control device 70 once opens and opens the opening / closing valve 62 (valve state F), and then opens and closes the opening / closing valve 56. (Valve state G). Thereby, the water of the water storage case 44 and the storage container 52 is discharged | emitted, and both containers become empty. After the container is emptied, the control device 70 drives both the on-off valve 56 and the on-off valve 62 to close the valve state A as described above. When the IGN is turned ON again, the control device 70 drives and controls the open / close valve 56 and the open / close valve 62 so that the respective valve states appear in order from the valve state B described above.

上記構成を有する本実施例の燃料電池システム100では、次のようにして電解質膜12の湿潤維持を図る。燃料電池システム100は、アノード14に水素リッチガスを供給するに当たり、水素ガス供給経路30から水素リッチガスを供給しつつ、アノードオフガス経路34を経てアノードオフガスを水素ガス供給経路30に循環ポンプ36にて循環させ、このアノードオフガスもアノード14に供給する。こうしてアノード14に供給されるアノードオフガスは、アノード14からの出口側に位置する水蒸気混合器40を通過する。水蒸気混合器40はアノードオフガスに晒される多孔質体42を保水状態としているので、アノードオフガスは、多孔質体42の保水済みの水をオフガス自体の熱により気化させて水蒸気とし、この水蒸気を混合させた状態で下流に流れ、上記したように水素リッチガス共にアノード14に至る。つまり、燃料電池システム100は、水を水蒸気の状態でアノード14に至らしめることで、電解質膜12の加湿、即ち電解質膜12の湿潤確保を行う。   In the fuel cell system 100 of the present embodiment having the above-described configuration, the electrolyte membrane 12 is kept wet as follows. In supplying the hydrogen rich gas to the anode 14, the fuel cell system 100 supplies the hydrogen rich gas from the hydrogen gas supply path 30 and circulates the anode off gas to the hydrogen gas supply path 30 through the circulation pump 36 through the anode offgas path 34. The anode off gas is also supplied to the anode 14. The anode off gas supplied to the anode 14 in this way passes through the water vapor mixer 40 located on the outlet side from the anode 14. Since the water vapor mixer 40 keeps the porous body 42 exposed to the anode off-gas, the anode off-gas vaporizes the water retained in the porous body 42 by the heat of the off-gas itself to produce water vapor, and mixes this water vapor. In this state, the gas flows downstream and reaches the anode 14 together with the hydrogen-rich gas as described above. In other words, the fuel cell system 100 humidifies the electrolyte membrane 12, that is, ensures the wetness of the electrolyte membrane 12 by bringing water to the anode 14 in the state of water vapor.

このように、燃料電池システム100では、電解質膜加湿のための水蒸気供給を行うに当たり、多孔質体42が保水済みの水をアノードオフガス自体が有する熱により気化させている。よって、燃料電池10が高負荷運転に推移して燃料電池温度が高くなり、それに応じてアノードオフガスも高温となれば、多孔質体42に保水済みの水の気化量は多くなる。このため、アノード14にアノードオフガスと共に運ばれる水蒸気量は、燃料電池10の高負荷運転への推移に伴うアノードオフガス温度上昇と共に多くなる。この場合、水蒸気混合器40より下流側では、多孔質体42での気化によりアノードオフガスの温度は下がるものの、アノードオフガスと共にアノード14に運ばれる水蒸気量は、その下がった温度におけるアノードオフガスの飽和水蒸気量にほぼ等しい量となり、アノード14には、こうした水蒸気量を有するアノードオフガスが燃料電池10の高負荷運転推移に伴って循環供給される。この結果、本実施例の燃料電池システム100によれば、高負荷運転への推移に際しての加湿不足を高い実効性で抑制できる。しかも、燃料電池10が高負荷運転となれば、アノードオフガスの流量も増すことから水蒸気としてアノードオフガスと共にアノード14に供給される水分量も増えるので、加湿不足の抑制により有益となる。   As described above, in the fuel cell system 100, when the water vapor is supplied for humidifying the electrolyte membrane, the water retained in the porous body 42 is vaporized by the heat of the anode off gas itself. Therefore, if the fuel cell 10 shifts to a high load operation and the fuel cell temperature rises and the anode off-gas rises accordingly, the amount of water vaporized in the porous body 42 increases. For this reason, the amount of water vapor carried to the anode 14 together with the anode off-gas increases as the anode off-gas temperature rises with the transition of the fuel cell 10 to a high load operation. In this case, although the temperature of the anode off-gas is lowered by vaporization in the porous body 42 on the downstream side of the water vapor mixer 40, the amount of water vapor carried to the anode 14 together with the anode off-gas is the saturated water vapor of the anode off-gas at the lowered temperature. An anode off gas having such a water vapor amount is circulated and supplied to the anode 14 as the fuel cell 10 undergoes a high load operation. As a result, according to the fuel cell system 100 of the present embodiment, it is possible to suppress dampness deficiency during transition to high load operation with high effectiveness. Moreover, if the fuel cell 10 is operated at a high load, the flow rate of the anode off-gas increases, so the amount of water supplied to the anode 14 together with the anode off-gas as water vapor increases, which is beneficial for suppressing insufficient humidification.

また、本実施例では、アノードオフガスにより水を気化させるに当たり、水貯留ケース44に水を貯め、その水を多孔質体42に吸わせて保水させた上で、この多孔質体42をアノードオフガスに晒されるようにするだけで足りる。よって、水の気化のための熱源を用意する必要がないので、構成が簡便となる。しかも、多孔質体42を水貯留ケース44に含浸させれば、多孔質体42は、多孔質である故に容易に保水状態となるので、取り扱いも簡便である。更には、水貯留ケース44では、多孔質体42の保水状態を維持できるだけの水の貯留ができればよいことから、不用意に多量の水を貯留する必要がないので、機器構成を小型にできる。   Further, in this embodiment, when water is vaporized by the anode off gas, the water is stored in the water storage case 44 and the water is sucked into the porous body 42 to be retained. It is enough to be exposed to. Therefore, since it is not necessary to prepare a heat source for vaporizing water, the configuration becomes simple. Moreover, if the water storage case 44 is impregnated with the porous body 42, the porous body 42 is easily retained because it is porous, so that the handling is simple. Furthermore, in the water storage case 44, it is only necessary to store enough water to maintain the water retaining state of the porous body 42. Therefore, it is not necessary to store a large amount of water carelessly, and the device configuration can be reduced in size.

また、電解質膜12の加湿のための水分は、水そのものではなく、多孔質体42で保水済みの水をアノードオフガスの熱で気化させた水蒸気であり、この水蒸気をアノードオフガスに混合して、アノードオフガス経路34を経てアノード14に送っている。よって、加湿のために水そのものをアノードオフガスと別経路でアノード近傍まで供給する構成に比べて、経路構成が簡略となる。しかも、水蒸気混合器40の水貯留ケース44への水供給は、多孔質体42の保水状態の維持を図るだけで足りるので、加湿のために水そのものをアノード近傍まで供給する構成と比べると少量で済む。これらの結果、本実施例の燃料電池システム100によれば、上記した加湿不足の抑制に加え、構成の簡略化やこれに伴う装置の小型化を推進することができる。   Further, the moisture for humidifying the electrolyte membrane 12 is not water itself but water vapor that has been retained in the porous body 42 with the heat of the anode off gas, and this water vapor is mixed with the anode off gas, It is sent to the anode 14 via the anode off gas path 34. Therefore, the path configuration is simplified compared to a configuration in which water itself is supplied to the vicinity of the anode by a separate path from the anode off gas for humidification. In addition, the water supply to the water storage case 44 of the water vapor mixer 40 is only required to maintain the water retaining state of the porous body 42, so that the amount of water is small compared to the configuration in which water itself is supplied to the vicinity of the anode for humidification. Just do it. As a result, according to the fuel cell system 100 of the present embodiment, in addition to the suppression of insufficient humidification described above, it is possible to promote simplification of the configuration and downsizing of the device associated therewith.

加えて、水蒸気混合器40の水貯留ケース44へは、気液分離器50が分離した水を供給するようにしたので、アノードオフガスに混ざっている水分を有効利用できる。そして、水蒸気混合器40への水供給だけを行う機器を設ける必要がないことから、機器構成を簡略化できる。   In addition, since the water separated by the gas-liquid separator 50 is supplied to the water storage case 44 of the water vapor mixer 40, the water mixed in the anode off gas can be used effectively. And since it is not necessary to provide the apparatus which only supplies the water to the water vapor mixer 40, an apparatus structure can be simplified.

このように気液分離器50から水蒸気混合器40への水供給を行うに当たり、気液分離器50における貯留容器52の満水水位面が水蒸気混合器40の水貯留ケース44の満水水位面と同じ高さとなるように気液分離器50を配置した上で、貯留容器52と水貯留ケース44とを連通する連通経路60に開閉バルブ62を備えることにした。このため、開閉バルブ62の開弁により容易に水貯留ケース44を満水にできる。また、開閉バルブ62の閉弁により水貯留ケース44を気液分離器50から切り離すことができるので、水貯留ケース44を満水とした後の水位維持も容易である。   In this way, when water is supplied from the gas-liquid separator 50 to the steam mixer 40, the full water level surface of the storage container 52 in the gas-liquid separator 50 is the same as the full water level surface of the water storage case 44 of the steam mixer 40. The gas-liquid separator 50 is arranged so as to have a height, and the open / close valve 62 is provided in the communication path 60 that allows the storage container 52 and the water storage case 44 to communicate with each other. For this reason, the water storage case 44 can be easily filled with water by opening the on-off valve 62. Further, since the water storage case 44 can be separated from the gas-liquid separator 50 by closing the on-off valve 62, it is easy to maintain the water level after the water storage case 44 is full.

そして、気液分離器50から水蒸気混合器40への水供給を、燃料電池10の運転開始後の低負荷運転状態にある間において開始する。よって、低負荷運転から高負荷運転に推移する以前に水蒸気混合器40への水供給、並びに多孔質体42での保水状態の発現・維持が可能となるので、高負荷運転推移当初からの加湿不足の抑制に有益となる。   Then, water supply from the gas-liquid separator 50 to the water vapor mixer 40 is started while the fuel cell 10 is in a low-load operation state after the operation is started. Therefore, before the transition from the low load operation to the high load operation, it becomes possible to supply water to the steam mixer 40 and to develop and maintain the water retention state in the porous body 42. It will be useful to control the shortage.

しかも、この水蒸気混合器40への水供給を水貯留ケース44が満水となるまで行うので、高負荷運転への推移以前における水蒸気混合手段での保水状態の発現・維持がより確実となる。この点からも、高負荷運転推移当初からの加湿不足の抑制により有益である。   In addition, since the water supply to the water vapor mixer 40 is performed until the water storage case 44 becomes full, the water retention state in the water vapor mixing means before the transition to the high load operation is more reliably generated and maintained. Also from this point, it is more beneficial to suppress insufficient humidification from the beginning of the transition to high load operation.

また、燃料電池10の運転中に、仮に水貯留ケース44での貯水量に不足が起きるような事態が予想されれば、図3で説明したように、その都度速やかに水貯留ケース44に満水状態まで水を供給する。よって、水蒸気混合器40の水貯留ケース44における貯水不足による不具合、具体的には、多孔質体42の保水不足、多孔質体42での気化不良等を未然に回避でき、好ましい。   Further, if a situation in which the amount of water stored in the water storage case 44 is insufficient during operation of the fuel cell 10 is predicted, the water storage case 44 is quickly filled with water as described with reference to FIG. Supply water to condition. Therefore, it is preferable because problems due to insufficient water storage in the water storage case 44 of the steam mixer 40, specifically, insufficient water retention of the porous body 42, poor vaporization in the porous body 42, and the like can be avoided.

更に、本実施例では、燃料電池10の運転停止時において、気液分離器50の貯留容器52、並びに水蒸気混合器40の水貯留ケース44から水を排出し(バルブ状態G)、容器を空にしておく。よって、運転停止後における容器内での水の凍結、容器間の経路での水の凍結を回避できるので、運転再開後にあっては、水蒸気混合器40への注水を支障なく行うことができる。   Further, in this embodiment, when the fuel cell 10 is stopped, water is discharged from the storage container 52 of the gas-liquid separator 50 and the water storage case 44 of the steam mixer 40 (valve state G), and the container is emptied. Keep it. Therefore, freezing of water in the container after operation stop and freezing of water in the path between containers can be avoided, so that water can be injected into the steam mixer 40 without any trouble after the operation is resumed.

次に、上記した燃料電池システム100の機器構成上の変形例について説明する。図5は水蒸気混合器40を加熱状態としておく変形例の要部を概略的に示す説明図、図6は水蒸気混合器40への水供給を2系統とした変形例の要部を概略的に示す説明図である。   Next, a modified example of the device configuration of the fuel cell system 100 described above will be described. FIG. 5 is an explanatory diagram schematically showing the main part of a modified example in which the steam mixer 40 is in a heated state, and FIG. 6 is a schematic diagram showing the main part of the modified example in which the water supply to the steam mixer 40 is two systems. It is explanatory drawing shown.

図5に示す変形例は、水蒸気混合器40の水貯留ケース44を覆うように装着された外郭ケース48を備え、この外郭ケース48を燃料電池10の冷却経路66の一部とする。これにより、燃料電池10の冷却に用いられた冷媒は、冷却経路66を経て外郭ケース48に入り込んだ後に、外部の熱交換器68を経由して再び燃料電池10に戻る。燃料電池10が運転状態にあれば、冷媒は燃料電池の冷却の際に暖められるので、この冷媒が外郭ケース48に入り込むことで、水貯留ケース44の貯留水を昇温させることができる。このため、多孔質体42はこの昇温した水を保水してアノードオフガスに晒されるので、アノードオフガスによる水の気化を速やかに行うことができる。よって、高負荷運転への推移当初から速やかにアノードオフガス中の水蒸気による加湿を行うようにできる。しかも、気化対象の水が予め昇温されていることから、多孔質体42での気化に要する熱量が少なくなりアノードオフガスの温度低下を抑制できるので、アノードオフガスの露天温度を高めてアノードオフガスへの水蒸気混合量を高負荷運転推移の当初から増やすことができる。これらのことから、この変形例によれば、高負荷運転への推移の際の加湿不足をより高い実効性でより確実に抑制できる。   The modification shown in FIG. 5 includes an outer case 48 mounted so as to cover the water storage case 44 of the water vapor mixer 40, and this outer case 48 is a part of the cooling path 66 of the fuel cell 10. Thus, the refrigerant used for cooling the fuel cell 10 enters the outer case 48 via the cooling path 66 and then returns to the fuel cell 10 again via the external heat exchanger 68. If the fuel cell 10 is in an operating state, the refrigerant is warmed when the fuel cell is cooled, so that the refrigerant enters the outer case 48 so that the temperature of the stored water in the water storage case 44 can be raised. For this reason, since the porous body 42 retains the heated water and is exposed to the anode off gas, water can be quickly vaporized by the anode off gas. Therefore, humidification with water vapor in the anode off-gas can be performed quickly from the beginning of the transition to high-load operation. In addition, since the water to be vaporized is preliminarily heated, the amount of heat required for vaporization in the porous body 42 is reduced, and the temperature decrease of the anode off gas can be suppressed, so that the anode off gas outdoor temperature is increased to the anode off gas. Can be increased from the beginning of high load operation. From these things, according to this modification, dampness shortage at the time of transition to high load operation can be more reliably suppressed with higher effectiveness.

図6に示す変形例は、気液分離器50とは別系統の水供給系を有し、水蒸気混合器40より高い位置に補給水タンク80を備える。そして、この補給水タンク80の水を、補給経路81の開閉バルブ82の開閉を経て水蒸気混合器40に供給する。補給水タンク80からの水供給は、燃料電池10の高負荷運転の長時間の継続といった運転状態が起きた場合にあっても水貯留ケース44での水不足を回避する上で有益である。この場合、高負荷運転が長時間継続するような事態は通常の運転時にはあまり起きないと共に、気液分離器50からの水供給も併用できる。よって、補給水タンク80の貯留量を不用意に多くする必要はないので、補給水タンク80を設けたとしても機器の小型化はある程度可能となる。なお、補給水タンク80の水貯留は、気液分離器50が分離した余剰の水をポンプによりくみ上げるようにすればよい。また、補給経路81を連通経路60から分岐した経路とした上で、補給水タンク80を水蒸気混合器40に並べて設置するようにすることもできる。こうすれば、気液分離器50が分離した水を、バルブ開閉を経て水貯留ケース44のみならず補給水タンク80にも供給して、この補給水タンク80で貯水できるので、くみ上げのためのポンプが不要となり簡便である。しかも、補給水タンク80から水貯留ケース44への水供給も、気液分離器50の貯留容器52からの水供給と同様にして、バルブ開閉制御により実行できる。   The modification shown in FIG. 6 has a water supply system that is a separate system from the gas-liquid separator 50, and includes a makeup water tank 80 at a position higher than the steam mixer 40. Then, the water in the replenishing water tank 80 is supplied to the steam mixer 40 through the opening / closing valve 82 of the replenishing path 81. Water supply from the make-up water tank 80 is beneficial in avoiding water shortage in the water storage case 44 even when an operation state such as long-time continuation of high-load operation of the fuel cell 10 occurs. In this case, a situation in which the high load operation continues for a long time does not occur so much during normal operation, and water supply from the gas-liquid separator 50 can be used together. Therefore, it is not necessary to carelessly increase the amount of water stored in the makeup water tank 80. Even if the makeup water tank 80 is provided, the device can be downsized to some extent. In addition, the water storage of the makeup water tank 80 should just pump up the excess water which the gas-liquid separator 50 isolate | separated with the pump. In addition, the replenishment path 81 may be a path branched from the communication path 60, and the replenishment water tank 80 may be installed side by side in the steam mixer 40. In this way, the water separated by the gas-liquid separator 50 can be supplied not only to the water storage case 44 through the valve opening / closing but also to the makeup water tank 80 and stored in the makeup water tank 80. A pump is not required and it is simple. Moreover, water supply from the makeup water tank 80 to the water storage case 44 can be performed by valve opening / closing control in the same manner as water supply from the storage container 52 of the gas-liquid separator 50.

次に、上記した機器構成を備えた上で、電解質膜12の加湿のための水蒸気量を調整する手法について説明する。図7はアノードに供給する水蒸気量を調整する燃料電池システム100の機器構成を概略的に示す説明図、図8は水蒸気量を調整する処理内容を示したフローチャート、図9は水蒸気量調整を行うための循環比増大処理の詳細を示すフローチャートである。   Next, a method for adjusting the amount of water vapor for humidifying the electrolyte membrane 12 with the above-described device configuration will be described. FIG. 7 is an explanatory diagram schematically showing the device configuration of the fuel cell system 100 for adjusting the amount of water vapor supplied to the anode, FIG. 8 is a flowchart showing the processing content for adjusting the water vapor amount, and FIG. 9 performs the water vapor amount adjustment. It is a flowchart which shows the detail of the circulation ratio increase process for this.

図7に示すように、燃料電池システム100は、アノードオフガス経路34において、水蒸気混合器40の上流の第1露点センサ75と、水蒸気混合器40の下流の第2露点センサ76とを備える。制御装置70は、これらセンサの出力信号を入力するほか、燃料電池10の出力を測定する電圧計73と電流計74や、燃料電池10の冷却水温度を測定する温度センサ77からもその測定出力信号を入力し、これら信号に基づいて水蒸気量調整を行う。   As shown in FIG. 7, the fuel cell system 100 includes a first dew point sensor 75 upstream of the steam mixer 40 and a second dew point sensor 76 downstream of the steam mixer 40 in the anode off-gas path 34. In addition to inputting the output signals of these sensors, the control device 70 also outputs the measurement output from the voltmeter 73 and ammeter 74 that measure the output of the fuel cell 10 and the temperature sensor 77 that measures the coolant temperature of the fuel cell 10. Signals are input, and the amount of water vapor is adjusted based on these signals.

図8に示す水蒸気量調整処理は、所定時間ごとに制御装置70にて繰り返し実行され、まず、制御装置70は、温度センサ77からの冷却水温Tを入力し(ステップS100)、その冷却水温Tが所定の温度、例えば80℃を上回るか否かを判定する(ステップS110)。この80℃という温度は、燃料電池10が高負荷運転となっていることが推定される温度であり、燃料電池10が当該温度となれば電解質膜12の乾燥が予想される温度である。つまり、ステップS110での対比温度は、電解質膜12の性状によって定まる温度であり、本実施例では80℃に設定した。そして、冷却水温は燃料電池10の温度と推定されることから、ステップS110での温度対比によって電解質膜12の湿潤状態を大まかに把握できる。   The water vapor amount adjustment process shown in FIG. 8 is repeatedly executed by the control device 70 every predetermined time. First, the control device 70 inputs the cooling water temperature T from the temperature sensor 77 (step S100). Is determined to exceed a predetermined temperature, for example, 80 ° C. (step S110). The temperature of 80 ° C. is a temperature at which the fuel cell 10 is estimated to be operating at a high load, and is a temperature at which the electrolyte membrane 12 is expected to be dried when the fuel cell 10 reaches the temperature. That is, the contrast temperature in step S110 is a temperature determined by the properties of the electrolyte membrane 12, and is set to 80 ° C. in this embodiment. Since the coolant temperature is estimated to be the temperature of the fuel cell 10, the wet state of the electrolyte membrane 12 can be roughly grasped by the temperature comparison in step S110.

ステップS110にて否定判定すれば、電解質膜12の湿潤状態に特段の問題はないとして処理を一旦終了し、肯定判定すれば、第1露点センサ75と第2露点センサ76のセンサ出力(露点)を入力する(ステップS120)。このセンサ出力により、アノードオフガス経路34における水蒸気混合器40の上流側でのアノードオフガスの露点(上流側露点Dp1)と、水蒸気混合器40の下流側のアノードオフガスの露点(下流側露点Dp2)とが得られる。   If a negative determination is made in step S110, the process is temporarily terminated assuming that there is no particular problem with the wet state of the electrolyte membrane 12, and if an affirmative determination is made, the sensor outputs (dew points) of the first dew point sensor 75 and the second dew point sensor 76 are determined. Is input (step S120). With this sensor output, the anode off-gas dew point upstream of the steam mixer 40 in the anode off-gas path 34 (upstream dew point Dp1), and the anode off-gas dew point downstream of the steam mixer 40 (downstream dew point Dp2) Is obtained.

アノードオフガスの温度と湿度は、燃料電池10での状態がほぼ反映していると推定され、電解質膜12が湿潤不足であればアノードオフガス湿度は低下し、アノードオフガスの露点低下が起きる。よって、水蒸気混合器40の上流側、即ち燃料電池10からのアノードオフガス排出ポートに近い側の上流側露点Dp1と入力済みの冷却水温Tとの温度差は、電解質膜12の湿潤状態を反映したパラメータとなる。そこで、露点入力後に、制御装置70は、冷却水温Tと上流側露点Dp1との温度差を所定の温度Aと対比する(ステップS130)。この温度Aは、第1露点センサ75のセンシング時の放熱による計測温度(露点)の低下を見越したオフセット値であるので、上記した対比において肯定判定すれば、冷却水温Tと上流側露点Dp1との温度差が小さいので温度の誤計測の可能性がある、或いは上流側露点Dp1が冷却水温Tに近似しているのでアノードオフガスの湿度が高い、即ち電解質膜12では乾燥の兆しが見えないとして、一旦処理を終了する。   It is presumed that the temperature and humidity of the anode off gas substantially reflect the state in the fuel cell 10, and if the electrolyte membrane 12 is insufficiently wet, the anode off gas humidity is lowered and the dew point of the anode off gas is lowered. Therefore, the temperature difference between the upstream dew point Dp1 on the upstream side of the water vapor mixer 40, that is, the side close to the anode offgas discharge port from the fuel cell 10, and the input cooling water temperature T reflects the wet state of the electrolyte membrane 12. It becomes a parameter. Therefore, after the dew point is input, the control device 70 compares the temperature difference between the cooling water temperature T and the upstream dew point Dp1 with a predetermined temperature A (step S130). Since this temperature A is an offset value in anticipation of a decrease in the measured temperature (dew point) due to heat radiation during sensing by the first dew point sensor 75, if an affirmative determination is made in the above comparison, the cooling water temperature T and the upstream dew point Dp1 Since the temperature difference between the two is small, there is a possibility of erroneous measurement of the temperature, or because the upstream dew point Dp1 approximates the cooling water temperature T, the anode off-gas humidity is high, that is, the electrolyte membrane 12 shows no signs of drying. , The process is temporarily terminated.

その一方、ステップS130において否定判定すれば、冷却水温Tに比して上流側露点Dp1が大きく低下したことになる。露点と湿度は、露点温度が低いほど湿度は低い関係にあることから、ステップS130での否定判定は、アノードオフガスの湿度低下、延いては電解質膜12での乾燥の兆候が見られることを意味する。よって、ステップS130での否定判定を受けて即座に電解質膜12の加湿のための処理を行うこともできるが、本実施例では、アノードオフガス経路34に、水の気化による水蒸気混合を行う水蒸気混合器40を設けたので、次のようにした。   On the other hand, if a negative determination is made in step S130, the upstream dew point Dp1 has greatly decreased as compared with the cooling water temperature T. Since the dew point and the humidity have a relationship that the humidity is lower as the dew point temperature is lower, the negative determination in step S130 means that the humidity of the anode off-gas is lowered, and further, there is an indication of drying on the electrolyte membrane 12. To do. Therefore, it is possible to immediately perform the process for humidifying the electrolyte membrane 12 in response to the negative determination in step S130, but in this embodiment, the steam mixing is performed in the anode off-gas path 34 by steam mixing by vaporization of water. Since the vessel 40 was provided, it was as follows.

ステップS130での否定判定に続いて、制御装置70は、水蒸気混合器40の上下流での上流側露点Dp1と下流側露点Dp2との対比を行う(ステップS140)。この両露点の計測箇所の間に位置する水蒸気混合器40は、既述したように、アノードオフガスが有する熱による多孔質体42での水の気化、気化した水蒸気のアノードオフガスへの混合を起こす。そして、この水蒸気混合量は、アノードオフガスの温度が高いほど多くなるので、ステップS140での対比結果により次のようになる。   Following the negative determination in step S130, the control device 70 compares the upstream dew point Dp1 and the downstream dew point Dp2 in the upstream and downstream of the steam mixer 40 (step S140). As described above, the water vapor mixer 40 located between the measurement points of both dew points causes vaporization of water in the porous body 42 due to the heat of the anode off gas and mixing of the vaporized water vapor into the anode off gas. . Since the steam mixing amount increases as the temperature of the anode off-gas increases, the steam mixing amount is as follows according to the comparison result in step S140.

アノードオフガスの通過に伴う多孔質体42での水の気化、並びに水蒸気のアノードオフガスへの混合は、アノードオフガスの温度に応じて程度に差はあれ、アノードオフガス温度に拘わらず起きる。その一方、水蒸気混合器40を通過したアノードオフガスは、その湿度において水蒸気混合器40での水蒸気混合に伴い上昇するので、水蒸気混合器40の通過前のアノードオフガスに比べて、その露点にあっても高まる。よって、ステップS140において下流側露点Dp2が上流側露点Dp1より大きいと肯定判定すれば、多孔質体42での水の気化並びに水蒸気混合を通した水蒸気混合器40による加湿増が期待できる状況と言える。こうした状況は、水蒸気混合器40に達するアノードオフガスの湿度が低い場合、即ち電解質膜12の加湿が不足している場合ほど顕著に起きる。その一方、ステップS140での否定判定は、水蒸気混合器40を通過するアノードオフガスが既に高湿度のためにその露点も高く、水蒸気混合器40を通過した後であっても露点の上昇が見られないことを意味する。よって、ステップS140で否定判定した場合には、アノードオフガスの循環比増を通した加湿促進は不要であるとして、一旦処理を終了する。   The vaporization of water in the porous body 42 accompanying the passage of the anode off-gas and the mixing of water vapor into the anode off-gas occur regardless of the anode off-gas temperature, to some extent depending on the temperature of the anode off-gas. On the other hand, the anode off gas that has passed through the steam mixer 40 rises with the steam mixing in the steam mixer 40 at that humidity, so that the anode off gas has a dew point compared to the anode off gas before passing through the steam mixer 40. Will also increase. Therefore, if an affirmative determination is made in step S140 that the downstream dew point Dp2 is greater than the upstream dew point Dp1, it can be said that the vaporization of water in the porous body 42 and an increase in humidification by the steam mixer 40 through steam mixing can be expected. . Such a situation occurs more markedly when the humidity of the anode off-gas reaching the water vapor mixer 40 is low, that is, when the electrolyte membrane 12 is insufficiently humidified. On the other hand, the negative determination in step S140 is that the anode off-gas passing through the water vapor mixer 40 is already at a high humidity, so that the dew point is also high, and even after the water vapor mixer 40 has passed, the dew point is increased. Means no. Therefore, when a negative determination is made in step S140, it is determined that the humidification promotion through the increase in the circulation ratio of the anode off gas is unnecessary, and the process is temporarily terminated.

ステップS140での肯定判定に続いては、アノードオフガスの循環比増を通した加湿促進を図るべく、循環比増大処理を実行する(ステップS200)。この循環比増大処理では、制御装置70は、図9にその詳細を示すように、循環ポンプ36の回転数補正係数Kを算出する(ステップS300)。この回転数補正係数Kに当たっては、前回の回転数補正係数Kn−1に所定の補正量ΔK(>0)を加算して、その値を今回の回転数補正係数Kn(初期値=1)とする。次に、制御装置70は、所定のマップから求めたポンプ基準回転数RPMAPにステップS300で求めた回転数補正係数Knを乗算して、今回の循環ポンプ回転数指令値RPを更新する(ステップS310)。循環ポンプ36は、この循環ポンプ回転数指令値RPに応じた回転数で回転し、当該回転数は前回の回転数より増大していることから、アノードオフガスは、その循環比が増した状態で水素ガス供給経路30に流れ込みアノード14に水素リッチガスと共に供給される。なお、ポンプ基準回転数RPMAPを定めるマップは、例えば、燃料電池10に求められ運転負荷を表すアクセル開度センサ72のセンサ出力や、水素リッチガス・空気の両供給量等に対応付けて予め規定されている。   Following the affirmative determination in step S140, a circulation ratio increasing process is executed in order to promote humidification through increasing the circulation ratio of the anode off gas (step S200). In this circulation ratio increasing process, the control device 70 calculates the rotational speed correction coefficient K of the circulation pump 36 as shown in detail in FIG. 9 (step S300). In the case of the rotational speed correction coefficient K, a predetermined correction amount ΔK (> 0) is added to the previous rotational speed correction coefficient Kn−1, and this value is set as the current rotational speed correction coefficient Kn (initial value = 1). To do. Next, the control device 70 multiplies the pump reference rotational speed RPMAP obtained from the predetermined map by the rotational speed correction coefficient Kn obtained in step S300, and updates the current circulating pump rotational speed command value RP (step S310). ). The circulation pump 36 rotates at a rotation speed corresponding to the circulation pump rotation speed command value RP, and the rotation speed is higher than the previous rotation speed. Therefore, the anode off-gas is in a state where the circulation ratio is increased. The gas flows into the hydrogen gas supply path 30 and is supplied to the anode 14 together with the hydrogen rich gas. The map for determining the pump reference rotational speed RPMAP is defined in advance in association with, for example, the sensor output of the accelerator opening sensor 72 that is obtained for the fuel cell 10 and represents the operating load, the supply amounts of both hydrogen rich gas and air, and the like. ing.

ポンプ回転数指令値の更新に続き、制御装置70は、水蒸気混合器40の下流側の下流側露点Dp2が所定の露点温度Bを下回ったかを判定する(ステップS320)。制御装置70は、この判定結果に応じて以下のようにポンプ制御を行う。   Following the update of the pump rotation speed command value, the control device 70 determines whether the downstream dew point Dp2 on the downstream side of the water vapor mixer 40 has fallen below a predetermined dew point temperature B (step S320). The control device 70 performs pump control as follows according to the determination result.

ステップS310までの処理により循環ポンプ36の回転数を上げてアノードオフガスの循環比を増大させると、水蒸気混合器40での水蒸気混合済みのアノードオフガスの供給量が増える。このことは、アノード14に流れ込む水蒸気量の増大をもたらして電解質膜12を加湿するように作用するので、循環比増大後においてアノード14から排出されるアノードオフガスでは、湿度増加、露点上昇の現象が現れる。こうなると、水蒸気混合器40に流れ込むアノードオフガスの湿度増によりその露点が高くなることから、循環比増大を継続している過程では、既述したように、水蒸気混合器40での気化・水蒸気混合を受けたアノードオフガスの露点(下流側露点Dp2)の低下が起きる。よって、ステップS320で下流側露点Dp2が所定の露点温度Bを下回っていないと否定判定すると、加湿未了であるとして一旦処理を終了することで、ステップS310で求めた指令値での循環比増大、および次回以降の水蒸気量調整処理における循環比増大処理でのさらなる循環比増大が継続される。   When the circulation ratio of the anode off gas is increased by increasing the number of revolutions of the circulation pump 36 by the processing up to step S310, the supply amount of the anode off gas that has been steam-mixed in the steam mixer 40 increases. This causes an increase in the amount of water vapor flowing into the anode 14 and acts to humidify the electrolyte membrane 12. Therefore, in the anode off-gas discharged from the anode 14 after the circulation ratio is increased, the phenomenon of increased humidity and increased dew point occurs. appear. When this happens, the dew point of the anode off-gas flowing into the steam mixer 40 increases due to an increase in humidity. Therefore, in the process of continuously increasing the circulation ratio, vaporization and steam mixing in the steam mixer 40 as described above. The dew point (downstream dew point Dp2) of the anode off-gas that has been reduced occurs. Therefore, if the negative determination is made in step S320 that the downstream dew point Dp2 is not lower than the predetermined dew point temperature B, the processing is temporarily terminated as the humidification has not been completed, thereby increasing the circulation ratio at the command value obtained in step S310. Further, the circulation ratio is further increased in the circulation ratio increasing process in the water vapor amount adjusting process after the next time.

その一方、ステップS320で下流側露点Dp2が所定の露点温度Bを下回ると肯定判定すると、こうした状況は、それ以前の循環比増大に、多孔質体42での機器スピードが追従できない場合であり、このまま放置するとアノード14への水分供給が増えないだけでなく、流量が増加することにより、電解質膜12の乾燥を不用意に進めてしまいかねない。よって、多孔質体42の蒸発量に応じて過不足のない適正な流量にするために循環比を低減の側に転ずる。このため、ステップS320での肯定判定に続くステップS330では、前回の回転数補正係数Kn−1から既述した補正量ΔKを減算して、その値を今回の回転数補正係数Knとする。この場合、減算する補正量ΔKは、循環比増大時の補正量ΔKと同一の値とするほか、その1/2の補正量としたりすることもできる。このように減算補正量ΔKを循環比増大時の補正量ΔKより小さくすることは、多孔質体42の気化能力を十分に活用する上で有効である。或いは、減算する補正量ΔKを、電解質膜12の湿潤状況をある程度表す上流側露点Dp1に応じて増減させるようにすることもできる。この他、冷却水温Tと上流側露点Dp1の関係より、電解質膜12は乾いていると予想されるので加湿量を増やしたいが、多孔質体42からの気化が追いつくまでの間において循環比の低減の側への補正(ステップS330)に遅れを持たせることも有効である。   On the other hand, if it is determined in step S320 that the downstream dew point Dp2 is lower than the predetermined dew point temperature B, such a situation is a case where the device speed in the porous body 42 cannot follow the previous circulation ratio increase, If it is left as it is, not only will water supply to the anode 14 increase, but also the flow rate will increase, which may lead to inadvertent drying of the electrolyte membrane 12. Therefore, the circulation ratio is shifted to the reduction side in order to obtain an appropriate flow rate without excess or deficiency according to the evaporation amount of the porous body 42. Therefore, in step S330 following the affirmative determination in step S320, the correction amount ΔK described above is subtracted from the previous rotation speed correction coefficient Kn−1, and the value is set as the current rotation speed correction coefficient Kn. In this case, the correction amount ΔK to be subtracted may be the same value as the correction amount ΔK when the circulation ratio is increased, or may be a half of the correction amount. Thus, making the subtraction correction amount ΔK smaller than the correction amount ΔK when the circulation ratio is increased is effective in fully utilizing the vaporization ability of the porous body 42. Alternatively, the correction amount ΔK to be subtracted can be increased or decreased according to the upstream dew point Dp1 that represents the wet state of the electrolyte membrane 12 to some extent. In addition, from the relationship between the cooling water temperature T and the upstream dew point Dp1, the electrolyte membrane 12 is expected to be dry, so it is desired to increase the amount of humidification. However, the circulation ratio is increased until the vaporization from the porous body 42 catches up. It is also effective to give a delay to the correction to the reduction side (step S330).

次に、制御装置70は、ポンプ基準回転数RPMAPにステップS330で求めた回転数補正係数Knを乗算して、今回の循環ポンプ回転数指令値RPを更新し(ステップS340)、本ルーチンを終了する。この更新した循環ポンプ回転数指令値RPはそれ以前より回転数が小さい指令値となるので、循環ポンプ36によるアノードオフガスの循環比は小さくなり、アノード14に流れ込む水蒸気量も少なくなる。この場合、補正量ΔKの減算を繰り返して循環比を徐々に低減するには、ステップS340の実行後にステップS320に戻るようにすればよい。また、ステップS300での補正係数Kの算出の前にステップS320と同一の処理を組み込み、ここで否定判定(加湿の未了)した場合にはステップS300〜310により循環比増大処理を行い、肯定判定(加湿の完了)の場合にはステップS320に移行するようにしても、次回以降の水蒸気量調整処理において補正量ΔKの減算の繰り返しにより、循環比を徐々に低減できる。   Next, the control device 70 multiplies the pump reference rotational speed RPMAP by the rotational speed correction coefficient Kn obtained in step S330 to update the current circulating pump rotational speed command value RP (step S340), and ends this routine. To do. Since the renewed circulation pump rotation speed command value RP is a command value having a smaller rotation speed than before, the circulation ratio of the anode off gas by the circulation pump 36 is reduced, and the amount of water vapor flowing into the anode 14 is also reduced. In this case, in order to gradually reduce the circulation ratio by repeatedly subtracting the correction amount ΔK, the process may return to step S320 after execution of step S340. Further, the same processing as that in step S320 is incorporated before calculation of the correction coefficient K in step S300. If a negative determination (humidification has not been completed) is made here, a circulation ratio increasing process is performed in steps S300 to 310, and affirmative. In the case of determination (humidification completion), even if the process proceeds to step S320, the circulation ratio can be gradually reduced by repeating the subtraction of the correction amount ΔK in the subsequent water vapor amount adjustment processing.

以上説明したアノードオフガスの循環比制御を通した水蒸気量調整処理では、冷却水温Tに基づいて燃料電池10の高負荷運転、延いては電解質膜12の乾燥が予想される局面となると(ステップS110)、アノードオフガスの熱による水の気化を通して水蒸気混合を図る水蒸気混合器40の上流・下流の露点対比を行い(ステップS140)、この対比結果により、既述したようにアノードオフガスの湿度低下、延いては電解質膜12での乾燥の兆候の有無を更に見極める。そして、電解質膜12での乾燥の兆候があると、循環ポンプ36のポンプ回転数を増大制御して(ステップS300〜310)、水蒸気混合器40で既に水蒸気混合済みのアノードオフガスの循環比を増大させ、これに伴ってアノード14に流れ込む水蒸気量についても増大させる。よって、本実施例の水蒸気量調整処理によれば、燃料電池10の運転状態が電解質膜12の湿潤不足をもたらし得る状況となると、アノード14への水蒸気量増大を通して電解質膜12の湿潤状態を好適に維持させ、電池性能の維持・向上を図ることができる。   In the water vapor amount adjustment processing through the anode off-gas circulation ratio control described above, a high-load operation of the fuel cell 10 and further drying of the electrolyte membrane 12 are expected based on the cooling water temperature T (step S110). ) Comparison of the dew points upstream and downstream of the water vapor mixer 40 that performs water vapor mixing through vaporization of water due to the heat of the anode off gas is performed (step S140). In this case, the presence or absence of signs of drying in the electrolyte membrane 12 is further determined. When there is an indication of drying on the electrolyte membrane 12, the pump rotational speed of the circulation pump 36 is controlled to increase (Steps S300 to S310), and the circulation ratio of the anode off-gas already mixed with the steam mixer 40 is increased. Along with this, the amount of water vapor flowing into the anode 14 is also increased. Therefore, according to the water vapor amount adjustment process of the present embodiment, when the operating state of the fuel cell 10 can lead to insufficient wetting of the electrolyte membrane 12, the wet state of the electrolyte membrane 12 is preferable through an increase in the amount of water vapor to the anode 14. To maintain and improve battery performance.

また、上記した水蒸気量調整処理では、水蒸気混合器40の下流側の下流側露点Dp2が所定の露点温度Bを下回るまで、ステップS300〜310による循環比増大を継続する。循環比増大継続過程において水蒸気混合器40の下流側の下流側露点Dp2が所定の露点温度Bを下回る現象が起きるまでの時間は、既述したように水蒸気混合器40に流れ込むアノードオフガスの湿度増による露点上昇の発現時間に依存する。よって、電解質膜12の湿潤不足のためにアノードオフガスの湿度が低いほど、水蒸気混合器40に流れ込むアノードオフガスの湿度増による露点上昇の発現は遅れるので、循環比増大を継続する期間が長くなって循環比は増大する。つまり、本実施例の水蒸気量調整処理によれば、アノードオフガスの湿度が低いほどアノードオフガスの循環比の増大を図ってアノード14への水蒸気供給量を増やすことで、電解質膜12の湿潤を容易に好適な状態に維持できる。   Further, in the steam amount adjustment process described above, the circulation ratio increase in steps S300 to S310 is continued until the downstream dew point Dp2 on the downstream side of the steam mixer 40 falls below a predetermined dew point temperature B. In the process of continuously increasing the circulation ratio, the time until the downstream dew point Dp2 on the downstream side of the water vapor mixer 40 falls below the predetermined dew point temperature B is the humidity increase of the anode off gas flowing into the water vapor mixer 40 as described above. Depends on the onset time of dew point increase due to. Therefore, the lower the humidity of the anode off gas due to insufficient wetting of the electrolyte membrane 12, the longer the dew point rises due to the increased humidity of the anode off gas flowing into the water vapor mixer 40, and thus the longer the period during which the circulation ratio increases. The circulation ratio increases. That is, according to the water vapor amount adjustment process of the present embodiment, the lower the humidity of the anode off gas, the greater the circulation rate of the anode off gas and the more the water vapor supply amount to the anode 14, thereby making it easier to wet the electrolyte membrane 12. It can be maintained in a suitable state.

しかも、上記した本実施例の水蒸気量調整処理では、アノードオフガスの循環比を増大させた後に電解質膜12の加湿不足は解消されたとすれば(ステップS320の肯定判定)、循環ポンプ36の回転数を下げてアノードオフガスの循環比を低下させる(ステップS330〜340)。よって、アノードオフガスの循環比増大という無駄な循環ポンプ36のエネルギ消費を抑制できる。   Moreover, in the water vapor amount adjustment process of the present embodiment described above, if the lack of humidification of the electrolyte membrane 12 is resolved after increasing the circulation ratio of the anode off gas (affirmative determination in step S320), the rotational speed of the circulation pump 36 Is lowered to lower the circulation ratio of the anode off gas (steps S330 to 340). Therefore, wasteful energy consumption of the circulation pump 36, which is an increase in the circulation ratio of the anode off gas, can be suppressed.

次に、水蒸気量調整処理の変形例について説明する。図10は図9に示した循環比増大処理に代わる処理を示すフローチャートである。この変形例では、図9の処理と同様、ステップS130に続くステップS300〜310にて循環ポンプ36の回転数を増大させて、アノードオフガスの循環比を増大する。その後、制御装置70は、燃料電池10から排出されて水蒸気混合器40に至る前のアノードオフガスの上流側露点Dp1が所定の露点温度CLを下回ったかを判定する(ステップS400)。この露点温度CLは、冷却水温Tや燃料電池10の運転状態に対応させて予めマップ状に定めた露点であり、既述したステップS320での露点温度Bと同様、蒸発量増加を狙った循環比増に対し、その狙いに反して蒸発量が減少してガス流量のみが増加して電解質膜12の乾燥をもたらさないように循環比増大を低減に転ずる指標である。   Next, a modified example of the water vapor amount adjustment process will be described. FIG. 10 is a flowchart showing a process replacing the circulation ratio increasing process shown in FIG. In this modified example, as in the process of FIG. 9, the rotation speed of the circulation pump 36 is increased in steps S300 to S310 following step S130, and the circulation ratio of the anode off gas is increased. Thereafter, the control device 70 determines whether the upstream dew point Dp1 of the anode off gas before being discharged from the fuel cell 10 and reaching the water vapor mixer 40 has fallen below a predetermined dew point temperature CL (step S400). The dew point temperature CL is a dew point previously determined in a map shape corresponding to the cooling water temperature T and the operating state of the fuel cell 10, and is similar to the dew point temperature B in step S320 described above. In contrast to the increase in the ratio, contrary to the aim, the evaporation amount decreases, and only the gas flow rate increases, so that the increase in the circulation ratio is reduced so that the electrolyte membrane 12 is not dried.

制御装置70は、ステップS400にて肯定判定すると、既述したステップS320でのさらなる循環比低減の必要性を判定し、循環比低減の必要があるとすれば、ステップS330〜340の処理にて、ポンプ回転数の低減、循環比の低減を行う。この場合、補正量ΔKの減算を繰り返して循環比を徐々に低減するには、既述したようにステップS340の実行後にステップS400に戻るようにしたり、ステップS300での補正係数Kの算出の前へのステップS320と同一の判定処理の組み込みを行うことで、循環比を徐々に低減できる。   If an affirmative determination is made in step S400, control device 70 determines the necessity for further reduction of the circulation ratio in step S320 described above, and if the reduction of the circulation ratio is necessary, the processing in steps S330 to 340 is performed. , Reduce the pump speed and reduce the circulation ratio. In this case, in order to gradually reduce the circulation ratio by repeatedly subtracting the correction amount ΔK, as described above, the process returns to step S400 after execution of step S340, or before the calculation of the correction coefficient K in step S300. By incorporating the same determination process as in step S320, the circulation ratio can be gradually reduced.

一方、ステップS400にて否定判定した場合は、前回の回転数補正係数Kn−1を今回の回転数補正係数Knとする(ステップS410)。これにより、補正係数は維持されるので、これ以降に演算される循環ポンプ回転数指令値RPも前回と同じとなり、循環比は維持されることになる。ステップS410に続いて、制御装置70は、再度、冷却水温Tを所定の温度(80℃:高負荷運転推定温度)する(ステップS420)。このステップS420では、冷却水温Tの対比温度を水蒸気量調整処理の最初の処理(ステップS110)での対比温度と同じとしたが、処理の進行を考慮してヒステリシスを設けるようにし、ステップS420の対比温度を80℃と異なる温度とすることもできる。   On the other hand, when a negative determination is made in step S400, the previous rotation speed correction coefficient Kn-1 is set as the current rotation speed correction coefficient Kn (step S410). Thereby, since the correction coefficient is maintained, the circulation pump rotational speed command value RP calculated thereafter is also the same as the previous time, and the circulation ratio is maintained. Subsequent to step S410, control device 70 again sets cooling water temperature T to a predetermined temperature (80 ° C .: high load operation estimated temperature) (step S420). In this step S420, the comparison temperature of the cooling water temperature T is the same as the comparison temperature in the first process of the water vapor amount adjustment process (step S110), but hysteresis is provided in consideration of the progress of the process. The contrast temperature may be a temperature different from 80 ° C.

上記のステップS420で、冷却水温Tが80℃以上であると否定判定すれば、燃料電池10は高負荷運転にあると推定されることから、ステップS340に移行して、ステップS410で求めた回転数補正係数Knを用いて循環ポンプ回転数指令値RPを更新する。これにより、循環ポンプ36は、今回の回転数補正係数Knが前回と同じであることから、回転数を維持して回転するので、アノードオフガスの循環比、並びに水蒸気量混合量も維持される。   If a negative determination is made in step S420 that the cooling water temperature T is 80 ° C. or higher, it is estimated that the fuel cell 10 is in a high-load operation. Therefore, the process proceeds to step S340 and the rotation obtained in step S410. The circulation pump rotational speed command value RP is updated using the number correction coefficient Kn. Accordingly, since the current rotation speed correction coefficient Kn is the same as that of the previous time, the circulation pump 36 rotates while maintaining the rotation speed, so that the circulation ratio of the anode off gas and the water vapor amount mixing amount are also maintained.

一方、ステップS420で冷却水温Tが80℃を下回ったと肯定判定すれば、燃料電池10は高負荷運転から脱したと推定されることから、回転数補正係数Knに初期値1をセットして本ルーチンを終了する。   On the other hand, if an affirmative determination is made in step S420 that the cooling water temperature T has fallen below 80 ° C., it is estimated that the fuel cell 10 has escaped from the high load operation. Therefore, the initial value 1 is set to the rotation speed correction coefficient Kn. End the routine.

以上説明した水蒸気量調整処理の変形例によっても、燃料電池10の運転状態が電解質膜12の湿潤不足をもたらし得る状況となると、アノード14への水蒸気量増大を通して電解質膜12の湿潤状態を好適に維持させ、電池性能の維持・向上を図ることができる。   Even in the modified example of the water vapor amount adjusting process described above, when the operating state of the fuel cell 10 may cause insufficient wetness of the electrolyte membrane 12, the wet state of the electrolyte membrane 12 is preferably adjusted through an increase in the amount of water vapor to the anode 14. It is possible to maintain and improve battery performance.

上記した変形例の水蒸気量調整処理では、ステップS410〜430の処理により循環比維持を図ることができるので、ステップS400での肯定判定後には処理を終了するようにして、ステップS320〜340の処理(循環比低減)を行わないようにすることもできる。   In the water vapor amount adjustment process of the above-described modification, the circulation ratio can be maintained by the processes of steps S410 to 430. Therefore, the process is terminated after the affirmative determination in step S400, and the processes of steps S320 to 340 are performed. It is also possible not to perform (circulation ratio reduction).

次に、水蒸気量調整処理の他の変形例について説明する。図11は図9に示した循環比増大処理に代わる処理を示すフローチャートである。この変形例では、図9の処理と同様、ステップS130に続くステップS300〜310にて循環ポンプ36の回転数を増大させて、アノードオフガスの循環比を増大する。その後、制御装置70は、電流計74(図7参照)から得た電流と燃料電池10の電極面積とからの電流密度(I/cm2)算出、燃料電池10の個々のスタックの抵抗とスタック数(セル数)とからの平均セル抵抗(Ω)の算出、これらからの面積抵抗Rの算出を行い(ステップS500)、算出した面積抵抗Rが所定の目標面積抵抗rHを上回ったかを判定する(ステップS510)。この目標面積抵抗rHは、燃料電池10を運転する上でこれ以上増加させたくない面積抵抗であり、この値は電流密度に対応させて予めマップ状に定めた面積抵抗である。既述したステップS320での露点温度Bと同様、多孔質体42での蒸発が追いつかずに流量だけが増えて電解質膜12を逆に乾燥させてしまうようなことを回避するために循環比増大を低減に転ずる指標である。 Next, another modification of the water vapor amount adjustment process will be described. FIG. 11 is a flowchart showing a process in place of the circulation ratio increasing process shown in FIG. In this modified example, as in the process of FIG. 9, the rotation speed of the circulation pump 36 is increased in steps S300 to S310 following step S130, and the circulation ratio of the anode off gas is increased. Thereafter, the control device 70 calculates the current density (I / cm 2 ) from the current obtained from the ammeter 74 (see FIG. 7) and the electrode area of the fuel cell 10, and the resistance and stack of the individual stacks of the fuel cell 10. The average cell resistance (Ω) is calculated from the number (number of cells) and the area resistance R is calculated from these (step S500), and it is determined whether the calculated area resistance R exceeds a predetermined target area resistance rH. (Step S510). This target area resistance rH is an area resistance that should not be increased any more when the fuel cell 10 is operated, and this value is an area resistance previously determined in a map shape corresponding to the current density. Like the dew point temperature B in step S320 described above, the circulation ratio is increased in order to avoid that the evaporation in the porous body 42 does not catch up and only the flow rate increases and the electrolyte membrane 12 is dried in reverse. It is an index that turns to reduction.

制御装置70は、ステップS510にて肯定判定すると、既述したステップS320でのさらなる循環比低減の必要性を判定し、循環比低減の必要があるとすれば、ステップS330〜340の処理にて、ポンプ回転数の低減、循環比の低減を行う。この場合、補正量ΔKの減算を繰り返して循環比を徐々に低減するには、既述したようにステップS340の実行後にステップS500に戻るようにしたり、ステップS300での補正係数Kの算出の前へのステップS320と同一の判定処理の組み込みを行うことで、循環比を徐々に低減できる。   If an affirmative determination is made in step S510, the control device 70 determines the necessity for further reduction of the circulation ratio in step S320 described above, and if there is a need for reduction of the circulation ratio, the processing in steps S330 to 340 is performed. , Reduce the pump speed and reduce the circulation ratio. In this case, in order to gradually reduce the circulation ratio by repeatedly subtracting the correction amount ΔK, as described above, the process returns to step S500 after the execution of step S340, or before the calculation of the correction coefficient K in step S300. By incorporating the same determination process as in step S320, the circulation ratio can be gradually reduced.

一方、ステップS510にて否定判定した場合は、既述したステップS410〜430の処理を実行して、補正係数の維持を通した循環比維持、回転数補正係数Knの初期化を行う。   On the other hand, if a negative determination is made in step S510, the processing in steps S410 to 430 described above is executed to maintain the circulation ratio through the maintenance of the correction coefficient and initialize the rotation speed correction coefficient Kn.

以上説明した水蒸気量調整処理の変形例によっても、燃料電池10の運転状態が電解質膜12の湿潤不足をもたらし得る状況となると、アノード14への水蒸気量増大を通して電解質膜12の湿潤状態を好適に維持させ、電池性能の維持・向上を図ることができる。   Even in the modified example of the water vapor amount adjusting process described above, when the operating state of the fuel cell 10 may cause insufficient wetness of the electrolyte membrane 12, the wet state of the electrolyte membrane 12 is preferably adjusted through an increase in the amount of water vapor to the anode 14. It is possible to maintain and improve battery performance.

上記した変形例の水蒸気量調整処理にあっても、ステップS410〜430の処理により循環比維持を図ることができるので、ステップS510での肯定判定後には処理を終了するようにして、ステップS320〜340の処理(循環比低減)を行わないようにすることもできる。   Even in the above-described modified water vapor amount adjustment processing, the circulation ratio can be maintained by the processing in steps S410 to 430. Therefore, after the affirmative determination in step S510, the processing is terminated, and steps S320 to S320 are performed. It is also possible not to perform the process 340 (circulation ratio reduction).

次に、水蒸気量調整処理のまた別の変形例について説明する。図12は図9に示した循環比増大処理に代わる処理を示すフローチャート、図13は電池特性を示す説明図である。この変形例では、図9の処理と同様、ステップS130に続くステップS300〜310にて循環ポンプ36の回転数を増大させて、アノードオフガスの循環比を増大する。その後、制御装置70は、電流計74(図7参照)から得た電流と燃料電池10の電極面積とからの電流密度(I/cm2)算出、算出した電流密度に対応する目標セル電圧VTの算出を行う(ステップS600)。この目標セル電圧VTは、燃料電池10を運転する上でこれ以上低下させたくないセル電圧であり、図13に示すように、電流密度別に対応させて予めマップ状に定められている。よって、ステップS600では、電流密度別のマップを参照して、算出電流密度に対応した目標セル電圧VTを算出する。この目標セル電圧VTにあっても、既述したステップS320での露点温度BやステップS510での目標面積抵抗rHと同様、制御の狙いに反して蒸発量が不足した場合に生じる不具合(電解質膜12の乾燥)を未然に防ぐために循環比増大を低減に転ずる指標である。 Next, another modification of the water vapor amount adjustment process will be described. FIG. 12 is a flowchart showing a process instead of the circulation ratio increasing process shown in FIG. 9, and FIG. 13 is an explanatory diagram showing battery characteristics. In this modified example, as in the process of FIG. 9, the rotation speed of the circulation pump 36 is increased in steps S300 to S310 following step S130, and the circulation ratio of the anode off gas is increased. Thereafter, the control device 70 calculates the current density (I / cm 2 ) from the current obtained from the ammeter 74 (see FIG. 7) and the electrode area of the fuel cell 10, and the target cell voltage VT corresponding to the calculated current density. Is calculated (step S600). This target cell voltage VT is a cell voltage that is not desired to be further reduced when the fuel cell 10 is operated, and is predetermined in a map shape corresponding to each current density as shown in FIG. Therefore, in step S600, the target cell voltage VT corresponding to the calculated current density is calculated with reference to the map for each current density. Even at this target cell voltage VT, in the same way as the dew point temperature B in step S320 and the target area resistance rH in step S510 described above, there is a problem (electrolyte membrane) that occurs when the evaporation amount is insufficient against the control objective. 12 is an index for reducing the increase of the circulation ratio in order to prevent (drying of 12).

次いで、制御装置70は、電圧計73(図7参照)から得た電圧Vが目標セル電圧VTを下回ったかを判定し(ステップS610)、ここで肯定判定すると、既述したステップS320でのさらなる循環比低減の必要性を判定し、循環比低減の必要があるとすれば、ステップS330〜340の処理にて、ポンプ回転数の低減、循環比の低減を行う。この場合、補正量ΔKの減算を繰り返して循環比を徐々に低減するには、既述したようにステップS340の実行後にステップS600に戻るようにしたり、ステップS300での補正係数Kの算出の前へのステップS320と同一の判定処理の組み込みを行うことで、循環比を徐々に低減できる。   Next, the control device 70 determines whether or not the voltage V obtained from the voltmeter 73 (see FIG. 7) is lower than the target cell voltage VT (step S610). If the necessity of reduction of the circulation ratio is determined and it is necessary to reduce the circulation ratio, the pump speed is reduced and the circulation ratio is reduced in the processing of steps S330 to 340. In this case, in order to gradually reduce the circulation ratio by repeatedly subtracting the correction amount ΔK, as described above, the process returns to step S600 after the execution of step S340, or before the calculation of the correction coefficient K in step S300. By incorporating the same determination process as in step S320, the circulation ratio can be gradually reduced.

一方、ステップS610にて否定判定した場合は、既述したステップS410〜430の処理を実行して、補正係数の維持を通した循環比維持、回転数補正係数Knの初期化を行う。   On the other hand, if a negative determination is made in step S610, the processing of steps S410 to 430 described above is executed to maintain the circulation ratio through the maintenance of the correction coefficient and initialize the rotation speed correction coefficient Kn.

以上説明した水蒸気量調整処理の変形例によっても、燃料電池10の運転状態が電解質膜12の湿潤不足をもたらし得る状況となると、アノード14への水蒸気量増大を通して電解質膜12の湿潤状態を好適に維持させ、電池性能の維持・向上を図ることができる。   Even in the modified example of the water vapor amount adjusting process described above, when the operating state of the fuel cell 10 may cause insufficient wetness of the electrolyte membrane 12, the wet state of the electrolyte membrane 12 is preferably adjusted through an increase in the amount of water vapor to the anode 14. It is possible to maintain and improve battery performance.

また、上記した変形例の水蒸気量調整処理にあっても、ステップS410〜430の処理により循環比維持を図ることができるので、ステップS610での肯定判定後には処理を終了するようにして、ステップS320〜340の処理(循環比低減)を行わないようにすることもできる。   Even in the water vapor amount adjustment process of the above-described modification, the circulation ratio can be maintained by the processes in steps S410 to S430. Therefore, after the affirmative determination in step S610, the process is terminated. It is also possible not to perform the processing of S320 to 340 (circulation ratio reduction).

以上本発明の実施例について説明したが、本発明は上記の実施例や実施形態になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得ることは勿論である。例えば、多孔質体42の形成材としては、金属多孔体のほか、セラミック製の多孔体やカーボンクロス等を用いることもできる。   Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments and embodiments, and can of course be implemented in various modes without departing from the gist of the present invention. is there. For example, as a material for forming the porous body 42, a ceramic porous body, carbon cloth, or the like can be used in addition to a metal porous body.

実施例の燃料電池システム100の概略構成を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining schematic structure of the fuel cell system 100 of an Example. 水蒸気混合器40の構成を概略的に示す説明図である。2 is an explanatory diagram schematically showing a configuration of a water vapor mixer 40. FIG. 燃料電池システム100の運転期間におけるバルブ駆動の様子に対応付けてアノードオフガスへの水蒸気混合の様子を説明する説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining the state of steam mixing with anode off-gas in association with the state of valve driving during the operation period of the fuel cell system 100. バルブ状態の推移を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating transition of a valve state. 水蒸気混合器40を加熱状態としておく変形例の要部を概略的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows roughly the principal part of the modification which makes the water vapor mixer 40 a heating state. 水蒸気混合器40への水供給を2系統とした変形例の要部を概略的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows roughly the principal part of the modification which made the water supply to the water vapor mixer 40 into 2 systems. アノードに供給する水蒸気量を調整する燃料電池システム100の機器構成を概略的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows roughly the apparatus structure of the fuel cell system 100 which adjusts the water vapor | steam amount supplied to an anode. 水蒸気量を調整する処理内容を示したフローチャートである。It is the flowchart which showed the processing content which adjusts the amount of water vapor | steam. 水蒸気量調整を行うための循環比増大処理の詳細を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the detail of the circulation ratio increase process for performing water vapor | steam amount adjustment. 図9に示した循環比増大処理に代わる処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process replaced with the circulation ratio increase process shown in FIG. 図9に示した循環比増大処理に代わる処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process replaced with the circulation ratio increase process shown in FIG. 図9に示した循環比増大処理に代わる処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process replaced with the circulation ratio increase process shown in FIG. 電池特性を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows a battery characteristic.

符号の説明Explanation of symbols

10…燃料電池
12…電解質膜
14…アノード
16…カソード
20…空気供給経路
21…加湿器
22…ポンプ
24…オフガス経路
26…圧力調整弁
30…水素ガス供給経路
32…圧力調整弁
34…アノードオフガス経路
36…循環ポンプ
40…水蒸気混合器
42…多孔質体
44…水貯留ケース
46…キャップ
48…外郭ケース
50…気液分離器
52…貯留容器
54…排水経路
56…開閉バルブ
60…連通経路
62…開閉バルブ
66…冷却経路
68…熱交換器
70…制御装置
72…アクセル開度センサ
73…電圧計
74…電流計
75…第1露点センサ
76…第2露点センサ
77…温度センサ
80…補給水タンク
81…補給経路
82…開閉バルブ
100…燃料電池システム
T…冷却水温
CL…露点温度
VT…目標セル電圧
Dp1…上流側露点
Dp2…下流側露点
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell 12 ... Electrolyte membrane 14 ... Anode 16 ... Cathode 20 ... Air supply path 21 ... Humidifier 22 ... Pump 24 ... Off gas path 26 ... Pressure adjustment valve 30 ... Hydrogen gas supply path 32 ... Pressure adjustment valve 34 ... Anode off gas Path 36 ... Circulation pump 40 ... Steam mixer 42 ... Porous body 44 ... Water storage case 46 ... Cap 48 ... Outer case 50 ... Gas-liquid separator 52 ... Storage container 54 ... Drainage path 56 ... Opening / closing valve 60 ... Communication path 62 ... Opening / closing valve 66 ... Cooling path 68 ... Heat exchanger 70 ... Control device 72 ... Accelerator opening sensor 73 ... Voltmeter 74 ... Ammeter 75 ... First dew point sensor 76 ... Second dew point sensor 77 ... Temperature sensor 80 ... Supply water Tank 81 ... Supply path 82 ... Open / close valve 100 ... Fuel cell system T ... Cooling water temperature CL ... Dew point temperature VT ... Target cell Pressure Dp1 ... upstream dew point Dp2 ... downstream side of the dew point

Claims (8)

湿潤状態でイオン伝導性を発揮する電解質膜を有する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、
前記アノードから排出されるアノードオフガスを前記燃料ガス供給経路に循環させるアノードオフガス経路と、
該アノードオフガス経路のアノードオフガスを前記燃料ガス経路に対して循環させる循環ポンプと、
前記循環ポンプより上流側の前記アノードオフガス経路に配設されてアノードオフガスに晒され、保水済みの水をアノードオフガスの熱により水蒸気に気化した上で該水蒸気をアノードオフガスに混合させてアノードオフガスと水蒸気の混合気を下流に流す水蒸気混合手段と、
前記水蒸気混合手段の保水状態を維持するよう前記水蒸気混合手段に水を供給する水供給手段とを備え、
該水供給手段は、前記アノードオフガス経路を通過するアノードオフガスから水分を分離し、該分離した水分を貯留しつつ、水分分離後のガスを下流に流す気液分離器を備える
燃料電池システム。
A fuel cell system comprising a fuel cell having an electrolyte membrane that exhibits ionic conductivity in a wet state,
A fuel gas supply path for supplying fuel gas to the anode of the fuel cell;
An anode offgas path for circulating the anode offgas discharged from the anode to the fuel gas supply path;
A circulation pump for circulating the anode off gas of the anode off gas path to the fuel gas path;
Arranged in the anode off-gas path upstream of the circulation pump and exposed to the anode off-gas, the water that has been retained is vaporized into water vapor by the heat of the anode off-gas, and then mixed with the anode off-gas to form the anode off-gas. Steam mixing means for flowing a steam mixture downstream;
Bei example the supply water supply means water to the steam mixing means to maintain the water retention state of the steam mixing means,
The water supply means is a fuel cell system comprising a gas-liquid separator that separates moisture from the anode off-gas passing through the anode off-gas path, and stores the separated moisture and flows the gas after moisture separation downstream .
請求項1に記載の燃料電池システムであって、
前記水蒸気混合手段は、
前記水供給手段から供給された水を貯留する水貯留部と、
該水貯留部からアノードオフガスに晒される箇所まで延出し、前記水貯留部の水を含浸して保水状態となり、前記アノードオフガス経路を通過するアノードオフガスに晒される多孔質体とを備える
燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1,
The steam mixing means includes
A water storage section for storing water supplied from the water supply means;
A fuel cell system comprising: a porous body that extends from the water reservoir to a location exposed to the anode offgas, is impregnated with water in the water reservoir, enters a water retaining state, and is exposed to the anode offgas passing through the anode offgas path .
請求項1または請求項2に記載の燃料電池システムであって、
前記水供給手段は、前記燃料電池の運転状態が低負荷運転にある間において、前記水蒸気混合手段への水供給を実行する
燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein
The water supply means executes water supply to the water vapor mixing means while the operating state of the fuel cell is in a low load operation.
請求項3に記載の燃料電池システムであって、
前記水供給手段は、前記水供給を前記水蒸気混合手段の前記水貯留部が所定の貯留水位の状態となるまで行う
燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 3,
The said water supply means performs the said water supply until the said water storage part of the said water vapor mixing means will be in the state of a predetermined storage water level. Fuel cell system.
請求項1ないし請求項4いずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記水供給手段は、
前記気液分離器における水分の貯留部の満水水位面が前記水蒸気混合手段の前記水貯留部における前記所定の貯留水位の水位面と同じ高さとなるように前記気液分離器を配置して備え、
前記水分の貯留部と前記水蒸気混合手段の前記水貯留部とを連通する連通管路に、管路を開閉する開閉弁を備える
燃料電池システム。
Claims 1 to 4 A fuel cell system mounting serial any,
The water supply means
The gas-liquid separator is arranged so that the full water level surface of the water storage section in the gas-liquid separator is the same height as the water level surface of the predetermined storage water level in the water storage section of the water vapor mixing means. ,
A fuel cell system comprising an open / close valve that opens and closes a conduit in a communication conduit that communicates the moisture reservoir and the water reservoir of the water vapor mixing means.
請求項2ないし請求項5いずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記水蒸気混合手段は、前記水貯留部を前記燃料電池の発する熱により加熱する加熱部を備える
燃料電池システム。
The fuel cell system according to any claims 2 to 5 have displacement,
The water vapor mixing unit includes a heating unit that heats the water storage unit with heat generated by the fuel cell.
請求項1ないし請求項6いずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記循環ポンプを駆動制御して、前記アノードオフガス経路からのアノードオフガスの循環比を増減調整するポンプ制御手段を備え、
該ポンプ制御手段は、前記燃料電池の運転状態が前記電解質膜の湿潤不足をもたらし得る状況となると、アノードオフガスの循環比が増えるよう前記循環ポンプを駆動制御する
燃料電池システム。
The fuel cell system according to any claims 1 to 6 have shifted,
A pump control means for drivingly controlling the circulation pump and increasing / decreasing a circulation ratio of the anode offgas from the anode offgas path;
The pump control means drives and controls the circulation pump so that the circulation ratio of the anode off gas is increased when the operating state of the fuel cell is in a state where the electrolyte membrane can be dampened.
請求項7に記載の燃料電池システムであって、
前記ポンプ制御手段は、アノードオフガスの湿度に基づいて前記電解質膜の湿潤状況を把握し、前記湿度が低いほどアノードオフガスの循環比が増えるよう前記循環ポンプを駆動制御する
燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 7 , wherein
The pump control means grasps the wet state of the electrolyte membrane based on the humidity of the anode off gas, and drives and controls the circulation pump so that the circulation ratio of the anode off gas increases as the humidity decreases.
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