JP5145778B2 - FUEL CELL SYSTEM AND METHOD FOR OPERATING FUEL CELL SYSTEM - Google Patents

FUEL CELL SYSTEM AND METHOD FOR OPERATING FUEL CELL SYSTEM Download PDF

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Description

本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法の技術に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell system and a technique for operating the fuel cell system.

燃料電池積層体は、燃料電池セルを複数積層して構成される。また、燃料電池セルは、電解質膜を介して配置される一対の電極（アノード極及びカソード極）を含む膜−電極アッセンブリと、膜−電極アッセンブリを挟持する一対の燃料電池用セパレータとを有する。燃料電池セルの発電時には、アノード極に供給するアノードガスを水素ガス、カソード極に供給するカソードガスを酸素ガスとした場合、アノード極側では、水素ガスが水素イオン及び電子に分解され、水素イオンは電解質膜中を通りカソード極側に、電子は外部回路を通じてカソード極に到達する。一方、カソード極側では、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水を生成する反応が行われ、エネルギを放出する。   The fuel cell stack is configured by stacking a plurality of fuel cells. The fuel cell has a membrane-electrode assembly including a pair of electrodes (anode electrode and cathode electrode) disposed via an electrolyte membrane, and a pair of fuel cell separators sandwiching the membrane-electrode assembly. At the time of power generation of the fuel cell, when the anode gas supplied to the anode electrode is hydrogen gas and the cathode gas supplied to the cathode electrode is oxygen gas, on the anode electrode side, the hydrogen gas is decomposed into hydrogen ions and electrons. Passes through the electrolyte membrane to the cathode electrode side, and electrons reach the cathode electrode through an external circuit. On the other hand, on the cathode side, hydrogen ions, electrons, and oxygen gas react to generate water to release energy.

このような燃料電池セルは、比較的高温（例えば、７０℃〜９０℃）で発電する。しかし、燃料電池積層体では、積層方向端部に配置される燃料電池セル（端部燃料電池セル、以下端部セルと呼ぶ）は、積層方向中央部に配置される燃料電池セル（中央部燃料電池セル、以下中央部セルと呼ぶ）より放熱量が多く、温度が低下し易いため、発電性能を低下させる場合がある。また、温度の低い端部セルでは、発電時に生成した水が残留し易い。   Such fuel cells generate electricity at a relatively high temperature (for example, 70 ° C. to 90 ° C.). However, in the fuel cell stack, fuel cells arranged at the end in the stacking direction (end fuel cells, hereinafter referred to as end cells) are fuel cells arranged at the center in the stacking direction (center fuel). Since the amount of heat radiation is larger than that of a battery cell (hereinafter referred to as a center cell) and the temperature tends to decrease, the power generation performance may be reduced. Further, in the end cell having a low temperature, water generated during power generation tends to remain.

そして、燃料電池積層体が氷点下の温度環境に晒される場合には、燃料電池セル（中央部セル、端部セル）、特に端部セル内に残留した水が凍結する場合がある。このような場合には、燃料電池セルへの反応ガスの供給が妨げられるため、燃料電池セルの発電性能を低下させる場合がある。したがって、燃料電池積層体の発電の際には、端部セルの発熱量を高くして、端部セル内に残留した水の凍結を防止する必要がある。   When the fuel cell stack is exposed to a temperature environment below freezing, water remaining in the fuel cell (center cell, end cell), particularly in the end cell, may freeze. In such a case, since the supply of the reaction gas to the fuel cell is hindered, the power generation performance of the fuel cell may be reduced. Therefore, when generating power from the fuel cell stack, it is necessary to increase the amount of heat generated in the end cells to prevent water remaining in the end cells from freezing.

例えば、特許文献１には、燃料電池積層体に配置される中央部セルより、端部セルの膜−電極アッセンブリの発電面積を小さくすることにより、端部セルの発熱量を高くした燃料電池積層体が提案されている。   For example, Patent Document 1 discloses a fuel cell stack in which the heat generation amount of the end cell is increased by making the power generation area of the membrane-electrode assembly of the end cell smaller than the center cell arranged in the fuel cell stack. The body has been proposed.

また、例えば、特許文献２には、水素ガスの入口に近い燃料電池セルの電流密度を減少させることにより、水素ガスの入口に近い燃料電池セルの発熱量を抑制した燃料電池積層体が提案されている。   Further, for example, Patent Document 2 proposes a fuel cell stack in which the current density of the fuel cell close to the hydrogen gas inlet is reduced to suppress the amount of heat generated by the fuel cell close to the hydrogen gas inlet. ing.

また、例えば、特許文献３には、電流を取り出す端部セルの集電体の面積を可変させることにより、端部セルの発熱量を促進させることができる燃料電池積層体が提案されている。   Further, for example, Patent Document 3 proposes a fuel cell stack that can promote the amount of heat generated in the end cell by varying the area of the current collector of the end cell from which current is extracted.

また、例えば、特許文献４には、発熱量の低い通常時用集電体及び発熱量の大きい低温時用集電体を設け、燃料電池セルが所定温度以下になったときに、低温時用集電体に接続させることにより、端部セルの発熱量を促進させることができる燃料電池積層体が提案されている。   Further, for example, Patent Document 4 includes a low-temperature current collector having a low calorific value and a low-temperature current collector having a large calorific value. When the fuel cell is below a predetermined temperature, the low-temperature current collector is used. There has been proposed a fuel cell stack that can promote the amount of heat generated in the end cells by being connected to a current collector.

特開２００６−１９６２２０号公報JP 2006-196220 A 特開２００６−３１００２８号公報JP 2006-310028 A 特開２００５−２９３９２８号公報JP 2005-293928 A 特開２００５−１８３０４７号公報JP 2005-183047 A

しかし、特許文献１の燃料電池積層体では、発電時において、常に、端部セルの温度が高い状態になるため、端部セル内の水分の蒸発量が増加して、イオン伝導性が低下するドライアップが発生して、燃料電池積層体の発電性能が低下する場合がある。   However, in the fuel cell stack of Patent Document 1, since the temperature of the end cell is always high during power generation, the amount of moisture evaporation in the end cell increases and the ion conductivity decreases. Dry-up may occur and the power generation performance of the fuel cell stack may be reduced.

また、特許文献２の燃料電池積層体では、端部セルの電流密度を減少させているため、そもそも端部セルの温度低下を抑制することができず、燃料電池積層体の発電性能が低下する場合がある。   Further, in the fuel cell stack of Patent Document 2, since the current density of the end cells is reduced, the temperature drop of the end cells cannot be suppressed in the first place, and the power generation performance of the fuel cell stack is reduced. There is a case.

また、特許文献３，４の燃料電池積層体では、端部セルの発熱量促進を集電体によって行っているため、燃料電池セルの温度を上昇させるのに相当な時間を要する場合がある。   Further, in the fuel cell stacks of Patent Documents 3 and 4, since the heat generation amount of the end cells is promoted by the current collector, it may take a considerable time to raise the temperature of the fuel cell.

本発明は、低温環境時でも燃料電池積層体の発電性能の低下を抑制することができる燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法である。   The present invention is a fuel cell system and a method for operating the fuel cell system that can suppress a decrease in power generation performance of the fuel cell stack even in a low temperature environment.

本発明は、発電を行う燃料電池セルを複数積層する燃料電池積層体を含む燃料電池システムであって、前記燃料電池積層体は、前記燃料電池積層体の積層方向中央部に少なくとも１つ以上配置される中央部燃料電池セルと、前記中央部燃料電池セルより発電面積が小さく、前記燃料電池積層体の積層方向端部に配置される第１端部セルと、前記第１端部セルより発電面積が小さく、前記第１端部セルより積層方向外側に配置される第２端部セルと、を有し、前記発電の際に、前記燃料電池積層体内の残水量が所定範囲内となるように、電流を取り出す燃料電池セルを前記中央部燃料電池セル、前記第１端部セル、前記第２端部セルから選択し、切換えるセル切換え手段を備える。 The present invention is a fuel cell system including a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells that generate electric power are stacked, and at least one fuel cell stack is disposed in a central portion of the fuel cell stack in the stacking direction. a central portion the fuel cell to be, the central portion the fuel cell smaller power generation area than the cell, a first end cell which is placed in the stacking direction end portion of the fuel cell stack, from the first end cells And a second end cell disposed on the outer side in the stacking direction than the first end cell, and the remaining water amount in the fuel cell stack is within a predetermined range during the power generation. As described above , a cell switching means for selecting and switching the fuel cell from which the current is taken out from the central fuel cell , the first end cell, and the second end cell is provided.

また、前記燃料電池積システムにおいて、前記中央部燃料電池セル、前記第１端部セル及び前記第２端部セルは、電解質膜を介して配置される一対の電極を含む膜−電極アッセンブリを有し、前記端部燃料電池セルは、前記中央部燃料電池セルより前記膜−電極アッセンブリの面積が小さいことが好ましい。 In the fuel cell product system, the central fuel cell , the first end cell, and the second end cell each include a membrane-electrode assembly including a pair of electrodes disposed via an electrolyte membrane. The end fuel cell preferably has a smaller area of the membrane-electrode assembly than the central fuel cell.

また、前記燃料電池システムにおいて、前記残水量は、前記中央部燃料電池セルの内部抵抗、圧力損失、電圧、前記中央部燃料電池セルと、前記第１端部セル又は前記第２端部セルとの温度差のうち少なくともいずれか１つから算出されることが好ましい。 Further, in the fuel cell system, the amount of remaining water is determined by the internal resistance, pressure loss, voltage, the central fuel cell, and the first end cell or the second end cell of the central fuel cell. It is preferable to calculate from at least one of the temperature differences.

また、本発明は、発電を行う燃料電池セルを複数積層する燃料電池積層体を含む燃料電池システムの運転方法であって、前記発電の際に、前記燃料電池積層体内の残水量が所定範囲内となるように、電流を取り出す燃料電池セルを前記燃料電池積層体の積層方向中央部に配置される中央部燃料電池セルと、前記中央部燃料電池セルより発電面積が小さく、前記燃料電池積層体の積層方向端部に配置される第１端部セルと、前記第１端部セルより発電面積が小さく、前記第１端部セルより積層方向外側に配置される第２端部セルとから選択し、切換えるセル切換えステップを備える。 The present invention also relates to a method of operating a fuel cell system including a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells that generate power are stacked, and the amount of residual water in the fuel cell stack is within a predetermined range during the power generation . The fuel cell from which current is taken out is arranged at the center in the stacking direction of the fuel cell stack, and the fuel cell stack has a smaller power generation area than the center fuel cell. Selected from a first end cell disposed at the stacking direction end and a second end cell having a power generation area smaller than that of the first end cell and disposed outside the first end cell in the stacking direction. And a cell switching step for switching.

本発明によれば、燃料電池積層体の積層方向中央部に少なくとも１つ以上配置される中央部燃料電池セルと、中央部燃料電池セルより発電面積が小さく、燃料電池積層体の積層方向端部に配置される第１端部セルと、前記第１端部セルより発電面積が小さく、第１端部セルより積層方向外側に配置される第２端部セルと、を有し、発電の際に、燃料電池積層体内の残水量が所定の範囲内となるように、電流を取り出す燃料電池セルを中央部燃料電池セル、第１端部セル、第２端部セルから選択し、切換えるセル切換え手段を備えることにより、低温環境時でも燃料電池積層体の発電性能の低下を抑制することができる燃料電池積システムを提供することができる。 According to the present invention, at least one or more central fuel cells arranged in the central portion of the fuel cell stack in the stacking direction, the power generation area is smaller than the central fuel cells, and the stack direction end of the fuel cell stack to a first end cell being placed, the first end portion smaller power area than the cell, and a second end cells arranged in the stacking direction outside the first end cell, a power generation In this case, the fuel cell from which the current is extracted is selected from the central fuel cell , the first end cell, and the second end cell so that the amount of remaining water in the fuel cell stack is within a predetermined range. By providing the switching means, it is possible to provide a fuel cell product system that can suppress a decrease in power generation performance of the fuel cell stack even in a low temperature environment.

また、本発明によれば、発電の際に、燃料電池積層体内の残水量が所定範囲内となるように、電流を取り出す燃料電池セルを燃料電池積層体の積層方向中央部に配置される中央部燃料電池セルと、中央部燃料電池セルより発電面積が小さく、燃料電池積層体の積層方向端部に配置される第１端部セルと、第１端部セルより発電面積が小さく、第１端部セルより積層方向外側に配置される第２端部セルとから選択し、切換えるセル切換えステップを備えることにより、低温環境時でも燃料電池積層体の発電性能の低下を抑制することができる燃料電池システムの運転方法を提供することができる。 Further, according to the present invention, during power generation, the center of the fuel cell stack in which the fuel cell from which the current is taken is arranged in the stacking direction of the fuel cell stack so that the remaining water amount in the fuel cell stack is within a predetermined range. The fuel cell has a smaller power generation area than the central fuel cell , the first end cell disposed at the stacking direction end of the fuel cell stack , and the power generation area smaller than the first end cell. A fuel that can suppress a decrease in the power generation performance of the fuel cell stack even in a low temperature environment by including a cell switching step that selects and switches from the second end cell disposed outside the end cell in the stacking direction. A method for operating a battery system can be provided.

本発明の実施の形態について以下説明する。   Embodiments of the present invention will be described below.

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式断面図である。燃料電池システム１は、燃料電池積層体２と、セル切換手段としての制御装置１０及びスイッチ１２と、燃料電池積層体２内の残水量を検出する残水量検出手段としての残水量検出器１４とを備える。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. The fuel cell system 1 includes a fuel cell stack 2, a control device 10 and a switch 12 as cell switching means, and a residual water amount detector 14 as residual water amount detection means for detecting the residual water amount in the fuel cell stack 2. Is provided.

燃料電池積層体２は、積層方向中央部に配置される燃料電池セル（中央部燃料電池セル、以下中央部セル１８）と、積層方向端部に配置される燃料電池セル（端部燃料電池セル、以下端部セル２０）と、集電体２２ａ，２２ｂとを備えるものである。本実施形態では、中央部セル１８を１０層積層し、その両端部に端部セル２０を１層配置したものを例として以下説明するが、これに限定されるものではなく、中央部セル１８及び端部セル２０は、少なくとも１層以上配置（積層）されていればよい。   The fuel cell stack 2 includes a fuel cell (central fuel cell, hereinafter referred to as a central cell 18) disposed at the center in the stacking direction and a fuel cell (end fuel cell) disposed at the end in the stacking direction. Hereinafter, the end cell 20) and current collectors 22a and 22b are provided. In the present embodiment, an example in which 10 layers of the center cell 18 are stacked and one layer of the end cells 20 is arranged at both ends thereof will be described below, but the present invention is not limited to this. And the end cell 20 should just be arrange | positioned at least 1 layer or more (lamination | stacking).

また、燃料電池積層体２には、各中央部セル１８及び端部セル２０に反応ガス（アノードガス、カソードガス）の供給又は排出を行う反応ガスマニホールド（不図示）を備える。反応ガスマニホールドには、アノードガス供給用のアノードガス供給マニホールド、アノードガス排出用のアノードガス排出マニホールド、カソードガス供給用のカソードガス供給マニホールド、カソードガス排出用のカソードガス排出マニホールドを備える。   In addition, the fuel cell stack 2 includes a reaction gas manifold (not shown) that supplies or discharges a reaction gas (anode gas, cathode gas) to each central cell 18 and end cell 20. The reaction gas manifold includes an anode gas supply manifold for supplying anode gas, an anode gas discharge manifold for discharging anode gas, a cathode gas supply manifold for supplying cathode gas, and a cathode gas discharge manifold for discharging cathode gas.

図２（イ）は、本発明の実施形態に用いられる中央部セルの構成の一例を示す模式断面図であり、図２（ロ）は、本発明の実施形態に用いられる端部セルの構成の一例を示す模式断面図である。図２（イ），（ロ）に示すように、中央部セル１８及び端部セル２０は、膜−電極アッセンブリ２４ａ又は２４ｂと、アノード極拡散層２６と、カソード極拡散層２８と、アノード極セパレータ３０と、カソード極セパレータ３２、フレーム３４ａ，３４ｂと、ガスケット３６とを備える。   FIG. 2 (a) is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of the central cell used in the embodiment of the present invention, and FIG. 2 (b) shows the configuration of the end cell used in the embodiment of the present invention. It is a schematic cross section which shows an example. As shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), the center cell 18 and the end cell 20 include a membrane-electrode assembly 24a or 24b, an anode electrode diffusion layer 26, a cathode electrode diffusion layer 28, and an anode electrode. A separator 30, a cathode electrode separator 32, frames 34 a and 34 b, and a gasket 36 are provided.

図２（イ），（ロ）に示すように、本実施形態に用いられる中央部セル１８及び端部セル２０は、膜−電極アッセンブリ２４ａ又は２４ｂの両外側を挟持するアノード極拡散層２６、カソード極拡散層２８と、さらにその両外側を挟持するアノード極セパレータ３０、カソード極セパレータ３２とを備える。アノード極セパレータ３０の空洞部は、アノードガス流路３８ａ、カソード極セパレータ３２の空洞部は、カソードガス流路３８ｂとなっている。   As shown in FIGS. 2A and 2B, the center cell 18 and the end cell 20 used in the present embodiment include an anode electrode diffusion layer 26 sandwiching both outer sides of the membrane-electrode assembly 24a or 24b, A cathode pole diffusion layer 28, and an anode pole separator 30 and a cathode pole separator 32 that sandwich both outer sides thereof are provided. The cavity of the anode separator 30 is an anode gas channel 38a, and the cavity of the cathode separator 32 is a cathode gas channel 38b.

本実施形態に用いられる中央部セル１８及び端部セル２０の膜−電極アッセンブリ２４ａ，２４ｂは、電解質膜を介して配置される一対の電極（アノード極及びカソード極）を備えるものである。上記でも説明したように、アノード極にアノードガス、カソード極にカソードガスが供給されることにより、燃料電池セル（中央部セル１８及び端部セル２０）の発電が行われる。   The membrane-electrode assemblies 24a and 24b of the center cell 18 and the end cell 20 used in this embodiment include a pair of electrodes (an anode electrode and a cathode electrode) disposed via an electrolyte membrane. As described above, the anode battery is supplied to the anode electrode and the cathode gas is supplied to the cathode electrode, thereby generating power in the fuel cell (the central cell 18 and the end cell 20).

図３（イ）は、中央部セルに用いられる膜−電極アッセンブリの一例を示す模式平面図であり、図３（ロ）は、端部セルに用いられる膜−電極アッセンブリの一例を示す模式平面図である。図３（イ），（ロ）に示すように、膜−電極アッセンブリ２４ａ，２４ｂは、フレーム３４ａ，３４ｂにより固定されている。上記でも説明したように、燃料電池セルの発電は、膜−電極アッセンブリ上で行われるため、図３（イ），（ロ）に示すように、端部セル２０の膜−電極アッセンブリ２４ｂの面積を中央部セル１８の膜−電極アッセンブリ２４ａの面積より小さくすることによって、端部セル２０の発電面積を小さくすることができる。しかし、端部セル２０の発電面積を中央部セル１８の発電面積より小さくする方法は、上記に限定されるものではない。例えば、中央部セル１８及び端部セル２０の膜−電極アッセンブリ２４ａ，２４ｂの面積が同じでも、端部セル２０のアノードガス流路３８ａ及びカソードガス流路３８ｂの一部を塞いで、アノード極及びカソード極の一部に反応ガス（アノードガス、カソードガス）を供給しないようにすること等によっても端部セル２０の発電面積を小さくすることができる。端部セル２０の構成を複雑化しない点で、中央部セル１８の膜−電極アッセンブリ２４ａより端部セル２０の膜−電極アッセンブリ２４ｂの面積を小さくすることにより、端部セル２０の発電面積を小さくすることが好ましい。   FIG. 3A is a schematic plan view showing an example of a membrane-electrode assembly used in the center cell, and FIG. 3B is a schematic plan view showing an example of the membrane-electrode assembly used in the end cell. FIG. As shown in FIGS. 3A and 3B, the membrane-electrode assemblies 24a and 24b are fixed by frames 34a and 34b. As described above, since the power generation of the fuel cell is performed on the membrane-electrode assembly, the area of the membrane-electrode assembly 24b of the end cell 20 as shown in FIGS. Can be made smaller than the area of the membrane-electrode assembly 24a of the central cell 18, the power generation area of the end cell 20 can be reduced. However, the method of making the power generation area of the end cell 20 smaller than the power generation area of the central cell 18 is not limited to the above. For example, even if the membrane cell electrode assemblies 24a and 24b of the central cell 18 and the end cell 20 have the same area, the anode gas flow path 38a and the cathode gas flow path 38b of the end cell 20 are partially blocked to form the anode electrode. In addition, the power generation area of the end cell 20 can be reduced by not supplying the reaction gas (anode gas, cathode gas) to a part of the cathode electrode. By reducing the area of the membrane-electrode assembly 24b of the end cell 20 from the membrane-electrode assembly 24a of the central cell 18, the power generation area of the end cell 20 is reduced in that the configuration of the end cell 20 is not complicated. It is preferable to make it small.

図４は、中央部セル及び端部セルの電流密度とセル電圧との関係を示す図である。端部セル２０の発電面積は、中央部セル１８の発電面積より小さいため、図４に示すように、端部セル２０の電流密度Ｘ２（Ａ／ｃｍ２）は、中央部セル１８の電流密度Ｘ１（Ａ／ｃｍ２）より大きな値となる。電流密度が大きい端部セル２０は、中央部セル１８より過電圧も大きくなる。そのため、発電の際に、端部セル２０の発熱量は、中央部セル１８の発熱量より多くなり、端部セル２０及び端部セル２０近傍の中央部セル１８の温度低下を抑制することができる。これにより、端部セル２０及び端部セル２０近傍の中央部セル１８内の水の残留を抑制することができるため、低温環境下での発電性能を向上させることができる。 FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the current density of the central cell and the end cell and the cell voltage. Since the power generation area of the end cell 20 is smaller than the power generation area of the central cell 18, the current density X2 (A / cm 2 ) of the end cell 20 is the current density of the central cell 18 as shown in FIG. The value is larger than X1 (A / cm 2 ). The end cell 20 having a large current density has a larger overvoltage than the center cell 18. Therefore, at the time of power generation, the calorific value of the end cell 20 is larger than the calorific value of the central cell 18, and it is possible to suppress the temperature drop of the end cell 20 and the central cell 18 near the end cell 20. it can. Thereby, since the residual of the water in the center part cell 18 of the edge part cell 20 and the edge part cell 20 vicinity can be suppressed, the electric power generation performance in a low-temperature environment can be improved.

膜−電極アッセンブリ２４ａ，２４ｂを構成するアノード極及びカソード極は、例えば、白金、ルテニウム等の金属触媒を担持したカーボンとパーフルオロスルホン酸系の電解質等とを混合して電解質膜上に成膜したものである。上記カーボンとしては、例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック等が用いられる。   The anode and cathode constituting the membrane-electrode assemblies 24a and 24b are formed on the electrolyte membrane by mixing, for example, carbon carrying a metal catalyst such as platinum or ruthenium and a perfluorosulfonic acid electrolyte. It is a thing. Examples of the carbon include carbon black such as acetylene black, furnace black, channel black, and thermal black.

また、膜−電極アッセンブリ２４ａ，２４ｂを構成する電解質膜は、電子伝達性を有さずプロトン伝導性を有するものであれば特に制限されるものではない。例えば、パーフルオロスルホン酸系の樹脂膜、トリフルオロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール膜、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸膜等が用いられる。具体的にはナフィオン（登録商標）が挙げられる。   Further, the electrolyte membrane constituting the membrane-electrode assembly 24a, 24b is not particularly limited as long as it does not have electron transfer properties but has proton conductivity. For example, a perfluorosulfonic acid resin film, a copolymer film of a trifluorostyrene derivative, a polybenzimidazole film impregnated with phosphoric acid, an aromatic polyether ketone sulfonic acid film, or the like is used. Specific examples include Nafion (registered trademark).

本実施形態に用いられるアノード極セパレータ３０、カソード極セパレータ３２は、金属系セパレータ、カーボン系セパレータ等特に制限されるものではない。   The anode separator 30 and the cathode separator 32 used in the present embodiment are not particularly limited, such as a metal separator or a carbon separator.

本実施形態に用いられるアノード極拡散層２６及びカソード極拡散層２８としては、反応ガスの拡散性が高い材料であれば特に制限されるものではない。例えば、カーボンクロス、カーボンペーパ等の多孔質カーボン材料等が用いられる。   The anode electrode diffusion layer 26 and the cathode electrode diffusion layer 28 used in the present embodiment are not particularly limited as long as they have a high reaction gas diffusibility. For example, porous carbon materials such as carbon cloth and carbon paper are used.

本実施形態に用いられるフレーム３４ａ，３４ｂは、膜−電極アッセンブリ２４ａ，２４ｂを固定するものであり、例えば、シリコン、フッ素材料等の樹脂等が用いられる。フレーム３４ａ，３４ｂは、それぞれ、膜−電極アッセンブリ２４ａ，２４ｂの面積に適したサイズであることが好ましい。なお、図３に示すフレーム３４ａ，３４ｂには、上記説明したアノードガス供給マニホールド４０ａ、アノードガス排出マニホールド４０ｂ、カソードガス供給マニホールド４２ａ、カソードガス排出マニホールド４２ｂが設けられている。   The frames 34a and 34b used in this embodiment are for fixing the membrane-electrode assemblies 24a and 24b. For example, a resin such as silicon or a fluorine material is used. Frames 34a and 34b are preferably sized appropriately for the area of membrane-electrode assembly 24a and 24b, respectively. The above-described anode gas supply manifold 40a, anode gas discharge manifold 40b, cathode gas supply manifold 42a, and cathode gas discharge manifold 42b are provided on the frames 34a and 34b shown in FIG.

ガスケット３６は、燃料電池セル（中央部セル１８、端部セル２０）間を固定するものであり、例えば、シリコン、フッ素材料等の樹脂等が用いられる。ガスケット３６は、フレーム３４ａ，３４ｂと一体形成されるものであってもよい。   The gasket 36 is for fixing between the fuel cells (the center cell 18 and the end cell 20). For example, a resin such as silicon or a fluorine material is used. The gasket 36 may be integrally formed with the frames 34a and 34b.

集電体２２ａ，２２ｂは、燃料電池セル（中央部セル１８、端部セル２０）から電流を取り出すためのものである。本実施形態において、中央部セル１８と端部セル２０との間に設けられる集電体２２ａは、中央部セル１８から電流を取り出すためのものである（すなわち、１０層の中央部セル１８に流れる電流を取り出すことができる）。一方、端部セル２０の積層方向端部に設けられる集電体２２ｂは、中央部セル１８及び端部セル２０に流れる電流を取り出すためのものである。また、集電体２２ａ，２２ｂは、負荷２３に接続されている。   The current collectors 22a and 22b are for taking out current from the fuel cell (center cell 18 and end cell 20). In the present embodiment, the current collector 22a provided between the central cell 18 and the end cell 20 is for taking out current from the central cell 18 (that is, in the 10-layer central cell 18). Current can be taken out). On the other hand, the current collector 22 b provided at the end of the end cell 20 in the stacking direction is for taking out the current flowing through the center cell 18 and the end cell 20. The current collectors 22 a and 22 b are connected to the load 23.

本実施形態に用いられる制御装置１０及びスイッチ１２（図１に示す）は、燃料電池積層体２内の残水量に応じて、電流を取り出す燃料電池セルを中央部セル１８と端部セル２０とから選択し、切換えるものである。   The control device 10 and the switch 12 (shown in FIG. 1) used in the present embodiment are arranged such that the fuel cell from which current is taken out in accordance with the remaining water amount in the fuel cell stack 2 is the central cell 18 and the end cell 20 Is selected and switched.

残水量検出器１４は、制御装置１０と電気的に接続されている。残水量検出器１４は、燃料電池積層体２内の残水量を検出することができるものであれば特に制限されるものではないが、燃料電池積層体２内の残水量の検出精度の点で、中央部セル１８の内部抵抗、圧力損失、電圧、中央部セル１８と端部セル２０との温度差等のうち少なくともいずれか１つから燃料電池積層体２内の残水量を検出することができるものであることが好ましい。   The remaining water amount detector 14 is electrically connected to the control device 10. The remaining water amount detector 14 is not particularly limited as long as it can detect the remaining water amount in the fuel cell stack 2, but in terms of detection accuracy of the remaining water amount in the fuel cell stack 2. Detecting the amount of water remaining in the fuel cell stack 2 from at least one of the internal resistance, pressure loss, voltage, temperature difference between the center cell 18 and the end cell 20, and the like. It is preferable that it is possible.

燃料電池積層体２内の残水量が高いと、中央部セル１８の内部抵抗は低くなり、燃料電池積層体２内の残水量が低いと、中央部セル１８の内部抵抗は高くなる。そこで、残水量検出器１４の構成としては、例えば、中央部セル１８の内部抵抗を検出するＡＣインピーダンス測定器と、検出した内部抵抗から燃料電池積層体２内の残水量を算出することができるＣＰＵとを備えるものが挙げられる。具他的な残水量の算出としては、ＡＣインピーダンス測定器により中央部セル１８の内部抵抗が検出される。ＣＰＵに記録されている内部抵抗と燃料電池積層体２内の残水量との関係を表す制御マップ等に、検出した内部抵抗を当てはめて、燃料電池積層体２内の残水量が算出される。   When the residual water amount in the fuel cell stack 2 is high, the internal resistance of the central cell 18 is low, and when the residual water amount in the fuel cell stack 2 is low, the internal resistance of the central cell 18 is high. Therefore, as a configuration of the remaining water amount detector 14, for example, an AC impedance measuring device that detects the internal resistance of the central cell 18 and the remaining water amount in the fuel cell stack 2 can be calculated from the detected internal resistance. A thing provided with CPU is mentioned. As a specific calculation of the remaining water amount, the internal resistance of the central cell 18 is detected by an AC impedance measuring instrument. The detected internal resistance is applied to a control map or the like representing the relationship between the internal resistance recorded in the CPU and the remaining water amount in the fuel cell stack 2, and the remaining water amount in the fuel cell stack 2 is calculated.

また、燃料電池積層体２内の残水量が高いと、圧力損失は高く、電圧は低くなる。一方、燃料電池積層体２内の残水量が低いと、圧力損失は低く、電圧は高くなる。さらに、温度差が小さいと端部セル２０の残水量は少なくなり、温度差が大きいと残水量が多くなる。そこで、残水量検出器１４の他の例としては、圧力損失を検出する圧力センサと、検出した圧力から燃料電池積層体２内の残水量を算出することができるＣＰＵとを備えるものであってもよいし、中央部セル１８の電圧を検出する電圧センサと、検出した電圧から燃料電池積層体２内の残水量を算出することができるＣＰＵとを備えるものであってもよいし、又は中央セル１８と端部セル２０との温度差を検出する温度センサと、検出した温度差から燃料電池積層体２内の残水量を算出することができるＣＰＵとを備えるものであってもよい。残水量の算出としては、ＣＰＵにより、圧力、電圧又は温度差と燃料電池積層体２内の残水量との関係を表す制御マップ等に、検出された圧力、電圧又は温度差を当てはめて、燃料電池積層体２内の残水量が算出される。さらに、燃料電池積層体２内の残水量の検出精度を向上させることができる点で、残水量検出器１４は、上記ＡＣインピーダンス測定器と、圧力センサと、温度センサと、検出した内部抵抗、圧力、及び温度差から燃料電池積層体２内の残水量を検出することができるＣＰＵとを備えるものであることが好ましい。また、燃料電池システム１の構成を簡略化する点で、上記ＣＰＵは、制御装置１０に備えられるものであってもよい。   Further, when the amount of residual water in the fuel cell stack 2 is high, the pressure loss is high and the voltage is low. On the other hand, when the amount of remaining water in the fuel cell stack 2 is low, the pressure loss is low and the voltage is high. Furthermore, if the temperature difference is small, the amount of residual water in the end cell 20 decreases, and if the temperature difference is large, the amount of residual water increases. Therefore, another example of the remaining water amount detector 14 includes a pressure sensor that detects a pressure loss and a CPU that can calculate the remaining water amount in the fuel cell stack 2 from the detected pressure. Alternatively, it may include a voltage sensor that detects the voltage of the central cell 18 and a CPU that can calculate the amount of remaining water in the fuel cell stack 2 from the detected voltage, or the center. You may provide the temperature sensor which detects the temperature difference of the cell 18 and the edge part cell 20, and CPU which can calculate the amount of residual water in the fuel cell laminated body 2 from the detected temperature difference. For the calculation of the remaining water amount, the CPU applies the detected pressure, voltage, or temperature difference to a control map or the like that represents the relationship between the pressure, voltage, or temperature difference and the remaining water amount in the fuel cell stack 2, and the fuel The amount of remaining water in the battery stack 2 is calculated. Furthermore, the remaining water amount detector 14 includes the AC impedance measuring device, the pressure sensor, the temperature sensor, the detected internal resistance, and the like in that the detection accuracy of the remaining water amount in the fuel cell stack 2 can be improved. It is preferable to include a CPU capable of detecting the amount of remaining water in the fuel cell stack 2 from the pressure and temperature difference. In addition, the CPU may be included in the control device 10 in terms of simplifying the configuration of the fuel cell system 1.

セル切換手段（制御装置１０、スイッチ１２）は、上記でも説明したように、燃料電池積層体２内の残水量に応じて、電流を取り出す燃料電池セルを選択し切換えるものであればよい。セル切換手段の動作の一例を説明する。例えば、残水量検出器１４により検出された燃料電池積層体２内の残水量と予め設定した閾値範囲とが、制御装置１０により比較される。ここで、閾値範囲は、燃料電池積層体２の発電性能が極端に低下しない残水量の範囲、例えば、閾値範囲の上限を超えると、フラッディングの発生が起こり、閾値範囲の下限を超えると、ドライアップの発生が起こるような残水量の範囲に設定されていればよい。上記制御装置１０により、閾値範囲と検出された残水量とを比較して、検出された残水量が閾値範囲の下限値より少ないと判断された場合には、スイッチ１２を切換え、集電体２２ａに接続され、中央部セル１８から電流が取り出される。このように、中央部セル１８から電流が取り出されることによって、端部セル２０の発電が停止されるため、端部セル２０が高温となることを防ぎ、ドライアップの発生が抑制される。また、検出された残水量が閾値範囲の上限値より多い場合には、スイッチ１２を切換え、集電体２２ｂに接続され、端部セル２０から電流が取り出される。このように、端部セル２０から電流が取り出されることによって、端部セル２０の発電が開始されるため、端部セル２０が発熱し、フラッディングの発生が抑制される。   As described above, the cell switching means (the control device 10 and the switch 12) may be any one that selects and switches the fuel cell from which current is taken out in accordance with the amount of remaining water in the fuel cell stack 2. An example of the operation of the cell switching means will be described. For example, the remaining water amount in the fuel cell stack 2 detected by the remaining water amount detector 14 is compared with a preset threshold range by the control device 10. Here, the threshold range is a residual water amount range in which the power generation performance of the fuel cell stack 2 does not extremely decrease, for example, flooding occurs when the upper limit of the threshold range is exceeded, and dryness is exceeded when the lower limit of the threshold range is exceeded. It may be set within the range of the remaining water amount that causes the occurrence of up. When the control device 10 compares the threshold range with the detected residual water amount and determines that the detected residual water amount is less than the lower limit value of the threshold range, the switch 12 is switched to collect the current collector 22a. And a current is taken out from the central cell 18. As described above, since the power generation of the end cell 20 is stopped by taking out the current from the central cell 18, the end cell 20 is prevented from becoming high temperature, and the occurrence of dry-up is suppressed. Further, when the detected residual water amount is larger than the upper limit value of the threshold range, the switch 12 is switched and connected to the current collector 22b, and current is taken out from the end cell 20. As described above, since the power generation of the end cell 20 is started by extracting the current from the end cell 20, the end cell 20 generates heat, and the occurrence of flooding is suppressed.

図５は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式断面図である。図５に示すように、燃料電池システム３は、燃料電池積層体４と、セル切換手段としての制御装置１１及びスイッチ１２と、残水量検出器１４とを備える。図５に示す燃料電池システム３において、図１に示す燃料電池システム１と同様の構成については、同一の符号を付してある。   FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of a fuel cell system according to another embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, the fuel cell system 3 includes a fuel cell stack 4, a control device 11 and a switch 12 as cell switching means, and a remaining water amount detector 14. In the fuel cell system 3 shown in FIG. 5, the same reference numerals are given to the same configurations as those of the fuel cell system 1 shown in FIG.

燃料電池積層体４は、中央部セル１８と、端部セル２０ａ，２０ｂと、集電体２２ａ，２２ｂ，２２ｃとを備えるものである。本実施形態では、中央部セル１８を８層積層し、その両端部に端部セルを各２層（端部セル２０ａ，２０ｂ）配置したものを例として以下説明するが、これに限定されるものではない。   The fuel cell stack 4 includes a center cell 18, end cells 20a and 20b, and current collectors 22a, 22b and 22c. In the present embodiment, eight layers of the central cell 18 are stacked, and two end layers (end cells 20a and 20b) are arranged at both ends thereof as an example, but the present invention is limited to this. It is not a thing.

本実施形態では、図５に示すように、端部セル（２０ａ，２０ｂ）の膜−電極アッセンブリ（２４ｂ，２４ｃ）の面積（すなわち発電面積）は、中央部セル１８の膜−電極アッセンブリ２４ａより小さいものであり、各端部セル（２０ａ，２０ｂ）の膜−電極アッセンブリ（２４ｂ，２４ｃ）の面積は、燃料電池積層体４の積層方向端部に向かうにしたがって小さくなる。このような構成にすることによって、端部セル（２０ａ，２０ｂ）の温度を段階的に制御することができるため、効率的に端部セル（２０ａ，２０ｂ）のドライアップを抑制し、燃料電池積層体４の発電性能の低下を抑制することができる。   In the present embodiment, as shown in FIG. 5, the area of the membrane-electrode assembly (24b, 24c) of the end cell (20a, 20b) (that is, the power generation area) is larger than that of the membrane-electrode assembly 24a of the central cell 18. The area of the membrane-electrode assembly (24b, 24c) of each end cell (20a, 20b) becomes smaller toward the end of the fuel cell stack 4 in the stacking direction. By adopting such a configuration, the temperature of the end cells (20a, 20b) can be controlled stepwise, so that dry-up of the end cells (20a, 20b) can be efficiently suppressed, and the fuel cell A decrease in power generation performance of the laminate 4 can be suppressed.

セル切換手段（制御装置１１、スイッチ１２）は、上記でも説明したように、燃料電池積層体４内の残水量に応じて、電流を取り出す燃料電池セルを選択し、切換えるものであればよい。セル切換手段の動作の一例を説明する。例えば、残水量検出器１４により検出された燃料電池積層体４内の残水量と予め設定した閾値範囲とが、制御装置１１により比較される。上記制御装置１１により、閾値範囲と検出された残水量とを比較して、検出された残水量が閾値範囲外であると判断された場合には、燃料電池積層体４内の残水量が閾値範囲となるように最適な集電体が選択され、スイッチ１２が好適な集電体に接続される。このように、好適な集電体に接続された燃料電池セルから電流が取り出されることによって、燃料電池積層体４のドライアップ、フラッディングの発生が抑制される。   As described above, the cell switching means (the control device 11 and the switch 12) may be any one that selects and switches the fuel cell from which current is taken out in accordance with the amount of remaining water in the fuel cell stack 4. An example of the operation of the cell switching means will be described. For example, the control device 11 compares the residual water amount in the fuel cell stack 4 detected by the residual water amount detector 14 with a preset threshold range. When the control device 11 compares the threshold range with the detected residual water amount and determines that the detected residual water amount is outside the threshold range, the residual water amount in the fuel cell stack 4 is set to the threshold value. An optimal current collector is selected to be in range, and the switch 12 is connected to a suitable current collector. As described above, the current is taken out from the fuel cell connected to a suitable current collector, thereby suppressing the dry-up and flooding of the fuel cell stack 4.

以上のように、本実施形態に係る燃料電池システムは、中央部セルより発電面積の小さい端部セルを燃料電池積層体の積層方向端部に少なくとも１つ以上配置し、燃料電池セルの発電の際に、燃料電池積層体内の残水量に応じて、電流を取り出す燃料電池セルを中央部セルと端部セルとから選択し、切換えることによって、燃料電池積層体のドライアップ及びフラッディングの発生を抑制することができる。また、端部セルの温度が常に高い状態になることを防ぎ、端部セルが乾燥することも抑制することができる。したがって、燃料電池積層体の発電性能の低下を抑制することができる。   As described above, in the fuel cell system according to the present embodiment, at least one end cell having a smaller power generation area than the center cell is disposed at the end in the stacking direction of the fuel cell stack, and the power generation of the fuel cell is performed. In this case, the fuel cell stack is selected from the central cell and the end cell according to the amount of remaining water in the fuel cell stack, and switching between the cells is performed to suppress dry-up and flooding of the fuel cell stack. can do. Moreover, it can prevent that the temperature of an edge part cell always becomes a high state, and can also suppress that an edge part cell dries. Accordingly, it is possible to suppress a decrease in power generation performance of the fuel cell stack.

次に、燃料電池システムの運転方法について説明する。   Next, an operation method of the fuel cell system will be described.

本実施形態に係る燃料電池システムの運転方法は、発電の際に、燃料電池積層体内の残水量に応じて、電流を取り出す燃料電池セルを中央部セルと端部セルとから選択し、切換えるセル切換えステップを備えるものである。   The operation method of the fuel cell system according to the present embodiment is a cell that selects and switches a fuel cell from which current is taken out from a center cell and an end cell according to the amount of remaining water in the fuel cell stack during power generation. A switching step is provided.

図６は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの運転方法の一例を示すフロー図である。図６に示す燃料電池システムの運転方法においては、図１に示す燃料電池システム１を用いて説明する。   FIG. 6 is a flowchart showing an example of an operation method of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention. The operation method of the fuel cell system shown in FIG. 6 will be described using the fuel cell system 1 shown in FIG.

燃料電池システム１の運転初期においては、燃料電池積層体２の温度は低いため、燃料電池積層体２の温度上昇を促進する点で、端部セル２０ｂに備える集電体２２ｂとスイッチ１２とが接続されていることが好ましい。しかし、必ずしもこれに限定されるものではなく、温度センサ等により検出した温度等に基づいて、制御装置１０により、燃料電池システム１の運転初期に好適な燃料電池セルの集電体が選択されて接続されるものであってもよい。   In the initial operation of the fuel cell system 1, the temperature of the fuel cell stack 2 is low. Therefore, the current collector 22b and the switch 12 provided in the end cell 20b It is preferable that they are connected. However, the present invention is not necessarily limited to this. Based on the temperature detected by the temperature sensor or the like, the control device 10 selects a fuel cell current collector suitable for the initial operation of the fuel cell system 1. It may be connected.

まず、ステップＳ１０では、スイッチ１２が接続された集電体２２ｂ間の燃料電池セルで発電が行われ、電流が取り出される。ステップＳ１２では、制御装置１０により、発電停止指令の入力の有無が確認される。発電停止指令が入力されていれば、燃料電池システム１の運転は中止され、発電停止指令が入力されていなければ、ステップＳ１４に進む。ステップＳ１４では、残水量検出器１４により中央部セル１８の残水量が検出される。制御装置１０により、検出された残水量が、予め設定した閾値範囲の下限値より多いと判断された場合、ステップＳ１０の処理に戻され、閾値範囲の下限値より少ないと判断された場合、ステップＳ１６に進む。ステップＳ１６では、集電体２２ａが選択され、スイッチ１２と集電体２２ａとが接続される。ステップＳ１８では、スイッチ１２が接続された集電体２２ａ間の燃料電池セルで発電が行われ、電流が取り出される。ステップＳ２０では、残水量検出器１４により中央部セル１８の残水量が検出される。制御装置１０により、検出された残水量が、予め設定した閾値範囲の上限値より少ないと判断された場合、ステップＳ１８の処理に戻され、閾値範囲の上限値より多いと判断された場合、ステップＳ２２に進む。ステップＳ２２では、集電体２２ｂが選択され、スイッチ１２と集電体２２ｂとが接続される（セル切換ステップ）。そして、ステップＳ１０の処理に戻される。   First, in step S10, power is generated in the fuel cells between the current collectors 22b to which the switch 12 is connected, and current is extracted. In step S12, the control device 10 confirms whether or not a power generation stop command has been input. If the power generation stop command is input, the operation of the fuel cell system 1 is stopped. If the power generation stop command is not input, the process proceeds to step S14. In step S <b> 14, the remaining water amount detector 14 detects the remaining water amount in the central cell 18. When it is determined by the control device 10 that the detected residual water amount is greater than the lower limit value of the preset threshold range, the process returns to step S10, and when it is determined that the residual water amount is less than the lower limit value of the threshold range, Proceed to S16. In step S16, the current collector 22a is selected, and the switch 12 and the current collector 22a are connected. In step S18, power is generated in the fuel cells between the current collectors 22a to which the switch 12 is connected, and current is extracted. In step S <b> 20, the remaining water amount detector 14 detects the remaining water amount in the central cell 18. When it is determined by the control device 10 that the detected residual water amount is less than the preset upper limit value of the threshold range, the process returns to step S18, and when it is determined that the residual water amount is greater than the upper limit value of the threshold range, Proceed to S22. In step S22, the current collector 22b is selected, and the switch 12 and the current collector 22b are connected (cell switching step). And it returns to the process of step S10.

図７は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの運転方法の一例を示すフロー図である。図７に示す燃料電池システムの運転方法においては、図５に示す燃料電池システム３を用いて説明する。   FIG. 7 is a flowchart showing an example of a method for operating a fuel cell system according to another embodiment of the present invention. The operation method of the fuel cell system shown in FIG. 7 will be described using the fuel cell system 3 shown in FIG.

まず、ステップＳ３０では、スイッチ１２が接続された集電体２２ｃ間の燃料電池セルの発電が行われ、電流が取り出される。ステップＳ３２では、制御装置１１により、発電停止指令の入力の有無が確認される。発電停止指令が入力されていれば、燃料電池システム３の運転は中止され、発電停止指令が入力されていなければ、ステップＳ３４に進む。ステップＳ３４では、残水量検出器１４により中央部セル１８の残水量が検出される。制御装置１１により、検出された残水量が、予め設定した閾値範囲内であると判断された場合、ステップＳ３２の処理に戻され、閾値範囲外であると判断された場合、ステップＳ３６に進む。ステップＳ３６では、制御装置１１により、燃料電池積層体４内の残水量が閾値範囲内となるために必要な発熱量が算出される。上記必要発熱量は、負荷、燃料電池セル温度、中央部セル１８と端部セル２０との温度差等により実験等であらかじめ求められたマップに従って決定される。   First, in step S30, power is generated in the fuel cell between the current collectors 22c connected to the switch 12, and current is extracted. In step S32, the control device 11 confirms whether or not a power generation stop command has been input. If the power generation stop command is input, the operation of the fuel cell system 3 is stopped. If the power generation stop command is not input, the process proceeds to step S34. In step S <b> 34, the remaining water amount detector 14 detects the remaining water amount in the central cell 18. When it is determined by the control device 11 that the detected remaining water amount is within the preset threshold range, the process returns to step S32, and when it is determined that it is outside the threshold range, the process proceeds to step S36. In step S <b> 36, the controller 11 calculates the amount of heat generation necessary for the remaining water amount in the fuel cell stack 4 to be within the threshold range. The required heat generation amount is determined according to a map obtained in advance through experiments or the like based on the load, the fuel cell temperature, the temperature difference between the center cell 18 and the end cell 20, and the like.

ステップＳ３８では、制御装置１１により、算出された必要発熱量を満たす集電体が選択され、スイッチ１２と選択された集電体とが接続される（セル切換ステップ）。ステップＳ４０では、スイッチ１２が接続された集電体間の燃料電池セルで発電が行われ、電流が取り出される。そして、ステップＳ３２の処理に戻される。   In step S38, the control device 11 selects a current collector that satisfies the calculated required calorific value, and connects the switch 12 and the selected current collector (cell switching step). In step S40, power is generated in the fuel cells between the current collectors to which the switch 12 is connected, and current is extracted. And it returns to the process of step S32.

例えば、図５の燃料電池システム３のように、選択、切換える燃料電池セルが複数存在する場合等では、燃料電池積層体内の残水量に応じて好適な燃料電池セルを選択、切換えることができる点で、上記必要発熱量を算出することが好ましい。しかし、例えば、図１に示す燃料電池システム１のように、端部セル２０が１つしかないような場合には、選択、切換える燃料電池セルは、端部セル２０と中央部セル１８との間であるため、必要発熱量の算出は、必ずしも必要ではない。   For example, when there are a plurality of fuel cells to be selected and switched as in the fuel cell system 3 of FIG. 5, a suitable fuel cell can be selected and switched according to the amount of remaining water in the fuel cell stack. Therefore, it is preferable to calculate the necessary heat generation amount. However, for example, when there is only one end cell 20 as in the fuel cell system 1 shown in FIG. 1, the fuel cell to be selected and switched is the end cell 20 and the center cell 18. Therefore, it is not always necessary to calculate the required calorific value.

以上のように、本実施形態に係る燃料電池システムの運転方法は、燃料電池積層体内の残水量に応じて、電流を取り出す燃料電池セルを中央部セルと端部セルとから選択し、切換えるセル切換ステップを備えることによって、燃料電池積層体のドライアップ、フラッディングの発生を抑制することができる。また、端部セルの温度が常に高い状態になることを防ぎ、端部セルが乾燥することも抑制することができる。したがって、燃料電池システムの発電性能の低下を抑制することができる。   As described above, the operation method of the fuel cell system according to the present embodiment selects the fuel cell from which current is to be extracted from the center cell and the end cell according to the amount of remaining water in the fuel cell stack, and switches the cell. By providing the switching step, it is possible to suppress the dry-up and flooding of the fuel cell stack. Moreover, it can prevent that the temperature of an edge part cell always becomes a high state, and can also suppress that an edge part cell dries. Accordingly, it is possible to suppress a decrease in power generation performance of the fuel cell system.

上記本実施形態に係る燃料電池セル及び燃料電池積層体は、例えば、携帯電話、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源、自動車用電源、家庭用電源等として使用することができる。   The fuel cell and the fuel cell laminate according to the present embodiment can be used as, for example, a small power source for mobile devices such as a mobile phone and a portable personal computer, a power source for automobiles, and a household power source.

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に用いられる中央部セル及び端部セルの構成の一例を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows an example of a structure of the center part cell and end part cell which are used for embodiment of this invention. 中央部セル及び端部セルに用いられる膜−電極アッセンブリの一例を示す模式平面図である。It is a schematic plan view which shows an example of the membrane-electrode assembly used for a center part cell and an edge part cell. 中央部セル及び端部セルの電流密度とセル電圧との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the current density and cell voltage of a center part cell and an edge part cell. 本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows an example of the structure of the fuel cell system which concerns on other embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの運転方法の一例を示すフロー図である。It is a flowchart which shows an example of the operating method of the fuel cell system which concerns on embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの運転方法の一例を示すフロー図である。It is a flowchart which shows an example of the operating method of the fuel cell system which concerns on other embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１，３ 燃料電池システム、２，４ 燃料電池積層体、１０，１１ 制御装置、１２ スイッチ、１４ 残水量検出器、１８ 中央部セル、２０，２０ａ，２０ｂ 端部セル、２２ａ，２２ｂ，２２ｃ 集電体、２３ 負荷、２４ａ，２４ｂ，２４ｃ 膜−電極アッセンブリ、２６ アノード極拡散層、２８ カソード極拡散層、３０ アノード極セパレータ、３２ カソード極セパレータ、３４ａ，３４ｂ フレーム、３６ ガスケット、３８ａ アノードガス流路、３８ｂ カソードガス流路、４０ａ アノードガス供給マニホールド、４０ｂ アノードガス排出マニホールド、４２ａ カソードガス供給マニホールド、４２ｂ カソードガス排出マニホールド。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,3 Fuel cell system, 2,4 Fuel cell laminated body 10,11 Control apparatus, 12 switch, 14 Remaining water amount detector, 18 Center part cell, 20, 20a, 20b End cell, 22a, 22b, 22c Collection Electrode, 23 Load, 24a, 24b, 24c Membrane-electrode assembly, 26 Anode pole diffusion layer, 28 Cathode pole diffusion layer, 30 Anode pole separator, 32 Cathode pole separator, 34a, 34b Frame, 36 Gasket, 38a Anode gas flow Path, 38b cathode gas flow path, 40a anode gas supply manifold, 40b anode gas discharge manifold, 42a cathode gas supply manifold, 42b cathode gas discharge manifold.

Claims (4)

発電を行う燃料電池セルを複数積層する燃料電池積層体を含む燃料電池システムであって、
前記燃料電池積層体は、前記燃料電池積層体の積層方向中央部に少なくとも１つ以上配置される中央部燃料電池セルと、前記中央部燃料電池セルより発電面積が小さく、前記燃料電池積層体の積層方向端部に配置される第１端部セルと、前記第１端部セルより発電面積が小さく、前記第１端部セルより積層方向外側に配置される第２端部セルと、を有し、
前記発電の際に、前記燃料電池積層体内の残水量が所定範囲内となるように、電流を取り出す燃料電池セルを前記中央部燃料電池セル、前記第１端部セル、前記第２端部セルから選択し、切換えるセル切換え手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell system including a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells that generate power are stacked,
The fuel cell stack includes at least one central fuel cell arranged at a central portion in the stacking direction of the fuel cell stack, and a power generation area smaller than that of the central fuel cell. a first end cell which is placed in the stacking direction end portion, the first end portion smaller power area than the cell, a second end cells arranged in the stacking direction outside than the first end cell, the Have
During the power generation, the central fuel cell , the first end cell, and the second end cell are arranged as the fuel cell from which the current is extracted so that the remaining water amount in the fuel cell stack is within a predetermined range. A fuel cell system comprising cell switching means for selecting and switching from the above. 請求項１記載の燃料電池システムであって、前記中央部燃料電池セル、前記第１端部セル及び前記第２端部セルは、電解質膜を介して配置される一対の電極を含む膜−電極アッセンブリを有し、前記端部燃料電池セルは、前記中央部燃料電池セルより前記膜−電極アッセンブリの面積が小さいことを特徴とする燃料電池システム。 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the central fuel cell , the first end cell, and the second end cell include a pair of electrodes disposed via an electrolyte membrane. A fuel cell system comprising an assembly, wherein the end fuel cell has an area of the membrane-electrode assembly smaller than that of the central fuel cell. 請求項１記載の燃料電池システムであって、前記残水量は、前記中央部燃料電池セルの内部抵抗、圧力損失、電圧、前記中央部燃料電池セルと、前記第１端部セル又は前記第２端部セルとの温度差のうち少なくともいずれか１つから算出されることを特徴とする燃料電池システム。 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the remaining water amount is an internal resistance, a pressure loss, a voltage, the central fuel cell , the first end cell, or the second of the central fuel cell . The fuel cell system is calculated from at least one of the temperature differences from the end cells . 発電を行う燃料電池セルを複数積層する燃料電池積層体を含む燃料電池システムの運転方法であって、
前記発電の際に、前記燃料電池積層体内の残水量が所定範囲内となるように、電流を取り出す燃料電池セルを前記燃料電池積層体の積層方向中央部に配置される中央部燃料電池セルと、前記中央部燃料電池セルより発電面積が小さく、前記燃料電池積層体の積層方向端部に配置される第１端部セルと、前記第１端部セルより発電面積が小さく、前記第１端部セルより積層方向外側に配置される第２端部セルとから選択し、切換えるセル切換えステップを備えることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。 A method of operating a fuel cell system including a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells that generate power are stacked,
A central fuel cell disposed at a central portion of the fuel cell stack in a stacking direction so that a remaining water amount in the fuel cell stack is within a predetermined range during power generation; A power generation area smaller than that of the central fuel cell, a first end cell disposed at a stacking direction end of the fuel cell stack, and a power generation area smaller than that of the first end cell. A method for operating a fuel cell system, comprising: a cell switching step for selecting and switching from a second end cell arranged outside the partial cell in the stacking direction .
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